动态贝叶斯网络结构学习的研究
动态贝叶斯网络DBN
动态贝叶斯网络DBN2008年12月08日星期一 14:49贝叶斯网络（Bayesian Networks）也被称为信念网络（Belif Networks）或者因果网络（Causal Networks），是描述数据变量之间依赖关系的一种图形模式，是一种用来进行推理的模型。
贝叶斯网络为人们提供了一种方便的框架结构来表示因果关系，这使得不确定性推理变得在逻辑上更为清晰、可理解性强。
对于贝叶斯网络，我们可以用两种方法来看待它：首先贝叶斯网表达了各个节点间的条件独立关系，我们可以直观的从贝叶斯网当中得出属性间的条件独立以及依赖关系；另外可以认为贝叶斯网用另一种形式表示出了事件的联合概率分布，根据贝叶斯网的网络结构以及条件概率表（CPT）我们可以快速得到每个基本事件（所有属性值的一个组合）的概率。
贝叶斯学习理论利用先验知识和样本数据来获得对未知样本的估计，而概率（包括联合概率和条件概率）是先验信息和样本数据信息在贝叶斯学习理论当中的表现形式。
贝叶斯网络由以下两部分组成：贝叶斯网的网络结构是一个有向无环图（Directed Acyclic Graph），其中每个结点代表一个属性或者数据变量，结点间的弧代表属性（数据变量）间的概率依赖关系。
一条弧由一个属性（数据变量）A指向另外一个属性（数据变量）B说明属性A的取值可以对属性B的取值产生影响，由于是有向无环图，A、B间不会出现有向回路。
在贝叶斯网当中，直接的原因结点（弧尾）A叫做其结果结点（弧头）B的双亲结点（parents），B叫做A的孩子结点（children）。
如果从一个结点X有一条有向通路指向Y，则称结点X为结点Y的祖先（ancestor），同时称结点Y为结点X的后代（descendent）。
我们用下面的例子来具体说明贝叶斯网的结构：图2.1 简单的贝叶斯网模型图2.1中共有五个结点和五条弧。
下雪A1是一个原因结点，它会导致堵车A2和摔跤A3。
而我们知道堵车A2和摔跤A3都可能最终导致上班迟到A4。
贝叶斯网络的结构学习方法(Ⅱ)
贝叶斯网络是一种用来模拟随机变量之间的依赖关系的图形模型。
它是基于概率推理的一种有效工具，已经在人工智能、医学诊断、风险评估等领域得到了广泛的应用。
贝叶斯网络的结构学习方法是指如何从数据中学习出合适的网络结构，使得网络能够更好地表达变量之间的依赖关系。
本文将介绍几种常见的贝叶斯网络结构学习方法，并分析它们的优缺点。
一、贝叶斯网络结构学习的基本原理在介绍具体的结构学习方法之前，我们先来了解一下贝叶斯网络结构学习的基本原理。
贝叶斯网络由两部分组成：结构和参数。
结构是指网络中变量之间的依赖关系，参数是指网络中每个节点的条件概率分布。
结构学习的目标是从数据中学习出最合适的网络结构，使得网络能够更好地拟合数据，并且具有较好的泛化能力。
贝叶斯网络结构学习的基本原理是基于概率图模型中的条件独立性。
如果两个变量在给定其它变量的条件下是独立的，那么它们在网络中就没有连接。
因此，结构学习的关键是确定变量之间的条件独立性，进而确定网络的连接结构。
二、贝叶斯网络结构学习的方法1. 评分法评分法是一种常见的贝叶斯网络结构学习方法。
其基本思想是通过给网络结构打分，然后选择分数最高的结构作为最优结构。
常用的评分函数包括贝叶斯信息准则（BIC）、最大似然准则（ML）等。
这些评分函数通常考虑了模型的复杂度和数据的拟合程度，能够有效地平衡模型的拟合度和泛化能力。
评分法的优点是简单易实现，并且能够得到较好的结果。
然而，评分法也存在一些缺点，例如对于大规模网络结构的学习效率不高，而且对于参数的选择比较敏感。
2. 约束-based 方法约束-based 方法是另一种常见的贝叶斯网络结构学习方法。
它通过对条件独立性的约束来确定网络结构。
常用的约束包括有向边等价性（DE）和全局马尔可夫性（GMC）。
这些约束可以帮助减少搜索空间，提高结构学习的效率。
约束-based 方法的优点是能够有效地减少搜索空间，并且对参数的选择不敏感。
然而，约束-based 方法也存在一些缺点，例如对于复杂的数据分布，可能会出现约束不满足的情况。
动态贝叶斯网络结构学习的研究
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签名：槛导师签名：璧！垒坠日期硕士学位论文 动态贝叶斯网络结构学习的研究 姓名：胡仁兵 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：冀俊忠
20090501
摘要
摘要
动态贝叶斯网（ＤＢＮ）作为一种特殊的贝叶斯网络（ＢＮ），是贝叶斯网 络与时间信息相结合而形成的可处理时序数据的新的随机模型。由于其在描 述非线性、随机演化的不确定关系时具有较强的优势，所以对动态贝叶斯网 的研究及其应用成为人工智能领域中的一个研究热点。为了进一步提高ＤＢＮ 结构学习算法的效率，本文在研究国内外现有算法的基础上，完成了如下几 方面的工作：
以其中do表示由d的各个观察序列中关于初始状态的事例组成的数据集d一表示由d的各个观察序列中关于动态随机过程状态转换的事例组成的数25本章小结本章从静态贝叶斯网络的概念出发引出了dbn的基本概念详细介绍了dbn结构学习的定义结构学习的基本方法以及网络评分的标准为后续dbn结构学习的算法研究奠定了基础
１）扩展了利用粒子群优化学习贝叶斯网络结构的ＢＮ．ＰＳＯ算法，提出了 基于粒子群优化的ＤＢＮ结构学习算法Ｉ－ＢＮ．ＰＳＯ。新算法首先利用条件独立 性测试（０阶）确定网络候选的连接图，有效地限制了搜索空间，并利用已获 得的互信息作为启发性知识来初始化粒子群；其次，设计了基于ＭＤＬ评分增 益的粒子位置减法算子，使粒子的“飞行”更有效；最后，引入了随机扰动 策略，避免了粒子群的“聚集”现象。在标准数据集上的实验表明，新算法 大大提高了学习的精度和速度。
重要性采样在贝叶斯网络中的参数学习及结构学习方法探索
重要性采样在贝叶斯网络中的参数学习及结构学习方法探索在贝叶斯网络中，参数学习和结构学习是推断过程中至关重要的两个步骤。
重要性采样是一种常见的方法，在贝叶斯网络中可以用于参数学习和结构学习。
首先，让我们先来了解一下贝叶斯网络。
贝叶斯网络是一种概率图模型，用于建模变量之间的依赖关系。
它由有向无环图表示，其中节点表示变量，边表示依赖关系。
