“启智”专家系统外壳及其教学应用

1、启智”专家系统外壳及其教学应用普通高中信息技术新课标中设置了“人工智能初步”选 修模块，要求学生能够利用简易的专家系统外壳开发简单的 专家系统。国外对专家系统外壳的研究较为成熟，已经在教 育教学中进行了应用。但是由于其对汉语规则的支持较差， 系统的解释程序与知识表达很难通过汉化来实现，不适合我 国人工智能课程教学的开展。笔者针对这种情况，开发了一 款适合于中小学使用的全中文专家系统外壳程序，将其命名 为“启智”专家系统外壳（以下简称为系统） ，可以满足人 工智能初步课程中专家系统模块的教学要求。一、专家系统外壳的概念（一）专家系统的基本结构 专家系统是一个 （或一组 ）能在某特定领域内，以人类

2、专 家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序。专家系统的 结构由于实现技术不同而差别较大， 一般均以MYCIN为代表 的专家系统为原型，包括六个组成部分：知识库、上下文 （也 称全局数据库 ）、推理机、知识获取机制、解释机制和人机接（二）专家系统外壳专家系统外壳属于专家系统开发工具，设计目的是为了 解决专家系统的通用性，提高开发效益。开发专家系统外壳 的关键问题是使知识表示方式与推理控制策略独立于具体 的问题领域。本文把推理机、解释程序、人机接口和知识获 取程序等专家系统公共部分称为专家系统外壳。这样，把不 同应用领域的知识库导入专家系统外壳即可形成相应的专 家系统。二、专家系统外壳的应用本文

3、以动物识别分类知识为例，阐述如何从领域专家获 取知识，把知识成专家系统的表示形式，构造动物识别专家 系统知识库，并在给定事实的情况下进行推理。（一）获取领域知识1. 如果该动物有毛发，那么该动物是哺乳动物。2. 如果该动物能产乳，那么该动物是哺乳动物。3. 如果该动物会吃肉，那么该动物是食肉动物。4. 如果该动物有犬齿，且该动物有爪子、眼视前方，那 么该动物是食肉动物。5. 如果该动物是哺乳动物且该动物是食肉动物，颜色是 黄褐色，有暗斑点，那么该动物是金钱豹。6. 如果该动物是哺乳动物且该动物是食肉动物，颜色是 黄褐色，有黑色条纹，那么该动物是老虎。（二）绘出推理网络绘制推理网络有助于学生了解

4、专家系统的推理机制和解释机制。图 1 中最高节点称为假设或结论节点 （这些节点没有输出弧线 ） ，如金钱豹、老虎；中间节点（这些节点既有输出弧线又有输入弧线）称为中间假设，如哺乳动物、食肉动物等；始端节点（这些节点没有输入弧线）称为证据节点或事实节点。“t”表示推断，有“”表示同时要有，即and的关系。（三）编制知识库 本系统支持人机界面和知识库文本两种方式编制知识 库。人机界面通过“数据管理”模块（如图2）实现，可以提供友好的人机接口并能对已有条件进行自动录入，比较适 合中小学生使用；知识库文本则按照一定的语法要求编制知 识库，这种方式比较适合专业开发人员使用。首先按语法要 求编写知识库文本

5、，再利用“系统维护”模块下的“知识库导入”功能导入系统。下面阐述一下动物识别专家系统语法 的编制方法。动物识别专家系统语法/ 动物识别专家系统 .txt/ 以下为知识库中全局变量START-GLOBALKNOWLEDGE-BASE动物识别专家系统DEFAULT-PATH=D:ImagesEND-GLOBAL/ 以下为知识库中的规则START-RULERULE 规 则 1 (CF=100%)IF该动物有毛发 =真THEN该动物是哺乳动物 (省略规则 2 至规则 5)RULE 规 则 6 (CF=100%)IF该动物是哺乳动物 =真 该动物是食肉动物 =真 该动物的颜色是黄褐色 = 真该动物有黑色

