《人工智能實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》課件-實(shí)驗(yàn)3　知識(shí)表示-動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.理解和掌握產(chǎn)生式知識(shí)表示方法。2.能夠利用產(chǎn)生式知識(shí)表示方法進(jìn)行正向推理和反向推理。3.能夠用Python語(yǔ)言建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的規(guī)則庫(kù)。二、實(shí)驗(yàn)背景建立一個(gè)動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)的規(guī)則庫(kù)，用以識(shí)別虎、豹、斑馬、長(zhǎng)頸鹿、企鵝、鴕鳥、信天翁等7種動(dòng)物。為了識(shí)別這些動(dòng)物，可以根據(jù)動(dòng)物識(shí)別的特征，建立包含下述規(guī)則的規(guī)則庫(kù)(總共15條)：R1：if動(dòng)物有毛發(fā)then動(dòng)物是哺乳動(dòng)物。R2：if動(dòng)物有奶then動(dòng)物是哺乳動(dòng)物。R3：if動(dòng)物有羽毛then動(dòng)物是鳥。R4：if動(dòng)物會(huì)飛and會(huì)生蛋then動(dòng)物是鳥。R5：if動(dòng)物吃肉then動(dòng)物是食肉動(dòng)物。R6：if動(dòng)物有犀利牙齒and有爪and眼向前方then動(dòng)物是食肉動(dòng)物。R7：if動(dòng)物是哺乳動(dòng)物and有蹄then動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物。R8：if動(dòng)物是哺乳動(dòng)物and反芻then動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物。R9：if動(dòng)物是哺乳動(dòng)物and是食肉動(dòng)物and有黃褐色and有暗斑點(diǎn)then動(dòng)物是豹。R10：if動(dòng)物是哺乳動(dòng)物and是食肉動(dòng)物and有黃褐色and有黑色條紋then動(dòng)物是虎。R11：if動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物and有長(zhǎng)脖子and有長(zhǎng)腿and有暗斑點(diǎn)then動(dòng)物是長(zhǎng)頸鹿。R12：if動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物and有黑色條紋then動(dòng)物是斑馬。R13：if動(dòng)物是鳥and不會(huì)飛and有長(zhǎng)脖子and有長(zhǎng)腿and有黑白二色then動(dòng)物是鴕鳥。R14：if動(dòng)物是鳥and不會(huì)飛and會(huì)游泳and有黑白二色then動(dòng)物是企鵝。R15：if動(dòng)物是鳥and善飛then動(dòng)物是信天翁。如果動(dòng)物有暗斑點(diǎn)、有長(zhǎng)脖子、有長(zhǎng)腿、有奶、有蹄，請(qǐng)推理出是什么動(dòng)物。三、實(shí)驗(yàn)原理產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem)是歷史悠久且被使用最多的知識(shí)表示系統(tǒng)。產(chǎn)生式系統(tǒng)是用來(lái)描述若干不同的以一個(gè)基本概念為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。這個(gè)基本概念就是產(chǎn)生式規(guī)則或產(chǎn)生式條件和操作的概念。在產(chǎn)生式系統(tǒng)中，知識(shí)一般分為兩個(gè)部分：用事實(shí)表示靜態(tài)知識(shí)，如事物和事物之間的聯(lián)系；用產(chǎn)生式規(guī)則表示推理過(guò)程和行為。通常一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)包含事實(shí)庫(kù)、規(guī)則集和規(guī)則解釋(控制器)?3個(gè)部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。事實(shí)庫(kù)存放已有的知識(shí)信息數(shù)據(jù)，包括推理過(guò)程中形成的中間結(jié)論知識(shí)，規(guī)則及存儲(chǔ)有關(guān)問(wèn)題的狀態(tài)轉(zhuǎn)移、性質(zhì)變換等規(guī)則的過(guò)程型知識(shí)。每條規(guī)則分為左部和右部?jī)蓚€(gè)部分，左部表示激活該產(chǎn)生式規(guī)則的條件，右部表示調(diào)用該產(chǎn)生式規(guī)則后做出的動(dòng)作。規(guī)則解釋(控制器)根據(jù)有關(guān)的控制型知識(shí)，選擇控制策略，將規(guī)則與事實(shí)進(jìn)行匹配，控制和利用知識(shí)進(jìn)行推理并求解問(wèn)題。