（计算机应用技术专业论文）基于专家系统和mapx的帆船辅助训练系统的研究.pdf

基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 摘要 本文对专家系统的基本概念和原理作了介绍，主要讨论了产生式、谓词逻辑、 语义网络、框架及面向对象的多种知识表示方法，对正向推理、反向推理和正反 向混合推理控制策略进行了讨论，并给出了相应的算法。对g i s 技术、g p s 技术以 及无线数据通信技术进行了研究，对v i s u a lb a s i c 和a m z i + p r o l o g 混合编程技术 进行了详细的介绍，在此基础上利用帆船教练丰富的执教、训练经验构造专家知 识库，实现了帆船训练专家系统。运用g p s 技术、g i s 技术、无线数据传输技术、 串口通信技术及专家系统原理，从实际工程的角度实现了帆船辅助训练系统。 该辅助训练系统能对帆船训练的运动过程进行实时监控，实现运动帆船在电 子地图上的实时动态显示，具有赛场环境参数的自动提取、帆船运动状态数据远 距离实时采集和传送、训练帆船运行状态( 速度、方向、经纬度) 在电子地图上 的动态实时显示、帆船训练的轨迹回放、对于运动员在训练过程中遇到得有关器 材的组装、启航训练、直航训练、偏转训练、转向训练及战术训练的问题可以进 行回答，并能做出相应的解释等功能。该系统可以辅助帆船的科学训练同时可以 大大减轻教练的工作强度。 关键字：帆船：专家系统：无线数据通信： g i s ： g p s t h er e s e a r c ho da s s is t a n ts a ii b o a tt r a i n i n gs y s t e m b a s e d0 1 3 e x p er ts y s t e ma n dm a p x a b s t r a c t t 1 1 i sp a p e rg i v e saw h o l ei n t r o d u c t i o nt ot h et h e o r ya n dp r i n c i p l eo fe x p e r t s y s t e m ，m a i n l yd i s c u s s i n g s e v e r a lk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o nm e t h o d ss u c h a s p r o d u c t i o n s ，s e m a n t i cn e t w o r k ，f r a m e ，p r e d i c a t el o g i c a n d o b j e c t o r i e n t e d r e p r e s e n t a t i o n s t h r e em a i nr e a s o n i n g - c o n t r o ls t r a t e g i e ss u c ha sf o r w a r dr e a s o n i n g ， b a c k w a r dr e a s o n i n ga sw e l la sf o r w a r da n db a c k w a r dm i x e dr e a s o n i n ga r ea l s o d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gt h e i rr e l a t e di n f e r i n ga l g o r i t h m s s o m et e c h n o l o g i e ss u c ha sg i s ， g p sa sw e l la sw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o na r ea l s or e s e a r c h e di n t o d i f i e r e n tf r o m t h et r a d i t i o n a le x p e r td e v e l o p m e n t i ti n t r o d u c e san e wm e t h o do fd e v e l o p i n ga i l e x p e r ts y s t e m ，w h i c hu t i l i z e sv i s u a lb a s i ca n da m z ip r o l o gi np r o g r a m m i n g t 1 i s m e t h o dc a ns a v eal o to f t i m ei nt h ep r o c e s so f d e v e l o p i n ga ne x p e r ts y s t e mc o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s f r o mt h ea s p e c to fe n g t n e e r i n gr e a l i z a t i o n as a i l b o a t t r a i n i n gs y s t e mi sr