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1、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：PQ或者 IF P THEN Q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
2、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IF THEN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
3、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
4、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：R1 IF fourth dawn(第四次进攻)short yardage(前三次少于10码)THEN punt(踢悬空球)R2 IF fourth dawn short yardage within 30 y
5、ards(from the goal line)THEN field goal(射门)按条件的详细程度，选用规则R2。,冲突消解的LEX策略,把已经执行过的一组规则从冲突集合中清除；选择具有更新数据的一组规则；选择规则条件更详细的一组规则；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1 P1,规则2,P2,P3,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,
6、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,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,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
7、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1 P1,规则2,假设 P2,假
8、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：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。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。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
9、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,R9,S,S,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,R5,N,S,S,N,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,R5,S,S,N,哺乳动物,有尖锐的牙齿,有锋利的爪子,R6,S,S,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,R5,S,S,N,哺乳动物,有尖锐的牙齿,有锋利的爪子,R6,S,S,身上有毛,R1,S,S,S,S,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
10、物,吃肉,R5,S,S,N,哺乳动物,有尖锐的牙齿,有锋利的爪子,R6,S,S,身上有毛,R1,S,S,S,S,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1 P1,规则2,P2,规则n-1 假设 Pn,Pn-1,规则n-2,产生式表示法的特点,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,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,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。,
