第4章-智能决策支持系统

DSS第4章智能决策支持系统和智能技术的决策支持第4章目录•4.1智能决策支持系统综述•4.2人工智能基本原理•4.3专家系统与智能决策支持系统•4.4神经网络的决策支持•4.5遗传算法的决策支持•4.6机器学习的决策支持4.1智能决策支持系统综述•4.1.1智能决策支持系统概念智能决策支持系统（IntelligentDecisionSupportSystems,IDSS）是：决策支持系统（DSS）与人工智能（ArtificialIntelligent,AI）技术相结合的系统。•人工智能技术主要利用知识推理，完成定性分析。•人工智能技术融入决策支持系统后，使DSS在模型技术与数据处理技术的基础上，增加知识推理技术，提高辅助决策能力。4.1.2智能决策支持系统结构1、人工智能的决策支持技术从智能决策支持系统的概念可知智能决策支持系统中包含了人工智能技术，与决策支持有关的人工智能技术主要有：专家系统、神经网络、遗传算法、机器学习、自然语言理解等。1）专家系统是利用大量的专门知识解决特定领域中的实际问题的计算机程序系统；2）神经网络是利用神经元的信息传播模型（MP模型）进行学习和应用；3）遗传算法是模拟生物遗传过程的群体优化搜索方法；4）机器学习是让计算机模拟和实现人类的学习，获取解决问题的知识；5）自然语言理解是让计算机理解和处理人类进行交流的自然语言。2．智能决策支持系统结构形式1）基本结构智能决策支持系统（IDSS）＝决策支持系统（DSS）＋人工智能（AI）技术IDSS基本结构如图4.1所示。人工智能技术可以概括为：推理机＋知识库智能决策支持系统的结构可以简化为图4.2所示。问题综合与交互系统数据库管理系统模型库管理系统模型库数据库人工智能技术专家系统神经网络遗传算法机器学习自然语言理解图4.1智能决策支持系统的基本结构图4.2智能决策支持系统结构问题综合与交互系统模型库管理系统数据库管理系统知识库管理系统推理机用户模型库知识库数据库4.2.1逻辑推理1.形式逻辑形式逻辑是研究人的思维形式及其规律的科学。它是属“符号处理”范畴。形式逻辑主要研究：形成概念、作出判断、进行推理。1）概念：概念是反映事物的特有属性和它的取值。2）判断：判断是对概念的肯定或否定。3）推理：推理是从一个或几个判断推出一个新判断的思维过程。4.2人工智能基本原理2.推理的种类1）演绎推理：从一般现象到个别（特殊）现象的推理。2）归纳推理：从个别（特殊）现象到一般现象的推理。3）类比推理：从个别（特殊）现象到个别（特殊）现象的推理。1）演绎推理专家系统的研究基本上属于演绎推理范畴。演绎推理的核心是假言推理。假言推理：以假言判断为前提，对该假言判断的前件或后件的推理。1）假言推理：p→q，p┝q2）三段论推理：p→q，q→r┝p→r3）假言易位推理（拒取式）：p→q，～q┝～p2）归纳推理（1）数学归纳法这种推导是严格的，结论是确实可靠的。（2）枚举归纳推理S1是P，S2是P，……Sn是PS1……Sn是S类事物中的部分分子，没有相反事例。所以，S类事物都是P。枚举归纳推理的结论是或然的。3）类比推理它是由两个（或两类）事物在某些属性上相同，进而推断它们在另一个属性上也可能相同的推理。A事物有abcd属性B事物有abc属性（或a,b,c相似属性）所以，B事物也可能有d属性（或d相似属性）类比推理的结论带有或然性。3.总结1）演绎推理的结论没有超出已知的知识范围。而归纳推理和类比推理的结论超出已知的知识范围。演绎推理只能解释一般规律中的个别现象。而归纳推理和类比推理创造了新的知识，使科学得到新发展，是一种创造思维方式。2）演绎推理中由于前提和结论有必然联系，只要前提为真，结论一定为真。归纳推理和类比推理中前提和结论，不能保证有必然联系，具有或然性。这样推理的结论未必是可靠的。需要经过严格的验证和证明，使之形成新的理论。