Продукционная модель представления знаний

Брянский государственный технический университет
Кафедра «Компьютерные технологии и системы»
ПРОДУКЦИОННАЯ
МОДЕЛЬ
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ЗНАНИЙ
ЛЕКЦИЯ
(С): Доц., к.т.н. Шкаберин В.А.
Содержание
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Структура правила-продукции
Классификация ядер продукции
Системы продукций. Управление системой
продукций
Вывод на продукционной базе знаний
Преимущества и недостатки
продукционной системы
Программные средства, реализующие
продукционный подход
Возникновение термина «продукция»
Продукции являются наиболее популярным средством
представления знаний.
Термин «продукция» предложен американским логиком
Э. Постом (уроженец Польши) в 1936 г. для
определения языков и формальных грамматик.
С 1974 г. он находит широкое применение в экспертных
системах.
Продукционная модель
или модель, основанная на
правилах, позволяет
представить знания в виде
предложений типа
«Если (условие), то
(действие)».
СТРУКТУРА ПРАВИЛА-ПРОДУКЦИИ
«Если (УСЛОВИЕ), то (ДЕЙСТВИЕ)»
«УСЛОВИЕ» (антецедент) - некоторое предложениеобразец, по которому осуществляется поиск в базе
знаний.
«ДЕЙСТВИЕ» (консеквент) – действия, выполняемые
при успешном исходе поиска (они могут быть
промежуточными, выступающими далее как условия
и терминальными или целевыми, завершающими
работу системы).
СТРУКТУРА ПРАВИЛА-ПРОДУКЦИИ
В общем виде под продукцией понимают
выражение следующего вида:
(i); Q; P; AB; N
Структурные части: i
i – имя продукции, с помощью которого
данная продукция выделяется из всего
множества продукций.
В качестве имени может выступать:
1)
лексема (понятие), отражающая суть
продукции
(покупка
книги,
выбор
металлорежущего станка),
2)
порядковый
номер
продукции
хранящемся в памяти системы
множестве (продукция №5).
в
их
Структурные части: Q
Q – сфера
продукции.
применения
Разделение
знаний
на
отдельные сферы позволяет
экономить время на поиск
нужных знаний.
Структурные части: P
P - условие применимости ядра продукции.
Обычно Р представляет собой логическое
выражение (предикат).
Когда Р принимает значение «истина», ядро
продукции активизируется. Если Р ложно, то
ядро продукции не может быть использовано.
Например, если в продукции «НАЛИЧИЕ
ДЕНЕГ; ЕСЛИ ХОЧЕШЬ КУПИТЬ ВЕЩЬ X,
ТО ЗАПЛАТИ В КАССУ ЕЕ СТОИМОСТЬ И
ОТДАЙ
ЧЕК
ПРОДАВЦУ»
условие
применимости ядра продукций ложно, т.е.
денег нет, то применить ядро продукции
невозможно.
Структурные части: AB
AB – ядро продукции, являющееся основным элементом
продукции.
Интерпретация ядра продукции может быть различной,
зависит от того, что стоит слева от знака секвенции ().
Обычно прочтение ядра выглядит так: ЕСЛИ A,ТО B.
Более сложные конструкции ядра допускают в правой части
альтернативный выбор: ЕСЛИ А,ТО В1,ИНАЧЕ В2.
Секвенция может истолковываться в обычном логическом
смысле как знак логического следования В из истинного А
(если А не является истинным выражением, то о В-ничего
сказать нельзя). Возможны и другие интерпретации ядра
продукции, например А описывает некоторое условие,
необходимое для того, чтобы можно было совершить
действие В.
Графическое представление ядра
в виде дерева
Заключение
B
Условие
A1
A2
A3
An
Структурные части: N
N - постусловия продукции, актуализируются
только в том случае, если ядро продукции
реализовалось.
Постусловия
продукции
описывают действия и процедуры, которые
необходимо выполнить после реализации В.
Например, после покупки некоторой вещи в
магазине необходимо в описи товаров,
имеющихся в этом магазине, уменьшить
количество вещей такого типа на единицу.
