河北省城市园林树木网络专家系统的构建

张以宁，黄大庄

(河北农业大学 园林与旅游学院，河北 保定 071000)



河北省城市园林树木网络专家系统的构建

张以宁，黄大庄

(河北农业大学 园林与旅游学院，河北 保定 071000)

为了使园林从业者能够准确便利地掌握河北省常用园林树木基本情况和实际应用知识，对河北省内城市常用园林树木的基本信息、树木养护管理、树木图片进行了搜集整理，并总结了树木的常用配置应用、古树名木知识等，根据园林树木学和景观设计学等相关学科理论基础，构建了专家系统知识库。在知识库的基础上，采用MVC模式，使用JAVA语言编程、MySQL数据库进行数据存储，采用B/S架构，应用Tomcat服务器，构建了河北省城市园林树木网络专家系统，其中包含树木信息查找和树木应用推理等方面的功能，以期为使用者提供这些方面的功能支持。

园林树木；专家系统；网络；河北省

伴随着近百年来城市建设的发展，以交通拥堵和城市热岛效应为代表的城市病也成为了当今城市建设中不可忽视的问题。整治城市病重要的是将生态建设和城市规划相结合[1]，推广建立低碳城市和园林城市。城市园林绿化作为城市生态建设和城市规划的重要组成部分[2]，起着非常重要的作用。

城市绿地系统是城市园林绿化的基本组成单位，发挥着平衡城市生态、改善城市生态环境的重要作用[3]。城市园林树木配置应用的优劣直接影响着城市绿地质量。园林树木的配置应用也是绿地景观设计的重要一环，是园林设计实践的主要方面。园林树木的应用情况成为了评价园林优劣的重要指标[4]。

现今对园林树木的生态物候特性、基本形态信息、养护及应用等方面，均有科学的研究方法，如科学调查、数学建模分析评价(AHP)等[5]。上述方法对于一般的园林从业者和相关领域学生来说是晦涩的，不够直观，没有针对性，不方便进行存贮和检索，往往只服务于园林学者和科研工作者。鉴于此，建立能通过网络进行数据储存和查询应用的园林树木专家系统非常有必要。这项研究能使园林树木专业知识获取更加方便，让使用者足不出户就能得到等同于咨询专家的问题解答，是时间、人力、物力三节约的知识交互新方法。

目前，我国农业领域信息技术应用比较广泛，但在园林方面的应用还处于摇篮期[6]。在对现有园林专家系统的考证中，尚未发现针对河北省园林树木的专家系统。河北省地处华北平原腹地、京津冀经济圈内，区位优势十分明显，有很好的发展前景[7]。根据国家对河北省的发展规划，以后对生态绿化城市建设的要求越来越高，对园林树木的应用要求也越来越高，故此建立基于网络的河北省城市园林树木的专家系统很有必要。为此，拟通过对河北省常用园林树木信息进行搜集整理，根据园林树木学、景观设计学等相关理论，构建专家系统知识库，在此基础上，采用MVC模式、JAVA语言编程、MySQL数据库进行数据存储，采用13/S架构，应用Tomcat服务器，构建河北省城市园林树木网络专家系统，旨在为相关领域的用户提供帮助。

1 系统设计

人工智能(Artificial Intelligence简称AI)被称为20世纪的三大科学技术成就之一，是信息技术的发展方向[8]。专家系统诞生于20世纪60年代，是人工智能的一个应用领域[9]。

专家系统的核心是专家所提供的知识和经验，人们把这些转化为程式化的计算机语言，用户可以在网络浏览器终端上应用。专家系统能够有效地运用专家多年积累的经验和专门知识，通过模拟专家的思维过程，解决需要专家才能解决的问题[10]。和人类专家相比，专家系统并不能表现出解决问题的主观能动性，但系统的工作不受时间和地点的限制，效率高，随时可用，方便快捷；专家系统的知识广度也大于人类专家，计算机可储存来自多位专家的知识数据。系统知识工程师通过对搜集数据的整理和处理，归类同类项，求证相异项，以此确保专家系统结果的一致。专家系统的这些优点是单一的人类专家所不具备的。

一个典型的专家系统通常包括人机接口、推理机、知识库、综合数据库、知识获取机构和解释机构六大部分[11]，如图1所示。知识库和推理机是专家系统最重要的两部分。

图1 专家系统构造Fig.1 The structure of ES

专家系统通过人机接口和用户实现对接。用户使用基础查询功能时会经由系统内部的解释器查询数据库内容并反馈答案；在使用推断功能时，由推理机进行处理，在数据库内容中筛选和整理得出结论并反馈答案。另外，管理者可以通过人机接口完成新的系统知识获取过程，更新知识库。

