專(zhuān)家系統及其應用

林雪芬

(浙江師范大學(xué) 教育技術(shù)系)

摘  要　專(zhuān)家系統是人工智能領(lǐng)域中較為成熟的一個(gè)分支。本文在闡述專(zhuān)家系統的基本概念及基本結構的基礎上，介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的專(zhuān)家系統實(shí)例和專(zhuān)家系統外殼，并簡(jiǎn)要分析了專(zhuān)家系統的網(wǎng)上資源及其教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞　專(zhuān)家系統　知識庫　專(zhuān)家系統工具  InterModeller

在日常生活與工作中，我們經(jīng)常會(huì )遇到一些需要“專(zhuān)家”水平才能解決的復雜問(wèn)題，這時(shí)我們會(huì )希望得到該領(lǐng)域專(zhuān)家的具體幫助與指導，但這往往需要大量的時(shí)間和不菲的費用。如何才能花較少的時(shí)間、較低的費用和便捷的方式來(lái)求得所需的答案呢？伴隨著(zhù)人工智能技術(shù)與應用的發(fā)展，我們將目光投向了專(zhuān)家系統。

1.什么是專(zhuān)家系統

（1）專(zhuān)家系統的概念

所謂“專(zhuān)家”，一般都擁有某一特定領(lǐng)域的大量知識，以及豐富的經(jīng)驗。在解決問(wèn)題時(shí)，專(zhuān)家們通常擁有一套獨特的思維方式，能較圓滿(mǎn)地解決一類(lèi)困難問(wèn)題，或向用戶(hù)提出一些建設性的建議等。

那么，什么是專(zhuān)家系統呢？簡(jiǎn)單地講，專(zhuān)家系統就是一個(gè)具有智能特點(diǎn)的計算機程序，它的智能化主要表現為能夠在特定的領(lǐng)域內模仿人類(lèi)專(zhuān)家思維來(lái)求解復雜問(wèn)題。因此，專(zhuān)家系統必須包含領(lǐng)域專(zhuān)家的大量知識，擁有類(lèi)似人類(lèi)專(zhuān)家思維的推理能力，并能用這些知識來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。例如，一個(gè)醫學(xué)專(zhuān)家系統就能夠像真正的專(zhuān)家一樣，診斷病人的疾病，判別出病情的嚴重性，并給出相應的處方和治療建議等。

目前，專(zhuān)家系統在各個(gè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應用，并取得了可喜的成果，例如個(gè)人理財專(zhuān)家系統、尋找油田的專(zhuān)家系統、貸款損失評估專(zhuān)家系統、各類(lèi)教學(xué)專(zhuān)家系統等。

（2）專(zhuān)家系統的構造

專(zhuān)家系統的基本結構如圖1所示，其中箭頭方向為數據流動(dòng)的方向。專(zhuān)家系統通常由人機交互界面、知識庫、推理機、解釋器、綜合數據庫、知識獲取等6個(gè)部分構成。

圖1 專(zhuān)家系統結構圖

知識庫用來(lái)存放專(zhuān)家提供的知識。專(zhuān)家系統的問(wèn)題求解過(guò)程是通過(guò)知識庫中的知識來(lái)模擬專(zhuān)家的思維方式的，因此，知識庫是專(zhuān)家系統質(zhì)量是否優(yōu)越的關(guān)鍵所在，即知識庫中知識的質(zhì)量和數量決定著(zhù)專(zhuān)家系統的質(zhì)量水平。一般來(lái)說(shuō)，專(zhuān)家系統中的知識庫與專(zhuān)家系統程序是相互獨立的，用戶(hù)可以通過(guò)改變、完善知識庫中的知識內容來(lái)提高專(zhuān)家系統的性能。

人工智能中的知識表示形式有產(chǎn)生式、框架、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )等，而在專(zhuān)家系統中運用得較為普遍的知識是產(chǎn)生式規則。產(chǎn)生式規則以IF…THEN…的形式出現，就像BASIC等編程語(yǔ)言里的條件語(yǔ)句一樣，IF后面跟的是條件（前件），THEN后面的是結論（后件），條件與結論均可以通過(guò)邏輯運算AND、OR、NOT進(jìn)行復合。在這里，產(chǎn)生式規則的理解非常簡(jiǎn)單：如果前提條件得到滿(mǎn)足，就產(chǎn)生相應的動(dòng)作或結論。

例如，在“動(dòng)物識別”專(zhuān)家系統中有這樣一條規則：

IF 能做單腿跳嗎 = 否 AND

         在蘇格蘭嗎 = 是 AND

         高度 = 大

THEN 動(dòng)物 = 馬

在這條規則當中，IF后面的前件中包含三個(gè)條件，只有三個(gè)條件都得到了滿(mǎn)足，才能得出該動(dòng)物是“馬”。反之就得不出這個(gè)結論。產(chǎn)生式專(zhuān)家系統的知識庫中包含了大量的規則，換言之，這里的知識庫就是一個(gè)規則集。

