數(shù)據(jù)庫方法庫及知識庫

第5章

決策支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、方法庫及知識庫

主講:劉鋼lglhm@學(xué)習(xí)目標(biāo)理解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在DSS中的作用和地位了解DSS數(shù)據(jù)庫的組成及功能理解方法庫系統(tǒng)在DSS中的作用與地位認(rèn)識方法庫與數(shù)據(jù)庫的關(guān)系認(rèn)識知識庫在DSS中的作用與地位了解推理機制設(shè)計原理與方法了解幾種常用的知識表示方法和知識組織方式5.1DSS的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)是決策的依據(jù)，也是減少決策不確定因素的基礎(chǔ)，因此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是決策支持系統(tǒng)重要的組成部分。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成。5.1.1DSS對數(shù)據(jù)庫的要求1．析取數(shù)據(jù)的能力2．支持記憶3．變化細度和精度的功能4．寬的時間范圍5．多重數(shù)據(jù)來源6．隨機存取能力7．集合運算能力8．公有或私有的數(shù)據(jù)庫9．響應(yīng)時間的能力10．支持各種關(guān)系和視圖11．對DSS其它部件有好的接口12．與終端用戶有好的接口5.1.2DSS數(shù)據(jù)庫的組成DSS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)往往由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)析取子系統(tǒng)DSS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)詞典數(shù)據(jù)查詢模塊（P157圖5-1）5.1.3DSS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)各部件功能1．?dāng)?shù)據(jù)庫DSS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是從內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)源以及屬于一個或多個用戶的個人數(shù)據(jù)中抽取的。2．?dāng)?shù)據(jù)組織3．?dāng)?shù)據(jù)析取系統(tǒng)為了創(chuàng)建DSS數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫，常有必要從幾個數(shù)據(jù)源中獲取數(shù)據(jù)，這種操作稱為析取或抽取。4．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystems，DBMS），可用于修改、刪除、操縱、存儲和檢索數(shù)據(jù)庫中的信息。

5．查詢模塊

6．?dāng)?shù)據(jù)詞典5.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計5.2.1數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方案1．?dāng)?shù)據(jù)信息的特征戰(zhàn)略信息、戰(zhàn)術(shù)信息、業(yè)務(wù)信息2．?dāng)?shù)據(jù)來源內(nèi)部數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)、個人數(shù)據(jù)3．三種設(shè)計方案與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫相結(jié)合構(gòu)成一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫不考慮已有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，而建立獨立的DSS數(shù)據(jù)庫從已有數(shù)據(jù)庫中析取、加工成決策所需的數(shù)據(jù)以形成DSS數(shù)據(jù)庫5.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計5.2.2數(shù)據(jù)析取設(shè)計數(shù)據(jù)析取是一種將多個源數(shù)據(jù)庫與一個DSS數(shù)據(jù)庫接口的功能和技術(shù),它包括對源數(shù)據(jù)庫進行聚合和子集化操作.主要包括數(shù)據(jù)類型變換和格式變換P164圖5-25.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計5.2.3DSS數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)設(shè)計的一些關(guān)鍵問題(略)1．關(guān)于數(shù)據(jù)的詳細性與概括性問題2．關(guān)于數(shù)據(jù)來源目錄問題

3．關(guān)于DSS數(shù)據(jù)庫操作的有關(guān)問題4．關(guān)于與DSS其它部分接口的問題5.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計5.2.4DSS的數(shù)據(jù)庫類形(略)

1．經(jīng)營管理數(shù)據(jù)庫2．戰(zhàn)略規(guī)劃數(shù)據(jù)庫5.3決策支持系統(tǒng)的方法庫5.3.1建立方法庫的理論依據(jù)方法庫是在程序基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn)了專用程序包即程序庫。程序庫針對性強，但有它的局限性，表現(xiàn)在程序庫中的子程序被不同用戶調(diào)用時，每次都要進行編譯、連接；修改程序庫中的子程序，要相應(yīng)地修改調(diào)用它的用戶程序。為了使用程序庫，用戶必須熟悉有關(guān)程序設(shè)計語言和數(shù)據(jù)規(guī)則.方法庫就是為了克服上述缺點而研制出來的。5.3.2方法庫系統(tǒng)的功能方法庫系統(tǒng)是存儲、管理、調(diào)用及維護DSS各子系統(tǒng)要用到的通用算法、標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)等方法的子系統(tǒng)。例如，數(shù)學(xué)方法、數(shù)理統(tǒng)計方法、經(jīng)濟數(shù)學(xué)方法等。方法庫系統(tǒng)由方法庫與方法庫管理系統(tǒng)兩大部分組成。方法庫系統(tǒng)主要是一個軟件系統(tǒng),它綜合了數(shù)據(jù)庫和程序庫,它為求解模型提供算法,可使DSS更有活力.5.3.2方法庫系統(tǒng)的功能1.方法庫系統(tǒng)的功能（1）方法庫系統(tǒng)是具有擴充性的程序組件（2）可擴充性是指在組件集合（程序庫或方法庫）中隨時可以加入新的組件（程序或

