人工智能課件213產(chǎn)生式表示法

2.3產(chǎn)生式表示法第2章知識表示

2.1概述2.2謂詞邏輯表示法

2022/12/161中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.3產(chǎn)生式表示法第2章知識表示2.1概述2.2產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem):

1943年,由珀斯特(Post)提出，他用這種規(guī)則對符號串作替換運算。1965年美國的紐威爾和西蒙利用這種原理建立了認(rèn)知模型。同年，斯坦福大學(xué)設(shè)計第一個專家系統(tǒng)DENDRAL時，就采用產(chǎn)生式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生式系統(tǒng)是目前已建立的專家系統(tǒng)中知識表示的主要手段之一,如MYCIN、CLIPS/JESS系統(tǒng)等。在產(chǎn)生式系統(tǒng)中，把推理和行為的過程用產(chǎn)生式規(guī)則表示，所以又稱基于規(guī)則的系統(tǒng)。

2.3產(chǎn)生式表示法2022/12/162中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem):2.3產(chǎn)一般地，一個規(guī)則由前項和后項兩部分組成。前項表示前提條件，各個條件由邏輯連接詞（合取、析取等）組成各種不同的組合。后項表示當(dāng)前提條件為真時，應(yīng)采取的行為或所得的結(jié)論。產(chǎn)生式系統(tǒng)中每條規(guī)則是一個“條件→結(jié)論”或“前提→結(jié)論”的產(chǎn)生式，起簡單形式為：

IF〈前提〉THEN〈結(jié)論〉IF〈條件〉THEN〈動作〉2.3.1規(guī)則的表示2022/12/163中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院一般地，一個規(guī)則由前項和后項兩部分組成。前項表示前提為了嚴(yán)格地描述產(chǎn)生式，下面用巴科斯范式給出它的形式描述和語義：<規(guī)則>∷=<前提>→<結(jié)論><前提>∷=<簡單條件>|<復(fù)合條件><結(jié)論>∷=<事實>|<動作><符合條件>∷=<簡單條件>And<簡單條件>[(And<簡單條件>)…]|<簡單條件>Or<簡單條件>[(Or<簡單條件>)…]<動作>∷=<動作名>[(<變元>,…)]2022/12/164中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院為了嚴(yán)格地描述產(chǎn)生式，下面用巴科斯范式給出它的形式描述和語義1.產(chǎn)生式規(guī)則通常用于表示事物間的因果關(guān)系；【基本形式】IFPthenQ或P

Q，其中P表示規(guī)則的條件（或稱前提）；謂詞、多元組、常量、變量、關(guān)系運算……Q表示規(guī)則激活時應(yīng)該執(zhí)行的動作（或得到的結(jié)論）；激活——規(guī)則條件P滿足；【規(guī)則分類】①前提-結(jié)論型②條件-動作型

2022/12/165中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則2022/12/105中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則①前提-結(jié)論型規(guī)則（P

Q）例如，關(guān)于動物世界的產(chǎn)生式系統(tǒng)中有規(guī)則IF

動物是哺乳動物，且吃肉；Then

這種動物是食肉動物?；蛐问交癁椋篗ammal(x)∧Eat(x,Meat)Carnivore(x)(Mammal,?x)∧(Eat,?x,Meat)(Carnivore,?x)P——謂詞、多元組、關(guān)系表達(dá)式和真值函數(shù)的任意∧∨組合；不要求遵從一階謂詞演算的表示形式

變量視為隱含地受全稱量詞約束；Q——結(jié)論任意數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如向量、數(shù)組、表格等。2022/12/166中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則2022/12/106中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則②條件-動作型規(guī)則（P

Q）P——謂詞、多元組、關(guān)系表達(dá)式和真值函數(shù)的任意∧∨組合；不要求遵從一階謂詞演算的表示形式

變量可視為隱含地受全稱量詞約束；Q——動作，任意操作函數(shù)操作綜合數(shù)據(jù)庫；屏幕、圖像、文件操作；執(zhí)行各種預(yù)定的計算功能；例如：x-1>1∧null(y)

x:=02022/12/167中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則2022/12/107中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則①前提-結(jié)論型規(guī)則（P

Q）②條件-動作型規(guī)則（P

Q）左部（前件）右部（后件）謂詞關(guān)系表達(dá)式真值函數(shù)2022/12/168中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則左部（前件）右部（后件）謂詞關(guān)系表達(dá)式真值函1．確定性和不確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示