e a l i z e d ，w h i c hu t i l i z e ss e v e r a lt e c h n o l o g i e ss u c ha sg p s ，g i s ， w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n 、s e r i a lc o m m u n i c a t i o na sw e l la se x p e r ts y s t e m t h ea s s i s t a n ts a i l b o a tt r a i n i n gs y s t e mh a sr e a l i z e dm a n yf u n c t i o n ss u c ha s s a i l b o a tr e a lt i m em o n i t o r i n g d y n a m i ca n dr e a it i m ed i s p l a yo fs a i l i n gs a i l b o a to nt h e e l e c t r o n i cm a pw i t hah e a v yr e dp o i n t ，r e d i s p l a yo ft h et r a i n i n gp r o c e s so fat r a i n i n g s a i l b o a t ，a u t o m a t ec o l l e c t i o no ft h eg a m ea r e ae n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s ，r e a lt i m e r e m o t ec o l l e c t i o no fd y n a m i cd a t ao fas a i l b o a ta n dr e a lt i m ed i s p l a yt h es t a t e ( i n c l u d i n gt h ev e l o c i t y , d i r e c t i o n ，l o n g i t u d ea n dl a t i t u d e ) o f as a i l i n gs a i l b o a t w i mt h e s a i l b o a tc o a c h e s r i c he x p e r i e n c es t o r e di nt h ek n o w l e d g ed a t a b a s e ，t h ee x p e r ts y s t e m c a ng i v es o m ea d v i c e st ot h es a i l o ra c c o r d i n gt od i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h ea d v i c e s i n v o l v es e v e r a la s p e c t ss u c ha st h ea s s e m b l yo fr e l e v a n te q u i p m e n t so f as a i l b o a t s t a r t t r a i n i n g ，s t r a i g h t w a ys a i l i n gr a c et r a i n i n g ，d i r e c t i o nc h a n g e dt r a i n i n g ，s a i l i n ga r o u n d m a r k st r a i n i n ga n ds t r a t e g yt r a i n i n ge t c i tc a ni m p r o v et h es c i e n t i f i ct r a i n i n go f s a i l b o a tp r o g r a mw h i l eg r e a t l yd e d u c i n g 也el a b o ro fs a i l b o a tc o a c h e sa tt h es a n l e t i m e k e y w o r d s ：s a i l b o a t ；e x p e r ts y s t e m ；w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n ；g i s ；g p s 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 蓬! 垫翌查基丝盂要擅型直疆 笪! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留共向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：曲p 6 年歹月，p 日 学位论文作者毕业后去向：高等学校 工作单位：孝感学院 通讯地址：湖北省孝感市交通大道2 7 2 号 导师签字锨棚 嫌姆j p 年3 乒f 1 吵 缉一 扣 一 缉 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 第一章绪论 二战后帆船运动作为一种竞赛项目逐渐兴起，并迅速风靡世界，些级别的 帆船比赛已经作为正式项目列入奥运会的赛程。