方法），這包括完全新建的方法和組合生成的方法。5.3.2方法庫系統(tǒng)的功能2.在DSS中引入方法庫的優(yōu)點1）提供各種通用計算、分析、加工處理的能力。2）提高模型運行的效率。用戶可以從模型庫中調(diào)出所需要的模型，同時從方法庫中調(diào)出相應(yīng)的方法程序，通過聯(lián)結(jié)，有效地完成模型的運算和分析。3）實現(xiàn)軟件資源的共享。由于建立了方法庫，對于模型庫中的模型，就無需考慮每一個模型都配置一個或多個算法，而是各種模型共享一類方法程序，或一類模型共享多個方法程序。5.3.3方法庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一、概述：目前，建立方法庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個基本觀點，是將方法抽象為數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所具有的功能對方法庫進行管理，如數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)查找、并發(fā)控制、錯誤恢復(fù)、完全性限制等功能都是可以利用的。這樣做的好處是可以減少開發(fā)費用，避免由于方法管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間的差異帶來的接口難點。二、方法庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)二、方法庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.方法庫方法庫由方法程序庫和方法字典組成。（1）方法程序庫是存儲方法模塊的工具，可由各種通用性和靈活性都比較強的可用來構(gòu)成各種數(shù)學(xué)模型的方法程序庫組成。如圖給出了方法程序庫中方法的集合。二、方法庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.方法庫（2）方法字典則用來對方法庫中的程序進行登錄和索引。（3）按方法的存儲方式，方法庫可以被分為層次結(jié)構(gòu)型方法庫、關(guān)系型方法庫、語義網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)方法庫和含有人工智能技術(shù)的方法庫等。二、方法庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.方法庫管理系統(tǒng)它是方法庫系統(tǒng)的核心部分，是方法庫的控制機構(gòu)（后面將作詳細介紹）。3.內(nèi)部數(shù)據(jù)庫它是方法庫系統(tǒng)本身的一個數(shù)據(jù)庫，用于存放輸入的數(shù)據(jù)及經(jīng)過方法加工后的輸出數(shù)據(jù)。4.用戶介面它包括系統(tǒng)員介面、程序員介面和終端用戶介面等。

5.3.4方法庫的構(gòu)成和實現(xiàn)方法1.方法庫系統(tǒng)MBS的構(gòu)成2.用系統(tǒng)化方法實現(xiàn)方法庫5.3.4——5.3.7（略）5.4DSS知識庫系統(tǒng)5.4.1知識庫系統(tǒng)概述當(dāng)DSS向智能方向發(fā)展時，知識和推理的研究就顯得越來越重要。事實上，也只有當(dāng)知識和推理技術(shù)被熟練地運用于DSS時，才可能真正達到?jīng)Q策支持所提出的目標(biāo)。許多非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化問題很復(fù)雜，因此除了需要常規(guī)DSS的功能以外，還需要問題求解的專門知識，所以在先進的DSS中需要包含知識庫子系統(tǒng).該系統(tǒng)可提供求解問題所需要的某些知識以及提供可增強DSS其他部件運行功能的知識。包含知識庫子系統(tǒng)的DSS稱為智能DSS、專家支持系統(tǒng)或者稱為基于知識的DSS。5.4.2知識庫系統(tǒng)的功能與特點一、DSS設(shè)立知識庫的功能為自然語言理解創(chuàng)立語義和語用的環(huán)境；為建模和數(shù)值計算提供必要的分析基礎(chǔ)；補充和延拓決策人員的思維能力。

二、知識庫的特點DSS與專家系統(tǒng)在功能、知識庫內(nèi)容和推理策略上的不同構(gòu)成了知識庫的特點：1．DSS不僅具有定性的知識推理能力，而且具有定量的計算功能，并能將兩種功能有機地結(jié)合起來。顯然，它的功能比一般專家系統(tǒng)的功能強。