從選擇規(guī)則到執(zhí)行操作通常分為三步：匹配、沖突消解和操作。其中由匹配器負(fù)責(zé)判斷規(guī)則條件是否成立；沖突消解負(fù)責(zé)選擇可調(diào)用的規(guī)則；解釋器負(fù)責(zé)執(zhí)行規(guī)則的動(dòng)作，并在滿足結(jié)束條件時(shí)終止產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行。利用產(chǎn)生式系統(tǒng)求解問(wèn)題一般歸納為以下步驟：(1)事實(shí)庫(kù)初始化。(2)若存在未使用規(guī)則前提下能與事實(shí)庫(kù)相匹配則轉(zhuǎn)(3)，否則轉(zhuǎn)(5)。(3)使用規(guī)則，更新事實(shí)庫(kù)，并標(biāo)記所用規(guī)則。(4)判定事實(shí)庫(kù)是否包含解。若包含，則終止求解過(guò)程，否則轉(zhuǎn)(2)。(5)要求更多關(guān)于問(wèn)題的信息，若不能提供索要信息，則求解失敗，否則更新事實(shí)庫(kù)并轉(zhuǎn)(2)。五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1.闡述實(shí)驗(yàn)過(guò)程本實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)典型的專家系統(tǒng)問(wèn)題。其中知識(shí)庫(kù)就是使用產(chǎn)生式規(guī)則表示的，因而專家系統(tǒng)可以看作是一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)；而事實(shí)庫(kù)主要用于存放問(wèn)題求解過(guò)程中的各種當(dāng)前信息，包括原始事實(shí)、中間結(jié)論以及最終結(jié)論等；推理機(jī)構(gòu)事實(shí)上是通過(guò)一段程序控制推理的進(jìn)行，直至推理結(jié)束。本實(shí)驗(yàn)首先設(shè)計(jì)相應(yīng)的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，然后依據(jù)事實(shí)定義動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)所需規(guī)則，形成規(guī)則庫(kù)；根據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)分別進(jìn)行正向推理和反向推理，并得到對(duì)應(yīng)的推理結(jié)果。2.理解實(shí)驗(yàn)原理產(chǎn)生式系統(tǒng)是許多專家系統(tǒng)的主要知識(shí)表示手段，包括事實(shí)的表示和規(guī)則的表示兩部分。系統(tǒng)工作時(shí)，使用者需要首先把所有可得到的事實(shí)收集在一起，然后在所有的產(chǎn)生式規(guī)則中逐個(gè)比較，以尋找與前項(xiàng)相匹配的規(guī)則。產(chǎn)生式系統(tǒng)的問(wèn)題求解過(guò)程可以歸納如下：(1)事實(shí)庫(kù)初始化。(2)若存在未使用規(guī)則的前提下能與事實(shí)庫(kù)相匹配則轉(zhuǎn)到(3)，否則轉(zhuǎn)到(5)。(3)使用規(guī)則，更新事實(shí)庫(kù)，并標(biāo)記所用規(guī)則。(4)判定事實(shí)庫(kù)是否包含解。若包含，則終止求解過(guò)程，否則轉(zhuǎn)到(2)。(5)要求更多的關(guān)于問(wèn)題的信息，若不能提供所要信息，則求解失敗，否則更新事實(shí)庫(kù)并轉(zhuǎn)到(2)。對(duì)于簡(jiǎn)單的產(chǎn)生式系統(tǒng)，其前提和結(jié)論部分都是一些簡(jiǎn)單的斷言，而實(shí)用的產(chǎn)生式系統(tǒng)無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是規(guī)模上都更為復(fù)雜。3.分析實(shí)驗(yàn)問(wèn)題本實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的產(chǎn)生式系統(tǒng)問(wèn)題。常見的產(chǎn)生式系統(tǒng)包括事實(shí)庫(kù)、規(guī)則集和規(guī)則解釋三個(gè)部分。在實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)這三部分進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)，并完成了由事實(shí)到結(jié)論的正向推理，以及從結(jié)論到事實(shí)的逆向推理。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生式系統(tǒng)具有自然性、模塊性、有效性、一致性等特點(diǎn)，同時(shí)，由于產(chǎn)生式系統(tǒng)的規(guī)則僅僅描述了前提條件和行為之間的靜態(tài)關(guān)系，不便于結(jié)構(gòu)性知識(shí)的表達(dá)，因此效率比較低。4.達(dá)到實(shí)