贝叶斯网络通过条件概率分布和贝叶斯定理来表示变量之间的关系和推理过程。
参数学习是指在给定贝叶斯网络结构的情况下，通过观察数据来估计网络中的参数。
常见的方法包括最大似然估计和贝叶斯推断。
然而，当变量的数量较多或者数据集较大时，精确估计参数将变得困难。
这时候，重要性采样可以派上用场。
重要性采样是一种用于近似计算积分的方法，可以在参数学习中用于近似计算网络的边缘概率和条件概率。
它基于一个重要性分布，通过对样本进行抽样和权重计算来近似计算目标概率。
重要性采样可以提高计算效率，减少计算复杂度。
在贝叶斯网络中，重要性采样的参数学习方法可以分为两步：抽样和权重计算。
首先，我们需要从重要性分布中抽样得到一组样本，这些样本可以来自先验分布或者其他已知分布。
然后，根据抽样得到的样本，我们可以计算每个样本的权重，权重是目标分布和重要性分布的比值。
最后，通过对样本的加权平均来近似计算目标概率。
结构学习是指在给定数据和变量集合的情况下，从所有可能的网络结构中选择最优的贝叶斯网络结构。
常见的方法有贝叶斯结构学习和启发式搜索。
重要性采样可以用于结构学习中的模型选择和评估。
在结构学习中，重要性采样可以用于从候选网络中抽样网络结构，并计算每个结构的权重。
这些权重可以用于比较不同结构的优劣，并选择最优的网络结构。
同时，重要性采样可以用于对模型进行评估，通过计算不同结构的边缘概率和条件概率来评估模型的质量和准确性。
总结来说，重要性采样是在贝叶斯网络中进行参数学习和结构学习的一种有效方法。
它可以提高计算效率，减少计算复杂度。
贝叶斯网络结构学习
贝叶斯网络结构学习贝叶斯网络学习是一种有效的模式学习方法，用于学习贝叶斯网络结构并将其用于预测和分类问题，它也是一种机器学习技术，许多研究人员都在探索它的优势。
1. 贝叶斯网络结构是什么贝叶斯网络结构乃一种概率图模型，由节点和边组成，各节点代表变量，其中一个节点代表观测值。
边的数量指的是节点变量之间的强依赖关系，一般而言，若两个变量之间存在强依赖关系，则会在图模型中建立一条边，指示他们之间的相关性。
2. 贝叶斯网络学习的基本原理学习贝叶斯网络的基本原理是，利用概率统计的方法来推断出节点和边的特征属性，其中，概率分布中参数的确定是基于训练集中观测数据和先验知识的。
在学习过程中，学习算法会始终寻求优化贝叶斯网络的模型参数，以便实现精确的预测和分类。
3. 在学习贝叶斯网络结构中，学习策略通常有哪些在学习贝叶斯网络结构时，学习策略通常有：连接模型学习（CML）、最大似然学习（MLE）、极大后验概率学习（Bayesian）、凸优化学习以及增量式学习。
CML是典型的机器学习算法，用于学习网络结构和参数变量之间关系，通过不断优化网络结构参数，以提高预测精度和泛化能力，MLE以最大似然方法求出参数估计值，以用于预测模型。
Bayesian学习以后验概率的方法估计参数，凸优化学习基于凸规划，对参数求解，而增量式学习基于随机梯度下降算法，可以迭代地训练模型参数，以用于预测和分类。
4. 为什么要学习贝叶斯网络结构贝叶斯网络结构能够提高模型的精度，有效地克服模型过拟合或欠拟合的情况，减小调参对模型精度的影响，可以有效地处理复杂环境中的知识有效传递和潜在关系等挑战，也可以有效处理特征量级变化大的情况，加快学习和推理速度，并且模型解释性更强。
因此，学习贝叶斯网络结构可以提高模型的预测和分类能力，并有助于完成机器学习任务。
人工智能领域的贝叶斯动态网络模型在不确定性推理中的应用研究
人工智能领域的贝叶斯动态网络模型在不确定性推理中的应用研究摘要：贝叶斯动态网络模型在人工智能领域中扮演着重要的角色，它能够处理不确定性推理问题，并且能够自适应地根据新的观测数据来更新网络结构和参数。
本文将介绍贝叶斯动态网络模型的基本概念、原理及其在不确定性推理中的应用，讨论其优势与局限性，并探讨其未来的发展方向。
第一章引言1.1 背景1.2 研究目的1.3 文章结构第二章贝叶斯动态网络模型的基本概念2.1 贝叶斯原理2.2 动态网络模型2.3 贝叶斯动态网络模型第三章贝叶斯动态网络模型的原理3.1 动态网络的结构3.2 参数学习与推理3.3 动态网络的更新第四章贝叶斯动态网络模型在不确定性推理中的应用4.1 异常检测4.2 预测与决策4.3 机器学习与数据挖掘4.4 智能推荐系统第五章贝叶斯动态网络模型的优势与局限性5.1 优势5.2 局限性第六章贝叶斯动态网络模型的未来发展方向6.1 效率与可伸缩性6.2 结构与参数学习6.3 整体系统设计与优化第七章结论7.1 主要研究内容7.2 创新点7.3 未来展望第一章引言1.1 背景人工智能领域的发展已经取得了显著的成就，但面临着不确定性推理问题。
不确定性推理是指在存在不完整和模糊信息的情况下，推理过程不仅依赖于已有的知识，还需要根据新的观测数据进行更新和调整。
贝叶斯动态网络模型可以很好地处理这一问题。
1.2 研究目的本文的目的是介绍贝叶斯动态网络模型的基本概念、原理及其在不确定性推理中的应用。
通过对其优势与局限性的分析，探讨其未来的发展方向，以期为人工智能领域的研究和应用提供参考。
1.3 文章结构本文分为七个章节。
第二章介绍贝叶斯动态网络模型的基本概念，包括贝叶斯原理、动态网络模型和贝叶斯动态网络模型的定义。
第三章解析贝叶斯动态网络模型的原理，包括动态网络的结构、参数学习与推理以及动态网络的更新。
第四章探讨贝叶斯动态网络模型在不确定性推理中的应用，包括异常检测、预测与决策、机器学习与数据挖掘以及智能推荐系统。
机器学习技术中的动态贝叶斯网络方法
机器学习技术中的动态贝叶斯网络方法动态贝叶斯网络（Dynamic Bayesian Network，DBN）是一种应用于机器学习领域的方法，用于建模和推断变量之间的关系。
它是贝叶斯网络的一种扩展形式，能够捕捉到变量之间的动态变化，从而更好地处理时间序列数据。
在机器学习中，贝叶斯网络是一种以图形模型为基础的概率框架，用于描述变量之间的条件依赖关系。
它基于贝叶斯定理，使用概率论的知识来推断变量之间的关系。
然而，传统的贝叶斯网络通常假设变量之间的关系是静态的，即在整个过程中不会发生变化。
这种假设无法处理时间序列数据中的动态变化。
动态贝叶斯网络通过引入时间因素，扩展了传统贝叶斯网络的能力。
它可以建模和推断变量之间的动态关系，对于时间序列数据的建模具有优势。
