动物识别——人工智能
实验三 产生式系统推理
一、实验目的
本实验课程是计算机、智能、物联网等专业学生的一门专业课程，通过实验，帮助学生更好地掌握人工智能相关概念、技术、原理、应用等；通过实验提高学生编写实验报告、总结实验结果的能力；使学生对智能程序、智能算法等有比较深入的认识。
1.掌握人工智能中涉及的相关概念、算法；
2.熟悉人工智能中的知识表示方法；
3.掌握问题表示、求解及编程实现；
4.理解产生式系统的结构原理与实际应用；
5.掌握产生式规则表示及规则库组建的实现方法；
6.熟悉和掌握产生式系统的运行机制，掌握基于规则推理的基本方法。
二、基本要求
1.实验前，复习《人工智能》课程中的有关内容。
2.准备好实验数据。
3.编程要独立完成，程序应加适当的注释。
4.完成实验报告。
三、实验软件
使用C或C++（Visual studio或其它开发环境）（不限制语言使用）。
四、实验内容：
以动物识别系统为例，用选定的编程语言建造规则库和综合数据库，开发能进行正确的正向推理或反向推理的推理机。
正向推理过程
从已知事实出发，通过规则库求得结论，或称数据驱动方式。推理过程是：
规则集中的规则前件与事实库中的事实进行匹配，得匹配的规则集合。
从匹配规则集合中选择一条规则作为使用规则。
执行使用规则的后件，将该使用规则的后件送入事实库中。
重复这个过程直至达到目标。
1 动物分类规则集
（1）若某动物有奶，则它是哺乳动物。
（2）若某动物有毛发，则它是哺乳动物。
（3）若某动物有羽毛，则它是鸟。
（4）若某动物会飞且生蛋，则它是鸟。
（5）若某动物是哺乳动物且有爪且有犬齿且目盯前方，则它是食肉动物。
（6）若某动物是哺乳动物且吃肉，则它是食肉动物。
（7）若某动物是哺乳动物且有蹄，则它是有蹄动物。
（8）若某动物是有蹄动物且反刍食物，则它是偶蹄动物。
（9）若某动物是食肉动物且黄褐色且有黑色条纹，则它是老虎。
（10）若某动物是食肉动物且黄褐色且有黑色斑点，则它是金钱豹。
（11）若某动物是有蹄动物且长腿且长脖子且黄褐色且有暗斑点，则它是长颈鹿。
（12）若某动物是有蹄动物且白色且有黑色条纹，则它是斑马。
（13）若某动物是鸟且不会飞且长腿且长脖子且黑白色，则它是驼鸟。
（14）若某动物是鸟且不会飞且会游泳且黑白色，则它是企鹅。
（15）若某动物是鸟且善飞且不怕风浪，则它是海燕。
下面是该规则集所形成的（部分）推理网络：
图1 动物识别系统部分推理网络
1.2 问题描述
由上述动物识别规则组成规则库，推理机采用正向推理算法或反向推理算法，实现对动物的查询。
如给出初始事实：
F1：某动物有毛发
F2：吃肉
F3：黄褐色
F4：有黑色条纹
目标条件为：该动物是什么？
3 规则库扩充 (选做)
在上述规则集(Ⅰ)基础上增加以下规则集(Ⅱ)：
（1）兔子：有毛发，有奶，善跳跃，唇裂；
（2）猫：有毛发，有奶，善捕鼠，脚有肉垫；
（3）犀牛：有毛发，有奶，鼻子上有角，褐色，皮糙肉后，皮糙肉厚，有蹄；
（4）熊猫：有毛发，有奶，黑眼圈，四肢短小；
（5）鹦鹉：鸟类，上嘴鹰钩，会模仿人说话；
（6）鸭子：鸟类，腿短，嘴扁平，善潜水游泳；
（7）鹰：鸟类，上嘴鹰钩，有爪，吃肉；
（8）鸭子：有羽毛，卵生，善游泳，嘴扁平，腿短；
（9）鹅：有羽毛，卵生，善潜水游泳，白色或黑色，颈长，嘴大，腿长，颈部有肉只凸起；
（10）鸦：有羽毛，卵生，黑色，嘴大；
（11）鹰：有羽毛，卵生，有爪，吃肉，上嘴鹰钩；
（12）鹦鹉：有羽毛，卵生，上嘴鹰钩，能模仿人说话；
（13）青蛙：卵生，生活在水中，生活在陆地，有皮肤呼吸，用肺呼吸，皮肤光滑，吃昆虫，会变色；
（14）蝾螈：卵生，生活在水中，生活在陆地，有皮肤呼吸，用肺呼吸，吃昆虫，皮肤粗糙，四肢扁，背部黑色；
（15）蟾蜍：卵生，生活在水中，生活在陆地，有皮肤呼吸，用肺呼吸，吃昆虫，皮肤粗糙；
（16）比目鱼：用鳃呼吸，身体有鳍，生活在海洋中，身体扁平，两眼在头部同侧；
（17）鲫鱼：用鳃呼吸，身体有鳍，生活在淡水中，身体扁平，头高尾部窄；
（18）蛇：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，身体圆而细长，吃小动物；
（19）壁虎：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，有四肢，尾巴细长易断，吃昆虫；
（20）乌龟：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，身体圆而扁，有坚硬的壳；
（21）玳瑁：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，壳为黄褐色，皮肤光滑，有黑斑；
（22）鳄鱼：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，有四肢，善游泳，皮硬黑褐色。
要求在动物分类规则集(Ⅰ)的基础上添加上述22条知识，共构成29种动物的知识库系统，对原有动物分类系统进行扩充和修改。
五、实验程序组成
(1)使用的结构
Rule类，类中存放一个int类型的指针和重载了一个运算符 == ，用于后续与int类型的数组作比较。
(2)使用的各种函数
//用于中间状态操作的函数
Bool include(Rule rule, int *ch); //判断ch中含有rule全部元素
Void clean(Rule rule, int *ch); //删除ch中与rule相同的元素
bool zero(int *ch); //判断ch中是否全部元素都为0
