張志剛 (安徽工程大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心；安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

郭興眾 (安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

電工實(shí)習(xí)輔助教學(xué)專家系統(tǒng)的構(gòu)建

張志剛 (安徽工程大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心；安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

郭興眾 (安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

針對(duì)電工實(shí)習(xí)知識(shí)的多樣性和學(xué)生實(shí)習(xí)需求的復(fù)雜性、指導(dǎo)教師單個(gè)指導(dǎo)效率低等問(wèn)題，構(gòu)建了一種新的基于專家系統(tǒng)的輔助教學(xué)系統(tǒng)。分析了專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其意義，研究基于框架和產(chǎn)生式表示法相結(jié)合的知識(shí)表示，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)具體推理過(guò)程，詳細(xì)介紹了該專家系統(tǒng)的組成部分和設(shè)計(jì)思路。

專家系統(tǒng)；知識(shí)表示；知識(shí)庫(kù)；推理機(jī)；電工實(shí)習(xí)

在當(dāng)今世界范圍內(nèi)，信息化社會(huì)的到來(lái)、人工智能的蓬勃發(fā)展正推動(dòng)著高等學(xué)校教育改革[1]，數(shù)字化教室、電子黑板、教學(xué)專家系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室已成為教學(xué)活動(dòng)中必不可少的一部分。2010年7月29日國(guó)家發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期教育發(fā)展規(guī)劃(2010～2020)》對(duì)教育信息化提出了目標(biāo)要求。電工實(shí)習(xí)作為工程訓(xùn)練的一項(xiàng)內(nèi)容，每年承擔(dān)著大量學(xué)生實(shí)習(xí)任務(wù)。因?qū)W生的背景知識(shí)個(gè)體差異和實(shí)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的多樣性，教師的指導(dǎo)工作繁重而又達(dá)不到效果，利用專家系統(tǒng)則能夠促使學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)解決問(wèn)題、擴(kuò)大知識(shí)面、完善知識(shí)體系，減輕教師負(fù)擔(dān)。為此，筆者研究了一種新的基于專家系統(tǒng)的輔助教學(xué)系統(tǒng)。

1 電工實(shí)習(xí)輔助教學(xué)專家系統(tǒng)的組成

圖1 電工實(shí)習(xí)輔助教學(xué)專家系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖

電工實(shí)習(xí)輔助教學(xué)專家系統(tǒng)包括人機(jī)接口、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)及知識(shí)獲取模塊、推理機(jī)、解釋模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電工實(shí)習(xí)輔助教學(xué)專家的知識(shí)內(nèi)容主要包括3部分：實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的分解分析、故障排除及原因分析、實(shí)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等；拓展的行業(yè)、工程規(guī)范、電工工藝、安全用電等內(nèi)容；根據(jù)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容引出的在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用實(shí)例。該專家系統(tǒng)對(duì)教學(xué)有多方面意義與促進(jìn)作用：①培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面；②彌補(bǔ)教學(xué)硬件不足，為學(xué)生完善知識(shí)體系提供幫助；③能夠提高教師輔導(dǎo)學(xué)生實(shí)習(xí)的效率，減輕教師的負(fù)擔(dān)；④提供友好靈活的人機(jī)界面，引導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)尚缺的學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題；⑤為工程訓(xùn)練其他工種教學(xué)改革提供借鑒，為工程訓(xùn)練基地的信息化建設(shè)做有益探索。

2 知識(shí)庫(kù)的建立和管理

1)知識(shí)獲取 知識(shí)獲取是指從領(lǐng)域?qū)＜姨幓驖撛诘闹R(shí)源(包括專家、書本、數(shù)據(jù)庫(kù)以及人們的經(jīng)驗(yàn)等)獲取領(lǐng)域知識(shí)，經(jīng)識(shí)別、理解、篩選、歸納等步驟，并以某種形式在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)、傳輸和轉(zhuǎn)移[2]。電工實(shí)習(xí)輔助專家系統(tǒng)的知識(shí)獲取過(guò)程，即是對(duì)電工領(lǐng)域知識(shí)的獲取過(guò)程，獲取過(guò)程是按照描述、觀察、獲取的次序進(jìn)行:①描述。知識(shí)工程師和多個(gè)指導(dǎo)教師交互，提出電工實(shí)習(xí)知識(shí)在該系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)化描述。②觀察。知識(shí)工程師在不妨礙指導(dǎo)教師工作的前提下，在實(shí)習(xí)環(huán)境中觀察指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生方法和步驟。③獲取。在知識(shí)工程師和指導(dǎo)教師相互交流中能得到一些關(guān)鍵性的解題形式評(píng)價(jià)，使得工程師能夠?qū)λ枰碾姽ぶR(shí)進(jìn)行交互性的搜索。

