劉大鵬，趙政文，陳洋洋

(1.西北工業(yè)大學(xué)，西安710072;2.西安電子科技大學(xué)，西安710071)

1 引言

傳統(tǒng)的網(wǎng)上答疑系統(tǒng)大多采用BBS模式或者在線答疑模式，由于提問(wèn)者和答疑者在線時(shí)間不同而無(wú)法滿(mǎn)足提問(wèn)者的異步需求和對(duì)知識(shí)的重用。隨著人工智能和網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，本體(Ontology)已被廣泛應(yīng)用到計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息領(lǐng)域，基于本體的智能答疑系統(tǒng)逐漸解決了傳統(tǒng)在線答疑系統(tǒng)面臨的知識(shí)共享和重用等問(wèn)題。

目前本體建模的研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，許多研究領(lǐng)域目前都建立了自己標(biāo)準(zhǔn)的本體——領(lǐng)域本體。領(lǐng)域本體具有較強(qiáng)的針對(duì)性，它刻畫(huà)了一個(gè)特定領(lǐng)域的知識(shí)，是本體的更為具體的劃分。但是目前被使用在Web中基于領(lǐng)域本體的智能答疑系統(tǒng)大多是針對(duì)自然語(yǔ)言提問(wèn)，而對(duì)含有圖形和自然語(yǔ)言提問(wèn)相混合的研究較少，例如:電子信息專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課《電路基礎(chǔ)》，提問(wèn)者的問(wèn)題中可能包含電路圖。

針對(duì)《電路基礎(chǔ)》學(xué)科含有電路圖解答并且需要仿真的特點(diǎn)，基于Web采用本體建模的方法進(jìn)行知識(shí)庫(kù)的建立，并將電路圖中元器件的關(guān)系轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以理解的關(guān)系模型，再將提問(wèn)者的自然語(yǔ)言提問(wèn)和電路圖關(guān)系進(jìn)行分析整合，推理完成問(wèn)題理解以及答案的搜索、計(jì)算和表達(dá)就顯得更加重要。

2 基于本體的電路基礎(chǔ)仿真與答疑模型

《電路基礎(chǔ)》是高等學(xué)校電子與電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是所有強(qiáng)電專(zhuān)業(yè)和弱電專(zhuān)業(yè)的必修課和選修課。目前市場(chǎng)上存在的電子電路設(shè)計(jì)與仿真工具主要是單機(jī)版，例如大家熟悉的SPICE/PSPICE、Multisim2001、Matlab7.0、System View、MMICAD Live Wire、Edison、Tina Pro Bright Spark 等。由于這些軟件已經(jīng)將大量基礎(chǔ)概念和公式封裝在程序中，而無(wú)法供初學(xué)者查詢(xún)。因此本文提出了一種在Web環(huán)境下供用戶(hù)在線仿真并解答的電路基礎(chǔ)答疑系統(tǒng)，本系統(tǒng)不僅可以對(duì)用戶(hù)的自然語(yǔ)言提問(wèn)進(jìn)行回答，而且可以對(duì)用戶(hù)輸入的電路圖進(jìn)行分析仿真，并結(jié)合用戶(hù)的提問(wèn)給出相應(yīng)的答案和涉及的計(jì)算公式，有助于用戶(hù)快速學(xué)習(xí)。

將《電路基礎(chǔ)》領(lǐng)域本體的概念應(yīng)用到本系統(tǒng)中，首先將用戶(hù)輸入的電路圖中的元器件關(guān)系轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)規(guī)定的關(guān)系模式，再將用戶(hù)的提問(wèn)與此關(guān)系模式相組合，利用建立好的領(lǐng)域本體和公式庫(kù)中的知識(shí)信息對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和解答，這樣不但可以幫助系統(tǒng)建立人性化的知識(shí)管理方法，使得答疑系統(tǒng)中的知識(shí)更加準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái)，而且可以為用戶(hù)提供更加符合學(xué)習(xí)者需求的答案。其實(shí)現(xiàn)模型如圖1所示。

圖1 基于Web的電路基礎(chǔ)仿真與答疑系統(tǒng)模型

基于本體的電路基礎(chǔ)答疑系統(tǒng)模型的關(guān)鍵技術(shù)由三部分組成:一是如何將電路圖中的電子器件的相互關(guān)系表示出來(lái)并和用戶(hù)的提問(wèn)相整合;二是如何構(gòu)建電路基礎(chǔ)領(lǐng)域的本體知識(shí)庫(kù)、公式庫(kù)、領(lǐng)域詞庫(kù);三是如何進(jìn)行正確的定義本體并推理得出答案。