Bool check(int *ch, int *p); //判断ch中是否还含有p中元素
//规则库函数
Int rule1(int *ch); //一级规则，可以直接由条件推理出
Int rule2(int *ch, int rule1); //二级规则，需要结合一级推理结果
Int rule3(int *ch, int rule2); //三级规则，需要结合二级推理结果
//推理结果处理函数
Int result(int *ch, int rule3); //根据rule3的结果进行分析
Void show(int a); //根据推理得出的序号输出相应文字
(3)部分实验代码：
//规则库
int rule1(int* ch) {if (!zero(ch)) {//有奶->哺乳动物Rule rule1;int t1=1;rule1.rule = &t1;if (include(rule1, ch)) {clean(rule1, ch);return 24;}//有毛发->哺乳动物Rule rule2;int t2=2;rule2.rule = &t2;if (include(rule2, ch)) {clean(rule2, ch);return 24;}//有羽毛->鸟Rule rule3;int t3 = 3;rule3.rule = &t3;if (include(rule3, ch)) {clean(rule3, ch);return 25;}//会飞，能生蛋->鸟Rule rule4;int t[2] = { 4,5 };rule4.rule = &t[0];if (include(rule4, ch)) {clean(rule4, ch);return 25;}}elsereturn 0;
}int rule2(int* ch, int rule1) {if (!zero(ch)) {switch (rule1) {//哺乳动物case 24: {//有爪，有犬齿，目盯前方->食肉动物Rule rule5;int t[3] = { 6,7,8 };rule5.rule = &t[0];if (include(rule5, ch)) {clean(rule5, ch);return 26;}//吃肉->食肉动物Rule rule6;int t1 = 9;rule6.rule = &t1;if (include(rule6, ch)) {clean(rule6, ch);return 26;}//有蹄->有蹄动物Rule rule7;int t2 = 10;rule7.rule = &t2;if (include(rule7, ch)) {clean(rule7, ch);return 27;}return 24;};//鸟case 25: {//不会飞，长腿，长脖子，黑白色->鸵鸟Rule rule8;int t[4] = { 14,15,19,20 };rule8.rule = &t[0];if (include(rule8, ch)) {clean(rule8, ch);return 33;}//不会飞，会游泳，黑白色->企鹅Rule rule9;int t1[3] = { 19,20,21 };rule9.rule = &t1[0];if (include(rule9, ch)) {clean(rule9, ch);return 34;}//善飞，不怕风浪->海燕Rule rule10;int t2[2] = { 22,23 };rule10.rule = &t2[2];if (include(rule10, ch)) {clean(rule10, ch);return 35;}return 25;};}}elsereturn rule1;
}int rule3(int* ch, int rule2) {if (!zero(ch)) {switch (rule2) {//食肉动物case 26: {//黄褐色，黑色条纹->老虎Rule rule11;int t1[2] = { 12,17 };rule11.rule = &t1[0];if (include(rule11, ch)) {clean(rule11, ch);return 29;}//黄褐色，黑色斑点->金钱豹Rule rule12;int t2[2] = { 12,13 };rule12.rule = &t2[0];if (include(rule12, ch)) {clean(rule12, ch);return 30;}return 26;};//有蹄动物case 27: {//反刍->偶蹄动物Rule rule13;int t1 = 11;rule13.rule = &t1;if (include(rule13, ch)) {clean(rule13, ch);return 28;}//长腿，长脖子，黄褐色，暗斑点->长颈鹿Rule rule15;int t3[4] = { 12,14,15,16 };rule15.rule = &t3[0];if (include(rule15, ch)) {clean(rule15, ch);return 31;}//白色，黑色条纹->斑马Rule rule14;int t4[2] = { 17,18 };rule14.rule = &t4[0];if (include(rule14, ch)) {clean(rule14, ch);return 32;}return 27;};}return rule2;}elsereturn rule2;