近年来，帆船运动在我国越来 越受到重视，尤其是北京申奥成功后，如何利用现代科学技术，特别是利用现代 通信和计算机技术提高比赛成绩变得尤为重要，迫切需要采用新科技来辅助训练、 提高比赛成绩。然而我国现有的帆船训练方式相对落后，突出表现在以下两个方 面：一方面是以往的训练方式只是教练根据自己的执教经验来制定训练计划、运 动员也只是根据自己对赛场环境的训练条件( 风、流、浪、涌) 的判断来操纵帆 船进行训练；另一方面是教练指导帆船训练必须借助教练船亲临训练场地进行观 察和记录，教练的工作强度非常大，尤其是在帆船教练有限的情况下，势必制约 着帆船运动的训练。从减轻帆船教练的工作强度和根据实时采集的赛场环境信息 等参数来指导帆船训练两方面考虑，希望借助g i s 技术、g p s 技术、无线数据传 输技术、串口通信技术将赛场的主要环境参数考虑进去，采集帆船运动状态送到 监控中心，实现帆船运动员的运动状态在电子地图上的实时动态显示- 利用优秀 帆船教练丰富的执教经验和比赛经验构建帆船教练知识库，建造帆船训练专家系 统，解答运动员在训练过程中遇到的有关器材的组装、启航训练、直航训练、偏 转训练、转向训练及战术训练的问题，并能作出相应的解释。为运动员、教练员 提供参考和指导，实现奥运会帆船比赛的科技训练。 11 课题的提出和研究意义 帆船在海上的航行是一个极其复杂的过程，其训练的效果不仅受到海风、海 浪及海流等环境扰动因素的影响，而且还与帆船的航行速度、航向角、帆形、船 体的横倾、纵倾以及运动员自身等多种因素有关，是一个典型的具有复杂环境的 不完备的信息系统2 1 。很难采用具体的公式或表达式对其航行过程进行量化，必 须将各种环境因素考虑进去，利用以往的训练和比赛经验指导训练提高比赛成绩。 建造知识库，将优秀教练指导训练和比赛的经验以规则的形式存入其中，根据赛 场的实际情况，包括赛场的环境因素( 风、流、浪、涌) 、器材因素( 比赛器材的 选用和组装) 、比赛局势( 是否陷于被动局面或处于优势) 及运动员自身的因素( 健 康状况和心理因素) 等，根据给定初始事实，经过一定的推理过程( 通过规则的 匹配合一实现) ，得出相应的结论，从而实现对帆船训练的指导和建议，提高训练 效果。 对实用专家系统的开发是一个比较复杂的过程，不同的研究人员由于个人的 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 背景、专长及所研究问题的领域不同，他们会采用不同的知识获取方式、知识表 示方式、不同的推理控制方式和解释机制。此外，不同的开发人员根据自己对开 发工具掌握的熟练程度不同，会选取不同的开发工具。但用不同的开发工具进行 开发，工作的难度( 主要体现在推理机的实现) 会大不相同。因此进行帆船辅助 训练系统的开发，从工程应用上来说应该是选取开发周期短、程序代码相对简洁、 实用性强的开发方案。专家系统的知识获取一直是人工智能领域的个“瓶颈” 问题i j 】，从众多的帆船训练知识中抽取有条理、有组织的知识是一项重要的任务。 所以如何实现帆船训练知识的获取对我们如何从实例中抽取有用知识提供了可行 方案，同时本文提出的采用高级语言v i s u a lb a s i c 和a m z ip r o l o g 混合编程实现 帆船训练专家系统的方案为快速开发可视化的专家系统提供了范例。 计算机和通信技术的发展，不同的企业和单位、同一单位和企业的不同部门、 同一部门的不同计算机之间、计算机与其它设各之间有时由于工作的需要必须进 行大量的数据传输，通常进行这些数据传输利用互联网技术可以方便地实现，但 有时由于客观条件的限制，这种方案并不是可取方案。比如在郊外将大量的测量 数据传送到单位的数据处理中心，这时如果再重新架设电缆联网就显得非常不经 济、不方便，有时甚至是不可能的，这是就迫切需要寻求一种性价比高的批量数 据的传送方案。本文讨论的g p s 采集的帆船运动状态数据和海洋资料浮标采集的一， 赛场环境参数数据向帆船训练监控中心的传送技术为批量数据的无线传输提供了 可行方案。 随着计算机技术的发展，构件式软件技术成为当今软件技术的潮流之- - q ， 它的出现改变了以往封闭、复杂和难以维护的软件开发模式。组件式 g i s ( c o m p o n e n tg i s ，c o m g i s ) 便是顺应这一潮流而产生的地理信息系统。其基本思 想是把g i s 的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能。各个g i s 控 件之间、以及g i s 控件和其它非g i s 控件之间，可以很方便地通过可视化软件开 发工具集成起来，形成最终的g i s 应用。本文讨论的赛场环境g i s 平台采用g i s 组件技术，将m a p x 控件引入到开发平台，大大缩短了工程的开发周期，为g i s 应用的快速开发提供了范例。 该系统集成的帆船训练专家系统的应用研究思想还可以应用到其它领域中。 