基于Web的電路基礎(chǔ)仿真與答疑系統(tǒng)模型設(shè)計*

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，由于提問者和答疑者在線時間不同而無法滿足提問者的異步需求和對知識的重用。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)用到計算機科學(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)面臨的知識共享和重用等問題。

目前本體建模的研究已經(jīng)進入實際應(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)域本體具有較強的針對性，它刻畫了一個特定領(lǐng)域的知識，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)大多是針對自然語言提問，而對含有圖形和自然語言提問相混合的研究較少，例如:電子信息專業(yè)基礎(chǔ)課《電路基礎(chǔ)》，提問者的問題中可能包含電路圖。

針對《電路基礎(chǔ)》學(xué)科含有電路圖解答并且需要仿真的特點，基于Web采用本體建模的方法進行知識庫的建立，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，再將提問者的自然語言提問和電路圖關(guān)系進行分析整合，推理完成問題理解以及答案的搜索、計算和表達就顯得更加重要。

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專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是所有強電專業(yè)和弱電專業(yè)的必修課和選修課。目前市場上存在的電子電路設(shè)計與仿真工具主要是單機版，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，而無法供初學(xué)者查詢。因此本文提出了一種在Web環(huán)境下供用戶在線仿真并解答的電路基礎(chǔ)答疑系統(tǒng)，本系統(tǒng)不僅可以對用戶的自然語言提問進行回答，而且可以對用戶輸入的電路圖進行分析仿真，并結(jié)合用戶的提問給出相應(yīng)的答案和涉及的計算公式，有助于用戶快速學(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，再將用戶的提問與此關(guān)系模式相組合，利用建立好的領(lǐng)域本體和公式庫中的知識信息對問題進行分析和解答，這樣不但可以幫助系統(tǒng)建立人性化的知識管理方法，使得答疑系統(tǒng)中的知識更加準(zhǔn)確地表達出來，而且可以為用戶提供更加符合學(xué)習(xí)者需求的答案。其實現(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)系表示出來并和用戶的提問相整合;二是如何構(gòu)建電路基礎(chǔ)領(lǐng)域的本體知識庫、公式庫、領(lǐng)域詞庫;三是如何進行正確的定義本體并推理得出答案。

3 電路圖輸入與識別

如圖1所示，輸入的電路圖由用戶在客戶端提問的時候獲得，而電路圖的識別是在服務(wù)器端實現(xiàn)，被識別以后的電路圖將以系統(tǒng)規(guī)定的關(guān)系模式表達出來，最終系統(tǒng)根據(jù)領(lǐng)域詞庫和常用詞庫將此關(guān)系模式和用戶的提問進行分析整合，至此電路圖的輸入與識別完成。

3.1 類似Multisim10電路圖輸入模式

雖然本模型的設(shè)計面向的是具有一定電子電路基礎(chǔ)的用戶，但是有研究表明有65%的人表示在三次以內(nèi)就能熟練操作一個陌生的網(wǎng)站，所以，一個能夠讓用戶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交互界面，如圖2所示，它提供了我們?nèi)粘３Ｒ姷母鞣N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中提供的各種儀器儀表與操作真實實驗中的實際儀器儀表完全沒有兩樣。

因此，在Web客戶端使用類似Multisim10電路圖輸入的交互頁面是用戶最能接受，也是最為直觀的輸入方式，用戶通過頁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，并可以隨意在頁面的編輯框內(nèi)移動，待用戶選擇完畢之后點擊需要連接的電子器件的斷電實現(xiàn)連接。除此之外還需要一個供用戶使用自然語言提問的問題輸入窗口。

3.2 輸入電路識別

用戶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元器件之間的關(guān)系表述清楚并準(zhǔn)確的記錄每一個元器件的屬性(如電源的類型、內(nèi)阻，電阻的類型、阻值等)。

例如圖2所示的簡單電路圖，其中各電子元器件的關(guān)系在表1中有了清楚的描述，并將此圖中對應(yīng)的的元器件屬性存入相應(yīng)位置，即存入對應(yīng)類的屬性中。再選擇一個合適的存儲方式將此關(guān)系V存儲起來，然后將V和用戶的提問相結(jié)合，例如用戶提問“通過電阻R3的電流是多少?”，系統(tǒng)借助常用詞庫和領(lǐng)域詞庫對元器件關(guān)系和用戶提問進行整合得到合成語句“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)域本體知識庫構(gòu)建