}
六、实验结果分析：
初始界面：
输入题设条件：
得出结果：
实验心得：
①实验中采用了对规则的分级保证了推理的中间过程的完善性，不过这也使得本程序中的可用规则全为最基本的规则，若是从中间过程开始的推理，如推理条件以哺乳动物为基本条件的推理，需要用于自行推理出哺乳动物的基本条件。②规则库与记录用户输入条件的数组以指针*ch的形式存放，原本在确定条件数量的时候想用ch[]!=NULL的，可是会出现越界的情况，后来观察错误发现越界后数值都十分大或小，故重新设置边界条件为-50~50用来计算条件数量，也算一种取巧。
完整代码：
#include<iostream>
using namespace std;//单条规则形式
class Rule {public:int *rule;bool operator ==(int *ch);
};
bool Rule::operator==(int *ch) {int i = 0;while (ch[i] > -50 && ch[i] < 50) {if (rule[i] != ch[i])return true;i++;}return false;
}//读取拥有函数
bool include(Rule rule,int *ch) {int rulelong=0, same=0;while (-50<rule.rule[rulelong] && rule.rule[rulelong]<50)rulelong++;;//检测ch有效长度内使用含有与rule数组相同数量的元素for (int i = 0; ch[i]>-50 && ch[i]<50; i++) {for (int m = 0; m < rulelong; m++) {if (rule.rule[m] == ch[i])same++; }}if (same == rulelong)return true;else return false;
}
//删除已使用过的条件:在ch中删除相应规则rule1
void clean(Rule rule,int* ch) { int rulelong = 0, i = 0;while (rule.rule[rulelong] > -50 && rule.rule[rulelong] <50) rulelong++;while (ch[i] > -50 && ch[i] < 50) {int m = 0;while (m < rulelong) {if (rule.rule[m] == ch[i]) {ch[i] = 0;break;}m++;}i++;}
}
//全0判断
bool zero(int* ch) {int i = 0;while (ch[i] > -50 && ch[i] < 50) {if (ch[i] != 0)return false;i++;}return true;
}
//重复元素检查:ch中是否还含有p中的元素，true为可用重复，false为不可用重复
bool check(int* ch,int *p) {int same = 0,chlong=0;while (ch[chlong] >-50 && ch[chlong]<50)chlong++;//复制ch数组int* chcopy=new int[chlong];for (int i = 0; i < chlong; i++) {chcopy[i] = ch[i];}//先将0项加入same值中for (int i = 0; i < chlong; i++)if (chcopy[i] == 0)same++;//做相同分析for (int i = 0; i<chlong; i++)for (int m = 0; -50<p[m] && p[m]<50; m++)if (chcopy[i] == p[m] ) {same++;chcopy[i] = 0;}//比较same和ch长度if (same == chlong)return true;elsereturn false;
}//规则库
int rule1(int* ch) {if (!zero(ch)) {//有奶->哺乳动物Rule rule1;int t1=1;rule1.rule = &t1;if (include(rule1, ch)) {clean(rule1, ch);return 24;}//有毛发->哺乳动物Rule rule2;int t2=2;rule2.rule = &t2;if (include(rule2, ch)) {clean(rule2, ch);return 24;}//有羽毛->鸟Rule rule3;int t3 = 3;rule3.rule = &t3;if (include(rule3, ch)) {clean(rule3, ch);return 25;}//会飞，能生蛋->鸟Rule rule4;int t[2] = { 4,5 };rule4.rule = &t[0];if (include(rule4, ch)) {clean(rule4, ch);return 25;}}elsereturn 0;
