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1、决策支持系统 系统工程专业本科学员必修课 第四章智能决策支持系统和智能技术的决策支持 人工智能基本原理 本章内容 智能决策支持系统概述 专家系统与智能决策支持系统 神经网络的决策支持 遗传算法的决策支持 机器学习的决策支持 4 1智能决策支持系统概述 4 1 1智能决策支持系统概念4 1 2智能决策支持系统结构 1981年 Bonczek提出了DSS三系统结构 该结构中有 知识系统 使得不少学者将DSS划为人工智能的范畴 研究知识表示与知识推理 这样 DSS与人工智能的专家系统的界限变得模糊了 1980年 Spraque提出DSS的三部件结构 是传统DSS结构的典型代表 IDSS实际上就是在D
2、SS基础上增加了知识部件 4 1 1智能决策支持系统概念 知识部件 知识库 知识管理系统 推理机 4 1 2智能决策支持系统结构 1 人工智能的决策支持技术 1 专家系统 2 神经网络 3 遗传算法 4 机器学习 5 自然语言理解 2 智能决策支持系统结构形式 2 IDSS的简化结构图 4 2人工智能基本原理 4 2 1逻辑推理 1 形式逻辑 1 概念 概念反映事物的特有属性和属性的取值 3 推理 从一个或多个判断推出一个新判断的过程 2 判断 对概念的肯定或否定 是研究人的思维形式及其规律的科学 主要用于形成概念 作出判断 进行推理 1 假言推理 如果p 那么q 为真 同时 p 为真 则推出
3、 q 为真 p q p q 2 三段论推理 如果p 那么q 为真 同时 如果q 那么r 为真 则推出 如果p 那么r 为真 p q q r p r 3 假言易位推理 如果p 那么q 为真 同时 非q 为真 则推出 非p 为真 p q q p 演绎推理 归纳推理 类比推理 A事物有a b c d属性 B事物有a b c属性 或a b c 相似属性 所以 B事物也可能有d属性 或d 相似属性 由两个 或两类 事物在某些属性上相同 进而推断它们在另一个属性也可能相同的推理 3 总结 1 演绎推理的结论没有超出已知的知识范围 而归纳推理和类比推理的结论超出了已知的知识范围 2 演绎推理中由于前提和结论
4、有必然联系 只要前提为真 结论一定为真 归纳推理和类比推理中前提和结论 不能保证有必然联系 具有或然性 这样的结论未必是可靠的 需要经过严格的验证和证明 4 2 2知识 知识表示 是以各种不同方式把多个信息关联在一起的信息结构 是人们对客观事物及其规律的认识 知识还包括人们利用客观规律解决实际问题的方法和策略等 4 2 2知识 知识表示 4 2 2知识 知识表示 知识表示 知识表示是对知识的一种描述 或者说是一组约定 是一种计算机可以接受的 用于描述知识的数据结构 对知识进行表示就是把知识表示成便于计算机存储和利用的某种数据结构 知识表示的要求1 表示能力 能够将问题求解所需的知识正确有效地表
5、达出来 2 可理解性 所表达的知识简单 易于理解 3 可访问性 能够有效地利用所表达的知识 4 可扩充性 能够方便地对知识进行扩充 4 2 2知识 知识表示 谓词逻辑的合法表达式也称合式公式 它由原子公式 连接词和量词组成 原子公式 由谓词 括号和括号中的项组成 办公地点 刘凌 401 办公地点 陈东华 402 办公地点 张明亮 418 1一阶谓词逻辑 兰色 盒子 颜色 盒子 兰色 值 颜色 盒子 兰色 盒子是兰色的 原子公式 由谓词 括号和括号中的项组成 谓词逻辑的合法表达式也称合式公式 它由原子公式 连接词和量词组成 1一阶谓词逻辑 连接词 用来组合原子公式以形成较复杂的合式公式 合取 P
