張以寧，黃大莊

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000)

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河北省城市園林樹木網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的構(gòu)建

張以寧，黃大莊

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000)

為了使園林從業(yè)者能夠準(zhǔn)確便利地掌握河北省常用園林樹木基本情況和實(shí)際應(yīng)用知識(shí)，對河北省內(nèi)城市常用園林樹木的基本信息、樹木養(yǎng)護(hù)管理、樹木圖片進(jìn)行了搜集整理，并總結(jié)了樹木的常用配置應(yīng)用、古樹名木知識(shí)等，根據(jù)園林樹木學(xué)和景觀設(shè)計(jì)學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論基礎(chǔ)，構(gòu)建了專家系統(tǒng)知識(shí)庫。在知識(shí)庫的基礎(chǔ)上，采用MVC模式，使用JAVA語言編程、MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用B/S架構(gòu)，應(yīng)用Tomcat服務(wù)器，構(gòu)建了河北省城市園林樹木網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，其中包含樹木信息查找和樹木應(yīng)用推理等方面的功能，以期為使用者提供這些方面的功能支持。

園林樹木；專家系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)；河北省

伴隨著近百年來城市建設(shè)的發(fā)展，以交通擁堵和城市熱島效應(yīng)為代表的城市病也成為了當(dāng)今城市建設(shè)中不可忽視的問題。整治城市病重要的是將生態(tài)建設(shè)和城市規(guī)劃相結(jié)合[1]，推廣建立低碳城市和園林城市。城市園林綠化作為城市生態(tài)建設(shè)和城市規(guī)劃的重要組成部分[2]，起著非常重要的作用。

城市綠地系統(tǒng)是城市園林綠化的基本組成單位，發(fā)揮著平衡城市生態(tài)、改善城市生態(tài)環(huán)境的重要作用[3]。城市園林樹木配置應(yīng)用的優(yōu)劣直接影響著城市綠地質(zhì)量。園林樹木的配置應(yīng)用也是綠地景觀設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，是園林設(shè)計(jì)實(shí)踐的主要方面。園林樹木的應(yīng)用情況成為了評價(jià)園林優(yōu)劣的重要指標(biāo)[4]。

現(xiàn)今對園林樹木的生態(tài)物候特性、基本形態(tài)信息、養(yǎng)護(hù)及應(yīng)用等方面，均有科學(xué)的研究方法，如科學(xué)調(diào)查、數(shù)學(xué)建模分析評價(jià)(AHP)等[5]。上述方法對于一般的園林從業(yè)者和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W生來說是晦澀的，不夠直觀，沒有針對性，不方便進(jìn)行存貯和檢索，往往只服務(wù)于園林學(xué)者和科研工作者。鑒于此，建立能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和查詢應(yīng)用的園林樹木專家系統(tǒng)非常有必要。這項(xiàng)研究能使園林樹木專業(yè)知識(shí)獲取更加方便，讓使用者足不出戶就能得到等同于咨詢專家的問題解答，是時(shí)間、人力、物力三節(jié)約的知識(shí)交互新方法。

目前，我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域信息技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，但在園林方面的應(yīng)用還處于搖籃期[6]。在對現(xiàn)有園林專家系統(tǒng)的考證中，尚未發(fā)現(xiàn)針對河北省園林樹木的專家系統(tǒng)。河北省地處華北平原腹地、京津冀經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)，區(qū)位優(yōu)勢十分明顯，有很好的發(fā)展前景[7]。根據(jù)國家對河北省的發(fā)展規(guī)劃，以后對生態(tài)綠化城市建設(shè)的要求越來越高，對園林樹木的應(yīng)用要求也越來越高，故此建立基于網(wǎng)絡(luò)的河北省城市園林樹木的專家系統(tǒng)很有必要。為此，擬通過對河北省常用園林樹木信息進(jìn)行搜集整理，根據(jù)園林樹木學(xué)、景觀設(shè)計(jì)學(xué)等相關(guān)理論，構(gòu)建專家系統(tǒng)知識(shí)庫，在此基礎(chǔ)上，采用MVC模式、JAVA語言編程、MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用13/S架構(gòu)，應(yīng)用Tomcat服務(wù)器，構(gòu)建河北省城市園林樹木網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的用戶提供幫助。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人工智能(Artificial Intelligence簡稱AI)被稱為20世紀(jì)的三大科學(xué)技術(shù)成就之一，是信息技術(shù)的發(fā)展方向[8]。專家系統(tǒng)誕生于20世紀(jì)60年代，是人工智能的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域[9]。

