第5章 知識(shí)推理

1、第第5 5章章 知識(shí)推理知識(shí)推理重點(diǎn)：領(lǐng)會(huì)推理、知識(shí)推理的概念 理解演繹推理與歸納推理的區(qū)別難點(diǎn)：RBR的推理方式5.1 知識(shí)推理概述知識(shí)推理概述5.1.1知識(shí)推理知識(shí)推理的概念的概念知識(shí)推理：知識(shí)推理：是指在計(jì)算機(jī)或智能系統(tǒng)中，模擬人類的智能推理方式，依據(jù)推理控制策略，利用形式化的知識(shí)進(jìn)行機(jī)器思維和求解問題的過程。推理推理就是按某種策略從已知判斷推出另一種判斷的思維過程。推理的過程就是問題求解的過程，使問題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)狀態(tài)的方法和途徑。5.1.2 5.1.2 知識(shí)推理的內(nèi)容知識(shí)推理的內(nèi)容 智能系統(tǒng)的知識(shí)推理過程是通過推理機(jī)來完成的，所謂推理機(jī)就是智能系統(tǒng)中用來實(shí)現(xiàn)推理的程序。 推理機(jī)

2、的基本任務(wù)就是在一定控制策略指導(dǎo)下，搜索知識(shí)庫中可用的知識(shí)，與數(shù)據(jù)庫匹配，產(chǎn)生或論證新的事實(shí)。 搜索搜索和匹配匹配是推理機(jī)的兩大基本任務(wù)。對(duì)于一個(gè)性能良好的推理機(jī)，應(yīng)有如下基本要求：(1)高效率的搜索和匹配機(jī)制；(2)可控制性；(3)可觀測(cè)性；(4)啟發(fā)性。5.1.3 5.1.3 知識(shí)推理知識(shí)推理的類型的類型從方式上分，可分為演繹推理和歸納推理；從確定性上分，可分為確定性推理和不確定性推理；從單調(diào)性上分，可分為單調(diào)推理和非單調(diào)推理。一、根據(jù)知識(shí)推理方式分類一、根據(jù)知識(shí)推理方式分類1）演繹推理 演繹推理演繹推理是從已知的判斷出發(fā)，通過演繹推出結(jié)論，是一種充分置信的推理，是由一般到個(gè)別的推理。演繹

3、推理是在已知領(lǐng)域一般性知識(shí)的前提下，通過演繹求解一個(gè)具體問題或證明一個(gè)結(jié)論的正確性，所以它所得的結(jié)論實(shí)際上早就隱含在前提之中，只不過通過演繹將已有的事實(shí)揭露出來。因此，一般地說，演繹推理只是一種利用已有知識(shí)的推理過程，并不能增加新知識(shí)。2）歸納推理 歸納推理歸納推理是由一類事物的大量事例推出該類事物普遍規(guī)律的一種推理方法?；舅枷胧窍葟囊阎聦?shí)中猜測(cè)一個(gè)結(jié)論，其后對(duì)此結(jié)論的正確性加以證明，是一種不充分置信的推理，是一種由個(gè)別到一般的推理，因此歸納推理可以增加新知識(shí)。二、根據(jù)知識(shí)推理確定性分類二、根據(jù)知識(shí)推理確定性分類確定性推理確定性推理當(dāng)領(lǐng)域知識(shí)能用必然的因果關(guān)系表示，則推理得出的結(jié)論要么是肯

4、定的，要么是否定的。 不確定性推理不確定性推理領(lǐng)域知識(shí)或用戶給出的原始證據(jù)是不確定性的，推理的結(jié)論也只能用一種不確定性來度量。 專家系統(tǒng)中主要使用的是不確定性推理。三、根據(jù)知識(shí)推理單調(diào)性分類三、根據(jù)知識(shí)推理單調(diào)性分類1）單調(diào)推理單調(diào)推理是指在推理過程隨著推理向前推進(jìn)及新知識(shí)的加入，推出的理論呈現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢(shì)，并且越來越接近最終目標(biāo)。一個(gè)演繹推理的邏輯系統(tǒng)有一個(gè)無矛盾的公理系統(tǒng)，新加入的結(jié)論必須與公理系統(tǒng)兼容，因此新的結(jié)論與已有的知識(shí)不發(fā)生矛盾，結(jié)論總是越來越多，所以演繹推理是單調(diào)推理。2）非單調(diào)推理 非單調(diào)推理是指一些新知識(shí)的加入可能使某些原先推出的知識(shí)變?yōu)榧俚耐评怼?（非單調(diào)推理的處理過程

