（计算机软件与理论专业论文）基于图推理方法的玉米缺素诊断专家系统.pdf

fiijiffrli lfl l l l f l r r lirllllij i i f 18 0 5 8 4 8 独创性声明 。 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，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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。 一 一+ 。 - 学位论文作者签名： 醢：咝日期：旌旦：! 垂丝 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学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、缩印或其它复制手段保存、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：盈；受馥指导教师签名： 日 期：丘纽：丝： 日 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 、 摘要 ，： 、 在2 1 世纪计算机技术飞速发展的时代，为提高农业生产管理水平，农业专家系统 应运而生，使用专家系统与农业领域知识相结合解决农业生产中的问题成为了一种创 新。玉米是我国的主要粮食作物，并有大量的生产基地和实验田，因此提高玉米的产量 对我国的农业发展至关重要。在实际生产中，如果玉米在整个生长过程没有及时有效的 补充氮、磷、钾等各种营养元素，那么将会严重影响玉米的质量和产量，因此玉米缺素 的防治和诊断是提高玉米产量的重要途径之_ ，也是农业研究人员在不断努力的探索的 熟点。本课题针对上述玉米生产中存在的缺陷，首次提出研制玉米缺素诊断专家系统， 最终目标是为玉米的生产管理提供决策依据和防治方法，以提高玉米的产量和管理水 平。专家系统是解决该问题的一种新方法和新途径，专家系统将许多宝贵的农业领域知 识。经验和科技成果等综合起来，模拟人类的思维方式，构建计算机化的农业专家系统 软件，使系统具有较高的实用性和专家级的水平，实现农业生产管理的信息化、现代化 和智能化。 研究了专家系统的基本原理和开发方法，按照软件工程的生命周期法，逐层深入研 究，分阶段设计、开发、实现整个专家系统。采取的解决方案是：专家系统的知识获取 主要来源于农业专家知识、科技文献、科研成果等，之后进行有效的完善和整理相关信 息，转化为有价值的知识和规则，用s q ls e r v e r2 0 0 5 关系数据库开发工具构建知识库， 采用v i s u a ls t u d i o n e t 开发平台实现前台的可视化界面，实现专家系统的系统管理、 基础信息、病虫害管理、施肥管理、专家诊断5 个功能。 专家系统的领域知识采用产生式知识表达法；推理机的推理机制采用了正、反向的 推理；提出采用有序无环图的分析法，通过对有序无环图的搜索，实现对玉米缺素诊断 的推理，利用此方法，不仅实现了非线性的推理功能，还达到了提高系统的运行速度， 节省内存空间。 系统建立的玉米缺素诊断专家系统具有功能完备，技术先进的专家系统，达到了领 域专家级水平，补充和替代了农业专家指导农户的玉米生产；具有界面友好性、实用方 便、功能强大的特点。 。 关键词：有向无环图；缺素；专家系统；诊断 a b s t r a c t i nt h e2 1 s tc e n t u r yi n f o r m a t i o ne r a , a g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e mi sd e v e l o p m e n tt oi m p r o v e a 鲥c l ：d t m mp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ；i ti s 柚i n n o v a t i o nm e t h o dt or e s o l v ea g r i c u l t u r a l p r o b l e m su s i n ge x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g ya n da g r i c u l t u r a lk n o w l e d g e c o r ni sm a j o rg r a i n c r o p si nc b 虹a n dt h e r ea r em a n yo fp r o d u c t i o nb a s e s ，s oi n c r e a s i n gt h eo u t p u to fc o r ni s i m p o r t a n tt oc h i n a sa g r i c