ch04决策支持系统(新)

决策支持系统系统工程专业本科学员必修课第四章智能决策支持系统和智能技术的决策支持人工智能基本原理本章内容智能决策支持系统概述专家系统与智能决策支持系统神经网络的决策支持遗传算法的决策支持机器学习的决策支持4.1智能决策支持系统概述4.1.1智能决策支持系统概念4.1.2智能决策支持系统结构1981年，Bonczek提出了DSS三系统结构，该结构中有“知识系统”，使得不少学者将DSS划为人工智能的范畴，研究知识表示与知识推理，这样，DSS与人工智能的专家系统的界限变得模糊了。1980年，Spraque提出DSS的三部件结构，是传统DSS结构的典型代表。IDSS实际上就是在DSS基础上增加了知识部件。4.1.1智能决策支持系统概念知识部件知识库知识管理系统推理机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（1）专家系统（2）神经网络（3）遗传算法（4）机器学习（5）自然语言理解2.智能决策支持系统结构形式（1）IDSS的基本结构形式问题综合与交互系统模型库管理系统数据库管理系统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模型库数据库（2）IDSS的简化结构图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模型库数据库知识库用户4.2人工智能基本原理4.2.1逻辑推理4.2.2知识表示与知识推理4.2.3搜索技术4.2.1逻辑推理1.形式逻辑（1）概念：概念反映事物的特有属性和属性的取值。（3）推理：从一个或多个判断推出一个新判断的过程。（2）判断：对概念的肯定或否定；是研究人的思维形式及其规律的科学，主要用于形成概念，作出判断，进行推理。2推理的种类演绎推理归纳推理类比推理假言推理三段论推理数学归纳法假言易位推理枚举归纳推理（1）假言推理：“如果p，那么q”为真，同时“p”为真，则推出“q”为真。p→q，p┝q（2）三段论推理：“如果p，那么q”为真，同时“如果q，那么r”为真，则推出“如果p，那么r”为真。p→q，q→r┝p→r（3）假言易位推理：“如果p，那么q”为真，同时“非q”为真，则推出“非p”为真。p→q，～q┝～p演绎推理（1）数学归纳法：A包含B1、B2，……A真B1真，Bn→Bn＋1归纳推理（2）枚举归纳推理：由所见的某一类事物的部分分子具有某种属性，而且没有遇到相反的情况，于是得出这一类事物都具有这种属性的一般性结论。S1是P，S2是P……Sn是P，S1…Sn是S类中的部分分子，而且没有遇到相反的事例所以，S类事物都是P类比推理：A事物有a、b、c、d属性，B事物有a、b、c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）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也可能相同的推理。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了已知的知识范围；（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。这样的结论未必是可靠的，需要经过严格的验证和证明。4.2.2知识、知识表示知识是加工了的、深思熟虑过的、经过推理了的、已经达成共识的关于实体的状态以及实体之间的联系的一系列事实，可以用来指导行动，是理解自然规律并根据自然规律预测实际系统行为的能力。知识的概念：是以各种不同方式把多个信息关联在一起的信息结构。是人们对客观事物及其规律的认识，知识还包括人们利用客观规律解决实际问题的方法和策略等。描述性知识：表示对象及概念的特征及其相互关系的知识，及问题求解状况的知识，也称为事实性知识。判断性知识：表示与领域有关的问题求解知识，如推理规则等，也称启发性知识。