第3章 产生式系统.ppt
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1、1,第3章 产生式系统,2,内容提要,产生式系统的描述推理控制策略两类特殊的产生式系统基于规则的演绎系统,产生式系统的描述推理控制策略两类特殊的产生式系统基于规则的演绎系统,3,产生式系统的描述,产生式一种知识表示方法,常用来表示有因果关系的知识。,前提 结论,条件 行动,下雨地面湿,烫手缩手,形式:,IF(conditions)THEN(actions),4,产生式系统的描述,产生式,左边表示条件,右边表示结论,例如:下雨甲未打伞甲被淋湿,5,产生式系统的描述,产生式系统把一组产生式放在一起,让它们互相配合,协同作用,一个产生式的结论可以供另一个产生式作为前提使用,以这种方式求解问题的系统称
2、为产生式系统。,AB,BC,CD,AD,?,6,产生式系统的描述,历史 1943年,美国数学家Post设计的产生式系统,称为Post系统。目的是构造一种形式化的计算工具。证明它和图灵机具有相同的计算能力。,7,产生式系统的描述,产生式系统的构成一组产生式规则(set of rules)综合数据库(global database)控制机制(control system),8,产生式系统的描述,产生式规则例子下雨地面湿下雨甲未打伞甲被淋湿 所有人会死甲是人甲会死,9,产生式系统的描述,综合数据库存放已知的事实和推导出的事实;数据基(global database);和database(数据库)不同
3、:database:强调数据的管理(存取、增、删、改等)产生式系统:抽象的概念只是说明数据在此存放,和物理实现没关系。具体实现时,用DBMS和文件等都可以。数据是广义的,可以是常量、变量、谓词、图像等。数据结构:符号串、向量、集合、数组、树、表格、文件等;,10,产生式系统的描述,控制机制控制机制完成的工作有:匹配规则条件部分;多于一条规则匹配成功时,选择哪条规则执行(点燃);如何将匹配规则的结论部分放入综合数据库(是直接添加到数据库中,还是替换其中的某些东西);决定系统何时终止;,11,产生式系统的描述,产生式系统的运行过程,建立产生式规则;,考察每一条产生式规则,如果条件部分和综合数据库中
4、的数据匹配,则规则的结论放入综合数据库;,将已知的事实放入综合数据库;,12,产生式系统的算法,初始化综合数据库,是否满足终止条件,是否有可以应用的规则,选择一条规则作用于综合数据库,NO,YES,END,YES,NO,13,产生式系统的描述,算法,14,产生式系统的描述,例1-八数码游戏(eight puzzle),15,产生式系统的描述,游戏说明:一个棋盘有9个方格,放了8个数(1-8);初始时,8个数随机放置;数字移动规则:空格周围的数字可移动到空格中;如果通过移动数字,达到一个目标状态,则游戏成功结束;求一个走步序列;,问题:怎样用一个产生式系统描述并解决上述问题?,16,产生式系统的
5、描述,综合数据库:存放棋盘的状态。棋盘的状态:8个数字在棋盘上的位置分布。每走一步,状态就会发生变化;存放棋盘的当前状态;,规则:规则是数字移动的方法。空格的移动:如果空格左边有数字,则将左边的数字移到空格上;如果空格右边有数字,则将右边的数字移到空格上;如果空格上边有数字,则将上边的数字移到空格上;如果空格下边有数字,则将下边的数字移到空格上;,控制机制:用当前数据库与规则左半部分进行匹配,确定可执行的规则集;从中选择一条规则执行,用规则的右半部分代替数据库中的状态;如果当前数据库中的状态与目标状态相同,则终止;,17,产生式系统的描述,例2:问题:设字符转换规则ABCACDBCGBEFDE
6、已知:A,B求:F,综合数据库,x,其中x为字符,规则集,1,IF AB THEN C2,IF AC THEN D3,IF BC THEN G4,IF BE THEN F5,IF D THEN E,18,产生式系统的描述,控制策略:顺序排队,初始条件A,B结束条件Fx规则:1,IF AB THEN C2,IF AC THEN D3,IF BC THEN G4,IF BE THEN F5,IF D THEN E,数据库,可触发规则,被触发规则,A,B,(1),(1),A,B,C,(2)(3),(2),A,B,C,D,(3)(5),(3),A,B,C,D,G,(5),(5),A,B,C,D,G,E
