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第十一屆齊魯大學生軟件設計大賽命題 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程序，它的智能化主要表現(xiàn)為能夠在特定的領域內模仿人類專家思維來求解復雜問題。因此，專家系統(tǒng)必須包含領域專家的大量知識，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，判別出病情的嚴重性，并給出相應的處方和治療建議等。 根據(jù)“專家系統(tǒng)”的定義，結合移動設備的便攜性、方便性，針對某個專門領域（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)領域內為用戶答疑解惑，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、一臺設備，而是在與專家對話。 （3） 軟件根據(jù)用戶對提問的回答，不但能得出結論，還要提供更多其他信息，如“我是怎么得到結論的”等類似信息，以增強用戶的人性化體驗。 （4） 軟件要具備學習功能，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習，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備上（如手機、平板電腦等），方便用戶隨時隨地進行咨詢。 3. 評審依據(jù) 1.軟件界面是否友好，操作是否簡潔合理。 2.是否具有學習功能。 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)人們在某一領域內的知識、經(jīng)驗或技術而建立的解決問題和做決策的計算機軟件系統(tǒng)，它能對復雜問題給出專家水平的結果。 專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內部含有大量的某個領域專家水平的知識與經(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)，它應用人工智能技術和計算機技術，根據(jù)某領域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，進行推理和判斷，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雜問題，簡而言之，專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統(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用領域，它實現(xiàn)了人工智能從理論研究走向實際應用、從一般推理策略探討轉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來模擬通常由領域專家才能解決的復雜問題。 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)的構造 專家系統(tǒng)通常由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取等6個部分構成。其中尤以知識庫與推理機相互分離而別具特色。專家系統(tǒng)的體系結構隨專家系統(tǒng)的類型、功能和規(guī)模的不同，而有所差異。 為了使計算機能運用專家的領域知識，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、框架、狀態(tài)空間、邏輯模式、腳本、過程、面向對象等?；谝?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的事實和斷言。知識庫包含所有用“如果：〈前提〉，于是：〈結果〉”形式表達的知識規(guī)則。推理機（又稱規(guī)則解釋器）的任務是運用控制策略找到可以應用的規(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)質量是否優(yōu)越的關鍵所在，即知識庫中知識的質量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質量水平。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后面的是結論（后件），條件與結論均可以通過邏輯運算AND、OR、NOT進行復合。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)生相應的動作或結論。 2.2推理機 推理機針對當前問題的條件或已知信息，反復匹配知識庫中的規(guī)則，獲得新的結論，以得到問題求解結果。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)庫的內容。這樣反復地進行尋找，直到數(shù)據(jù)庫的事實與目標一致即找到解答，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出發(fā)，尋找執(zhí)行后果可以達到目標的規(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，并對新的子目標尋找可以運用的規(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，推理機就如同專家解決問題的思維方式，知識庫就是通過推理機來實現(xiàn)其價值的。 2.3其它部分 人機界面是系統(tǒng)與用戶進行交流時的界面。通過該界面，用戶輸入基本信息、回答系統(tǒng)提出的相關問題，并輸出推理結果及相關的解釋等。 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)、中間結果和最終結論，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)越的關鍵，也是專家系統(tǒng)設計的“瓶頸”問題，通過知識獲取，可以擴充和修改知識庫中的內容，也可以實現(xiàn)自動學習功能。 6. 專家系統(tǒng)的工作過程 專家系統(tǒng)的基本結構如圖所示，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，用戶通過人機接口回答系統(tǒng)的提問，推理機將用戶輸入的信息與知識庫中各個規(guī)則的條件進行匹配，并把被匹配規(guī)則的結論存放到綜合數(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）？計算機是如何得出最終結論的（How）？ 領域專家或知識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，如中間結果、目標、字母表以及假設等。 ⑶根據(jù)當前輸入的數(shù)據(jù)，利用已有的知識，按照一定的推理策略，去解決當前問題，并能控制和協(xié)調整個系統(tǒng)。 ⑷能夠對推理過程、結論或系統(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。 ⑸提供知識獲取，機器學習以及知識庫的修改、擴充和完善等維護手段。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。 這里強調指出，存放知識和運用知識進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困難的問題。一般來說，一個高性能的專家系統(tǒng)應具備如下特征： (1)為解決特定領域的具體問題，除需要一些公共的常識，還需要大量與所研究領域問題密切相關的知識； (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、機械、經(jīng)濟等。 （2）解釋型專家系統(tǒng)：根據(jù)表層信息解釋深層結構或內部情況的一類系統(tǒng)，如地質結構分析、物質化學結構分析等。 （3）預測型專家系統(tǒng)：根據(jù)現(xiàn)狀預測未來情況的一類系統(tǒng)，如氣象預報、人口預測、水文預報、經(jīng)濟形勢預測等。 （4）設計型專家系統(tǒng)：根據(jù)給定的產(chǎn)品要求設計產(chǎn)品的一類系統(tǒng)，如建筑設計、機械產(chǎn)品設計等。 （5）決策型專家系統(tǒng)：對可行方案進行綜合評判并優(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)，如自動程序設計、軍事計劃的制定等。 （7）教學型專家系統(tǒng)：能夠輔助教學的一類專家系統(tǒng)。 （8）數(shù)學專家系統(tǒng)：用于自動求解某些數(shù)學問題的一類專家系統(tǒng)。 （9）監(jiān)視型專家系統(tǒng)：對某類行為進行監(jiān)測并在必要時候進行干預的一類專家系統(tǒng)，如機場監(jiān)視、森林監(jiān)視等。