动态贝叶斯网络通常采用隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）或卡尔曼滤波器（Kalman Filter）来描述变量的状态转换过程。
在实际应用中，动态贝叶斯网络常用于机器学习中的时间序列预测、故障诊断、运动跟踪和机器人控制等领域。
通过学习动态贝叶斯网络模型，我们可以了解变量随时间的演化过程，从而预测未来的变化趋势或发现异常情况。
具体而言，动态贝叶斯网络的建模过程包括三个关键步骤：变量选择、模型结构建立和参数估计。
首先，我们需要选择合适的变量作为建模对象。
变量的选择应该基于实际问题的需求和数据的特点，以最大程度地捕捉到变量之间的关系和动态变化。
然后，我们需要建立动态贝叶斯网络的模型结构。
这涉及到确定变量之间的依赖关系和状态转换过程。
常用的方法包括使用专家知识、使用数据驱动的方法（如启发式算法、遗传算法）和通过交叉验证等评估不同模型结构的性能。
最后，我们需要估计模型的参数。
参数估计是指根据已有数据来推断模型中的参数，从而使模型与实际数据更符合。
常用的方法包括极大似然估计、贝叶斯估计和最大后验估计等。
动态贝叶斯网络在机器学习中的应用非常广泛。
2011-变结构动态贝叶斯网络的机制研究
第37卷第12期自动化学报Vol.37,No.12 2011年12月ACTA AUTOMATICA SINICA December,2011变结构动态贝叶斯网络的机制研究高晓光1陈海洋2史建国3摘要传统的动态贝叶斯网络(Dynamic Bayesian networks,DBNs)描述的是一个稳态过程,而处理非稳态过程,变结构动态贝叶斯网络更适用、更灵活、更有效.为了克服现有变结构离散动态贝叶斯网络推理算法只能处理硬证据的缺陷,本文在深入分析变结构动态贝叶斯网络机制及其特征的基础上,提出了变结构离散动态贝叶斯网络的快速推理算法.此外,对变结构动态贝叶斯网络的特例,即数据缺失动态贝叶斯网络进行了定义并构建了相应的模型.仿真实验验证了变结构离散动态贝叶斯网络快速推理算法的有效性及计算效率.关键词动态贝叶斯网络,推理,软证据,复杂度DOI10.3724/SP.J.1004.2011.01435Study on the Mechanism of Structure-variable Dynamic Bayesian NetworksGAO Xiao-Guang1CHEN Hai-Yang2SHI Jian-Guo3Abstract Traditional dynamic Bayesian networks(DBNs)are essentially models that describe a variety of stable pro-cesses.To deal with unstable processes,structure-variable dynamic Bayesian networks are more applicable,flexible,and effective.Currently,however,the various inference algorithms under consideration for structure-variable discrete dynamic Bayesian networks(DDBNs)can only handle hard evidence.In this paper,an in-depth and theoretical analysis is given for the mechanism and key characteristics of structure-variable dynamic Bayesian networks,and on this basis,a fast inference algorithm is proposed.Furthermore,a special class of structure-variable dynamic Bayesian networks,dynamic Bayesian networks with missing data,is defined rigorously along with associated network topology and parameter settings of such networks.Several experimental simulations have shown the effectiveness and efficiency of our fast inference algorithm. Key words Dynamic Bayesian networks(DBNs),inference,soft evidences,complexity贝叶斯网络[1−2]是一种图形化的模型,能够图形化地表示一组变量间的联合概率分布函数.贝叶斯网络分为静态贝叶斯网络和动态贝叶斯网络(Dynamic Bayesian networks,DBNs).动态贝叶斯网络[3−4]是静态贝叶斯网络的进一步发展,它除了继承静态贝叶斯网络的优点外,还具有静态贝叶斯网络所没有的优点:在分析问题的过程中考虑了时间因素,在事件推理过程中具有前后连续性,使得这种推理方法更符合客观世界,同时采用概率方法结合专家知识进行描述,并结合历史信息和证据库,因此,具有信息时间积累能力,能更有效地降低不同层次信息综合推理过程中的不确定性.基于此,利用动态贝叶斯网络解决不确定性问题越来越受到众多研究人员的青睐[5−9].动态贝叶斯网络具收稿日期2011-01-11录用日期2011-06-14Manuscript received January11,2011;accepted June14,2011国家自然科学基金(60774064)资助Supported by National Natural Science Foundation of China (60774064)1.西北工业大学电子信息学院西安7101292.西安工程大学电子信息学院西安7100483.