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摘 要： 知识工程是源于专家系统建造而形成的一个研究领域,目前已经成为一个跨学科的综合学科.文章简要介绍了知识工程的概念和发展历程,重点分析了知识工程在工业工程、教育领域、新兴应用等多个领域的主要应用.提出其未来在安全认证及信任管理等方面的研究方向.
关 键 词 ： 知识工程； 知识发现； 知识管理； 应用
中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2013）10-10-03
0 引言
在1977年第五届国际人工智能联合会议上,美国斯坦福大学计算机系教授Feigenbaum作了关于“人工智能的艺术”（The Art of Artificial Intelligence）的讲演,提出“知识工程”这一名称,并指出“知识工程是应用人工智能的原理与方法,对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段.恰当地运用专家知识的获取、表达和推理过程的构成与解释,是设计基于知识的系统的重要技术问题”[1].
知识工程的发展大体经历了三个时期.
⑴ 实验性系统时期,从1965年至1974年.
1965年Feigenbaum教授与其他科学家合作,研制出DENDRAL专家系统.这是一种推断分子结构的计算机程序,该系统贮存有非常丰富的化学知识,它所解决问题的能力达到专家水平,甚至在某些方面超过同行专家的能力,其中包括它的设计者.DENDRAL系统标志着“专家系统”的诞生.
⑵ MYCIN时期,从1975年至1980年.
20世纪70年代中期MYCIN专家系统研制成功,这是一种用医学诊断与治疗感染性疾病的计算机程序“专家系统”.MYCIN专家系统是规范性计算机专家系统的代表,许多其他专家系统都是在MYCIN专家系统的基础上研制而成的.MYCIN系统不但具有较高的性能,而且具有解释功能和知识获取功能,可以用英语与用户对话,回答用户提出的问题,还可以在专家指导下学习医疗知识,该系统还使用了知识库的概念和不精确推理技术.MYCIN系统对计算机专家系统的理论和实践,都有较大的贡献.
⑶ 知识工程的“产品”在产业部门开始应用的时期,时间从1980年至今.
知识工程的研究,目前在美国开展得较为活跃和深入,特别是在斯坦福大学.
人工智能的研究表明,专家之所以成为专家,主要在于他们拥有大量的专门知识,特别是长时期从实践中总结和积累的经验技能知识.从知识工程的发展历史可以看出,知识工程是伴随“专家系统”的研究而产生的.实际上,知识工程的焦点就是知识.知识工程领域的主要研究方向包含知识获取、知识表示和推理方法等,其研究目标是挖掘和抽取人类知识,用一定的形式表现这些知识,使之成为计算机可操作的对象,从而使计算机具有人类的一定智能.
目前,知识工程已广泛应用于数据处理、诊断、监视、预测、规划、设计等方面,并取得了良好的效果.本文将综述近年来国内外知识工程的应用情况,并展望其前景.
1.基于知识发现的应用
知识发现（Knowledge Discovery, KD）是1989年提出的新兴、交叉、边缘学科领域.
知识发现的目的是向使用者屏蔽原始数据的繁琐细节,从原始数据中提炼出有意义的、简洁的知识,直接向使用者报告.知识发现是从数据集中识别出有效的、新颖的、潜在有用的,以及最终可理解的模式的非平凡过程.知识发现将信息变为知识,从数据资源中发现知识宝藏[2].
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知识发现的潜在应用十分广阔.从工业到农业,从天文到地理,从预测预报到决策支持,KD都发挥着越来越重要的作用.许多计算机软件开发商都已经推出了其数据挖掘产品,如IBM、Microsoft、SPSS、SGI、SLPInfoware、SAS（Object Business）等.它们被广泛应用于商业、农业、医学生物、金融保险、通讯、国防等多个方面.
基于知识发现的专家系统（ESKD）成功运行于农业、铝电解；基于知识发现的智能决策支持系统（IDSSKD）成功运行于国际电子商务中心（北京）的外贸加工业务中.
我国著名知识工程专家杨炳儒教授构建了由理论基础、4条机制（理论支柱）、8个新过程模型、17种新技术方法组成的,多层递阶、综合集成的,基于内在认知机理的知识发现理论体系KDTICM.
KDTICM及其衍生的新型智能系统成功地应用于蛋白质结构预测、农业、现代远程教育网、气象、国际商务、铝电解生产、税务、数字资源整合等八个领域,有效地验证了KDTICM,并解决了一批领域中的典型问题.尤其体现在解决生物信息学领域国际性难题的重要核心作用——取得蛋白质2级结构预测精度的国际领先地位[3].
2.知识工程在工业工程中的典型应用
2.1 在工业设计中的应用
工业企业随着知识积累形式的“老龄化”和客户需求的“年轻化”,产品的设计要求和种类都变得越来越复杂及繁多.以往单纯依靠CAD系统和知识数据库之问文件形式的交互方式,使得CAD系统和知识数据库之间出现了“断层”,无法满足工程师知识积累运用的合理传递和管理要求.为此,严雯琦设计了KWE系
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KWE在工业设计中起到了知识系统集线器的作用,它相当于一个交互平台,为其他产品设计活动提供了实时数据调度.通过该系统,能进行产品整体模型的搜集和再生,标准件的选择,质量标准的分析校验,也能提供产品制造工艺流程的模拟,也为工程师提供信息共享的平台[5].
