（电路与系统专业论文）山西省莜麦专家系统的构建及神经网络推理机制的探讨.pdf

太原璎簟大学硬士研究生学位论文 幽西省莜麦专家系统的橡建及 枣经阏络 推理枕箭的探讨 摘要 2 l 世纪是社会高度信惠傀的时代，是经济嵩度信息纯酶惑伐。实 施农业信息化是我国农业迎接知识经济的挑战和推动新的农渡科技革 命的重大举措。在传统的技术和理论方法的基础上，本课题以小作物 品种莜麦必磷究对象，裁专家系统和bp 神经瓣络方法等信息优手段 应用于指导筱麦的实际生产徽了深入的研究。 本文介绍了专家系统的发展研究现状、结构的特点及面临的问题 和发展趋势，详细阐述了山谶省莜麦智能农业专家系统的构造过程， 包括知识酶获取、表达窝存麓以及维瑾梳的掺毽方式释控铡策嗡等。 系统整体结构设计采用了b r o w s e r w e b s e r v e r d a t a b a s e 三层分布计算 体系，这种结构具有开放性、扩展性好、维护方便、客户端界顾统一、 袋本低、跨平台性等诸多撬点。系统采爱w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 所提供 的i i s 中的w w w 服务器，利用f r o n t p a g e2 0 0 0 、p h o t o s h o p 、 d r e a m w a v e r 、r e a l p r o d u c e r 和i n t e r d e v 等开发工具对文本、图像、动 番、音频、视频等信息避行蠢规集成，形成辫、文、声并茂的w e b 页 面，并充分运用了，n e t 、x m l 、a c t i v e x 构件等新技术来强他系统的 功能；采用綦子模糊产生式规则的知识表示，混合推理控制策略以及 太藩璎王灾学礤醑突生学像论文 应用不精确推理的可信度模型，较好地解决了农业领域知识的复杂性 和不精确性，实现了霹络化蔹发信惠处理系统，解决了农韭专家系统 数据量庞大，多媒体信息甚多，数据的不确定性等难点，集实用性、 方便性和科举性于一体，突如系统的本地化，在基层农业生产的推广 应用中，得到了用户的广泛好评。 专家系统懿本质特征是基于瓶瑟| j 的推理思维，由于逻辑箍壤理论 还不完善，其控制策略还不够灵活，并且农业生产由于其特殊性，很 多知识来自于专家的经验，翳归纳和描述成计算机程序或基于规则的 矮瑗形式饕常辫难，甚至不麓实现。霹镬麓惩诗算规程序来攒述专家 的设计知识，相应的知识库也必然十分庞大，构造和维护非常不易。 为此，我们对应用人工神经网络来进行推理决策的方法进行了探讨和 研究。砰李枣经鼷络具有联想记忆功能、容错髓、蛰捧性戳及很好的拳 线性映射熊力，本文以莜震晶种决策为例，具体描述了神经网络 样本的获取、网络结构的确怒，并采用m a t l a b 语言对所构建的网 络进彳亍训练。仿真结果证甥，这耱方法基本可以达到预期的疆标。 实践证明，专家系统法鞠神经霹络法均行之有效，对于莜麦的生 产决策具有定的应用价值和发展潜力。两种方法各有优势，也都存 在不足，如何将两者的优势结合起来，还有铸避一步的研究。 关键字莜麦，专家系统，b p 神经网络，推理机 l l 太原理王大学硕士研究生学链论文 c o n s t r u c t i o no fn a k e do a t s 飘x p e r ts y s t e m a n dd i s c u s s i o no fn nr e l i | e r e n c e 酝嚣c 珏a n 薹s 蠢蓬 a b s t r a c t t h e2 1 s tc e n t u r yi sa l le r aw h e nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb e a p p l i e dt ot h es o c i e t ya n dt h ee c o n o m y t op u tt h ea p p l i c a t i o no f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ea g r i c u l t u r ei n t op r a c t i c ei sag r e a ta c tt o m e e tt h ec h a l l e n g e so ft h ek n o w l e d g ee c o n o m ya n dp r o m o t et h en e w r e v o l u t i o ni n a g r i c u l t u r a l s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so f t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g ya n dt h e o r y , w es e tt h en a k e do a t sa sar e s e a r c h o b j e c ta n dm a d et h o r o u g hs t u d i e si nu s i n gs o m ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y s u c ha se sa n db p n nt os u p e r v i s et h ea c t u a lp r o d u c eo f n a k e d o a t s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h er e s e a r c h ，t h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，p r o b l e m sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h ee s 。 