海军航空工程学院7系烟台2640011.School of Electronics and Information,Northwestern Poly-technical University,Xi an7101292.School of Electronic Information,Xi an Polytechnic University,Xi an7100483. No.7Department of Navy Aeronautical and Astronautical Uni-versity,Yantai264001有多种表现方式,其中,隐马尔科夫模型(Hidden Markov models,HMM)[10−11]与卡尔曼滤波模型(Kalmanfilter models,KFM)[11−13]是DBNs的特例,同时也是目前研究和应用最广泛的模型.在这两个基本模型的基础上,发展了其他结构更为复杂的动态贝叶斯网[5−9],它们都遵循两个基本假设[14]:1)一阶马尔科夫假设,即各个节点之间的边或者位于同一时间片内,或者位于相邻时间片之间,不能跨越时间片;2)时齐性或齐次性,即B→中的参数不随时间片变化.在本文中,我们把遵循这两个基本假设的动态贝叶斯网络称之为传统的动态贝叶斯网络,它针对环境状态的变化是由一个稳态过程引起的,而稳态过程意味着变化的过程是由本身不随时间变化的规律支配的.在稳态假设下,每个时间片的网络结构相同,只需要为某个“代表性的”时间片中的变量指定条件概率分布就可以了.对于非稳态过程,如图1所示,它的整个过程可以看作是由若干个不同的稳态过程组成的,对于每一个稳态过程,我们可以构建传统的动态贝叶斯网络,如DBN1,DBN2,···,DBN n.从一个稳态1436自动化学报37卷图1非稳态过程是由若干个稳态过程组成,在每个稳态过程可以构建传统DBNsFig.1An unstable process consists of several stable processes,and the traditional DBNs can be constructed on each ofthe stable processes过程到另一个稳态过程,反映了环境的状态发生了突变[15−16].对于整个非稳态过程,每个时间片的网络结构可能不相同,不存在一个“代表性的”时间片,因此,传统的动态贝叶斯网络的假设前提就得不到完全满足,难以对环境突变过程进行建模和推理.为了解决这类推理问题,文献[16]从定义上对传统的DDBNs(Discrete dynamic Bayesian networks)进行了拓展,提出了变结构DDBNs的概念,允许各个时间片上的网络结构和参数可以不相同.在此基础上,本文从数学的角度对变结构动态贝叶斯网络进行了定义,给出了它的性质,并分析了变结构动态贝叶斯网络的数据结构.如果单从结构上将传统的动态贝叶斯网络扩展到变结构动态贝叶斯网络并不难,然而传统动态贝叶斯网络的推理算法是基于图形变换,所以将传统的动态贝叶斯网络的推理算法直接应用在这种模型之上就存在问题.以基于图形变换的接口算法为例[11],当每一个时间片的静态贝叶斯网络相同时,实现起来还比较容易,但当每一个时间片上的静态贝叶斯网络不同时,将带来难以估计的计算量.因此,文献[16]从变结构动态贝叶斯网络的特点出发,提出了变结构DDBNs的推理算法,无需图形变换,就能进行推理.不过该算法只能处理硬证据,即只能处理那些观测变量能确切地告诉我们处于它的哪一种状态的证据.然而在实际的应用中,往往获得的是软证据,即不能确切地告诉我们观测变量处于它的哪一个状态,只能给出观测变量属于它的某一个状态的概率.为了克服该算法的这一缺陷,本文借鉴文献[17−18]处理软证据的基本思想,提出了改进的变结构DDBNs 的推理算法,通过对该算法的复杂度分析表明,处理软证据会增大算法的复杂度,进而提出了变结构DDBNs的快速推理算法.另外,我们还研究了变结构动态贝叶斯网络的一个特例,即在传统的动态贝叶斯网络上,一些时间片上的某些观测节点的证据信息发生缺失而造成了网络结构的变化,由此得到的变结构动态贝叶斯网络,在本文中被义为数据缺失动态贝叶斯网络.这类网络从本质上来说不是真正的变结构动态贝叶斯网络,因为它反映的是稳态随机过程,而真正的变结构动态贝叶斯网络反映的是非稳态随机过程,不过它具有变结构动态贝叶斯网络的特点,因而也把它归为变结构动态贝叶斯网络.传统的动态贝叶斯网络观测数据的缺失可能由多种原因引起的,其中,数据发生随机缺失的情况,可以经过数据修补将变结构DDBNs恢复成传统的动态贝叶斯网络.文献[19−20]已给出这类网络缺失数据的修补算法.1变结构动态贝叶斯网络1.1定义及其性质定义1.具有T个时间片的变结构动态贝叶斯网络定义为(B0,B1→,B2→,···,B T→),其中,B0是一个初始贝叶斯网络,定义了初始时刻的概率分布P(Z0).B t→是一个包含了两个相邻时间片的贝叶斯网络(第t个时间片和第t−1个时间片),定义了两个相邻时间片各变量之间的条件分布,即P(Z t|Z t−1)=n ti=1P(Z ti|P a(Z ti)),其中,Z ti是表示第t个时间片的第i个节点,P a(Z ti)是Z ti的父节点,n t表示第t个时间片的节点数目.变结构动态贝叶斯网络定义的B t→与传统动态12期高晓光等:变结构动态贝叶斯网络的机制研究1437贝叶斯网络定义的B→的不同点在于:1)B t→所包含的两个时间片的贝叶斯网络结构可能随着t的变化而变化;2)放宽了对动态贝叶斯网络关于时齐性的前提假设,即不再要求B t→中的参数相同.图2所示是一个简单的变结构动态贝叶斯网络,其中图2(a)是B0,定义了初始时刻的分布P(Z0).图2(b)是B t→,定义了某一结构发生变化的时刻与前一时刻之间的条件概率P(Z t|Z t−1),其中,该时间片中的节点数增加了1个.图2一个简单的变结构动态贝叶斯网络Fig.2A simple structure-variable DBN根据初始分布和相邻时间片之间的条件分布,可以将变结构动态贝叶斯网络展开到第T个时间片,结果得到一个跨越多个时间片的联合概率分布,即P(Z0:T)=Tt=0n ti=1P(Z ti|P a(Z ti))(1)变结构动态贝叶斯网络具有如下性质:1)非平稳性,即B t→中的参数不是恒定不变的;2)一阶马尔科夫性,即各节点之间的边,或者位于同一个时间片内,或者位于相邻时间片间,但不能跨越时间片.从数据结构上看,变结构动态贝叶斯网络与传统动态贝叶斯网络相比,差异可能有:1)结构相似,但是变量的状态数发生变化;2)各个时间片内的网络结构发生变化,即节点个数发生变化或变量之间的关系发生变化;3)相邻时间片间的变量之间的依赖关系发生变化;4)前三种的某几种变化的组合.