專家系統(tǒng)的核心是專家所提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，人們把這些轉(zhuǎn)化為程式化的計(jì)算機(jī)語言，用戶可以在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器終端上應(yīng)用。專家系統(tǒng)能夠有效地運(yùn)用專家多年積累的經(jīng)驗(yàn)和專門知識(shí)，通過模擬專家的思維過程，解決需要專家才能解決的問題[10]。和人類專家相比，專家系統(tǒng)并不能表現(xiàn)出解決問題的主觀能動(dòng)性，但系統(tǒng)的工作不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，效率高，隨時(shí)可用，方便快捷；專家系統(tǒng)的知識(shí)廣度也大于人類專家，計(jì)算機(jī)可儲(chǔ)存來自多位專家的知識(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)知識(shí)工程師通過對搜集數(shù)據(jù)的整理和處理，歸類同類項(xiàng)，求證相異項(xiàng)，以此確保專家系統(tǒng)結(jié)果的一致。專家系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)是單一的人類專家所不具備的。

一個(gè)典型的專家系統(tǒng)通常包括人機(jī)接口、推理機(jī)、知識(shí)庫、綜合數(shù)據(jù)庫、知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)和解釋機(jī)構(gòu)六大部分[11]，如圖1所示。知識(shí)庫和推理機(jī)是專家系統(tǒng)最重要的兩部分。

圖1 專家系統(tǒng)構(gòu)造Fig.1 The structure of ES

專家系統(tǒng)通過人機(jī)接口和用戶實(shí)現(xiàn)對接。用戶使用基礎(chǔ)查詢功能時(shí)會(huì)經(jīng)由系統(tǒng)內(nèi)部的解釋器查詢數(shù)據(jù)庫內(nèi)容并反饋答案；在使用推斷功能時(shí)，由推理機(jī)進(jìn)行處理，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)容中篩選和整理得出結(jié)論并反饋答案。另外，管理者可以通過人機(jī)接口完成新的系統(tǒng)知識(shí)獲取過程，更新知識(shí)庫。

1.1 知識(shí)庫設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)知識(shí)庫屬于人工智能類型的數(shù)據(jù)庫，是專家系統(tǒng)初步構(gòu)建的核心。作為智能知識(shí)庫，知識(shí)庫除陳述性事實(shí)以外也包括過程性和規(guī)則性知識(shí)。知識(shí)庫中作為陳述性、過程性和規(guī)則性知識(shí)集合體，其中理論知識(shí)、事實(shí)數(shù)據(jù)要求是真實(shí)可靠并被領(lǐng)域權(quán)威所認(rèn)可的，能有一定的實(shí)踐性、指導(dǎo)性。知識(shí)庫是以單一領(lǐng)域或多領(lǐng)域問題求解為目標(biāo)所進(jìn)行的領(lǐng)域知識(shí)、專家經(jīng)驗(yàn)、實(shí)踐總結(jié)等搜集儲(chǔ)存庫。要想實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，還需要建立相關(guān)運(yùn)算法則，使收集的知識(shí)庫內(nèi)容轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語言。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如專家系統(tǒng)的人工智能使計(jì)算機(jī)對知識(shí)的存儲(chǔ)管理與調(diào)控方面的智能化進(jìn)一步提升。專家系統(tǒng)在理論上的日益完善使得其知識(shí)庫和知識(shí)庫系統(tǒng)更加專業(yè)化、智能化。專家系統(tǒng)知識(shí)庫可包含數(shù)據(jù)知識(shí)、模型知識(shí)、規(guī)則知識(shí)與多媒體知識(shí)等多類型知識(shí)，為專家系統(tǒng)的多功能提供了事實(shí)依據(jù)。

研究首先對現(xiàn)有河北省內(nèi)常用園林樹木的已知各項(xiàng)情況進(jìn)行搜集整理。根據(jù)已有的調(diào)查結(jié)果和資料統(tǒng)計(jì)分析，河北省境內(nèi)分布有高等植物3 071種(其中含19亞種、318變種和49個(gè)變形，分屬于213科1 002屬)，包含野生花卉675種[12]。