u i t u r a ld e v e l o p m e n t d u r i n gt h ep r o d u c t i o n , i fc o r np l a n t si nt h e g r o w i n gp r o c e s sa l e n tt i m e l ya n de f f e c t i v es u p p l e m e n t a r yn u t r i e n t s ，f o re x a m p l en i t r o g e n , p h o s p h o r u s ，a n dp o t a s s i u ma n ds oo n , i ti ss e r i o u s l ya f f e c tt h eq u a l i t ya n dy i e l do fc o r n ，s o c o r nd e f i d e n c y p r e v e n t i o na n dd i a g n o s i si sa l li m p o r t a n tw a yt oi n c r e a s ec o r np r o d u c t i o n ，i s a l s oa ne f f o r th o ts p o tt oa g r i c u l t u r a lr e s e a r c h e r s t h ep a p e r f i r s t l yp r o p o s e st h ed e v e l o p m e n t o fc o r nn u t r i e n td e f i c i e n c yd i a g n o s i se x p e r ts y s t e mt os o l v ec o r np r o d uc t ：i o ns h o r t c o m i n g s ， t h eg o a li st op r o v i d ed e c i s i o nb a s i sa n dc o n t r o lm e t h o df o ri m p r o v i n gc o r no u t p u ta n d m a n a g e m e n tl e v e l e x p e r ts y s t e mi san e ww a ya n dat e c h n o l o g y , i tc a nb em a n yv a l u e a 酣c u l t u r a lk n o w l e d g e ，e x p e r i e n c ea n ds c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t sa n ds oo n t o g e t h e rt os i m u l a t eh u m a nt h i n k i n gf o rb u i l d i n gac o m p u t e r i z e da g r i c u l t u r a le x p e r ts y s t e m s o f t w a r e ，t h es o f t w a r eh a sah i g hl e v e lo fp r a c t i c a l i t ya n de x p e r tl e v e lt ob ei n f o r m a t i o n ， m o d e ma n di n t e l l i g e n ti na g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t t h ep a p e rl e a r n st h e e x p e r ts y s t e mb a s i cp r i n c i p l e sa n dd e v e l o p m e n tp r i n c i p l e s ， a c c o r d i n gt ol i f ec y c l em e t h o do fs o f t w a r ep r o j e c t , r e a l i z i n gt h ee x p e r ts y s t e mw i t hl a y e rb y l a y e ri nd e p t hd e s i g n ，d e v e l o p m e n t t h es o l u t i o ni s ：k n o w l e d g ea c q u i s i t i o no fe x p e r ts y s t e m p r i m a r i l yf r o ma g r i c u l t u r ee x p e r tk n o w l e d g e ，t e c h n o l o g yl i t e r a t u r e ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n ds o o i l ，a f t e rc o l l a t i n gr e l e v a n ti n f o r m a t i o ni n t ov a l u ek n o w l e d g ea n dr u l e s ，u s i n gv i s u a ls q l s e r v e r2 0 0 5d a t a b a s ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m st ob u i l dk n o w l e d g eb a s e ，u s i n gv i s u a ls t u d i o n e t d e v e l o p m e n tt o o l st oa c h i e v et h ee x p e r ts y s t e m ，s y s t e mm a n a g e m e n t ，b a s i ci n f o r m a t i o n ，p e s t m a n a g e m e n t ，f e r t i l i z e rm a n a g e m e n ta n de x p e r td i a g n o s t i cc a p a b i l i t i e sf i v e t h ek n o w l e d g eo fe x p e r t s y s t e mk n o w l e d g e b a s eu s e s p r o d u c t i o n o fk n o w l e d g e e x p r e s s i o n ；i n f e r e n c ee n g i n eu s e s f o r w a r da n db a c k w a r dr e a s o n i n g ；t h ep a p e ri sa b o u t a c y c l i cg r a p ho fa n a l y s i st or e a s o nt h ec o n c l u s i o n so fc o r nn u t r i e n td e f i c i e n c yd i a g n o s i s ，i ti s n o to n l yr e a l i z e dan o n - l i n e a rr e a s o nc a p a b i l i t i e s ，b u ta l s oi n c r e a s e dt h es y s t e ms p 优, dt os a v e m e m o r ys p a c e t h ee x p e r ts y s t e mi sf u l lf e a t u r e d ；t e c h n o l o g i c a l l ya d v a n c e ds o f t w a r e ，r e a c ht h ef i e l d e x p e r tl e v e l ，i sc o m p l e m e n t a r ya n da l t e r n a t i v ea g r i c u l t u r a le x p e r t st og u i d e 囱t r n l e l - si nc o r n p r o d u c t i o n ；i th a sb eal l s c rf r i e n d l yn a t u r e ，p r a c t i c a la n dc o n v e n i e n t p o w e r f u lc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：d i r e c t e da c y c l i cg r a p h ；d e f i c i e n c y ；e x p e r ts y s t e m ；d i a g n o s i s 录 摘 要：j ：i a b s t r a c t ! ，j i i 目 录一“i i i 第1 章引 言二，：? ，1 1 1 人工智能简介。：l 1 2 专家系统在农业领域的应用、1 1 3 玉米缺素诊断专家系统的研究目的及意义：2 1 4 论文章节安排3 第2 章与本文相关的知识：j 4 2 1 专家系统：4 2 1 1 _ 专家系统组成j 5 2 1 2 专家系统特征一，6 2 2 知识与知识表示：j 7 2 2 1 知识和知识表示含义：? ：7 2 2 2 基本的知识表示方法8 2 3 本章小结：! ：9 啼 第3 章基于关系数据库的知识库构建1 0 3 1 关系数据库：1 0 3 2 知识获取! ：1 1 3 3 产生式知识表示的实现：，1 2 3 4 知识库的建立1 2 3 4 1 知识库的连接与管理j ；：1 2 3 4 1 知识库的设计与实现1 4 ，。 