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第十一屆齊魯大學(xué)生軟件設(shè)計大賽命題 便攜式※※專家系統(tǒng) 1. 課題描述 所謂“專家”，一般都擁有某一特定領(lǐng)域的大量知識，以及豐富的經(jīng)驗。在解決問題時，專家們通常擁有一套獨特的思維方式，能較圓滿地解決一類困難問題，或向用戶提出一些建設(shè)性的建議等。 那么，什么是專家系統(tǒng)呢？簡單地講，專家系統(tǒng)就是一個具有智能特點的計算機(jī)程序，它的智能化主要表現(xiàn)為能夠在特定的領(lǐng)域內(nèi)模仿人類專家思維來求解復(fù)雜問題。因此，專家系統(tǒng)必須包含領(lǐng)域?qū)＜业拇罅恐R，擁有類似人類專家思維的推理能力，并能用這些知識來解決實際問題。例如，一個醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)就能夠像真正的專家一樣，診斷病人的疾病，判別出病情的嚴(yán)重性，并給出相應(yīng)的處方和治療建議等。 根據(jù)“專家系統(tǒng)”的定義，結(jié)合移動設(shè)備的便攜性、方便性，針對某個專門領(lǐng)域（如汽車修理、醫(yī)療診斷等），開發(fā)一個專家系統(tǒng)軟件，能夠在此專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)為用戶答疑解惑，代替專家實現(xiàn)問題的診斷、規(guī)劃或決策。 關(guān)于“專家系統(tǒng)”的最基本知識，請參閱附件。 2. 課題基本要求 （1） 軟件要具備一定規(guī)模的知識，以滿足用戶多方面的提問，保證推理結(jié)果的正確性。 （2） 軟件要具備人性化的操作界面及方式，讓用戶感覺這不是一臺計算機(jī)、一臺設(shè)備，而是在與專家對話。 （3） 軟件根據(jù)用戶對提問的回答，不但能得出結(jié)論，還要提供更多其他信息，如“我是怎么得到結(jié)論的”等類似信息，以增強(qiáng)用戶的人性化體驗。 （4） 軟件要具備學(xué)習(xí)功能，初始時，軟件掌握的知識較少，不足以回答用戶的多數(shù)問題，但隨著軟件的不斷學(xué)習(xí)，知識庫不斷增添、完善，能夠回答的問題會越來越多。 （5） 軟件能夠運行在移動式便攜設(shè)備上（如手機(jī)、平板電腦等），方便用戶隨時隨地進(jìn)行咨詢。 3. 評審依據(jù) 1.軟件界面是否友好，操作是否簡潔合理。 2.是否具有學(xué)習(xí)功能。 3.推理過程是否具備處理冗余的、矛盾的知識。 4.推理結(jié)果的正確率。 5.人性化程度，比如提問問題的方式、用戶能否用自然語言回答問題、對用戶回答問題的理解能力、是否具備語音問答等因素。 其它未提及的內(nèi)容，如作品提交方式及時間等，遵照大賽網(wǎng)站發(fā)布的各種文件執(zhí)行。 附件：專家系統(tǒng)簡介 4. 專家系統(tǒng)概述 根據(jù)人們在某一領(lǐng)域內(nèi)的知識、經(jīng)驗或技術(shù)而建立的解決問題和做決策的計算機(jī)軟件系統(tǒng)，它能對復(fù)雜問題給出專家水平的結(jié)果。 專家系統(tǒng)是一個智能計算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。也就是說，專家系統(tǒng)是一個具有大量的專門知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以便解決那些需要人類專家處理的復(fù)雜問題，簡而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計算機(jī)程序系統(tǒng)。 專家系統(tǒng)是人工智能中最重要的也是最活躍的一個應(yīng)用領(lǐng)域，它實現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用、從一般推理策略探討轉(zhuǎn)向運用專門知識的重大突破。專家系統(tǒng)是早期人工智能的一個重要分支，它可以看作是一類具有專門知識和經(jīng)驗的計算機(jī)智能程序系統(tǒng)，一般采用人工智能中的知識表示和知識推理技術(shù)來模擬通常由領(lǐng)域?qū)＜也拍芙鉀Q的復(fù)雜問題。 專家系統(tǒng)的一個偽代碼形象化表示如下： IF 能做單腿跳嗎 = 否 AND 在蘇格蘭嗎 = 是 AND 高度 = 大 THEN 動物 = 馬 IF 能做單腿跳嗎 = 否 AND 在蘇格蘭嗎 = 是 AND 高度 = 中 THEN 動物 = 小馬 在這條規(guī)則當(dāng)中，IF后面的前件中包含三個條件，只有三個條件都得到了滿足，才能得出該動物是“馬”。反之就得不出這個結(jié)論。產(chǎn)生式專家系統(tǒng)的知識庫中包含了大量的規(guī)則，換言之，這里的知識庫就是一個規(guī)則集。 5. 