基于Web的电路基础仿真与答疑系统模型设计*

刘大鹏，赵政文，陈洋洋

(1.西北工业大学，西安710072;2.西安电子科技大学，西安710071)

1 引言

传统的网上答疑系统大多采用BBS模式或者在线答疑模式，由于提问者和答疑者在线时间不同而无法满足提问者的异步需求和对知识的重用。随着人工智能和网络通信的发展，本体(Ontology)已被广泛应用到计算机科学和信息领域，基于本体的智能答疑系统逐渐解决了传统在线答疑系统面临的知识共享和重用等问题。

目前本体建模的研究已经进入实际应用阶段，许多研究领域目前都建立了自己标准的本体——领域本体。领域本体具有较强的针对性，它刻画了一个特定领域的知识，是本体的更为具体的划分。但是目前被使用在Web中基于领域本体的智能答疑系统大多是针对自然语言提问，而对含有图形和自然语言提问相混合的研究较少，例如:电子信息专业基础课《电路基础》，提问者的问题中可能包含电路图。

针对《电路基础》学科含有电路图解答并且需要仿真的特点，基于Web采用本体建模的方法进行知识库的建立，并将电路图中元器件的关系转换为系统可以理解的关系模型，再将提问者的自然语言提问和电路图关系进行分析整合，推理完成问题理解以及答案的搜索、计算和表达就显得更加重要。

2 基于本体的电路基础仿真与答疑模型

《电路基础》是高等学校电子与电气信息类专业的重要基础课，是所有强电专业和弱电专业的必修课和选修课。目前市场上存在的电子电路设计与仿真工具主要是单机版，例如大家熟悉的SPICE/PSPICE、Multisim2001、Matlab7.0、System View、MMICAD Live Wire、Edison、Tina Pro Bright Spark 等。由于这些软件已经将大量基础概念和公式封装在程序中，而无法供初学者查询。因此本文提出了一种在Web环境下供用户在线仿真并解答的电路基础答疑系统，本系统不仅可以对用户的自然语言提问进行回答，而且可以对用户输入的电路图进行分析仿真，并结合用户的提问给出相应的答案和涉及的计算公式，有助于用户快速学习。

将《电路基础》领域本体的概念应用到本系统中，首先将用户输入的电路图中的元器件关系转换成系统规定的关系模式，再将用户的提问与此关系模式相组合，利用建立好的领域本体和公式库中的知识信息对问题进行分析和解答，这样不但可以帮助系统建立人性化的知识管理方法，使得答疑系统中的知识更加准确地表达出来，而且可以为用户提供更加符合学习者需求的答案。其实现模型如图1所示。

图1 基于Web的电路基础仿真与答疑系统模型

基于本体的电路基础答疑系统模型的关键技术由三部分组成:一是如何将电路图中的电子器件的相互关系表示出来并和用户的提问相整合;二是如何构建电路基础领域的本体知识库、公式库、领域词库;三是如何进行正确的定义本体并推理得出答案。

3 电路图输入与识别

如图1所示，输入的电路图由用户在客户端提问的时候获得，而电路图的识别是在服务器端实现，被识别以后的电路图将以系统规定的关系模式表达出来，最终系统根据领域词库和常用词库将此关系模式和用户的提问进行分析整合，至此电路图的输入与识别完成。

3.1 类似Multisim10电路图输入模式

虽然本模型的设计面向的是具有一定电子电路基础的用户，但是有研究表明有65%的人表示在三次以内就能熟练操作一个陌生的网站，所以，一个能够让用户很快熟练操作的输入模式非常重要。

Multisim10相比较于其他EDA软件具有更加形象直观的人机交互界面，如图2所示，它提供了我们日常常见的各种建模精确的元器件，例如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等，并且在其仪器仪表库中提供的各种仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样。

因此，在Web客户端使用类似Multisim10电路图输入的交互页面是用户最能接受，也是最为直观的输入方式，用户通过页面上提供的元器件工具可以选择和设置自己需要的电子器件，并可以随意在页面的编辑框内移动，待用户选择完毕之后点击需要连接的电子器件的断电实现连接。除此之外还需要一个供用户使用自然语言提问的问题输入窗口。

3.2 输入电路识别

用户输入的电路图如何被系统准确地理解是本系统的关键所在。例如电路元器件在电路图中的基本关系有串联和并联两种，这里就是要将电路中每个元器件之间的关系表述清楚并准确的记录每一个元器件的属性(如电源的类型、内阻，电阻的类型、阻值等)。