2.2 在机械产品参数化设计中的应用
当今机械工程领域,CAD/CAM技术飞速发展,伴随着产品研发体系的不断完善,知识的延续与再利用作为一种全新的设计理念应运而生.知识工程思想在设计软件中得到了完美的体现.CATIA V5的知识顾问模块能使设计人员在可视化的环境下,高速高效地进行三维零件的特征参数化设计造型,完成的参数化设计造型能根据按人机交互方式输入的设计变量来控制特征的修改. 学者张学忱等结合CATIAV5平台的知识顾问模块,运用知识工程原理,创建产品参数化知识库,方便、快速地完成产品的三维参数化造型设计,并通过知识功能对零件进行参数控制和特征状态的检查[5].该方法为标准件库的创建提供了便捷的途径,加快了企业的产品系列化的设计进程.作者通过实例详细阐述了基于知识工程的参数化设计的方法,灵活运用了CATIA的知识工程模块,显示了其强大的设计功能,实现知识驱动下的产品参数化造型设计.这种人机交互共同设计的智能化CAD手段已成为当今机械设计领域的热门课题,知识工程在机械产品参数化构型设计过程中将得到广泛应用.
2.3 在工艺决策方面的应用
工艺过程设计是产品设计和制造的桥梁,包括加工方法选择、制造资源选择、加工活动排序等多个决策环节.现代集成制造背景下的工艺决策,处于产品制造数据、信息和知识集成的大环境中,所涉及的信息越来越复杂,知识变得无处不在,而孤立和面向数据的工艺决策方法,显得越来越难以适应这种复杂应用环境.不少研究采用了诸如单一的产生式规则、遗传算法、人工神经网络等方法研究工艺决策的解决方法,但这类研究中往往较少涉及工艺决策对象、工艺决策过程和工艺决策知识之间的关联和方便地对它们进行扩展的机制.北京航空航天大学研究了集成制造信息建模基础上的工艺决策方法,但尚缺少知识角度的建模研究、统一的决策机制和对模型的充分利用.工艺过程设计中决策问题求解的本质在于不断改变对象即工艺过程的状态以使其满足后续指导加工的要求,知识是对这种变化的抽象描述,包括变化的过程和变化的动力,问题求解中对象、规则是与过程密不可分的.
知识工程,其知识表达、使用和获取三个方面的理论方法,可以充分支持工艺决策问题对于问题描述、知识驱动和智能处理的要求,利用知识工程解决工艺决策问题将是一个突破的新方向.为此,学者沈伟等提出了基于知识工程的工艺决策方法[6].
3.知识工程在教育领域的应用
目前,很多高校的教育技术学专业都已经将知识工程引入并作为一个重要的研究方向,其目的是借助于知识工程的方法和技术,改善教学,使教育更加智能化.随着对知识工程的研究越来越引起人们的关注,知识工程早已超出了最开始被定义的范畴,它是“一门研究人类智能及人类知识的机理以及如何用机器模拟人的智能并促进人类知识发展的学科”.教育知识管理是教育技术的组成部分,其实质是研究人类获取、传播、共享、利用和创造新知识的活动规律,管理有关知识的各种连续过程,以促进经济和社会发展的理论和实践.首先,知识工程的知识处理功能,有利于评价者获取被评价事物的信息和学习者获得所需知识.其次,知识工程的专家系统也可以为评价者或学习者提供帮助[7].
知识工程与知识科学的发展极大地推动了教育技术学的研究和发展,已经有很多知识工程的方法与技术被应用到教育中.如学者那一沙等提出了基于建构主义的学习者知识工程模型[8].作者指出,越来越多的学者关注学习过程的研究,认为学习过程是一个复杂的知识转移的过程,教师在传授知识时,将自己的显性知识和隐性知识转移给学习者；同时,学习者自身也有一个显性知识向隐性知识转化的过程.与此同时,建构主义教学方式越来越得到人们的普遍认可,这一全新的教育理念结合知识工程,将为教育的研究发展提供有利的技术支持.
4.知识工程的新兴应用领域
4.1 在电子政务中的应用
电子政务学术论文的撰写
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基于知识工程的电子政务系统是指把知识工程理论与电子政务理论相结合,以知识工程思想来实现涉及多个知识领域和多层推理的小城镇电子政务系统.这里,知识工程实现了电子政务系统的知识获取以及推理功能,使得电子政务系统进行分工合作,共同完成更高层次的推理,提高系统的效率,实现了高度的实用性和易用性.