7、,F,(4),(4),A,B,C,D,G,E,求解过程,19,产生式系统的描述,例3:猴子摘香蕉问题,综合数据库(M,B,Box,On,H)M:猴子的位置B:香蕉的位置Box:箱子的位置On=0:猴子在地板上On=1:猴子在箱子上H=0:猴子没有抓到香蕉H=1:猴子抓到了香蕉,初始综合数据库(a,b,c,0,0)结束综合数据库(x1,x2,x3,x4,1)其中x1x4为变量。,20,产生式系统的描述,例3:猴子摘香蕉问题(M,B,Box,On,H)规则集r1:IF(x,y,z,0,0)THEN(w,y,z,0,0)r2:IF(x,y,x,0,0)THEN(z,y,z,0,0)r3:IF(x,y
8、,x,0,0)THEN(x,y,x,1,0)r4:IF(x,x,x,1,0)THEN(x,x,x,1,1)其中x,y,z,w为变量,21,产生式系统的描述,产生式系统的特点规则的表示形式固定:规则分为左半部分和右半部分;左半部分是条件,右半部分是结论;知识模块化:知识元:通俗的说,知识元是产生式规则的条件中的独立部分,Ai;所有的规则或数据库中的数据都是由知识元构成;,22,产生式系统的描述,产生式系统的特点(续)产生式之间的相互影响是间接的产生式之间的作用通过综合数据库的变化完成,因此是数据驱动的;易扩展:规则的添加和删除较为自由,因为没有相互作用;添加规则不能造成矛盾;AB,AB。系统自动
9、完成?谓词情况困难;可解释性,23,产生式系统的描述,适用领域对某些领域适用,而对某些领域不适用;按照知识的性质,可将系统划分为两种知识由许多独立的知识元组成,彼此之间的关系不很密切;(西医)有一个很小的核心,其它部分由此核心推导出来,或彼此纠缠,形成一个整体,难以分割。(数学)产生式系统适合于前者,不适合后者。知识是否可以模块化。,24,推理,推理(reasoning)从某些已知事实依照推理规则推出另外一些结论的过程。系统状态的转换;向前推理(正向推理):向后推理(反向推理):,25,推理,正向推理基本思想:从用户提供的初始己知事实出发,在规则集中找出当前可适用的规则,然后进行推理,并将推出
10、的新事实加入到综合数据库中作为下一步推理的已知事实,在此之后再在知识库中选取可适用的规则进行推理,如此重复进行这一过程,直到求得了所要求的解或者没有知识可用用综合数据库与规则的条件部分匹配,并用规则的结论部分修改综合数据库;,26,推理,正向推理,算法,27,28,推理,积木世界,初始状态,目标状态,29,推理,知识元:HANDEMPTY,Holding(x),Ontable(x),Clear(x),On(x,y)规则:R1:Pickup(x):机械手从桌子上拿起积木x。HANDEMPTY Ontable(x)Clear(x)Holding(x)R2:Putdown(x):机械手把拿着的积木放
11、在桌子上。Holding(x)HANDEMPTY,Ontable(x),Clear(x)R3:Unstack(x,y):积木x在积木y上,机械手拿起x。HANDEMPTY On(x,y)Clear(x)Holding(x),Clear(y)R4:Stack(x,y):机械手把拿着的积木x放在积木y上。Holding(x)Clear(y)HANDEMPTY,On(x,y),Clear(x),30,推理,综合数据库 初始状态:(HANDEMPTY,Ontable(A),Ontable(B),On(C,A),Clear(C),Clear(B)目标状态:(Ontable(A),On(B,A),On(C