3 5 本章小结i 1 5 第4 章基于图推理方法的推理机设计。：。1 6 4 1 常用的推理方法- 一1 6 4 1 1 推理的类型1 6 4 1 2 推理的策略：1 7 4 2 系统中推理机的实现1 8 4 2 1 图推理方法1 8 4 2 2 推理机的设计与实现。2 0 4 3 本章小结：2 2 第5 章玉米缺素诊断专家系统的实现2 4 5 1 系统的开发环境及工具i 2 4 5 1 1 开发环境2 4 5 1 2 开发工具：，2 4 5 2 玉米缺素诊断专家系统的总体设计：2 5 5 2 1 系统的实现步骤2 5 5 2 2 系统的体系架构2 5 5 2 3 系统的主要功能2 6 5 3 系统的运行实例2 7 m 5 4 系统测试与安装3 0 5 4 1 系统测试3 0 5 4 2 系统安装一3 0 5 5 本章小结3 1 总结与展望3 3 参考文献：3 4 致谢：。3 7 在学期间公开发表论文及著作情况：3 8 东北师范大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 人工智能简介 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 是计算机学科的一个分支，也是2 1 世纪三大尖 端技术之一( 基因工程、纳米科学、人工智能) ，在众多领域得到了广泛的应用，并取得 了丰硕成果，已逐步成为一个独立的分支，在理论和实践上拥有了自己的一个体系。最 初诞生于1 9 5 6 年，在美国的d a r t m o u t h 大学召开的“关于用机器模拟智能 的学术讨论 会，由j m c c a r t h y 、m l m i n s k y 、l o c h e s t e r 和s h a n n o n 在会上第一次正式的提出“人工智 能 的术语，从此有了真正意义上的关于人工智能的研究。在1 9 5 6 年由a l s a m u e l 开发 的西洋跳棋程序，它是模拟人类下棋过程的程序，具有自我学习的功能。在1 9 6 0 年由 j m c c a r t h y t i ：开发了具有处理符号功能的u s p 语言n 】。 人工智能从诞生到现在，还没有给出一个严格的明确的定义，但人们普遍认为：人 工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类的智能的理论、方法、技术的- - f l 新兴 的计算机边缘科学，它涉及到数学、生物学、逻辑学、认知科学等许多领域相互渗透的 科学比1 。人工智能研究的领域包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家 系统等。总体来说，它是- - 1 7 十分广泛的科学，由不同的领域组成。随着信息的高速发 展，伴随着互联网的广泛使用，人工智能也在此发挥了很重要的作用。同时随着时代的 发展和技术的进步，人工智能也在不断的发展和前进，不断的开拓新的领域，向更有意 义和更伟大的目标前进，为人类社会带来了具大的进步。 人工智能系统的研究对象是非常广泛的，与传统计算机程序相比，它主要是处理符 号信息，人类世界上客观事物的理论性知识，规律性知识，经验性知识等；采用启发式 的搜索方式，而不是单一的依靠代数的算法；把推理机制和知识分离开，而不是结合在 一起，这样更便于知识的修改、更新和扩充等乜1 ；可以处理不确定性问题或模糊性知识， 以启发式的推理方法，模拟人类的思维过程，使得人工智能系统走向更智能化。 人工智能研究范畴主要是：分布式人工智能、机器学习、定理证明、模式识别、自 然语言处理、组合高度、不精确和不确定的管理、神经网络、遗传算法、专家系统、知 识库系统、智能数据库系统、智能机器人系统b 4 1 。专家系统是人工智能发展最快最成 熟的领域之一，让计算机进行推理、学习、识别，使用某领域的大量知识来解决现实中 的问题，达到领域专家水平，它已经成为了一个重要的研究领域。 1 2 专家系统在农业领域的应用 专家系统作为人工智能应用研究领域最活跃、最广泛的领域之一，它能够利用领域 东北师范大学硕士学位论文 专家的知识来解决该领域的问题，拥有大量的领域专家的丰富知识和宝贵经验，模拟人 类的思维方式进行推理和判断的过程，成功有效的解决了复杂的问题。近年来，有很多 学者致力于研究和建造专家系统在化学、地理、医疗诊断、机械故障、农业生产等方面 的应用，其效果已经达到了很高的水平，并在实际应用中产生了巨大的经济效益和社会 进步。 专家系统在农业领域的应用最早开始于2 0 世纪7 0 年代末期啼1 ，将专家系统技术应用 到农业领域的各个方面，目前已经有很多成功的实用的农业专家系统广泛地应用于人们 农业生产中，如农作物种植管理拍3 、病虫害管理口8 1 、园艺管理、家畜饲养、施肥管理呻 1 等方面，研制出许多农业专家系统和开发工具。