2．專家系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)通常比較單一，限定于用規(guī)則或因果關(guān)系等形式表示的某方面的專業(yè)知識。5.4.2知識庫系統(tǒng)的功能與特點二、知識庫的特點3．DSS推理機制不僅具有對不同結(jié)構(gòu)特點的知識的推理，而且要與定量計算結(jié)果綜合起來以加強輔助決策的有效性，這就使得它的推理比一般專家系統(tǒng)的推理更加復(fù)雜。4．在計算機的語言實現(xiàn)方面也有很大的不同?，F(xiàn)有的專家系統(tǒng)一般采用人工智能程序設(shè)計語言，然而這些語言在數(shù)學(xué)計算方面效率很低，不能滿足復(fù)雜計算問題的求解要求。目前利用現(xiàn)有的面向計算的編程語言完成智能DSS的軟件，則系統(tǒng)的透明性和靈活性又不能令人滿意。比較理想的方法是以智能語言為外殼，輔以其他多種語言工具組成IDSS的軟件。5.4.3知識庫的關(guān)鍵技術(shù)知識庫的關(guān)鍵技術(shù)是知識的獲取和解釋、知識的表示、問題求解及知識庫的管理和維護。這些技術(shù)和知識工程與專家系統(tǒng)所使用的技術(shù)并沒有什么根本的差別，因此在DSS研究中完全可以借鑒知識工程和專家系統(tǒng)的一些成果。其不同點在于DSS特別重視推理和計算的結(jié)合，以及機器推理對于決策者思維的延拓能力。在專家系統(tǒng)中計算是很少的，幾乎沒有數(shù)學(xué)模型的概念，知識的結(jié)構(gòu)和形式比較確定。5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)5.4.1推理機基本概念一、概念：推理機是知識庫系統(tǒng)問題求解過程必不可少的機制，其功能是根據(jù)一定的推理策略從知識庫中選擇有關(guān)知識，對用戶提供的事實進行推理，直到得出相應(yīng)的結(jié)論為止。二、控制策略控制策略決定了對知識進行選擇的方法，對問題求解的效率和效果有重要影響，常用的控制策略有三種：數(shù)據(jù)驅(qū)動控制（又稱前向推理）、目標(biāo)驅(qū)動控制（又稱反向推理）和混合推理（又稱雙向推理）。5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)三、3種控制策略的問題空間及特點數(shù)據(jù)驅(qū)動控制適合于解空間很大的問題，其主要缺點是盲目推理，求解了許多與總目標(biāo)無關(guān)的子目標(biāo)；目標(biāo)驅(qū)動控制適合于解空間較小的問題，其不足在于子目標(biāo)選擇盲目，不允許用戶主動提供信息來指導(dǎo)推理過程；混合控制則綜合了兩者的優(yōu)點。5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)四、推理的方式推理方向用來確定推理的控制方式，即推理過程是從初始證據(jù)開始到目標(biāo)，還是從目標(biāo)開始到初始證據(jù)。按照對推理方向的控制，推理可分為正向推理、逆向推理、混合推理及雙向推理四種情況。無論哪一種推理方式，系統(tǒng)都需要有一個存放知識的知識庫，一個存放初始證據(jù)及中間結(jié)果的綜合數(shù)據(jù)庫和一個用于推理的推理機。5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)（1）正向推理正向推理是一種從已知事實出發(fā)、正向使用推理規(guī)則的推理方式，亦稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動推理或前項鏈推理。其基本思想是：用戶需要事先提供一組初始證據(jù)，并將其放入綜合數(shù)據(jù)庫。推理開始后，推理機根據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫中的已有事實，到知識庫中尋找當(dāng)前可用知識，形成一個當(dāng)前可用知識集，然后按照沖突消解策略，從該知識集中選擇一條知識進行推理，并將新推出的事實加入綜合數(shù)據(jù)庫，作為后面繼續(xù)推理時可用的已知事實，如此重復(fù)這一過程，直到求出所需要的解或者知識庫中再無可用知識為止。

