人工智能大作業(yè)動物識別專家系統(tǒng)研究

動物識別專家系統(tǒng)研究摘要：動物識別專家系統(tǒng)是將人的思維過程轉(zhuǎn)化為計算機語言的邏輯過程，其關(guān)鍵在于知識和信息的表示，智能推理或求解的基礎(chǔ)——知識庫的創(chuàng)建和管理，以及基于某種知識和信息表示的智能推理或求解過程。使動物識別具有一定的智能性、良好的交互性和可視化效果。本論文也主要以識別七種動物的設(shè)計思路和程序為例所寫的。關(guān)鍵詞：人工智能；專家系統(tǒng)；動物識別一、專家系統(tǒng)基本知識1.1動物識別專家系統(tǒng)介紹動物識別專家系統(tǒng)是人工智能中一個比較基礎(chǔ)的規(guī)則演繹系統(tǒng)，是人工智能領(lǐng)域里的一個大模塊的專家系統(tǒng)的一個特定例子。是集知識表與推理為一體的，以規(guī)則為基礎(chǔ)對用戶提供的事實進(jìn)行向前、逆向或雙向的推理得出結(jié)論的一種產(chǎn)生式系統(tǒng)。如果通過良好的分析、精確地設(shè)計和細(xì)致的規(guī)劃會創(chuàng)設(shè)出高度靈活和快速有效的識別系統(tǒng)，再加上良好的界面供用戶添加新的事實和規(guī)則，反饋詳細(xì)的錯誤或信息的話，那就是一個相當(dāng)完整的識別系統(tǒng)了。1.2專家系統(tǒng)實際應(yīng)用目前專家系統(tǒng)已經(jīng)成功地滲透到生活的各個領(lǐng)域，并且還產(chǎn)生了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。例如，像車輛傳感、藥物、紡織服裝等重工業(yè)和輕工業(yè)領(lǐng)域中都會應(yīng)用到，特別是在計算機領(lǐng)域里，現(xiàn)在已經(jīng)是一門非常重要的學(xué)科類了。1.3專家系統(tǒng)的開發(fā)專家系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的一般過程選題與明確任務(wù)下選題與明確任務(wù)下圖1【3】設(shè)計基本思路2.1知識庫知識庫作用用產(chǎn)生式系統(tǒng)監(jiān)別動物，需要一種演繹機制，利用己知事實的集合做出新的結(jié)論，一種方法是替動物園中的每個動物作一個產(chǎn)生式，使用者首先收集所有可利用的事實，然后在產(chǎn)生式的表中進(jìn)行掃描，尋找一個狀態(tài)部分能與之匹配的產(chǎn)生式。一般要經(jīng)過多少步并生成和利用一些中間事實才能從基本事實推出結(jié)論，這樣做所包含的產(chǎn)生式可以比較小容易理解，容易使用和容易產(chǎn)生。動物識別專家系統(tǒng)中的知識庫中的知識通常是用規(guī)則表示的。知識庫建立知識庫所要遵循的規(guī)則【1】規(guī)則1：如果：動物有毛發(fā)則：該動物是哺乳動物規(guī)則2：如果：動物能產(chǎn)奶則：該單位是哺乳動物規(guī)則3:如果：該動物有羽毛則：該動物是鳥規(guī)則4：如果：動物會飛，且會下蛋則：該動物是鳥規(guī)則5：如果：動物吃肉則：該動物是肉食動物規(guī)則6：如果：動物有犬齒，且有爪，且眼盯前方則：該動物是食肉動物規(guī)則7：如果：動物是哺乳動物，且有蹄則：該動物是有蹄動物規(guī)則8：如果：動物是哺乳動物，且是反芻動物則：該動物是有蹄動物規(guī)則9：如果：動物是哺乳動物，且是食肉動物，且是黃褐色的，且有暗斑點則：該動物是豹規(guī)則10：如果：如果：動物是黃褐色的，且是哺乳動物，且是食肉，且有黑條紋則：該動物是虎規(guī)則11：如果：動物有暗斑點，且有長腿，且有長脖子，且是有蹄類則：該動物是長頸鹿規(guī)則12：如果：動物有黑條紋，且是有蹄類動物則：該動物是斑馬規(guī)則13：如果：動物有長腿，且有長脖子，且是黑色的，且是鳥，且不會飛則：該動物是鴕鳥規(guī)則14：如果：動物是鳥，且不會飛，且會游泳，且是黑色的則：該動物是企鵝規(guī)則15：如果：動物是鳥，且善飛則：該動物是信天翁動物分類專家系統(tǒng)由15條規(guī)則組成可以識別七種動物.