如国外的美国伊利诺斯大学的开发的 p l a n t d s ( 大豆虫害诊断专家系统) ；1 9 8 6 年美国研制的c o m a x g o s s y m 专家系统主 要用于棉花的生产管理，它的诞生是农业专家系统进入实际的应用的开始n 。国内农业 专家系统的研究开始于2 0 世纪8 0 年代初期，最早于1 9 8 3 年中国科学院合肥智能研究所与 安徽农科合作，开发了“砂姜黑土小麦施肥专家系统 。 农业专家系统是提供解决农业问题的实用的软件系统，可以帮助农业生产者解决实 际问题，同时也解决了缺少农业科技人员的情况。它不仅可以存储、传递农业知识和经 验，还能把分散的、零碎的农业知识汇集起来，通过系统智能化的信息处理，提供给用 户更完善的解决方案，并不受时间和地点的限制，容易传播和交流，提高了农业生产的 效率，加快了农业生产的发展u 铂。 由于专家系统种类多，有基于启发式的专家系统，专家数据库、基于产生式的专家 系统和专用外壳等，因此将专家系统与很多新技术进行结合n 3 1 ，开发具有网络化、智能 化、信息化的农业专家系统，它能够为发展高产、优质、高效的农业做出了巨大的贡献。 1 3 玉米缺素诊断专家系统的研究目的及意义 我国作为玉米生产第二大国，它具有覆盖面积广的特点，全国有3 1 个省( 市、区) 都 有玉米种植，占全国的7 0 左右。玉米作为主要的粮食作物，具有很高的营养和经济价 值，但是由于农户在长期的生产中缺乏生管理和技术支持，经常造成减产减量的情况， 造成了严重的经济损失和粮食紧缺的后果。其中一个很重要的原因是农户没有及时的发 现玉米生长过程中缺少的营养元素，没有合理的搭配营养元素，造成营养过剩出现中毒 或缺少某一营养元素而阻碍了植株的生长而减少产量。因此非常急需一种能有效解决玉 米营养元素诊断和防治的技术，在现实中，农户大多经常咨询农业专家或者农业科技人 员，采用他们的经验性知识来解决问题。 专家系统是智能的专家级的计算机系统，它能够利用大量的农业领域知识和宝贵经 验进行推理，具有快速的计算能力，以现代多媒体技术，将推理结果进行可视化管理， 提高了农户对玉米生长知识的学习和认知，特别是它还能够进行启发式的推理能力，可 以有效解决农业管理中不确定性或模糊性问题，做到早发现、早预防、早治疗n 引。因此， 对于玉米缺素这个问题，专家系统技术是一个很好的解决途径，开发玉米缺素诊断专家 2 东北师范大学硕士学位论文 系统具有很大的应用价值和经济效益。然而，目前在国内将专家系统应用于玉米缺素诊 断中还很少，因此开发玉米缺素诊断专家系统具有一定的创新性，对今后此领域的研究 具有一定的参考价值n 5 1 。 1 4 论文章节安排 本文章节安排如下： 第一章：引言部分 主要介绍了人工智能发展历程、定义、研究范畴和应用领域；专家系统在农业领域 中的应用对农业专家系统的研究应用状况进行简单的阐述；本课题的研究目的和实践意 义；论文章节安排。 第二章：与本文相关的知识 具体阐述了专家系统的一些基本概念和发展历程；专家系统的组成要素及具体含 义：专家系统的基本特征有哪些；知识和知识表示部分首先对其进行含义的介绍，举例 说明基本的知识表示方法；为下一章知识库的建立打下基础。 第三章：基于关系数据库的知识库构建部分 介绍关系数据库的基本概念；本系统的知识获取的重要性和具体的方式；本系统中 产生式知识表示方式的实现；本系统基于关系数据库的知识库的连接和管理；知识库的 设计与实现。 第四章：基于图推理方法的推理机设计 介绍了常用的推理方法和推理策略，确定系统推理诊断的主要因素，阐述图推理方 法的原理和基本概念，设计和实现本系统的推理机。 第五章：玉米缺素诊断专家系统的实现 阐述了系统的实现步骤，采用的开发环境和工具，系统的总体架构，系统包括的主 要功能有几部分及其实现，最后系统的运行效果和总结，系统的测试结果和安装运行。 最后对课题做了总结和展望，总结了前面的研究工作成果和不足之处，同时进一步对系 统的研究工作提出了新的展望。 3 东北师范大学硕士学位论文 第2 章与本文相关的知识 2 1 专家系统 专家系统( e x p e as y s t e m ) 是人工智能的一个分支，它可以定义为在特定领域、以人 类专家水平去解决该领域内复杂、困难问题的计算机程序或软件系统，其定义可以表达 为“专家系统= 知识+ 推理 。主要特征是它依靠专家经验性的知识或规则来思考、分析、 解决问题，将经验性的知识应用于尚未完全解惑的应用领域的一种方法，很适合在人类 社会中的具体学科中的应用。 专家系统也称基于知识的系统( k n o w l e d g eb a s e ds y s t e m ，g a s ) ，它运用人工智知识 工程原理和技术，总结、汇聚领域专家的大量宝贵经验以及相关数据、模型，解决领域 专家解决的问题。具体地讲，知识工程师通过知识获取手段，将领域专家要解决的问题 的相关知识，采用某种知识表示技术来表示，有利于计算机的存储，构建知识库，然后 用户通过人机交互接口，输入信息、数据与命令，并借助知识库，运用推理机控制知识 库和整个系统的运行，获得问题的求解结果n 棚。 