系統(tǒng)的電工知識(shí)獲取是被動(dòng)式獲取，知識(shí)工程師與電工專家的知識(shí)結(jié)構(gòu)化處理完成后，需要建立知識(shí)獲取模塊進(jìn)行知識(shí)獲取工作，其過(guò)程如圖2所示。

圖2 電工實(shí)習(xí)輔助教學(xué)專家系統(tǒng)知識(shí)獲取過(guò)程

2)知識(shí)表示 電工實(shí)習(xí)領(lǐng)域中，其知識(shí)點(diǎn)一般具有經(jīng)驗(yàn)性、因果性的特點(diǎn)，因此適用于產(chǎn)生式表示?？蚣苁且环N描述所論對(duì)象(一個(gè)事物、一個(gè)事件或一個(gè)概念)屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)框架由若干個(gè)被稱為“槽”的結(jié)構(gòu)組成，每一個(gè)“槽”又可根據(jù)實(shí)際情況劃分為若干個(gè)“側(cè)面”。一個(gè)槽用于描述所論對(duì)象某一方面的屬性，一個(gè)側(cè)面用于描述相應(yīng)屬性的一個(gè)方面。槽和側(cè)面所具有的屬性分別稱為槽值和側(cè)面值。無(wú)論對(duì)于框架、槽或側(cè)面，都可以附加一些說(shuō)明性的信息，一般是指一些約束條件[3]。教學(xué)系統(tǒng)中的專家知識(shí)結(jié)構(gòu)具有良好的層次性和模塊化特點(diǎn)，適用于框架表示法。為充分表示實(shí)習(xí)單元的各種結(jié)構(gòu)關(guān)系和內(nèi)容，采用框架表示法與產(chǎn)生式表示法相結(jié)合。對(duì)不同實(shí)習(xí)單元知識(shí)結(jié)構(gòu)采用框架去定義建立，對(duì)單元的具體知識(shí)點(diǎn)采用產(chǎn)生式表示法去實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合框架式與產(chǎn)生式表示法，可將電工實(shí)習(xí)中的知識(shí)提煉歸納出來(lái)。在電工實(shí)習(xí)教學(xué)中，將每一次電工實(shí)習(xí)課程作為一個(gè)單元。在單元下，將單元名作為框架名，單元中所遇到的問(wèn)題分類作為一個(gè)個(gè)槽點(diǎn)，槽點(diǎn)中又分為一個(gè)個(gè)側(cè)面，這些側(cè)面所包含的知識(shí)就是電工實(shí)習(xí)中所遇到的具體問(wèn)題。運(yùn)用的這種混合型的知識(shí)表達(dá)舉例(電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)習(xí)單元知識(shí))如表1所示。

表1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)習(xí)單元知識(shí)表示

3)知識(shí)庫(kù)的建立和維護(hù) 知識(shí)庫(kù)用于存放求解問(wèn)題域的知識(shí)，是推理機(jī)賴以思維的知識(shí)集合，知識(shí)庫(kù)中擁有知識(shí)的多少及知識(shí)的質(zhì)量決定了一個(gè)專家系統(tǒng)所具有解決問(wèn)題的能力。通過(guò)對(duì)電工實(shí)習(xí)知識(shí)的研究，學(xué)生需要的知識(shí)可分為事實(shí)性知識(shí)和推理性知識(shí)：事實(shí)性知識(shí)如操作規(guī)程、電工工藝、設(shè)備管理、工具使用、應(yīng)用舉例等，這部分知識(shí)供學(xué)生檢索學(xué)習(xí)用；推理性知識(shí)如故障分析、原理圖分解、特殊問(wèn)題分析等，用以指導(dǎo)學(xué)生排查故障，分析問(wèn)題。根據(jù)實(shí)習(xí)單元和知識(shí)結(jié)構(gòu)的劃分，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)表，下面每個(gè)表格代表數(shù)據(jù)庫(kù)中的一張表(見表2～4)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中，知識(shí)以表格的形式表現(xiàn)，以4位數(shù)字作為ID編碼，如0322號(hào)問(wèn)題指的是框架3“電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制”的槽點(diǎn)2“故障分析槽”中的側(cè)面22的知識(shí)“IF接觸器無(wú)動(dòng)作Then核查控制電路，電源，熔斷器”。這種表示方式可以使知識(shí)更加層次化、結(jié)構(gòu)化，提高了知識(shí)庫(kù)的效率。