因此,要完全表示一个T个时间片的变结构DDBNs,需要如下的数据结构:1)表示各个时间片的离散静态贝叶斯网络的T个有向无环图G1,G2,···,G T,和各个时间片的离散静态贝叶斯网络的条件概率表IntraCP T1,IntraCP T2,···,IntraCP T T;2)表示下一个时间片的离散静态贝叶斯网络与上一个时间片的离散静态贝叶斯网络之间的依赖关系的T−1张状态转移概率表InterCP T1,InterCP T2,···,InterCP T T.1.2改进的变结构DDBNs的推理算法1.2.1变结构DDBNs的推理算法不失一般性,假定一个变结构DDBNs共有T 个时间片,第t个时间片对应的离散静态贝叶斯网络的结构为BNT t(t=1,···,T),对应的条件概率表为IntraCP T t.具有n t个隐藏节点和m t个观测节点,分别记为X ti(t=1,···,T,i=1,···,n t)和Y tj(t=1,···,T,j=1,···,m t),其中,上标表示变量所在的时间片,下标表示变量在隐藏变量集合或观测变量集合中的序号.前后两个时间片间的状态转移概率表为InterCP T t(t=1,···,T−1),对这个变结构DDBNs进行推理,本质上就是计算所有的观测变量处于其观测状态下隐藏节点的联合分布P(X11=x11,···,X1n1=x1n1,···,X T1=x T1,···,X TnT=x TnT|Y11=y11,···,Y1m1=y1m1,···,Y Tm T=y Tm T)(2)其中,{Y11=y11,···,Y1m1=y1m1,···,Y Tm T=y Tm T}是所有观测变量的某一组合状态.{X11=x11,···,X1n1=x1n1,···,X T1=x T1,···,X Tn T}是隐藏变量的一个组合状态.根据贝叶斯公式P(X|Y)=P(X,Y)XP(X,Y)(3)其中,X,Y为变量.可得:P(X11=x11,···,X1n1=x1n1,···,X Tn T=x Tn T|Y11=y11,···,Y1m1=y1m1,···,Y Tm T=y Tm T)=P(X11=x11,···,X1n1=x1n1,···,X Tn T=x Tn T,Y11=y11,···,Y1m1=y1m1,···,Y Tm T=y Tm T)X11,···,X1n1,···,X Tn TP(X11=x11,···,X1n1=x1n1,···,X Tn T=x Tn T,Y11=y11,···,Y1m1=y1m1,···,Y Tm T=y Tm T)(4)1438自动化学报37卷由贝叶斯网络的条件独立性可知,所有变量的联合概率分布等于所有条件概率的乘积.因此有:P (X 11=x 11,···,X 1n 1=x 1n 1,···,X T n T =x Tn T ,Y 11=y 11,···,Y 1m 1=y 1m 1,···,Y T m T =y Tm T )=i,jP (Y i j =y i j|P a (Y i j =y i j ))×k,lP (X k l =x k l |P a (X k l =x kl ))(5)其中,i =1,···,T ,j =1,···,m i ,k =1,···,T ,l =1,···,n k .抽象地说,一个联合分布是一个多变量函数,采用消元法,消去分母中的变量 X 11,···,X 1n 1,···,X T n T ,则有式(6)(见本页底部).式(6)中,i =1,···,T ,j =1,···,m i ,k =1,···,T ,l =1,···,n k ,且i ,j ,k ,l 都是整数.式(6)的分子是观测变量和隐藏变量处于某一组合状态的联合分布,分母是通过对所有组合状态的联合概率分布求和,消去隐藏变量.上述的变结构DDBNs 仅能处理硬证据信息,为了克服该推理算法的不足,提出了改进的变结构离散动态贝叶斯网路的推理算法.1.2.2改进的变结构DDBNs 的推理算法如果观测到的证据信息是软证据,用y kls 表示第k 个时间片的第l 个观测节点处于它的第s 个状态.对软证据信息,可以借鉴文献[17−18]处理多证据的思路,通过加权求和对多证据进行综合.因此可对式(6)修正为式(7)(见本页底部).式中,y t 1:m t o = y t 1o ,y t 2o ,···,y tm t o ,y tko 表示观测变量Y t k 所处的状态,i =1,···,T ,j =1,···,n i ,k =1,···,T ,l =1,···,m k ,且i,j,k,l 都是整数.如果要求某一个隐藏变量的后验概率,则对式(7)进行加和运算:P (X i j =x i j |y 11o ,y 12o ,···,y 1m 1o ,···,y T 1o ,···,y Tm T o )=x 11:n 1,x 21:n 2,···,x T 1:n T\x i jP (x 11,x 12,···,x 1n 1,···,x T1,···,x T n T |y 11o ,y 12o ,···,y 1m 1o ,···,y T 1o ,···,y Tm T o )(8)改进的变结构DDBNs 的推理算法的实现步骤:步骤1.求观测变量和隐藏变量处于每一种组合状态的联合概率,并对联合概率分布进行加权;步骤2.对步骤1中隐藏变量的组合相同的联合概率求和,得到式(7)的分子;步骤3.对步骤2中隐藏变量所有组合状态求和,得到式(7)的分母,即得到归一化因子;步骤4.在步骤2和步骤3的计算结果基础上,利用式(7)就可以计算得到在观测证据条件下隐藏变量的后验概率;步骤5.在步骤4的基础上,利用式(8)求出每个隐藏变量的后验概率.1.2.3复杂度分析假设变结构DDBNs 的单个时间片上的观测节点不超过m 个,隐藏节点数不超过n 个,节点的最大状态数为N ,共获得了T 个时间片,则隐藏变量的状态组合数有N nT 种.