面向?qū)ο蟮膸缀味ɡ硗茖?dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：專家系統(tǒng)（expert system，ES）在人工智能（Artificial Intelligence，AI）中扮演著最重要也是最活躍的角色，是人工智能（AI）中最受專家重視的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，從一般的推理策略探討轉(zhuǎn)向運(yùn)用專門知識(shí)的重大突破。運(yùn)用特定領(lǐng)域的專門知識(shí)，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復(fù)雜的、具體的問題，達(dá)到與專家具有同等解決問題能力的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)。但是專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)卻不是一件容易的事，里面包含了大量繁瑣復(fù)雜的過程，其中推理機(jī)（Inference Engine）的設(shè)計(jì)與應(yīng)用就是一個(gè)難點(diǎn)。推理機(jī)是專家系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)推理的部件，是基于知識(shí)的推理在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)，主要包括推理和控制兩個(gè)方面，是專家系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，所以推理機(jī)智的研究，有助于該領(lǐng)域技術(shù)知識(shí)的進(jìn)一步提高與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng)；推理機(jī)；正向推理；知識(shí)表示

1 需求分析

本課題主要解決的問題是分析專家系統(tǒng)中的推理機(jī)的內(nèi)容和工作原理，以及推理機(jī)制的推理控制策略，并利用所設(shè)計(jì)的推理機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)學(xué)中幾何問題的簡單證明，利用專家系統(tǒng)在具體問題上的應(yīng)用來研究如何運(yùn)用推理控制策略來構(gòu)建專家系統(tǒng)。

知識(shí)庫和推理機(jī)是專家系統(tǒng)的核心部分，專家系統(tǒng)的力量來自于專家知識(shí)，推理機(jī)是專家系統(tǒng)必不可少的重要功能之一，專家系統(tǒng)的最終結(jié)論要靠推理機(jī)推出，其性能直接關(guān)系到專家系統(tǒng)的質(zhì)量，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的推理機(jī)可應(yīng)用與各種類型的專家系統(tǒng)，重要性好，對(duì)知識(shí)庫的維護(hù)和推理的的研究在專家系統(tǒng)領(lǐng)域具有重要的意義。

推理機(jī)是專家系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)推理的部件，是局域知識(shí)的推理在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)，主要包括推理和控制兩個(gè)方面，是知識(shí)系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。

幾何定理自動(dòng)證明與眾多應(yīng)用相關(guān)，例如：機(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺、智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、智能計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等。研究人員提出了一系列研究方法，如：基于坐標(biāo)的代數(shù)方法[1]，即與稽核部變量的消點(diǎn)法[2]等。

為了更好的理解幾何定理的及其證明，本文結(jié)合面向?qū)ο蟮某绦蚓幊碳夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)基于面向?qū)ο蟮膸缀味ɡ碜詣?dòng)證明系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于推理機(jī)的正向推理方法，結(jié)合數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，得已實(shí)現(xiàn)。

2 基本概念

2.1專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（ExpertSystem）是一個(gè)或一組能在某些特定領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用大量的專家知識(shí)和推理方法求解復(fù)雜問題的一種人工智能計(jì)算機(jī)程序。專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)大部分為知識(shí)庫和推理機(jī)。其中知識(shí)庫中存放著求解問題所需的知識(shí)，推理機(jī)負(fù)責(zé)使用知識(shí)庫中的知識(shí)去解決實(shí)際問題。知識(shí)庫[3][4]的建造需要知識(shí)工程師和領(lǐng)域?qū)＜蚁嗷ズ献靼杨I(lǐng)域?qū)＜翌^腦中的知識(shí)整理出來，并用系統(tǒng)的知識(shí)方法存放在知識(shí)庫中。

2.2推理機(jī)

2.2.1推理機(jī)

推理機(jī)根據(jù)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫的當(dāng)前內(nèi)容，從知識(shí)庫中選擇相應(yīng)規(guī)則，看這條規(guī)則的前提與給定的事實(shí)是否匹配。如果匹配，則得出相應(yīng)的結(jié)論并將結(jié)論存入到綜合數(shù)據(jù)庫中，作為新的事實(shí)；反之，則啟用下一條規(guī)則，再進(jìn)行匹配，直到匹配成功，直至推理出問題的結(jié)論[5]。