}int rule2(int* ch, int rule1) {if (!zero(ch)) {switch (rule1) {//哺乳动物case 24: {//有爪，有犬齿，目盯前方->食肉动物Rule rule5;int t[3] = { 6,7,8 };rule5.rule = &t[0];if (include(rule5, ch)) {clean(rule5, ch);return 26;}//吃肉->食肉动物Rule rule6;int t1 = 9;rule6.rule = &t1;if (include(rule6, ch)) {clean(rule6, ch);return 26;}//有蹄->有蹄动物Rule rule7;int t2 = 10;rule7.rule = &t2;if (include(rule7, ch)) {clean(rule7, ch);return 27;}return 24;};//鸟case 25: {//不会飞，长腿，长脖子，黑白色->鸵鸟Rule rule8;int t[4] = { 14,15,19,20 };rule8.rule = &t[0];if (include(rule8, ch)) {clean(rule8, ch);return 33;}//不会飞，会游泳，黑白色->企鹅Rule rule9;int t1[3] = { 19,20,21 };rule9.rule = &t1[0];if (include(rule9, ch)) {clean(rule9, ch);return 34;}//善飞，不怕风浪->海燕Rule rule10;int t2[2] = { 22,23 };rule10.rule = &t2[2];if (include(rule10, ch)) {clean(rule10, ch);return 35;}return 25;};}}elsereturn rule1;
}int rule3(int* ch, int rule2) {if (!zero(ch)) {switch (rule2) {//食肉动物case 26: {//黄褐色，黑色条纹->老虎Rule rule11;int t1[2] = { 12,17 };rule11.rule = &t1[0];if (include(rule11, ch)) {clean(rule11, ch);return 29;}//黄褐色，黑色斑点->金钱豹Rule rule12;int t2[2] = { 12,13 };rule12.rule = &t2[0];if (include(rule12, ch)) {clean(rule12, ch);return 30;}return 26;};//有蹄动物case 27: {//反刍->偶蹄动物Rule rule13;int t1 = 11;rule13.rule = &t1;if (include(rule13, ch)) {clean(rule13, ch);return 28;}//长腿，长脖子，黄褐色，暗斑点->长颈鹿Rule rule15;int t3[4] = { 12,14,15,16 };rule15.rule = &t3[0];if (include(rule15, ch)) {clean(rule15, ch);return 31;}//白色，黑色条纹->斑马Rule rule14;int t4[2] = { 17,18 };rule14.rule = &t4[0];if (include(rule14, ch)) {clean(rule14, ch);return 32;}return 27;};}return rule2;}elsereturn rule2;
}//推理结果处理
int result(int *ch,int rule3) {//三重推理后还有剩余元素if (!zero(ch)) {//剩余有效重复元素正常返回，无效重复元素返回0switch (rule3) {case 24: {int t1[2] = { 1,2 };int* p1 = &t1[0];if (check(ch, p1)) //未通过check判定return 24;elsereturn 0; //查无此动物}case 25: {int t2[3] = { 3,4,5 };int* p2 = &t2[0];if (check(ch, p2))return 25;elsereturn 0;}case 26: {int t3[6] = { 1,2,6,7,8,9 };int* p3 = &t3[0];if (check(ch, p3))return 26;elsereturn 0; }case 27: {int t4[] = { 1,2,10 };int* p4 = &t4[0];if (check(ch, p4))return 27;elsereturn 0; }case 28: {int t5[] = { 1,2,10,11 };int* p5 = &t5[0];if (check(ch, p5))return 28;elsereturn 0; }case 29: {int t6[] = {1,2,6,7,8,9,12,17};int* p6 = &t6[0];if (check(ch, p6))return 29;elsereturn 0; }case 30: {int t7[] = {1,2,6,7,8,9,12,13};int* p7 = &t7[0];if (check(ch, p7))return 30;elsereturn 0; }case 31: {int t8[] = {1,2,10,12,14,15,16};int* p8 = &t8[0];if (check(ch, p8))return 31;elsereturn 0; }case 