齐鲁软件大赛题目3-便携式专家系统.doc

第十一届齐鲁大学生软件设计大赛命题便携式专家系统1. 课题描述所谓“专家”，一般都拥有某一特定领域的大量知识，以及丰富的经验。在解决问题时，专家们通常拥有一套独特的思维方式，能较圆满地解决一类困难问题，或向用户提出一些建设性的建议等。那么，什么是专家系统呢？简单地讲，专家系统就是一个具有智能特点的计算机程序，它的智能化主要表现为能够在特定的领域内模仿人类专家思维来求解复杂问题。因此，专家系统必须包含领域专家的大量知识，拥有类似人类专家思维的推理能力，并能用这些知识来解决实际问题。例如，一个医学专家系统就能够像真正的专家一样，诊断病人的疾病，判别出病情的严重性，并给出相应的处方和治疗建议等。根据“专家系统”的定义，结合移动设备的便携性、方便性，针对某个专门领域（如汽车修理、医疗诊断等），开发一个专家系统软件，能够在此专业领域内为用户答疑解惑，代替专家实现问题的诊断、规划或决策。关于“专家系统”的最基本知识，请参阅附件。2. 课题基本要求（1） 软件要具备一定规模的知识，以满足用户多方面的提问，保证推理结果的正确性。（2） 软件要具备人性化的操作界面及方式，让用户感觉这不是一台计算机、一台设备，而是在与专家对话。（3） 软件根据用户对提问的回答，不但能得出结论，还要提供更多其他信息，如“我是怎么得到结论的”等类似信息，以增强用户的人性化体验。（4） 软件要具备学习功能，初始时，软件掌握的知识较少，不足以回答用户的多数问题，但随着软件的不断学习，知识库不断增添、完善，能够回答的问题会越来越多。（5） 软件能够运行在移动式便携设备上（如手机、平板电脑等），方便用户随时随地进行咨询。3. 评审依据1.软件界面是否友好，操作是否简洁合理。2.是否具有学习功能。3.推理过程是否具备处理冗余的、矛盾的知识。4.推理结果的正确率。5.人性化程度，比如提问问题的方式、用户能否用自然语言回答问题、对用户回答问题的理解能力、是否具备语音问答等因素。其它未提及的内容，如作品提交方式及时间等，遵照大赛网站发布的各种文件执行。附件：专家系统简介4. 专家系统概述根据人们在某一领域内的知识、经验或技术而建立的解决问题和做决策的计算机软件系统，它能对复杂问题给出专家水平的结果。专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统是人工智能中最重要的也是最活跃的一个应用领域，它实现了人工智能从理论研究走向实际应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重大突破。专家系统是早期人工智能的一个重要分支，它可以看作是一类具有专门知识和经验的计算机智能程序系统，一般采用人工智能中的知识表示和知识推理技术来模拟通常由领域专家才能解决的复杂问题。专家系统的一个伪代码形象化表示如下：IF 能做单腿跳吗 = 否 AND 在苏格兰吗 = 是 AND 高度 = 大THEN 动物 = 马IF 能做单腿跳吗 = 否 AND 在苏格兰吗 = 是 AND 高度 = 中THEN 动物 = 小马在这条规则当中，IF后面的前件中包含三个条件，只有三个条件都得到了满足，才能得出该动物是“马”。反之就得不出这个结论。产生式专家系统的知识库中包含了大量的规则，换言之，这里的知识库就是一个规则集。5. 专家系统的构造专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。其中尤以知识库与推理机相互分离而别具特色。专家系统的体系结构随专家系统的类型、功能和规模的不同，而有所差异。为了使计算机能运用专家的领域知识，必须要采用一定的方式表示知识。目前常用的知识表示方式有产生式规则、语义网络、框架、状态空间、逻辑模式、脚本、过程、面向对象等。基于规则的产生式系统是目前实现知识运用最基本的方法。产生式系统由综合数据库、知识库和推理机3个主要部分组成，综合数据库包含求解问题的世界范围内的事实和断言。知识库包含所有用“如果：前提，于是：结果”形式表达的知识规则。推理机（又称规则解释器）的任务是运用控制策略找到可以应用的规则。2.1知识库知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。人工智能中的知识表示形式有产生式、框架、语义网络等，而在专家系统中运用得较为普遍的知识是产生式规则。产生式规则以IFTHEN的形式出现，就像BASIC等编程语言里的条件语句一样，IF后面跟的是条件（前件），THEN后面的是结论（后件），条件与结论均可以通过逻辑运算AND、OR、NOT进行复合。