过程性知识：表示问题求解的控制策略，即如何应用判断性知识进行推理的知识。计算机所处理的知识，按其作用可大致分为三类：知识按其作用的层次可分为两类：对象级知识：直接描述有关领域对象的知识元级知识：描述对象级知识的知识4.2.2知识、知识表示4.2.2知识、知识表示知识表示：知识表示是对知识的一种描述，或者说是一组约定，是一种计算机可以接受的、用于描述知识的数据结构，对知识进行表示就是把知识表示成便于计算机存储和利用的某种数据结构。知识表示的要求1）表示能力：能够将问题求解所需的知识正确有效地表达出来；2）可理解性：所表达的知识简单、易于理解；3）可访问性：能够有效地利用所表达的知识；4）可扩充性：能够方便地对知识进行扩充。4.2.2知识、知识表示知识表示的方法谓词逻辑产生式规则语义网络框架剧本谓词逻辑的合法表达式也称合式公式。它由原子公式、连接词和量词组成。原子公式：由谓词、括号和括号中的项组成办公地点关系刘凌401陈东华402张明亮418办公地点（刘凌、401）办公地点（陈东华、402）办公地点（张明亮、418）1一阶谓词逻辑兰色（盒子）颜色（盒子、兰色）值（颜色、盒子、兰色）盒子是兰色的原子公式：由谓词、括号和括号中的项组成谓词逻辑的合法表达式也称合式公式。它由原子公式、连接词和量词组成。1一阶谓词逻辑连接词：用来组合原子公式以形成较复杂的合式公式。∧—合取：P∧Q，当P、Q皆为真时，才为真，否则为假；类似“AND”∨—析取：P∨Q，当P、Q皆为假时，则为假，否则为真；类似“OR”—蕴涵：P=Q,只有P为真，Q为假时，蕴涵式为假，否则为真；~—否定：~P，当P为假时，才为真，否则为假。1一阶谓词逻辑PQP=QTTTTFFFTTFFT1一阶谓词逻辑量词：、，分别为全称量词和存在量词。例子：“张某送给屋里的每个人一件礼物”（y）{[IN(y,ROOM)∧HUMAN(y)]=(x)[GIVE(ZHANG,x,y)∧PRESENT(x)]}1一阶谓词逻辑2产生式规则产生式(Production)一词，首先是由美国数学家波斯特（E.Post）提出来的。波斯特根据替换规则提出了一种称为波斯特机的计算模型，模型中的每一条规则当时被称为一个产生式。后来，这一术语几经修改扩充，被用到许多领域。例如，形式语言中的文法规则就称为产生式。产生式也称为产生式规则，或简称规则。2产生式规则产生式规则的一般形式为：前件→后件其中，前件就是前提，后件是结论或动作，前件和后件可以是由逻辑运算符AND、OR、NOT组成的表达式。2产生式规则产生式规则知识一般表示为：ifAthenB产生式规则的语义：如果前提满足，则可得结论或者执行相应的动作，即后件由前件来触发。所以，前件是规则的执行条件，后件是规则体。例如，下面就是几个产生式规则：(1)如果银行存款利率下调，那么股票价格上涨；(2)如果炉温超过上限，则立即关闭风门；(3)如果键盘突然失灵且屏幕上出现怪字符，则是病毒发作；一条产生式规则就是一条知识。用产生式可以实现推理和操作，产生式规则是知识表示形式。产生式规则知识有正向和逆向两种推理方式。（1）正向推理逐条搜索规则库，对每一条规则的前提条件都检查事实库中是否存在；对前提条件中各子项，若事实库中不是全部都存在，放弃该条规则；若在事实库中全部存在，则执行该条规则，并结论放入到事实库中；反复执行上述过程，直至推出目标，并存放入事实库中。算法：例如：在产生式规则库中有3条规则，在事实库中存在B、C、E3个事实，且它们均为真。希望通过正向推理，证明目标G为真。B、C、E1、AB-G2、CD-A3、E-DVV产生式规则库事实库推理过程：（1）正向推理（2）逆向推理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，再找此结论的规则；重复上述过程，直到对某个规则的前提能够进行判断；按此规则前提的判断得出结论的判断，由此回溯到上一个规则的推理，一直回溯到目标的判断。