基于Web的特定領(lǐng)域智能答疑系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

石鳳貴

(馬鞍山師范高等?？茖W(xué)校 軟件工程系，安徽 馬鞍山 243041)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式再也不能滿足日常的教學(xué)。許多課程都構(gòu)建了在線精品課程教學(xué)網(wǎng)站，提供了豐富的教學(xué)資源，部分教學(xué)網(wǎng)站還提供了如留言板、BBS等互動版塊。技術(shù)和社會的發(fā)展推動了人才培養(yǎng)方案的改革，教學(xué)方式和模式也隨著發(fā)生了變化，出現(xiàn)了MOOC(massive open online courses)教學(xué)。無論是在線精品課程網(wǎng)站還是MOOC均缺乏實時交互功能，問題不能得到及時回復(fù)。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中肯定會遇到疑問，如果這些疑問不能達到及時解答將直接影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此，需要尋求一種能實時智能解答問題的方式——自動問答(Question Answering)。

盡管搜索引擎相當(dāng)于一本“百科全書”，但是搜索引擎返回的結(jié)果是網(wǎng)頁結(jié)果集，包含了許多噪聲，從中獲取有效答案需要進行人工二次篩選，用戶體驗較差?？v觀科學(xué)技術(shù)發(fā)展，每一次變革都伴隨著技術(shù)的革新，鼠標(biāo)和鍵盤打開了PC時代的大門，手持終端打開了移動互聯(lián)時代的大門，語音交互和模式識別帶領(lǐng)人類進入人工智能(Artificial Intelligence)時代。答疑是教學(xué)中必不可少的一個環(huán)節(jié)，如何有效提高答疑時效？借助計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)開發(fā)一個高效、準(zhǔn)確、智能化的自動問答系統(tǒng)。本研究以《編譯原理》課程為例，構(gòu)建基于Web的課程智能答疑系統(tǒng)。

1 自動問答

人工智能已上升到國家戰(zhàn)略，已經(jīng)滲透到人們的日常生活、工作和學(xué)習(xí)。計算機輔助教學(xué)的方式還是不能滿足個性化教學(xué)的需求。智能化教育以學(xué)習(xí)者為中心，以學(xué)習(xí)者需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)人的思維和創(chuàng)造能力。應(yīng)用人工智能技術(shù)，遵從教學(xué)規(guī)律，創(chuàng)新教學(xué)方式，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，人工智能技術(shù)與教學(xué)深度融合，實現(xiàn)個性學(xué)習(xí)、實施交互、及時問答。從而改變傳統(tǒng)教學(xué)與學(xué)習(xí)方式，實現(xiàn)人機結(jié)合；改變課程設(shè)計，線上線下同步實施，自動答疑解惑。

自動問答系統(tǒng)是利用自然語言處理技術(shù)，通過計算機理解用戶提出的問題，然后檢索答案并自動將答案返回給用戶。自動問答系統(tǒng)可以有效減輕教師的教學(xué)負擔(dān)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，提供學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。自動問答系統(tǒng)是一種新型的信息檢索系統(tǒng)，接受自然語言形式描述的問題，準(zhǔn)確返回問題的答案。如“編譯與編譯過程之間有什么關(guān)系？”中文語句結(jié)構(gòu)復(fù)雜，識別和處理中文語言是中文問答系統(tǒng)面臨的困難與挑戰(zhàn)[1]。

1.1 自動問答系統(tǒng)的發(fā)展

20世紀(jì)60年代，面向醫(yī)療應(yīng)用的ELIZA系統(tǒng)[2]問世；20世紀(jì)70年代，面向Unix知識問答的系統(tǒng)Unix Consultant[3]問世；后來相繼出現(xiàn)了麻省理工學(xué)院研發(fā)的START[4]，美國華盛頓大學(xué)研發(fā)的問答系統(tǒng)MULDER，Answer Bus[5]。START是第一個基于信息檢索的開放域自動問答系統(tǒng)，Answer Bus是支持多種語言的基于Web的自動問答系統(tǒng)?；谖闹械膯柎鸱?wù)系統(tǒng)典型的有中國移動推出的“10086智能客服機器人”和“靈犀語音助手”[6]，京東商城的“JIMI客服機器人”[7]，百度推出的“小度”，小米推出的“小愛同學(xué)”等。

1.2 基于Web的自動問答系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于Web的自動問答系統(tǒng)是借助互聯(lián)網(wǎng)進行訪問，用戶訪問不受時空限制，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如1所示。

系統(tǒng)允許學(xué)生以自然語言(漢語或英語等)問句的形式提出問題，并及時地將相關(guān)的答案返回給學(xué)生。如果沒有找到相關(guān)的答案，則將該問題轉(zhuǎn)發(fā)到課程教師的郵箱或提交到留言版和論壇，待解答后返回。通過開發(fā)這樣一個系統(tǒng)，目的是改革高校課程網(wǎng)站，特別是精品課程網(wǎng)站的在線答疑模式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，提高課程網(wǎng)站本身的資源利用率。

1.3 問答系統(tǒng)架構(gòu)

問答系統(tǒng)包括問題理解、答案檢索、答案返回三個基本過程[8]，本文系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