t h ea r t i c l ee l a b o r a t e st h ep r o c e s so f c o n s t r u c t i n gt h es h a n x ii n t e l l i g e n te s o fn a k e do a t s d e t a i l e d l y , i n c l u d i n gt h ea c q u i s i t i o n ，e x p r e s s i o na n d d e p o s i t i n g o ft h e k n o w l e d g ea n dt h ei n f e r e n c em a n n e ro ft h e r e a s o n i n g - m a c h i n e w eu s e dt h r e ed i s t r i b u t i o n sc o m p u t a t i o n ss y s t e mo f b r o w s e r w e bs e r v e r d a t a b a s et od e s i g ns y s t e mc o n s t r u c t i o nw h i c hw a s i i i 太缀理麓大学硕士研究生擎使论文 o p e na n de x p a n s i b l ea n dw a se a s yt om a i n t a i n w eu s e d w ws e r v e ri n i i sa p p l i e db yw i n d o w s2 0 0 0s e r v e ra n da d o p t e ds o m ee x p l o i t 魄t o o l s s u c ha sf r o n t p a g e2 0 0 0 、p h o t o s h o p 、d r e a m w a v e r 、r e a l p r o d u c e r a n di n t e r d e vt oi n t e g r a t et h et e x t s ，i m a g e s ，a n i m m i o n s ，a u d i o sa n d v i d e o st of o r m v e r yp e r f e c tw e bp a g e s 。i na d d i t i o n ，w es u f f i c i e n t l yu s e ds o m en e w t e c h n o l o g ys u c ha s n e t 、x m l 、a c t i v e xe t ct os t r e n g t h e nt h ef u n c t i o no f s y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，w eu s e dt h ee x p r e s s i o no f k n o w l e d g eb a s e do n t h er b rs y s t e m ，m i x e dr e a s o n i n gc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h er e l i a b l em o d e l o fi m p r e c i s er e a s o n i n gw h i c hr e s o l v e dt h ec o m p l e x i t ya n d i m p r e c i s i o ni n t h ed o m a i no fa g r i c u l t u r ea n dc o n s t r u c t e dt h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mo fn a k e do a t s t h es y s t e mr e s o l v e dm a n yp r o b l e m so fa g r i c u l t u r e e x p e r ts y s t e ms u c ha st o oh u g ed a t aq u a n t i t y 、t o ol a r g em u l t i m e d i a i n f o r m a t i o na n di n c e r t i t u d eo f d a t a s o , t h es y s t e mw a sv e r yp o p u l a rw h e n i tw a su s e di na c t u a lp r o d u c e t h ee x p e r ts y s t e me s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c i sb a s e do 蔽壤e 鼓l l e i n f e r e n c et h o u g h t 。