專家系統(tǒng)及其應(yīng)用

林雪芬

(浙江師范大學(xué) 教育技術(shù)系)

摘  要　專家系統(tǒng)是人工智能領(lǐng)域中較為成熟的一個分支。本文在闡述專家系統(tǒng)的基本概念及基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了一個簡單的專家系統(tǒng)實例和專家系統(tǒng)外殼，并簡要分析了專家系統(tǒng)的網(wǎng)上資源及其教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞　專家系統(tǒng)　知識庫　專家系統(tǒng)工具  InterModeller

在日常生活與工作中，我們經(jīng)常會遇到一些需要“專家”水平才能解決的復(fù)雜問題，這時我們會希望得到該領(lǐng)域?qū)＜业木唧w幫助與指導(dǎo)，但這往往需要大量的時間和不菲的費用。如何才能花較少的時間、較低的費用和便捷的方式來求得所需的答案呢？伴隨著人工智能技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展，我們將目光投向了專家系統(tǒng)。

1.什么是專家系統(tǒng)

（1）專家系統(tǒng)的概念

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。

目前，專家系統(tǒng)在各個領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并取得了可喜的成果，例如個人理財專家系統(tǒng)、尋找油田的專家系統(tǒng)、貸款損失評估專家系統(tǒng)、各類教學(xué)專家系統(tǒng)等。

（2）專家系統(tǒng)的構(gòu)造

專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中箭頭方向為數(shù)據(jù)流動的方向。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(gòu)成。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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。

例如，在“動物識別”專家系統(tǒng)中有這樣一條規(guī)則：

IF 能做單腿跳嗎 = 否 AND

         在蘇格蘭嗎 = 是 AND

         高度 = 大

THEN 動物 = 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。

推理機針對當(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。正向推理是從前件匹配到結(jié)論，反向推理則先假設(shè)一個結(jié)論成立，看它的條件有沒有得到滿足。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。

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(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。

2.專家系統(tǒng)如何工作

（1）專家系統(tǒng)的工作過程

專家系統(tǒng)的基本工作流程是，用戶通過人機界面回答系統(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(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。

（2）專家系統(tǒng)實例

這里，我們以一個簡單的“動物識別專家系統(tǒng)”為例，初步認(rèn)識專家系統(tǒng)的工作機制及系統(tǒng)特點。該系統(tǒng)的知識庫是一個產(chǎn)生式規(guī)則的集合，圖2顯示了其中的2條規(guī)則。從原則上來講，規(guī)則之間相互獨立，任何兩條規(guī)則的“前件”一般都不能重復(fù)，也不具有包含關(guān)系。小型專家系統(tǒng)的規(guī)則可以是幾條幾十條，大型專家系統(tǒng)的規(guī)則可達(dá)上千條，像這個動物專家系統(tǒng)知識庫的規(guī)則就只有六條。該“動物識別專家系統(tǒng)”的6條規(guī)則也可以采用決策樹方式來表示，如圖3所示。

圖2專家系統(tǒng)中的部分規(guī)則

圖3 動物識別專家系統(tǒng)的決策樹

圖4 專家系統(tǒng)的人機對話過程   　 　      圖5 專家系統(tǒng)的解釋機制

  運行動物專家系統(tǒng)時，系統(tǒng)將通過人機界面向用戶提問，人機對話的一個界面如圖4所示。用戶選擇答案做出相應(yīng)的回答，然后按“確定”鍵，再回答下一個問題。

專家系統(tǒng)具備“Why（為什么）”和“How（怎樣）”的解釋功能。圖5就是計算機對“為什么會問‘能做單腿跳嗎’”這個問題的回答，其解答是：系統(tǒng)為了匹配第一條規(guī)則，因此向用戶提出該問題。

同理，最后得出結(jié)論之后，用戶還可以通過“How”來查看該結(jié)論是如何得出來的。計算機的回答也是對該結(jié)論的推理過程的重現(xiàn)。

（3）專家系統(tǒng)外殼

在上面的例子中，我們使用了專家系統(tǒng)外殼InterModeller，這是一個適合中學(xué)人工智能教學(xué)與應(yīng)用的簡易型專家系統(tǒng)外殼，學(xué)習(xí)者可以通過它來建造各種主題的專家系統(tǒng)，同時，它還提供了各種知識表示方法之間的轉(zhuǎn)換。該軟件的詳情請參見網(wǎng)站：http://www./intermodeller.html。

3.專家系統(tǒng)的資源與教學(xué)