推理機針對當前問(wèn)題的條件或已知信息，反復匹配知識庫中的規則，獲得新的結論，以得到問(wèn)題求解結果。在這里，推理方式可以有正向和反向推理兩種。正向推理是從前件匹配到結論，反向推理則先假設一個(gè)結論成立，看它的條件有沒(méi)有得到滿(mǎn)足。由此可見(jiàn)，推理機就如同專(zhuān)家解決問(wèn)題的思維方式，知識庫就是通過(guò)推理機來(lái)實(shí)現其價(jià)值的。

人機界面是系統與用戶(hù)進(jìn)行交流時(shí)的界面。通過(guò)該界面，用戶(hù)輸入基本信息、回答系統提出的相關(guān)問(wèn)題，并輸出推理結果及相關(guān)的解釋等。

綜合數據庫專(zhuān)門(mén)用于存儲推理過(guò)程中所需的原始數據、中間結果和最終結論，往往是作為暫時(shí)的存儲區。解釋器能夠根據用戶(hù)的提問(wèn)，對結論、求解過(guò)程做出說(shuō)明，因而使專(zhuān)家系統更具有人情味。

知識獲取是專(zhuān)家系統知識庫是否優(yōu)越的關(guān)鍵，也是專(zhuān)家系統設計的“瓶頸”問(wèn)題，通過(guò)知識獲取，可以擴充和修改知識庫中的內容，也可以實(shí)現自動(dòng)學(xué)習功能。

2.專(zhuān)家系統如何工作

（1）專(zhuān)家系統的工作過(guò)程

專(zhuān)家系統的基本工作流程是，用戶(hù)通過(guò)人機界面回答系統的提問(wèn)，推理機將用戶(hù)輸入的信息與知識庫中各個(gè)規則的條件進(jìn)行匹配，并把被匹配規則的結論存放到綜合數據庫中。最后，專(zhuān)家系統將得出最終結論呈現給用戶(hù)。

在這里，專(zhuān)家系統還可以通過(guò)解釋器向用戶(hù)解釋以下問(wèn)題：系統為什么要向用戶(hù)提出該問(wèn)題（Why）？計算機是如何得出最終結論的（How）？

領(lǐng)域專(zhuān)家或知識工程師通過(guò)專(zhuān)門(mén)的軟件工具，或編程實(shí)現專(zhuān)家系統中知識的獲取，不斷地充實(shí)和完善知識庫中的知識。

（2）專(zhuān)家系統實(shí)例

這里，我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的“動(dòng)物識別專(zhuān)家系統”為例，初步認識專(zhuān)家系統的工作機制及系統特點(diǎn)。該系統的知識庫是一個(gè)產(chǎn)生式規則的集合，圖2顯示了其中的2條規則。從原則上來(lái)講，規則之間相互獨立，任何兩條規則的“前件”一般都不能重復，也不具有包含關(guān)系。小型專(zhuān)家系統的規則可以是幾條幾十條，大型專(zhuān)家系統的規則可達上千條，像這個(gè)動(dòng)物專(zhuān)家系統知識庫的規則就只有六條。該“動(dòng)物識別專(zhuān)家系統”的6條規則也可以采用決策樹(shù)方式來(lái)表示，如圖3所示。

圖2專(zhuān)家系統中的部分規則

圖3 動(dòng)物識別專(zhuān)家系統的決策樹(shù)

圖4 專(zhuān)家系統的人機對話(huà)過(guò)程   　 　      圖5 專(zhuān)家系統的解釋機制

  運行動(dòng)物專(zhuān)家系統時(shí)，系統將通過(guò)人機界面向用戶(hù)提問(wèn)，人機對話(huà)的一個(gè)界面如圖4所示。用戶(hù)選擇答案做出相應的回答，然后按“確定”鍵，再回答下一個(gè)問(wèn)題。

專(zhuān)家系統具備“Why（為什么）”和“How（怎樣）”的解釋功能。圖5就是計算機對“為什么會(huì )問(wèn)‘能做單腿跳嗎’”這個(gè)問(wèn)題的回答，其解答是：系統為了匹配第一條規則，因此向用戶(hù)提出該問(wèn)題。

同理，最后得出結論之后，用戶(hù)還可以通過(guò)“How”來(lái)查看該結論是如何得出來(lái)的。計算機的回答也是對該結論的推理過(guò)程的重現。

（3）專(zhuān)家系統外殼

在上面的例子中，我們使用了專(zhuān)家系統外殼InterModeller，這是一個(gè)適合中學(xué)人工智能教學(xué)與應用的簡(jiǎn)易型專(zhuān)家系統外殼，學(xué)習者可以通過(guò)它來(lái)建造各種主題的專(zhuān)家系統，同時(shí)，它還提供了各種知識表示方法之間的轉換。該軟件的詳情請參見(jiàn)網(wǎng)站：http://www.parlog.com/intermodeller.html。