在这里，产生式规则的理解非常简单：如果前提条件得到满足，就产生相应的动作或结论。2.2推理机推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。在这里，推理方式可以有正向和反向推理两种。正向链的策略是寻找出前提可以同数据库中的事实或断言相匹配的那些规则，并运用冲突的消除策略，从这些都可满足的规则中挑选出一个执行，从而改变原来数据库的内容。这样反复地进行寻找，直到数据库的事实与目标一致即找到解答，或者到没有规则可以与之匹配时才停止。逆向链的策略是从选定的目标出发，寻找执行后果可以达到目标的规则；如果这条规则的前提与数据库中的事实相匹配，问题就得到解决；否则把这条规则的前提作为新的子目标，并对新的子目标寻找可以运用的规则，执行逆向序列的前提，直到最后运用的规则的前提可以与数据库中的事实相匹配，或者直到没有规则再可以应用时，系统便以对话形式请求用户回答并输入必需的事实。由此可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值的。2.3其它部分人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。6. 专家系统的工作过程专家系统的基本结构如图所示，其中箭头方向为数据流动的方向。专家系统的基本工作流程是，用户通过人机接口回答系统的提问，推理机将用户输入的信息与知识库中各个规则的条件进行匹配，并把被匹配规则的结论存放到综合数据库中。最后，专家系统将得出最终结论呈现给用户。在这里，专家系统还可以通过解释器向用户解释以下问题：系统为什么要向用户提出该问题（Why）？计算机是如何得出最终结论的（How）？领域专家或知识工程师通过专门的软件工具，或编程实现专家系统中知识的获取，不断地充实和完善知识库中的知识。7. 专家系统的功能专家系统应具备以下几个功能：存储问题求解所需的知识。存储具体问题求解的初始数据和推理过程中涉及的各种信息，如中间结果、目标、字母表以及假设等。根据当前输入的数据，利用已有的知识，按照一定的推理策略，去解决当前问题，并能控制和协调整个系统。能够对推理过程、结论或系统自身行为作出必要的解释，如解题步骤、处理策略、选择处理方法的理由、系统求解某种问题的能力、系统如何组织和管理其自身知识等。这样既便于用户的理解和接受，同时也便于系统的维护。提供知识获取，机器学习以及知识库的修改、扩充和完善等维护手段。只有这样才能更有效地提高系统的问题求解能力及准确性。提供一种用户接口，既便于用户使用，又便于分析和理解用户的各种要求和请求。这里强调指出，存放知识和运用知识进行问题求解是专家系统的两个最基本的功能。8. 专家系统的特点专家系统是一个基于知识的系统，它利用人类专家提供的专门知识，模拟人类专家的思维过程，解决对人类专家都相当困难的问题。一般来说，一个高性能的专家系统应具备如下特征：(1)为解决特定领域的具体问题，除需要一些公共的常识，还需要大量与所研究领域问题密切相关的知识；(2)一般采用启发式的解题方法；(3)在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助于归纳方法和抽象方法；(4)需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性；(5)能对自身的工作过程进行推理(自推理或解释)；(6)采用基于知识的问题求解方法；(7)知识库与推理机分离。9. 专家系统的分类（1）诊断型专家系统：根据对症状的观察分析，推导出产生症状的原因以及排除故障方法的一类系统，如医疗、机械、经济等。 （2）解释型专家系统：根据表层信息解释深层结构或内部情况的一类系统，如地质结构分析、物质化学结构分析等。（3）预测型专家系统：根据现状预测未来情况的一类系统，如气象预报、人口预测、水文预报、经济形势预测等。（4）设计型专家系统：根据给定的产品要求设计产品的一类系统，如建筑设计、机械产品设计等。（5）决策型专家系统：对可行方案进行综合评判并优选的一类专家系统。（6）规划型专家系统：用于制定行动规划的一类专家系统，如自动程序设计、军事计划的制定等。（7）教学型专家系统：能够辅助教学的一类专家系统。（8）数学专家系统：用于自动求解某些数学问题的一类专家系统。（9）监视型专家系统：对某类行为进行监测并在必要时候进行干预的一类专家系统，如机场监视、森林监视等。