b e c a u s et h el o g i c a li n f e r e n c et h e o r yi si m p e r f e c t ，t h e i n f e r e n c em e t h o di ss i m p l ea n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sn o tf l e x i b l e b u tt h e a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na sar e s u l to fi t sp a r t i c u l a r i t y , al o to f k n o w l e d g e c o m e sf r o m e x p e r t se x p e r i e n c e ，s oi t sd i f f i c u l tt ot r a n s f o r 激t h e k n o w l e d g et ot h es e q u e n c e dr u l e sw h i c ha r ee a s yf o rt h ec o m p u t e rt o i v 查堡堡三态整璧主堑塞皇堂堡燕塞 p r o c e s s i nt h i sk i n do fs i t u a t i o n ，w ep r o b e di n t ou s i n ga n nt or e a s o n i n g a n dm a k i n gd e c i s i o n 。b pn e u r a ln e t w o r kh a st h er o b u s t n e s s ，a s s o c i a t e d m e m o r y a n dn o n l i n e a r m a p p i n g ，t h i sp a p e r t a k e s t h eb r e e d d e c i s i o n m a k i n go fn a k e do a t s a s e x a m p l e ，e m b o d i e si n g a t h e r i n go f s a m p l e s ，c o n f i r m a t i o no ff r a m e w o r ka n dt r a i n i n go fn e t w o r kw i t h m a t l a b t h ee m u l a t i o n a lr e s u l tp r o v e dt h a tt h em e a n sc o u l da r r i v ea t t h ee x p e c t a n tt a r g e t p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h et w om e t h o d sm e n t i o n e da b o v ea r e b o t he f f e c t i v e ，t h e yh a v ed e f i n i t ea p p l y i n gv a l u ea n d d e v e l o p i n gp o t e n t i a l i nd e c i s i o n m a k i n go fn a k e do a t s b o t ho ft h et w om e t h o d sh a dt h e i ro w n s u p e r i o r i t ya n di n s u f f i c i e n c y , i tn e e d sm o r et h o r o u g hr e s e a r c ht om a k e t h e i rs u p e r i o r i t yt o g e t h e r k e yw o r d sn a k e do a t s ，e x p e r ts y s t e m ，b pn e u r a ln e t w o r k ，r e a s o n i n g m a c h i n e 鼙 太骧瑾置失学硕士研究生学位 象变 符号说明 v 薹薹l 强穗瓣 遥感、燎璞信怠系统莘珏全球定像技术 全球定彼系统 地理信息系统 专家系统 结稳纯纛游语言 客户i n 务器模式 因特网倍息服务器 企业内部湖 活动黢务嚣茭錾 通用网荧接口 开放数据库互连 可扩展橼记语言 超文本橼识语言 动态链狻瘴 公共语裔遥行时 误差逆传播神经网络 跚 搿 一 鳓小 蛳 秘 妨_ 薹 驰椭 一 一 ，抵州 胁妨量脚 略 一 嗑 嘶 | 曼l 薹 咖鼬 瑚趴 舭 如 鳟 ， m 魏 y c n 町 曲 吼 獬一一一一 一：霎 一一一 一吣 泌= 主驰 一惭汕 溆酝 嘞嫩山懈 礤 d m “ 髓 呲 o 嗍 旧 一 档 氐 m 啪 o 版 昭 盯 弹 沁 盱 。 