如股票投资咨询系统、农业种植专家系统、健康咨询和疾病诊断系统，各种设备 的故障诊断系统等；无线数据传输技术的研究将可用于短距离数据的无线传输， 解决受到环境条件和其它方面的限制情况下的数据传输：基于g p s 和g i s 技术的 g i s 监控平台的研究将能用于城市智能交通、城市公交管理、城市运钞车的监控 与管理、城市警车、消防车的调度或监控平台；对帆船比赛训练的适时监测( 包 括风向、风速、浪高、流速、帆船的航向、经纬度等) 对海上捕鱼、海洋资源探 测、海上缉私、军舰的航行等具有经济和军事上的意义 j 。 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 1 2 国内外专家系统的研究现状 1 2 1 国外专家系统的研究现状 国外针对帆船训练的专家系统的应用研究虽然没有见到，但有用模糊控制技 术控制帆船的思想1 6 j 。专家系统作为人工智能领域的一个重要分支，从1 9 6 0 年中 期以来得到了快速的发展。它将领域专家的知识存入到计算机，根据用户给出的 事实和存入知识库中的知识进行推理，得出一定的结论，满足用户的咨询。因此 专家系统广泛应用于决策支持系统和非数值问题求解过程中，比较早的主要有： 地矿勘探专家系统( p r o s p e c t o r ) 拥有1 5 种矿藏知识，能根据岩石标本及地质勘 探数据对矿产资源进行估计和预测，能对矿床分布、储藏量、品位、开采价值等 进行推断，制定合理的开采方案，成功地找到了超亿美元的钼矿。专家系统( f ! y c i n ) 能识别5 1 种病菌，正确使用2 3 种抗菌素，可协助医生诊断、治疗细菌感染性血 液病，为患者提供最佳处方，成功地处理了数百个病例【”。特别是8 0 年代中期以 来，专家系统的研究与开发进入了快速发展的时期，出现了很多实用的专家系统， 特别是i n t e r n e t 出现以后，专家系统又有了飞快发展1 8 】。这一时期主要有：精 神病治疗专家系统p s y c h i a t r i ct r e a t m e n t ( g e o t h ea n db r o n z i n o1 9 9 5 ) ，咨询系统 a d v i s o r ys y s t e m ( k o s ee ta l1 9 9 5 ) ，电力规划e l e c t r o n i cp o w e rp l a n n i r i g ( r a h m a n7 a n d h a z i m1 9 9 6 ) ，汽车制造规划a u t o m o b i l ep r o c e s sp l a n n i n g ( s a b o u r i na n dv i l l e n e u v e 、 1 9 9 6 ) ，酒生产a l c o h o lp r o d u c t i o n ( g u e r r e i r oe t ：a l + 1 9 9 7 ) ，jd n a 柱状图解释d n a h i s t o g r a mi n t e r p r e t a t i o n ( m a r c h e v s k y , t r u o n y , a n dt o l m a c h o f f1 9 9 7 ) ，行程安排策略1 s c h e d u l i n gs t r a t e g y ( z u p a na n dc h e n g1 9 9 8 ) ，、通信系统故障诊断c 0 m m l d n i c f i t i 6 n 、 s y s t e m f a u l t d i a g n o s i s ( l e o n ，m e j i a s ，l u q u e ，a n d g o n z a l o1 9 9 9 ) ，材料3 n t 设计m a t e r i a l p r o c e s s i n gd e s i g n ( k i ma n di m1 9 9 9 ) ，资源利用r e s o u r c et i l t i l i z a t i o n ( m c c o ya n d l e v a r y2 0 0 0 ) ，农业规划a g r i c u l t u r ep l a n n i n g ( p l a n ta n dv a g s s i e r e s2 0 0 0 ) ，货物运输 调度l o a ds c h e d u l i n g ( c r o c ee t a l2 0 0 1 ) ，养蜂方面a p i c u l t u r e ( m a h a m a ne t a l 2 0 0 2 ) ，农业诊断咨询a g r i c u t u r a ld i a g n o s t i c a d v i s o r y ( m a h a m a n ，p a s s a m ，s i d e r i a l i s ， a n dy i a l o u r i s2 0 0 3 ) ，地球科学方面g e o s c i e n c e ( s o h ，t s a t s o u l i s ，g i n e f i s ，a n db e r t o i a 2 0 0 4 ) ，教学辅导系统t u t o r i n gs y s t e m ( h a t z i l y g e r o u d i sa n d p r e n t z a s2 0 0 4 ) 。