专家系统已逐步走向成熟化阶段，从1 9 6 5 年至u 1 9 7 2 年第一代专家系统诞生，最初解 决专业化问题，但系统缺乏完整性和可移植性，导致系统解决能力很弱。这一时期，由 f e i g e n b a u m 、l e d e r b e r g 、d i e r a s s i 研发的著名的化学质谱分析系统d e n d r a l ，标志着专 家系统的诞生。在1 9 6 9 年斯坦福大学m i t 教授在贝尔实验开发的m a c s y m a ，主要是解 决数学符号运算领域的专家系统。从1 9 7 2 年到1 9 7 7 年第二代专家系统以解决单学科问 题、应用型为主，具有很强的结构完整性和系统移植性，并在人机交互、启发性推理、 不确定性推理有所改善。具有代表性的专家系统：在1 9 7 4 年e h s h o r t l i f f e 和b u c h a n a n 研 制的m y c i n ( 诊断和治疗传染性疾病的医疗专家系统) n 刀专家系统，在医学领域的应用， 并采用基于产生式规则的专家系统，也被世界上公认为第一个功能最全面的专家系统。 从1 9 7 8 年到1 9 9 0 年第三代专家系统向多学科方向发展，综合多种智能语言、多种知识表 示方法和推理机制研发专家系统。以l i s p 机器的问世，k e e 专家系统工具、p r o l o g 语 言、c l i p s 专家系统工具为代表。基于现有的专家系统的理论和方法，正在向第四代专 家系统转化，在1 9 9 4 年，在葡萄牙召开的第二届世界专家系统大会上，专家系统的创始 人费根鲍姆提出的“知识前景研究课题及应用”的报告中，展示了新一代专家系统的 发展方向，一是功能集成化的大型专家系统；二是技术集成化的混合型专家系统；三是 具有更高级的达到模拟人类智能化的专家系统；四是利用现今i n t e r n e t 的飞速发展， 也会加快网上专家系统的流行趋势n 8 1 。 专家系统的广义分类啪1 如表2 1 所示： 4 东北师范大学硕士学位论文 表2 1 专家系统的分类 种类通用的领域 配置以正确的方法配置系统组成 诊断基于已观察到的迹象推断潜在的问题 教学 智能教学使得学生可以问为什么、怎么样和如果会怎样的问题 解释解释观察到的数据 监测 比较观察数据和预测数据以判断性能 规划规划行为以产生预测结果 预测预测给定情况的结果 补救对问题给定补救措施 控制管理一个过程，可能要求解释、诊断、监测、设计、预测和补救 2 1 1 专家系统组成 专家系统是由知识库、推理机、人机交互接口和其它有关部分组成n 6 、2 1 1 。一般地， 专家系统最常见的组成部分如图2 1 所示： 1 人机接口 l 工i工 i 推理机 解释界面知识获取 l 一 弋7 () 图2 1 专家系统组成 1 、知识库 知识库包括事实和规则，用于存储解决问题所需要的领域知识和经验，是专家系统 的核心。事实是说明性知识，反映问题以及中间求解状态，是一种静态知识。规则是过 程性知识，是求解问题的动态知识。设计建立专家系统知识库的主要工作包括这两类知 识的获取和表示以及知识库的管理。专家系统的求解问题的基础就是知识库中的知识， 只有运用这些知识才能模拟出问题的分析思路，而且知识的数量和质量也关系到专家系 统的性能和求解能力，因此知识库是专家系统的关键部分，也是核心部分。 5 东北9 币范大学硕士学位论文 2 、综合数据库 综合数据库是专家系统的辅助数据库，主要功能是用于存储专家系统推理过程中所 得到的初始条件、问题状态、中间结论、最终结果等信息，属于临时的数据库，便于系 统的下一步推理。 3 、推理机 推理机是一定的控制策略，根据当前的信息，识别选取知识库中的知识进行推理。 推理机的控制策略可以分为数据驱动的正向推理，目标驱动的反向推理，以及正反向结 合的混合推理。专家系统的开发方法不同，推理策略也有所不同。 4 、解释界面 解释界面用来回答系统的推理过程，系统通常以其使用的规则解释其所做出的结论 或是给出解决问题所需应用的知识。这样便于用户理解专家系统做出结论的依据，对系 统所得出的结果有可信度。同是也利于用户或者初学者能从中有一个直观的学习过程。 5 、知识获取 获取可以用来接受专家对知识库的修改；也可以增加系统运行所产生的动态知识。 通过获取模块可以不断扩充知识库，保持知识的一致性和完整性，增强完善专家系统的 性能和求解能力。还可以进行知识的自我学习和自适应，达到系统具有较强的学习功能。 6 、人机接口 人机接口又称人机交互，是专家系统与外界进行交互的接口，即领域专家和用户与 系统之间的交互界面，它是由程序和相应的软硬件组成，用于向用户展示所需的信息， 完成输入和输出等工作。 知识库用于存储领域知识，存放的方式决定于知识表示方法；推理机控制整个系统 运作与问题求解，所以又称控制机构或问题求解器；解释机构用于向用户解释“为什么 、 “怎么样 之类的发问；人机交互接口又称用户界面，是用户与系统进行联系的部分， 用来进行数据、信息或命令的输入，结果的输出和信息的显示等，与用户交互媒介既可 以是文字，也可以是声音、图像、图形、动画、音像等；数据库存放系统的有关数据， 例如系统运行中用户输入的数据，中间推理得到的结果及最终结果等。