知識庫獲取知識獲取一般是指從某個活某些致使原中獲取專家系統(tǒng)問題求解所需要的專門知識，并以某種形式在計算機中存儲、傳輸與轉(zhuǎn)移。專家系統(tǒng)的知識獲取一般是由知識工程師與專家系統(tǒng)知識的獲取機構(gòu)共同完成的。知識獲取的常用方法有以下幾種【3】：手工知識獲取；半自動獲??；自動知識獲??；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識獲取；選用哪種知識獲取方法需要根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)，以及用戶的需求來決定。但在有些大型系統(tǒng)上還可能會用到不是僅僅一種方法的。2.2數(shù)據(jù)庫2.2.1數(shù)據(jù)庫作用數(shù)據(jù)庫即為事實庫【2】，在計算機中流出一些存儲區(qū)間，以存放反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的事實，存放用戶回答的事實、已知的事實和由推理而得的事實，即由已知事實推導(dǎo)出的假設(shè)成立時，也作為事實。其綜合數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是不斷變化的。

2.2.2數(shù)據(jù)庫建立char*str[]={"","反芻動物"/*1*/,"蹄類動物"/*2*/,"哺乳動物"/*3*/,"目視前方"/*4*/,"有爪子"/*5*/,"有犬齒"/*6*/,"吃肉"/*7*/,"下蛋"/*8*/,"會飛"/*9*/,"有羽毛"/*10*/,"有蹄"/*11*/,"肉食動物"/*12*/,"鳥類"/*13*/,"產(chǎn)奶"/*14*/,"有毛發(fā)"/*15*/,"善飛"/*16*/,"黑白色"/*17*/,"會游泳"/*18*/,"長腿"/*19*/,"長脖子"/*20*/,"有黑色條紋"/*21*/,"有暗斑點"/*22*/,"黃褐色"/*23*/,"信天翁"/*24*/,"企鵝"/*25*/,"鴕鳥"/*26*/,"斑馬"/*27*/,"長頸鹿"/*28*/,"老虎"/*29*/,"獵豹"/*30*/,"\0"};intrulep[][6]={{22,23,12,3,0,0},{21,23,12,3,0,0},{22,19,20,11,0,0},intrulec[]={{16,13,0,0,0,0},{15,0,0,0,0,0},{14,0,0,0,0,0},intrulec[]={{16,13,0,0,0,0},{15,0,0,0,0,0},{14,0,0,0,0,0},{10,0,0,0,0,0},{8,7,0,0,0,0},{7,0,0,0,0,0},{4,5,6,0,0,0},{2,3,0,0,0,0},{1,3,0,0,0,0}};30,29,28,27,26,25,24,3,3,13,13,12,12,11,11};{21,11,0,0,0,0},{17,19,20,13,-9,0},{17,18,13,-9,0,0},三、推理機構(gòu)3.1推理機介紹3.1.1推理機作用原理推理機是一組函數(shù)【4】，本例既有正向推理機又有反向推理機，都是用精確推理。推理機是實施問題求解的核心執(zhí)行機構(gòu)，它是對知識進(jìn)行解釋的程序，根據(jù)知識的語義，對按

一定策略找到的知識進(jìn)行解釋執(zhí)行，并把結(jié)果記錄到動態(tài)庫的適當(dāng)空間中去。3.1.2推理網(wǎng)絡(luò)下圖為識別本文中所舉的識別七種動物時所規(guī)則形成的推理網(wǎng)絡(luò)：哺乳動物哺乳動物圖23.2正向推理3.2.1正向推理基本思想用戶首先提供一批事實，存放到數(shù)據(jù)庫中，然后推理機進(jìn)行工作。方法是：推理機用這批事實與知識庫中規(guī)則的前提進(jìn)行匹配。把匹配成功的規(guī)則的結(jié)論部分作為新的事實加到數(shù)據(jù)庫中去（這時，數(shù)據(jù)庫中的事實增加了）。