確定性規(guī)則知識可用前面介紹的產(chǎn)生式的簡單形式表示即可。

不確定性規(guī)則知識對基本形式作一定的擴充，用如下形式表示

P→Q（可信度）或者IFPTHENQ（可信度）其中，P是產(chǎn)生式的前提或條件，用于指出該產(chǎn)生式是否是可用的條件；Q是一組結(jié)論或動作，用于指出該產(chǎn)生式的前提條件P被滿足時，應(yīng)該得出的結(jié)論或因該執(zhí)行的操作。這一表示形式主要在不確定推理中當(dāng)已知事實與前提中的條件不能精確定匹配時，只要按照“可信度”的要求達(dá)到一定的相似度，就認(rèn)為已知事實與前提條件匹配，再按照一定的算法將這種可能性（或不確定性）傳遞到結(jié)論。2.3.2事實的表示

2022/12/169中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1．確定性和不確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示2.3.2事實的2．確定性和不確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示

確定性事實性知識一般使用三元組

（對象，屬性，值）或（關(guān)系，對象1，對象2）來表示，其中對象就是語言變量，這種表示的機器內(nèi)部實現(xiàn)就是一個表。如事實“老李年齡是35歲”，便可以表示成（Lee，Age，35）其中，Lee是事實性知識涉及的對象，Age是該對象的屬性，而35歲是該對象屬性的值。而老李、老張是朋友，可表示成（Friend，Lee，Zhang）2022/12/1610中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2．確定性和不確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示2022/12/而有些事實性知識帶有不確定性和模糊性，若考慮不確定性，這種知識就可以用四元組的形式表示如下

（對象，屬性，值，不確定度量值）或（關(guān)系，對象1，對象2，不確定度量值）如不確定性事實性知識“老李年齡可能是35歲”，這里老李是35歲的可能性取90%，便可以表示成（Lee，Age，35，0.9）而老李、老張是朋友的可能性不大，這里老李、老張是朋友的可能性取20%，可表示成（Friend，Lee，Zhang，0.2）2022/12/1611中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院而有些事實性知識帶有不確定性和模糊性，若考慮不確定性，這種知2.3.3產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成部分產(chǎn)生式系統(tǒng)一般由三個基本部分組成：規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫和推理機。它們之間的關(guān)系如圖所示。

推理機規(guī)則庫綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2022/12/1612中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.3.3產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成部分產(chǎn)生式系統(tǒng)一般由三個基本部分用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識的產(chǎn)生式集合，是某領(lǐng)域知識(規(guī)則)的存儲器，其中的規(guī)則是以產(chǎn)生式形式表示的。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)(或解狀態(tài))的那些變換規(guī)則。規(guī)則庫是專家系統(tǒng)的核心，也是一般產(chǎn)生式系統(tǒng)賴以進(jìn)行問題求解的基礎(chǔ)，其中知識的完整性和一致性、知識表達(dá)的準(zhǔn)確性和靈活性以及知識組織的合理性，都將對產(chǎn)生式系統(tǒng)的性能和運行效率產(chǎn)生直接的影響。1.規(guī)則庫:2022/12/1613中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識的產(chǎn)生式集合，是某領(lǐng)域知識(規(guī)則

綜合數(shù)據(jù)庫又稱為事實庫，用于存放輸入的事實、從外部數(shù)據(jù)庫輸入的事實以及中間結(jié)果(事實)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匹配時，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。顯然，綜合數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是在不斷變化的，是動態(tài)的。2.綜合數(shù)據(jù)庫:2022/12/1614中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院綜合數(shù)據(jù)庫又稱為事實庫，用于存放輸入的事實、從外部數(shù)

推理機是一個或一組程序，用來控制和協(xié)調(diào)規(guī)則庫與綜合數(shù)據(jù)庫的運行，包含了推理方式和控制策略。控制策略的作用就是確定選用什么規(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.推理機:

(1)匹配：匹配就是將當(dāng)前綜合數(shù)據(jù)庫中的事實與規(guī)則中的條件進(jìn)行比較，如果相匹配，則這一規(guī)則稱為匹配規(guī)則。2022/12/1615中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院推理機是一個或一組程序，用來控制和協(xié)調(diào)規(guī)則庫與綜合數(shù)(2)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)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。

因為可能同時有幾條規(guī)則的前提條件與事實相匹配，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。2022/12/1616中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院(2)沖突解決：沖突解決的策略有很多種,其中專2.產(chǎn)生式系統(tǒng)組成3個部分組成：規(guī)則庫；綜合數(shù)據(jù)庫；推理機；推理機規(guī)則庫綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式系統(tǒng)的問題描述控制應(yīng)用規(guī)則推出解答的全過程