建立初始知識(shí)庫(kù)操作可直接在數(shù)據(jù)表上進(jìn)行，對(duì)知識(shí)庫(kù)的管理采用直接修改數(shù)據(jù)表和使用應(yīng)用程序操作數(shù)據(jù)庫(kù)2種方法相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括3種基本操作：知識(shí)庫(kù)的添加、修改和刪除。

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)中框架模塊知識(shí)表

表3 關(guān)于電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制框架中槽模塊知識(shí)表

表4 關(guān)于故障分析槽中側(cè)面模塊知識(shí)表

3 推理機(jī)

推理就是模擬人工專家的思維，從一個(gè)結(jié)論得出另一個(gè)結(jié)論的過(guò)程[4]。通過(guò)對(duì)電工實(shí)習(xí)知識(shí)的研究，其可分為供學(xué)生自學(xué)的事實(shí)性知識(shí)和供學(xué)生解決問(wèn)題的故障知識(shí)。將這2部分知識(shí)都制成表的形式存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，專家系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)只是進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索，以提高專家系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的效率[5]。當(dāng)有新知識(shí)增加時(shí)，更新對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

專家系統(tǒng)考慮到學(xué)生經(jīng)驗(yàn)尚缺，描述故障現(xiàn)象和事實(shí)性知識(shí)標(biāo)題的不確切，結(jié)合框架知識(shí)表示，將推理過(guò)程設(shè)計(jì)分步提示加數(shù)據(jù)搜索模式，具體步驟如下：①學(xué)生根據(jù)提示選擇實(shí)習(xí)單元；②根據(jù)提示選擇實(shí)習(xí)模塊；③學(xué)生輸入搜索信息；④打開相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)；⑤查找原因和結(jié)果，若沒有查到正確結(jié)果則轉(zhuǎn)⑦；⑥輸出相關(guān)信息；⑦系統(tǒng)無(wú)法解決此問(wèn)題，請(qǐng)求人工輸入原因和結(jié)果，并將其記入后備知識(shí)庫(kù)表，向相關(guān)用戶發(fā)送有新知識(shí)出現(xiàn)消息，若繼續(xù)查找則轉(zhuǎn)③；否則，結(jié)束。

4 解釋模塊和人機(jī)接口模塊

1)解釋模塊 專家系統(tǒng)的解釋內(nèi)容主要是解釋如何推斷結(jié)論；回答用戶的提問(wèn)；使用戶了解推理過(guò)程及推理過(guò)程所運(yùn)用的知識(shí)和數(shù)據(jù)。專家系統(tǒng)采用預(yù)制文本解釋法。在設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)時(shí)，預(yù)先估計(jì)各種可能需要解釋的問(wèn)題，比如安全用電技術(shù)措施、故障排除用到的分析原理知識(shí)等，其解釋內(nèi)容以文本的形式插入程序代碼中。當(dāng)學(xué)生輸入帶解釋的語(yǔ)句時(shí)，系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)為相應(yīng)的代碼，然后再根據(jù)這個(gè)代碼將相應(yīng)的解釋信息顯示給學(xué)生。

2)人機(jī)接口模塊 為了使學(xué)生能夠得到方便、清晰及實(shí)用的用戶界面，系統(tǒng)將開發(fā)良好的交互式輸入、修改及查詢數(shù)據(jù)庫(kù)和快捷搜索作為開發(fā)人機(jī)接口的目標(biāo)。在數(shù)據(jù)庫(kù)管理方面，采用窗口式輸入、輸出和查詢形式，并能以表格的形式打印出來(lái)。增加快捷按鈕，針對(duì)學(xué)生應(yīng)用頻率高的內(nèi)容，比如安全用電、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、宣傳視頻等，以按鈕形式直接呈現(xiàn)在界面上。

[1]蔡自興,徐光佑.人工智能及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:10-11.

[2] 吳信東.專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社,1990:39-44.

[3]沈亞誠(chéng)，舒忠梅.基于框架和產(chǎn)生式表示法的病例和知識(shí)庫(kù)研究[J].南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,26(10):1467-1468.

[4]溫斯頓 P H.人工智能[M].北京：科學(xué)出版社,2000:121-123.

[5]王小軍,周昌盛,呂漢興.一種基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的知識(shí)表示和推理方法[J].控制工程，2005,12(1):41-43.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.031

TP273

A

1673-1409(2012)02-N095-03

2011-10-17

安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2008A21ZC)；安徽工程大學(xué)青年科研基金資助項(xiàng)目(2010YQ051)。

張志剛(1970-)，男，1995年大學(xué)畢業(yè)，工程師，碩士生，現(xiàn)主要從事工程訓(xùn)練方面的研究工作。