1.1 知识库设计

专家系统知识库属于人工智能类型的数据库，是专家系统初步构建的核心。作为智能知识库，知识库除陈述性事实以外也包括过程性和规则性知识。知识库中作为陈述性、过程性和规则性知识集合体，其中理论知识、事实数据要求是真实可靠并被领域权威所认可的，能有一定的实践性、指导性。知识库是以单一领域或多领域问题求解为目标所进行的领域知识、专家经验、实践总结等搜集储存库。要想实现知识库在计算机中的应用，还需要建立相关运算法则，使收集的知识库内容转换成计算机语言。随着计算机应用技术的发展，如专家系统的人工智能使计算机对知识的存储管理与调控方面的智能化进一步提升。专家系统在理论上的日益完善使得其知识库和知识库系统更加专业化、智能化。专家系统知识库可包含数据知识、模型知识、规则知识与多媒体知识等多类型知识，为专家系统的多功能提供了事实依据。

研究首先对现有河北省内常用园林树木的已知各项情况进行搜集整理。根据已有的调查结果和资料统计分析，河北省境内分布有高等植物3 071种(其中含19亚种、318变种和49个变形，分属于213科1 002属)，包含野生花卉675种[12]。

综合景观设计者的知识需求分析，知识库应包含树木基础知识库、树木信息应用查询库、园林树木图片库、园林树木养护库、古树名木知识查询和专家咨询平台。根据河北省的地理、生态物候环境，选取并结合园林树木学、景观设计学、园林生态学等学科知识，完成河北省园林树木知识库的建立。筛选其中在河北省城市中应用较为常见的196种树木(乔木114种、灌木70种、藤本8种、禾本4种)，搜集整理树种基本信息和园林应用信息组成园林树木信息知识库，搜集整理树木图片组成树木图片库。另外，对常用的古树名木鉴别养护措施和树木养护管理技术进行总结，编入古树名木知识库和养护管理知识库。河北省城市园林树木专家系统知识库内容如图2所示。

图2 知识库内容
Fig.2 The knowledge base content

该专家系统知识库大致包括4个大类。其中有包含名称、科属、观赏特性和园林用途等方面知识的树木信息库，包含树木图片的树木图片库，包含古树测定和古树名木养护知识的古树名木知识库，以及包括栽植修剪、排水防害等方面知识的养护管理知识库。以上知识库内容都由知识工程师进行加工，录入数据库。

1.2 系统结构

根据应用目标分析，整个专家系统由树木基础知识、树木图片展示、树木应用查询、专家咨询、古树名木知识和养护管理查询6个模块构成。核心功能模块是树木基础知识查询和树木应用查询两部分，这两大部分承担了树木信息查询和树木应用推理2个系统主要功能。除模块内容外，系统还需要定期进行知识库维护管理；系统首页要有简洁明确的系统说明，以方便用户对系统有大致了解。

功能实现包括系统介绍、检索、浏览、推理和维护。

(1)系统介绍功能由首页的系统简介完成，介绍系统内容和使用方法。

(2)检索功能通过树木信息查询模块、图片库模块、养护管理模块等实现。在常见树木信息模块，用户可根据中文树名、别名或者拉丁学名进行检索，查询河北省城市常用园林树木的相关信息，包括树木科属名、别名、形态特征、生态习性、树木图片、养护管理技术等。

(3)浏览功能可以浏览检索到树木信息、图片等。

(4)推理功能可以根据给定条件要素推理出符合要求的树种，在应用查询模块实现。

(5)维护功能包括知识库定期扩充、更新、修改、删除等，在系统后台实现，是管理者的任务，通过维护可以使系统日益完善。

1.3 推理机设计

专家系统区别于其他人工智能和数据库系统的根本在于能够模仿人类专家对问题求解的过程。人类在对问题求解的过程中，会考虑逻辑顺序，并以此生成推理策略。专家系统解决问题的关键在于推理机的构造。河北省城市园林树木专家系统推理机的模型设计如图3所示。

图3 推理机模型Fig.3 Inference machine model

推理机首先根据使用者输入的要求判定数据库内是否有相关数据，以及使用者要求的求解是否符合推理机包含的推理规则。两者都符合时，正常求解并反馈答案；两者中有一者不满足，反馈使用者系统尚未收录答案，或请使用者检查要求是否合理并重新输入。

2 系统的实现

2.1 系统的构建

专家系统的研究与开发比较繁琐，细枝末节比较多，因此在开发过程中，选取高效简洁的程序语言和直观方便的开发平台、数据库软件就显得尤为重要。开发过程遵守实现功能、简化流程的原则，以提高知识工程师效率，适当减少不必要工作量，最终得到完整可用的程序。研发流程如图4所示。

图4 研发流程Fig.4 The research and development process

在开发流程中，首先对系统进行需求分析和可行性分析；继而根据分析结果进行包括框架设计和局部细化两部分的系统设计；完成设计后进行系统构建，包括知识库的构建和计算机编程。这3个步骤完成后，系统已经可以投入使用。考虑到系统内信息可能存在错误，以及系统内知识应该随时完善和补充，就需要进行系统维护。在系统投入使用的整个运转工程中，系统维护是随时的。