2022/12/1617中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.產(chǎn)生式系統(tǒng)組成推理機規(guī)則庫綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式系統(tǒng)的問題描3.應(yīng)用實例——八數(shù)碼游戲綜合數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫沖突解決策略初始布局目標(biāo)布局移動數(shù)碼2022/12/1618中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院3.應(yīng)用實例——八數(shù)碼游戲初始布局目標(biāo)布局移動數(shù)碼20222.3.4產(chǎn)生式系統(tǒng)的分類按產(chǎn)生式所表示的知識是否具有確定性分為：確定性產(chǎn)生式系統(tǒng)和不確定性產(chǎn)生式系統(tǒng)；按推理機的推理方向分為：正向、反向和雙向推理產(chǎn)生式系統(tǒng)。按規(guī)則庫及綜合數(shù)據(jù)庫的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征分為：可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)、可分解的產(chǎn)生式系統(tǒng)和可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng)。2022/12/1619中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.3.4產(chǎn)生式系統(tǒng)的分類按產(chǎn)生式所表示的知識是否具有確

按推理方向——正向、逆向和雙向產(chǎn)生式系統(tǒng)（前提-結(jié)論型）：

(1)

正向產(chǎn)生式系統(tǒng)——這種系統(tǒng)通過檢查前提是否滿足當(dāng)前問題狀態(tài)（與綜合數(shù)據(jù)庫內(nèi)容匹配）來決定規(guī)則的激活，由此實現(xiàn)正向推理方式，并推動問題求解從初始狀態(tài)向目標(biāo)狀態(tài)逼近。以正向推理方式使用的規(guī)則稱為正向規(guī)則，或F規(guī)則（Forwardrule）。

(2)

逆向產(chǎn)生式系統(tǒng)——這種系統(tǒng)通過檢查結(jié)論是否滿足當(dāng)前問題狀態(tài)來決定規(guī)則的激活，由此實現(xiàn)逆向推理方式，并推動問題求解從目標(biāo)狀態(tài)向初始狀態(tài)逼近。以逆向推理方式使用的規(guī)則稱為逆向規(guī)則，或B規(guī)則（Backwardrule）。

(3)