3 電路圖輸入與識(shí)別

如圖1所示，輸入的電路圖由用戶(hù)在客戶(hù)端提問(wèn)的時(shí)候獲得，而電路圖的識(shí)別是在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，被識(shí)別以后的電路圖將以系統(tǒng)規(guī)定的關(guān)系模式表達(dá)出來(lái)，最終系統(tǒng)根據(jù)領(lǐng)域詞庫(kù)和常用詞庫(kù)將此關(guān)系模式和用戶(hù)的提問(wèn)進(jìn)行分析整合，至此電路圖的輸入與識(shí)別完成。

3.1 類(lèi)似Multisim10電路圖輸入模式

雖然本模型的設(shè)計(jì)面向的是具有一定電子電路基礎(chǔ)的用戶(hù)，但是有研究表明有65%的人表示在三次以?xún)?nèi)就能熟練操作一個(gè)陌生的網(wǎng)站，所以，一個(gè)能夠讓用戶(hù)很快熟練操作的輸入模式非常重要。

Multisim10相比較于其他EDA軟件具有更加形象直觀的人機(jī)交互界面，如圖2所示，它提供了我們?nèi)粘３Ｒ?jiàn)的各種建模精確的元器件，例如電阻、電容、電感、三極管、二極管、繼電器、可控硅、數(shù)碼管等，并且在其儀器儀表庫(kù)中提供的各種儀器儀表與操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際儀器儀表完全沒(méi)有兩樣。

因此，在Web客戶(hù)端使用類(lèi)似Multisim10電路圖輸入的交互頁(yè)面是用戶(hù)最能接受，也是最為直觀的輸入方式，用戶(hù)通過(guò)頁(yè)面上提供的元器件工具可以選擇和設(shè)置自己需要的電子器件，并可以隨意在頁(yè)面的編輯框內(nèi)移動(dòng)，待用戶(hù)選擇完畢之后點(diǎn)擊需要連接的電子器件的斷電實(shí)現(xiàn)連接。除此之外還需要一個(gè)供用戶(hù)使用自然語(yǔ)言提問(wèn)的問(wèn)題輸入窗口。

3.2 輸入電路識(shí)別

用戶(hù)輸入的電路圖如何被系統(tǒng)準(zhǔn)確地理解是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。例如電路元器件在電路圖中的基本關(guān)系有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，這里就是要將電路中每個(gè)元器件之間的關(guān)系表述清楚并準(zhǔn)確的記錄每一個(gè)元器件的屬性(如電源的類(lèi)型、內(nèi)阻，電阻的類(lèi)型、阻值等)。

例如圖2所示的簡(jiǎn)單電路圖，其中各電子元器件的關(guān)系在表1中有了清楚的描述，并將此圖中對(duì)應(yīng)的的元器件屬性存入相應(yīng)位置，即存入對(duì)應(yīng)類(lèi)的屬性中。再選擇一個(gè)合適的存儲(chǔ)方式將此關(guān)系V存儲(chǔ)起來(lái)，然后將V和用戶(hù)的提問(wèn)相結(jié)合，例如用戶(hù)提問(wèn)“通過(guò)電阻R3的電流是多少?”，系統(tǒng)借助常用詞庫(kù)和領(lǐng)域詞庫(kù)對(duì)元器件關(guān)系和用戶(hù)提問(wèn)進(jìn)行整合得到合成語(yǔ)句“V+電阻R3的電流是多少?”。

圖2 Multisim10電路圖輸入界面

表1 圖2中電子器件之間的串、并聯(lián)關(guān)系

4 電路基礎(chǔ)領(lǐng)域本體知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

領(lǐng)域本體(Domain Ontology)，是專(zhuān)業(yè)性的本體，描述的是特定領(lǐng)域中的概念和概念之間的關(guān)系，提供了某個(gè)專(zhuān)業(yè)學(xué)科領(lǐng)域中概念的詞表以及概念間的關(guān)系，或在該領(lǐng)域里占主導(dǎo)地位的理論。電路基礎(chǔ)領(lǐng)域本體知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建如圖3所示。

在構(gòu)建電路基礎(chǔ)領(lǐng)域本體的過(guò)程中，第一步必須列舉電路基礎(chǔ)的概念和術(shù)語(yǔ)，這些概念和術(shù)語(yǔ)要盡可能覆蓋所有系統(tǒng)需要陳述或需要向用戶(hù)解釋的概念。在此過(guò)程中還需要設(shè)計(jì)元本體，所謂元本體就是本體的本體，可以用元本體中定義的元概念定義本體中的概念，例如電路基礎(chǔ)中的電源可定義為一個(gè)元本體，可以用電源的概念再去定義直流電源、交流電源的概念。元本體的數(shù)目要盡量的少，并且盡可能做到領(lǐng)域無(wú)關(guān)性。

