计算机工程
COMPUTER ENGINEERING
1999年 第25卷 第12期 vol.25 No.12 1999



驾驭式解释系统的实现
张博锋　谭建荣　蔡　青
　　众所周知，专家系统中的解释功能是用来回答用户提出的各种问题，包括与系统推理有关的问题和与系统推理无关的关于系统自身的问题。它可以对推理路线和提问的含义给出必要、清晰的解释，为用户了解推理过程以及系统维护提供方便的手段，这是实现系统透明性的主要模块。一般的专家系统能针对性地以一种用户容易理解的形式进行解释，回答为什么有此结论、根据何在、推理的逻辑思路是怎样的等问题。这种解释机制的主要缺点在于：
　　. 解释是被动的，用户只能被动地接受系统推理过程的重现，因为用户无法控制推理机的执行。
　　. 和推理过程不同步，只能在推理完成之后进行解释，不能及时观察推理进程。
　　. 无法对模糊信息进行解释。
　　模糊专家系统是一类在知识的获取、表示和运用中全部或部分采用了模糊技术的专家系统的总称，其知识表示与推理更接近于人类表达知识及解决问题的思维方式。模糊专家系统可以适应自动知识获取及经验总结的需要，能较好地表达和处理人类知识中固有的不确定性，适于进行自然语言处理，采用模糊规则和模糊方法来表达和处理专业领域中的知识还可有效减少知识库中规则的数量，增加知识运用的灵活性和适应性。对于模糊专家系统而言，解释要涉及到模糊性，难度也就增加了许多。模糊专家系统中解释系统的设计难点在于[1-4]：
　　. 至今还没有一个得到大家公认的设计良好的开发工具。
　　. 至今还没有一套完全适用于模糊专家系统开发的智能化程序设计语言。
　　. 模糊概念所表达的语义随环境的不同而变化。
　　. 模糊逻辑以处理问题灵活见长，但也因此增加了解释系统设计时的难度。因而应设法设计出一些能对模糊的或不确定的问题作出回答的解释模式，使得它更接近于人类作出解释的功能。
1 思想来源
　　驾驭式解释系统的思想来源于可视化技术。可视化是一种特殊的计算方法，它把数字符号转为几何图象或图形，使研究者能观察它们的模拟和计算过程，并进行交互控制。科学计算可视化为人们提供了一种发现不可见信息的方法，丰富了科学发现的过程，给予人类深刻与意想不到的洞察力，从而使科学家们的研究方式发生了根本变化。按模拟情况及用户同可视化系统的关系，可视化研究分为3个层次[5]：
　　. 后置处理(Post-processing)可视化过程在数据计算完成后才开始，用户与数据源之间没有交互。其特点是可重复显示。目前，这一层次上的可视化工作最为常见，如计算流体力学、有限元计算结果、气象分析计算等的后置处理。
　　. 跟踪(Tracking)
　　可视化过程与计算过程同时进行，随着计算的进行，计算的中间结果和最终结果可及时地显示，因此便于查错和实时监视，且具有一定的交互性。对计算中的错误也可及早发现，一旦出现异常可终止计算过程。用户使用效率高，等待时间少。另外，由于图象直接从数据中产生，在某些情况下数据无需写入介质，因此节约了存储容量和存取时间，但数据有可能仅在计算时才能得到。
　　. 驾驭(Steering)
　　数据计算与可视化并发进行，通过修改计算过程中的参数，可直接对数据模拟进行控制和引导，计算与可视化全过程是充分交互的。目前，这一层次上的可视化系统还不多见，最成熟的软件是驾驭模拟可视化系统。
　　可见不同层次的可视化功能不同，给用户提供的交互能力不同，并且有各自的适用范围。然而，大多数专家系统中解释系统的实现方法很简单：既然要求解释系统能回答专家系统所做的推理或其它处理的理由和它是如何处理等问题，在推理过程中，把每步推理所用的规则及其它信息按顺序存放起来，一旦需要时，就把有关记录以某种为用户所理解的方式重现出来，以解释用户对其行为提出的各种疑问。这里根本没有考虑解释过程中用户的主动性，用户只能被动地接受系统给出的解释，没有能力干预推理过程的进行，其功能就类似于后置处理层次的可视化。
那么能否设计出类似于驾驭式可视化的解释系统呢?本文做了一些尝试，并在开发出的飞机总体外形设计模糊专家系统(ACDS-FES)中得到了成功的运用。ACDS-FES是一个在高档微机上开发的实用型的基于规则的模糊专家系统，包括6个部分，图1表示出了ACDS-FES各部分之间信息流图。ACDS目录中存放了ACDS-FES的系统文件，它包含5个子目录。Design子目录是用户的工作目录，当用户新建一个设计型号时，系统会自动在Design子目录下建立所需的子目录；Icon子目录存放的是系统所需图标文件；Member子目录存放的是与隶属函数有关的系统文件；Pictures子目录存放的是不同飞机型式的图片文件；Prolog子目录存放的是推理机的系统文件。从组成来看，模糊专家系统与普通专家系统没有太大区别。但是每个组成中的内容或含义都有着很大的不同。

