Продукционная модель (ПМ) знаний и ее использование в ЭС.
1. Представление знаний.
2. Особенности организации логического вывода.
3. Организация поиска решений в простых и сложных ЭС.
4. Примеры использования ПМ.
1. Представление знаний.
ПМ или системы продукции используют для представления знаний два понятия:
1 - “объект-атрибут-значение”
2 - “правило продукции”
С помощью (1) описываются декларативные знания в базе. Такое представление позволяет при формировании БЗ упорядочить описание объектов, соблюдая их определенную иерархию. Если к таким упорядоченным объектам в процессе логического вывода применять правила, то можно организовать обращение отдельно к объекту, отдельно к атрибуту и отдельно к значению.
Правило продукции представляет собой средство описания процедурных знаний в виде MG->MD
MG описывает определенную ситуацию в предметной области
MD описывает собой одно действие или соволкупность действий, которые необходимо выполнить в случае обнаружения соответствующей ситуации в предметной области
Применеие каждого текущего правила изменяет ситуацию на обьекте , поэтому нужно в следующем цикле проверить весь набор правил, пока не встретится условие останова. И левая и правая часть правила строится на основе знаний в виде “объект-атрибут-значение” или более сложных конструкций, построенных на их базе.
Продукционные системы используют модульный принцип организации знаний (этим они отличаются от традиционных систем, т.к. те используют модульный принцип организации алгоритмов)
В продукционных моделях предполагается полная независимость правил друг от друга, т.е. на одном уровне иерархии одно правило не может вызвать другое.
Продукционные модели обладают высокой степенью модифицируемости значений, дают возможность четко отделить метазнания от предметных знаний, что позволяет даже врамках одной системы использовать разные стратегии вывода.
2. Особенности организации логического вывода.
Механизм или аппарат логического вывода продукционной модели основан на принципе распознавания образов.
Этот механизм называют интерпретатором,который циклически выполняет 4 последовательных этапа (выборку, сопоставление, разрешение конфликта, действие или их совокупность)
На каждом из перечисленных этапов интерпретатор работает с БЗ, рабочей памятью, памятью состояний интерпретатора.
Схема одного цикла работы интерпретатора следующая:
На этапе выборки производится активизация той части данных и знаний , на основании которых может быть реализован запрос пользователя.
Активизация знаний производится на основе заложенной в системе стратегии вывода. Наиболее часто на этом этапе используется операции замены, добавления, удаления, с помощью которых пополняются перечни активных знаний и меняется порядок активизации обьектов.
На этапе сопоставления, выбранное на предыдущем этапе множество активных правил Рv приводится в соответствие выбранному множеству элементов рабочей памяти Fv и определяется конфликтный набор правил, т.е. правил из Рv и данных из Fv, на которых эти правила определены.
Конфликтный набор - упорядоченные последовательности Рv и Fv, который называется означивание.
Этап сопоставления требует проведения значительного объема операций , т.к. для конфликтного набора следует проверить все условия правил на всех сочетаниях активных элементов рабочей памяти.
В ходе разрешения конфликта интерпретатор выбирает одно или несколько означиваний, кот. д.б. выполнены в текущем цикле. Система строится таким образом, что на этом этапе предусматривается обязательная ее реакция на изменение окружающей Среды, а также предусм. возможность приобретения новых значений в тех случаях, когда возникают новые аспекты окружающей Среды. В ходе разрешения конфликта появляется необходимость координации действий нескольких правил, кот. по определению д.б. независимы. В зависимости от выбранной модели знаний, для разрешения конфликта м.б. использованы следующие управляющие структурыиначе порядок выбора правил:
1-я управляющая структура — упорядочивание правил
2-я управляющая структура — управляющая структура специальных случаев
3-я управляющая структура — возраста элемента
4-я управляющая структура — различий (подобия)
5-я управляющая структура — случайные стратегии
(1) — используется в качестве критерия выбора означиваний приоритеты или оценки , кот. приписываются соответствующим правилам. В этом случае вводится понятие памяти правила.
Оценочный показатель выбирается произвольно, чаще всего исходя из следующих критериев :
1 — динамический приоритет правила в зависимости от его вклада в достижение целей.
2 — динамический приоритет в зависимости от важности используемых фактов.