在整个开发流程中，系统逻辑框架和界面设计关乎系统求解的科学性和实用性。作为使用者，通过网络连接使用的网络专家系统，系统逻辑结构如图5所示。

图5 系统逻辑结构Fig.5 The logic structure

当使用者通过互联网接入系统搜索资源信息时，向系统发出请求指令，请求指令继而传到数据库中，在系统对相应的要求进行处理后再将结果返回到使用者页面。

系统界面设计原则为简洁大方，方便使用。设计系统首页由5个按钮组成：园林树木概述、河北省古树名木、园林树木信息查询、园林树木图片库、园林树木养护管理。通过该界面，用户能很容易地找到模块链接位置，并准确链接到所要查询的内容。

2.2系统演示

专家系统的系统功能通过各个模块的功能来集合实现。考虑到河北省园林树木的特点和存在的问题，参考专家和从业者的经验总结，将系统分为6个功能模块，分别是：树木基本信息模块、树木图片查询模块、树木养护管理模块、古树名木知识模块、树木应用信息查询模块和专家咨询模块。其中，树木基本信息模块供使用者查询目标树种的具体信息；图片模块供使用者查询目标树木图片并展示；养护管理模块供使用者查询所需要的养护管理知识；古树名木模块供使用者查询古树名木的测定和养护知识；专家咨询模块供使用者留言咨询专家。最核心的功能模块是应用信息查询模块，使用者点选目标树木所满足的条件，系统可推导并显示结果树种。

6个模块结合成整体，支持着系统功能的实现。其中，树木应用信息查询模块系统界面如下图6所示。

图6 信息查询结果
Fig.6 The information query result page

在右下方树名查询框内输入树名后，点击查询按钮，如数据库存有该树种信息，则左上方各个信息框内均显示给定结果；若数据库未存有树种信息则不显示。

3 小结

研究中，借鉴国内外园林树木的经验将省内的园林树木进行分区，对河北省常用的城市园林树种进行归纳、整理，参考相关领域专家的经验和知识，根据园林树木的生态习性并结合园林应用特色选出了196个常用树种，在归纳与总结后，分别从园林树木名称类别、形态特征、观赏特性、养护管理与古树名木知识等方面进行了专家系统知识库的构建。再借助计算机和网络技术，借鉴现有的园林专家系统，初步建立了河北省城市园林树木网络专家系统。

河北省城市园林树木网络专家系统的构建实现了领域专家与相关一线工作者的知识和经验汇集；知识和事实数据的信息化；通过操作能达到人类领域专家水平的问题解答。这些方面目标的实现，使省内园林树木信息的数字化应用更上一层楼。希望本专家系统的构建，可为想获取河北省园林树木信息的使用者提供一些帮助，为从业者的园林应用提供参考。

但由于国内外关于园林树木的专家系统数量很少，相关信息获取不是很充分，且在资料的收集阶段，搜集范围仅限于已有的植物种类，有疏忽遗漏的可能，所以查询结果可能不够全面。该项研究仅选取河北省内现有城市常用园林树木进行讨论。随着国内外种质资源的交流、野生种质的驯化和优良新品种的选育，以及原有树种的再开发推广种植，满足研究条件的树种会越来越多。另外，树木养护技术不断革新，园林应用手法也在不断发展。这些都需要管理者对知识库及时进行补充。知识库的补充更新将会是一项长期的工作。

[1]王浩. 城市生态园林与绿地系统规划[M]. 北京：中国林业出版社, 2003.

[2]俞孔坚, 段铁武, 李迪华,等. 景观可达性作为衡量城市绿地系统功能指标的评价方法与案例[J]. 城市规划, 1999(8):8-11.

[3]范黄非. 城市绿地系统的景观生态规划[D]. 南京：南京林业大学, 2011.

[4]张玲慧,夏宜平. 地被植物在园林中的应用及研究现状[J]. 中国园林,2003,19(9):54-57.

[5]唐东芹, 杨学军, 许东新. 园林植物景观评价方法及其应用[J]. 浙江农林大学学报, 2001, 18(4):394-397.

[6]熊范纶. 农业专家系统及开发工具[M]. 北京：清华大学出版社, 1999.

[7]汪宇明. 中国省区经济研究[M]. 上海: 华东师范大学出版社, 2000.

[8]Chen Q, Whitbrook A, Aickelin U,etal. Journal of Experimental & Theoretical Artificial Intelligence[J]. Journal of Experimental & Theoretical Artificial Intelligence, 2011, 23(1):1-3.

[9]StuartRussell, PeterNorvig. 人工智能:一种现代方法.[M]. 2版.北京：人民邮电出版社, 2010.

[10]武向良, 高聚林, 赵于东, 等. 农业专家系统研究进展及发展方向[J]. 农机化研究, 2008(1): 235-238.

[11]杨兴, 朱大奇, 桑庆兵. 专家系统研究现状与展望[J]. 计算机应用研究, 2007, 24(5): 4-9.

[12]赵建成. 河北高等植物名录[M]. 北京：科学出版社, 2005.

(编辑 郭丽娟)

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

张以宁(1992-)，女，北京市人，在读硕士研究生，研究方向为园林植物与观赏园艺。

黄大庄(1963-)，男，河北满城人，博士，教授，博士生导师，主要从事园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

A