产生式动物识别系统

重庆大学研究生课程报告书基于Java语言的可视化动物识别系统

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重庆大学自动化学院

二〇一五年十一月

目录

一、学习目的 (3)

二、系统原理 (3)

2.1规则库 (3)

2.2综合数据库 (3)

2.3推理机构 (3)

三、动物识别系统的设计过程 (4)

3.1系统整体设计 (4)

3.2系统各个部分设计 (4)

3.2.1 准备工作 (4)

3.2.2 推理子程序 (4)

3.2.3 规则库建立 (6)

3.2.4 可视化界面设计和数据输入输出 (7)

四、动物识别系统的实验效果 (9)

五、实验心得体会 (13)

六、附录 (14)

6.1 可视化界面设计程序 (14)

6.2 匹配算法子程序 (25)

一、学习目的

1.熟悉产生式的特点，基本结构和设计思想

2.掌握基于规则推理的基本过程和方法（在实验中采用正向推理过程）

3.学会用高级程序设计语言开发基于规则的动物识别系统

二、系统原理

用于描述相应领域内知识的产生式集合称为规则库。

显然，规则库是产生式系统求解问题的基础，其知识是否完整、一致，表达是否准确、灵活，对知识的组织是否合理等，将直接影响到系统的性能。因此，需要对规则库中的知识进行合理的组织和管理，检测并排除冗余及矛盾的知识，保持知识的一致性。采用合理的结构形式，可使推理机避免访问那些与求解当前问题无关的知识，从而提高求解问题的效率。

2.2综合数据库

综合数据库又称为事实库、上下文、黑板等。它是一个用于存放问题求解过程中各种当前信息的数据结构，例如问题的初始状态、原始证据、推理中得到的中间结论及最终结论。当规则库中某条产生式的前提可与综合数据库的某些已知事实匹配时，该产生式被激活，并把它推出的结论放入综合数据库中，作为后面推理的已知事实。显然，综合数据库的内容是在不断变化的。

2.3推理机构

由一组程序组成，负责整个产生式系统的运行，实现对问题的求解。粗略地说，它要做以下几项工作：

⑴、按一定的策略从规则库中选择与综合数据库中的已知事实进行匹配。

⑵、匹配成功的规则可能不止一条，这称为发生了冲突。此时，推理机构必须调用相应的解决冲突策略进行消解，以便从匹配成功的规则中选出一条执行。

⑶、在执行某一规则时，如果该规则的右部是一个或多个结论，则把这些结论加入到综合数据库中；如果是一条或多条操作，则执行这些操作。

⑷、对于不确定的知识，执行每一条规则时还要按照一定的算法计算结论的不确定性。

⑸、检查综合数据库中是否包含了最终结论，决定是否停止系统的运行。

三、动物识别系统的设计过程

3.1系统整体设计

根据课本中的流程以及老师给的思路，我将本系统分为推理子程序、规则库、综合数据容器、可视界面数据输入几个部分。然后分别实现，最后通过接口和调用方法来实现。

首先，根据推理子程序建立本系统所需的15条规则；然后通过可视化界面输入本系统要匹配的动物特征形成初始综合数据库；通过执行每条规则并匹配综合数据库中的特征。如果成功则更新综合数据库，否则执行下一条规则；最后判断是否匹配完成。匹配成功则显示匹配的动物图片和介绍，否则显示匹配不成功。它们之间的关系如图3.1所示。

图3.1系统的框架设计

3.2系统各个部分设计

3.2.1准备工作

（1）24个条件编号

为了方便程序内部的处理，我将24个动物特征依次编号如下：

9-毛发、10-哺乳动物、11-奶、12-羽毛、13-鸟、14-会飞、15-会下蛋、16-吃肉、17-食肉动物、18-有犬齿、19-有爪、20-眼盯前方、21-有蹄、22-有蹄类动物、23-咀嚼反刍动物、24-黄褐色、25-身上有暗斑、26-身上有黑色条纹、27-有长脖子、28-有长腿、29-不会飞、30-有黑白二色、31-会游泳、32-善飞