若观测证据为硬证据,则计算隐藏变量的一种组合状态的联合分布需要(m +n )T 次运算,遍历隐藏变量的所有组合状态需P (X 11=x 11,···,X 1n 1=x 1n 1,···,X T n T =x T n T |Y 11=y 11,···,Y 1m 1=y 1m 1,···,Y T m T =y Tm T )=i,j P (Y i j =y i j |P a (Y i j =y i j )) k,l P (X k l =x k l |P a (X k l =x kl )) x 11,···,x 1n 1,···,x T nTi,j P (Y i j =y i j |P a (Y i j =y i j )) k,lP (X k l =x k l |P a (X k l =x kl ))(6)P (x 11,x 12,···,x 1n 1,···,x T 1,···,x T n T |y 11o ,y 12o ,···,y 1m 1o ,···,y T 1o ,···,y Tm T o )=P (x 11:n 1,···,x T 1:n T ,y 11:m 1o ,···,y T1:m T o ) x 11:n 1,x 21:n 2,···,x T 1:nTP (x 11:n 1,···,x T1:n T,y 11:m 1o ,···,y T 1:m T o )=(7)y 11:m1s,y 21:m2s,···,y T 1:mTsi,jP (x i j |P a (X ij ))k,l[P (Y k l =y k ls |P a (Y k l ))P (Y k l =y kls )]x 11:n 1,x 21:n 2,···,x T 1:nTy 11:m1s,y 21:m2s,···,y T 1:mT si,jP (x j |P a (X j ))k,l[P (Y l =y ls|P a (Y l ))P (Y l =y ls )]12期高晓光等:变结构动态贝叶斯网络的机制研究1439要(m+n)T N nT次运算,则式(6)的复杂度为O((n+m)T N nT).若观测证据为软证据,则计算式(7)分子的一个联合分布需要(n+2m)T N mT 次运算,遍历隐藏变量的所有状态需要(n+ 2m)T N(m+n)T次运算,则式(7)的复杂度为O((n+ 2m)T N(n+m)T).由式(6)与式(7)的复杂度对比可知,对于同一个网络,处理多状态证据比处理单状态证据的复杂度要高得多,因此降低算法的复杂度就显得非常必要.从式(7)的复杂度分析可知,算法的复杂度主要是由计算分子的复杂度决定的,如果能降低分子计算的复杂度,就能够降低推理算法的复杂度.为了克服改进的变结构DDBNs算法计算量大的缺陷,本文在对该推理算法的分子计算方式分析的基础上,提出了变结构DDBNs的快速推理算法.2变结构DDBNs的快速推理算法2.1算法处理硬证据的变结构DDBNs推理算法利用链式乘积规则和条件独立性,将联合概率分解为一系列参数化的条件概率的乘积.而对于能处理软证据的改进的变结构DDBNs的推理算法,增加了期望求和的过程,这样就显著增大了算法的计算量.为了减少算法的计算量,需对式(7)计算方式进行改变,即交换求和与乘积的次序,则有式(9)(见本页底部).式中,S kl表示第k个时间片上的第l个观测节点共有S kl个状态,i=1,···,T,j=1,···,n i, k=1,···,T,l=1,···,m k,且i,j,k,l都是整数.利用式(9)的计算结果,就可以根据式(8)求出某一个隐藏变量的后验概率.变结构DDBNs快速算法的实现步骤:步骤1.在软证据条件下,计算联合概率分布;步骤2.对步骤1的所有计算结果求和,得到归一化因子;步骤3.利用式(9),计算隐藏变量的后验概率;步骤4.把式(9)的计算结果代入式(8)中,就可以计算出每个隐藏变量的后验概率.2.2复杂度分析假设变结构DDBNs的一个时间片最多有n个隐藏节点、m个观测节点,节点的最大状态数为N,共观测了T个时间片.计算式(9)分子的一个联合概率分布需要(2Nm+n)T次运算,遍历隐藏变量的所有状态需要(2Nm+n)T N nT次运算,则式(9)的复杂度为O((2Nm+n)T N nT).由式(7)与式(9)的复杂度对比可知,指数由(n+m)T变为nT,计算量减少了.对于较复杂的变结构DDBNs,(n+m)T要远远大于nT,计算量减少会更加显著,故而提出的变结构DDBNs的快速推理算法是非常有效的.变结构DDBNs的快速推理算法与改进的变结构DDBNs的推理算法本质区别在于:快速推理算法把联合分布进行了分解,使得运算局部化,因此,可以降低推理的复杂度.从以上分析可知,变结构DDBNs的快速推理算法的优点是:1)能实现软证据条件下的变结构DDBNs的推理;2)提高推理效率.3缺失数据动态贝叶斯网络在动态贝叶斯网络的实际应用中,观测数据由于各种原因会出现数据缺失现象,例如在某些时间片上的证据信息观测不到、剔除了观测数据中的奇异值、数据发生了随机缺失等.如果仅利用现有数据仍能进行推理,因为贝叶斯网络反映的是整个数P(x11,x12,···,x1n1,···,x T1,···,x Tn T|y11o,y12o,···,y1m1o,···,y T1o,···,y Tm T o)=P(x11:n1,···,x T1:n T,y11:m1o,···,y T1:m T o)x11:n1,x21:n2,···,x T1:n TP(x11:n1,···,x T1:n T,y11:m1o,···,y T1:m T o)=i,jP(X ij=x ij|P a(X ij))k,l[s klp=1P(Y kl=y klp|P a(Y kl))P(Y kl=y klp)]x11:n1,x21:n2,···,x T1:n Ti,jP(X ij=x ij|P a(X ij))k,l[s klp=1P(Y kl=y klp|P a(Y kl))P(Y kl=y klp)](9)1440自动化学报37卷据域中数据间的概率关系,缺失数据的节点就不会对网络的推理起作用,相当于这个节点在该时间片上不存在,因而网络的结构就会发生改变,如图3所示.这种变结构动态贝叶斯网络是变结构动态贝叶斯网络的一个特例,下面我们从定义出发,详述这种变结构动态贝叶斯网络的模型及其特点.图3数据缺失动态贝叶斯网络模型Fig.3The DBN model with the missing data对于一个动态贝叶斯网络,如果它在某些时间片上因某些观测变量的证据信息的缺失造成网络结构发生变化,且该网络仍具有如下特征:1)相邻时间片变量之间的依赖关系保持不变;2)对于各时间片上存在的变量状态和变量间的依赖关系保持稳定;3)网络的传感器模型和转移模型的条件分布保持不变.则把具有以上特点的变结构动态贝叶斯网络称为数据缺失动态贝叶斯网络.