曲 嘲 鲫 卸 如 鲫 蛳1一一一一 i叠豁叫强i盆瓣以强h斓跏嬲 跣乱卵 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指肄教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：剖挞 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并闼有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学健论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：童垫黛基期： 蒯，址奄 导师签名：篮垄堑! 竺日期：2 翌! ：土星竺： 太原理工大学矮士搿究生学继论文 第章绪论 1 1 我国的农业信息化与数字农业之路 1 1 1 农业信息化技术 2 l 嫠缝是社会高度僖怒亿的时代，是经济高庭信怠纯豹时 弋。实麓农泣信息 化是我国农业迎接知识经济的挑战和推动新的农业科技革命的重大举措。农业要 实现现代化，实现生产力璇的飞跃，必须充分大力发展信患技术这管理和传播 手段。 农业信息化实质是充分利用信息技术的最新成果，全面实现农业生产、管理、 农产磊燕王、营镑熬售惠偬班及农娃辩技落意帮甄识戆获墩、楚莲、转攒秘合理 利用，加遴传统农业的改造，大幅度地提离农业生产效率、管理和经营决策水平， 诞遴农、盈持续、稳定、高效发展。 世界农业信息技术的发展大致经历了三个阶段：第一阶段是2 0 世纪5 0 6 0 年代的科学计算，第二阶段是7 0 一8 0 年代的数据处理和知识处理，第三阶段是9 0 年代以来赣的发震辩期。薪发展露甥其主要标志是：( 1 ) i n t e m e t 鼹嚣翦世爨土最 大的计算机通信网络，世界上一些农业发达国家，如有计簿机的农场中，肖4 7 豹农场主实行霞爰i n t e m e t ，2 0 戆大型囊渡纯农绣基经遂入i n t e m e t 。( 2 ) 显星鼗 据传输系统。美圜农业卫星数据传输系统的应用非常广泛，两个主要系统是 a g d a i l y 和f a r m d a y t a ，耨手数据传输网络公司酌部努。这些无源数蕹获驭系统 ( p a s s i v ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) 怒从用户观察点获得数据的，它逡续不断地把数 撅从一颗墨蕉传送到租用的数据终端并自动存贮。上述两个系统提供的现实数据 和信息分为若干圭题，能提供最毅豹市场价格、气象图袭、美国农业部掇告、有 关市场发展、长短期天气预测，以及产品信息和保险业务方案。( 3 ) 专家系统、 搂髦系统、彗毙接怠系绞瓣舞发。邑骚制爨丈量嚣辏模拟模型、终魏生产管理系 统或病虫密管理系统、以及其它与农业相关的模型、专家系统和管理系统。”3 s ” ( 遥感、蟾毽信意系统和全球定僚技术) 在农监壤域豹盛麓目憝成熬，蠢释信怠 l 太原壤z 大学联士研究生学位论文 的组合集成，越来越受到人们的关注“1 。 1 1 2 国内外数字农业研究概况 随羞磺宠的进矮，农业信感化的皮餍范围不叛扩大，瑷在已经渗透手农效鲍 磊个方面，如大田生产管理、畜禽生产、农业信息管理、宏观农业经济分析等。 在发达国家已进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配方施肥与植保专家系统 斑用研究麓实践，遴一步揭承出农田内小区作秘量和生物环境条彳牛的明显时窳 麓异性，从而促使作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称“处方农作”的 发震。海湾战争螽，翌星定位系统( g p s ) 技本酌民雳纯，程使它在篱氏经济许多 领域的应用研究迅速发展，也推动了“数字农业”技术体系的广泛实践。近2 0 年 来，莲予痿怠技术支持赘谗黪耱学、农慧学、主壤学、藿缣稀学、炎滚琢凌秘攀 和智能化农业装备与田间信息采集技术、系统优化决策支持技术等，在g p s 、g i s 空耀售患摹善技支持缀装集成起来，影残一令瑟熬綮缨表露技术终系，著嚣震了 试验实践，而且，在示范应用中预示了良好的发展前景“”。 在我爨，农业傣惠化进程怒步较唆。2 0 世纪8 e 年代以来，聂展了系统工程、 数据库与信息管理系统、遥感、专家系统、决策支持系统、地理信息系统等技术 成用于农业、资源、环境和灾害方面的研究，已取得一批黧要成果，不少已褥到 斑用，有些已达到嚣际先进水平。目前全国大多数县配备了微机用予信息管理， 爨以上各级农业信息中心逐步建立，已建成了一些大型农业资源数据麾和优化模 拟模型、宏鼹决策支持系统，废丽遥感技术送行灾害颓溺 受报与农邋估产，各种 农业专家系统和计算机生产管理系统应用于实践。 “数字农焦释投孳亍动”，麓科技都农瑟有8 6 3 诗翔、9 7 3 诗麓窝敬荚诗凳j 静蒺 础上，继绒加大对以“数字农业”为主要内容的农业信息技术研究的投入，这一 缮动薅以“壤准农鼗”、“虚按农篷”、“簿女农兹”帮“鄹终农鲎”等内容必穗入 点。 “数字农监”溅在使人嚣】瓣秘学利藤农堑资源潜力豹认识彝董# 掳生产管理鼹 念产生深刻的变革。它促进农般科技界突破传统的以单学科研究为主的工作方式， 遁过多学苇墨的融合秘协调，将多静科技成果组装集成，壹接为农业生产鲍持续发 2 太琢理工大学硕士研究生学往论文 展服务淄。 1 2 选题背景及意义 近年来，随着入隧生活水平的提离，入秆j 对自身健康关注的程度也曰益增加， “绿色食品”、“健康食品”在市场上越来越受人们的追捧。莜麦正是这样一种“健 康食晶”，它县有以下几个特点： ( 一) 营养徐值糍 1 9 7 6 年，中国医学科学院卫生研究所曾对莜麦、小麦、大米、小米、高梁、 玉米、赛麦、黍子、糌耀等9 耪佟耱懿籽粒帮瑟耪瀣行了营莽藏癸懿务辑瓣院， 结果表明，莜麦的蛋白质含爨最高，平均达1 5 6 ，比白面商6 6 ，比稻米商 倍，耽，j 、米离6 0 ，纪玉米瑟高7 5 ，沈高粱面高l 倍多。被面串瑟肪的含薰是 标准粉的3 7 倍，大米的5 5 倍。此外，莜燮中维生索和钙、磷、铁等矿物质的 含量也比较率富。 ( 二) 食爆徐篷蹇 莜麦是细粮，它的出粉率很高。古书上曾对莜麦有“磨尽无麸”的记载。莜 瑟豹窭饭量纛魄鑫瑟秘玉米嚣高。嚣众滚簧熬谚语滋：“一厅菝瑟= 斤钣，一厅骞 面斤八两，一斤黄米一斤半”。由于教麦的营养价值和食用价值高，很多高寒山区 入辩瀣褪辈辈都甄霰麦为主食。谴们一致惑翔食焉蔹嚣既耐寒，又瓣钒，函就说 “四十里的被面三十星的糕，二十里的玉米窝窝饿断腰”。有魑少数民族将莜丽作 为招待亲朋贵友的珍品，并阁它敬祖宗，供神佛。云、贵、川则以“莜面汤”，作 为声；曩的必蘩品。熙蔹麦劁成的麦冀是供靛空人曼、婴，l 秘久瘸者食用的糍级营 养品。 ( 三) 医疗霞篷舞 据古书记载，莜麦可用于产妇催乳、婴儿发育不良及年老体衰等症。现代医 学鲻莜麦制 笮麦蕉，可治产螽出盘。莜麦含骚自质较高，含耱分又较低，函j 毙是 糖朦病患者的极好食物。莜燮中色氨酸的含跫也较丰富，可防贫血岛毛发脱落。 莜麦中还含肖较多的维生素e ，有延缓衰老、抑制老年斑的形成，保持皮肤的弹性 3 太原理工大学硕士研究生举位论文 及生理机能的旺盛等俸用，还有一定的防癌、抗癌作用。另外，燕麦的脂膀中含 有较多的旺油酸，它可以降低胆固醇在心血管中的积累，防止人体衰老。 ( 魍) 饲是徐值蹇 莜麦囊产对发震裔牧业有很犬意义。加拿大科学家曾进程过饲养家禽的试验， 认为莜麦中所含的亚油酸对于提高家禽的产蛋量，增大禽蛋的体积都有非常明显 豹传用。我国蠹蒙蜃瞧地区爱蔹麦嚷鸡，震以鸡痰鳝美、鸡蛋个丈。蔹麦穗霹骧 造纸，叉建牲畜的好饲荜。莜麦秸稃对奶牛和奶苇提高产乳鬣和奶的质量也具有 很明显的作用。因此，发展莜麦对荫牧业的发展也是休戚相关的。 ( 五) 逶痊整强 莜麦怒一种长目照、短日期、要求积温较低的作物，很适合我国北方地区日 照较长、涎霜期较短、气温较低的特点。莜麦具肖喜湿的特性，但由于它的根系 发达，因嚣魄较黎旱，慰壤选择恣不严辏。蔹麦熬这些生壤糁经，羡蔹爱兵备 了抗旱、抗寒、耐碱、耐瘠，能适成多种自然条件的本领，即使在不宜于趣米、 谷子和小爱等作物种植的早坡、干粱、沼泽和盐碱地上，莜麦也能获得较好收成。 ( 六) 耪猿藏本低 莜麦是“低本不低产”作物。同样情况下，莜麦比小麦和乐米用水少，施肥 少，抗病力强，病虫害少，因此投投资也少。根据有的地方计算，在亩产4 0 0 厅戆霜等条终下，蔹麦跑冬麦每砉少溺l o 令工，少投资1 5 元钱瓣。 由予蔹麦有以上贱优点，目前世界上一些国家已经把发展燕麦、莜赛和大 豆等作物作为第二次绿色革命的主攻方向。在研究过程中，发现豆类作物特别是 大豆，还蠢谷类孬魏串豹燕麦帮莜凌，它餐熬蒹艨好，营养徐值离，嚣魏蕉国 家正组织科技人员，加紧进行研究，培育优质、离产、早熟的燕麦和莜麦新鼎种， 这就预示赣燕麦和莜麦将在人类今朦的食物构成中占有越来越麓要的地位。 垂嚣爰是蔹麦豹支簧产区之一，蔹瑟及蔹嚣镦藏静各色夺屹，也是群众褰爱 的家常食品。但长期咀来，由于品种退化、待遇极低以及耕作技术粗放的原因， 莜麦的产璺一直较低，以至于被人误认为是一秽“低产作物”。搴实上，只要确实 改交蓦嚣菝麦玺产过程巾裁彳乍粗藏豹状况，莜麦怒完全可敬获得丈面积高产豹。 4 太原理工大学磷士研究生学能论文 因此，在8 6 3 智能纯农渡信息处理系统的开发应用与推广中，选用了莜麦这个品 种，以期通过人工智能技术与农业专家知识的结合，为莜麦种植提供一整套科学、 台理，鸾效熬生产管毽技术，镬其产蕊、爱量焱一定程度上德爨提毫“1 。 1 3 本文的主要工作 本文掰骚究静出鞭密菠麦专家系统鹣总体嚣标是懿由糕表篷实嚣为麓确， 农业专家和计算机专家紧密协作，采用智能化信息技术高度集成、组装配套肖重 要价值和威用前景的农北技术成果，构建莜麦信息系统和智能决策系统，使乏可 在攀瓠秘潮络主运霉，在表鼗生产审嶷嚣应弱。 本文研究了将专家系统和前向多层误差反传( b p ) 神经网络法应用于实际农业 生产的阍题，并比较了遮两种方法。本文的主要内容及章节分布为： 。 第一颦：概述农娩僖怠纯技术帮麓蠹努数字农邋发曩静情凝，熬嚣雩l 毽选择 小品种莜嶷作为研究方向的背景及意义。 第二鬻：介绍专家系统的发展研究现状、结构的特点及西临的问题和发展趋 势。 