推理機(jī)分為對(duì)象推理機(jī)、方法推理機(jī)、規(guī)則推理機(jī)，本文將不做詳細(xì)介紹[6]。

2.2.2推理機(jī)的工作流程

推理機(jī)是知識(shí)庫系統(tǒng)的核心和靈魂，本文中推理機(jī)的策略可以分為三個(gè)步驟：匹配、沖突消解、執(zhí)行操作。

2.3推理

推理就是按照某種策略由已知事實(shí)根據(jù)一定的規(guī)則推導(dǎo)出另一事實(shí)的思維過程，在人工智能系統(tǒng)中，推理從不同的角度可分為：

演繹推理、歸納推理、默認(rèn)推理

1.確定性推理、不確定性推理；2.單調(diào)性推理、非單調(diào)性推理；3.啟發(fā)式推理、非啟發(fā)式推理；4.基于知識(shí)的推理、統(tǒng)計(jì)推理、知覺推理。

以下將分別介紹推理的相關(guān)知識(shí)。

3 推理機(jī)制

3.1演繹推理

從已知的一般性只是出發(fā)，推理出適合于某種個(gè)別情況的結(jié)論的過程稱為演繹推理。它是一種由一般到個(gè)別的推理方法，最常用的演繹推理形式是三段論式，即：“大前提、小前提、結(jié)論”。

3.2歸納推理

歸納推理的基本思想是：從已知事實(shí)中猜測(cè)出某個(gè)結(jié)論，然后對(duì)猜測(cè)的結(jié)論的正確性進(jìn)行證明。

3.3確定性推理

指推理使用的證據(jù)、只是及推出的結(jié)論都是可以精確表達(dá)的，其值要么為真，要么為假，不會(huì)出現(xiàn)其他情況。

4 知識(shí)表示以及推理控制

4.1知識(shí)表示

推理應(yīng)該選擇最容易表達(dá)我們所要解決的問題的知識(shí)的方法，方便推理，易于理解與修改，常用的有產(chǎn)生式系統(tǒng)，即前提結(jié)論式，其一般格式為：

（規(guī)則編號(hào) （IF （觸發(fā)事實(shí)1）

（觸發(fā)事實(shí)2）

………………..

（觸發(fā)事實(shí)n））

（THEN （結(jié)論事實(shí)1）

（結(jié)論事實(shí)2）

………………..

（結(jié)論事實(shí)n）））

4.2推理的控制策略

按照推理方向的控制，推理可以分為正向推理和反向推理：

4.2.1正向推理

正向推理的算法描述：

R1.讀取題目信息，根據(jù)題目初步判斷所需要的規(guī)則；R2.將所需要的規(guī)則存在規(guī)則庫中；R3.將讀取到的信息作為事實(shí)存放在事實(shí)庫中，并給定一定的順序i=1，2，…N；R4.用規(guī)則庫中的規(guī)則對(duì)讀取到的第i條信息進(jìn)行處理；R5.如果產(chǎn)生新的事實(shí)，轉(zhuǎn)R6，否則，轉(zhuǎn)R7；R6.將產(chǎn)生的新的事實(shí)存放在事實(shí)庫中，i=i+1；R7.i<=N，判斷結(jié)論是否在事實(shí)庫中，若是，算法結(jié)束，返回結(jié)果；若否，轉(zhuǎn)R4；R8.i>N，得不出結(jié)論，算法結(jié)束。endprint

算法流程圖如下所示：

4.2.2反向推理

反向推理的算法描述：

（1）讀取題目信息；（2）將要證明的結(jié)論作為假設(shè)存放在假設(shè)庫中；將讀取的事實(shí)存放在事實(shí)庫中；（3）對(duì)要證明的假設(shè)，有規(guī)則庫中的規(guī)則與其匹配，轉(zhuǎn)（4），否則轉(zhuǎn)（5）；

（4）存在事實(shí)與規(guī)則證明這個(gè)假設(shè)，則將假設(shè)存在事實(shí)庫中；判斷假設(shè)庫是否為空，若空，算法結(jié)束；否則轉(zhuǎn)（3）；（5）根據(jù)規(guī)則庫中的規(guī)則，會(huì)產(chǎn)生新的條件，讓已知假設(shè)成立，則將假設(shè)存放在事實(shí)庫中，將產(chǎn)生的新的條件存放在假設(shè)庫中，轉(zhuǎn)③；

反向推理的有點(diǎn)是推理有目標(biāo)性，執(zhí)行步驟有效；缺點(diǎn)是正確目標(biāo)選擇難度大，并且錯(cuò)誤目標(biāo)導(dǎo)致推理失敗。

5 正向推理的應(yīng)用：簡單的幾何證明

5.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由正向推理的思想和基本的推導(dǎo)過程知，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)需要建立信息庫，規(guī)則庫，在推理引擎的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)給定的題目的證明過程。系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)圖中的核心部分如圖所示：

5.2問題描述及目標(biāo)的簡單表示

給定的實(shí)際問題如下所示：

已知三角形ABC中，D，E為邊BC上兩點(diǎn)，AB=AC，BD=CE。

證明： AD=AE。

規(guī)則庫RuleSet（引理集合）.

