第二章 知识的产生式系统表示法

第二章知识的产生式系统表示法【本章重点】知识及知识表示的概念；产生式表示法；产生式系统的问题求解过程。

【本章难点】产生式表示事实和规则的方法；产生式系统的问题求解过程知识表示的方法：产生式表示法一阶谓词逻辑表示法语义网络表示法框架表示法脚本表示法过程表示法面向对象表示法不确定性知识的表示方法2.1 知识与知识表示的概念一、知识（一）什么是知识知识是人们在改造客观世界的实践中积累起来的认识和经验。

数据是指人们为了描述客观世界中的具体事物而引人的一些数字、字符、文字等符号或符号的组合。

信息是指用不同数据组成的一种结构。

数据和信息是两个密切相关的概念。

数据是信息的载体和表示，信息是数据在特定场合下的含义，或者说信息是数据的语义。

同样，同一条信息在不同场合又可用不向的数据来表示。

信息仅是对客观事物的一般性描述，它还不是知识。

只有经过对其进行挑选、加工、整理、和解释，形成对客观世界的规律性认识后才能称为知识。

知识最有代表性的三个定义：①知识是经过消减、塑造、解释、选择和转换的信息②知识是由特定领域的描述、关系和过程组成的。

③知识＝事实十信念十启发式。

（二）知识的属性1、真假性与相对性真假性是指可以通过实践或推理来证明知识为真或为假。

相对性是指知识的真与假是相对于某些条件、环境及时间而言的，即知识一般不是无条件的真或无条件的假，而是相对于一定环境条件的。

2、不确定性知识的不完备性是指在解决问题时不具备解决该问题所需要的全部知识。

知识的不完备性又可能会导致知识的不确定性和模糊性。

知识的不确定性是指知识所具有的既不能完全被确定为真，又不能完全被确定为假的特性。

知识的模糊性是指知识的“边界”不明确的特性。

3、矛盾性和相容性矛盾性是指同一个知识集中的不同知识之间相互对立或不一致，即从这些知识出发，会推出不一致的结论。

相容性是指同一个知识集中的所有知识之间相互矛盾。

相容性也称为知识的一致性，即从这些知识出发不应该推出一个命题和该命题的否定都是真的，也就是说不能从中推出一对互相予盾的结论。

4、可表示性与可利用性可表示性是指知识可以用适当的形式表示出来。

可利用性是指知识可以被用来解决各种各样的问题。

（三）知识的分类(1) 按知识的性质知识可分为概念、命题、公理、定理、规则和方法等。

(2) 按知识的作用范围知识可分为常识性知识和领域性知识。

(3) 按知识的作用知识可分为事实性知识、过程性知识和控制性知识。

(4) 按知识的层次知识可分为表层知识和深层知识。

(5) 按知识的确定性知识可分为确定性知识和不确定性知识。

(6) 按知识的等级知识可分为零级知识、一级知识、二级知识等。

(7) 按知识的结构及表现形式知识可分为逻辑性知识和形象性知识。

二、知识的表示（一）什么是知识表示知识表示实际上就是对知识的—种描述，即用一些约定的符号把知识编码成一组计算机可以接受的数据结构。

知识表示过程就是把知识编码成某种数据结构的过程。

（二）知识表示的要求(1) 表示能力知识表示能力是指能否正确、有效地将问题求解所需要的各种知识表示出来。

知识表示能力包括以下三个方面：一是知识表示范围的广泛性；二是领域知识表示的高效性；三是对非确定性知识表示的支持程度。

(2) 可利用性知识的利用是指使用知识进行推理，以求得问题的解。

知识的可利用性包括对推理的适应性和对高效算法的支持性。

推理是指根据问题的已知事实，通过使用存储在计算机中的知识推出新的事实(或结论)或执行某个操作的过程。

(3) 可组织性与可维护性知识的组织是指把有关知识按照某种方式组成一种知识结构。

知识维护是指在保证知识的一致性与完整性的前提下对知识所进行的增加、删除、修改等操作。

(4) 可实现性可实现性是指知识表示要便于在计算机上实现，便于直接由计算机对其进行处理。

(5) 自然性与可理解性自然性是指知识表示形式要符合人们的日常习惯和思维方式。

（三）知识表示观点1、陈述性观点陈述性知识表示是指以陈述的方式把知识用一定的数据结构表示出来，即把知识看作一种特殊的数据结构、知识表示仅说明描述的对象是什么，不涉及如何运用知识的问题。

2、过程性观点过程性知识表示是指以程序(亦称为过程)的方式把知识表示出来，即把知识寓于程序之中，把知识表示和运用知识结合起来。

2.2 产生式知识表示和产生式系统“产生式”(production system)首先是由波斯特(Post)于1943年提出的产生式规则(production rule)而得名的。

60年代，成为专家系统的基本结构。

形式上很简单，但在一定意义上模仿了人类思考的过程。

一、产生式表示的基本方法及特性1. 事实的表示事实可看作是断言一个语言变量的值或断言多个语言变量之间关系的陈述句。

在产生式表示法中，事实通常是用三元组或四元组来表示的。

对确定性知识，一个事实可用一个三元组(对象，属性，值) 或(关系，对象1，对象2)来表示。

2. 规则的表示规则描述的是事物间的因果关系。

规则的产生式表示形式常称为产生式规则，简称产生式或规则。

其基本形式为：IF 条件THEN 结论例如：有规则IF（如果）动物有犬齿AND 有爪AND 眼盯前方THEN（那么）这种动物为食肉动物产生式与蕴含式的区别(1) 蕴含式只能表示确定性知识，其真值只能取真或假，而产生式不仅可以表示确定性知识，而且还可以表示不确定性知识。