算法：B、C、E1、AB-G2、CD-A3、E-DVV产生式规则库事实库推理过程：GBACDE（2）逆向推理从概念结点间问它们之间的关系通过概念和关系问其他结点由J.R.Quilian于1968年在研究人类联想记忆时提出的一种心理学模型。3语义网络基本思想：用结点表示概念，用弧线表示概念之间的关系，将领域知识表示成一种结构图形式；在语义网络中，寻找概念之间的内在联系，主要通过语义网络的形式推理来回答两类问题：3语义网络结点代表实体，表示各种事物、概念、情况、属性、状态、事件、动作等；语义单元是由有向图表示的三元组(结点1,弧,结点2)结点1结点2语义关系弧是有方向和标注的，方向体现了结点所代表的实体的主次关系，即结点1为主，结点2为辅；标注表示所连接的两个实体之间的语义联系。试用语义网络表示命题“某学校小学生坐车去春游”。动作方式某学校小学生动作目的春游坐车属于3语义网络基本的语义关系(1)Is-a和Part-of型关系Is-a：表示一个事物是另一个事物的实例，表示具体与抽象关系，此关系的一个最主要的特点是属性的继承关系。灵长类动物Is-aIs-a型语义网络3语义网络轮胎汽车Part-ofPart-of型语义网络(1)Is-a和Part-of型关系Part-of：表示一个事物是另一个事物的一部分，是部分与整体的关系。基本的语义关系3语义网络Is：表示一个结点是另一个结点的属性中国的陆地面积960万平方公里IsIs型语义网络(1)Is-a和Part-of型关系基本的语义关系3语义网络(2)属性(类属)关系Have：表示一个结点具有另一个结点所描述的属性Have属性关系语义网络鸟翅膀Have基本的语义关系3语义网络(2)属性(类属)关系A-Kind-of：表示一个事物是另一个事物的一种类型，表示隶属关系。AKO属性关系语义网络鸭嘴兽哺乳动物A-Kind-of基本的语义关系3语义网络(2)属性(类属)关系Can：表示一个结点能做另一个结点的事情。Can属性关系语义网络草鱼水草eat基本的语义关系3语义网络(3)其他关系时间关系：指不同事物在其发生时间方面的先后关系。Before：表示一个事物在一个事物之前发生；After：表示一个事物在一个事物之后发生；位置关系：指不同事物在位置方面的关系。Located-onLocated-atLocated-underLocated-insideLocated-outside3语义网络语义网络的推理语义的推理过程主要有两种：继承和匹配继承的思想：对事物的描述从抽象结点传递到具体结点，从而得到所需结点的属性值，通常是沿着Is-a，A-Kind-of等继承弧进行。3语义网络语义网络的推理3语义网络语义网络继承推理示意图小米谷物麻雀1麻雀鸟动物翅膀飞行工具AKOAKOAKOIs-aIs-aeatHave匹配的思想：在知识库的语义网络中寻找与待求问题相符的语义网络模式。小米谷物麻雀1麻雀鸟动物翅膀飞行工具AKOAKOAKOIs-aIs-aeatHave举例：已知麻雀是一种鸟，求麻雀的特点。某港海浪动作对象海浪战舰轻轻isa动作方式晃动isa某港战舰动作主体语义网的推理试用语义网络表示命题“海浪把战舰轻轻地摇”问1海浪和战舰有什么关系？(寻找概念间的关系)问2怎样晃动？(通过概念和关系寻找其他结点)问3晃动哪些战舰？(寻找概念间的关系)框架框架是描述对象（一个事物、事件或概念）属性的一种数据结构，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（属性的一个方面），每个侧面都有自己的名字和填入的值。明斯基1975年提出，用来表示经验性知识一般框架的结构:框架名frame槽名1slot槽名2slot侧面21值21侧面22值22……侧面11值11侧面12值12……下面是一个描述“教师”的框架：框架名：教师类属：知识分子工作：(教学，科研)缺省：教学性别：(男，女)学历：(中师，高师)类型：(小学教师，中学教师，大学教师)框架框架槽值可以有如下几种类型：•具体值value•默认值default•过程值proce