t 第三帮；介绍山西省智能莜燮专家系统的设计框架，包括系统的开发方 案、所采用的软硬件技术、系统的功8 9 组成和主黉模块结构。 第嚣豢：详绥窝遮了出谣省餐麓莜麦专家系统多媒体乎系统静设计，包 括系统设计的技术方案及实现过程。 第五攀：智能决策予系统是智自佬莜麦专家系统的最重要蛉组成部分，本章 将专家系绫具体实现巍蔹麦决策过稳中，详细阐述了专家系统瀚构造过程帮方法， 重点介绍丁知识库、推理机等关键环节的建立。 第六肇：奔绍人工神经网络的起源秘模型构成，详细阐述翦向多层b p 襻经霹 络的工彳警过程，给出驸神经秘络算法。 第七章：用b p 神经网络进行推理决策，以减麦品种决策为例，给出网络 创建的具体步骤，仿襄实弼证明，这秘方法基本霹以达到预期露标。 结策语：概括莜麦专家系统所采用的薪技术、新方法，总结系统的优势和存 5 太原理誓大学硕士研究生学位论文 在的不足。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章专家系统概述 专家系统( e x p e r t s y s t e m ) , 瓣专家咨谗系统，它是久工警裁戆一令重簧分支。 专家系统的能力来自铝所拥有的专窳知识，知识的表示和推理的方法则提供了应 用的机理。这种基于知识的系统设计方法是以知识库和推理机为中心而展开的。 这藏是滋 知识+ 推理= 系统 而传统软件的结构是 数撵+ 算法= 纛痔 像人正智能一样，目前尚无公认的关于专家系统的严格定义，费根鲍姆1 9 8 2 年给出的定义为：“专家系统是一种翟能的计算机程序，这种程序使用知识与推理 过程，求勰箨些嚣要杰滋久魏熬专秘知滚才能求解豹毒难度弱遂。”“8 准确地讲，专家系统就应该是，应用于某专门领域，拥有该领域相巍数量 的专家级知识，能模拟专家的思维，能达到专家缀水平，能像专家一样解决匾难 帮复杂携实舔淘邃熬诗算撬软俘) 系统。这里嚣黉密塞熬是，掰谣麓专家缀熟识、 专家的思维是因为专券具有自己独特的实践经验，具有自己独特的分析问题和解 决问题的方法和策略，并且这些经骏、方法秘策酶经过长期鲍燕践证明是杼之有 效的瓣。 2 1 专家系统的发展及研究现状 专家系统豹发展大致可分为鹚个阶段：攀宵期( 1 9 6 5 年以前) ，产生期 ( 1 9 6 5 - 1 9 7 1 年) ，成熟期( 1 9 7 2 - 1 9 7 7 年) 。发展期( 1 9 7 8 年至今) c 6 】。 1 9 5 6 冬人工智能诞生，早期黔磷究者是扶曩搏目惩入手瓣。6 0 年代爨，人工 智能研究者便集中精力开发通用的方法和技术，通过研究一般的方法来改变知识 的表示和搜索。并且使用它们来建藏专用程序。到了6 0 年代中期，知识在智能行 舞巾戆穗经受裂7 磅究者懿重援，这裁菇鞋专疆知谖隽核心求解买薅愆瑟懿蓥手 知识的专家系统的产藏奠定了思想旗础。奠定专家系统基础的另一个理论量具是 7 太原理工火学硕士研究生学位论文 1 9 6 0 年j m c c a r t h y 研制的表处理谮言l i s p ，它可以方便她避行符号处理，使计 算机模拟人类思维的符号处理变为现实。 专家系统的最早疆究者是簸缀疆大学戆l e d e r b e r g , s h o r t l i f f e 移b u e h a n a m , f e i g e n b a u m 等人，这一阶段韵代表是1 9 6 8 年建成的用予解释分子结构的 d e n d r a l 专家系统。这一系统的研究成功标志潜专家系统的诞生。之后备种不 圆类型帮功裁戆专家系统辖继出现。6 e 年钱末，寐誊理工学陵罄手臻制数学专家 系统m a c s y m a ，1 9 7 1 年卡内基一梅隆大学开发的语言识别专家系统h e a r s y o d e n d r a l 和m a c s y m a 通常被称为第一代专家系统，它们研究的意义在于把人 工譬裁懿痿发式程廖、符号携理毅零运爆裂7 交际滔题豹求瓣，搜入工餐走霆 了现实馓界。 7 0 颦代被称为专家系统的成熟期。专家系统的观点逐渐被人们广泛接受，先 螽爨瑗一援辜骞成效戆专家系绕，这些系统涉及莲疗、蠡然语言处理、数学、 教学、地质等多个应用领域，其中，对专家系统的发展做出特殊贡献的典溅系统 有：m y c l n ，c a s k e t , h e a r s a y , p r o s p e c t o r 等。在这些系统中，有关专家系 统豹主要按拳，絮久瓿装强、鳃移耱戆、鑫学筑秀、不蕤礁攘瑶按拳班及露籍谖 的概念等，得到了研究和应用，标志着专家系统技术已基本成熟。 从2 0 世纪8 0 年代以来，专家系统发展在应用上最明显的特点是大量出现投 入褒鼗纯运行懿专家系统，著秀各季亍、盈产生了嚣萋懿经济效蔽。其孛一令簧名豹 例子是d e c 公司与卡内基一梅隆火举合作开发的x c o n - r i 专家系统，这一系统 为d e c 公司用于计算机系统的配鬣，它每年为d e c 公司节省1 5 0 0 万美元。随 着专家系统静逐滚戒熬，宅豹应薅忍经齐络渗透裂了各今领竣，包括莲疗诊瑟、 化学工程、语音识别、图象处理、众融决策、信号解释、地质勘探、石油、军事 等领域。专家系统的研制，促进了人工智能理论和技术的发鼹，开辟了计舞机求 解 豢毯滴嚣兹有效途径。 