专家系统外壳的数据库设计

1、软件研制2007 4午+于丈就专冢系统外壳的数据库设计梁灵辉1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing blouse. All rights reserved. h(tp:w软件研制2007 4午+于丈就1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing blouse. All rights reserved. h(tp:w软件研制2007 4午+于丈就信思技术新课程标准中已经设立入工智能初步.选 修整块。该横块由3个主题组成：知识及貝覆达、推理 弓专家系统、人工智繼语舌

2、与问题宋解。国内有关教学 型专家系统的资料相对欠缺，还没有现成的专家系统外壳 供教学底用，作者针对人工皆能初步课程专家系统模 块的教学目标，开发了 宕俱专彖系统外壳（以下简鄭 本系统），可収利用広系统开发简单的琴家系统，实现中 小学校人工智能谍程的教学雯求。知识表示与推理髓略 崔专家系统外壳程厚开发的两大关整问题.本文在知识茨 示的基础上分析了如何用数据库实现知识的数掳结构。目痢比较成熟的专家系统由六个8B分组成：知识庠、 推理机、上下文、入机接口、解释程題和知识获取程 序。b专家系统的基本特征是知识库与推理机相分离.eo 解决问题的知识与使用知识的程序相分离。知识库和上 下文分别存储专家系统

3、戌规则库与用户事买，这两部分均 涉及知识的表示方刘。推理机、解释程房、丸识获取程 房及人机接口应设计成栈立于应用领域知识，这四部分称 为专家系统外壳程序。数据库设计的目的宦把九识库与 上下文的知识畏示方式逬行通用化处理，达到对不伺SZ用 领域知识的支持。一、数据结构设计（一）知识表示方法专家系统的研究和设汁着枣于知识处理，它包括知识 的获取、茂示和利用三个核也环节。知识表示研究各种 存储兄识的数据结梅设计，以硬在这些数据结构中存倍领 域知识、开发各种灵活操纵这些数堀结构电推理过程、便 知识的茂示和运用坯识的控制相融合。一个专家系统中 知识衣示模式的恰当与否不仅与知识迫肖效存储育关，也 直接影蹈

4、若系统的兄识获取能力和知识运用效率.因而知 识表示是知识处理中最基本的一个问题。专家系统的妞识按表示方法分为逻損表示法、产生 式表示法、语义网络茂示法、框架表示法、特性表責示法 等。不同的知识表示方法适用于不同的应用领域，在专 家系统设计过程中，可以结合领域知识的時点.选用一秤 或多种知识表示方法。结合目闻主流专家系统的刃识表 示方法以及人工番能初步谏程专家系统模块的教学目 标，亡智专家系统外汽（IX下向称本疥统）采用产生 式責示法。产生式茨示法也称规则表示法，采用这种袤 示法的专家系统称为基于规则的专家系统。（二）产生式系统的扩展产生式规则的一般形式如下：R詳：1F E THEN H wit

5、h CF （H |E）由以上产生式规叽的构成可以看出，每一条规则王要 由四部分组成：规则呂称R再、条件邸分E、结论部分H 以及可信度CF （H |E）O条件部分E则可能是多丁条件 元素（把组成E的各个逻辑组合El、E2、En等称为条 件元累）的逻辑组合.即E的一般形式为E= （El AND E2 ANDE3 .ANDEn） F规则库数摇结构的设计主我 探讨如何处理条件部分的数据结构。为实现知识責示的通用性，本系统对产生式规则的表 示方式进行了扩展，把条件元素En表示成如下形式：En=<属性 >< 连接 ><腐性值条件元索的扩展有两种方式：第一他万式是直接用 En来

6、帖换膺性，而对属性值逬行扩展；另一种方式是把E 扩展成属性与關性值两部分。通埒精况下，可以采用第 一种方式逬行扩展，履性值取"IT、假.两值形式； 属性值为真时畏示81性成立，厲牲但为假.时发示 属性不成立。连接” q以为、> x y三 种形弍.=连接符主姜用于表示字符型属性与属性值 之间的关系，也可以用于責示数值型属性与静性值之闾的 关系，而>与v连接符则用于喪示数值型舄性与 厲性值之间的关系C（三）规则的转换规则的转换实观普通规则表达形式到扩展规则表达形 式的转换，采用扩展形式表示规则，不仅使知识表示的通 用性更郵.还可以使得产生式系统的推理网络車加向羊。 下面将以汽