这一时 期专家系统的应用已广泛地渗透到许多领域，而且越来越实用。 1 22 国内专家系统的研究现状 和国外相比，国内对专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 的研究相对较晚，大约 始于7 0 年代末期。但相对来说，其发展速度比较快。我国e s 开发工作最初在医 疗领域展开，先后出现了肝炎诊断治疗专家系统，子宫癌诊断专家系统等。8 0 年 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 代初期开始进入到农业领域，1 9 8 0 年浙江大学与中国农科院蚕桑所合作，开始研 究蚕育种专家系统；1 9 8 3 年中国科学院合肥智能研究所与安徽农科院合作，开发 出了砂姜黑土小麦施肥专家系统；9 0 年代，国际上举办了多次有关农业专家系统 的会议，我国专家系统的研究更是蓬勃发展，出现了许多农业专家系统，如小麦 高产技术专家系统( 余华等，1 9 9 6 ) ，水果果形判别人工神经网络专家系统( 刘禾 等，1 9 9 6 ) ，基于规则和图形的苹果、梨病虫害诊断及防治专家系统( 王爱茹等， 1 9 9 9 ) ，农业资源高效利用技术集成专家系统的设计( 李道亮，1 9 9 9 ) ，生态农业 投资项目外部效益评估的专家系统( 范大路，1 9 9 9 ) ，基于作物生长特征的作物栽 培专家系统( 柴毅，1 9 9 9 ) ，基于生长模型的小麦管理专家系统( 曹卫星等，1 9 9 9 ) 等。在这一时期，我国专家系统的开发也相继渗透到交通运输、地质勘探、气象 预报等领域。其中清华大学研制的汽车运输规划调度系统、吉林大学研制的岭南 地区钨锡矿勘探专家系统、浙江大学的地质探矿专家系统、国家气象局研制的暴 雨预报专家系统等。这一时期还有吉林大学的湿疹皮炎中医诊断专家系统，沈阳 自动化所研制的石油侧井曲线解释专家系统和东南大学的中医诊治专家系统等。 特别是到了8 0 年代中后期，我国专家系统的应用领域迅速扩大，在数学、物理、 化学、工程、机械、经济、教育、军事、体育等领域先后有一批专家系统问世， 如上海工业大学的r e t r i e v e r 、浙江大学的z d e s t i ，中科院计算机所的i s l 、北 京航空学院的k i p s 8 5 、东南大学的t m e s i 等，其中吉林大学的专家系统开发 工具m e s 在国际人工智能界学术水平最高的i j c a i 7 8 5 会议上受到会议程序委员 会主席的高度评价【“。此外，在体育领域也提出了一些利用专家系统指导体育训 练的思想，邵桂华提出了用专家系统指导赛艇运动员进行训练的思想憎】，同时也 提出了建立体育领域专家系统外壳的设计方案【l ，开发了体育运动处方专家系统 群s p e a 1 1 】( 多个专家系统、数据库系统的有机结合) ，李之俊提出了建立优秀赛 艇运动员疲劳诊断与体能恢复指导专家系统的思想l l ”，闻兰提出了在体育领域引 入人工智能的思想，并对运动处方集成式专家系统进行了研究 1 3 3 4 j ，王联聪，王 晓东等人提出了体育院校篮球智能教学系统的设计思想i t s ，刘玫瑾等人提出了篮 球战术教学专家系统的思想【1 6 】，王树杰等人提出了帆板运动摇帆训练专家系统的 开发与设计思想等【1 7 】。 1 3 本文所做的工作 1 基于m a p x 和g p s 技术的赛场环境g i s 平台的构建。实现了比赛海域环境 参数( 包括水温、有效波高、周期、流速、流向、波向等) 的采集、帆船运动状 态的实时采集、赛场环境参数的设置、实现了帆船的运动状态在电子地图上实时 动态可视化显示、实现了g p s 数据的处理和帆船运行状态数据( 速度、方向、经 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 度、纬度等) 在电子地图上的实时显示，绕标点设置、帆船训练轨迹回放等功能。 2 对无线数据的传输方式进行了研究。通过自备电台，用无线数据传输方式 将g p s 接收机采集到的帆船运动状态数据实时地传送到帆船训练监控中心。 3 对专家系统的基本概念和原理进行了介绍。对常见的知识表示方法和三种 推理控制算法进行了详细的介绍。 4 对传统的专家系统的开发方案进行了比较，提出了用高级语言和a m z i p r o l o g 混合编程，快速开发实用专家系统的思想，并对此方法的开发步骤进行了 详细的介绍。用帆船教练的经验知识构建专家知识库，用v i s u a lb a s i c 和a m z i p r o l o g 进行混合编程，实现了帆船训练专家系统，并实现了帆船训练专家系统和 其它子系统在开发平台上的集成。 基于专家系统和m a p x 舶帆船辅助训练系统的研究 第二章专家系统概述 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 也称为专家咨询系统，是人工智能研究的主 要领域。专家系统实质上是一种计算机程序，它能够以人类专家的水平完成特别 困难的某一专业领域的任务。在设计专家系统时，知识工程师的任务就是使计算 机尽可能模拟人类专家解决某些实际问题的决策和工作过程，即模仿人类专家如 何运用他们的知识和经验来解决所面临问题的方法、技巧和步骤。 