第二步，在已經(jīng)建立的大量概念和術(shù)語(yǔ)的基礎(chǔ)上，需要按照一定的規(guī)則形成不同的工作領(lǐng)域(求解電阻、功率等)，在同一工作領(lǐng)域，概念之間的相關(guān)性應(yīng)該比較強(qiáng)。這些精確的定義將組成一個(gè)精簡(jiǎn)的領(lǐng)域知識(shí)框架，從而得到電路基礎(chǔ)領(lǐng)域本體的框架結(jié)構(gòu)。

第三步，在建立了合適的框架結(jié)構(gòu)之后，還需要定義概念之間的關(guān)系，這些關(guān)系不僅會(huì)涉及同一工作領(lǐng)域，也會(huì)在不同的工作領(lǐng)域之間相關(guān)。概念和概念之間的關(guān)系大都通過(guò)類(lèi)來(lái)建立，這樣類(lèi)的層次、屬性、屬性值以及類(lèi)的實(shí)例也就顯得非常重要。定義類(lèi)的層次應(yīng)該先定義領(lǐng)域中綜合的、概括性的概念，然后逐步細(xì)化建立具體、特殊的概念。定義類(lèi)的屬性不但需要?jiǎng)?chuàng)建其本質(zhì)特征(如電源的內(nèi)阻)，而且需要?jiǎng)?chuàng)建其獲得特征(如電阻的端電壓)，以及個(gè)體間的關(guān)系。由于子類(lèi)可以繼承父類(lèi)的屬性，所以屬性應(yīng)當(dāng)盡可能定義在父類(lèi)中。屬性值可以是一個(gè)值，也可以是一個(gè)類(lèi)。最后還需要?jiǎng)?chuàng)建這些概念類(lèi)的實(shí)例。

圖3 電路基礎(chǔ)領(lǐng)域本體構(gòu)建

第四步，選用合適的本題描述語(yǔ)言對(duì)以上建立的領(lǐng)域本體進(jìn)行編碼以及形式化，在形式化以后再對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定這些本體是否滿(mǎn)足需求，是否滿(mǎn)足本體的建立規(guī)則等。如果評(píng)價(jià)通過(guò)，則建立本體，若不通過(guò)則需要從定義領(lǐng)域概念開(kāi)始重新考慮，所以本體知識(shí)庫(kù)的建立是一個(gè)不斷完善的過(guò)程。

5 電路系統(tǒng)本體推理及結(jié)果顯示

本體推理的目的在于抽取關(guān)鍵詞，根據(jù)語(yǔ)義分析結(jié)果在本題知識(shí)庫(kù)中提取問(wèn)題的答案。對(duì)于基于本體的智能答疑系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該充分發(fā)揮本體的推理能力，做到對(duì)知識(shí)的推理與擴(kuò)展，讓系統(tǒng)更加智能。與傳統(tǒng)智能答疑系統(tǒng)不同的是，基于本體的電路基礎(chǔ)智能答疑系統(tǒng)還需要通過(guò)從電路圖中識(shí)別的電子器件之間的關(guān)系計(jì)算電路中的相關(guān)參數(shù)，從而就需要依據(jù)本體抽取的關(guān)鍵詞從公式庫(kù)中搜索對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。

常用的推理有5種類(lèi)型:①概念的可滿(mǎn)足性推理，即判斷一個(gè)概念是否有實(shí)例使得它是可滿(mǎn)足的。②概念之間的包含關(guān)系。③判斷某個(gè)實(shí)例對(duì)象是否屬于某個(gè)概念。④檢索某個(gè)概念有哪些實(shí)例。⑤判斷兩個(gè)實(shí)例之間是否有某個(gè)關(guān)系或者某種屬性關(guān)聯(lián)。在本系統(tǒng)中還必須加入第⑥點(diǎn)，即需要使用公式庫(kù)中的公式判斷。

在給用戶(hù)呈現(xiàn)的結(jié)果中，不但應(yīng)該包含用戶(hù)提問(wèn)的問(wèn)題的答案，還應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)的算法提供相關(guān)的公式及基本概念供用戶(hù)參考。

6 結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)單直觀的輸入模式和結(jié)果顯示模式，為電子電路學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)中遇到疑難問(wèn)題的用戶(hù)提供在線智能答疑功能和簡(jiǎn)單的電路基礎(chǔ)仿真功能，解決了單機(jī)版電子電路設(shè)計(jì)軟件的局限性。需要說(shuō)明的是，本系統(tǒng)只對(duì)電路基礎(chǔ)的仿真做了簡(jiǎn)單描述，而對(duì)模擬電路、數(shù)字電路等的相關(guān)內(nèi)容沒(méi)有涉及到，但是其他電路系統(tǒng)都可以在此基礎(chǔ)上不斷完善，逐漸組成一個(gè)名副其實(shí)的在線電子電路設(shè)計(jì)仿真與智能答疑系統(tǒng)。

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