图1 ACDS-FES的信息流图
2 SES实现机制
　　为给用户提供在推理过程中干预推理的能力，本文开发了一个驾驭式解释系统SES (Steering Explanatory System)，其控制结构见图2。

图2 SES的控制结构
　　SES的结构较复杂，信息来源广，与专家系统其它各部分信息交流多。除了知识获取系统，SES与其它各部分都有信息交流，其组成如图3。SES中主要由以下几大模块组成。

图3 驾驭式解释系统的组成
　　(1) 解释信息收集模块
　　主要功能是从ACDS-FES中的各部分收集用于解释的各种有用信息。如：
　　. 从模糊知识库中获得目前推理机中使用的模糊规则，包括规则前提、假设、规则强度等模糊信息；
　　. 从模糊数据库中取得与当前推理有关的模糊事实，如证据、结果等；
　　. 从模糊推理机中获得模糊规则的匹配信息，如匹配程度等；
　　. 从模糊推理机中获得模糊推理的中间结果，如条件、结论等各种模糊信息[6]。
　　(2) 解释模块
　　主要功能是对收集到的信息进行分析和管理。
　　. 对模糊量进行处理，让用户更容易接受和理解；
　　. 可以根据需要把解释信息保存到解释信息库中，以备推理结束之后进行查询；
　　. 给用户界面提供分析结果，以便把解释信息以一种为用户理解的形式呈现给用户等。
　　(3) 控制模块主要功能有：
　　. 获取用户的输入信息；
　　. 若用户认可，则让推理机继续下一步工作，并清除解释模块中的解释信息，为下一步收集解释信息做准备；
　　. 若用户修改了推理过程中的参数，则对模糊数据库中相应的数据进行修改，把刚得出的推理结果清除，让模糊推理重新执行上一步推理过程，再观察其结果。
　　(4) 解释信息库
　　对推理过程中的解释信息进行存贮和管理，以便用户对库中的信息进行分析和比较，从而详细了解推理过程的每一个细节。
3 实例
　　(1) 推理信息的提示与修改
　　如图4，在ACDS-FES中把推理方法、隶属函数等与推理有关的信息提示给用户，若用户满意，可点击"确定"按钮，进行推理；若不满意，可点击"更改"按钮，对它们进行修改，然后再进行推理。

图4 推理信息提示对话框
　　(2) 关于模糊量的表示
　　一般模糊量有量本身的大小和真值两种信息。对于大小可按平常的处理办法用各种方法表示，如用数字、图形等。对于真值，ACDS-FES中应用了如图5的形式表示。这种表示能给人以一种不精确的模糊印象。

图5 SES中模糊量的表示
4 驾驭式解释系统的优点
　　驾驭式解释系统是一种全新概念的解释机制，具有以下特点：
　　(1) 比普通的解释机制结构要复杂得多；
　　(2) 信息来源广，信息交流多，除了知积获取模块外，与ACDE-FES中的其它部分都有信息交流；
　　(3) 能接受用户干预，因而灵活性好、主动性强，并有重复推理能力。与一般的解释系统相比，驾驭式解释系统有以下优点：
　　(1) 驾驭式解释系统的解释功能是主动的，可以对推理过程进行控制，可以在对推理不满意时终止推理，节省运行时间；
　　(2) 不仅是对推理过程的重现，且可以修改推理过程中的中间结果或隶属函数，以改变推理参数，重新进行推理；
　　(3) 解释过程和推理过程同步，推理的每一步自动对用户所关心的问题进行解释，当然也可以在推理之后回答用户的各种询问；
　　(4) 提高了专家系统推理过程的透明性；
　　(5) 可以对模糊量进行解释；
　　(6) 有利于模糊推理机和模糊知识库的调试；
　　(7) 根据需要，可以禁止解释模块储存解释信息，以节省存贮空间。
　　开发驾驭式解释系统是ACDS-FES的一个新尝试，它的最大特点是能对推理过程进行控制和干预，并不只是对推理过程的解释和重现，从而增加了推理过程的透明性。随着对该系统进一步的研究，这种解释机制在专家系统中会发挥更大的作用。如果能在推理过程中成功地引入可视化技术，那么对专家系统来说将是一个很大的飞跃。
作者单位：张博锋　谭建荣　浙江大学CAD&CG国家重点实验室,杭州310027
　　　　　蔡　青　西北工业大学CAD/CAM研究中心,西安710072
参考文献
1 Kandel A.Fuzzy Expert Systems.CRC Press,USA,1992
2 Turksen I B.Fuzzy Expert System for IE/OR/MS.Fuzzy Sets and Systems,1992,51:1-27
3 Walley P.Measures of Uncertainty in Expert Systems.Artificial Intelligence,1996,83(1):1-58
4 Oliveira J V.A Design Methodology for Fuzzy System Interfaces. IEEE Transactions on Fuzzy Systems,1995,3(4):404-414
5 蔡青,高光焘.CAD/CAM系统的可视化、集成化、智能化、网络 化.西安：西北工业大学出版社,1996
6 张博锋.飞机总体外形设计中的模糊理论及其应用研究[博士学位 论文]. 西安：西北工业大学,1997