2 1 专家系统的定义 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 是基于知识的系统，是人工智能的一个最为 重要的应用领域。什么是专家系统，目前还没有统的、精确的、公认的定义， 但通用的定义是：所谓专家系统就是利用存储在计算机内的某一特定领域内人类 专家的知识，来解决只有人类专家才能解决的现实问题的计算机系统 1 剐。 图2 1 描述了专家系统的基本概念。用户提供事实或其它信息给专家系统， 相应地得到专家的建议或专门知识：知识工程师( k n o w l e d g ee n g i n e e r ，k e ) 将从 专家那里获得的知识转化为计算机内部存储的知识库；专家系统的内部分为两个 部分：知识库和推理机，其中知识库中包含有推理机( i n f e r e n c ee i g i n e ，i e ) 所使用得出结论的知识。推理机根据用户的问题求解要求和所提供的初始数据， 运用知识库中的知识对问题进行求解，并将产生的结果输出给用户。 专家知识 冈。 l 一萎 输入或提问 。南统 答案 7 i ! = ! i 2 2 专家系统的基本原理 2 2 1 规则 图2 i 专家系统简化结构图 规则( p r o d u c t i o nr u l e ) ，又叫产生式规则，是人工智能领域用来描述事物 因果关系的术语，一条规则的基本形式为：“p q ”或“i f pt h e n q ”，含义 为：如果前提p 满足，则可推导出结论q 或q 所规定的操作。并且q 又可以作为 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 其它规则的前提。规则的前提p 往往是多个前提的组合，形如：p = p 。l p 。l p 。，其 中l 表示逻辑运算符，即前件可以是逻辑运算符a n d 、o r 、n o t 组成的表达式，同 样q 也可以表示成q = q ，l q ：l q 。 通常i f 部分被称为前项( a n t e c e d e n t ) 或前件，称每个t h e n 部分为后项 ( c o n s e q u e n t ) 或后件。a n e l ln e w e l l 和h e r b e r ts i m o n 证明最重要的结果之 是：大部分的人类问题求解或认知，都可以用if t h e n 形式的产生式规则来表示。 例如“如果银行存款利率下调，那么股票价格就会上涨”实际上就是这么一条规 则：“i f 存款利率下调t h e n 股票价格上涨”，规则决定了推理的逻辑。 2 2 2 知识表示 专家系统的研究致力于在具体的专门领域内建立高性能的程序，其实质就是 把领域问题求解有关的知识有机地结合到程序设计中，使程序能够像人类专家一 样进行推理、学习、解释，实现问题求解。 知识表示主要研究用什么样的方法将求解问题所需的知识存储在计算机中， 开发灵活操作这些知识的推理过程，使知识的表示和运用知识的推理控制相结合， 便于计算机的处理。 在一个专家系统中，知识表示模式的选择不仅对知识的有效存储有关，也直 接影响着系统的知识获取能力和知识的运用效率，知识表示是知识工程中最基本 的问题之一，也是专家系统的研究热门之一。有关知识表示我们将在第三章中详 细地介绍。 2 2 3 基于规则的系统 产生式系统由三个部分组成：产生式规则库、推理机( 也称控制机构) 和动 态数据库。图2 2 描述了产生式系统的基本组成。产生式规则库亦称产生式规则 集，由领域规则所组成，在机器中以某种动态数据结构进行组织；推理机亦称控 制机构，它是一个程序模块，负责产生式规则的前提条件测试或匹配、规则的调 度与选取，规则体的解释和执行，即是规则的解释程序；动态数据库亦称全局数 据库、综合数据库，它是一个动态的数据结构，用来存放初始事实数据、中间结 果和最后结果等。 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 图2 2 产生式系统的主要组成 产生式系统运行时，需要有初始事实( 或数据) 和目标条件，目标条件是系 统正常结束的条件，也是系统的求解目标。产生式系统中的知识分为两部分：用 事实表示静态知识，如事物、事件和它们之间的关系：用产生式规则表示推理过 程和行为，推理机的一次推理过程如图2 3 所示，其运行过程是从初始事实出发， 寻求达到目标条件的通路过程。 图2 3 推理机的一次推理过程 2 2 4 基于规则的专家系统的一般结构 目前，基于规则的产生式系统是实现专家系统的一种流行方法。大多数专家 系统是一种基于规则的系统。基于规则的专家系统的一般结构如图2 4 所示。该 结构一般包括六个部分：知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释程序及 知识获取获取程序18 1 。 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 图2 4 专家系统的一般结构 ( 1 ) 知识库：用以存放领域专家提供的专门知识，这些专l - j 知识包括与领 域相关的书本知识，常识型知识以及专家凭经验得到的试探性知识。 ( 2 ) 综合数据库：用于存放关于问题求解的初始数据、求解状态、中间结 果、假设、目标以及最终的求解结果。 ( 3 ) 推理机：在一定的控制策略下针对综合数据库中的当前信息，识别和 选取对当前问题有用的知识进行推理。 ( 4 ) 知识获取程序：在专家系统的知识库建造中用来部分代替知识工程师 进行专门的知识获取，实现专家系统的自学习，不断完善知识库。 ( 5 ) 解释程序：根据用户的提问，对系统给出的结论，求解过程以及系统 当前的求解状态提供说明，便于用户理解系统的问题求解过程，增加 用户对求解结果的信任度。 ( 6 ) 人机接口：将专家或用户的输入信息翻译成系统可以接受的内部形式， 把系统向专家或用户输出的信息转化为人类易于理解的外部形式。 2 2 5 推理 推理是根据一定的原则( 如规则) ，从已知的事实推导出新的事实的过程。专 家系统中常用的推理策略有：冲突消解策略、正向推理策略、反向推理策略、混 合推理策略、双向推理策略以及元控制策略。 基于规则的系统中，推理机决定那些规则的前件被事实满足。综合数据库中 可能包含问题域当前状态的事实，这些事实可能一个或多个同时在综合数据库中。 如果推理机注意到某一个事实满足一条规则的条件部分，则将该规则放到议程中。 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 如果一条规则有多个模式，那么只有所有的模式都得到满足时才把它放到议程中， 有些模式被满足还需要在综合数据库中指定某些没有的事实。所有的前件得到满 足的规则称作被激活或被例化的，多个被激活的规则可以同时放在议程中。在这 种情况下必须选择相应的冲突消解策略来确定选用哪一条策略。我们将在下一章 中进行详细的讨论。 2 3 专家系统的特点 2 3 1 专家系统相对于人类专家来说 1 专家系统是人类专家智能的模拟、延伸和扩展。 2 专家系统具有一个或多个专家的知识和经验，具有专门知识的启发性，能以接 近人类专家的水平在特定的领域工作，注重特定问题的求解。 3 专家系统能高效、准确、迅速的工作，不会像人类专家那样容易疲劳、遗忘， 易受环境、情绪等的影响。 4 专家系统突破了时间和空间的限制，特别是基于w e b 的专家系统的出现，进一 步突破了时间和空间的限制。 5 专家系统能进行有效的推理，包括各种精确性推理和各种非精确性推理。 6 用符号推理，专家系统按照符号的形式表示知识，能运用专家的知识与经验进 行推理、判断和决策。 7 具有启发性，不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识，它运用规范的专门 知识和直觉的评判知识进行判断、推理和联想，实现问题的求解。 8 具有透明性，使用户在对专家系统结构不了解的情况下，可以进行相互交流， 并了解知识的内容和推理思路，系统还能回答用户的一些有关系统自身行为的 问题。 9 灵活性，专家系统的知识和推理机分离，方便系统接纳新的知识、调整有关控 制信息和结构，便于系统的修改和扩充。 2 3 2 专家系统不同于一般的计算机软件系统 1 从处理问题的性质来看，专家系统善于处理那些不确定性的、非结构化的、 没有算法解决或虽有算法但在现有的机器上无法实旌的困难问题，主要用于知识 信息处理，而不是数值信息处理。 2 从处理问题的方法来看，专家系统主要依靠知识表达技术和知识推理技术 来实现问题的求解，而不是采用数学描述的方法来实现问题的求解。 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 3 从系统的结构来看，专家系统强调知识与推理机的分离，因而系统具有更 好的灵活性和可扩展性。 4 从知识的推理能力上看，专家系统的工作是在环境模式驱动下的知识推理 过程，而不是在固定程序控制下进行的指令执行过程。 5 从咨询解释的能力看，专家系统不仅对用户的提问给出解答，而且对答案 的推理过程给出解释，提供答案的可信度估计。 2 4 专家系统的发展趋势 1 传统的专家系统与面向对象、神经网络和模糊技术相融合。 2 专家系统与传统的计算机应用系统相融合，这将是专家系统应用形式和应用领 域发展的总趋势。 3 功能集成形成大型专家系统，即从单学科、单功能、专门性的小型专家系统向 多学科、多功能、综合性的大型知识系统发展。 、 4 术集成化，即除了传统的知识获取方法、知识表示方法、知识推理技术外，在 问题描述模型、问题求解方法、程序设计方法、软件实现技术等方面引进其它 先进技术，如人工神经网络、面向对象的方法、遗传算法、模糊数学等，进行 模型、方法和技术集成，设计和建造集成化、混合型专家系统。 5 智能达到拟人化，将已开发出的有知识库推理和神经网络所具有的高智能同当 前的多媒体和超媒体等新技术相结合，实现具有自学习、自组织、自适应、多 媒体人机智能接口，声图文并茂的专家系统。 2 5 本章小结 本章对专家系统的概念、基本原理和基于规则的专家系统的一般结构进行了 简单介绍，并讨论了专家系统特点和未来的发展趋势。 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 第三章知识表示 专家系统的研究致力于在具体的专门领域内建立高性能的程序，其实质就是 把领域问题求解有关的知识有机地结合到程序中，使程序能够像人类专家一样进 行推理、学习、解释，实现问题求解。知识表示就是研究如何合理地描述和组织 这些抽象概念以及这些概念之间的联系。本章将讨论知识表示的基本概念和几种 主要的知识表示方法。 