(2) — исп. в качестве критерия зарание определенного отношения двух правил , такое что если первое правило является специальным случаем, то оно считается предпочтительным
(3) — исп. в качестве критерия времени нахождения элемента в рабочей памяти. Обычно возраст определяется числом циклов работы инт-ра или числом действий, кот. выполнялись после создания элемента
(4) — исп. в качестве критерия различия или подобия означиваний из текущего набора тем означиваниям, кот. были выполнены в пределах цикла
(5) — явл. нежелательной, к ним приходится прибегать в тех случаях,когда после применения других стратегий не происходит выбора ниодного правила. К (5) можно отнести и исчерпывающий перебор правил. Он допустим в небольших по размеру БЗ в тех случаях,когда необходимо провести анализ всех возможных выводов и комбинаций.
На этапе выполнения действий осуществляется изменение рабочей памяти посредством проведения операции ввода и преобразования текущих элементов. На этом этапе используется операция вывода для организации диалога с пользователем. На этом этапе производится проверка : не является ли текущее состояние рабочей памяти целевым, т.е. конечным. Если нет, то процесс вывода продолжается, начиная с этапа выборки.
В продукционных системах можна выделить два подхода , исп. при выводе решений:
1 — безвозвратный
2 — пробный
В (1) выбранное для выбранное для исполнения правило используется необратимо, т.е. без возможности дальнейшего пересмотра.
В (2) применимое к конкретной ситуации правило также выполняется , но предусматривает возможность вернуться к этой ситуации, чтобы применить другое правило. Для этого режима предусматривается точка возврата и если на последующих этапах невозможно получить результат, то управление передается в последнюю точку возврата.
3. Организация поиска решений в простых и сложных ЭС.
Процедуры поиска рашений зависят от особенностей предметной области и требований, кот. предьявляют пользователи к этим решениям. Особенности предметной области м.б. описаны следующими параметрами:
1 — размер предметной области
2 — изменяемость предметной области во времени ипространстве
3 — полнота модели, описаний предметной области
4 — определенность данных о решаемой задаче
Требования пользователя в системе может описыв. следующ. параметрами:
1 — кол-во требуемых решений (одно применимое, несколько ,или все допустимые)
2 — ограничение на результат и способ его получения.
Описанные с помощбю указанных пар в ЭС подраздел-ся на простые (малая статическая предметная область, полнота и определенность данных) и сложные. Для простых и сложных ЭС должны использ-ся различные процедуры поиска решений.
Процедуры поиска решения значительно отличаются друг от друга в простых и сложных ЭС. Для простых ЭС чаще всего используют поиск в пространстве состояний : метод редукции, эвристический поиск.
Метод поиск в пространстве состояний можно описать следующим образом: пусть задана тройка (S0,F,SТ) , где
S0— множество начальных состояний системы (запрос)
F— множество операторов, отображающих одни состояния в другие.
ST— множество конечных целевых состояний системы
Обработать задачу (запрос) — определить такую последовательность операторов, кот. позволит преобразовазовать начальное состояние системы в конечное. Процесс решения представляется в виде графа
сигма=(x,y), где
x=(x0,x1...xТ) множество бесконечных вершин графа, каждая из которых связана с определенными состояниями.
y — множество пар (xi,xj), принадлеж.
множ. X
Если каждая пара (Xi;Xj) не упорядочена, то ее называют ребром графа, а граф неориентированным.
Если для каждой пары (Xi;Xj) задан порядок, то ее называют дугой, а граф ориентированным.
Наиболее часто метод используется для ориентированного графа.
В этом случае решение задачи представляет собой путь на ориентированном графе, где пары (Xij-1;Xij) принадлежат Y, который приводит из начального состояния к целевому. На практике дугам графа приписывают весовые характеристики, которые отображают их приоритетность в процессе обработки запроса. В этом случае выбор пути сводится к минимизации или максимизации суммы весовых характеристик дуг, образующих этот путь. Таким образом граф j задает пространство возможных состояний предметной области. Построение пространства осуществляется с помощью следующей процедуры: берется некоторая вершина из множества начальных состояний и к ней применяются все возможные операторы, порождающие дочерние вершины. Этот процесс иначе называется “раскрытием вершин”. Он продолжается до тех пор, пока не будет найдена вершина, соответствующая одному из целевых состояний.
Поиск может осуществляться либо в глубину, либо в ширину. При поиске в глубину начальная вершина получает значение 0, а глубина каждой следующей вершины равна 1 плюс значение глубины наиболее близкой родительской вершины. При поиске в ширину вершины раскрываются в том же порядке, что и порождаются. Если в пространстве состояний ввести операторы, переводящие текущие состояния в предыдущие, то поиск можно производить не только в прямом, но и в обратном направлении.