再用更新后的數(shù)據(jù)庫中的所有事實，重復(fù)上述①②二步，如此反復(fù)進(jìn)行，直到得以結(jié)論（答案）或不再有新的事實加到數(shù)據(jù)庫為止。例如，用戶輸入一批事實：動物有暗斑點、長脖子、長腿、產(chǎn)奶、有蹄子（這批事實存放在數(shù)據(jù)庫中），要求系統(tǒng)判斷這是一個什么動物？推理機利用這批事實來匹配規(guī)則。3.2.2正向推理示意圖圖33.2.3正向推理機所要具有功能要設(shè)計一個正向推理機，就是設(shè)計一組程序，使其至少具有以下的功能【3】能用數(shù)據(jù)庫中的事實去匹配規(guī)則的前提，若匹配不成功，能自動地進(jìn)行嚇一跳規(guī)則的匹配。這里如何匹配最為合適，是設(shè)計專家系統(tǒng)者根據(jù)專業(yè)特點和知識表示等情況，需要很好考慮的問題，也就是在匹配時到底用什么策略等問題都需要考慮周全；若某條規(guī)則匹配成功，系統(tǒng)能將此規(guī)則的結(jié)論部分自動加入數(shù)據(jù)庫；能判斷何時應(yīng)結(jié)束推理；能將匹配成功的規(guī)則記錄下來；3.3反向推理3.3.1反向推理基本思想由用戶或系統(tǒng)首先提出一批假設(shè)，然后系統(tǒng)逐一驗證這些假設(shè)的真假性，方法：看假設(shè)是含在數(shù)據(jù)庫中，若在，則假設(shè)成立，推理結(jié)束或進(jìn)行下一個假設(shè)的驗證否則進(jìn)行下一步。判斷這些假設(shè)是否是證據(jù)節(jié)點，若是，系統(tǒng)提問用戶，否則進(jìn)行下一步。找出結(jié)論部分包含此假設(shè)的那些規(guī)則，把這些規(guī)則的所有前提作為新的假設(shè)。4.重復(fù)①、②、③步。3.3.2反向推理示意圖圖43.3.3反向推理機所要具有功能能根據(jù)用戶要求或情況提出假設(shè)；能驗證此假設(shè)是否是在數(shù)據(jù)庫中；能把知識庫中將結(jié)論部分包含此假設(shè)的規(guī)則都找出來；能將找出來地規(guī)則的前提部分取出，并作為新的假設(shè)逐條驗證；能判斷假設(shè)是否是證據(jù)接點，若是，能向用戶提出相應(yīng)的問題，并記錄結(jié)果；能將匹配成功的規(guī)則記錄下來；能判斷何時應(yīng)結(jié)束推理；四、實例系統(tǒng)實現(xiàn)4.1系統(tǒng)介紹此系統(tǒng)是實現(xiàn)了《人工智能教程（的二版）》專家系統(tǒng)實例里的動物識別系統(tǒng)。此系統(tǒng)是識別——老虎、獵豹、斑馬、長頸鹿、鴕鳥、企鵝、信天翁等七種動物。是嚴(yán)格遵循了知識庫中的規(guī)則，并運用C語言在VisualC++6.0環(huán)境下實驗編譯同過的。因為各種原因沒能設(shè)計實現(xiàn)出比較精美的界面，但還是體現(xiàn)出了很多專家系統(tǒng)所該具備的東西和功能。4.2基本思路該系統(tǒng)的知識表示采用產(chǎn)生式表示法。產(chǎn)生式系統(tǒng)由規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)三個部分構(gòu)成。其中規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫分別對應(yīng)本系統(tǒng)中的rule類,str指針鏈表。Rule鏈表存放用戶輸入的事實。用到一個fact事實類和Fact事實鏈表，并用GetName()，GetNumber()，GetAct()，GetSucc()等函數(shù)來獲取事實信息。推理控制策略采用精確匹配算法的正向推理。4.3程序主要代碼/*<Function釋放規(guī)則鏈表節(jié)點之前提鏈空間/><Note規(guī)則鏈本身空間為釋放/>*/rule::~rule(){list*L;while(Pre){L=Pre->Next;deletePre;Pre=L;}deleteName;}/*<Function主要實現(xiàn)推理機/><Return規(guī)則使用成功與否/>*/intrule::Query(){charc;//保存用戶輸入按鍵符號list*L;//臨時前提鏈fact*F;//臨時事實鏈L=Pre;//L指向前提鏈F=Fact;if(L==NULL)printf("\nError!");//如果推理時，本規(guī)則前提鏈為空，出錯，后面while循環(huán)也退出！