专家系统的核心 机构是知识库和推理机，二者缺一不可。通常知识库独立于其它各部分，这是专家系统 结构的一个重要特征。 2 1 2 专家系统特征 专家系统具有的基本特征乜1 5 悖1 包括： l 、具有启发性推理 专家系统不仅具有处理数值型数据，还能够处理符号信息，它是利用领域知识和 经验进行推理，模拟人类的思维过程，用启发性知识进行推理。因此它不仅能使用逻辑 性知识，也能使用启发性知识。 2 、具有透明性 专家系统能够解答用户提出的问题，同时也能向用户解释推理过程，方便让用户 东北9 币范大学硕士学位论文 真正的了解问题，从而对专家系统产生信赖。例如医疗诊断专家系统，对于病人的疾病 它能够解释为什么得了这种疾病，同时给出具体的治疗方案，就如同医生给病人看病一 样。 3 、具有较强的灵活性 专家系统把系统的知识库和推理机相互独立，知识库的知识便于修改、补充和精 练，可以不断的更新知识。因此人们可以开发一个成型的专家系统开发工具，让它发挥 更大的作用和方便。 4 、达到专家级水平的技术 专家系统汇集了众多专家的知识和经验，而且能够进行自我学习、自适应的能力， 通过对知识库的不断更新和扩充，专家系统可以解决更高水平的问题，并且不受时间和 空间的限制，能够高效、准确、迅速地运行。有时它的能力甚至超过了领域专家，也容 易被用户接受和使用。 5 、能够进行有效的模糊和非确定性的推理功能 专家系统的大多数知识和规则都是不精确的，但专家系统能够对这些模糊的信息作 出回答，它善于处理不确定性的、非结构化的、模糊的信息，这些也使得专家系统具有 解决高难度和复杂性的问题。 6 、 具有很好的交互性 专家系统也可以称为是一种交互式的系统，一是领域专家与系统进行交互扩充新的 知识或规则，以达到完善知识库的目的。二是专家系统的用户与系统进行交互，以获得 问题的解决方案，咨询专家系统，这是一种非常友好的交互式系统。 2 2 知识与知识表示 2 2 1 知识和知识表示含义 在现实世界里，人们认为数据就是数字，其实质它只是一种简单的数据，是对数据 的一种传统和狭义的理解，广义的数据还包括文字、图形、图像、声音等。信息是具有 一定含义的数据，是加工、处理后的数据，是对决策有价值的数据，指构成一定含义的 一组数据。数据与信息就如同原料和结果的关系。知识是人们在改造客观世界的实践中 所获得的认识和经验的汇总，它是信息经过收集整理、挑选和改造而形成的恤3 。知识具 有较强的隐蔽性，需要进行归纳、总结、提炼，能够直接推动人的决策和行为。知识是 人对自然世界、人类社会以及思维方式与运动规律的认识与掌握，是人的大脑通过思维 重新组合和系统化的信息集合。例如：“温度，“3 7 2 分别是一项数据；“3 0 岁的张 一的体温是3 9 1 ”是一条信息；“如果人的体温超过3 8 5 ( 成人) 或3 0 ( 小孩) ，则 身体正在发高烧”分别是一条知识；“如果张一的体温还再升高，则需要看医生 这也 是一条知识。利用这条知识我们可以预测张一病情的更加严重化。 数据、信息与知识它们是一个有层次的体系，数据在底层，它的上一层是信息，最 7 东北师范大学硕士学位论文 上层是知识，就如同金字塔妇羽。数据是基础的元素，而把数据经过加工、处理形成了有 价值的信息，而信息再经过归纳、总结形成了知识，它是一种更有价值的资源，知识是 数据、信息的浓缩和精华，具有一定的价值性和真理性，它也是人类活动的各项基础和 准则。三者的关系如图2 2 所示： 图2 2 知识、信息、数据层次关系图 总之，知识能够为人类社会带来巨大的财富，也是宝贵的资源，我们要合理有效的 保存和使用它，但是如何来表示知识呢。 知识表示是指把知识客体中的知识因子与知识关联起来，便于人们认识和理解知 识。知识表示是知识组织的前提和基础，任何知识组织方法都是建立在知识表示的基础 上。知识的表示是对知识的一种描述，或者说是对知识的一组约定，一种计算机可以接 受的用于描述知识的数据结构。在专家系统中知识表示是专家系统中能够完成对专家的 知识进行计算机处理的一种技术手段。 2 2 2 基本的知识表示方法 知识表示的方法与所要解决问题的性质和求解方法密切相关，合理的选择知识表示 方法也是构建专家系统的关键，它直接关系到专家系统的知识获取、知识库的构建、推 理机的设计等方面，从而也关系到系统的运行速度、实用性、可扩展性、健壮性等。一 般来说，任何一个给定的问题，都有多种等价表示方法，它们可能产生多种不同的效果。 合适的知识表示方法能够使问题明确，给内部推理提供方便，从而使问题变得比较容易 解决。目前国内外提出了许多的知识表示方法，常见的有状态空间法、问归约法、谓词 逻辑法、语义网络法及产生式表示法等。这些知识表示方法在各类的专家系统中得到了 广泛的应用。