綜合景觀設(shè)計(jì)者的知識(shí)需求分析，知識(shí)庫應(yīng)包含樹木基礎(chǔ)知識(shí)庫、樹木信息應(yīng)用查詢庫、園林樹木圖片庫、園林樹木養(yǎng)護(hù)庫、古樹名木知識(shí)查詢和專家咨詢平臺(tái)。根據(jù)河北省的地理、生態(tài)物候環(huán)境，選取并結(jié)合園林樹木學(xué)、景觀設(shè)計(jì)學(xué)、園林生態(tài)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，完成河北省園林樹木知識(shí)庫的建立。篩選其中在河北省城市中應(yīng)用較為常見的196種樹木(喬木114種、灌木70種、藤本8種、禾本4種)，搜集整理樹種基本信息和園林應(yīng)用信息組成園林樹木信息知識(shí)庫，搜集整理樹木圖片組成樹木圖片庫。另外，對常用的古樹名木鑒別養(yǎng)護(hù)措施和樹木養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，編入古樹名木知識(shí)庫和養(yǎng)護(hù)管理知識(shí)庫。河北省城市園林樹木專家系統(tǒng)知識(shí)庫內(nèi)容如圖2所示。

圖2 知識(shí)庫內(nèi)容
Fig.2 The knowledge base content

該專家系統(tǒng)知識(shí)庫大致包括4個(gè)大類。其中有包含名稱、科屬、觀賞特性和園林用途等方面知識(shí)的樹木信息庫，包含樹木圖片的樹木圖片庫，包含古樹測定和古樹名木養(yǎng)護(hù)知識(shí)的古樹名木知識(shí)庫，以及包括栽植修剪、排水防害等方面知識(shí)的養(yǎng)護(hù)管理知識(shí)庫。以上知識(shí)庫內(nèi)容都由知識(shí)工程師進(jìn)行加工，錄入數(shù)據(jù)庫。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)分析，整個(gè)專家系統(tǒng)由樹木基礎(chǔ)知識(shí)、樹木圖片展示、樹木應(yīng)用查詢、專家咨詢、古樹名木知識(shí)和養(yǎng)護(hù)管理查詢6個(gè)模塊構(gòu)成。核心功能模塊是樹木基礎(chǔ)知識(shí)查詢和樹木應(yīng)用查詢兩部分，這兩大部分承擔(dān)了樹木信息查詢和樹木應(yīng)用推理2個(gè)系統(tǒng)主要功能。除模塊內(nèi)容外，系統(tǒng)還需要定期進(jìn)行知識(shí)庫維護(hù)管理；系統(tǒng)首頁要有簡潔明確的系統(tǒng)說明，以方便用戶對系統(tǒng)有大致了解。

功能實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)介紹、檢索、瀏覽、推理和維護(hù)。

(1)系統(tǒng)介紹功能由首頁的系統(tǒng)簡介完成，介紹系統(tǒng)內(nèi)容和使用方法。

(2)檢索功能通過樹木信息查詢模塊、圖片庫模塊、養(yǎng)護(hù)管理模塊等實(shí)現(xiàn)。在常見樹木信息模塊，用戶可根據(jù)中文樹名、別名或者拉丁學(xué)名進(jìn)行檢索，查詢河北省城市常用園林樹木的相關(guān)信息，包括樹木科屬名、別名、形態(tài)特征、生態(tài)習(xí)性、樹木圖片、養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)等。

(3)瀏覽功能可以瀏覽檢索到樹木信息、圖片等。

(4)推理功能可以根據(jù)給定條件要素推理出符合要求的樹種，在應(yīng)用查詢模塊實(shí)現(xiàn)。

(5)維護(hù)功能包括知識(shí)庫定期擴(kuò)充、更新、修改、刪除等，在系統(tǒng)后臺(tái)實(shí)現(xiàn)，是管理者的任務(wù)，通過維護(hù)可以使系統(tǒng)日益完善。