（2）7个动物编号

同样为了方便，我将7个动物的名称依次编号如下：

2-金钱豹、3-虎、4-长颈鹿、5-斑马、6-鸵鸟、7-企鹅、8-信天翁

3.2.2推理子程序

本程序把整个推理过程写成子程序，然后通过参数设置来完成每条规则库的建立，推理子程序的流程图如图3.2所示：

⑴、首先把当前规则的各个条件和结论编号送人数组以便于循环遍历。

⑵、遍历规则的每个条件对比综合数据库。若该条件在综合数据库中，则把该条件置1；若该条件不在综合数据库中，则把该条件赋值0。

⑶、判断综合数据库是否完全满足当前规则的条件。若满足，则把该规则的结果加入综合数据库；若不满足，则结束。

⑷、遍历综合数据库，判断是否匹配目标成功。若成功则返回匹配目标；否则，返回0。

编程实现代码如下：

public int Matching(int a,int b,int c,int d,int e,int f){

int [] r={a,b,c,d,e}; //推理条件送入数组

int [] result={2,3,4,5,6,7,8}; //推理目标数组

boolean tv=false;

int rlt=0;

//判断容器中的综合数据库中是否有该条规则的条件，如果有则把该条件置1，没有则置0

for(int i=0;i

{

if(r[i]!=1)

{

for(Integer k:https://www.360docs.net/doc/d116748047.html,prehensive )

{

if(r[i]==k)

{

tv=true;

}

}

if(tv==true)

{

r[i]=1;

tv=false;

}else{

r[i]=0;

}

}

}

//判断容器中的综合数据库是否具备该规则的所有条件，如果是则把该规则的结果加入综合数据库

if(r[0]*r[1]*r[2]*r[3]*r[4]==1){

https://www.360docs.net/doc/d116748047.html,prehensive.add(f);

}

//判断是否达到匹配目标，如果是，则把结构参数传递出去

for(int i=0;i

for(Integer s:https://www.360docs.net/doc/d116748047.html,prehensive ){

if(result[i]==s){

rlt=s;

}

}

}

return rlt;

}

3.2.3规则库建立

本系统能够识别7种动物，规则库共有以下15条规则：

R1 IF该动物有毛发THEN该动物是哺乳动物

R2 IF该动物有奶THEN该动物是哺乳动物

R3 IF该动物有羽毛THEN该动物是鸟

R4 IF该动物会飞AND会下蛋THEN该动物是鸟

R5 IF该动物是哺乳动物AND 吃肉THEN该动物是肉食动物

R6 IF该动物有爪AND 有犬齿AND 目视前方THEN该动物是肉食动物

R7 IF该动物是哺乳动物AND有蹄THEN该动物是有蹄类动物

R8 IF该动物是有蹄动物AND是反刍食物THEN该动物是有蹄动物

R9 IF该动物是哺乳动物AND食肉动物AND是黄褐色AND身上有黑色斑点THEN该动物是金钱豹

R10 IF该动物是哺乳动物AND食肉动物AND是黄褐色AND身上有黑色条纹THEN

该动物是老虎

R11 IF该动物是有蹄类动物AND有长脖子AND有长腿AND身上有暗斑点THEN该动物是长颈鹿

R12 IF该动物是有蹄类动物AND身上有黑色条纹THEN该动物是斑马

R13 IF该动物是鸟AND有不会飞AND有长腿AND长脖子AND是黑白色THEN 该动物是鸵鸟

R14 IF该动物是鸟AND不会飞AND会游泳AND是黑白色THEN该动物是企鹅

R15 IF该动物是鸟AND善飞THEN该动物是信天翁

推理过程如图3.3所示。

图3.3推理网络框图

对应的编程代码如下：

Matching(9,1,1,1,1,10); // R1

Matching(11,1,1,1,1,10); // R2

Matching(12,1,1,1,1,13); // R3

Matching(14,15,1,1,1,13); // R4

Matching(16,1,1,1,1,17);// R5

Matching(18,19,20,1,1,17);// R6

Matching(10,21,1,1,1,22);// R7

Matching(10,23,1,1,1,22);// R8

d[0]=Matching(10,17,24,25,1,2);// R9

d[1]=Matching(10,17,24,26,1,3);// R10

d[2]=Matching(22,27,28,25,1,4);// R11

d[3]=Matching(22,26,1,1,1,5);// R12

d[4]=Matching(13,27,28,29,30,6);// R13

d[5]=Matching(13,31,29,30,1,7);// R14

d[6]=Matching(13,32,1,1,1,8); // R15

3.2.4可视化界面设计和数据输入输出

该系统的可视化界面共分为选择动物的特征、匹配结果、动物介绍三个部分。首先，可通过选择动物的特征栏目来选择想要匹配的动物特征，然后通过确认键把这些特征送到程序的内部；然后程序根据内部推理判断匹配相应的动物，若匹配成功则显示该动物的图片和百科介绍，若匹配不成功，则显示匹配失败。界面如图3.4所示。