5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)（2）逆向推理概念：逆向推理是一種以某個假設(shè)目標(biāo)作為出發(fā)點的推理方法，也稱為目標(biāo)驅(qū)動推理或逆向鏈推理。其基本思想是：首先根據(jù)問題求解的要求，將要求證的目標(biāo)（稱為假設(shè)）構(gòu)成一個假設(shè)集，然后從假設(shè)集中取出一個假設(shè)對其進行驗證，檢查該假設(shè)是否在綜合數(shù)據(jù)庫中、是否為用戶認(rèn)可的事實。直到被肯定或否定。例子：5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)如圖所示，反向推理如先假定錄取，反推所有條件不滿足，則不錄取。5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)（2）逆向推理優(yōu)點:逆向推理的主要優(yōu)點是不必尋找和使用那些與假設(shè)目標(biāo)無關(guān)的信息和知識，推理過程的目標(biāo)明確，同時也有利于向用戶提供解釋，在診斷性專家系統(tǒng)中較為有效。缺點:其主要缺點是當(dāng)用戶對解的情況認(rèn)識不清時，由系統(tǒng)自主選擇假設(shè)目標(biāo)的盲目性比較大，若選擇不好，可能需要多次提出假設(shè)，會影響系統(tǒng)效率。

5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)（3）混合推理為了更好地發(fā)揮這兩種推理各自的長處，避免各自的短處，互相取長補短，可以將它們結(jié)合起來使用。把正向推理和逆向推理結(jié)合起來所進行的推理稱為混合推理?；旌贤评砜捎卸喾N具體的實現(xiàn)方法。例如，可以采用先正向推理，后逆向推理的方法；也可以采用先逆向推理，后正向推理的方法；還可以采用隨機選擇正向和逆向推理的方法。有先后順序5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)（4）雙向混合推理所謂雙向混合推理是指正向推理和逆向推理同時進行，使推理過程在中間的某一步結(jié)合起來。其基本思想是：依據(jù)某種選擇，先根據(jù)問題的已知事實進行正向推理，或從假設(shè)目標(biāo)出發(fā)進行逆向推理。在整個推理過程中，兩種控制策略依據(jù)一定的算法交替執(zhí)行。

5.4.5推理機制的設(shè)計與實現(xiàn)混合推理的適用場合l）已知事實不夠充分2）由正向推理推出的結(jié)論可信度不高3）希望得出更多的結(jié)論4）希望從正反兩個方向同時進行推理5.5知識的表示及組織

知識的表示、知識的獲取及知識的運用，成為知識處理學(xué)的三大課題。一般認(rèn)為知識的表示處于中心地位。因為一方面獲取的知識必須表示成某種形式，否則就無從記錄知識；另一方面顯然沒有表示就根本談不上運用知識。5.5.1知識表示的概念一、知識的定義知識的定義是“以各種方式把一個或多個信息關(guān)聯(lián)在一起的信息結(jié)構(gòu)”。簡言之，知識是一個或多個信息之間的關(guān)聯(lián)（關(guān)系或聯(lián)系）。知識表示實際上就是對知識的一種描述，即用一些約定的符號把知識編碼成一組計算機可以接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。知識表示過程就是把知識編碼成某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過程。知識表示技術(shù)就是研究在計算機中如何用最合適的形式對系統(tǒng)中所需的各種知識進行組織，它與問題的性質(zhì)和推理控制策略有著密切的關(guān)系。5.5.2知識表示觀點和方法1．知識表示觀點知識表示觀點是人們對知識表示的看法。根據(jù)對控制性知識的組織方式，目前已形成了以下兩種有代表性的知識表示觀點。（1）陳述性觀點陳述性知識表示是指以陳述的方式把知識用一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示出來。即把知識看作一種特殊的數(shù)據(jù).知識表示僅說明描述的對象是什么，不涉及如何運用知識的問題。5.5.2知識表示觀點和方法（2）過程性觀點過程性知識表示是指以程序（亦稱為過程）的方式把知識表示出來，即把知識寓于程序之中，把知識表示和運用知識結(jié)合起來。過程性知識表示的優(yōu)點是推理過程直接、清晰，有利于模塊化，并且便于用特殊領(lǐng)域的啟發(fā)式信息來避免推理思路的不相關(guān)和不自然，因此工作效率較高；其主要缺點是靈活性差，對知識的維護不方便。5.5.2知識表示觀點和方法2．知識表示方法知識表示方法又稱為知識表示技術(shù)，其表示形式被稱為知識表示模式。目前，使用較多的知識表示方法有10余種，如一階謂詞邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、框架表示法、腳本表示法、過程表示法、面向?qū)ο蟊硎痉ㄒ约耙恍┎淮_定性知識的表示方法等。5.5.3知識的規(guī)則表示法是由一組以“如果這個條件滿足的話,那么就得出這個結(jié)論或采取這個動作”的形式表示人類知識和經(jīng)驗的基本形式.其形式為:IFConditionTHENConclusion/Action