Метод II - редукция.
При поиске методом редукции решение задачи сводится к решению образующих ее подзадач. Процесс повторяется для каждой следующей подзадачи до тех пор, пока не будет найдено очевидное решение для всей их совокупности. Процесс разбиения задач на подзадачи представляется в виде ориентированного графа j, который называется “и/или-граф”. Каждая вершина “и/или-графа” представляет собой задачу или подзадачу и может быть конъюнктивной (“и”-вершиной) или дизъюнктивной (“или”-вершиной).
Конъюнктивные вершины вместе со своими дочерними вершинами интерпретируются следующим образом: решение задачи сводится к решению всех ее подзадач, соответствующих дочерним вершинам конъюнктивной вершины.
Дизъюнктивные вершины можно интерпретировать следующим образом: решение задачи сводится к решению " из ее подзадач, соответствующих дочерним вершинам дизъюнктивной вершины. Поиск на “и/или-графе” сводится к нахождению решающего графа для " начальной вершины.
С целью сокращения времени поиска решений используются эвристические методы поиска.
В основе эвристических методов заложена информация о специфике предметной области, которая позволяет сократить перебор вершин для достижения цели. Для этой группы методов характерно, что на каждой вершине используется эвристическая информация, которая перед раскрытием вершины позволяет определить степень ее перспективности для реализации определенного запроса. Оценка перспективности определяется на основе выбранной проектировщиком оценочной функции, в которой задаются различного рода семантические ограничения.
Метод “генерация-проверка” позволяет в процессе поиска в пространстве состояний или подзадач генерировать очередное возможное решение и тут же проверить, не является ли оно конечным. Генератор решений должен быть очень полным, т.е. обеспечивать получение всех возможных решений и в то же время неизбыточным, т.е. генерировать одно решение только один раз. Проверка очередных сгенерированных решений производится на основе эвристических знаний, заложенных в генератор. Увеличение количества этих знаний приводит к сокращению пространства поиска решений, но в то же время увеличивает затраты на генерацию каждого решения.
Для сложных ЭС применяются процедуры поиска, которые предназначены для роботы с теми видами сложности, которые присущи системе. Только для ЭС с большим размером пространства поиска целесообразно разбиение его на подпространства другого уровня иерархии. При этом могут выделяться подпространства, описывающие конкретные группы явлений предметной области, а также абстрактные пространства для описания каких-либо сущностей.
Для последнего случая характерно использование неполных описаний, для которых в пространстве более низкого уровня дается определенная конкретизация.
К методам поиска, реализованным по требованию пользователя полный состав решений в рамках большого пространства состояний, относят поиск в факторизованном пространстве. Факторизованным пространством называют пространство, которое можно разбить на непересекающиеся подпространства частичными неполными решениями. Здесь используется метод “иерархическая генерация-проверка”. Генератор определяет текущее частичное решение, затем проверяется, может ли привести это решение к успеху. Если текущее решение отвергается, то из рассмотрения без генерации и проверки устраняются все решения данного класса.
И т.д. (очень много методов).
4. Примеры использования ПМ.
MYCIN - система для диагностики и лечения инфекционных заболеваний.
Был разработан скелетный язык, иначе - оболочка ЭС. Декларативные знания системы MYCIN описываются в виде “объект-атрибут-значение” и каждой тройке приписывается коэффициент уверенности, определяющий степень надежности знаний. Процедурные знания описаны в виде классического правила продукции. Механизм логического вывода основан на обратной цепочке рассуждений. Поиск производится в иерархически упорядоченном пространстве состояний.
В системе EMYCIN (оболочка) усилена предметной области отношению к MYCIN функция редактирования БЗ, доведена до высокого уровня система объяснения хода решения задачи, а также аппарат обучения системы. Написан на ФОРТРАНе.
OPS-5. Универсальный язык инженерии знаний, предназначенный для разработки ЭС, используемых в коммерческих приложениях. Разработчик - университет Корнеги-Меллон. Декларативные знания в системе описаны в виде “объект-атрибут-значение”. Процедурные знания описаны в виде классических правил продукции. В механизме логического вывода используется стратегия прямой цепочки рассуждений, реализуется метод применения одного и того же правила в различных контекстах; для формирования конфликта набора и разрешения конфликта используются специальные методы {RETELEX}, которые позволяют добиться высокой эффективности за счет управляющей структуры, где предпочтение отдается правилам со ссылкой на самый последний сгенерированный элемент “объект-атрибут-значение”.