12、,B),Clear(C),初始状态,目标状态,31,推理,(HANDEMPTY,Ontable(A),Ontable(B),On(C,A),Clear(C),Clear(B)R3:Unstack(C,A)HANDEMPTY On(x,y)Clear(x)Holding(x),clear(y)(Holding(C),Ontable(A),Ontable(B),Clear(B),Clear(A),32,推理,(Holding(C),Ontable(A),Ontable(B),Clear(B),Clear(A)R2:Putdown(c)Holding(x)HANDEMPTY,Ontable(x),C
13、lear(x)(HANDEMPTY,Ontable(A),Ontable(B),Ontable(C),Clear(A),Clear(B),Clear(C),33,推理,(HANDEMPTY,Ontable(A),Ontable(B),Ontable(C),Clear(A),Clear(B),Clear(C)R1:Pickup(B)HANDEMPTY Ontable(x)Clear(x)Holding(x)(Holding(B),Ontable(A),Ontable(C),Clear(A),Clear(C),34,推理,(Holding(B),Ontable(A),Ontable(C),Clea
14、r(A),Clear(C)R4:Stack(B,A)Holding(x)Clear(y)HANDEMPTY,On(x,y),Clear(x)(HANDEMPTY,Ontable(A),Ontable(C),On(B,A),Clear(B),Clear(C),A,C,B,35,推理,(HANDEMPTY,Ontable(A),Ontable(C),On(B,A),Clear(B),Clear(C)R1:Pickup(C)HANDEMPTY Ontable(x)Clear(x)Holding(x)(Holding(B),Ontable(A),Ontable(C),On(B,A),Clear(B),
15、36,推理,(Holding(C),Ontable(A),On(B,A),Clear(B)R4:Stack(C,B)Holding(x)Clear(y)HANDEMPTY,On(x,y),Clear(x)(HANDEMPTY,Ontable(A),On(B,A),On(C,B),Clear(C),37,推理,例:动物世界规则:R1:动物有毛 哺乳类 R2:动物产奶 哺乳类 R3:哺乳类 吃肉 食肉类 R4:哺乳类 吃草 有蹄类 R5:食肉类 黄褐色 有斑点 猎狗 R6:食肉类 黄褐色 黑条纹 虎 R7:有蹄类 长脖 长颈鹿 R8:有蹄类 黑条纹 斑马,38,推理,例:动物世界规则集的树表示,规
16、则:R1:动物有毛 哺乳类 R2:动物产奶 哺乳类 R3:哺乳类 吃肉 食肉类 R4:哺乳类 吃草 有蹄类 R5:食肉类 黄褐色 有斑点 猎狗 R6:食肉类 黄褐色 黑条纹 虎 R7:有蹄类 长脖 长颈鹿 R8:有蹄类 黑条纹 斑马,39,推理,例:动物世界问题:观察到一种动物是有毛,吃草,黑条纹,问是不是斑马?推理过程:寻找结论是斑马的规则,看它的条件部分是否可以被当前综合数据库满足。如果是,则结束;否则,看哪些条规则能推出这些条件(规则的结论与这些条件匹配)。重复这个过程。,40,推理,例:动物世界问题:观察到一种动物是有毛,吃草,黑条纹,问是不是斑马?具体推理过程有毛,吃草,黑条纹R1:
17、动物有毛 哺乳类 R2:动物产奶 哺乳类 R3:哺乳类 吃肉 食肉类 R4:哺乳类 吃草 有蹄类 R5:食肉类 黄褐色 有斑点 猎狗 R6:食肉类 黄褐色 黑条纹 虎 R7:有蹄类 长脖 长颈鹿 R8:有蹄类 黑条纹 斑马,41,推理,例:动物世界问题:观察到一种动物是有毛,吃草,黑条纹,问是不是斑马?具体推理过程有毛,吃草,黑条纹R1:动物有毛 哺乳类 R2:动物产奶 哺乳类 R3:哺乳类 吃肉 食肉类 R4:哺乳类 吃草 有蹄类 R5:食肉类 黄褐色 有斑点 猎狗 R6:食肉类 黄褐色 黑条纹 虎 R7:有蹄类 长脖 长颈鹿 R8:有蹄类 黑条纹 斑马,42,推理,例:动物世界问题:观察到
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