如果條件那么結(jié)論或動作1）每個這樣的語句就叫一個規(guī)則，一系列這樣的規(guī)則就構(gòu)成知識庫；2）與傳統(tǒng)的程序相比知識庫中運用的“IF-THEN”語句的數(shù)量和深度不同（通常含有幾百甚至于幾萬條規(guī)則，其次，規(guī)則往往是相互關(guān)聯(lián)，嵌套很多層，而且嵌套關(guān)系比傳統(tǒng)的程序要復(fù)雜）。知識規(guī)則表示法的框圖實例：5.5.5框架表示法框架表示法是在框架理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)化知識表示方法。在框架表示法中,事物之間的相互關(guān)系是基于共享特性而不是層次關(guān)系?？蚣芾碚撜J(rèn)為人們對現(xiàn)實世界中各種事物的認(rèn)識都是以一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲在記憶中的。當(dāng)遇到一個新事物時，就從記憶中找出一個合適的框架，并根據(jù)新的情況對其細節(jié)加以修改、補充，從而形成對這個新事物的認(rèn)識。如，當(dāng)一個人走進教室前，會根據(jù)以往對教室的認(rèn)識，想象到教室會有窗戶、黑板、課桌、凳子、講臺等。至于該教室的細節(jié)，還需要在進入教室后通過觀察來得到。5.5.5框架表示法關(guān)與知識的框架框架所表示的知識不是層次式的，而是概念式、隨意式的。如圖所示，一個汽車，它有特征或框架中的槽，如四個輪子，一個汽油或柴油馬達，可以行走或運動。汽車的特點可以和其他類的東西相比較，如摩托車，見圖中摩托車框架。5.5.5框架表示法優(yōu)點結(jié)構(gòu)性：把知識的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、聯(lián)系表示出來深層性：可通過Is-a,A-kind-of,Subclass等以嵌套結(jié)構(gòu)分層對知識進行表示繼承性：自然性：高度模擬人腦對實體的多方面、多層次的存儲結(jié)構(gòu)，直觀、自然缺點缺乏框架的形式理論支撐缺乏過程性知識表示清晰性難以保證5.5.6語義網(wǎng)絡(luò)表示法概念：當(dāng)知識涉及有互聯(lián)特性的對象和群族時,用語義網(wǎng)絡(luò)表示法更有效。語義網(wǎng)絡(luò)是一種采用網(wǎng)絡(luò)的形式表示人類知識的方法。形式上，一個語義網(wǎng)絡(luò)為一個帶標(biāo)識的有向圖，其中帶有標(biāo)識的結(jié)點表示問題領(lǐng)域中的物體、概念、事件、動作或勢態(tài)，結(jié)點一般劃分為實例結(jié)點和類結(jié)點兩種類型；結(jié)點之間的有向弧表示結(jié)點之間的語義聯(lián)系，是語義網(wǎng)絡(luò)組織知識的關(guān)鍵。即語義基本單元可用如下三元組：（結(jié)點1，弧，結(jié)點2）來表示。5.5.6語義網(wǎng)絡(luò)表示法實例：1、用語義基元描述“駝鳥是一種鳥”這一事實。由于“駝鳥”與“鳥”之間的語義聯(lián)系為“是一種”，因此在此語義網(wǎng)絡(luò)中，弧線被標(biāo)識為“是一種”。5.5.6語義網(wǎng)絡(luò)表示實例2，用語義網(wǎng)絡(luò)表示以下兩個簡單事實：李新的自行車是永久牌、藍色、26型。王紅的自行車是金獅牌、紅色、24型。這兩個事實相互獨立，但又有一定聯(lián)系。不管是李新的自行車，還是王紅的自行車，都是一輛特定的自行車，屬于具體概念。為使該問題的表示更加一般化和便于擴充，可在語義網(wǎng)絡(luò)中增加“自行車”這個抽象概念，并用自行車1、自行車2分別代表李新和王紅的自行車。其語義網(wǎng)絡(luò)如圖所示。5.5.6語義網(wǎng)絡(luò)表示語義網(wǎng)絡(luò)推理過程用語義網(wǎng)絡(luò)表示知識的問題求解系統(tǒng)主要由兩大部分所組成，一部分是由語義網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的知識庫