雙向產(chǎn)生式系統(tǒng)——這種系統(tǒng)以雙向推理方式（正、逆向同時進(jìn)行）去求解問題。雙向系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)庫必須有兩套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別描述從初始狀態(tài)出發(fā)推得的中間狀態(tài)——正向狀態(tài)，和從目標(biāo)狀態(tài)出發(fā)推得的中間狀態(tài)——逆向狀態(tài)。換言之，綜合數(shù)據(jù)庫=正向狀態(tài)描述+逆向狀態(tài)描述，以便于F、B規(guī)則分別作用于不同的狀態(tài)描述。2022/12/1620中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2022/12/1020中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)如果一個產(chǎn)生式系統(tǒng)對規(guī)則的使用次序是可交換的，那么無論先使用哪一條規(guī)則，都可以達(dá)到目的，即規(guī)則的使用次序?qū)栴}的最終求解是無關(guān)緊要的。我們稱這樣的產(chǎn)生式系統(tǒng)為可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)。可分解的產(chǎn)生式系統(tǒng)把一個規(guī)模較大且較復(fù)雜的問題分解為若干個規(guī)模較小且較簡單的子問題，然后對每個子問題分別進(jìn)行求解，這是人們求解問題時常用到的方法，可分解的產(chǎn)生式系統(tǒng)就是基于這一思想提出來的。2022/12/1621中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)可分解的產(chǎn)生式系統(tǒng)2022/12/1021可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng)在可交換產(chǎn)生式系統(tǒng)中，要求每條規(guī)則的執(zhí)行只能為綜合數(shù)據(jù)庫增添新的內(nèi)容，且不能刪除和修改綜合數(shù)據(jù)庫已有的內(nèi)容。這一要求是很強的，在許多規(guī)則的設(shè)計中難以達(dá)到。因此就需要產(chǎn)生式系統(tǒng)具有回溯功能，一旦問題求解到某一步發(fā)現(xiàn)無法繼續(xù)下去時，就撤銷在此之前得到的某些結(jié)果，恢復(fù)到先前的某個狀態(tài)，然后選用別的規(guī)則繼續(xù)求解。在問題求解過程中既可以對綜合數(shù)據(jù)庫添加新內(nèi)容、又可刪除或修改老內(nèi)容的產(chǎn)生式系統(tǒng)稱為可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng)。2022/12/1622中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng)2022/12/1022中國礦業(yè)大學(xué)計算機2.3.5產(chǎn)生式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(1)模塊化：規(guī)則使得知識容易封裝并不斷補充。(2)解釋機制：通過規(guī)則容易建立解釋機，這是因為一個規(guī)則的前件指明了激活這個規(guī)則的條件。通過跟蹤已觸發(fā)的規(guī)則，解釋機可以得到推出某個結(jié)論的推理鏈。(3)類似人類認(rèn)識過程：規(guī)則似乎是模擬人類怎樣解決問題的一個自然方法。因此，產(chǎn)生式方法是當(dāng)今最流行的專家系統(tǒng)設(shè)計模式。優(yōu)點:2022/12/1623中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.3.5產(chǎn)生式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(1)模塊化：規(guī)則使得知識容易缺點或不足:(1)難以擴展：盡管規(guī)則形式上相互獨立，但實際問題中往往彼此是相關(guān)的。這樣當(dāng)知識庫不斷擴大時，要保證新的規(guī)則和已有的規(guī)則沒有矛盾就會越來越困難，知識庫的一致性越來越難以實現(xiàn)。(2)規(guī)則選擇效率較低：在推理過程中，每一步都要和規(guī)則庫中的規(guī)則做匹配檢查。如果知識庫中規(guī)則數(shù)目很大，顯然效率會降低。(3)控制策略不靈活：產(chǎn)生式系統(tǒng)往往采用單一的控制策略，如順序考察規(guī)則庫中的每一條規(guī)則，這同樣會降低系統(tǒng)的效率。2022/12/1624中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院缺點或不足:(1)難以擴展：盡管規(guī)則形式上相互獨立，但實際問(3)控制策略不靈活：產(chǎn)生式系統(tǒng)往往采用單一的控制策略，如順序考察規(guī)則庫中的每一條規(guī)則，這同樣會降低系統(tǒng)的效率。(4)知識表示形式單一：產(chǎn)生式系統(tǒng)比較適合于表示非結(jié)構(gòu)化的知識，對于結(jié)構(gòu)化的知識可能用語義網(wǎng)絡(luò)或框架或面向?qū)ο蟮谋硎痉绞礁鼮楹线m。注意：以純粹的產(chǎn)生式系統(tǒng)表示復(fù)雜的知識結(jié)構(gòu)比較困難，因此發(fā)展了一系列知識的結(jié)構(gòu)化表示方法，如框架和語義網(wǎng)絡(luò)等。知識以這種形式表示的系統(tǒng)，稱為基于知識的系統(tǒng)。2022/12/1625中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院(3)控制策略不靈活：產(chǎn)生式系統(tǒng)往往采用單一的控制策略，如順例題動物識別系統(tǒng)的規(guī)則庫。這是一個用以識別虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、企鵝、駝鳥、信天翁等7種動物的產(chǎn)生式系統(tǒng)。為了實現(xiàn)對這些動物的識別，該系統(tǒng)建立了如下規(guī)則庫：R1:IF該動物有毛THEN該動物是哺乳動物R2:IF該動物有奶THEN該動物是哺乳動物R3:IF該動物有羽毛THEN該動物是鳥R4:IF該動物會飛AND會下蛋THEN該動物是鳥R5:IF該動物吃肉THEN該動物是食肉動物R6:IF該動物有犬齒AND有爪AND眼盯前方THEN該動物食肉動物2022/12/1626中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院例題動物識別系統(tǒng)的規(guī)則庫。R1:IF該動物有毛R7:IF該動物是哺乳動物AND有蹄THEN該動物是有蹄類動物R8:IF該動物是哺乳動物AND是嚼反芻動物THEN該動物是動物有蹄類動物R9:IF該動物是哺乳動物AND是食肉動物

AND是黃褐色

AND身上有暗斑點

THEN該動物是金錢豹R10:IF該動物是哺乳動物AND是食肉動物

AND是黃褐色

AND身上有黑色條紋

THEN該動物是虎R11:IF該動物是有蹄類動物AND有長脖子

AND有長腿

AND身上有暗斑點

THEN該動物是長頸鹿2022/12/1627中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院R7:IF該動物是哺乳動物AND有蹄R12:IF該動物是有蹄類動物AND身上有黑色條紋THEN該動物是斑馬R13:IF該動物是鳥AND有長脖子

