Формальные логические модели

Традиционно в представлении знаний выделяют формальные логические мо­дели, основанные на классическом исчислении предикатов 1-го порядка, когда предметная область или задача описывается в виде набора аксиом. Реально исчисление предикатов 1-го порядка в промышленных экспертных системах практически не используется. Эта логическая модель применима в основ­ном в исследовательских "игрушечных" системах, т. к. предъявляет очень высокие требования и ограничения к предметной области. В промышлен­ных же экспертных системах используются различные ее модификации и расширения, изложение которых выходит за рамки этой книги. См. [Ада-менко, Кучуков, 2003].

Вывод на знаниях

Как уже сказано в разд. 1.2, наибольшее распространение получила продук­ционная модель представления знаний. При ее использовании база знаний состоит из набора правил, а программа, управляющая перебором правил, называется машиной вывода.

Определение 1.8

Машина вывода (интерпретатор правил) — это программа, имитирующая логический вывод эксперта, пользующегося данной продукционной базой знаний для интерпретации поступивших в систему данных.

Обычно она выполняет две функции:

- просмотр существующих данных (фактов) из рабочей памяти (базы дан­ных) и правил из базы знаний и добавление (по мере возможности) в ра­бочую память новых фактов;

- определение порядка просмотра и применения правил. Этот механизм управляет процессом консультации, сохраняя для пользователя инфор­мацию о полученных заключениях, и запрашивает у него информацию, когда для срабатывания очередного правила в рабочей памяти оказывает­ся недостаточно данных [Осуга, Саэки, 1990].

В подавляющем большинстве систем, основанных на знаниях, механизм вывода представляет собой небольшую по объему программу и включает двакомпонента — один реализует собственно вывод, другой управляет этим процессом.

Действие компонента вывода основано на применении правила, называемого modus ponens: "Если известно, что истинно утверждение А, и существует правило вида "ЕСЛИ А, ТО В", тогда утверждение В также истинно".

Таким образом, правила срабатывают, когда находятся факты, удовлетво­ряющие их левой части: если истинна посылка, то должно быть истинно и заключение.

Компонент вывода должен функционировать даже при недостатке инфор­мации. Полученное решение может и не быть точным, однако система не должна останавливаться из-за того, что отсутствует какая-либо часть вход­ной информации.

Управляющий компонент определяет порядок применения правил и выполняет четыре функции:

1. Сопоставление— образец правила сопоставляется с имеющимися фактами.

2. Выбор — если в конкретной ситуации могут быть применены сразу несколько правил, то из них выбирается одно, наиболее подходящее по заданному критерию (разрешение конфликта).

3. Срабатывание — если образец правила при сопоставлении совпал с какими-либо фактами из рабочей памяти, то правило срабатывает.

4. Действие — рабочая память подвергается изменению путем добавления в нее заключения сработавшего правила. Если в правой части правила содержится указание на какое-либо действие, то оно выполняется (как, например, в системах обеспечения безопасности информации).

Интерпретатор продукций работает циклически. В каждом цикле он про­сматривает все правила, чтобы выявить те, посылки которых совпадают с известными на данный момент фактами из рабочей памяти. После выбора правило срабатывает, его заключение заносится в рабочую память, и затем цикл повторяется сначала.

В одном цикле может сработать только одно правило. Если несколько пра­вил успешно сопоставлены с фактами, то интерпретатор производит выбор по определенному критерию единственного правила, которое срабатывает в данном цикле. Цикл работы интерпретатора схематически представлен на рис. 1.5.

Информация из рабочей памяти последовательно сопоставляется с посыл­ками правил для выявления успешного сопоставления. Совокупность ото­бранных правил составляет так называемое конфликтное множество. Для разрешения конфликта интерпретатор имеет критерий, с помощью которого он выбирает единственное правило, после чего оно срабатывает. Это выра­жается в занесении фактов, образующих заключение правила, в рабочую

Рис. 1.5.Цикл работы интерпретатора

память или в изменении критерия выбора конфликтующих правил. Если же в заключение правила входит название какого-нибудь действия, то оно вы­полняется.

Работа машины вывода зависит только от состояния рабочей памяти и от состава базы знаний. На практике обычно учитывается история работы, т. е. поведение механизма вывода в предшествующих циклах. Информация о поведении механизма вывода запоминается в памяти состояний (рис. 1.6). Обычно память состояний содержит протокол системы.

Управление выводом

От выбранного метода поиска, т. е. стратегии вывода, будет зависеть поря­док применения и срабатывания правил. Процедура выбора сводится к оп­ределению направления поиска и способа его осуществления. Процедуры, реализующие поиск, обычно "зашиты" в механизм вывода, поэтому в боль­шинстве систем инженеры знаний не имеют к ним доступа и, следователь­но, не могут в них ничего изменять по своему желанию.

При разработке стратегии управления выводом важны:

- исходная точка в пространстве состояний. От выбора этой точки зависит и метод осуществления поиска — в прямом или в обратном направлении.

- метод и стратегия перебора — в глубину, в ширину, по подзадачам или иначе.

При обратном порядке вывода вначале выдвигается некоторая гипотеза, а затем механизм вывода как бы возвращается назад, переходя к фактам, пы­таясь найти те, которые подтверждают гипотезу (рис. 1.7, правая часть). Ес­ли она оказалась правильной, то выбирается следующая гипотеза, детализи­рующая первую и являющаяся по отношению к ней подцелью. Далее оты­скиваются факты, подтверждающие истинность подчиненной гипотезы. Вывод такого типа называется управляемым целями, или управляемым консеквентами. Обратный поиск применяется в тех случаях, когда цели извест­ны и их сравнительно немного.

В системах с прямым выводом по известным фактам отыскивается заключе­ние, которое из этих фактов следует (см. рис. 1.7, левая часть). Если такое заключение удается найти, то оно заносится в рабочую память. Прямой вы­вод часто называют выводом, управляемым данными, или выводом, управ­ляемым антецедентами.

Существуют системы, в которых вывод основывается на сочетании упомя­нутых выше методов — обратного и ограниченного прямого. Такой комби­нированный метод получил название циклического.

Пусть имеется фрагмент базы знаний из двух правил:

- П1: Если "отдых — летом" и "человек — активный", то "ехать в горы".

- П2: Если "любит солнце", то "отдых летом".

Рис. 1.7. Стратегии вывода

Предположим, в систему поступили факты — "человек активный" и "любит солнце".

ПРЯМОЙ ВЫВОД— исходя из фактических данных, получить рекомендацию.

- 1-й проход.

• Шаг 1. Пробуем /7/, не работает (не хватает данных "отдых — летом").

• Шаг 2. Пробуем /72, работает, в базу поступает факт "отдых — летом".

- 2-й проход.

• Шаг 3. Пробуем Я/, работает, активизируется цель "ехать в горы",
которая и выступает как совет, который дает ЭС.

ОБРАТНЫЙ ВЫВОД— подтвердить выбранную цель при помощи имею­щихся правил и данных.

- 1-й проход.

• Шаг 1. Цель — "ехать в горы": пробуем П1 — данных "отдых — летом"
нет, они становятся новой целью и ищется правило, где она в левой

части.

• Шаг 2. Цель "отдых — летом": правило П2 подтверждает цель и акти­-
визирует ее.

- 2-й проход.

• Шаг 3. Пробуем П1, подтверждается искомая цель.