摘 要：專家系統(tǒng)（expert system，ES）在人工智能（Artificial Intelligence，AI）中扮演著最重要也是最活躍的角色，是人工智能（AI）中最受專家重視的一個應(yīng)用領(lǐng)域，它的出現(xiàn)實現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，從一般的推理策略探討轉(zhuǎn)向運用專門知識的重大突破。運用特定領(lǐng)域的專門知識，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復雜的、具體的問題，達到與專家具有同等解決問題能力的計算機智能程序系統(tǒng)。但是專家系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)卻不是一件容易的事，里面包含了大量繁瑣復雜的過程，其中推理機（Inference Engine）的設(shè)計與應(yīng)用就是一個難點。推理機是專家系統(tǒng)中實現(xiàn)基于知識推理的部件，是基于知識的推理在計算機中的實現(xiàn)，主要包括推理和控制兩個方面，是專家系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分，所以推理機智的研究，有助于該領(lǐng)域技術(shù)知識的進一步提高與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng)；推理機；正向推理；知識表示

1 需求分析

本課題主要解決的問題是分析專家系統(tǒng)中的推理機的內(nèi)容和工作原理，以及推理機制的推理控制策略，并利用所設(shè)計的推理機實現(xiàn)對數(shù)學中幾何問題的簡單證明，利用專家系統(tǒng)在具體問題上的應(yīng)用來研究如何運用推理控制策略來構(gòu)建專家系統(tǒng)。

知識庫和推理機是專家系統(tǒng)的核心部分，專家系統(tǒng)的力量來自于專家知識，推理機是專家系統(tǒng)必不可少的重要功能之一，專家系統(tǒng)的最終結(jié)論要靠推理機推出，其性能直接關(guān)系到專家系統(tǒng)的質(zhì)量，設(shè)計一個高效的推理機可應(yīng)用與各種類型的專家系統(tǒng)，重要性好，對知識庫的維護和推理的的研究在專家系統(tǒng)領(lǐng)域具有重要的意義。

推理機是專家系統(tǒng)中實現(xiàn)基于知識推理的部件，是局域知識的推理在計算機中的實現(xiàn)，主要包括推理和控制兩個方面，是知識系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。

幾何定理自動證明與眾多應(yīng)用相關(guān)，例如：機器人、計算機視覺、智能計算機輔助設(shè)計、智能計算機輔助教學等。研究人員提出了一系列研究方法，如：基于坐標的代數(shù)方法[1]，即與稽核部變量的消點法[2]等。

為了更好的理解幾何定理的及其證明，本文結(jié)合面向?qū)ο蟮某绦蚓幊碳夹g(shù)，實現(xiàn)基于面向?qū)ο蟮膸缀味ɡ碜詣幼C明系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于推理機的正向推理方法，結(jié)合數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，得已實現(xiàn)。

2 基本概念

2.1專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（ExpertSystem）是一個或一組能在某些特定領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用大量的專家知識和推理方法求解復雜問題的一種人工智能計算機程序。專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)大部分為知識庫和推理機。其中知識庫中存放著求解問題所需的知識，推理機負責使用知識庫中的知識去解決實際問題。知識庫[3][4]的建造需要知識工程師和領(lǐng)域?qū)＜蚁嗷ズ献靼杨I(lǐng)域?qū)＜翌^腦中的知識整理出來，并用系統(tǒng)的知識方法存放在知識庫中。

2.2推理機

2.2.1推理機

推理機根據(jù)全局數(shù)據(jù)庫的當前內(nèi)容，從知識庫中選擇相應(yīng)規(guī)則，看這條規(guī)則的前提與給定的事實是否匹配。如果匹配，則得出相應(yīng)的結(jié)論并將結(jié)論存入到綜合數(shù)據(jù)庫中，作為新的事實；反之，則啟用下一條規(guī)則，再進行匹配，直到匹配成功，直至推理出問題的結(jié)論[5]。

