張以寧，黃大莊

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

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河北省城市園林樹木網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的構建

張以寧，黃大莊

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

為了使園林從業(yè)者能夠準確便利地掌握河北省常用園林樹木基本情況和實際應用知識，對河北省內城市常用園林樹木的基本信息、樹木養(yǎng)護管理、樹木圖片進行了搜集整理，并總結了樹木的常用配置應用、古樹名木知識等，根據(jù)園林樹木學和景觀設計學等相關學科理論基礎，構建了專家系統(tǒng)知識庫。在知識庫的基礎上，采用MVC模式，使用JAVA語言編程、MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，采用B/S架構，應用Tomcat服務器，構建了河北省城市園林樹木網(wǎng)絡專家系統(tǒng)，其中包含樹木信息查找和樹木應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；河北省

伴隨著近百年來城市建設的發(fā)展，以交通擁堵和城市熱島效應為代表的城市病也成為了當今城市建設中不可忽視的問題。整治城市病重要的是將生態(tài)建設和城市規(guī)劃相結合[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用的優(yōu)劣直接影響著城市綠地質量。園林樹木的配置應用也是綠地景觀設計的重要一環(huán)，是園林設計實踐的主要方面。園林樹木的應用情況成為了評價園林優(yōu)劣的重要指標[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)護及應用等方面，均有科學的研究方法，如科學調查、數(shù)學建模分析評價(AHP)等[5]。上述方法對于一般的園林從業(yè)者和相關領域學生來說是晦澀的，不夠直觀，沒有針對性，不方便進行存貯和檢索，往往只服務于園林學者和科研工作者。鑒于此，建立能通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)儲存和查詢應用的園林樹木專家系統(tǒng)非常有必要。這項研究能使園林樹木專業(yè)知識獲取更加方便，讓使用者足不出戶就能得到等同于咨詢專家的問題解答，是時間、人力、物力三節(jié)約的知識交互新方法。

目前，我國農(nóng)業(yè)領域信息技術應用比較廣泛，但在園林方面的應用還處于搖籃期[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)濟圈內，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)綠化城市建設的要求越來越高，對園林樹木的應用要求也越來越高，故此建立基于網(wǎng)絡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行搜集整理，根據(jù)園林樹木學、景觀設計學等相關理論，構建專家系統(tǒng)知識庫，在此基礎上，采用MVC模式、JAVA語言編程、MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，采用13/S架構，應用Tomcat服務器，構建河北省城市園林樹木網(wǎng)絡專家系統(tǒng)，旨在為相關領域的用戶提供幫助。

1 系統(tǒng)設計

人工智能(Artificial Intelligence簡稱AI)被稱為20世紀的三大科學技術成就之一，是信息技術的發(fā)展方向[8]。專家系統(tǒng)誕生于20世紀60年代，是人工智能的一個應用領域[9]。

專家系統(tǒng)的核心是專家所提供的知識和經(jīng)驗，人們把這些轉化為程式化的計算機語言，用戶可以在網(wǎng)絡瀏覽器終端上應用。專家系統(tǒng)能夠有效地運用專家多年積累的經(jīng)驗和專門知識，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性，但系統(tǒng)的工作不受時間和地點的限制，效率高，隨時可用，方便快捷；專家系統(tǒng)的知識廣度也大于人類專家，計算機可儲存來自多位專家的知識數(shù)據(jù)。系統(tǒng)知識工程師通過對搜集數(shù)據(jù)的整理和處理，歸類同類項，求證相異項，以此確保專家系統(tǒng)結果的一致。專家系統(tǒng)的這些優(yōu)點是單一的人類專家所不具備的。

一個典型的專家系統(tǒng)通常包括人機接口、推理機、知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取機構和解釋機構六大部分[11]，如圖1所示。知識庫和推理機是專家系統(tǒng)最重要的兩部分。

圖1 專家系統(tǒng)構造Fig.1 The structure of ES

專家系統(tǒng)通過人機接口和用戶實現(xiàn)對接。用戶使用基礎查詢功能時會經(jīng)由系統(tǒng)內部的解釋器查詢數(shù)據(jù)庫內容并反饋答案；在使用推斷功能時，由推理機進行處理，在數(shù)據(jù)庫內容中篩選和整理得出結論并反饋答案。另外，管理者可以通過人機接口完成新的系統(tǒng)知識獲取過程，更新知識庫。