4.2.2知识表示与知识推理4.2.2.1数理逻辑表示法1、命题逻辑举例：1）如果a是偶数，那么a2是偶数p:a是偶数，g:a2是偶数，它们的关系用“→”（蕴含）表示。即：pq。2）“人不犯我，我不犯人；人若犯我，我必犯人”p:人犯我，q：我犯人；表示:(pq)۸(~p~q)或pq在命题逻辑中，有五种关系：∧（与），∨（或），〜（非），→（如果…那么，即蕴含），（等价，即当且仅当），这五个关系称为联结词，它们之间有优先关系，从高到低有：〜、∧、∨、→、同级联结词，先出现先优先。•定义：由命题（p，q，r，…）或用联结词（〜、∧、∨、→、）连接的命题，组合而成的公式称为合适公式（命题逻辑）。•命题逻辑的公式有：1、析取交换律：p∨qq∨p2、合取交换律：p∧qq∧p3、析取结合律:（p∨q）∨rp∨（q∨r）4、合取结合律:（p∧q）∧rp∧（q∧r）5、∨对∧的分配律：p∨(q∧r）(p∨q)∧(p∨r)6、∧对∨的分配律：p∧（q∨r）(p∧q)∨(p∧r)7、双重否定：p~~p8、德摩根律1：~(p∨q)~p∧~q9、德摩根律2：~(p∧q)~p∨~q10、蕴含转换1:(pq)~p∨q11、蕴含转换2:(pq)(~q~p)12、等价转换1:(pq)(pq)∧(qp)13、等价转换2:(pq)(~p~q)14、∧转∨：(p∧q)~(~p∨~q)定义：公式的标准形式称为范式。有两种基本范式：合取范式、析取范式。1)、合取范式:它是一些简单析取式的合取式，即该合取式中，其子命题都是简单析取式。如：（A）(～p∨q)∧(p∨～q)（B）(p∨q∨r)∧(p∨～q∨r)∧(p∨～q∨～z)•2)、析取范式：它是一些简单合取式的析取式。即该析取式中，其子命题都是简单合取式。一般形式：a1∨a2∨…∨ax其中每个ai是简单合取。如：（A）:(p∧q)∨(p∧r)（B）:（p∧～p∧q）∨（p∧q∧r∧～r）2、谓词逻辑主要研究一阶谓词逻辑。考虑全称和存在两个量词。全称量词：表示所有的，对每一个等。存在量词：表示至少有一个。公式：（1）或（2）或~)()(~xx~)(~)(xx~)()(~xx~)(~)(xx谓词逻辑的合式公式定义：由单个谓词或由联结词联结的多个谓词或含有或的谓词，以及它们的组合公式称为谓词逻辑的合适公式），，（～，)(x)(x谓词公式范式：1）前束范式：谓词公式中一切量词都未被否定的处于公式的最前方，且其管辖域为整个公式。例：2）前束范式（司柯林skolem范式）：所有存在量词都在全称量词之前的前束范式称为前束范式3.命题逻辑归结原理A：把公式转换成子句型归结原理使用反证法来证明语句。即归结是从结论的非，导出已知语句的矛盾。利用命题逻辑公式和谓词逻辑公式，把逻辑表达式化成合取范式、前束范式，再化成子句。一子句定义为由文字的析取组成的公式。转换过程如下：1）消去蕴含符号“→”用～A∨B替换A→B2）用德摩根律缩小~的辖域，让~进入括号内用~A∨~B代替~(A∧B)用~A∧~B代替~(A∨B)用代替用代替}){~(AXAX)(~))(~(AXAX)(~3）把分母化成合取范式我们可以反复应用分配律，把任一母式化成合取范式。例如：)())(CABACBA（4）消去联结词符号∧在合取范式中，每一个合取元，取出成为一个独立句子。用子句集来代替原来子句的合取（∧）。每个子句实际上是文字的析取。例如：}{)DCBADCBA，（）（4.命题逻辑归结原理B：归结过程归结过程：对两个称为母子句的子句进行归结。以产生一个新子句。归结时，对一个子句中以“正文字”形式出现，一个以“负文字”形式出现，归结后就删除这两个“正负文字”，合并剩下的文字。若最后产生空子句，则存在矛盾。没有产生空子句就一直进行下去。例1、例2、假言推理)(~)(QPPQPP}{}~{QQPP归结，子句集空子句（矛盾）)~(pp5、命题逻辑中的归结对公理集F、命题S的归结：1）把F的所有命题转换成子句型。