6、条纹 =真 THEN该动物是老虎 JPG=21.jpgWMV=21.wmvEND-RULE/ 以下为人机交互问题的选项PROMPT-STARTDEFAULT-CHOICE真假PROMPT-END（四）专家系统外壳推理过程“动物识别专家系统”知识库编制完成后就可以运用这 些知识进行推理。 现以事实 “能产乳”、“会吃肉”、“黄褐色”、 “黑条纹”为例，具体了解一下专家系统的运行过程、推理 机制以及解释机制等。本系统能同时支持多个知识库，在推理之前应首先在系 统界面主菜单中依次选择“运行”“选择知识库” ，设定 需要运行的当前知识库。 设定知识库后选择 “运行专家系统” 就可以进入专家系统推理界面

7、。本系统采用逆向推理机制， 将按照规则的存储顺序查找第一条最终结论规则，即首先假 设动物为“金钱豹” ，按照递归算法查找“金钱豹”的条件 支持，从规则 5 可以看出，第一个条件“哺乳动物”为一中 间结论，推理机将继续寻找“哺乳动物”的条件支持。专家系统在推理的每一个步骤中，将把用户事实和相应 的选项存入上下文，推理机根据上下文中的动态内容进行推 理，直至问题求解。系统问题一“该动物有毛发” ，该问题 与已知事实不匹配，因此选“假” ，如图 3。问题二“该动物 能产乳”，与已知事实相匹配，用户应该选择“真” 。推理机 根据规则库及上下文查找匹配规则，发现规则 2 与用户的事 实及选项相匹配，系统

8、将把结论“该动物是哺乳动物”以及 相应的规则号加入上下文。结论“该动物是哺乳动物”为一 中间结论，因此系统将继续进行推理。问题三“该动物会吃 肉”将匹配规则 3，并得到中间结论“该动物是食肉动物”在交互过程中，用户可以随时点击“为何”了解系统提 问的原因。如问题“该动物会吃肉” ，从系统给出的解释可 以看出，系统提问“该动物会吃肉”的目的是为了求解结论 “该动物是金钱豹” 。由于第一个子条件“该动物是哺乳动 物” =“真”已经得到满足，并已加入上下文，那么系统将 寻找第二个子条件“该动物是食肉动物”=“真”的支持。 从规则 3 可以看出，“该动物会吃肉” =“真” 将引出结论 “该 动物是食肉

9、动物” =“真”。问题四“该动物的颜色是黄褐色”与用户事实相符，选 择选项“真”。问题五“该动物有暗斑点”与用户事实不匹 配，选择选项“假” 。问题六“该动物有黑色条纹”与用户 事实相匹配，选择选项“真” 。推理机根据规则库及上下文 中的事实进行匹配，结果发现规则 6 与上下文中的事实相匹 配，专家系统给出结论“该动物是老虎” 。由于该结论是最 终结论，因此系统结束推理过程并给出结论，如图4。本系统采用路径跟踪法的解释策略，在问题求解的同时， 将推理所使用的知识自动记录下来，并把相关规则或知识组 织成解释文本。 系统推理结束后， 用户可以通过点击 “怎样” 来了解系统是采用怎样的推理路径导致当

10、前结论。图 5 显示 结论“该动物是老虎”的推理路径以及这个结论的可信度。四、结论本软件在 Windows 平台下，采用 C+ Builder 6.0 作为开 发工具， Access 作为后台数据库开发完成。软件安装方便、 人机界面友好、知识表示方法简单易懂，人机界面的多媒体支持使得推理结论更加形象生动。本系统采用逆向推理控制策略，实现了基于可信度理论的不精确推理，适合中小学将其作为人工智能初步课程的教学辅助软件使用。本文以动物识别分类知识为例，讲解了如何利用“启智”专家系统外壳程序构造动物识别专家系统。本外壳程序也可以实现诸 如农作物病虫害防治、动物疾病防治等基于规则的专家系统。参考文献1 教育部 .普通高中技术课程标准（实验） （信息技术） . 教育部文件 ,2003,（4）.2 张