1.3 推理機(jī)設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)區(qū)別于其他人工智能和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的根本在于能夠模仿人類專家對問題求解的過程。人類在對問題求解的過程中，會(huì)考慮邏輯順序，并以此生成推理策略。專家系統(tǒng)解決問題的關(guān)鍵在于推理機(jī)的構(gòu)造。河北省城市園林樹木專家系統(tǒng)推理機(jī)的模型設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 推理機(jī)模型Fig.3 Inference machine model

推理機(jī)首先根據(jù)使用者輸入的要求判定數(shù)據(jù)庫內(nèi)是否有相關(guān)數(shù)據(jù)，以及使用者要求的求解是否符合推理機(jī)包含的推理規(guī)則。兩者都符合時(shí)，正常求解并反饋答案；兩者中有一者不滿足，反饋使用者系統(tǒng)尚未收錄答案，或請使用者檢查要求是否合理并重新輸入。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)建

專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)比較繁瑣，細(xì)枝末節(jié)比較多，因此在開發(fā)過程中，選取高效簡潔的程序語言和直觀方便的開發(fā)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫軟件就顯得尤為重要。開發(fā)過程遵守實(shí)現(xiàn)功能、簡化流程的原則，以提高知識(shí)工程師效率，適當(dāng)減少不必要工作量，最終得到完整可用的程序。研發(fā)流程如圖4所示。

圖4 研發(fā)流程Fig.4 The research and development process

在開發(fā)流程中，首先對系統(tǒng)進(jìn)行需求分析和可行性分析；繼而根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行包括框架設(shè)計(jì)和局部細(xì)化兩部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；完成設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，包括知識(shí)庫的構(gòu)建和計(jì)算機(jī)編程。這3個(gè)步驟完成后，系統(tǒng)已經(jīng)可以投入使用?？紤]到系統(tǒng)內(nèi)信息可能存在錯(cuò)誤，以及系統(tǒng)內(nèi)知識(shí)應(yīng)該隨時(shí)完善和補(bǔ)充，就需要進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。在系統(tǒng)投入使用的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)工程中，系統(tǒng)維護(hù)是隨時(shí)的。

在整個(gè)開發(fā)流程中，系統(tǒng)邏輯框架和界面設(shè)計(jì)關(guān)乎系統(tǒng)求解的科學(xué)性和實(shí)用性。作為使用者，通過網(wǎng)絡(luò)連接使用的網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)，系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.5 The logic structure

當(dāng)使用者通過互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)搜索資源信息時(shí)，向系統(tǒng)發(fā)出請求指令，請求指令繼而傳到數(shù)據(jù)庫中，在系統(tǒng)對相應(yīng)的要求進(jìn)行處理后再將結(jié)果返回到使用者頁面。

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)原則為簡潔大方，方便使用。設(shè)計(jì)系統(tǒng)首頁由5個(gè)按鈕組成：園林樹木概述、河北省古樹名木、園林樹木信息查詢、園林樹木圖片庫、園林樹木養(yǎng)護(hù)管理。通過該界面，用戶能很容易地找到模塊鏈接位置，并準(zhǔn)確鏈接到所要查詢的內(nèi)容。

2.2系統(tǒng)演示

專家系統(tǒng)的系統(tǒng)功能通過各個(gè)模塊的功能來集合實(shí)現(xiàn)?？紤]到河北省園林樹木的特點(diǎn)和存在的問題，參考專家和從業(yè)者的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將系統(tǒng)分為6個(gè)功能模塊，分別是：樹木基本信息模塊、樹木圖片查詢模塊、樹木養(yǎng)護(hù)管理模塊、古樹名木知識(shí)模塊、樹木應(yīng)用信息查詢模塊和專家咨詢模塊。其中，樹木基本信息模塊供使用者查詢目標(biāo)樹種的具體信息；圖片模塊供使用者查詢目標(biāo)樹木圖片并展示；養(yǎng)護(hù)管理模塊供使用者查詢所需要的養(yǎng)護(hù)管理知識(shí)；古樹名木模塊供使用者查詢古樹名木的測定和養(yǎng)護(hù)知識(shí)；專家咨詢模塊供使用者留言咨詢專家。最核心的功能模塊是應(yīng)用信息查詢模塊，使用者點(diǎn)選目標(biāo)樹木所滿足的條件，系統(tǒng)可推導(dǎo)并顯示結(jié)果樹種。