領(lǐng)域本體(Domain Ontology)，是專業(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，提供了某個專業(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)域本體知識庫的構(gòu)建如圖3所示。

在構(gòu)建電路基礎(chǔ)領(lǐng)域本體的過程中，第一步必須列舉電路基礎(chǔ)的概念和術(shù)語，這些概念和術(shù)語要盡可能覆蓋所有系統(tǒng)需要陳述或需要向用戶解釋的概念。在此過程中還需要設(shè)計元本體，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)域無關(guān)性。

第二步，在已經(jīng)建立的大量概念和術(shù)語的基礎(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。這些精確的定義將組成一個精簡的領(lǐng)域知識框架，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)系不僅會涉及同一工作領(lǐng)域，也會在不同的工作領(lǐng)域之間相關(guān)。概念和概念之間的關(guān)系大都通過類來建立，這樣類的層次、屬性、屬性值以及類的實例也就顯得非常重要。定義類的層次應(yīng)該先定義領(lǐng)域中綜合的、概括性的概念，然后逐步細化建立具體、特殊的概念。定義類的屬性不但需要創(chuàng)建其本質(zhì)特征(如電源的內(nèi)阻)，而且需要創(chuàng)建其獲得特征(如電阻的端電壓)，以及個體間的關(guān)系。由于子類可以繼承父類的屬性，所以屬性應(yīng)當(dāng)盡可能定義在父類中。屬性值可以是一個值，也可以是一個類。最后還需要創(chuàng)建這些概念類的實例。

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言對以上建立的領(lǐng)域本體進行編碼以及形式化，在形式化以后再對其進行評價，確定這些本體是否滿足需求，是否滿足本體的建立規(guī)則等。如果評價通過，則建立本體，若不通過則需要從定義領(lǐng)域概念開始重新考慮，所以本體知識庫的建立是一個不斷完善的過程。

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)語義分析結(jié)果在本題知識庫中提取問題的答案。對于基于本體的智能答疑系統(tǒng)來說，應(yīng)該充分發(fā)揮本體的推理能力，做到對知識的推理與擴展，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)還需要通過從電路圖中識別的電子器件之間的關(guān)系計算電路中的相關(guān)參數(shù)，從而就需要依據(jù)本體抽取的關(guān)鍵詞從公式庫中搜索對應(yīng)的計算公式。

常用的推理有5種類型:①概念的可滿足性推理，即判斷一個概念是否有實例使得它是可滿足的。②概念之間的包含關(guān)系。③判斷某個實例對象是否屬于某個概念。④檢索某個概念有哪些實例。⑤判斷兩個實例之間是否有某個關(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，即需要使用公式庫中的公式判斷。

在給用戶呈現(xiàn)的結(jié)果中，不但應(yīng)該包含用戶提問的問題的答案，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參考。

6 結(jié)束語

簡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)計中遇到疑難問題的用戶提供在線智能答疑功能和簡單的電路基礎(chǔ)仿真功能，解決了單機版電子電路設(shè)計軟件的局限性。需要說明的是，本系統(tǒng)只對電路基礎(chǔ)的仿真做了簡單描述，而對模擬電路、數(shù)字電路等的相關(guān)內(nèi)容沒有涉及到，但是其他電路系統(tǒng)都可以在此基礎(chǔ)上不斷完善，逐漸組成一個名副其實的在線電子電路設(shè)計仿真與智能答疑系統(tǒng)。

［1］ 蔣卓勤，鄧玉元.Multisim 2001及其在電子設(shè)計中的應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［2］ 張正蘭，李珊.一個支持自然語言提問的智能答疑系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.微機發(fā)展，2003，13(12):39-41.

［3］ 李立，管燕.基于ontology的智能答疑系統(tǒng)的研究［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，28(1):110-112.

［4］ 葉育鑫，歐陽丹彤.語義Web搜索技術(shù)研究進展［J］.計算機科學(xué)，2010，37(1):1-5.

［5］ 趙成龍，薛欣.基于Web的智能答疑系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程與科學(xué)，2005，27(8):31-34.

［6］ 樓玉萍，王麗俠.基于本體的智能答疑系統(tǒng)的模型研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2005，33(1):71-73.

［7］ 李恒杰，李軍權(quán)，李明.領(lǐng)域本體建模方法研究［J］.計算機工程與設(shè)計，2008，29(2):381-384.