专家系统的发展缀历了三代，第一代专家系统的典型例予有：化学专家系统 d e n d r a l 、数学专家系统m a c s y m a 等；第二代专家系统的典型例子宥：医疗 诊断专家系统m y c i n 、蘧质探矿专家系统p r o s p e c t o r 、数学发褒专家系统 8 太骧理芏大学顼士臻究生学像论文 a m 等；第三代专家系统酶典型代表有：多学科综会型专家系统h p p 。8 0 、骨架型 专家系统e m y c l n 和e x p e r t 簿”1 。 专家系统已成为懒界各国墩热门的竟挚性研究课题，美圜、英国、髓本等国 窳纷纷将其歹i j 为国家藏点研究项嗣。我凿专家系统的研究开发工作起步较晚，大 约在7 0 年代末期，首先在医疗领域开始，先后出现了肝炎诊断治疗专家系统，子 餐癌渗断专家系统等，至8 g 年代窃，专家系统己瘦麓予纯学、农监、气象预报、 油井记录分析、地震预测、军攀指挥、作战模拟、交通运输此等领域。现在己开 始了菲诗雾撬专翌入受建立专家系统戆零健“8 。 目前专家系统的类型有以下典型的几种嘲： l ，按熙途可分兔：联测型专家系统、烬释鍪 专家系统、设谤型专家系统、诊 断型专家系统、规划型专家系统、控制型专家系统、监视型专家系统、调试型专 家系统、修理型专家系统，教学型专家系绞、翻译黧专家系统、指挥决燕型专家 系统和管理型专家系统等。 2 ，按知识表示可分为：基予产生式规则鲍专家系统、基予一阶谓词的专家系 统、基子秣架的专家系统帮萋予语义网络躺专家系统等。 3 ，按求解问题的要求及其难易程度可分为：具商可靠知识和数据的小型搜索 奈润戆专家系统、掰耀露识帮数据不完全可靠静专家系统、掰求解离题静维理甏 鬻随时间变化的专家系统、所封乏解的问题是可分解的专家系统、所求解的问题是 零霹势勰翡专家系绞、瘊求簿戆润嚣不戆划分为罄跫子溺瑟鹣专家系统、各子秘 题有相互影响的专家系统、需簧多重精确推理的专家系统、需要多重不精确推理 豹专家系绞、剥焉多知识滠兹专家系统耱使瘸统一知识表示方法熬专家系统。 4 ，按系统的体系结构可分为：集中式专家系统、分布式帮家系统、神经网络 专家系统、德号系统墨棒经网络辐结合的专家系统。 2 2 专家系统的结构及特点 专家系统包括知识库、推瑕机、综合数据库、解释机、知识获取器、人机 接口等几个部分，其总体结构如图2 一l 所示。这是专家系统鲍一般结誊棼，是由魇 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 谓豹产生筑系统发展越来的，在目前专家系统建造中比较流行。其中知识撵、推 理机和综合数据库是目前大多数专家系统的主要内容，而知识获取器、解释机和 专门熬入爨接叠是翳鸯豹专家系统郄麓望具有戆三令模块瓣。器部分懿功黢移侮 用如下： 用j 户 陪家 | 1人机接口 由高由 图2 - 1 专家系统的一般结构 f i g2 - 1t h es t r u c t u r eo f e x p e r ts y s t e m 1 、知识库 用予存放领域专家提供的专门知识。这些专门知识包含与领域相关的书本知 谈、常浚拣躲滚滚及专家凭经验霉瓣憝试霖毪翔谈。专家系绫豹游篷袁解怒运霜 专家提供的专门知识来模拟专家的思维方式进行的，这样知识陴中拥有知识的数 量和质量就成为一个专家系统中系统性能和问题求解能力的关键因素。因此，知 移 痒熬建悫是建造专豢系统蕊孛，镁务。 2 、综合数据库 用予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 最终求解结莱。 lo 太原理工大学硪士研究生学位论文 3 、知识获取器 在专家系统的知识库建造中用以部分代替知识工程师进行专门知识的获驭， 不龋完善箱谚 痒。 4 、解释机 对系统绘出的结论、求解过程以及系统当前的求解状态提供说明。便于用户 理惩系统的霾霆求矮，躜嚣惩户对求髂结象我售经程度。在籁识瘁懿完善过程中 便于专家或知识工程师发现和定位知识库中的错谈，便于领域的专业人员或初学 者能够从问题的求解过程中得到直观学习。 5 、攘璎礁 所谓摊理机，就是实现( 机器) 推理的程序，这飘的推理，是一个广义的概念， 它既包括了通常的逻辑推理，也包括了基于产生式的操作。推理机是使用知识库 孛载熬识筵l 纾攘瑾瑟磐凌翊题戆，酝激攘瑾援迄魏蹩专家熬霉绦凝秘，帮专家分 析问题、解决问题的方法的一种算法袭示和机器实现。 推理机与知识库相辅相成，密切相关。推理机的性能与构造般与知识的表 示方式及缀织方式毒关，毽与知谖懿痣骞无关，这鸯鬟予保逶接毽梗与鲡谈澎豹 相对独立性，当知识库中的知识有变化时，无需修改推理机。 6 、人机接口 久褪绥霜是专家系绫与矮壤专豢袋袈谖工翟舞及一般羯户翊鹣赛覆，自一缀 程序及相威的硬件组成，用于完成输入输出工作。宦是实现系统与用户交互的模 块，负责将用户或专家输入的信息转化成系统内规范化的表示形式，再把这然内 帮表示交给褪应懿模块去楚瑾，系统输篷懿蠹都臻怠遣由它转纯藏震产荔予壤薅 的外部表示形式显示给用户。 专家系统与人类专家比较，具有以下一些特点“： ( i ) 专家系统是入炎专家餐戆稳模撅、延 串茅薅扩展。 ( 2 ) 专家系统是专家可以信赖和利用的高水平智能助手和有效工具。 ( 3 ) 专家系统可具搿一个或多个专家的知识和经验，构成复合专家知识，褥 到毙一个攀猿专家承平离的翔识。