例如图2所示的简单电路图，其中各电子元器件的关系在表1中有了清楚的描述，并将此图中对应的的元器件属性存入相应位置，即存入对应类的属性中。再选择一个合适的存储方式将此关系V存储起来，然后将V和用户的提问相结合，例如用户提问“通过电阻R3的电流是多少?”，系统借助常用词库和领域词库对元器件关系和用户提问进行整合得到合成语句“V+电阻R3的电流是多少?”。

图2 Multisim10电路图输入界面

表1 图2中电子器件之间的串、并联关系

4 电路基础领域本体知识库构建

领域本体(Domain Ontology)，是专业性的本体，描述的是特定领域中的概念和概念之间的关系，提供了某个专业学科领域中概念的词表以及概念间的关系，或在该领域里占主导地位的理论。电路基础领域本体知识库的构建如图3所示。

在构建电路基础领域本体的过程中，第一步必须列举电路基础的概念和术语，这些概念和术语要尽可能覆盖所有系统需要陈述或需要向用户解释的概念。在此过程中还需要设计元本体，所谓元本体就是本体的本体，可以用元本体中定义的元概念定义本体中的概念，例如电路基础中的电源可定义为一个元本体，可以用电源的概念再去定义直流电源、交流电源的概念。元本体的数目要尽量的少，并且尽可能做到领域无关性。

第二步，在已经建立的大量概念和术语的基础上，需要按照一定的规则形成不同的工作领域(求解电阻、功率等)，在同一工作领域，概念之间的相关性应该比较强。这些精确的定义将组成一个精简的领域知识框架，从而得到电路基础领域本体的框架结构。

第三步，在建立了合适的框架结构之后，还需要定义概念之间的关系，这些关系不仅会涉及同一工作领域，也会在不同的工作领域之间相关。概念和概念之间的关系大都通过类来建立，这样类的层次、属性、属性值以及类的实例也就显得非常重要。定义类的层次应该先定义领域中综合的、概括性的概念，然后逐步细化建立具体、特殊的概念。定义类的属性不但需要创建其本质特征(如电源的内阻)，而且需要创建其获得特征(如电阻的端电压)，以及个体间的关系。由于子类可以继承父类的属性，所以属性应当尽可能定义在父类中。属性值可以是一个值，也可以是一个类。最后还需要创建这些概念类的实例。

图3 电路基础领域本体构建

第四步，选用合适的本题描述语言对以上建立的领域本体进行编码以及形式化，在形式化以后再对其进行评价，确定这些本体是否满足需求，是否满足本体的建立规则等。如果评价通过，则建立本体，若不通过则需要从定义领域概念开始重新考虑，所以本体知识库的建立是一个不断完善的过程。

5 电路系统本体推理及结果显示

本体推理的目的在于抽取关键词，根据语义分析结果在本题知识库中提取问题的答案。对于基于本体的智能答疑系统来说，应该充分发挥本体的推理能力，做到对知识的推理与扩展，让系统更加智能。与传统智能答疑系统不同的是，基于本体的电路基础智能答疑系统还需要通过从电路图中识别的电子器件之间的关系计算电路中的相关参数，从而就需要依据本体抽取的关键词从公式库中搜索对应的计算公式。

常用的推理有5种类型:①概念的可满足性推理，即判断一个概念是否有实例使得它是可满足的。②概念之间的包含关系。③判断某个实例对象是否属于某个概念。④检索某个概念有哪些实例。⑤判断两个实例之间是否有某个关系或者某种属性关联。在本系统中还必须加入第⑥点，即需要使用公式库中的公式判断。

在给用户呈现的结果中，不但应该包含用户提问的问题的答案，还应该根据系统的算法提供相关的公式及基本概念供用户参考。

6 结束语

简单直观的输入模式和结果显示模式，为电子电路学习与设计中遇到疑难问题的用户提供在线智能答疑功能和简单的电路基础仿真功能，解决了单机版电子电路设计软件的局限性。需要说明的是，本系统只对电路基础的仿真做了简单描述，而对模拟电路、数字电路等的相关内容没有涉及到，但是其他电路系统都可以在此基础上不断完善，逐渐组成一个名副其实的在线电子电路设计仿真与智能答疑系统。

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