5、要比單調(diào)推理的過程復(fù)雜和困難很多。因?yàn)楫?dāng)一項(xiàng)知識(shí)加入知識(shí)庫而必須撤銷某些以前已經(jīng)推出的且已存入知識(shí)庫的知識(shí)時(shí)，并非簡(jiǎn)單地把該項(xiàng)過時(shí)的知識(shí)去掉，而應(yīng)將那些在證明時(shí)曾依賴被撤銷知識(shí)的一切陳述撤銷、或者再用新數(shù)據(jù)去證明它們。這種“撤銷知識(shí)”的連鎖反應(yīng)過程需要反復(fù)進(jìn)行直到不再需要進(jìn)一步撤銷時(shí)為止。）我們需要非單調(diào)推理的主要原因是：（1）由于缺乏完全的知識(shí)，只好對(duì)部分問題作暫時(shí)的假設(shè)。而這些假設(shè)可能是對(duì)的，也可能是錯(cuò)的。但錯(cuò)了以后要能夠在某時(shí)刻得到修正，這就需要非單調(diào)推理。（2）客觀世界變化太快，某一時(shí)刻的知識(shí)不能持久使用，這也需要非單調(diào)推理來維護(hù)知識(shí)庫的正確性。四、根據(jù)知識(shí)推理方法分類四、根據(jù)知識(shí)推理

6、方法分類1）基于規(guī)則的推理（Rule Based Reasoning, RBR） 基于產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)進(jìn)行問題推理 其核心是演繹推理，從一組前提必然推導(dǎo)出某個(gè)結(jié)論 目前最廣泛的應(yīng)用，能較好地描述某些建模過程知識(shí) 2）基于模型的推理（Model-Based Reasoning, MBR） 根據(jù)反映事物內(nèi)部規(guī)律的客觀世界的模型進(jìn)行推理，一般采用結(jié)構(gòu)化的深度領(lǐng)域知識(shí)求解問題，將問題描述成結(jié)構(gòu)功能行為信息。 作為一種深層次的推理方法，其具有較好的通用性，能處理創(chuàng)新問題的解，然后它存在系統(tǒng)維護(hù)困難、推理效率低、模型知識(shí)獲取困難等缺點(diǎn)，在一定范圍內(nèi)限制其應(yīng)用。3）基于事例的推理（Case-Based Rea

7、soning, CBR）基于事例的推理技術(shù)源于20世紀(jì)70年代，是人工智能發(fā)展過程中涌現(xiàn)出來的區(qū)別于RBR和MBR的一種推理模式。 CBR是指利用舊的事例或經(jīng)驗(yàn)來解決問題，評(píng)價(jià)方案，解釋異常情況或理解新情況。CBR基于人的這種認(rèn)知過程：人們?cè)谇蠼庑聠栴}時(shí)，常?；貞涍^去積累下來的類似情況的處理，通過對(duì)過去類似情況處理的適當(dāng)修改來解決新的問題，過去的類似情況及其處理被用來評(píng)價(jià)新的問題及產(chǎn)生新的問題求解方案。其他方法還包括基于原型的推理、基于框架的推理和模糊推理等等。5.2 基于規(guī)則的推理RBR :基于產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)進(jìn)行問題推理特點(diǎn)：（1）具有很強(qiáng)的推理能力和較高的推理效率；（2）知識(shí)表示形式簡(jiǎn)單，