AND有長腿

AND不會飛

AND有黑白二色THEN該動物是駝鳥R14:IF該動物是鳥AND會游泳

AND不會飛

AND有黑白二色

THEN該動物是企鵝R15:IF該動物是鳥AND善飛THEN該動物是信天翁2022/12/1628中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院R12:IF該動物是有蹄類動物AND在上例中,R1-R15分別是對各產(chǎn)生式規(guī)則所做的編號,以便于對它們的引用.同時,我們還看出,雖然該系統(tǒng)是用來識別7種動物的,但它并沒有簡單地設(shè)計7條規(guī)則,而是設(shè)計了15條.識別動物基本想法是:首先根據(jù)一些比較簡單的條件,如“有毛發(fā)”“有羽毛”“會飛”等對動物進(jìn)行比較粗的分類,如“哺乳動物”“鳥類”等,然后隨著條件的增多,逐步縮小分類范圍,最后給出分別識別7種動物的規(guī)則.這樣做有下列好處:(1)當(dāng)已知的事實不完全時,雖不能推出最終結(jié)論,但可以得到分類結(jié)果;(2)當(dāng)需要增加對其它動物(如牛馬等)的識別時,規(guī)則中只需增加關(guān)于這些動物個性方面的知識,如R9-R15那樣,而對R1-R10可直接利用,這樣增加的規(guī)則就不會太多;(3)由上述規(guī)則,很容易形成各種動物的推理鏈,例如虎及長頸鹿的推理過程如圖所示.2022/12/1629中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院在上例中,R1-R15分別是對各產(chǎn)生式規(guī)則所做的編號,以便圖:虎及長頸鹿的推理過程2022/12/1630中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院圖:虎及長頸鹿的推理過程2022/12/1030中國礦業(yè)作業(yè):產(chǎn)生式系統(tǒng)由哪幾個部分組成?它們的作用是什么?可以從哪些角度對產(chǎn)生式系統(tǒng)進(jìn)行分類?闡述各類產(chǎn)生式系統(tǒng)的特點.簡述產(chǎn)生式系統(tǒng)的優(yōu)缺點.2022/12/1631中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院作業(yè):產(chǎn)生式系統(tǒng)由哪幾個部分組成?它們的作用是什么?2022.3產(chǎn)生式表示法第2章知識表示

2.1概述2.2謂詞邏輯表示法

2022/12/1632中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.3產(chǎn)生式表示法第2章知識表示2.1概述2.2產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem):

1943年,由珀斯特(Post)提出，他用這種規(guī)則對符號串作替換運算。1965年美國的紐威爾和西蒙利用這種原理建立了認(rèn)知模型。同年，斯坦福大學(xué)設(shè)計第一個專家系統(tǒng)DENDRAL時，就采用產(chǎn)生式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生式系統(tǒng)是目前已建立的專家系統(tǒng)中知識表示的主要手段之一,如MYCIN、CLIPS/JESS系統(tǒng)等。在產(chǎn)生式系統(tǒng)中，把推理和行為的過程用產(chǎn)生式規(guī)則表示，所以又稱基于規(guī)則的系統(tǒng)。

2.3產(chǎn)生式表示法2022/12/1633中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem):2.3產(chǎn)一般地，一個規(guī)則由前項和后項兩部分組成。前項表示前提條件，各個條件由邏輯連接詞（合取、析取等）組成各種不同的組合。后項表示當(dāng)前提條件為真時，應(yīng)采取的行為或所得的結(jié)論。產(chǎn)生式系統(tǒng)中每條規(guī)則是一個“條件→結(jié)論”或“前提→結(jié)論”的產(chǎn)生式，起簡單形式為：

IF〈前提〉THEN〈結(jié)論〉IF〈條件〉THEN〈動作〉2.3.1規(guī)則的表示2022/12/1634中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院一般地，一個規(guī)則由前項和后項兩部分組成。前項表示前提為了嚴(yán)格地描述產(chǎn)生式，下面用巴科斯范式給出它的形式描述和語義：<規(guī)則>∷=<前提>→<結(jié)論><前提>∷=<簡單條件>|<復(fù)合條件><結(jié)論>∷=<事實>|<動作><符合條件>∷=<簡單條件>And<簡單條件>[(And<簡單條件>)…]|<簡單條件>Or<簡單條件>[(Or<簡單條件>)…]<動作>∷=<動作名>[(<變元>,…)]2022/12/1635中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院為了嚴(yán)格地描述產(chǎn)生式，下面用巴科斯范式給出它的形式描述和語義1.產(chǎn)生式規(guī)則通常用于表示事物間的因果關(guān)系；【基本形式】IFPthenQ或P

Q，其中P表示規(guī)則的條件（或稱前提）；謂詞、多元組、常量、變量、關(guān)系運算……Q表示規(guī)則激活時應(yīng)該執(zhí)行的動作（或得到的結(jié)論）；激活——規(guī)則條件P滿足；【規(guī)則分類】①前提-結(jié)論型②條件-動作型

2022/12/1636中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則2022/12/105中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則①前提-結(jié)論型規(guī)則（P

Q）例如，關(guān)于動物世界的產(chǎn)生式系統(tǒng)中有規(guī)則IF

動物是哺乳動物，且吃肉；Then

這種動物是食肉動物?；蛐问交癁椋篗ammal(x)∧Eat(x,Meat)Carnivore(x)(Mammal,?x)∧(Eat,?x,Meat)(Carnivore,?x)P——謂詞、多元組、關(guān)系表達(dá)式和真值函數(shù)的任意∧∨組合；不要求遵從一階謂詞演算的表示形式