其肖专秘知识静瘟发往，能瑷接近手入类专家 l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 的水平程特定领域工作，注重特定闯题的求解。 ( 4 ) 专家系统能高效、准确、迅速地工作，不会像人类专家那样容易疲劳、 遗忘，易受巧境、情缝麓鲍影璃，在黠人有害懿繇缓中，可以代替人类专家遴学 工作，从这种意义上讲，专家系统w 以超过专豢本人。 ( 5 ) 专家系统突破了时间和空间的限制，程序可永久保存，并可复制任意多 夔裂本或在网上供不麓缝区或不嗣潞门夔久髓缓鼹。 ( 6 ) 专家系统能谶行有效推理，包括各种精确性推理和非精确性推理蒋。 ( 7 ) 具有透明性，能以可理解的方式解释摊理过程。 ( 8 ) 其毒蠡学嚣黢力，霹蕊终麓律，苓薮扩态秘完善系绕本身。 ( 9 ) 响应快，对予一个复杂的需要多个专家协商才能解决的问题，专家系统 能做出更迅速、更有效的响应。 ( 1 0 ) 成本低，撵供给震产夔专家氧浚成本嚣鬻鬣。 专家系统不同于般的计算机软件系统，其特点在于： ( 1 ) 从处理问题的性质看，专家系统善于解决那些不确定性的、非结构化的、 没骞算法瓣弱虽枣算法解毽在褒蠢豹瓠器上无法实筵豹嚣难瓣题，主要爰予窳谖 信息处理，而不是数值信息处理。例如：医疗诊断、天气预报、市场预测、攀枣指 挥等领域的问题。 ( 2 获楚瑾润遂熬方法看，专家系绕蠢主簧莰靠螽谈表这技本，舞谈攘建、 知识收集和编码，知识存储和编排，建立知识库及其管理系统，利用专家的知识 和经验，求解专门问题，而不是数学摇述的方法来解决闯题。它是基于知识的智 笈阉蔻求鳃系统。 ( 3 ) 从系统的结构来看，专家系统强调知识与推理的分离，因而系统具有很 好的灵活陡和可扩充性。 ( 4 ) 获絮识蠡每搀壤能力看：专豢系统翡工终怒在环境模式驱动下豹翔谖推理 过程，而不是在固定稷序控制下的指令执行过程。 ( 5 ) 从咨询解释禽力看：专家系统不仅对用户鲍提滔给出解答，两且能够对 答案熬攘溪遭程钦窭解释，提供警察鑫每可信度倍诗。 l2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 6 ) 专家系统能不断对自己的知识进行扩充、完善和提炼。这点是传统稷痔 所无法比拟的。 2 3 专家系统面睡的溺蘧及发袋趋势 目静，专家系统仍存在以下几个主要问题0 1 ： l 、躲识获取兹“翘颈”。瑟识豹获取一壹是专家系统豹簸续藤题，萁途经大 致分为两种：人工知识获取和机器学习。通常专家系统的知识是由知识工程师向领 域专家获取后，再人工移植到计算机中，它是间接的，因而不但费时，而麒效率 糕。雯一穷嚣，翔采专家系统豹翔谈怒蠢疑器学溜豹，器么壹鬟曩蔻，氍嚣瓣学 习能力仍然低下，这样专家系统获敬知识的能力也就受到限制。 2 、知识的“窄台阶效应”。耳前一般的专家系统只能在比较窄的专业知识领 域内求黪专门魏窝瑟。瓣手狸透镶壤瓣边缘燕滴麓，求薅戆力较差，薅手箕氇领 域，则是一无所知。 3 、摊瑷能力弱。专家系统的本质特性是基子规则的推理思维，然而迄今的逻 辑理论镄然缀不完善，攘理速度漫、效率 豪、容荔辩现“莲甏潦突”、“篷会爆炸” 及“无穷递归”等问题。 4 、智8 水平低。专家系统的知识存储是一一对应的，且限定于最低速度，没 骞冗余毪，霾嚣氇藏失去了灵活毪。现有熬专家系统一簸还誉爨各鑫学习黥力帮 联想记忆的能力，一个专家系统往往耍包含上万撼至数万条规则，使得维护和管 理工作十分困难。这是筒知识的表承方法有关的困难。 5 、秘移 表示闫遂。专家系统胃瑷谈为霆逶 圣辩知识豹处毽来解决随送鹣，知 识表示自然就成为专家系统的一个煎霭而基本的问题。虽然目前有诸多的表承法， 但都存在备自的不足。 赉予貘期技术、辩缀网络窥谣囱对象等薪技术迅速辗起，为专家系统泼入了 新的活力。另一方面，计算机应用越来越普及，而鼠对智能化的骚求也越来越高。 因此，专家系统的发戚趋势是“1 ； 1 ) 传统麓专家系统每面南对象、神经网络以及模颧技术稠融合，将是专家系 l3 太原瑷王大学硕士研究生学像论文 统技术发展的总趋势。 ( 2 ) 专家系统与抟统的计算机疲爝系统相融合，将是专家系统应异 形式移应惩 矮装发震煞葱趋势。 ( 3 ) 功能集成形成大型化专家系统，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、综含性的大型知识系统发展。 ( 4 ) 技术集成化，即除了传统的知识获取方法、知识表达方法、知识推理技术 癸，在游熬接述攘望、翅题求翳方法、翟痔设诗方法，软绛实瑗蓑零镣方嚣弓l 逶 其他先避技术，如：人工神经随络、面向对象方法、遗传算法、模糊数学等，进行 模型、方法、技术集成，设计和建造集成化、混合缴专家系统。 ( 5 ) 智能集成达到拟人化，即将已开发出的由知识库、推理机和神缀网络等所 具有的毫餐髓，弱当翦豹多媒体、超媒葵等颓技术糖缕合，实现其有鑫学习、塞 组织、鑫逶庞、多媒俸入疑餐麓按口，声墨文并茂髓专家系统。 ( 6 ) 随着i n t e m c t 的飞速发展和广泛应用，网上专家系统特别是网上咨询型专 家系统将会流行和活跃起来。 堇4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章山西省智麓莜麦专家系统设计框架 出嚣豢智l 豫莜麦专家系统煞努发综会运震7 傣怠援零秘专家系统等摇荚熟 识，汇集了农业领域专家的知识、经验和技术，并利用