問句理解主要包括問題的分析理解，將文本轉(zhuǎn)換為可計算的數(shù)字化形式，預(yù)處理是對問題進行分詞和去停用詞。答案檢索優(yōu)先在FAQ(frequently asked questions)庫中檢索結(jié)構(gòu)化“問題-答案”對，F(xiàn)AQ庫中檢索不到則從互聯(lián)網(wǎng)檢索。答案返回將問句相似度最高的問題答案直接返回給用戶。對于FAQ庫未能解答的問題，根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)解答情況或人工解答后自動加入FAQ庫，豐富FAQ庫。

1.4 問句類型識別

自然語言中，問句都有歸屬的一個類型，對問句類型的判定可以增強對問題語義的理解。早期有人提出了問句分類的標(biāo)準(zhǔn)[9]，Wendy Lehnert提出概念分類學(xué)[10]，包含了13個概念類：原因、目標(biāo)、能力、結(jié)果、驗證、定義、填充等。不過大多數(shù)實際的系統(tǒng)中都認為概念類幫助不大，因此它們大多根據(jù)答案類型建立更細的類型學(xué)。文中系統(tǒng)針對計算機學(xué)科教學(xué)領(lǐng)域，定義了10種問句類型，它們分別是：定義類、原因類、區(qū)別類、描述類、步驟類、點類、時間類、地點類、人物類、數(shù)量類，如表1所示。

1.5 相似度計算

檢索答案是一個計算用戶問題與FAQ庫中問題相似度的過程，由未知變成已知。因此，檢索到FAQ庫中問題就可以直接返回答案。因此，檢索答案檢索的是FAQ庫中問題，檢索的過程是一個相似度計算的過程。文中相似度計算采用基于問題關(guān)鍵詞匹配度計算的相似度計算[11]。

表1 問句類型

一個問題中含有一個或多個關(guān)鍵詞，但是每個關(guān)鍵詞在句子中的地位是不一樣的，有的起決定性的作用。該類關(guān)鍵詞就是要重點考慮的關(guān)鍵詞，它與問題的匹配度為1。

例如：編譯原理是什么？

問題 關(guān)鍵詞 匹配度 類型

編譯原理是什么？ 編譯原理 1 概念

編譯原理是什么？ 編譯 0.5 概念

起決定性作用的關(guān)鍵詞，它與該問題的匹配度為1，不起決定性的關(guān)鍵詞與問題的匹配度為0.5。

采用這種策略，可以實現(xiàn)簡單的語義分析。例如：

“編譯原理是什么？”與“什么是編譯原理？” 是同一個問題。如果用戶輸入的是這兩個問題，則檢索到的都是同一個問題。

2 問答系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)對用戶問題的解答策略為：

策略1：利用FAQ庫和問句匹配技術(shù)實現(xiàn)常見問題的快速回答；

策略2：對于策略1無法解答的問題，采Email、在線答疑等方式來實現(xiàn)。

根據(jù)以上解答策略，設(shè)計了本智能答疑系統(tǒng)，模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本系統(tǒng)各主要模塊的功能如下：

1)問句理解分析模塊

本模塊的功能是通過對用戶問句進行分詞和問句類型判斷、問句關(guān)鍵詞提取，從而完成對用戶問題語義的理解，然后把語義分析結(jié)果表示成中間語言形式。

2)FAQ庫問句匹配模塊

FAQ庫中保存的是用戶常問的問題答案對，通過計算用戶問的問題與FAQ庫中的問題的句子語義相似度，查找與用戶問題相似度較高的問題，若有，則把這些問題對應(yīng)的答案從FAQ庫中返回，若無，則同通過其他途徑來實現(xiàn)。檢索FAQ庫可以實現(xiàn)快速答疑，省去了復(fù)雜的計算處理，提高了答疑效果。

文中重點討論問句理解分析模塊和FAQ庫問句匹配模塊。

2.2 問題匹配算法設(shè)計

問題匹配算法流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)運行模式

系統(tǒng)采用基于B/S模式的三層分層架構(gòu)實現(xiàn)，如圖5所示。

客戶層即表示層，系統(tǒng)顯示界面，用戶與系統(tǒng)交互接口，具體由Web瀏覽器完成，采用JSP和HTML技術(shù)實現(xiàn)。應(yīng)用層負責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理，包括處理用戶層請求、建立數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)庫查詢或更新、處理結(jié)果返回給用戶層。本系統(tǒng)中問題分析與處理、答案檢索由應(yīng)用層完成。數(shù)據(jù)層負責(zé)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的操作，提供對數(shù)據(jù)庫中各類數(shù)據(jù)的訪問和管理。三層體系結(jié)構(gòu)具有分布靈活、邏輯處理集中和管理能力強的特點，具體表現(xiàn)在：高效率、易于維護、安全性增強、可伸縮性和移植性好[12-13]。

3.2 系統(tǒng)運行效果

實驗結(jié)果及界面如圖6、圖7所示：

答案的具體內(nèi)容用一個獨立頁面顯示(*.html)。這樣返回給用戶的答案就可以不是簡單文字描述，可以使用多種多媒體方式呈現(xiàn)，形象直觀，用戶容易理解、吸收，增強了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，從而達到教學(xué)的最優(yōu)化。

4 結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，對日常課程教學(xué)及教學(xué)課程網(wǎng)站構(gòu)建提出了新問題，將人工智能應(yīng)用于課程教學(xué)中。問答系統(tǒng)可以有效輔助教學(xué)，減輕教師的教學(xué)任務(wù)。文中對自動問答系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)進行了介紹，給出了詳細的設(shè)計過程。同時，基于《編譯原理》課程設(shè)計并實現(xiàn)了《編譯原理》課程自動問答系統(tǒng)。