第三章 知识表示和推理之产生式系统

第三章知识表示和推理——用计算机实现知识的表示和推理§3.1知识与推理中的关系专家系统的知识管理特点待处理的知识是庞大的，凌乱无序的；可以对知识进行增删、修改等简单操作；其知识数据的表示是符合人类思维习惯的，如具有模糊性等。§3.2产生式系统定义：用来描述若干个不同的以一个基本概念为基础的系统。这个基本概念就是产生式规则或产生式条件和操作对的概念。产生式系统可表示的知识种类产生式系统适合于表示事实性知识和规则性知识。产生式的基本形式:产生式通常用于表示具有因果关系的知识，其基本形式是：PQ或者IFPTHENQ其中，P是产生式的前提，用于指出该产生式是否可用的条件；Q是一组结论或操作，用于指出前提P所指示的条件被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。§3.2.1产生式系统的构造推理机构图3.1产生式系统的构成作业领域知识库存放产生式的前提及结论存放产生式的规则解决规则与前提的匹配、冲突及操作等问题1.作业领域存放事实数据（前提）以及假设（结论）等的场所。例如，对动物园某个野兽的观察得到：D1身上有毛D2有尖锐的牙齿D3有锋利的爪子D4身体是黄褐色D5身上有黑色斑点这些事实数据是存放在作业领域里的。2.知识库存放IFTHEN形式的规则的库，又称之为规则库。IF前提成立THEN结论/行动成立规则的举例可见书上36页的9条规则。3.推理机构实现作业领域里的事实与知识库中的规则进行匹配，并根据匹配的规则选取一种予以执行。推理方法分为三种前向推理后向推理双向推理3.6.2推理机构的运行前向推理：从一组表示事实的命题出发，使用一组产生式规则，用以证明该命题是否成立。一般策略：先提供一批事实（数据）到作业领域中。系统利用这些事实与规则的前提相匹配，触发匹配成功的规则，把其结论作为新的事实添加到作业领域中。继续上述过程，用更新过的作业领域的所有事实再与规则库中另一条规则匹配，用其结论再次修改作业领域的内容，直到没有可匹配的新规则，不再有新的事实加到作业领域中。选择规则到执行操作的步骤1.匹配把作业领域数据与规则的条件部分相匹配。2.冲突当有一条以上规则的条件部分和作业领域的数据相匹配时，就需要决定首先使用哪一条规则，这称为冲突消解。3.操作操作就是执行规则的操作部分。冲突消解冲突消解的策略有很多种，经常使用的要素有：规则的重要程度；规则条件部的详细程度；规则的使用时刻；规则的差别大小；数据的生成时刻，一般以新生成的规则优先。例如，在美式足球中，设有以下两条规则：R1IFfourthdawn(第四次进攻)shortyardage(前三次少于10码)THENpunt(踢悬空球)R2IFfourthdawnshortyardagewithin30yards(fromthegoalline)THENfieldgoal(射门)按条件的详细程度，选用规则R2。冲突消解的LEX策略a)把已经执行过的一组规则从冲突集合中清除；b)选择具有更新数据的一组规则；c)选择规则条件更详细的一组规则；d)选择任意一组规则。按照编号顺序进行冲突消解，在规则变为一个的时刻，结束处理。前向推理过程设存在下列规则集合：R1:P1P2R2:P2P3R3:P3P4且作业领域中已存在事实P1，则前向推理过程如下图所示。已知规则1P1规则2P2P3规则3推出P4举例：辨别动物园里的动物利用书上给出的事实数据及推理规则进行前向推理。推理过程1.规则的匹配在9条规则中，只有R1的前件与事实D1完全匹配，所以选择R1进行推理，得到身上有毛规则R1它是哺乳动物事实D6推理过程2.对新产生的事实数据D6再进行规则匹配，并结合事实D2，D3找到规则R6，推理后得哺乳动物有尖锐的牙齿规则R6它是食肉动物事实D7有锋利的爪子推理过程3.根据新事实数据D7，及作业领域原有的D4、D5数据，找到匹配规则R9，推理得食肉动物规则9它是猎豹结论身体是黄褐色有黑色斑点后向推理：从表示目标的命题出发，使用一组产生式规则证明事实命题成立，即首先提出一批假设目标，然后逐一验证这些假设。一般策略：首先假设一个可能的目标，然后由产生式系统试图证明此假设目标是否在作业领域中。若在作业领域中，则该假设目标成立；否则，若该假设为终叶（证据）节点，则询问用户。若不是，则再假定另一个目标，即寻找结论部分包含该假设的那些规则，把它们的前提作为新的假设，并力图证明其成立。这样反复进行推理，直到所有目标均获证明或者所有路径都得到测试为止。后向推理过程规则集合与前向推理的相同，首先假设结论P4成立，则由规则3逆推，需要事实P3存在；如果P3在作业领域中并不存在，则需将其假设为结论，，依此类推，直到作业领域中再也找不到匹配的规则为止。如果这时事实P1存在于作业领域中，则P4得证，否则P4不成立。事实规则1P1规则2假设P2假设P3规则3假设P4基于与/或树的后向推理将目标作为与/或树的根，进行扩展：对于同一个规则，需同时满足的条件被设为AND关系；对于同一个结论或目标（包括推理过程中产生的），可用来满足其的规则设为OR关系。基于与/或树的后向推理从与/或树的根（目标）出发，进行搜索：1.匹配：寻找与各结论或目标相匹配的规则，并将其各条件设为与AND关系；如果有多条规则，则将它们之间设为OR关系。2.选择：选择其中一条规则进行扩展，如果一条都没有，那说明推理失败。3.验证：被选中的规则的所有条件如果与作业领域里的事实相匹配，则该规则的结论得到验证。以此逆推，直至根节点。举例：假设在动物园里看到的动物是猎豹，则根据规则库里的现有9条规则，可作出它的后向推理AND/OR树。它是猎豹食肉动物身上有黑色斑点身体是黄褐色R9SS它是猎豹食肉动物身上有黑色斑点身体是黄褐色R9哺乳动物吃肉R5NSSN它是猎豹食肉动物身上有黑色斑点身体是黄褐色R9哺乳动物吃肉R5SSN哺乳动物有尖锐的牙齿有锋利的爪子R6SS它是猎豹食肉动物身上有黑色斑点身体是黄褐色R9哺乳动物吃肉R5SSN哺乳动物有尖锐的牙齿有锋利的爪子R6SS身上有毛R1SSSS它是猎豹食肉动物身上有黑色斑点身体是黄褐色R9哺乳动物吃肉R5SSN哺乳动物有尖锐的牙齿有锋利的爪子R6SS身上有毛R1SSSS双向推理：双向推理的推理策略是同时从目标向事实推理和从事实向目标推理，并在推理过程中的某个步骤，实现事实与目标的匹配。事实规则1P1规则2P2规则n-1假设PnPn-1规则n-2产生式表示法的特点1.清晰性：产生式表示格式固定、形式简单，规则间相互较为独立，没有直接关系，使知识库的建立较为容易，处理较为简单。产生式表示法的特点2.模块性：规则库与推理机构是分离的，这种结构给知识库的修改带来方便，无须修改程序，对系统的推理路径也容易做出解释。产生式表示法的特点3.自然性：产生式表示法用“如果……，则……”的形式表示知识，符合人类的思维习惯，是人们常用的一种表达因果关系的知识表示形式，既直观自然，又便于推理。