(2) 在产生式表示中，决定一个产生式是否可用是通过检查已知事实是否与前提中所规定的条件相匹配来实现的，并且匹配可以是精确的，也可以是不精确的。

而谓词逻辑中的蕴含式，其匹配则要求一定是精确的。

也就是说，要满足相应的真值表。

二、产生式系统的组成产生式系统由三部分组成．即总数据库(或全局数据库)、产生式规则和控制策略。

1. 总数据库总数据库有时也称为上下文、当前数据库或暂时存储器。

总数据库是产生式规则的注意中心。

产生式规则的左边表示在启用这一规则之前总数据库内必须准备好的条件。

（二）控制策略1、控制策略的任务控制策略为一个推理机构，由一组程序组成，用来控制产生式系统的运行，决定问题求解过程的推理线路，实现对问题的求解。

其主要任务如下：①按一定策略从规则库中选择与总数据库中的已知事实相匹配的规则。

即把所选规则的前提与总数据库中的已知事实进行比较，若事实与所选规则前提一致，则匹配成功，该规则激活被使用；否则，匹配失败，该规则不可用于当前推理。

②当存在多条匹配成功的规则时，控制策略能够按照某种策略从中选出一条合适的规则去执行。

③如果要执行规则的右部不是问题的目标，且为一个或多个结论时，则把这些结论加入到总数据库中；当其为一个或多个操作时，执行这些操作。

④如果要执行规则的右部满足问题的结束条件，则停止推理。

⑤记住问题求解过程应用过的规则序列，以便求解结束时能够给出问题的解题路径。

2、控制策略的实施过程控制策略的作用是说明下一步应该选用什么规则，也就是说如何应用规则。

通常从选择规则到执行操作分三步：匹配、冲突解决和操作。

匹配在这一步，把当前数据库与规则的条件部分相匹配。

如果两者完全匹配，则把这条规则称为触发规则。

当按规则的操作部分去执行时，称这条规则为启用规则。

被触发的规则不一定总是启用规则，因为可能同时有几条规则的条件部分被满足，这就要在解决冲突步骤中来解决这个问题。

在复杂情况下，在数据库和规则的条件部分之间可能要进行近似匹配。

冲突解决当有一条以上规则的条件部分和当前数据库相匹配时，就需要决定首先使用哪些规则，这称为冲突解决。

例如，设在美式足球(即橄榄球)比赛中有以下两条规则：规则R1 IF fourth dawnShort yardageTHEN punt规则R2 IF fourth dawnShort yardagewithin 30 yards (from the goal line)THEN field goal操作操作就是执行规则的操作部分，经过操作后，当前数据库将被修改。

然后，有可能使用其它规则。

综合实例例： 渡 河 问 题N个传教士，N个野人，一条船，可同时乘坐K个人，要求在任何时候，在河的两岸，传教士人数不少于野人的人数（N=3,K=2）解：(1)综合数据库:用三元组表示, 即(ML, CL, BL), 其中0≤ML, CL≤3, BL∈{0, 1} ML:表示左岸传教士的人数CL:表示左岸野人的人数BL:表示船在左岸总状态数为4×4×2=32列出16个非法状态：此时问题述简化为N=3的M-C问题, 状态空间的总状态数为4×4×2=32, 根据约束条件的要求, 可以看出只有20个合法状态。

再进一步分析后, 又发现有4个合法状态实际上是不可能达到的。

因此实际的问题空间仅由16个状态构成。

下表列出分析的结果: (ML, CL, BL) (ML, CL, BL)(0 0 1)达不到(0 0 0)(0 1 1) (0 1 0)(0 2 1) (0 2 0)(0 3 1) (0 3 0)达不到(1 0 1)不合法(1 0 0)不合法(1 1 1) (1 1 0)(1 2 1)不合法(1 2 0)不合法(1 3 1)不合法(1 3 0)不合法(2 0 1)不合法(2 0 0)不合法(2 1 1)不合法(2 1 0)不合法(2 2 1) (2 2 0)(2 3 1)不合法(2 3 0)不合法(3 0 1)达不到(3 0 0)(3 1 1) (3 1 0)(3 2 1) (3 2 0)(3 3 1) (3 3 0)达不到(2)规则集合: 由摆渡操作组成。

该问题主要有两种操作: pmc操作(规定为从左岸划向右岸)和qmc操作(从右岸划向左岸)。

每次摆渡操作, 船上人数有五种组合, 因而组成有10条规则的集合。

下面定义的规则前5条为pmc操作(从左岸划向右岸), 后5条为qmc操作(从右岸划向左岸)。

if (ML, CL, BL=1) then (ML-1, CL, BL-1); (p10操作)if (ML, CL, BL=1) then (ML, CL-1, BL-1); (p01操作)if (ML, CL, BL=1) then (ML-1, CL-1, BL-1); (p11操作)if (ML, CL, BL=1) then (ML-2, CL, BL-1); (p20操作)if (ML, CL, BL=1) then (ML, CL-2, BL-1); (p02操作)if (ML, CL, BL=0) then (ML+1, CL, BL+1); (q10操作)if (ML, CL, BL=0) then (ML, CL+1, BL+1); (q01操作)if (ML, CL, BL=0) then (ML+1, CL+1, BL+1); (q11操作)if (ML, CL, BL=0) then (ML+2, CL, BL+1); (q20操作)if (ML, CL, BL=0) then (ML, CL+2, BL+1); (q02操作)(3)初始和目标状态: 即(3, 3, 1)和(0, 0, 0)。