2）把否定S的结果转换成子句型。3）重复下述归结过程，直到找出一个矛盾或不能再结：（A）挑选两个子句，称之为母子句。其中一个母子句含L，另一个母子句含~L。（B）对这两个母子句作归结，结果子句称为归结式。从归结式中删除L和~L，得到所有文字的析取式（C）若归结式为空子句，则矛盾已找到，否则原归结式加入到该过程中的现有子句集。举例：从公理集：证明结果。1）把公理集转换成子句型①②这个合取式分为两个子句：这样子句集为：2）证明命题的非为tqtsrqpp,)(,)(,rqprqprqp~~~)(）（qtsqtsqts)~(~)(~)()(~)(~qtqsqtqs~~，tqtqsrqpp,~,~,~~,r~r3）归结过程最后得到空语句，是矛盾的，故可得出结论：从公理集中可以推出。rqp~~r~qp~~qt~q~pt~tr1.正向推理逐条搜索规则库，对每一条规则的前提条件，检查事实库中是否存在。前提条件中各子项，若在事实库中不是全部存在，放弃该条规则。若在事实库中全部存在，则执行该条规则，把结论放入事实库中。反复循环执行上面过程，直至推出目标，并存入事实库中为止。4.2.2.2产生式规则产生式规则库和事实库的初始状态为：产生式规则库事实库1.A∧B→G2.C∧D→A3.E→DB,C,E事实库的最后状态为：B，C，E，D，A，G逆向推理是从目标开始，寻找以此目标为结论的规则，并对该规则的前提进行判断，若该规则的前提中某个子项是另一规则的结论时，再找以此结论的规则。重复以上过程，直到对某个规则的前提能够进行判断。按此规则前提判断（“是”或“否”）得出结论的判断，由此回溯到上一个规则的推理，一直回溯到目标的判断。2.逆(反)向推理逆向推理中，目标改变过程：GADEBC4.2.2.3语义网络语义网络把问题中的概念用结点表示。概念之间的关系用弧来表示。这样，语义网络把概念以及它们之间的关系表示成一种结构图形式。语义网络的推理表现为对结点的访问以及结点间关系的检索，寻找概念之间的内在联系，通过推理可以回答两类问题：1、从概念结点间问它们之间关系？2、通过概念和关系问有关结点？海浪轮船晃动猛烈isaisa某港海浪某港轮船动作对象动作方式动作主体例如，“海浪猛烈地晃动轮船”这句话的语义网络图通过语义网络我们能回答如下提问：问：海浪和轮船有什么关系？（寻找概念间的关系）答：某港海浪晃动某港轮船。（通过中间概念结点建立起关系）问：怎样晃动？（通过概念和关系寻找其它结点）答：猛烈地晃动。问：晃动哪些轮船？（寻找概念间的关系）答：晃动某港轮船。4.2.2.4框架框架由一组描述物体的各个方面的槽（属性）所组成。每个槽（属性）又可包含若干侧面所组成，每个侧面都有自己的名字和填入的值。框架名frame槽名1侧面11值11slot侧面12值12……槽名2侧面21值21侧面22值22槽值可以有如下几种类型：•具体值value•默认值default•过程值procedure：该值是一个计算过程，它利用该框架的其它槽值，按给定计算过程（公式）进行计算得出具体值。•另一框架名：当槽值是另一框架名时，就构成了框架调用，这样就连成了一个框架链。•空（待填入）框架推理的主要形式为：填充槽值。1、匹配框架是一类事物的完整描述。事物之间匹配只能是部分相同槽的匹配。例：王强的行动和音量象消防车。我们要知道王强的行动和音量究竟是什么，应该对两个框架进行匹配。框架1：王强是人性别男行动-音量-进取心中等框架2：消防车是车辆颜色红行动快音量极高载物水匹配此两框架的槽：行动和音量。王强框架没有此槽值，而消防车框架有此槽值。匹配的结果是填充王强框架的两个槽值，得到：王强的行动是快的，音量是极高的。2、继承继承有两种继承，即直接继承和条件继承。.直接继承：在框架网络中下层框架直接从上层框架中继承所有的属性值和条件。如“墙”继承“房子”的所有属性.