推理機分為對象推理機、方法推理機、規(guī)則推理機，本文將不做詳細介紹[6]。

2.2.2推理機的工作流程

推理機是知識庫系統(tǒng)的核心和靈魂，本文中推理機的策略可以分為三個步驟：匹配、沖突消解、執(zhí)行操作。

2.3推理

推理就是按照某種策略由已知事實根據(jù)一定的規(guī)則推導出另一事實的思維過程，在人工智能系統(tǒng)中，推理從不同的角度可分為：

演繹推理、歸納推理、默認推理

1.確定性推理、不確定性推理；2.單調(diào)性推理、非單調(diào)性推理；3.啟發(fā)式推理、非啟發(fā)式推理；4.基于知識的推理、統(tǒng)計推理、知覺推理。

以下將分別介紹推理的相關(guān)知識。

3 推理機制

3.1演繹推理

從已知的一般性只是出發(fā)，推理出適合于某種個別情況的結(jié)論的過程稱為演繹推理。它是一種由一般到個別的推理方法，最常用的演繹推理形式是三段論式，即：“大前提、小前提、結(jié)論”。

3.2歸納推理

歸納推理的基本思想是：從已知事實中猜測出某個結(jié)論，然后對猜測的結(jié)論的正確性進行證明。

3.3確定性推理

指推理使用的證據(jù)、只是及推出的結(jié)論都是可以精確表達的，其值要么為真，要么為假，不會出現(xiàn)其他情況。

4 知識表示以及推理控制

4.1知識表示

推理應(yīng)該選擇最容易表達我們所要解決的問題的知識的方法，方便推理，易于理解與修改，常用的有產(chǎn)生式系統(tǒng)，即前提結(jié)論式，其一般格式為：

（規(guī)則編號 （IF （觸發(fā)事實1）

（觸發(fā)事實2）

………………..

（觸發(fā)事實n））

（THEN （結(jié)論事實1）

（結(jié)論事實2）

………………..

（結(jié)論事實n）））

4.2推理的控制策略

按照推理方向的控制，推理可以分為正向推理和反向推理：

4.2.1正向推理

正向推理的算法描述：

R1.讀取題目信息，根據(jù)題目初步判斷所需要的規(guī)則；R2.將所需要的規(guī)則存在規(guī)則庫中；R3.將讀取到的信息作為事實存放在事實庫中，并給定一定的順序i=1，2，…N；R4.用規(guī)則庫中的規(guī)則對讀取到的第i條信息進行處理；R5.如果產(chǎn)生新的事實，轉(zhuǎn)R6，否則，轉(zhuǎn)R7；R6.將產(chǎn)生的新的事實存放在事實庫中，i=i+1；R7.i<=N，判斷結(jié)論是否在事實庫中，若是，算法結(jié)束，返回結(jié)果；若否，轉(zhuǎn)R4；R8.i>N，得不出結(jié)論，算法結(jié)束。endprint

算法流程圖如下所示：

4.2.2反向推理

反向推理的算法描述：

（1）讀取題目信息；（2）將要證明的結(jié)論作為假設(shè)存放在假設(shè)庫中；將讀取的事實存放在事實庫中；（3）對要證明的假設(shè)，有規(guī)則庫中的規(guī)則與其匹配，轉(zhuǎn)（4），否則轉(zhuǎn)（5）；

（4）存在事實與規(guī)則證明這個假設(shè)，則將假設(shè)存在事實庫中；判斷假設(shè)庫是否為空，若空，算法結(jié)束；否則轉(zhuǎn)（3）；（5）根據(jù)規(guī)則庫中的規(guī)則，會產(chǎn)生新的條件，讓已知假設(shè)成立，則將假設(shè)存放在事實庫中，將產(chǎn)生的新的條件存放在假設(shè)庫中，轉(zhuǎn)③；

反向推理的有點是推理有目標性，執(zhí)行步驟有效；缺點是正確目標選擇難度大，并且錯誤目標導致推理失敗。

5 正向推理的應(yīng)用：簡單的幾何證明

5.1系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

由正向推理的思想和基本的推導過程知，在系統(tǒng)實現(xiàn)時需要建立信息庫，規(guī)則庫，在推理引擎的驅(qū)動下，實現(xiàn)給定的題目的證明過程。系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)圖中的核心部分如圖所示：

5.2問題描述及目標的簡單表示

給定的實際問題如下所示：

已知三角形ABC中，D，E為邊BC上兩點，AB=AC，BD=CE。

證明： AD=AE。

規(guī)則庫RuleSet（引理集合）.