專家系統(tǒng)的構(gòu)造 專家系統(tǒng)通常由人機(jī)交互界面、知識庫、推理機(jī)、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等6個部分構(gòu)成。其中尤以知識庫與推理機(jī)相互分離而別具特色。專家系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)隨專家系統(tǒng)的類型、功能和規(guī)模的不同，而有所差異。 為了使計算機(jī)能運用專家的領(lǐng)域知識，必須要采用一定的方式表示知識。目前常用的知識表示方式有產(chǎn)生式規(guī)則、語義網(wǎng)絡(luò)、框架、狀態(tài)空間、邏輯模式、腳本、過程、面向?qū)ο蟮?。基于?guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)是目前實現(xiàn)知識運用最基本的方法。產(chǎn)生式系統(tǒng)由綜合數(shù)據(jù)庫、知識庫和推理機(jī)3個主要部分組成，綜合數(shù)據(jù)庫包含求解問題的世界范圍內(nèi)的事實和斷言。知識庫包含所有用“如果：〈前提〉，于是：〈結(jié)果〉”形式表達(dá)的知識規(guī)則。推理機(jī)（又稱規(guī)則解釋器）的任務(wù)是運用控制策略找到可以應(yīng)用的規(guī)則。 2.1知識庫 知識庫用來存放專家提供的知識。專家系統(tǒng)的問題求解過程是通過知識庫中的知識來模擬專家的思維方式的，因此，知識庫是專家系統(tǒng)質(zhì)量是否優(yōu)越的關(guān)鍵所在，即知識庫中知識的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平。一般來說，專家系統(tǒng)中的知識庫與專家系統(tǒng)程序是相互獨立的，用戶可以通過改變、完善知識庫中的知識內(nèi)容來提高專家系統(tǒng)的性能。 人工智能中的知識表示形式有產(chǎn)生式、框架、語義網(wǎng)絡(luò)等，而在專家系統(tǒng)中運用得較為普遍的知識是產(chǎn)生式規(guī)則。產(chǎn)生式規(guī)則以IF…THEN…的形式出現(xiàn)，就像BASIC等編程語言里的條件語句一樣，IF后面跟的是條件（前件），THEN后面的是結(jié)論（后件），條件與結(jié)論均可以通過邏輯運算AND、OR、NOT進(jìn)行復(fù)合。在這里，產(chǎn)生式規(guī)則的理解非常簡單：如果前提條件得到滿足，就產(chǎn)生相應(yīng)的動作或結(jié)論。 2.2推理機(jī) 推理機(jī)針對當(dāng)前問題的條件或已知信息，反復(fù)匹配知識庫中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論，以得到問題求解結(jié)果。在這里，推理方式可以有正向和反向推理兩種。 正向鏈的策略是尋找出前提可以同數(shù)據(jù)庫中的事實或斷言相匹配的那些規(guī)則，并運用沖突的消除策略，從這些都可滿足的規(guī)則中挑選出一個執(zhí)行，從而改變原來數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。這樣反復(fù)地進(jìn)行尋找，直到數(shù)據(jù)庫的事實與目標(biāo)一致即找到解答，或者到?jīng)]有規(guī)則可以與之匹配時才停止。 逆向鏈的策略是從選定的目標(biāo)出發(fā)，尋找執(zhí)行后果可以達(dá)到目標(biāo)的規(guī)則；如果這條規(guī)則的前提與數(shù)據(jù)庫中的事實相匹配，問題就得到解決；否則把這條規(guī)則的前提作為新的子目標(biāo)，并對新的子目標(biāo)尋找可以運用的規(guī)則，執(zhí)行逆向序列的前提，直到最后運用的規(guī)則的前提可以與數(shù)據(jù)庫中的事實相匹配，或者直到?jīng)]有規(guī)則再可以應(yīng)用時，系統(tǒng)便以對話形式請求用戶回答并輸入必需的事實。 由此可見，推理機(jī)就如同專家解決問題的思維方式，知識庫就是通過推理機(jī)來實現(xiàn)其價值的。 2.3其它部分 人機(jī)界面是系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交流時的界面。通過該界面，用戶輸入基本信息、回答系統(tǒng)提出的相關(guān)問題，并輸出推理結(jié)果及相關(guān)的解釋等。 綜合數(shù)據(jù)庫專門用于存儲推理過程中所需的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)論，往往是作為暫時的存儲區(qū)。解釋器能夠根據(jù)用戶的提問，對結(jié)論、求解過程做出說明，因而使專家系統(tǒng)更具有人情味。 知識獲取是專家系統(tǒng)知識庫是否優(yōu)越的關(guān)鍵，也是專家系統(tǒng)設(shè)計的“瓶頸”問題，通過知識獲取，可以擴(kuò)充和修改知識庫中的內(nèi)容，也可以實現(xiàn)自動學(xué)習(xí)功能。 