图3.4可视化界面设计

四、动物识别系统的实验效果

程序匹配结果如下列图片所示：

图4.1鸵鸟匹配结果图

图4.2长颈鹿匹配结果图

图4.3金钱豹匹配结果图

图4.4信天翁匹配结果图

图4.5企鹅匹配结果图

图4.6虎匹配结果图

图4.7斑马匹配结果图

图4.8匹配失败图

五、实验心得体会

通过本次实验我学习和理解了产生式知识的表示方法，通过编程实现体会到了简单人工智能学科知识应用的乐趣。同时也建立了构建产生式系统的基本流程，学会了基本的Java 编程知识，对以后的进一步学习和发展有了很大的帮助。此外，我也感受到了编程思想的魅力，一开始本来想用数据库的方法来解决规则库的问题，最后发现使用条件判断结合Java 中的方法的建立数据库更加方便，这种通过综合考虑实现了一个具体的功能让人感觉到了编程的乐趣，希望我以后能够进一步发展，能够编出更高效、更简洁的程序。

六、附录

6.1可视化界面设计程序

package generative;

import java.awt.BorderLayout;

import java.awt.EventQueue;

import javax.swing.JFrame;

import javax.swing.JPanel;

import javax.swing.border.EmptyBorder;

import javax.swing.GroupLayout;

import javax.swing.GroupLayout.Alignment;

import javax.swing.ImageIcon;

import javax.swing.border.TitledBorder;

import javax.swing.UIManager;

import java.awt.Color;

import javax.swing.JLabel;

import java.awt.Font;

import https://www.360docs.net/doc/d116748047.html,ponentPlacement; import javax.swing.JCheckBox;

import javax.swing.SwingConstants;

import javax.swing.JButton;

import java.awt.event.MouseAdapter;

import java.awt.event.MouseEvent;

import java.io.File;

import java.io.FileInputStream;

import javax.swing.JLayeredPane;

import java.awt.event.ActionListener;

import java.awt.event.ActionEvent;

import javax.swing.JTextArea;

public class View extends JFrame {

private JPanel contentPane;

private JCheckBox C;

private JCheckBox D;

private JCheckBox F;

private JCheckBox H;

private JCheckBox J;

private JCheckBox T;

private JCheckBox X;

private JCheckBox G;

private JCheckBox P;

private JCheckBox S;

private JCheckBox U;

private JCheckBox W;

private JCheckBox B;

private JCheckBox I;

private JCheckBox L;

private JCheckBox V;

private JCheckBox N;

private JCheckBox O;

private JCheckBox Q;

private JCheckBox R;

private JCheckBox A;

private JCheckBox E;

private JCheckBox K;

private JCheckBox M;

private JPanel panel_1;

private JPanel panel_2;

private JLabel image;

/**

* Launch the application.

*/

public static void main(String[] args) {

EventQueue.invokeLater(new Runnable() { public void run() {

try {

View frame = new View();

frame.setVisible(true);

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

});

}

//处理图片

public static byte[] imag(String img){

File file=new File(img);

FileInputStream fin=null;

byte a[]=new byte[(int)file.length()];

try

{

fin=new FileInputStream(file);

fin.read(a,0,(int)file.length());

fin.close();

}catch(Exception e)

{

e.printStackTrace();

}

return a;

}

//处理文本

/**

* Create the frame.

*/

public View() {

setTitle("201513113036 \u4E25\u7EAA\u5CF0");

setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);

setBounds(100, 100, 652, 468);

contentPane = new JPanel();

contentPane.setBorder(new EmptyBorder(5, 5, 5, 5));

setContentPane(contentPane);

JPanel panel = new JPanel();

panel.setBorder(new TitledBorder(new TitledBorder(UIManager.getBorder("TitledBorder.border"),

"\u8BF7\u9009\u62E9\u8981\u5339\u914D\u7684\u52A8\u7269\u7279\u5F81\uFF1A", TitledBorder.LEFT, TitledBorder.TOP, null, new Color(0, 0, 255)), "\u8BF7\u9009\u62E9\u8981\u5339\u914D\u7684\u52A8\u7269\u7279\u5F81\uFF1A", TitledBorder.LEFT, TitledBorder.TOP, null, Color.BLUE));