while(L!=NULL)//前提鏈未處理完{F=Fact;//F指向事實鏈表for(;;)〃以當(dāng)前前提，在事實鏈表中查詢(根據(jù)ID){〃因為前提為“-事實ID”，表示該事實不成立，所以取絕對值if(abs(L->GetNumber())==F->GetNumber())break;

F=F->Next;//查詢下一事實〃退出循環(huán)時，F(xiàn)=F->Next;//查詢下一事實〃退出循環(huán)時，F(xiàn)指向查詢到的事實節(jié)點//如果前提為真}if(L->GetNumber()>0){if((F->GetSucc())==True){L=L->Next;continue;}if((F->GetSucc())==False)returnFalse;}else{if((F->GetSucc())==True)returnFalse;if((F->GetSucc())==False){L=L->Next;continue;//而且事實鏈表中的這個事實斷言也為真//則本規(guī)則的當(dāng)前前提在推理中滿足//繼續(xù)下一前提的判斷//該前提在事實鏈表中斷言不成立//該規(guī)則推理使用結(jié)束，直接返回//Sorry，該前提在事實鏈表中斷言卻為真//該規(guī)則推理使用結(jié)束，直接返回}}//endif－elseprintf("%s(Y/N)",F->GetName());//向用戶提問c=getchar();//接受用戶輸入flushall();if((c=='Y')||(c=='y'))//{if(L->GetNumber()>0)F->PutAct(1,True);if(L->GetNumber()<0){//且若當(dāng)前規(guī)則中的當(dāng)前前提要求為“假”F->PutAct(1,True);//置激活和用戶的斷言returnFalse;//本規(guī)則推理結(jié)束，不成功；后面的前提不判斷了！}}else{if(L->GetNumber()<0)F->PutAct(-1,False);if(L->GetNumber()>0){F->PutAct(-1,False);returnFalse;}}L=L->Next;//用戶斷言和當(dāng)前規(guī)則的當(dāng)前前提符合，則取當(dāng)前規(guī)則的下一前提進(jìn)行判斷！}//endwhile得出推理結(jié)論F=Fact;for(;;){if(Conc==F->GetNumber())break;//在事實表中查找與當(dāng)前規(guī)則得后件相同得事實F=F->Next;}if(Conc<24)//如果規(guī)則后件(結(jié)論)不是最終最終性得(即不是7種要識別得動物){F->PutAct(1,True);//那就是中間事實性結(jié)論，設(shè)置其激活和中間推理確證了的斷言returnFalse;//然后返回，本規(guī)則并不能結(jié)束整個推理}printf("\n該動物是:%s\n",F->GetName());returnTrue;}4.4系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)果五、結(jié)論動物識別專家系統(tǒng)實現(xiàn)起來也許相對簡單一些，但基本上也包括了專家系統(tǒng)的各個組成部分。動物識別具有一定的智能性，但是根據(jù)所采用的匹配方法的不同其智能性也有不小的差距。而知識庫的管理和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是否完善對于動物識別專家系統(tǒng)是極為關(guān)鍵的，這也是很多此類專家系統(tǒng)的通病。參考文獻(xiàn)：【1】王士同，陳慧萍，趙躍華，錢旭.人工智能教程[M](第二版)北京：電子工業(yè)出版社，2006:188-206