8、通常是IF-THEN結(jié)構(gòu)，易于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；（3）知識(shí)獲取困難，需要靠人工“移植”方式獲取專家知識(shí)，知識(shí)庫維護(hù)困難；（4）運(yùn)行效率隨Rule Base規(guī)模的增大而迅速降低；（5）對(duì)于非結(jié)構(gòu)化的知識(shí)組織形式，求解復(fù)雜問題困難。推理與知識(shí)表示方法直接相關(guān)，產(chǎn)生式規(guī)則表示方產(chǎn)生式規(guī)則表示方法提供了最基本的推理模式法提供了最基本的推理模式。他與框架、謂詞邏輯等其他表示方法相結(jié)合，可提供功能更強(qiáng)、更靈活的推理方法。1.1.產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成 產(chǎn)生式系統(tǒng)一般由三個(gè)基本部分組成：產(chǎn)生式系統(tǒng)一般由三個(gè)基本部分組成：規(guī)則庫、綜合數(shù)規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫和推理機(jī)。據(jù)庫和推理機(jī)。它們之間的關(guān)系如下圖所示。它們

9、之間的關(guān)系如下圖所示。2022-5-2419 用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的產(chǎn)生式集合，是某用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的產(chǎn)生式集合，是某領(lǐng)領(lǐng)域知識(shí)域知識(shí)( (規(guī)則規(guī)則) )的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器，其中的規(guī)則是以，其中的規(guī)則是以產(chǎn)生式形產(chǎn)生式形式式表示的。規(guī)則庫中包含著將問題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表示的。規(guī)則庫中包含著將問題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)狀態(tài)成目標(biāo)狀態(tài)( (或解狀態(tài)或解狀態(tài)) )的那些變換規(guī)則。的那些變換規(guī)則。 規(guī)則庫是專家系統(tǒng)的核心規(guī)則庫是專家系統(tǒng)的核心，也是一般產(chǎn)生式系，也是一般產(chǎn)生式系統(tǒng)賴以進(jìn)行問題求解的基礎(chǔ)，其中知識(shí)的完整性和統(tǒng)賴以進(jìn)行問題求解的基礎(chǔ)，其中知識(shí)的完整性和一致性、知識(shí)表達(dá)的準(zhǔn)確性和靈活性以及知識(shí)

10、組織一致性、知識(shí)表達(dá)的準(zhǔn)確性和靈活性以及知識(shí)組織的合理性，都將對(duì)產(chǎn)生式系統(tǒng)的性能和運(yùn)行效率產(chǎn)的合理性，都將對(duì)產(chǎn)生式系統(tǒng)的性能和運(yùn)行效率產(chǎn)生直接的影響。生直接的影響。（1 1）規(guī)則庫）規(guī)則庫: :2022-5-2420 綜合數(shù)據(jù)庫綜合數(shù)據(jù)庫又稱為又稱為事實(shí)庫事實(shí)庫，用于存放輸入的，用于存放輸入的事實(shí)、從外部數(shù)據(jù)庫輸入的事實(shí)以及中間結(jié)果事實(shí)、從外部數(shù)據(jù)庫輸入的事實(shí)以及中間結(jié)果( (事事實(shí)實(shí)) )和最后結(jié)果的工作區(qū)。當(dāng)規(guī)則庫中的某條產(chǎn)生和最后結(jié)果的工作區(qū)。當(dāng)規(guī)則庫中的某條產(chǎn)生式的前提可與綜合數(shù)據(jù)庫中的某些已知事實(shí)匹配式的前提可與綜合數(shù)據(jù)庫中的某些已知事實(shí)匹配時(shí)，該產(chǎn)生式就被激活，并把用它推出的結(jié)論放