7、车维修知识中的三条规则为例.阐述如何实观 规则丧达形式的转炭。规则的转涣实你是对条件元素部分逬行转换。本系统把条件元素分成三种类型：逻辑型、数值型和多值型。 下面将分别阐述如何针对三类条件元素逬行转换：普通形瓦Rl： IFJ8动汽车时马达堰无反应THEN电池坏，请更换电池R2： IF启动汽车时马达转速低AND 开目削大灯灯光变暗AND 愿蕙花超过200元的维修费用 THEN更换电池或绘电池充电R3： IF启动汽车时马达转速正常and 不能闻到汽注味AND THEN油箱空了，谴加油扩展形式;Rl： IF启动汽车时马达=專无反应THEN电池坏，诫更换电池R2： IF吕动汽车迥马达=转速低AND 开

8、启前大灯灯光变暗AND 惠意花维修费用200ITHEN更涣电迪或给电池充电、R3： IFI再动汽车时2达二转速正常AND ；不能闻到汽浊味=真;THEN油箱空了，谴加油丨1 砂夏开自印大灯灯光变暗（R2）与不能闻到汽油 味（R3）属于真、假两值型条件元素，幷在规 则中只出现一次。可IX把这类条件元索归入逻耀型条件 元累，其中条件元素将直接对应扩展规则中属性，以属姓 值真.夷示属性成立，而属性值假.表示属性不成 立。以上条件元累扩展后分别为开启前大灯灯光变暗 =臭及不能闻到汽油味=真。"跟意花jffiiS 200 TEffi）维陽赁用.（K2） , 6以转涣 成逻握型条件元察眼慧花超过

9、200元链维修费用= 真，这样用户在与专家系统交互过程B只能选择真 SR 假.来丧示用户事买是否与属性相符，降低了系统的 灵活性。对于这类内部具育数值的条件元素，d以归入 数值型条件元累，把它转换成扇意花的维修费用 200-,用户在与专家系统交互的过程中可以输入具体数 值，系统通过与数值型厲性值200逬行比较后再确定用户 事买是否与厦性相符合，提画S系统的灵活性。3參值鴉启动汽车时马达电无反应（R1）、启动汽车时 马达餐速低（R2）、呂动汽车时马达转速正常*（R3）,以上条件元素可以按照逻將型条件元索的形式逬 行转换，但会引起推理网络的夏杂化。分析以上条件元 索可以发现，均属于启动斉车时马达的

10、反应，可以耙上述 条件元素转换成多偵型条件元素，BDIX 启动汽车吋马 达作为属性，而把宅无反0T、"转速低-、转速 正常.作为履性值。以上转换将把三个属性转涣成一个 剧性，使得推理网络更加間卑。二、数据库设计1.则本系统耍求数据库管理系统能支持标准SQL操作以 及事务处理，同时要求数据库能在单机上逬行方便的安 装。符合条件的数据库产品育Access、Mysqk SQL Serv er桌面版、Sybase桌面版等，后三者数据库昔理系统均需 要单独安装相应的眼务端程滓才能提供数据库服务，对终 端用户要求较鬲。虽然Access在数据库系统将性方面还 有所欠錶，但巳能买现本系统对数据库的基

11、本要求，Ae cess数据库使用痢只需安妓Msjct数据库引聖即可，这 部分安装工作可以由安狡程房厲接完成。采用Access数 据库还能实现从AE3到SQL Server的平骨迁移，为系 统的网络支持提供了方便。2.4UI岸的规絶化关系摸型有严格的数学理论基础，也是应用最厂泛的 数摇棋型，一个好的关系模式应该满足一定的规范化要 求。一般定义范式为満足一定约束要求的关系模式的集 合，低级范式的关系樓式转换为商级范式的关系模式集合 8D为规范化。数据库规范化设计时主要用到第一范式、 第二范式及第三范式。第一范式是对关系最基本的鹫 求，罡AK氐级的范式，不满足第一范式的数蜓库就不是关 系数据库。一定

12、的关系规范化是必须的，但关系规范化 程度增鬲会引起关系澳式的农现力变差，数据操纵变蔑 杂，操纵代价变大。为实昨糸统对多T卸识库旳支拎，将运用范戏埋论 来对产生式系统的扩展形式逬行规范5,井用数据庠来实 现相应迫数据结构。未经规范化的规则关系如下：Rules RuleName, RuleTerm f RuleResultf RuleCF1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing blouse. All rights reserved. h(tp:w和乍丈款2007 < 4软件研制对于规则关系Rules,由于规则条件由 多个条

13、件元累组成，以上关系不符合第一范式，应该把规 则条件逬行分周并定义一个新的规则条件关系Term,关 系如包括条件圧扩展茨示形式；本系统目師只对单条 结论捏快支持，考息到系统以后的扩展性，规则结论 -RuleResult-也可能由多个结论组成，因此把规则结论 分离并宦义观则结论关系Resu!to关系Rules经过分解后 将变成三个关系：Rules （RuleName, RuleCF Term TermName , TermConn , TermKeyResult RuleRcsult >Rules关系中的规则笆字段RuleName很难保证不既 复，不具爸作为关镇字的条件。对于Rules关系