3 1 知识与知识表示的概念 3 1 1 知识 知识是人们对客观事物及其规律的认识。包括对事物的现象、本质、属性、 状态、关系、联系和运动的认识；知识是人们在改造世界的实践中积累并总结出 来的方法、策略和经验。知识常与数据、事实、信息等词互换使用、但是实际上， 只有对数据、事实和信息进行加工、整理、解释、挑选和改造，形成对客观世界 的规律性认识后才能成为知识。 e a f e i g e n b a u m 的定义：知识是经过整理、加工、解释和转换的信息。 f h a y e s r o t h 的定义：知识：事实+ 信念+ 启发式。 知识的通俗定义是：知识是个和多个信息的关联i ”】。例如：“天很阴而且 有闪电”，“天要下雨”是一些孤立的信息或事实，如果把这两个信息用“如果一 则”这种因果关系联系起来就形成了一条知识：“如果天很阴而且有闪电，则天要 下雨”。 知识可以分为先验知识和后验知识。先验知识是不依赖于感觉器官获得的知 识。先验知识被认为是普遍正确的，没有反例，也不能被否定。数学定律就是先 验知识的例子。后验知识是由感觉器官获得的知识。后验知识的正确与错误可以 用感觉经验来证明，但感觉经验并不是一直可信，后验知识可以在新知识的基础 上被否定，而不必举反例。 从不同的角度知识还可以有不同的分类：从知识的确定性程度来分，可以分 为确定性知识和不确定性知识，确定性知识可以用经典逻辑命题( 有唯真或假 的陈述语句) 来描述，是一类“非真即假”的知识。反之，若知识并非“非真即 假”，可能处于某种中间状态，这类知识往往要用模糊命题来表达；从含义大致可 以分为事实、规则、规律、推理方法；从应用的范围来分为通用知识与专门知识。 通用知识包括领域问题求解有关的定义、事实和各种理论方法、这种知识已为领 域内专业人员一致接受，往往已收录在教科书或参考书中。专门知识是那种在已 发表的文字材料中难以找到的知识，是凭经验获得的启发性知识：从知识在问题 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 求解过程中的作用可以分为静态知识和动态知识。静态知识主要是指对象性知识， 是关于问题领域内事物的事实、关系等，它包括了事物的概念、事物的分类、事 物的描述等。动态知识是关于问题求解的知识，它常常是一种过程，说明怎样操 作已有的数据和静态知识以达到问题的求解，是反映动作过程的过程：从知识的 层次性可以分为零级知识、一级知识* l - - 级知识。零级知识是指常识性知识和原 理性知识，是关于问题领域的事实、定理、方程、试验对象和操作等。一级知识 是指经验性知识，二级知识是指运用零级知识和一级知识的知识。 3 1 2 知识表示 知识表示( k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ) 就是知识的符号化和形式化的过程， 即用一些约定的符号把知识编码成一组计算机可以接受的数据结构【l8 1 。知识表示 方法研究各种数据结构的设计，通过这种数据结构把问题领域的各种知识结合到 计算机系统的程序设计过程。 在专家系统中，知识的符号化或形式化方面有利于计算存储，另一方面也 便于把握知识的形式语义和结构逻辑，设计出合理的推理机。 知识表示要使问题变得更加方便、容易、正确、高效，因而知识表示应该具 有可扩充性、明确性、清晰性、可理解性和方便性。 1 在解决某一问题时，不同的表示方法会产生不同的效果，迄今为止人们还没 有找到一种通用、完善的知识表示方法。常见的知识表示方法有产生式谓词逻 辑方法、语义网络、框架、面向对象的表示法等，下面逐- a n 以介绍。 3 2 产生式 产生式( p r o d u c t i o n ) 是目前专家系统中使用最广泛的知识表示方法，我们 已经在上一章作了简要的介绍。 产生式的一般形式为p - + q ，其中左部一般表示一组前提( 条件或状态) ，右 部表示若干结论( 或动作) 。其含义是如果前提p 满足则可推出结论q 。例如“如 果某动物为哺乳动物，这它必为胎生”。 产生式知识表示方法有以下优点： 1 模块化特征。规则使得知识容易封装并不断扩充。 2 解释机制。通过规则容易建立解释机，因为每条规则的前件指明了激活这 个规则的条件。通过追踪已触发的规则，解释机可以得到推出某个结论的推理链。 3 类似人类认知过程。规则的简化表示方式“i f t h e n ”形式，知识表示直 观、自然、便于推理，使得容易实现专家解释知识的结构。 同时，产生式系统也具有其局限性： 基于专家系统和m a p x 的帆船辅助训练系统的研究 i 效率不高。由于产生式系统求解靠一系列的“匹配冲突消解一操作” 的重复周期来实现，剐性太强，对层次的表达能力很弱，使得在推理的过程中不 能省略事先确定的相继关系，必须一步一步的前后匹配，这不便于根据某些特殊 情况走捷径或按照事先预定的路线快速处理问题，导致产生式系统求解问题的效 率不高。 2 解决能力的局限性。由于产生式表达式法过分地强调模块性和一致性，使 得它在表达复杂实体问的固有结构和功能方法时，显得并不有效。 3 3 逻辑方法 逻辑主要分为命题逻辑、谓词逻辑和二阶逻辑。命题逻辑表达能力弱，能解 决的问题不多：二阶逻辑过于复杂，而且到目前为止没有有效的算法。因而在人 工智能领域常用的还是一阶谓词逻辑。 一阶谓词逻辑演算是一种形