專家系統(tǒng)在人工智能領(lǐng)域享有很高的聲譽，曾被認(rèn)為“是人工智能從幻想到實踐，再由實踐到理論的主角”。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，專家系統(tǒng)逐漸吸收了新的技術(shù)和思想，出現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)等。國外網(wǎng)站上的專家系統(tǒng)教學(xué)資源較為豐富，例如expertise2go網(wǎng)站（http://www.）提供了大量的在線專家系統(tǒng)，用戶可以直接進行咨詢或?qū)W習(xí)，它還提供了專家系統(tǒng)外殼，將其下載下來之后就可以建造自己的專家系統(tǒng)；EXSYS專家系統(tǒng)網(wǎng)站（http://www./demomain.html）也是一個不錯的專家系統(tǒng)學(xué)習(xí)資源，在該網(wǎng)站上提供了眾多的實例、教程及專家系統(tǒng)工具。相對于國外網(wǎng)站來說，中文網(wǎng)站中有關(guān)專家系統(tǒng)的資料相對欠缺，因此，可以通過國外的一些網(wǎng)站來認(rèn)識和了解專家系統(tǒng)。

大部分的專家系統(tǒng)都是作為一種咨詢工具來應(yīng)用，回答用戶的疑難問題，提出一些建議，并根據(jù)推理過程為用戶展現(xiàn)一個理性的分析思路。隨著專家系統(tǒng)本身技術(shù)的不斷成熟以及信息社會對學(xué)生信息素養(yǎng)要求的不斷提高，它也逐漸地走進了大學(xué)課堂并延伸至高中信息技術(shù)教材當(dāng)中。在教育部最新頒布的普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中，就設(shè)置了《人工智能初步》選修模塊，要求將專家系統(tǒng)作為一個重要內(nèi)容來進行教授。因此，對于這方面的研究也逐漸開始被人們所重視，例如，如何利用專家系統(tǒng)進行教學(xué)，關(guān)于專家系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計研究等。

目前被大多數(shù)人認(rèn)可的專家系統(tǒng)教學(xué)方式主要有兩種：一種是通過專家系統(tǒng)應(yīng)用，使學(xué)生充分體驗到人類專家問題求解的思路和推理風(fēng)格，這有助于提高學(xué)生的分析、判斷和反思能力；另一種是讓學(xué)生借助專家系統(tǒng)工具自行建造專家系統(tǒng)，包括知識庫的構(gòu)建和環(huán)境的建設(shè)。專家系統(tǒng)外殼、在線專家系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)資源為學(xué)生的創(chuàng)造能力的發(fā)展提供了廣闊的空間。自己親手建構(gòu)簡單的專家系統(tǒng)，其好處在于讓學(xué)生專注于學(xué)習(xí)，用自己的思維方式將原本零碎的知識條理化，并對其進行深層思考，有利于長久記憶。著名的建構(gòu)主義專家David H. Jonassen認(rèn)為，學(xué)習(xí)者建造自己的現(xiàn)實，至少是基于以往的經(jīng)驗來解釋現(xiàn)實的。因此，一個人的知識是在個人經(jīng)驗、思維結(jié)構(gòu)以及對事物的不斷摸索的基礎(chǔ)上形成的，建造自己的專家系統(tǒng)就是這樣一種集三者于一體的有效的探究方式。這種積極、開放的學(xué)習(xí)方式避免了死記硬背，隱含著知識的創(chuàng)造，同時培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)作能力、探索精神和責(zé)任心。由此可見，不管采用何種教學(xué)方式，對于中學(xué)生信息素養(yǎng)的提高都具有積極的促進作用。

參考文獻(xiàn)

1.          廉師友　人工智能技術(shù)導(dǎo)論（第二版）　西安電子科技大學(xué)出版社　2002

2.          張劍平 關(guān)于人工智能教育的思考 《電化教育研究》 2003年第1期

3.          王申康　專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用　浙江大學(xué)出版社　1994

4.          專家系統(tǒng)方法　http://gcs./software/es.htm

5.          InterModeller軟件來源：http://www./intermodeller.html

　　　　　　　　　　　　　Expert System and It’s Application

[Abstract] Expert system is a branch of Artificial Intelligence. This thesis simply presents Expert System’ conception and it’s makeup, and cites an expert system shell names InterModeller in order to make teachers and students understand expert system in sensibility. At last we analysis it’s application in instruction.

[Key Words] Expert System  Knowledge Base  InterModeller