6個(gè)模塊結(jié)合成整體，支持著系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。其中，樹木應(yīng)用信息查詢模塊系統(tǒng)界面如下圖6所示。

圖6 信息查詢結(jié)果
Fig.6 The information query result page

在右下方樹名查詢框內(nèi)輸入樹名后，點(diǎn)擊查詢按鈕，如數(shù)據(jù)庫存有該樹種信息，則左上方各個(gè)信息框內(nèi)均顯示給定結(jié)果；若數(shù)據(jù)庫未存有樹種信息則不顯示。

3 小結(jié)

研究中，借鑒國內(nèi)外園林樹木的經(jīng)驗(yàn)將省內(nèi)的園林樹木進(jìn)行分區(qū)，對河北省常用的城市園林樹種進(jìn)行歸納、整理，參考相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和知識(shí)，根據(jù)園林樹木的生態(tài)習(xí)性并結(jié)合園林應(yīng)用特色選出了196個(gè)常用樹種，在歸納與總結(jié)后，分別從園林樹木名稱類別、形態(tài)特征、觀賞特性、養(yǎng)護(hù)管理與古樹名木知識(shí)等方面進(jìn)行了專家系統(tǒng)知識(shí)庫的構(gòu)建。再借助計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，借鑒現(xiàn)有的園林專家系統(tǒng)，初步建立了河北省城市園林樹木網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)。

河北省城市園林樹木網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)域?qū)＜遗c相關(guān)一線工作者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)匯集；知識(shí)和事實(shí)數(shù)據(jù)的信息化；通過操作能達(dá)到人類領(lǐng)域?qū)＜宜降膯栴}解答。這些方面目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，使省內(nèi)園林樹木信息的數(shù)字化應(yīng)用更上一層樓。希望本專家系統(tǒng)的構(gòu)建，可為想獲取河北省園林樹木信息的使用者提供一些幫助，為從業(yè)者的園林應(yīng)用提供參考。

但由于國內(nèi)外關(guān)于園林樹木的專家系統(tǒng)數(shù)量很少，相關(guān)信息獲取不是很充分，且在資料的收集階段，搜集范圍僅限于已有的植物種類，有疏忽遺漏的可能，所以查詢結(jié)果可能不夠全面。該項(xiàng)研究僅選取河北省內(nèi)現(xiàn)有城市常用園林樹木進(jìn)行討論。隨著國內(nèi)外種質(zhì)資源的交流、野生種質(zhì)的馴化和優(yōu)良新品種的選育，以及原有樹種的再開發(fā)推廣種植，滿足研究條件的樹種會(huì)越來越多。另外，樹木養(yǎng)護(hù)技術(shù)不斷革新，園林應(yīng)用手法也在不斷發(fā)展。這些都需要管理者對知識(shí)庫及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。知識(shí)庫的補(bǔ)充更新將會(huì)是一項(xiàng)長期的工作。

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(編輯 郭麗娟)

Construction of web expert system for urban ornamental trees in Hebei province

ZHANG Yining，HUANG Dazhuang

(CollegeofLandscapeandTourism,HebeiAgriculturalUniversity,Baoding071000,China)

In order to make easy access to the usage of urban ornamental trees for landscape architecture practitioners in Hebei province, this article deals with the data of the basic information of trees, maintenance and management of trees, and trees picture presentation in Hebei province.The planting configuration application of trees and ancient and precious trees knowledge were also inclued. Based on some discipline foundations like landscape dendrology and landscape design, the expert knowledge base was established. The urban ornamental trees expert system (ES) of Hebei province was made by the computer programming language java with B/S frame, using Tomcat as the server, MVC scheme, and MySQL database technology. This ES can offer a knowledge platform for architecture practitioners, with which, users can get the basic knowledge of ornamental trees, the answer of tree application and so on.

ornamental trees；expert system; web; Hebei province

2017-05-06；

2017-05-11

張以寧(1992-)，女，北京市人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閳@林植物與觀賞園藝。

黃大莊(1963-)，男，河北滿城人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事園林植物栽培利用及有害生物管理等研究。

1007 - 4961(2017)02 - 0201 - 06

10.13320/j.cnki.hjfor.2017.0036

TP 392

A