11、時(shí)，該產(chǎn)生式就被激活，并把用它推出的結(jié)論放入綜合數(shù)據(jù)庫中，作為后面推理的已知事實(shí)。入綜合數(shù)據(jù)庫中，作為后面推理的已知事實(shí)。 顯然，顯然，綜合數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是在不斷變化的綜合數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是在不斷變化的，是動(dòng)態(tài)的。是動(dòng)態(tài)的。（2 2）綜合數(shù)據(jù)庫）綜合數(shù)據(jù)庫: :2022-5-2421 推理機(jī)是一個(gè)或一組程序，推理機(jī)是一個(gè)或一組程序，用來控制和協(xié)調(diào)規(guī)則庫與綜合數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行，包含了推理方式和控制策略?？刂撇呗缘淖饔镁褪谴_定選用什么規(guī)則或如何應(yīng)用規(guī)則。 通常從選擇規(guī)則到執(zhí)行操作分3步完成：匹配、沖突解決和操作。（3 3）推理機(jī)）推理機(jī): :1) 1) 匹配：匹配：匹配就是將當(dāng)前綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)與規(guī)則中的

12、條件進(jìn)行比較，如果相匹配，則這一規(guī)則稱為匹配規(guī)則。2) 2) 沖突解決：沖突解決：沖突解決的策略有很多種 , 其中專一性排序、規(guī)則排序、規(guī)模排序和就近排序是比較常見的沖突解決策略。3) 3) 操作：操作：操作就是執(zhí)行規(guī)則的操作部分。經(jīng)過操作以后，當(dāng)前的綜合數(shù)據(jù)庫將被修改，其他的規(guī)則有可能將成為啟用規(guī)則。 因?yàn)榭赡芡瑫r(shí)有幾條規(guī)則的前提條件與事實(shí)相匹配，究竟選哪一條規(guī)則去執(zhí)行呢？這就是規(guī)則沖突解決。通過沖突解決策略選中的在操作部分執(zhí)行的規(guī)則稱為啟用規(guī)則。2022-5-2423產(chǎn)生式系統(tǒng)推理機(jī)的推理方式有產(chǎn)生式系統(tǒng)推理機(jī)的推理方式有正向推理正向推理、反向推理反向推理和和雙向推理雙向推理三種。三種。2

13、.2.產(chǎn)生式系統(tǒng)的推理方式產(chǎn)生式系統(tǒng)的推理方式正向推理正向推理是從是從已知事實(shí)已知事實(shí)出發(fā)，通過規(guī)則庫求得結(jié)論。出發(fā)，通過規(guī)則庫求得結(jié)論。正向推理方式也被正向推理方式也被稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式或或自底向上的方自底向上的方式式。這種推理方式是由數(shù)據(jù)到結(jié)論，所以也叫數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略。推理方式如下所示： 初始狀態(tài) 目標(biāo)狀態(tài)（事實(shí)條件） （結(jié)論假設(shè)）（1 1）正向推理）正向推理搜索規(guī)則（知識(shí)）庫，逐條檢查規(guī)則的前提在事實(shí)庫中是否存在若各子項(xiàng)不全都存在，則放棄該規(guī)則；若全都存在，則執(zhí)行該規(guī)則，并把結(jié)論放入綜合數(shù)據(jù)庫或?qū)C合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行必要的修改。反復(fù)執(zhí)行以上過程，直至推出目標(biāo)正向推理過程是：正向推理

14、過程是：2022-5-24舉例問題根據(jù)產(chǎn)生式規(guī)則，診斷疾病并提出治療方案產(chǎn)生式規(guī)則R1：毛囊皮根微紅腫輕型R2：鼻塞流涕外感風(fēng)熱R3：舌苔薄黃胃納差胃腸積熱R4：眼瞼局部明顯紅腫重型R5：眼瞼局部紅腫頂尖有膿點(diǎn)重型2022-5-24R6：膿點(diǎn)破潰晚期 R7：輕型外感風(fēng)熱輕風(fēng)熱型R8：重型外感風(fēng)熱重風(fēng)熱型R9：重型胃腸積熱重積熱型R10：輕型散瘌法R11：晚期外敷藥物R12：輕風(fēng)熱型散瘌加罐R13：重風(fēng)熱型挑瘌加罐R14：重積熱型放血法2828正向推理循環(huán)次數(shù)使用規(guī)則事實(shí)變動(dòng)情況輸入“眼瞼局部紅腫”“頂尖有膿點(diǎn)”“舌苔薄黃”“胃納差”1R3加入“胃腸積熱”2R5加入“重型”3R9加入“重積熱型”