对于数据缺失动态贝叶斯网络数据来说,数据缺失的节点仅仅是未能获取到对应属性的观测证据,而非对应属性的消失.数据缺失DDBNs描述的是环境状态的变化是由一个稳态过程引起的,而不是非稳态过程引起的,而稳态过程意味着变化的过程是由本身不随时间变化的规律支配的,那么网络的参数就不会随时间的变化而变化.从这个角度上说,这种变结构动态贝叶斯网络不是真正意义上的变结构,仅仅是具有变结构的形式,而真正意义上的变结构反映的是非稳态过程,所以数据缺失动态贝叶斯网络的参数不会因为网络的数据缺失而发生变化.由于数据缺失动态贝叶斯网络在形式上具有变结构动态贝叶斯网络的特点,所以本文把这类动态贝叶斯网络归为变结构动态贝叶斯网络.如果这类网络的数据缺失属于随机缺失,那么可以用数据修补的方法把缺失数据补齐[19−20],这样变结构动态贝叶斯网络就恢复成传统的动态贝叶斯网络.在观测数据缺失率增大时,单个时间片可利用的证据信息减少,会直接影响该时间片的推理结果,使得该时间片推理结果的置信度降低,同时,由于变结构动态贝叶斯网络的各个时间片之间也是相互影响的,各个时间片之间的相互影响减弱.因此,随着观测数据缺失率的增大,会对变结构动态贝叶斯网络的推理结果产生显著影响.4仿真实验4.1构建变结构离散动态贝叶斯网络模型及参数设定图4是识别空中飞机的单个时间片的贝叶斯网络,目标类型为隐藏节点,它分为4个状态:战斗机、轰炸机、电子战飞机和预警机.目标特征是观测节点,主要包括飞行速度(Y1)、雷达波束(Y2)、高度(Y3)和目标雷达反射截面(Radar cross-section, RCS)(Y4),雷达波束(Y5).按照时间轴展开,就可以构建离散动态贝叶斯网络模型,如果数据不发生缺失,构建的动态贝叶斯网络模型如图3(a)所示;如果观测数据发生缺失,构建的变结构动态贝叶斯网络模型如图3(b)所示.模型的参数设定是基于武器专家知识及情报建立起来的,其中,状态转移概率如表1所示,条件概率如表2所示,目标类型的先验概率为P(X=F,B,J,A)=(0.40,0.40,0.15,0.05).由于识别空中飞机类型的过程是一个稳态过程,因此状态转移概率和条件概率在识别过程中保持不变.在仿真实验中,设定有1架轰炸机在初始时刻匀速突防飞行,在发现我方拦截飞机后,轰炸机转弯并加速逃跑,共取得5个时间片的观测值,观测结果如表3所示.在第4和第5个时间片上,由于轰炸机的雷达关机,故观测不到雷达信号,数据缺失了16%.图4单个时间片贝叶斯网络Fig.4Bayesian networks on a single time slice12期高晓光等:变结构动态贝叶斯网络的机制研究1441表1状态转移概率Table1Stable transition probabilitiesX i\X i+1F B J AF0.700.100.100.10B0.150.650.100.10J0.100.100.700.10A0.050.100.150.70表2条件概率Table2Conditional probabilityXP(Y1|X)H,LP(Y2|X)AA,O,AGP(Y3|X)H,LP(Y4|X)B,M,SP(Y5|X)A,FF0.80,0.200.90,0.05,0.050.70,0.300.00,0.60,0.400.10,0.90 B0.30,0.700.10,0.10,0.800.30,0.700.65,0.30,0.050.10,0.90 J0.30,0.700.15,0.70,0.150.50,0.500.30,0.55,0.150.10,0.90 A0.30,0.700.10,0.80,0.100.40,0.600.80,0.10,0.100.90,0.10 4.2仿真实验结果及分析根据表3的观测数据,利用改进的变结构DDBNs的推理算法与变结构DDBNs的快速推理算法分别得到表4的左列推理结果和右列推理结果.图5给出了改进的变结构DDBNs的推理算法和变结构DDBNs的快速推理算法在变结构网络的时间片数不同情况下的运行时间对比图.表3观测数据(数据缺失率为16%)Table3Observation data(Data loss rate:16%)时间Y1Y2Y3Y4Y5片10.30,0.700.20,0.30,0.500.40,0.600.70,0.30,0.000.15,0.85 20.25,0.750.25,0.30,0.450.35,0.650.75,0.25,0.000.10,0.90 30.50,0.500.25,0.25,0.500.35,0.650.80,0.20,0.000.15,0.85 40.35,0.65—0.30,0.700.65,0.35,0.00—50.30,0.70—0.25,0.750.60,0.40,0.00—根据表3的观测数据条件,表5给出了静态贝叶斯网络与变结构DDBNs的推理结果对比,根据表6的观测数据(数据缺失率为28%),表7给出了静态贝叶斯网络与变结构DDBNs的推理结果对比,根据表8的观测数据(数据缺失率为40%),表9给出了静态贝叶斯网络与变结构DDBNs的推理结果对比.表4两种变结构DDBNs推理算法的推理结果对比(数据缺失率为16%)Table4Comparison of inference results given by the two structure-variable DDBNs inference algorithms(Data loss rate:16%)时间片改进的变结构DDBNs推理算法的推理结果:F,B,J,A(%)变结构DDBNs的快速推理算法的推理结果:F,B,J,A(%)1 1.61,96.6,1.22,0.56 1.61,96.6,1.22,0.5620.56,97.3,0.86,1.250.56,97.3,0.86,1.2530.92,93.7,1.64,3.720.92,93.7,1.64,3.724 2.0,75.6,7.31,15.1 2.0,75.6,7.31,15.15 3.89,61.9,12.9,21.3 3.89,61.9,12.9,21.3图5改进的变结构DDBNs的推理算法与变结构DDBNs 的快速推理算法的运行时间对比Fig.5Comparison of time costs of the improvedstructure-variable DDBNs inference algorithm andstructure-variable DDBNs fast inference algorithm从表4的推理结果可以看出,改进的变结构DDBNs的推理算法与变结构DDBNs(Structure-variabce DDBNs,SVDDBNs)的快速推理算法的推理结果在各个时间片上是相同的,因此,尽管这两种算法的推理机制有所不同,但这两种算法的推理结果是等价的.