1.1 知識庫設計

專家系統(tǒng)知識庫屬于人工智能類型的數(shù)據(jù)庫，是專家系統(tǒng)初步構建的核心。作為智能知識庫，知識庫除陳述性事實以外也包括過程性和規(guī)則性知識。知識庫中作為陳述性、過程性和規(guī)則性知識集合體，其中理論知識、事實數(shù)據(jù)要求是真實可靠并被領域權威所認可的，能有一定的實踐性、指導性。知識庫是以單一領域或多領域問題求解為目標所進行的領域知識、專家經(jīng)驗、實踐總結等搜集儲存庫。要想實現(xiàn)知識庫在計算機中的應用，還需要建立相關運算法則，使收集的知識庫內容轉換成計算機語言。隨著計算機應用技術的發(fā)展，如專家系統(tǒng)的人工智能使計算機對知識的存儲管理與調控方面的智能化進一步提升。專家系統(tǒng)在理論上的日益完善使得其知識庫和知識庫系統(tǒng)更加專業(yè)化、智能化。專家系統(tǒng)知識庫可包含數(shù)據(jù)知識、模型知識、規(guī)則知識與多媒體知識等多類型知識，為專家系統(tǒng)的多功能提供了事實依據(jù)。

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

綜合景觀設計者的知識需求分析，知識庫應包含樹木基礎知識庫、樹木信息應用查詢庫、園林樹木圖片庫、園林樹木養(yǎng)護庫、古樹名木知識查詢和專家咨詢平臺。根據(jù)河北省的地理、生態(tài)物候環(huán)境，選取并結合園林樹木學、景觀設計學、園林生態(tài)學等學科知識，完成河北省園林樹木知識庫的建立。篩選其中在河北省城市中應用較為常見的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用信息組成園林樹木信息知識庫，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)護措施和樹木養(yǎng)護管理技術進行總結，編入古樹名木知識庫和養(yǎng)護管理知識庫。河北省城市園林樹木專家系統(tǒng)知識庫內容如圖2所示。

圖2 知識庫內容
Fig.2 The knowledge base content

該專家系統(tǒng)知識庫大致包括4個大類。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)護知識的古樹名木知識庫，以及包括栽植修剪、排水防害等方面知識的養(yǎng)護管理知識庫。以上知識庫內容都由知識工程師進行加工，錄入數(shù)據(jù)庫。

1.2 系統(tǒng)結構

根據(jù)應用目標分析，整個專家系統(tǒng)由樹木基礎知識、樹木圖片展示、樹木應用查詢、專家咨詢、古樹名木知識和養(yǎng)護管理查詢6個模塊構成。核心功能模塊是樹木基礎知識查詢和樹木應用查詢兩部分，這兩大部分承擔了樹木信息查詢和樹木應用推理2個系統(tǒng)主要功能。除模塊內容外，系統(tǒng)還需要定期進行知識庫維護管理；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。

功能實現(xiàn)包括系統(tǒng)介紹、檢索、瀏覽、推理和維護。

(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)護管理模塊等實現(xiàn)。在常見樹木信息模塊，用戶可根據(jù)中文樹名、別名或者拉丁學名進行檢索，查詢河北省城市常用園林樹木的相關信息，包括樹木科屬名、別名、形態(tài)特征、生態(tài)習性、樹木圖片、養(yǎng)護管理技術等。

(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，在應用查詢模塊實現(xiàn)。

(5)維護功能包括知識庫定期擴充、更新、修改、刪除等，在系統(tǒng)后臺實現(xiàn)，是管理者的任務，通過維護可以使系統(tǒng)日益完善。

1.3 推理機設計

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)解決問題的關鍵在于推理機的構造。河北省城市園林樹木專家系統(tǒng)推理機的模型設計如圖3所示。

圖3 推理機模型Fig.3 Inference machine model

推理機首先根據(jù)使用者輸入的要求判定數(shù)據(jù)庫內是否有相關數(shù)據(jù)，以及使用者要求的求解是否符合推理機包含的推理規(guī)則。兩者都符合時，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)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的構建