Выполнение N может происходить не сразу
после реализации ядра продукции.
Пример правила-продукции в ЭС MYCIN
ЕСЛИ
1)
2)
3)
организм обладает грамотрицательной
окраской И
организм имеет форму палочки И
организм аэробный
ТО
есть основания предполагать (0,8), что
этот микроорганизм относится к классу
enterobacteriaceae
Классификация ядер продукции
1. Детерминированные - при актуализации ядра и
при выполнимости А правая часть ядра B
выполняется обязательно
(ЕСЛИ А, ТО B ОБЯЗАТЕЛЬНО)
2. Недетерминированные - В может выполняться
и не выполняться. Интерпретация ядра в этом
случае может, например, выглядеть так:
(ЕСЛИ А, ТО ВОЗМОЖНО В )
Секвенция () в детерминированных ядрах реализуется с
необходимостью, а в недетерминированных — с возможностью.
Типы детерминированных ядер
однозначные
альтернативные
- в правой части ядра указываются
альтернативные возможности выбора, которые оцениваются
специальными весами выбора.
В качестве таких весов могут использоваться вероятностные
оценки, лингвистические оценки, экспертные оценки и т. п.
Пример:
ЕСЛИ А, ТО ЧАЩЕ ВСЕГО НАДО ДЕЛАТЬ В1, РЕЖЕ В2.
прогнозирующие продукции, в которых описываются
последствия, ожидаемые при актуализации А.
Пример:
ЕСЛИ А, ТО С ВЕРОЯТНОСТЬЮ р МОЖНО ОЖИДАТЬ В.
Недетерминированное ядро
Возможность выполнения B может определяться
некоторыми оценками реализации ядра.
Например, если задана вероятность выполнения В при
актуализации А, то продукция (в простейшем случае
продукция состоит лишь из ядра) может быть такой:
ЕСЛИ А, ТО С ВЕРОЯТНОСТЬЮ р РЕАЛИЗОВАТЬ В.
Оценка реализации ядра может быть лингвистической,
связанной с понятием терм-множества лингвистической
переменной, например:
ЕСЛИ А, ТО С БОЛЬШОЙ ДОЛЕЙ УВЕРЕННОСТИ В.
Возможны иные способы задания оценки реализации
ядра.
Система продукций
Если в памяти информационной системы
хранится некоторый набор продукций, то
они образуют систему продукций.
В системе продукций должны быть заданы
специальные
процедуры
управления
продукциями,
с
помощью
которых
происходит актуализация продукций и
выбор для выполнения той или иной
продукции из числа актуализированных.
Управление системой
продукций
При выполнении условия применимости ядер
продукции для группы продукций возникает дилемма
выбора той продукции, которая в данной ситуации
будет
активизирована.
Решение
этой
задачи
возлагается на систему управления системой
продукций. Если, например, ИС реализована на ЭВМ
с параллельной архитектурой, то из фронта
готовых продукций может выбираться не одна
продукция, а столько, сколько параллельных ветвей
может одновременно в данной ситуации выполнять
ЭВМ.
Но
независимо
от
количества
актуализированных
продукций
задача
альтернативного выбора остается.
Пути решения задачи управления
централизованный –
решение об
актуализации
принимается
специальной системой
управления
децентрализованный –
решение об
актуализации
определяется
складывающейся в
этот момент ситуацией
Стратегии управления
выполнением продукций
Принцип «стопки книг»
Принцип наиболее длинного условия
Принцип метапродукций
Принцип «классной доски»
Принцип приоритетного выбора
Управление по именам
Вывод на продукционной базе знаний
1. Прямой - от данных к поиску цели
2. Обратный - от цели для ее подтверждения – к
данным
Данные – это исходные факты, хранящиеся в базе фактов, на
основании которых запускается машина вывода или
интерпретатор
правил,
перебирающий
правила
из
продукционной базы знаний.
Продукционная
модель
чаще
всего
применяется
в
промышленных экспертных системах.