變量視為隱含地受全稱量詞約束；Q——結(jié)論任意數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如向量、數(shù)組、表格等。2022/12/1637中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則2022/12/106中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則②條件-動作型規(guī)則（P

Q）P——謂詞、多元組、關(guān)系表達(dá)式和真值函數(shù)的任意∧∨組合；不要求遵從一階謂詞演算的表示形式

變量可視為隱含地受全稱量詞約束；Q——動作，任意操作函數(shù)操作綜合數(shù)據(jù)庫；屏幕、圖像、文件操作；執(zhí)行各種預(yù)定的計算功能；例如：x-1>1∧null(y)

x:=02022/12/1638中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則2022/12/107中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則①前提-結(jié)論型規(guī)則（P

Q）②條件-動作型規(guī)則（P

Q）左部（前件）右部（后件）謂詞關(guān)系表達(dá)式真值函數(shù)2022/12/1639中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1.產(chǎn)生式規(guī)則左部（前件）右部（后件）謂詞關(guān)系表達(dá)式真值函1．確定性和不確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示

確定性規(guī)則知識可用前面介紹的產(chǎn)生式的簡單形式表示即可。

不確定性規(guī)則知識對基本形式作一定的擴充，用如下形式表示

P→Q（可信度）或者IFPTHENQ（可信度）其中，P是產(chǎn)生式的前提或條件，用于指出該產(chǎn)生式是否是可用的條件；Q是一組結(jié)論或動作，用于指出該產(chǎn)生式的前提條件P被滿足時，應(yīng)該得出的結(jié)論或因該執(zhí)行的操作。這一表示形式主要在不確定推理中當(dāng)已知事實與前提中的條件不能精確定匹配時，只要按照“可信度”的要求達(dá)到一定的相似度，就認(rèn)為已知事實與前提條件匹配，再按照一定的算法將這種可能性（或不確定性）傳遞到結(jié)論。2.3.2事實的表示

2022/12/1640中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院1．確定性和不確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示2.3.2事實的2．確定性和不確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示

確定性事實性知識一般使用三元組

（對象，屬性，值）或（關(guān)系，對象1，對象2）來表示，其中對象就是語言變量，這種表示的機器內(nèi)部實現(xiàn)就是一個表。如事實“老李年齡是35歲”，便可以表示成（Lee，Age，35）其中，Lee是事實性知識涉及的對象，Age是該對象的屬性，而35歲是該對象屬性的值。而老李、老張是朋友，可表示成（Friend，Lee，Zhang）2022/12/1641中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2．確定性和不確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示2022/12/而有些事實性知識帶有不確定性和模糊性，若考慮不確定性，這種知識就可以用四元組的形式表示如下

（對象，屬性，值，不確定度量值）或（關(guān)系，對象1，對象2，不確定度量值）如不確定性事實性知識“老李年齡可能是35歲”，這里老李是35歲的可能性取90%，便可以表示成（Lee，Age，35，0.9）而老李、老張是朋友的可能性不大，這里老李、老張是朋友的可能性取20%，可表示成（Friend，Lee，Zhang，0.2）2022/12/1642中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院而有些事實性知識帶有不確定性和模糊性，若考慮不確定性，這種知2.3.3產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成部分產(chǎn)生式系統(tǒng)一般由三個基本部分組成：規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫和推理機。它們之間的關(guān)系如圖所示。

推理機規(guī)則庫綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2022/12/1643中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.3.3產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成部分產(chǎn)生式系統(tǒng)一般由三個基本部分用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識的產(chǎn)生式集合，是某領(lǐng)域知識(規(guī)則)的存儲器，其中的規(guī)則是以產(chǎn)生式形式表示的。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)(或解狀態(tài))的那些變換規(guī)則。規(guī)則庫是專家系統(tǒng)的核心，也是一般產(chǎn)生式系統(tǒng)賴以進(jìn)行問題求解的基礎(chǔ)，其中知識的完整性和一致性、知識表達(dá)的準(zhǔn)確性和靈活性以及知識組織的合理性，都將對產(chǎn)生式系統(tǒng)的性能和運行效率產(chǎn)生直接的影響。1.規(guī)則庫:2022/12/1644中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識的產(chǎn)生式集合，是某領(lǐng)域知識(規(guī)則

綜合數(shù)據(jù)庫又稱為事實庫，用于存放輸入的事實、從外部數(shù)據(jù)庫輸入的事實以及中間結(jié)果(事實)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匹配時，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。顯然，綜合數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是在不斷變化的，是動態(tài)的。2.綜合數(shù)據(jù)庫:2022/12/1645中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院綜合數(shù)據(jù)庫又稱為事實庫，用于存放輸入的事實、從外部數(shù)

推理機是一個或一組程序，用來控制和協(xié)調(diào)規(guī)則庫與綜合數(shù)據(jù)庫的運行，包含了推理方式和控制策略。控制策略的作用就是確定選用什么規(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.推理機:

(1)匹配：匹配就是將當(dāng)前綜合數(shù)據(jù)庫中的事實與規(guī)則中的條件進(jìn)行比較，如果相匹配，則這一規(guī)則稱為匹配規(guī)則。2022/12/1646中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院推理機是一個或一組程序，用來控制和協(xié)調(diào)規(guī)則庫與綜合數(shù)(2)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)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。

因為可能同時有幾條規(guī)則的前提條件與事實相匹配，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。2022/12/1647中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院(2)沖突解決：沖突解決的策略有很多種,其中專2.產(chǎn)生式系統(tǒng)組成3個部分組成：規(guī)則庫；綜合數(shù)據(jù)庫；推理機；推理機規(guī)則庫綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式系統(tǒng)的問題描述控制應(yīng)用規(guī)則推出解答的全過程

2022/12/1648中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.產(chǎn)生式系統(tǒng)組成推理機規(guī)則庫綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式系統(tǒng)的問題描3.應(yīng)用實例——八數(shù)碼游戲綜合數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫沖突解決策略初始布局目標(biāo)布局移動數(shù)碼2022/12/1649中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院3.應(yīng)用實例——八數(shù)碼游戲初始布局目標(biāo)布局移動數(shù)碼20222.3.4產(chǎn)生式系統(tǒng)的分類按產(chǎn)生式所表示的知識是否具有確定性分為：確定性產(chǎn)生式系統(tǒng)和不確定性產(chǎn)生式系統(tǒng)；按推理機的推理方向分為：正向、反向和雙向推理產(chǎn)生式系統(tǒng)。按規(guī)則庫及綜合數(shù)據(jù)庫的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征分為：可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)、可分解的產(chǎn)生式系統(tǒng)和可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng)。2022/12/1650中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.3.4產(chǎn)生式系統(tǒng)的分類按產(chǎn)生式所表示的知識是否具有確

按推理方向——正向、逆向和雙向產(chǎn)生式系統(tǒng)（前提-結(jié)論型）：

(1)

正向產(chǎn)生式系統(tǒng)——這種系統(tǒng)通過檢查前提是否滿足當(dāng)前問題狀態(tài)（與綜合數(shù)據(jù)庫內(nèi)容匹配）來決定規(guī)則的激活，由此實現(xiàn)正向推理方式，并推動問題求解從初始狀態(tài)向目標(biāo)狀態(tài)逼近。以正向推理方式使用的規(guī)則稱為正向規(guī)則，或F規(guī)則（Forwardrule）。

(2)

逆向產(chǎn)生式系統(tǒng)——這種系統(tǒng)通過檢查結(jié)論是否滿足當(dāng)前問題狀態(tài)來決定規(guī)則的激活，由此實現(xiàn)逆向推理方式，并推動問題求解從目標(biāo)狀態(tài)向初始狀態(tài)逼近。以逆向推理方式使用的規(guī)則稱為逆向規(guī)則，或B規(guī)則（Backwardrule）。

(3)