專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)比較繁瑣，細枝末節(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、數(shù)據(jù)庫軟件就顯得尤為重要。開發(fā)過程遵守實現(xiàn)功能、簡化流程的原則，以提高知識工程師效率，適當減少不必要工作量，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)進行需求分析和可行性分析；繼而根據(jù)分析結果進行包括框架設計和局部細化兩部分的系統(tǒng)設計；完成設計后進行系統(tǒng)構建，包括知識庫的構建和計算機編程。這3個步驟完成后，系統(tǒng)已經(jīng)可以投入使用?？紤]到系統(tǒng)內信息可能存在錯誤，以及系統(tǒng)內知識應該隨時完善和補充，就需要進行系統(tǒng)維護。在系統(tǒng)投入使用的整個運轉工程中，系統(tǒng)維護是隨時的。

在整個開發(fā)流程中，系統(tǒng)邏輯框架和界面設計關乎系統(tǒng)求解的科學性和實用性。作為使用者，通過網(wǎng)絡連接使用的網(wǎng)絡專家系統(tǒng)，系統(tǒng)邏輯結構如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)邏輯結構Fig.5 The logic structure

當使用者通過互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)搜索資源信息時，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)對相應的要求進行處理后再將結果返回到使用者頁面。

系統(tǒng)界面設計原則為簡潔大方，方便使用。設計系統(tǒng)首頁由5個按鈕組成：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)護管理。通過該界面，用戶能很容易地找到模塊鏈接位置，并準確鏈接到所要查詢的內容。

2.2系統(tǒng)演示

專家系統(tǒng)的系統(tǒng)功能通過各個模塊的功能來集合實現(xiàn)。考慮到河北省園林樹木的特點和存在的問題，參考專家和從業(yè)者的經(jīng)驗總結，將系統(tǒng)分為6個功能模塊，分別是：樹木基本信息模塊、樹木圖片查詢模塊、樹木養(yǎng)護管理模塊、古樹名木知識模塊、樹木應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樹種的具體信息；圖片模塊供使用者查詢目標樹木圖片并展示；養(yǎng)護管理模塊供使用者查詢所需要的養(yǎng)護管理知識；古樹名木模塊供使用者查詢古樹名木的測定和養(yǎng)護知識；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用信息查詢模塊，使用者點選目標樹木所滿足的條件，系統(tǒng)可推導并顯示結果樹種。

6個模塊結合成整體，支持著系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。其中，樹木應用信息查詢模塊系統(tǒng)界面如下圖6所示。

圖6 信息查詢結果
Fig.6 The information query result page

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

3 小結

研究中，借鑒國內外園林樹木的經(jīng)驗將省內的園林樹木進行分區(qū)，對河北省常用的城市園林樹種進行歸納、整理，參考相關領域專家的經(jīng)驗和知識，根據(jù)園林樹木的生態(tài)習性并結合園林應用特色選出了196個常用樹種，在歸納與總結后，分別從園林樹木名稱類別、形態(tài)特征、觀賞特性、養(yǎng)護管理與古樹名木知識等方面進行了專家系統(tǒng)知識庫的構建。再借助計算機和網(wǎng)絡技術，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)絡專家系統(tǒng)。

河北省城市園林樹木網(wǎng)絡專家系統(tǒng)的構建實現(xiàn)了領域專家與相關一線工作者的知識和經(jīng)驗匯集；知識和事實數(shù)據(jù)的信息化；通過操作能達到人類領域專家水平的問題解答。這些方面目標的實現(xiàn)，使省內園林樹木信息的數(shù)字化應用更上一層樓。希望本專家系統(tǒng)的構建，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)者的園林應用提供參考。

但由于國內外關于園林樹木的專家系統(tǒng)數(shù)量很少，相關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，所以查詢結果可能不夠全面。該項研究僅選取河北省內現(xiàn)有城市常用園林樹木進行討論。隨著國內外種質資源的交流、野生種質的馴化和優(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越來越多。另外，樹木養(yǎng)護技術不斷革新，園林應用手法也在不斷發(fā)展。這些都需要管理者對知識庫及時進行補充。知識庫的補充更新將會是一項長期的工作。

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[12]趙建成. 河北高等植物名錄[M]. 北京：科學出版社, 2005.

(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，研究方向為園林植物與觀賞園藝。

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

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