R1：等邊對等角；R2：如果兩個三角形兩邊對應(yīng)相等，兩邊之間的夾角對應(yīng)相等，則兩個三角形全等； R3：如果兩個三角形全等，則對應(yīng)的邊相等；R4： 如果兩個三角形全等，對應(yīng)的角相等。

用謂詞邏輯表示已知的信息：

（2）事實庫（由已知題目信息添加）

題目中給定的已知事實：

① AB=AC；②BD=CE.

5.3 推理機的設(shè)計與實現(xiàn)

5.3.1事實庫的設(shè)計：

如下所示為建立的數(shù)據(jù)庫（事實庫）：

5.3.2規(guī)則庫的設(shè)計：規(guī)則庫（即證明所需要的規(guī)則）

建立四個屬性組，分別是Rule_no（規(guī)則編號）、Rule_Name（規(guī)則名稱）、Rule_condition（規(guī)則條件）、Rule_content（規(guī)則結(jié)論），建立的規(guī)則庫如下圖所示：

5.3.3下面進行用戶操作界面的設(shè)計

在用戶操作界面，用戶可以直接查詢事實庫，也可以按照事實名字查找事實庫。同時，為便于標記修改事實庫，我們可以按照事實號查找相信的事實信息。題目得到的事實以及由規(guī)則推出的事實，都是可以進行查詢的，得出的事實，我們都保存在事實庫中，用C#來實現(xiàn)基本的界面設(shè)計，設(shè)計用戶操作的事實庫查看編輯界面如下圖所示。

用同樣的方法進行規(guī)則庫的設(shè)計，規(guī)則庫的用戶操作界面同事實庫界面大體相同，只是不會對規(guī)則進行修改，我們假定給定的規(guī)則都是有用且正確的，如下圖所示：

5.4推導過程的設(shè)計

推導過程是由事實庫與規(guī)則庫相結(jié)合，進行結(jié)論的推導，推導過程的設(shè)計將最終的結(jié)果設(shè)置一個Label顯示在屏幕中作為對比，當產(chǎn)生的事實中與其結(jié)果相同時，則結(jié)束推導，推出程序。

6 結(jié)束語：本文結(jié)合專家系統(tǒng)中推理機的正向推導過程，基于面向?qū)ο蟮恼Z言操作實現(xiàn)，實現(xiàn)了初中幾何知識的簡單證明，希望能對學習機的設(shè)計有一定的幫助。推理機是專家系統(tǒng)的指揮中心，推理機的設(shè)計是整個專家系統(tǒng)的核心部分，本文分析了推理機的基礎(chǔ)知識以及推理機的推理方法，搜索策略等。幾何定理自動證明是一個重要的研究方向，具有重要的意義，本文結(jié)合面向?qū)ο缶幊烫攸c，設(shè)計并實現(xiàn)了以及基于正向推理的集合信息自動證明原型系統(tǒng)，分別用事實庫與規(guī)則庫儲存相關(guān)的信息，并利用推導過程簡單地處理事實庫，并得到相應(yīng)的結(jié)論。

參考文獻：

[1] 羅慧敏.基于消點法的幾何自動推理系統(tǒng)實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用，2008.28（11）：2984-2987

[2] 鄭煥，張景中.可由用戶持續(xù)發(fā)展的幾何自動推理平臺的推理算法[J].計算機應(yīng)用，2011.31（8）：2101-2104

[3] 歐陽建權(quán)，錢躍良，李錦濤，劉任任.基于PDA的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的知識表示與推理策略.計算機科學。2001Vol.28NO.11

[4] 歐陽建權(quán)，錢躍良，李錦濤，劉任任.基于PDA的知識庫與數(shù)據(jù)庫集成和通用推理算法.計算機科學。2001Vol.29NO.2

[5] 張建昌，王聯(lián)國. 基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的專家系統(tǒng)推理機設(shè)計. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息. 2013 年第 2 期

[6] 郁鵬，周濟，溫淑紅.知識處理中的推理機設(shè)計. 小型微型計算機系統(tǒng)Vol. 20 No. 1

作者簡介：

徐曉杰 ，（1993年1-），男 ，漢，江西省上饒市 ，華南理工大學數(shù)學學院研究生 ，碩士 研究方向：非線性偏微分方程.endprint