14、可以引入 自动编号字段RuleN。来标识关系中的每一列，RuleNo将 成为关系中的惟一关键字。Term关系中的三个字段不符 合作为关键字的条件，也可以在Arm关系中引入自动编 号字段TennNo来区分条件元素。Result关系衣示规则 的结论部分，除了弓入结论缩号字段作为关键字以外，还 要加入多媒体他展字段以实现对多媒体的支持，加入IsFr nal字段来实现多层挂理网络的支持。以下的关系已经符 合第二范式，具育星号的字段麦示对应的关键字。Rules!RuleNo * , RuleName, RuleCF Term TermNo * , TennName , TermConn , TermKe

15、yResult ResultNo , RuleResult, ImageName, Medt aName, IsFjnal 上述三个关系同样不存在传递依饭，因此也符合第三 范式。专家系统要实现对多个知识库的支持，还要建立 如识库关系采表示不厲的矩识。为实现人机交互过程的 智能化，专家系统还要提供参君项及相应条件元素属性的 自然语言描述。知识库数据表引入知识库编号的冗余字 段，虽然违反了数据库的规范化理论，但在程序设计方面 带来了极大的方便性。3.知识廉敷携裹设计知识库存储各个矩识库对应的规则以及每条规则对应 的条件以及结论。（1）知识库色祢養（如图1）。知识库名称表用于 存放呂个不同的知识库规

16、则库）名称。知识库编号用 于识别不同的知识库。提示库生成标志字段用于人机交 互数据養中逻辑型厨性参考值闵自动生成。（2）观则名称农（如图2）o观则召称衣用于存放矩 识库中每条规则对应的信患，貝中观则号用于识别不同的 规则，规则名称字段对应规则的规则名，规则信度代表 当師规则的他度，用于不WI确推理中信度的合成。知识库编号字段用于茂示每条规则相对应的如识痒。（3规则条件責（如图3）o规则条件表用于存放睜 条规则的条件部分（或称前件），由于每条规则的条件部 分可以由多个条件元素组成，厚个条件元累由属性、联 结、属性值奢组成。条件号用于区分每个子条件。系统 默认用=来连接所有属性值，箝别是字符型属性

17、值。 而>与<则王雯用于连接数值型的属性但（如 体a>37-）o田4規则结论數据表（4）规则结论表（如图4 ）。规则结论表用于存放每 条规则对应的结论部分，其中ImageName和MediaName 字段分别存储每条规则对应的图片信息文件名与多媒体信 后文件吕。逻农型字段hFinal衣示本规则对血的结论是 否为最终结论（False代表中间结论、Thie代表最终结 论），本字段在录入规则时由专家系统知识获取程序自动 判定。4.同“皴抒覆设计问题库存倍专家系统与用户人机交互时所用的问题与& 1994-2011 China Academic Journal Electron

18、ic Publishing House All rights reserved, http:/'wwk"T小Gt款 20074软件研制软件研制© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.hUp:/Ala .net"T小Gt款 20074软件研制© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.hUp:/Ala

19、 .net"T小Gt款 20074软件研制"七J5SF与"勾BMTMaSMffiB理.ASSSH)膺剑岚© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.hUp:/Ala .net"T小Gt款 20074软件研制© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.hUp:/Ala .net"T小

20、Gt款 20074软件研制“七巧板.是中国很古老的游戏。在西方，七巧板 被称为唐图（Tangram）-.意即中国的图形。研究 衣匪，可以題过匸犬极的间車平務毆血桟，即可随怠地拼 出形状不问闲花鸟虫鱼、走赳牲、工貝器皿、舟车人物 弩图案超过1600种°在数学中，用七巧板可拼成碍叢三 角形、长方形、平行四边形、直角梯形、警腰梯形、五边 形、六边形奢几何屋形，而旦在这些图形中可以逬行等积 变换。"勾股定理.也是我国最经典的数学发现。据考 证，勾股定理的发现超过4000年，它是改变人类50大科 学定理之一，是世界上证明方法晟多的定理，超过500多 种。这里运用几何岡板間摆制作一个勾