学者张凤霞等曾针对电子政务建设面临的业务差异显著、分布范围广、办公模式缺乏智能性和分析能力等问题,研究了基于知识工程的小城镇电子政务系统模型.智能型电子政务集成了软构件、知识工程、多Agent以及多决策支持系统等技术,主要实现三个方面的目标：①提供可复用性构件和高效资源整合的基层政务信息服务平台；②基于知识工程的多Agent协作办公模式；③面向基层电子政务的决策支持服务[9].
4.2 在电子商务中的应用
电子商务模式是管理科学学术界和企业咨询界的一个热点.商务模式创新最大限度地为挖掘技术创新的商业潜力提供了转化机制和桥梁,已成为各国有企业竞争的一个重要的领域.
电子商务具有很好的透明度模式,电子商务的模型是可以用软件工程的方法形式化表示出来.如OBELIX项目以软件工程的方法描述商务需求.利用这一点,刘祖斌提出了基于知识工程电子商务模式创新研究,其核心是对虚拟价值链本体描述和挖掘[10].面向电子商务模式创新的知识工程架构细分为模式本身本体描述、模式相关IT技术发展和商务背景等知识环境下的本体描述、模式演化路径本体描述三个层次.
4.3 在虚拟企业中的应用
虚拟企业是一种新型的知识创新组织,这种组织必须建立完善的知识创新专家系统,以对知识的获取、识别、共享、集成进行有效地管理.
学者刘程等分析了虚拟组织知识共享特点,并从技术层面解决了虚拟组织的知识共享问题.利用本体技术解决虚拟组织间的语义异构和结构异构,并在此基础上构建了基于本体的知识共享模型[11].文献[12]探讨了基于本体实现虚拟组织知识共享的基本原理.
4.4 本体与知识共享
知识共享是知识工程中的技术之一,有利于产生创新性的知识.本体论阐明了区分不同类型物体的标准,也阐明了这些不同类型物体的联系.简言之,在知识共享范畴中,本体论就是一个概念化的规范,它的作用是使知识可以共享和重用.
本体论包含着描述一个领域的概念、公理、联系,而高级本体论则仅限于原子的（meta）、普通的（generic）、抽象的（abstract）和哲学的（philosophical）概念,高级本体论比本体论普遍,它能用于领域中一个很广的范围.这些就是IEEE制定的高级本体论标准（SUO,Standard Upper Ontology）. 世界范围的本体论项目有两种主要的形式：一种是面向基于知识库的（Knowledge base oriented）,CYC本体论就是这类,同属这类的还有斯坦福大学知识系统实验室的“知识共享成果”（Knowledge Sharing Effort）；另一种是基于延伸的词典/字典（Extended thesaurus/dictionary based）,倾向于机器翻译的,如普林斯顿大学米勒研究的WordNet,这是一个在线的词汇参考系统,日本电子词典研究机构的EDR电子词典,由新墨西哥州立大学、南加州大学和卡内基梅隆大学共同研究开发的Pangloss系统等[13].
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由于本体是高度共享的概念模型,以形式化的方法进行表示,并且能被计算机系统直接处理,使得它在异构系统之间的互操作方面得到广泛的应用.目前,基于本体的跨组织知识共享系统的解决思路,多采用领域为各个组织分别建立不同的本地本体系统.领域标准定义的本体作为本地本体系统的扩展,提供领域共享词汇和统一视图,解决不同本地本体系统之间的语义异构性,同时满足不同本地本体系统之间的相互查询需求[14].
5.结束语
知识工程是一个浩大的人工智能系统工程,其中,知识的获取、知识的表示和知识的运用是它最为重要的三大部分.本文从知识发现、在工业工程方面的应用、在教育领域的应用、新兴应用等视角对知识工程的应用进行了综述.
随着IT技术的进一步发展和应用,网络已成为各行各业不可缺少的服务平台,而由此引发的安全问题也广受关注.传统的管理模式往往只采用“是”与“非”两种结论判断安全性,但事实上安全性可以细分为更多的层次和类别；系统根据不同的安全性提供不同类型的服务,因此可考虑利用知识工程、云安全等多种技术,提供智能化的安全认证.信任包含理性与非理性因素,如何利用知识工程挖掘出非理性因素的作用,以便确定一个综合信任度,从而在网络中实现更人性化的信任管理,这有待进一步研究与实现.
参考文献：
[1] 陆汝钤主编.世纪之交的知识工程与知识科学[M].清华大学出版社,2001.
[2] 史忠植.知识发现（第2版）[M].清华大学出版社,2011.
[3] 王涛.研究知识工程专注知识发现——访著名知识工程专家杨炳儒教授[J].科技成果管理与研究,2009.10：20-20
[4] 严雯琦.工业设计中知识工程的研究和实践意义[J].中国科技博览,2010.11：91
[5] 张学忱,陈锦昌,范汝祥等.知识工程在机械产品参数化设计中的应用研究[J].工程图学学报,2009.6：191-195
[6] 沈伟,乔立红.基于知识工程的工艺决策方法研究[J].组合机床与自动化加工技术,2011.5：108-112
[7]
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