JLabel label = new JLabel("\u52A8\u7269\u8BC6\u522B\u7CFB\u7EDF");

label.setHorizontalAlignment(SwingConstants.CENTER);

label.setForeground(Color.BLUE);

label.setFont(new Font("华文行楷", Font.PLAIN, 30));

panel_1 = new JPanel();

panel_1.setBorder(new TitledBorder(null, "\u5339\u914D\u7ED3\u679C\uFF1A", TitledBorder.LEFT, TitledBorder.TOP, null, Color.BLUE));

panel_2 = new JPanel();

panel_2.setBorder(new TitledBorder(null, "\u52A8\u7269\u4ECB\u7ECD\uFF1A", TitledBorder.LEFT, TitledBorder.TOP, null, Color.BLUE));

GroupLayout gl_contentPane = new GroupLayout(contentPane);

gl_contentPane.setHorizontalGroup(

gl_contentPane.createParallelGroup(Alignment.LEADING)

.addGroup(gl_contentPane.createSequentialGroup()

.addGroup(gl_contentPane.createParallelGroup(Alignment.LEADING)

.addGroup(gl_contentPane.createSequentialGroup()

.addGap(179)

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.addGroup(gl_contentPane.createSequentialGroup()

.addContainerGap()

.addComponent(panel, GroupLayout.DEFAULT_SIZE, GroupLayout.DEFAULT_SIZE, Short.MAX_V ALUE))

.addGroup(gl_contentPane.createSequentialGroup()

.addContainerGap()

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.addGap(18)

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);

gl_contentPane.setVerticalGroup(

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.addContainerGap()

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.addComponent(panel_2, GroupLayout.DEFAULT_SIZE, 161, Short.MAX_VALUE)

.addComponent(panel_1, GroupLayout.DEFAULT_SIZE, 161, Short.MAX_VALUE))

.addContainerGap())

);

JTextArea character = new JTextArea();

character.setEditable(false);

character.setLineWrap(true);

GroupLayout gl_panel_2 = new GroupLayout(panel_2);

gl_panel_2.setHorizontalGroup(

gl_panel_2.createParallelGroup(Alignment.LEADING)

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Short.MAX_VALUE)

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);

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);

panel_2.setLayout(gl_panel_2);

image = new JLabel("");

image.setHorizontalAlignment(SwingConstants.CENTER);

GroupLayout gl_panel_1 = new GroupLayout(panel_1);

gl_panel_1.setHorizontalGroup(

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);

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gl_panel_1.createParallelGroup(Alignment.LEADING)

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.addComponent(image, GroupLayout.DEFAULT_SIZE, 127, Short.MAX_VALUE)

.addContainerGap())

);

//每种动物的介绍

String text1=" 金钱豹（拉丁学名：Panthera pardus 英文名：Leopard），又称:开普士，花豹。身长1.5至2.4米，体重50到100公斤。野生最大记录130公斤，奔跑时速可达70公里。头圆、耳小。全身棕黄而遍布黑褐色金钱花斑，故名。还有一种黑化型个体，通体暗黑褐，细观仍见圆形斑，常被称为墨豹。金钱豹是一种大型食肉兽．身体强健，行动敏捷，能跳善爬，性情凶猛狡猾甚至能猎食鹿等大型动物，偷袭食草动物。金钱豹的爬树本领非常高。";

String text2=" 虎（学名：Panthera tigris ；英文名：Tiger）：大型猫科动物；毛色浅黄或棕黄色，满有黑色横纹；头圆、耳短，耳背面黑色，中央有一白斑甚显著；四肢健壮有力；尾粗长，具黑色环纹，尾端黑色。";

String text3=" 长颈鹿（学名：Giraffa camelopardalis）是一种生长在非洲的反刍偶蹄动物，拉丁文名字的意思是“长着豹纹的骆驼”。它们是世界上现存最高的陆生动物。站立时由头至脚可达6-8米，体重约700千克，刚出生的幼仔就有1.5米高；皮毛颜色花纹有斑点和网纹型，头的额部宽，吻部较尖，耳大竖立，头顶有1对骨质短角，角外包覆皮肤和茸毛；颈特别长（约2米），颈背有1行鬃毛；体较短；四肢高而强健，前肢略长于后肢，蹄阔大；尾短小，尾端为黑色簇毛。牙齿为原始的低冠齿，不能以草为主食，只能以树叶为主食；舌较长，可以用于取食；具短角，角上被有毛的皮肤覆盖。";