32: {int t9[] = {1,2,10,17,18};int* p9 = &t9[0];if (check(ch, p9))return 32;elsereturn 0; }case 33: {int t10[] = {3,4,5,14,15,19,20};int* p10 = &t10[0];if (check(ch, p10))return 33;elsereturn 0; }case 34: {int t11[] = {3,4,5,19,20,21};int* p11 = &t11[0];if (check(ch, p11))return 34;elsereturn 0; }case 35: {int t12[] = { 3,4,5,22,23 };int* p12 = &t12[0];if (check(ch, p12))return 35;elsereturn 0; } } }//三种推理后无剩余元素else return rule3;
}
//根据返回值进行输出
void show(int a){switch (a) {case 0: {cout << "根据给出条件，数据库中不存在此类动物，请重新输入" << endl;break;}case 24: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：哺乳动物" << endl;break; }case 25: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：鸟" << endl;break;}case 26: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：食肉动物" << endl;break;}case 27: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：有蹄动物" << endl;break;}case 28: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：偶蹄动物" << endl;break;}case 29: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：老虎" << endl;break;}case 30: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：金钱豹" << endl;break;}case 31: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：长颈鹿" << endl;break;}case 32: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：斑马" << endl;break;}case 33: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：鸵鸟" << endl;break;}case 34: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：企鹅" << endl;break;}case 35: {cout << "根据给出条件，所查询出结果为：海燕" << endl;break;}}
}void main() {aceu:cout << "********产生式系统推理——动物识别系统*********" << endl;//输出序号以及所有条件图cout << "1.有奶 2.有毛发 3.有羽毛 4.会飞" << endl;cout << "5.能生蛋 6.有爪 7.有犬齿 8.目盯前方" << endl;cout << "9.吃肉 10.有蹄 11.反刍 12.黄褐色" << endl;cout << "13.黑色斑点 14.长腿 15.长脖子 16.暗斑点" << endl;cout << "17.黑色条纹 18.白色 19.不会飞 20.黑白色" << endl;cout << "21.会游泳 22.善飞 23.不怕风浪" << endl<<endl;cout << "请输入查询动物的特征序号，以‘0’结束" << endl;//测试创建指针数组int test[20] = { 0 };int q = 1;for (int i = 0; q != 0; i++) {cin >> test[i];q = test[i];}//读数，并写入ch数组int num = 0;while (test[num] != 0)num++;int* ch = new int[num];for (int i = 0; i < num; i++)ch[i] = test[i];show(result(ch, rule3(ch, rule2(ch, rule1(ch)))));int re;cout <<endl<<endl<<"******************************************************"<<endl<< "请输入一个数以便继续,输入0则退出" << endl;cin >> re;if (re != 0) {system("cls");goto aceu;}
}
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