6. 專家系統(tǒng)的工作過程 專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其中箭頭方向為數(shù)據(jù)流動的方向。 專家系統(tǒng)的基本工作流程是，用戶通過人機(jī)接口回答系統(tǒng)的提問，推理機(jī)將用戶輸入的信息與知識庫中各個規(guī)則的條件進(jìn)行匹配，并把被匹配規(guī)則的結(jié)論存放到綜合數(shù)據(jù)庫中。最后，專家系統(tǒng)將得出最終結(jié)論呈現(xiàn)給用戶。 在這里，專家系統(tǒng)還可以通過解釋器向用戶解釋以下問題：系統(tǒng)為什么要向用戶提出該問題（Why）？計算機(jī)是如何得出最終結(jié)論的（How）？ 領(lǐng)域?qū)＜一蛑R工程師通過專門的軟件工具，或編程實現(xiàn)專家系統(tǒng)中知識的獲取，不斷地充實和完善知識庫中的知識。 7. 專家系統(tǒng)的功能 專家系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾個功能： ⑴存儲問題求解所需的知識。 ⑵存儲具體問題求解的初始數(shù)據(jù)和推理過程中涉及的各種信息，如中間結(jié)果、目標(biāo)、字母表以及假設(shè)等。 ⑶根據(jù)當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)，利用已有的知識，按照一定的推理策略，去解決當(dāng)前問題，并能控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。 ⑷能夠?qū)ν评磉^程、結(jié)論或系統(tǒng)自身行為作出必要的解釋，如解題步驟、處理策略、選擇處理方法的理由、系統(tǒng)求解某種問題的能力、系統(tǒng)如何組織和管理其自身知識等。這樣既便于用戶的理解和接受，同時也便于系統(tǒng)的維護(hù)。 ⑸提供知識獲取，機(jī)器學(xué)習(xí)以及知識庫的修改、擴(kuò)充和完善等維護(hù)手段。只有這樣才能更有效地提高系統(tǒng)的問題求解能力及準(zhǔn)確性。 ⑹提供一種用戶接口，既便于用戶使用，又便于分析和理解用戶的各種要求和請求。 這里強(qiáng)調(diào)指出，存放知識和運用知識進(jìn)行問題求解是專家系統(tǒng)的兩個最基本的功能。 8. 專家系統(tǒng)的特點 專家系統(tǒng)是一個基于知識的系統(tǒng)，它利用人類專家提供的專門知識，模擬人類專家的思維過程，解決對人類專家都相當(dāng)困難的問題。一般來說，一個高性能的專家系統(tǒng)應(yīng)具備如下特征： (1)為解決特定領(lǐng)域的具體問題，除需要一些公共的常識，還需要大量與所研究領(lǐng)域問題密切相關(guān)的知識； (2)一般采用啟發(fā)式的解題方法； (3)在解題過程中除了用演繹方法外，有時還要求助于歸納方法和抽象方法； (4)需處理問題的模糊性、不確定性和不完全性； (5)能對自身的工作過程進(jìn)行推理(自推理或解釋)； (6)采用基于知識的問題求解方法； (7)知識庫與推理機(jī)分離。 9. 專家系統(tǒng)的分類 （1）診斷型專家系統(tǒng)：根據(jù)對癥狀的觀察分析，推導(dǎo)出產(chǎn)生癥狀的原因以及排除故障方法的一類系統(tǒng)，如醫(yī)療、機(jī)械、經(jīng)濟(jì)等。 （2）解釋型專家系統(tǒng)：根據(jù)表層信息解釋深層結(jié)構(gòu)或內(nèi)部情況的一類系統(tǒng)，如地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)分析等。 （3）預(yù)測型專家系統(tǒng)：根據(jù)現(xiàn)狀預(yù)測未來情況的一類系統(tǒng)，如氣象預(yù)報、人口預(yù)測、水文預(yù)報、經(jīng)濟(jì)形勢預(yù)測等。 （4）設(shè)計型專家系統(tǒng)：根據(jù)給定的產(chǎn)品要求設(shè)計產(chǎn)品的一類系統(tǒng)，如建筑設(shè)計、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計等。 （5）決策型專家系統(tǒng)：對可行方案進(jìn)行綜合評判并優(yōu)選的一類專家系統(tǒng)。 （6）規(guī)劃型專家系統(tǒng)：用于制定行動規(guī)劃的一類專家系統(tǒng)，如自動程序設(shè)計、軍事計劃的制定等。 （7）教學(xué)型專家系統(tǒng)：能夠輔助教學(xué)的一類專家系統(tǒng)。 （8）數(shù)學(xué)專家系統(tǒng)：用于自動求解某些數(shù)學(xué)問題的一類專家系統(tǒng)。 （9）監(jiān)視型專家系統(tǒng)：對某類行為進(jìn)行監(jiān)測并在必要時候進(jìn)行干預(yù)的一類專家系統(tǒng)，如機(jī)場監(jiān)視、森林監(jiān)視等。