Пример
Имеется фрагмент БЗ из двух правил:
Правило 1 :
ЕСЛИ «отдых - летом» И «человек - активный»,
ТО «ехать в горы».
Правило 2 :
ЕСЛИ «любит солнце»,
ТО «отдых летом».
Предположим в систему поступили данные:
«человек - активный» и «любит солнце»
Прямой вывод на продукционной базе знаний
(от данных – к цели)
1-й проход:
Шаг 1. Пробуем П 1 - не работает не хватает данных «отдых - летом».
Шаг 2. Пробуем П 2 , работает,
в базу поступает факт «отдых - летом».
2-й проход:
Шаг 3. Пробуем П 1 , работает,
активируя цель «ехать в горы», которая и
выступает, например, как совет, который
дает система.
Обратный вывод на продукционной базе знаний
(от цели - к данным, подтвердить выбранную цель при помощи имеющихся правил и данных)
1-й проход:
Шаг 1. Цель - «ехать в горы»: становятся новой целью, и
имеется правило, где она в правой части.
Шаг 2. Цель «отдых летом»: правило П 2 подтверждает
цель и активизирует ее.
2-й проход:
Шаг 3. Пробуем П 1 , подтверждается искомая цель.
Преимущества
продукционных моделей
 Модульность
 Модифицируемость
 Доступность
чтения
 Способность к самообъяснению
 Универсальность
 Эффективность организации
памяти
Модульность
Удаление, изменение, добавление любой
продукции может выполняться независимо
от всех остальных продукций (не приводит
к изменениям в остальных продукциях).
Знания вводятся неупорядоченно как в
словаре или энциклопедии. Практика
показывает, что это естественный способ
пополнения своих знаний для эксперта.
Модифицируемость
Если добавляется или модифицируется
какое-либо правило, то все, что было
сделано ранее, остается в силе и к
новому
правилу
не
относится.
Каждое изменение обладает свойством
аддитивности
и
локальности.
Доступность
чтения
Подавляющая
часть
человеческих
знаний может быть записана в виде
продукций.
Человеческие
знания
являются модульными и поэтому
продукционные системы более близки
для их представления и легки для
чтения.
Универсальность
Системы продукций при необходимости
могут реализовать любые алгоритмы и
способны отражать любое процедурное
знание,
доступное
ЭВМ.
Способность к
самообъяснению
Это свойство связано и с
правилами и с их структурами
внешнего управления. Система
легко прослеживает цепочку
правил, которую она использовала
для получения вывода.
Эффективность
1) Наличие в продукциях указателей на сферу
применения продукции позволяет эффективно
организовать память, сократив время поиска в ней
необходимой информации. Классификация сфер
может быть многоуровневой, что еще более
повышает
эффективность
поиска
знаний.
2) При объединении систем продукций и сетевых
представлений получаются средства, обладающие
большой
вычислительной
мощностью.
3) Параллелизм в системе продукций, асинхронность их
реализации делают продукционные системы удобной
моделью вычислений для ЭВМ новой архитектуры, в
которой идея асинхронности и параллельности является
центральной.
Недостатки продукционной системы:
При большом числе продукций становится сложной
проверка непротиворечивости системы продукций.
Из-за присущей системе недетерминированности
(неоднозначного выбора выполняемой продукции
из
фронта
активизированных
продукций)
возникают принципиальные трудности при
проверке корректности работы системы
Наблюдение из практики: если число продукций >
1000, то мало шансов, что система продукций во
всех случаях будет правильно функционировать.
Программные средства, реализующие
продукционный подход:
 Язык: OPS 5;
 «оболочки» или «пустые» ЭС:
EXSYS Professional, Карра, ЭКСПЕРТ
 САПР : TechCard,T-Flex/TechnoPro,
метаинструментальная САПР
«СПРУТ»
СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ !
ПРЕЗЕНТАЦИЮ ПОДГОТОВИЛ
ШКАБЕРИН В.А.
(С): Брянский областной Центр НИТ БГТУ, 2004.