15、4R14加入“放血法”正向推理計(jì)算機(jī)利用正向推理求解問題時(shí)：先將事實(shí)數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)的事實(shí)庫中，將領(lǐng)域知識(shí)表示為規(guī)則，存入規(guī)則庫中。推理時(shí)將問題的事實(shí)與規(guī)則的前提進(jìn)行匹配。前提可能由條件或子句集合組成，如果規(guī)則前提中的所有子句被匹配成功，則執(zhí)行這條規(guī)則。將執(zhí)行后所得的新事實(shí)存入事實(shí)庫中，再次尋找匹配的規(guī)則，直至得出結(jié)論。 事實(shí)庫規(guī)則庫匹配執(zhí)行正向推理示例交通事故示例：謂詞：年齡（x）/表示x的年齡中年人（x）/表示x是中年人老練（x） /表示x很老練細(xì)心（x） /表示x很細(xì)心有駕駛技術(shù)（x） /表示x有駕駛技術(shù)不出交通事故（x） /表示x不出交通事故事實(shí)F1: 年齡（李先生）=43 /李先生的年

16、齡是43F2: 有駕駛技術(shù)（李先生）/李先生有駕駛技術(shù)正向推理示例交通事故示例：規(guī)則：（正向規(guī)則表示）R1、If 年齡（x）小于等于55 and 年齡（x）大于等于35Then 中年人（x）R2、If 中年人（x）Then 老練（x）R3、If 中年人（x）Then 細(xì)心（x）R4、If 老練（x）and 細(xì)心（x）and 有駕駛技術(shù)（x）Then 不出交通事故（x）正向推理示例交通事故示例：目標(biāo)結(jié)論：李先生不出交通事故。推理過程 (用規(guī)則的前提匹配事實(shí))R1: 年齡（李先生）小于等于55 and 年齡（李先生）大于等于35 中年人（李先生） (F1:年齡43)R2: R2: 中年人（李先生）

17、 老練（李先生） R3: R3: 中年人（李先生） 細(xì)心（李先生）R4: R4: 老練（李先生）and 細(xì)心（李先生）and 有駕駛技術(shù)（李先生） 不出交通事故（李先生）（F2F2）正向推理的沖突解決策略正向推理利用規(guī)則的前提匹配事實(shí)，那么如果有多條規(guī)則匹配當(dāng)前的事實(shí)的情況，就必須應(yīng)用某種策略決定首先應(yīng)用哪些規(guī)則，這種策略叫做沖突解決策略。 正向推理的沖突解決策略選擇一條只選擇匹配事實(shí)的第一條規(guī)則。順序選擇按匹配規(guī)則的順序執(zhí)行，前面建立的新事實(shí)可被后面的規(guī)則使用。詳細(xì)規(guī)則優(yōu)先優(yōu)先選擇條件部分最詳細(xì)的規(guī)則。（認(rèn)為基于較多信息的規(guī)則得出的結(jié)論是較好的）?？筛鶕?jù)條件元素的個(gè)數(shù)和執(zhí)行條件部分的成本來決

18、定優(yōu)先度。正向推理的沖突解決策略重要度優(yōu)先預(yù)先給各規(guī)則賦予表示其重要程度的權(quán)值，在處理沖突規(guī)則時(shí)，選擇權(quán)值最高的規(guī)則。最近優(yōu)先法優(yōu)先選擇與最近加入事實(shí)庫中的事實(shí)相匹配的規(guī)則。在這種情況下，各數(shù)據(jù)元素被賦予時(shí)間標(biāo)志。在以實(shí)時(shí)控制為目標(biāo)的事件驅(qū)動(dòng)型推理中，常使用這種策略。 正向推理算法正向推理的一般算法：1. 掃描規(guī)則庫，產(chǎn)生可用規(guī)則集S，這些規(guī)則左邊條件均為真，即都被問題的條件事實(shí)滿足；2. 調(diào)用解決沖突算法，從S中選出規(guī)則R；3. 執(zhí)行規(guī)則R右邊的結(jié)論部分，將產(chǎn)生的新事實(shí)加入事實(shí)庫；4. 若目標(biāo)得證或無新的事實(shí)產(chǎn)生，則停止；否則轉(zhuǎn)2。正向推理算法采用順序選擇方法的正向推理算法：1. 從規(guī)則集合