6、 Q 当P Q皆为真时 才为真 否则为假 类似 AND 析取 P Q 当P Q皆为假时 则为假 否则为真 类似 OR 蕴涵 P Q 只有P为真 Q为假时 蕴涵式为假 否则为真 否定 P 当P为假时 才为真 否则为假 1一阶谓词逻辑 1一阶谓词逻辑 量词 分别为全称量词和存在量词 例子 张某送给屋里的每个人一件礼物 y IN y ROOM HUMAN y x GIVE ZHANG x y PRESENT x 1一阶谓词逻辑 2产生式规则 产生式 Production 一词 首先是由美国数学家波斯特 E Post 提出来的 波斯特根据替换规则提出了一种称为波斯特机的计算模型 模型中的每一条规则当时
7、被称为一个产生式 后来 这一术语几经修改扩充 被用到许多领域 例如 形式语言中的文法规则就称为产生式 产生式也称为产生式规则 或简称规则 2产生式规则 产生式规则的一般形式为 前件 后件 其中 前件就是前提 后件是结论或动作 前件和后件可以是由逻辑运算符AND OR NOT组成的表达式 2产生式规则 产生式规则知识一般表示为 ifAthenB 产生式规则的语义 如果前提满足 则可得结论或者执行相应的动作 即后件由前件来触发 所以 前件是规则的执行条件 后件是规则体 例如 下面就是几个产生式规则 1 如果银行存款利率下调 那么股票价格上涨 2 如果炉温超过上限 则立即关闭风门 3 如果键盘突然失
8、灵且屏幕上出现怪字符 则是病毒发作 一条产生式规则就是一条知识 用产生式可以实现推理和操作 产生式规则是知识表示形式 产生式规则知识有正向和逆向两种推理方式 1 正向推理 逐条搜索规则库 对每一条规则的前提条件都检查事实库中是否存在 对前提条件中各子项 若事实库中不是全部都存在 放弃该条规则 若在事实库中全部存在 则执行该条规则 并结论放入到事实库中 反复执行上述过程 直至推出目标 并存放入事实库中 算法 例如 在产生式规则库中有3条规则 在事实库中存在B C E3个事实 且它们均为真 希望通过正向推理 证明目标G为真 推理过程 1 正向推理 2 逆向推理 从目标开始 寻找以此目标为结论的规则
9、 并对该规则的前提进行判断 若该规则的前提中某个子项是另一规则的结论 再找此结论的规则 重复上述过程 直到对某个规则的前提能够进行判断 按此规则前提的判断得出结论的判断 由此回溯到上一个规则的推理 一直回溯到目标的判断 算法 2 逆向推理 从概念结点间问它们之间的关系通过概念和关系问其他结点 由J R Quilian于1968年在研究人类联想记忆时提出的一种心理学模型 3语义网络 3语义网络 结点代表实体 表示各种事物 概念 情况 属性 状态 事件 动作等 语义单元是由有向图表示的三元组 结点1 弧 结点2 弧是有方向和标注的 方向体现了结点所代表的实体的主次关系 即结点1为主 结点2为辅 标
10、注表示所连接的两个实体之间的语义联系 试用语义网络表示命题 某学校小学生坐车去春游 3语义网络 基本的语义关系 3语义网络 1 Is a和Part of型关系 Part of 表示一个事物是另一个事物的一部分 是部分与整体的关系 基本的语义关系 3语义网络 Is 表示一个结点是另一个结点的属性 1 Is a和Part of型关系 基本的语义关系 3语义网络 2 属性 类属 关系 Have 表示一个结点具有另一个结点所描述的属性 基本的语义关系 3语义网络 2 属性 类属 关系 A Kind of 表示一个事物是另一个事物的一种类型 表示隶属关系 基本的语义关系 3语义网络 2 属性 类属 关系
11、 Can 表示一个结点能做另一个结点的事情 基本的语义关系 3语义网络 3 其他关系 时间关系 指不同事物在其发生时间方面的先后关系 位置关系 指不同事物在位置方面的关系 3语义网络 语义网络的推理 语义的推理过程主要有两种 继承和匹配 3语义网络 语义网络的推理 3语义网络 举例 已知麻雀是一种鸟 求麻雀的特点 试用语义网络表示命题 海浪把战舰轻轻地摇 问1海浪和战舰有什么关系 寻找概念间的关系 问2怎样晃动 通过概念和关系寻找其他结点 问3晃动哪些战舰 寻找概念间的关系 框架 框架是描述对象 一个事物 事件或概念 属性的一种数据结构 由一组描述物体的各个方面的槽 属性 所组成 每个槽 属性