图5的纵坐标是对运行时间取对数,从曲线走势来看,两种算法的运行时间的对数与时间片数近似成线性关系.改进的变结构DDBNs推理算法的斜率比较大,而变结构DDBNs的快速推理算法的斜率非常小.因此,采用变结构DDBNs的快速推理算法能显著减少算法的运行时间,提高了推理效率.在表5、表7、表9的两列数据中,每一组数据从左到右依次为战斗机、轰炸机、电子战飞机和预1442自动化学报37卷警机的概率值,我们取这4个概率值中的最大值所对应的飞机类型作为贝叶斯网络在该时间片上识别出的目标.通过对表5、表7、表9左列与右列的数据对比可知,尽管静态贝叶斯网络和变结构DDBNs都能正确识别出目标类型是轰炸机,但变结构DDBNs比静态贝叶斯网络在对应的时间片上识别出目标的概率更高.根据表5、表7、表9中的左列数据,图6给出了数据缺失率分别为16%、28%、40%的情况下,静态贝叶斯网络在5个时间片上识别出目标为轰炸机的概率对比图.根据表5、表7、表9中的右列数据,图7给出了数据缺失率分别为16%、28%、40%的情况下,变结构DDBNs在5个时间片上识别出目标为轰炸机的概率对比图.表5静态贝叶斯网络与变结构DDBNs的推理结果对比(数据缺失率为16%)Table5Comparison of the inference results of staticBayesian networks and structure-variable DDBNs(Dataloss rate:16%)时间片静态贝叶斯网络的推理结果:F,B,J,A(%)变结构DDBNs的推理结果:F,B,J,A(%)1 6.18,68.6,11.4,13.9 1.61,96.6,1.22,0.562 5.57,72.0,9.98,12.40.56,97.3,0.86,1.253 6.73,71.0,9.09,13.20.92,93.7,1.64,3.7247.47,35.4,22.4,34.7 2.0,75.6,7.31,15.157.36,35.8,23.4,33.5 3.89,61.9,12.9,21.3表6观测数据(数据缺失率为28%)Table6Observation data(Data loss rate:28%)时间Y1Y2Y3Y4Y5片10.30,0.70—0.40,0.600.70,0.30,0.000.15,0.85 20.25,0.750.25,0.30,0.45—0.75,0.25,0.000.10,0.90 30.50,0.500.25,0.25,0.500.35,0.65—0.15,0.85 40.35,0.65—0.30,0.700.65,0.35,0.00—50.30,0.70—0.25,0.750.60,0.40,0.00—从图6的第4、5时间片可以看出,在时间片的数据缺失不变情况下,识别出目标的概率是保持不变的,这是因为静态贝叶斯网络的各个时间片之间是互不影响的.随着观测数据缺失的增大,识别结果的置信度越来越低.在数据缺失达到40%时,在4、5时间片仅能勉强识别出目标.表7静态贝叶斯网络与变结构DDBNs的推理结果对比(数据缺失率为28%)Table7Comparison of the inference results of static Bayesian networks and structure-variable DDBNs(Dataloss rate:28%)时间片静态贝叶斯网络的推理结果:F,B,J,A(%)变结构DDBNs的推理结果:F,B,J,A(%) 110.7,58.3,13.8,17.1 3.55,93.8,1.83,0.802 6.85,69.7,10.8,12.7 6.85,69.7,10.8,12.7325.0,54.5,11.6,8.90 4.53,89.4,2.77,3.2747.47,35.4,22.4,34.7 2.73,73.5,8.28,15.557.36,35.8,23.4,33.5 4.11,60.6,13.6,21.7表8观测数据(数据缺失率为40%)Table8Observation data(Data loss rate:40%)时间Y1Y2Y3Y4Y5片10.30,0.70—0.40,0.60—0.15,0.85 2—0.25,0.30,0.45—0.75,0.25,0.000.10,0.90 30.50,0.500.25,0.25,0.50——0.15,0.85 40.35,0.65—0.30,0.700.65,0.35,0.00—50.30,0.70—0.25,0.750.60,0.40,0.00—表9静态贝叶斯网络与变结构DDBNs的推理结果对比(数据缺失率为40%)Table9Comparison of the inference results of static Bayesian networks and structure-variable DDBNs(Dataloss rate:40%)时间片静态贝叶斯网络的推理结果:F,B,J,A(%)变结构DDBNs的推理结果:F,B,J,A(%) 125.7,46.0,15.8,12.511.4,85.4,2.50,0.69211.2,66.4,10.3,12.1 4.90,91.7,1.77,1.65329.3,50.2,11.9,8.657.29,85.8,3.31,3.6347.47,35.4,22.4,34.7 3.28,71.5,8.85,16.357.36,35.8,23.4,33.5 4.26,59.4,14.0,22.3从图7的曲线走势可以看出,随着观测数据缺失率的不断增大,变结构DDBNs在5个时间片上识别出目标概率不断降低.这是因为变结构DDBNs不仅可以利用单个时间片上的证据信息,而且能够利用其他时间片上的证据信息,各个时间片之间是相互影响的.随着观测数据缺失率的增大,变结构DDBNs可利用的证据信息越来越少,因。
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。