String text4=" 斑马是斑马亚属（学名：Hippotigris）和细纹斑马亚属（学名：

Dolichohippus）的通称，是一类常见于非洲的马科动物。斑马因身上有起保护作用的斑纹而得名，每只斑马身上的条纹都不一样。";

String text5=" 鸵鸟是非洲一种体形巨大，不会飞但奔跑得很快的鸟，也是世界上现存体型最大的鸟类。高可达2.5米，全身有黑白色的羽毛，脖子长而无毛，翼短小，腿长。平时速度达80km/h，最快达90km/h。";

String text6=" 企鹅（学名：Spheniscidae）：有“海洋之舟”美称的企鹅是一种最古老的游禽，它们很可能在地球穿上冰甲之前，就已经在南极安家落户。全世界的企鹅共有17种，大多数都分布在南半球。主要生活在南半球，属于企鹅目，企鹅科。特征为不能飞翔；脚生于身体最下部，故呈直立姿势；趾间有蹼；跖行性（其他鸟类以趾着地）；前肢成鳍状；羽毛短，以减少摩擦和湍流；羽毛间存留一层空气，用以保温。背部黑色，腹部白色。各个种的主要区别在于头部色型和个体大小。";

String text7=" 信天翁属于鹱形目、信天翁科，共4属21种。他们分别分布在从约南纬25°至流冰群岛的南半球海域，并利用该区域内的岛屿进行繁殖。";

panel_1.setLayout(gl_panel_1);

C = new JCheckBox("\u5976");

E = new JCheckBox("\u9E1F");

K = new JCheckBox("\u722A");

M = new JCheckBox("\u8E44");

A = new JCheckBox("\u6BDB\u53D1");

D = new JCheckBox("\u7FBD\u6BDB");

F = new JCheckBox("\u4F1A\u98DE");

H = new JCheckBox("\u5403\u8089");

J = new JCheckBox("\u72AC\u9F7F");

T = new JCheckBox("\u957F\u817F");

X = new JCheckBox("\u5584\u98DE");

G = new JCheckBox("\u4F1A\u4E0B\u86CB");

P = new JCheckBox("\u9EC4\u8910\u8272");

S = new JCheckBox("\u957F\u8116\u5B50");

U = new JCheckBox("\u4E0D\u4F1A\u98DE");

W = new JCheckBox("\u4F1A\u6E38\u6CF3");

B = new JCheckBox("\u54FA\u4E73\u52A8\u7269");

I = new JCheckBox("\u98DF\u8089\u52A8\u7269");

L = new JCheckBox("\u773C\u76EF\u524D\u65B9");

V = new JCheckBox("\u9ED1\u767D\u4E8C\u8272");

N = new JCheckBox("\u6709\u8E44\u7C7B\u52A8\u7269");

O = new JCheckBox("\u5480\u56BC\u53CD\u520D\u52A8\u7269");

Q = new JCheckBox("\u8EAB\u4E0A\u6709\u6697\u6591\u70B9");

R = new JCheckBox("\u8EAB\u4E0A\u6709\u9ED1\u8272\u6761\u7EB9");

JButton OK = new JButton("\u786E\u5B9A");

OK.addMouseListener(new MouseAdapter() {

@Override

//鼠标事件监听器，把选择的参数送到用来存放综合数据库中的容器中public void mouseClicked(MouseEvent arg0) {

Mathingrules d=new Mathingrules();

if(A.isSelected()){d.Shuru(9);}

if(B.isSelected()){d.Shuru(10);}

if(C.isSelected()){d.Shuru(11);}

if(D.isSelected()){d.Shuru(12);}

if(E.isSelected()){d.Shuru(13);}

if(F.isSelected()){d.Shuru(14);}

if(G.isSelected()){d.Shuru(15);}

if(H.isSelected()){d.Shuru(16);}

if(I.isSelected()){d.Shuru(17);}

if(J.isSelected()){d.Shuru(18);}

if(K.isSelected()){d.Shuru(19);}

if(L.isSelected()){d.Shuru(20);}

if(M.isSelected()){d.Shuru(21);}

if(N.isSelected()){d.Shuru(22);}

if(O.isSelected()){d.Shuru(23);}

if(P.isSelected()){d.Shuru(24);}

if(Q.isSelected()){d.Shuru(25);}