R1：等邊對(duì)等角；R2：如果兩個(gè)三角形兩邊對(duì)應(yīng)相等，兩邊之間的夾角對(duì)應(yīng)相等，則兩個(gè)三角形全等； R3：如果兩個(gè)三角形全等，則對(duì)應(yīng)的邊相等；R4： 如果兩個(gè)三角形全等，對(duì)應(yīng)的角相等。

用謂詞邏輯表示已知的信息：

（2）事實(shí)庫（由已知題目信息添加）

題目中給定的已知事實(shí)：

① AB=AC；②BD=CE.

5.3 推理機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.3.1事實(shí)庫的設(shè)計(jì)：

如下所示為建立的數(shù)據(jù)庫（事實(shí)庫）：

5.3.2規(guī)則庫的設(shè)計(jì)：規(guī)則庫（即證明所需要的規(guī)則）

建立四個(gè)屬性組，分別是Rule_no（規(guī)則編號(hào)）、Rule_Name（規(guī)則名稱）、Rule_condition（規(guī)則條件）、Rule_content（規(guī)則結(jié)論），建立的規(guī)則庫如下圖所示：

5.3.3下面進(jìn)行用戶操作界面的設(shè)計(jì)

在用戶操作界面，用戶可以直接查詢事實(shí)庫，也可以按照事實(shí)名字查找事實(shí)庫。同時(shí)，為便于標(biāo)記修改事實(shí)庫，我們可以按照事實(shí)號(hào)查找相信的事實(shí)信息。題目得到的事實(shí)以及由規(guī)則推出的事實(shí)，都是可以進(jìn)行查詢的，得出的事實(shí)，我們都保存在事實(shí)庫中，用C#來實(shí)現(xiàn)基本的界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)用戶操作的事實(shí)庫查看編輯界面如下圖所示。

用同樣的方法進(jìn)行規(guī)則庫的設(shè)計(jì)，規(guī)則庫的用戶操作界面同事實(shí)庫界面大體相同，只是不會(huì)對(duì)規(guī)則進(jìn)行修改，我們假定給定的規(guī)則都是有用且正確的，如下圖所示：

5.4推導(dǎo)過程的設(shè)計(jì)

推導(dǎo)過程是由事實(shí)庫與規(guī)則庫相結(jié)合，進(jìn)行結(jié)論的推導(dǎo)，推導(dǎo)過程的設(shè)計(jì)將最終的結(jié)果設(shè)置一個(gè)Label顯示在屏幕中作為對(duì)比，當(dāng)產(chǎn)生的事實(shí)中與其結(jié)果相同時(shí)，則結(jié)束推導(dǎo)，推出程序。

6 結(jié)束語：本文結(jié)合專家系統(tǒng)中推理機(jī)的正向推導(dǎo)過程，基于面向?qū)ο蟮恼Z言操作實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了初中幾何知識(shí)的簡單證明，希望能對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的幫助。推理機(jī)是專家系統(tǒng)的指揮中心，推理機(jī)的設(shè)計(jì)是整個(gè)專家系統(tǒng)的核心部分，本文分析了推理機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)以及推理機(jī)的推理方法，搜索策略等。幾何定理自動(dòng)證明是一個(gè)重要的研究方向，具有重要的意義，本文結(jié)合面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以及基于正向推理的集合信息自動(dòng)證明原型系統(tǒng)，分別用事實(shí)庫與規(guī)則庫儲(chǔ)存相關(guān)的信息，并利用推導(dǎo)過程簡單地處理事實(shí)庫，并得到相應(yīng)的結(jié)論。

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[6] 郁鵬，周濟(jì)，溫淑紅.知識(shí)處理中的推理機(jī)設(shè)計(jì). 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)Vol. 20 No. 1

作者簡介：

徐曉杰 ，（1993年1-），男 ，漢，江西省上饒市 ，華南理工大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院研究生 ，碩士 研究方向：非線性偏微分方程.endprint