下面将分别介绍几种常用的知识表示方法n 1 2 l 瓠筠犰钨别： 1 一阶谓词逻辑表示法 谓词逻辑表示方法是最早应用于人工智能的知识表示方法，它具有接近自然语言、 便于存储等特点。它的基本原理是：首先选择具有意义的谓词名，其次确定谓词个体变 元的个数，最后变元之间的关系，根据所要表达的知识语义，用符号将谓词串联起来， 最终形成谓词公式。谓词逻辑表示法主要用于表示叙述性知识。 2 产生式表示法 盘 东北师范大学硕士学位论文 产生式表示方法是广泛的被专家系统采用知识表示方法，又称规则表示法，主要用 以描述事物的性质变化、因果关系为主。产生式的基本形式是： l fat h e nb a 代表条件，b 代表结论，其表达的含义是：如果条件a 满足，则产生结论b ，并 且条件a 和结论b 可以是多个，由a n d 或o r 进行连接。 3 语义网络表示法 语义网络表示法是一种用有向图来表示知识的表示法，最初在1 9 6 8 年j r q u i l i a n 应用于心理学模型，在1 9 7 6 年开发的地质勘探专家系统p r o s r e c t o r 中真正的应用 了语义网络技术。它的基本原理是：语义网络的结构可用图来表示，包括结点和连接结 点的弧，结点用于表示物理实体、概念、状态，弧又称连接或边，用于表示对象间的关 系。它主要用于表示显式知识，具有直观清晰的特点，但不适用于不确定性推理。 4 框架表示法 框架表示法是1 9 7 5 年由美国的m m i n s k y 提出了框架理论，当时只是理论，但在后 期的应用中发挥了很大的作用。框架表示方法是一种结构化的表示方法，典型的有数据 学系统( a r t i f i c i a lm a t h e m a t i c i a n ，a m ) 和肾脏病诊断系统( p r e s e n ti l l n e s sp r o g r a m ，p i p ) 都应 用了框架表示法。它的基本原理是：由事物各个方面的槽组成，每个槽拥有若干个侧面， 每个侧面又拥有若干个值。框架表示法的实用性在于它具有层次结构和继承性，特别适 合表示因果关系的知识。框架系统由单个框架，以及有关联框架之间连接起来，组成一 个完整的系统。 2 3 本章小结 本章首先介绍了专家系统的基本概念、发展历程、基本组成和基本特征，及其具体 的内容；其次介绍了知识和知识表示的方法的定义，包括常用的知识表示方法的含义、 基本原理和应用举例。 9 东北师范大学硕士学位论文 第3 章基于关系数据库的知识库构建 3 1 关系数据库 1 9 7 0 年“关系数据库之父刀埃德加弗兰克科德( e e c o d d ) 在美国计算机学会 会刊上发表的题为“a r e l a t i o n a lm o d e lo fd a t af o rs h a r e dd a t ab a n k s 论文，真正 地、系统地、严格地提出关系模型的数据库。关系数据库也称为关系数据库模式， 是对关系数据库的描述，它包括若干个域的定义以及在这些域上定义的若干关系模式， 关系数据库的值是这些关系模式在某一时刻对应的关系的集合，通常称为关系数据库。 关系模型包括关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。( 1 ) 数 据结构只有关系，即客观世界的实体以及它们之间的联系都用关系来表示，它的逻辑结 构就是一张二维表。( 2 ) 关系操作包括查询操作( 选择、投影、连接、并、交、差) 和增 加、删除、修改操作。关系操作是集合的操作方式，一次一集合的方式，不同于非常关 系模型的操作方式一次一记录的方式。( 3 ) 关系完整性分为实体完整性、参照完整性和 用户定义的完整性啪1 。 关系模型常用的一些术语： 1 关系( r e l a t i o n ) ：一个关系对应一张表。 2 元组( t u p l e ) ：表中的一行即为一个元组。 3 属性( a t t r i b u t e ) ：表中的一个列即为一个属性。 4 主码( 或关键字，p r i m a r yk e y ) ：表中可以唯一确定一个元组和其他元组不同的 属性组。 5 域( d o m a i n ) ：属性的取值范围。 6 分量( c o m p o n e n t ) ：元组中的一个属性值。 7 关系模式( r e l a t i o ns c h e m a ) ：对关系的描述，一般表示为：关系名( 属性1 ，属性 2 ，属性n ) 。 关系模型中记录之间的联系是通过不同关系中的同名属性来实现的，关系模型具有 以下基本特征：( 1 ) 它是有关系数据理论为基础的，具有可靠的理论依据；( 2 ) 它不仅可 以描述一对一、一对多的联系，还可以描述多对多的联系；( 3 ) 对于实体本身和实体之 间的联系都使用关系描述，体现了表示的一致性；( 4 ) 关系中每个分量是不可分的，也 就是表中不允许有表。关系模型概念清晰，结构简单，易于用户的理解和方便用户操作。 对于程序开发人员而言，不用关心具体的存取过程，从而减轻了程序员的工作负担，具