3.專(zhuān)家系統的資源與教學(xué)

專(zhuān)家系統在人工智能領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)，曾被認為“是人工智能從幻想到實(shí)踐，再由實(shí)踐到理論的主角”。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，專(zhuān)家系統逐漸吸收了新的技術(shù)和思想，出現了基于網(wǎng)絡(luò )的專(zhuān)家系統等。國外網(wǎng)站上的專(zhuān)家系統教學(xué)資源較為豐富，例如expertise2go網(wǎng)站（http://www.expertise2go.com）提供了大量的在線(xiàn)專(zhuān)家系統，用戶(hù)可以直接進(jìn)行咨詢(xún)或學(xué)習，它還提供了專(zhuān)家系統外殼，將其下載下來(lái)之后就可以建造自己的專(zhuān)家系統；EXSYS專(zhuān)家系統網(wǎng)站（http://www.exsys.com/demomain.html）也是一個(gè)不錯的專(zhuān)家系統學(xué)習資源，在該網(wǎng)站上提供了眾多的實(shí)例、教程及專(zhuān)家系統工具。相對于國外網(wǎng)站來(lái)說(shuō)，中文網(wǎng)站中有關(guān)專(zhuān)家系統的資料相對欠缺，因此，可以通過(guò)國外的一些網(wǎng)站來(lái)認識和了解專(zhuān)家系統。

大部分的專(zhuān)家系統都是作為一種咨詢(xún)工具來(lái)應用，回答用戶(hù)的疑難問(wèn)題，提出一些建議，并根據推理過(guò)程為用戶(hù)展現一個(gè)理性的分析思路。隨著(zhù)專(zhuān)家系統本身技術(shù)的不斷成熟以及信息社會(huì )對學(xué)生信息素養要求的不斷提高，它也逐漸地走進(jìn)了大學(xué)課堂并延伸至高中信息技術(shù)教材當中。在教育部最新頒布的普通高中信息技術(shù)課程標準中，就設置了《人工智能初步》選修模塊，要求將專(zhuān)家系統作為一個(gè)重要內容來(lái)進(jìn)行教授。因此，對于這方面的研究也逐漸開(kāi)始被人們所重視，例如，如何利用專(zhuān)家系統進(jìn)行教學(xué)，關(guān)于專(zhuān)家系統的教學(xué)設計研究等。

目前被大多數人認可的專(zhuān)家系統教學(xué)方式主要有兩種：一種是通過(guò)專(zhuān)家系統應用，使學(xué)生充分體驗到人類(lèi)專(zhuān)家問(wèn)題求解的思路和推理風(fēng)格，這有助于提高學(xué)生的分析、判斷和反思能力；另一種是讓學(xué)生借助專(zhuān)家系統工具自行建造專(zhuān)家系統，包括知識庫的構建和環(huán)境的建設。專(zhuān)家系統外殼、在線(xiàn)專(zhuān)家系統等網(wǎng)絡(luò )資源為學(xué)生的創(chuàng )造能力的發(fā)展提供了廣闊的空間。自己親手建構簡(jiǎn)單的專(zhuān)家系統，其好處在于讓學(xué)生專(zhuān)注于學(xué)習，用自己的思維方式將原本零碎的知識條理化，并對其進(jìn)行深層思考，有利于長(cháng)久記憶。著(zhù)名的建構主義專(zhuān)家David H. Jonassen認為，學(xué)習者建造自己的現實(shí)，至少是基于以往的經(jīng)驗來(lái)解釋現實(shí)的。因此，一個(gè)人的知識是在個(gè)人經(jīng)驗、思維結構以及對事物的不斷摸索的基礎上形成的，建造自己的專(zhuān)家系統就是這樣一種集三者于一體的有效的探究方式。這種積極、開(kāi)放的學(xué)習方式避免了死記硬背，隱含著(zhù)知識的創(chuàng )造，同時(shí)培養了學(xué)生的協(xié)作能力、探索精神和責任心。由此可見(jiàn)，不管采用何種教學(xué)方式，對于中學(xué)生信息素養的提高都具有積極的促進(jìn)作用。

參考文獻

1.          廉師友　人工智能技術(shù)導論（第二版）　西安電子科技大學(xué)出版社　2002

2.          張劍平 關(guān)于人工智能教育的思考 《電化教育研究》 2003年第1期

3.          王申康　專(zhuān)家系統的結構和應用　浙江大學(xué)出版社　1994

4.          專(zhuān)家系統方法　http://gcs.zju.edu.cn/software/es.htm

5.          InterModeller軟件來(lái)源：http://www.parlog.com/intermodeller.html

　　　　　　　　　　　　　Expert System and It’s Application

[Abstract] Expert system is a branch of Artificial Intelligence. This thesis simply presents Expert System’ conception and it’s makeup, and cites an expert system shell names InterModeller in order to make teachers and students understand expert system in sensibility. At last we analysis it’s application in instruction.

[Key Words] Expert System  Knowledge Base  InterModeller