21、股板”。它不 仅錢間便证明勾股定理，而且还有很多貝他的教学功能。无论逕七巧板还逞勾股板，它们規含我国古代数学冢 提出的出入相补这一弟賽几何原理。在数学课堂教 学中，运用它们有勖于激发学生的学3兴趣和求知欲，能 够给学生带采有益的知识，锻炼学生的智力、培养学生的 想象展力、审奚情趣、发展学生的创造性思维。有些教 师运用flash等平台制作七巧板课件爭，但这种课件旣制 作费时，又没有很児的交互性，不便于教师操作与控制。 这里，笔者介绍运用几何匾板（4.06版本）制作七巧板与 勾股板的一沖閒单穹易窣握的方法、原理及运用。-、七巧板的制作方法、原理与运用制作的七巧板课化如同现实游戏中七巧板那样，可以

22、随息组合，其基本原理是对一个正方形（如图J作分割 匪得到一个小正方形、一个平行四边形、两个全等的夫等 腰直角三角形、两个全尊的小辱腰直角三角形和一个中等 的警緩直角三角形。这反映在课件中的交互性王妾体现 在：能够运用鼠标左键随意移动或底转七巧板的任何小 块，配合键處上的丕右、上下方向逬行轻微移初或庚转， 豪终拼成和分解出目标图形。1 创柞方法第一步，作一卞如图1的正方形：运用线段工貝 作线段AB,左键双击A,选中B,通过变换"的板 转,旋转丸度得到B，,左镇双击B',选中A,通过 变换的旋转° ,旋转90度得到A 连接B、A、 3r、A'成正75形BAH A

23、 ' o第二步，分割匚方形为七个小块：连接 朋，作BB'© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.hUp:/Ala .net"T小Gt款 20074软件研制册“ 2iiiiMuiiii别iiii<5nih川 isgiiii* 川 111” 山 1»1停川 itiiisi i川 i.i”川 iii© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing H

24、ouse. All rights reserved.hUp:/Ala .net"T小Gt款 20074软件研制相应的选顶，用户以已知事实为条件.乳断问题与事买定 否匹配来选择相应的选顶。问越库数据衣应该包括问题 呂称聂与问越选顶表。图6问題遶项數堤表（1）问题名称表（如图5） 问题名称表存虧人机交互时的问题。其中PramptType字段存fg问题选顶呈 现的形式.包括多选顶、下拉列表或编辑梏控件尊形式呈 现。PrwnptTitle ?段与lermld字段组含使用，lirmld 字段对应扩展规则中条件元索的属性，Prom pt Title字段 提供了对Termld字段的虽新定义。对于疾

25、病诊新专家系 统中的一个展性lermld病位是* ,我们可以用 PromptTiltle 示成用户更易于理解的语言.如您生病的別位在哪里9 、您哪里不舒服？ *等尊。（2）呵题选取責（如图6）。问题库选项表用于存 储人机交互时问越对应的选顶.OpdonZa叫字段代表每 T不冋的选顶.PrcmptNo T段代衣毎T选项对应的问越 编号。5上下丈4UML役计上下文数据表（如图7）用于存放系统运行过程中的 中点为C,冏理作BC、CB，、BA、AB'的中点分别为D、E、F和G,再作FG的中点H,连接A ' C、DH、CH、EG,将正方形分为七个小块（如图2）。第三步，将七个小块塡充七种

26、不间迪颜色：选中 A'、C、E'三点，通过作图的三角形内部-,将三 角形A，CB '的内部填充颜色。间理填充其他六个小块 图形的内部颜色（可以填充相同的、或不同的颜色）。-第四步，作七个目田移动和赛转的小块：为了使得七 巧板的每小块能够自由移动和换转;运用全等思想，制作 每小块全等图形。下面以制作与三角形A，CB '全等的 图形为例说明。作自由点I （目的是保证自由移动），以临时数据.包括系统运行过程中用户提供的爭实、事实结 论、事买可信度和推理过程中所育参与推理的細则号。FactName存储用尸提快的初始事实，FactKey存储每次用户与系统交互后的事实绪论.

27、推理机将运用上下文中的 FactName字段与FactKey字段分别与规则库中的属性字 段TermName及属性值TermKey字段逬行匹配。Confidence 存储择次交互时用户事实对应的例度。Fact: &iFactld目动编号爭实鋼号factHwiv*FylKty好KuleNoConfid.nc.数字事实可值度图7上下文数据表三结论本文结合专家系筑的产生式衣示方法.提出了扩展型 为圆心，A，C为半径瓯圆，在该呀上任意取原J （目的 是屎证自由旋转），将点J绕圆也I漩转90度得到J ', 连接JI盯成三角形，并将其内部颜色填充为与三角形 A，CB ' 致的颜色。此时，运用左键点击内部或边，QJ 以自由移动（运用餐盘方向穩也可以，左键按住点丿或 点' , ®以自由旋转三角形J1