12、 又可包含若干侧面 属性的一个方面 每个侧面都有自己的名字和填入的值 明斯基1975年提出 用来表示经验性知识 一般框架的结构 下面是一个描述 教师 的框架 框架名 类属 工作 教学 科研 缺省 教学性别 男 女 学历 中师 高师 类型 框架 框架 槽值可以有如下几种类型 具体值value默认值default过程值procedure 该值是一个计算过程 它利用该框架的其它槽值 按给定计算过程 公式 进行计算得出具体值 另一框架名 当槽值是另一框架名时 就构成了框架调用 这样就连成了一个框架链 有关框架聚集起来就组成框架系统 空 待填入 框架 框架是知识表示的基本单位 不同的框架之间可以通过属性
13、之间关系建立联系 从而构成一个框架网络 充分表达相关对象间的各种关系 特点 主要描述事物的内部结构及事物之间的类属关系 框架名 动作 攻打动作发出者 美国动作接受者 伊拉克后果 框架名 动作 抵抗动作发出者 伊拉克动作接受者 美国后果 框架名 动作 投降动作发出者 伊拉克动作接受者 美国后果 萨达姆政府垮台 框架名 动作 撤军动作发出者 美国后果 遭国际社会谴责 框架推理的主要形式为 填充槽值 填充槽值的主要方法为 匹配 继承 匹配 在求解某个问题时 先把问题用一个框架表示出来 然后与知识库中的已有框架进行匹配 如果匹配成功 就可获得有关信息 继承 子框架可以拥有其父框架的槽及其槽值 框架 1
14、 匹配框架是一类事物的完整描述 事物之间匹配只能是部分相同槽的匹配 框架1 王强是人性别男行动 音量 进取心中等框架2 消防车是车辆颜色红行动快音量极高载物水 框架 例 王强的行动和音量象消防车 我们要知道王强的行动和音量究竟是什么 应该对两个框架进行匹配 框架 2 继承有两种继承 即直接继承和时序继承 直接继承 在框架网络中下层框架直接从上层框架中继承所有的属性值和条件 如 墙 继承 房子 的所有属性 时序继承 有条件的继承 框架 例 框架名 旧中国政体 资产阶级专政面积 960万平方公里人口 4亿5千万领导党派 国民党框架名 新中国政体 人民民主专政面积 人口 4亿5千万 当时1949年
15、领导党派 共产党其中 面积和人口是相同的 其它槽值就改变了 这就是有条件的继承 关于框架的例子 例描述学校的框架 框架名 类属 类型 范围 大学 中学 小学 位置 省 直辖市 市 面积 单位 平方米 教工人数 学生人数 例描述大学的框架 框架名 类属 类型 范围 综合性大学 专科性大学 专业 默认值 综合学院数 教学楼 教工人数 学生人数 位置 省 直辖市 市 面积 单位 平方米 例描述某所大学的框架 框架名 类属 姓名 中国医科大学专业 医学学院数 13教学楼 20办公楼 40学生宿舍 20教工宿舍 60教工人数 4000职工人数 5000学生人数 20000位置 北京市面积 10000万平
16、方米创建时间 2002年4月 1 有的槽有槽值 有的槽值不明显 有的槽没有槽值 有的槽值是一个框架名 2 这3个框架是层层嵌套的 上位框所具有的属性 下位框也一定具有 下位框可以从上位框继承某些槽值和侧面值 3 框架的推理基于匹配和继承的原则 剧本 剧本是描述一定范围内一串原型事物的结构 剧本由六部分组成 1 开场条件 事件发生之前必须满足的条件 例如 肚子饿了需要进餐 且有钱等 2 结局 事件发生之后 通常会成为现实的情况 例如 肚子不再饿了 花了钱等 3 道具 用来表示与剧本所描述的事件有关的物体 例如 餐桌 菜单 食物等 4 角色 剧本中描述事件中的人物 例如 经理 顾客 服务员等 5 线索 剧本表达事件的时序模式 例如 小食店 餐厅 酒家等 6 场次 事件发生的顺序 每个场次可用框架描述 剧本 剧本特点 结构呆板 知识表示范围窄 不适合用于表达各种知识 但对于表达事先构思好的特定知识非常有效 回顾 智能决策支持系统结构 4 2 3搜索技术 1 问题求解过程的形式表示2 盲目搜索方法3 启发式搜索 状态空间表示法与或树表示法 状态空间表示法的基本思想 定义状态的描述形式 通过使用