雙向產(chǎn)生式系統(tǒng)——這種系統(tǒng)以雙向推理方式（正、逆向同時進(jìn)行）去求解問題。雙向系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)庫必須有兩套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別描述從初始狀態(tài)出發(fā)推得的中間狀態(tài)——正向狀態(tài)，和從目標(biāo)狀態(tài)出發(fā)推得的中間狀態(tài)——逆向狀態(tài)。換言之，綜合數(shù)據(jù)庫=正向狀態(tài)描述+逆向狀態(tài)描述，以便于F、B規(guī)則分別作用于不同的狀態(tài)描述。2022/12/1651中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2022/12/1020中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)如果一個產(chǎn)生式系統(tǒng)對規(guī)則的使用次序是可交換的，那么無論先使用哪一條規(guī)則，都可以達(dá)到目的，即規(guī)則的使用次序?qū)栴}的最終求解是無關(guān)緊要的。我們稱這樣的產(chǎn)生式系統(tǒng)為可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)?？煞纸獾漠a(chǎn)生式系統(tǒng)把一個規(guī)模較大且較復(fù)雜的問題分解為若干個規(guī)模較小且較簡單的子問題，然后對每個子問題分別進(jìn)行求解，這是人們求解問題時常用到的方法，可分解的產(chǎn)生式系統(tǒng)就是基于這一思想提出來的。2022/12/1652中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)可分解的產(chǎn)生式系統(tǒng)2022/12/1021可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng)在可交換產(chǎn)生式系統(tǒng)中，要求每條規(guī)則的執(zhí)行只能為綜合數(shù)據(jù)庫增添新的內(nèi)容，且不能刪除和修改綜合數(shù)據(jù)庫已有的內(nèi)容。這一要求是很強的，在許多規(guī)則的設(shè)計中難以達(dá)到。因此就需要產(chǎn)生式系統(tǒng)具有回溯功能，一旦問題求解到某一步發(fā)現(xiàn)無法繼續(xù)下去時，就撤銷在此之前得到的某些結(jié)果，恢復(fù)到先前的某個狀態(tài)，然后選用別的規(guī)則繼續(xù)求解。在問題求解過程中既可以對綜合數(shù)據(jù)庫添加新內(nèi)容、又可刪除或修改老內(nèi)容的產(chǎn)生式系統(tǒng)稱為可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng)。2022/12/1653中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng)2022/12/1022中國礦業(yè)大學(xué)計算機2.3.5產(chǎn)生式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(1)模塊化：規(guī)則使得知識容易封裝并不斷補充。(2)解釋機制：通過規(guī)則容易建立解釋機，這是因為一個規(guī)則的前件指明了激活這個規(guī)則的條件。通過跟蹤已觸發(fā)的規(guī)則，解釋機可以得到推出某個結(jié)論的推理鏈。(3)類似人類認(rèn)識過程：規(guī)則似乎是模擬人類怎樣解決問題的一個自然方法。因此，產(chǎn)生式方法是當(dāng)今最流行的專家系統(tǒng)設(shè)計模式。優(yōu)點:2022/12/1654中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2.3.5產(chǎn)生式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(1)模塊化：規(guī)則使得知識容易缺點或不足:(1)難以擴展：盡管規(guī)則形式上相互獨立，但實際問題中往往彼此是相關(guān)的。這樣當(dāng)知識庫不斷擴大時，要保證新的規(guī)則和已有的規(guī)則沒有矛盾就會越來越困難，知識庫的一致性越來越難以實現(xiàn)。(2)規(guī)則選擇效率較低：在推理過程中，每一步都要和規(guī)則庫中的規(guī)則做匹配檢查。如果知識庫中規(guī)則數(shù)目很大，顯然效率會降低。(3)控制策略不靈活：產(chǎn)生式系統(tǒng)往往采用單一的控制策略，如順序考察規(guī)則庫中的每一條規(guī)則，這同樣會降低系統(tǒng)的效率。2022/12/1655中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院缺點或不足:(1)難以擴展：盡管規(guī)則形式上相互獨立，但實際問(3)控制策略不靈活：產(chǎn)生式系統(tǒng)往往采用單一的控制策略，如順序考察規(guī)則庫中的每一條規(guī)則，這同樣會降低系統(tǒng)的效率。(4)知識表示形式單一：產(chǎn)生式系統(tǒng)比較適合于表示非結(jié)構(gòu)化的知識，對于結(jié)構(gòu)化的知識可能用語義網(wǎng)絡(luò)或框架或面向?qū)ο蟮谋硎痉绞礁鼮楹线m。注意：以純粹的產(chǎn)生式系統(tǒng)表示復(fù)雜的知識結(jié)構(gòu)比較困難，因此發(fā)展了一系列知識的結(jié)構(gòu)化表示方法，如框架和語義網(wǎng)絡(luò)等。知識以這種形式表示的系統(tǒng)，稱為基于知識的系統(tǒng)。2022/12/1656中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院(3)控制策略不靈活：產(chǎn)生式系統(tǒng)往往采用單一的控制策略，如順例題動物識別系統(tǒng)的規(guī)則庫。這是一個用以識別虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、企鵝、駝鳥、信天翁等7種動物的產(chǎn)生式系統(tǒng)。為了實現(xiàn)對這些動物的識別，該系統(tǒng)建立了如下規(guī)則庫：R1:IF該動物有毛THEN該動物是哺乳動物R2:IF該動物有奶THEN該動物是哺乳動物R3:IF該動物有羽毛THEN該動物是鳥R4:IF該動物會飛AND會下蛋THEN該動物是鳥R5:IF該動物吃肉THEN該動物是食肉動物R6:IF該動物有犬齒AND有爪AND眼盯前方THEN該動物食肉動物2022/12/1657中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院例題動物識別系統(tǒng)的規(guī)則庫。R1:IF該動物有毛R7:IF該動物是哺乳動物AND有蹄THEN該動物是有蹄類動物R8:IF該動物是哺乳動物AND是嚼反芻動物THEN該動物是動物有蹄類動物R9:IF該動物是哺乳動物AND是食肉動物

AND是黃褐色

AND身上有暗斑點

THEN該動物是金錢豹R10:IF該動物是哺乳動物AND是食肉動物

AND是黃褐色

AND身上有黑色條紋

THEN該動物是虎R11:IF該動物是有蹄類動物AND有長脖子