19、的第一條規(guī)則開始，執(zhí)行： 根據(jù)問題的條件證明該規(guī)則的前提是否成功，若成功，則將該規(guī)則的結(jié)論加入事實(shí)庫。 檢查問題的目標(biāo)是否被證明，若被證明，則成功，停止推理。2. 重復(fù)步驟和證明規(guī)則集合中的下一條規(guī)則，直到規(guī)則集合中的所有規(guī)則被證明過。反向推理反向推理是從是從目標(biāo)目標(biāo)（作為假設(shè)）出發(fā)，反向使用規(guī)則，（作為假設(shè)）出發(fā)，反向使用規(guī)則，求得已知事實(shí)。這種推理方式也被稱為求得已知事實(shí)。這種推理方式也被稱為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)方式目標(biāo)驅(qū)動(dòng)方式或或自頂向下的方式自頂向下的方式。這種推理方法由目標(biāo)到數(shù)據(jù)，因此也稱為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)策略。推理方式如下所示:初始狀態(tài) 目標(biāo)狀態(tài)（事實(shí) 條件） （結(jié)論 假設(shè)） （2 2）反（逆）向推理

20、）反（逆）向推理反（逆）向推理過程是：從目標(biāo)開始，尋找以目標(biāo)為結(jié)論的規(guī)則，并對(duì)該規(guī)則的前提進(jìn)行判斷若前提中某子項(xiàng)是另一規(guī)則的結(jié)論，則找此結(jié)論的規(guī)則重復(fù)以上過程，直到對(duì)某規(guī)則的前提能夠進(jìn)行判斷按對(duì)規(guī)則前提的判斷（“是”或“否”）得出對(duì)結(jié)論的判斷，并回溯到對(duì)上一規(guī)則的推理，一直回溯到對(duì)目標(biāo)的判斷推理樹是指按逆向推理把規(guī)則庫所含總目標(biāo)作為根結(jié)點(diǎn)，按規(guī)則的結(jié)論和前提展開成的一棵”樹”舉例R1：AG R2：BCGR3：IJA R4：KAR5：XFJ R6：LBR7：MC R8：ECR9：WZM R10：PQE推理樹逆向推理逆向推理示例交通事故示例：謂詞年齡（x）/表示x的年齡中年人（x）/表示x是中年人

21、老練（x） /表示x很老練細(xì)心（x） /表示x很細(xì)心有駕駛技術(shù)（x） /表示x有駕駛技術(shù)不出交通事故（x） /表示x不出交通事故事實(shí)F1: 年齡（李先生）=43 /李先生的年齡是43F2: 有駕駛技術(shù)（李先生）/李先生有駕駛技術(shù)逆向推理示例交通事故示例：規(guī)則：（逆向規(guī)則表示法）R1、中年人（x） If 年齡（x）小于等于55 and 年齡（x）大于等于35R2、老練（x） If 中年人（x）R3、細(xì)心（x） If 中年人（x）R4、不出交通事故（x） If 老練（x）and 細(xì)心（x）and 有駕駛技術(shù)（x）逆向推理示例交通事故示例：目標(biāo)假設(shè)：李先生不出交通事故。推理過程（用目標(biāo)匹配規(guī)則的結(jié)論）不出交通事故（李先生） (R4)老練（李先生）細(xì)心（李先生） 有駕駛技術(shù)（李先生） (F2) 老練（李先生） 中