Особенности реализации экспертных систем на базе логической модели знаний.
1. Понятие логической модели знаний.
2. Характеристика языка предикатов первого порядка. Особенности
представления знаний.
3. Аппарат логического вывода.
4. Особенности машинной реализации языка предикатов первого порядка.
1. Понятие логической модели знаний.
В основе лог. модели знаний лежит понятие формальной теории и отношения, которые существуют между единицами знаний можно описывать только с помощью синтаксических правил, допустимых в рамках этой теории.
Формальная теория задается всегда четверкой символов S=<B, F, A, R>, где
В - конечное множество базовых символов, иначе - алфавит теории S;
F - подмножество выражений теории S, называемых формулами теории. Обычно имеется эффективная процедура, которая представляет собой совокупность правил, позволяющих из элементов множества В строить синтаксически правильные выражения.
А - выделенное множество правил, называемых аксиомами теории, т. е. множество априорно истинных формул.
R - конечное множество отношений { r1, r2, ... , rn } между формулами, называемыми правилами вывода. Для любого ri существует целое положительное число j, такое, что для каждого множества, состоящего из j формул, и для каждой формулы F эффективно решается вопрос о том, находятся ли эти j-формулы в отношении ri с формулой F. Если ri выполняется, то F называют непосредственным следствием F-формул по правилу ri.
Следствием (выводом) формулы в теории S называется такая последовательность правил, что для любого из них представленная формула явл-ся либо аксиомой теории S, либо непосредственным следствием.
Правила вывода, которые разрабатываются проектировщиками, позволдяют расширить множество формул, которые явл-ся аксиомами теории.
Формальная теория наз. разрешимой, если существует эффективная процедура, позволяющая узнать для любой заданной формулы, существует ли её вывод в теории S.
Формальная теория S наз. Непротиаворечивой, если не существует такой формулы А, что и А, и не А выводимы в данной теории.
Наиболее распространенной формальной теорией, используемой в системах искуственного интеллекта явл-ся исчисление предикатов, то есть функций, которые могут принимать только 2 значения.
К достоинствам логической модели относят:
- наличие стандартной типовой процедуры логического вывода (доказательства теорем). Однако такое единообразие влечет за собой основной недостаток модели - сложность использования в процессе логического вывода эвристик, отражающих специфику ПО.
К другим недостаткам логической модели относят:
- “монотонность”;
- “комбинаторный взрыв”;
- слабость структурированности описаний.
2. Характеристика языка предикатов первого порядка. Особенности представления знаний.
В основе языка предикатов первого порядка лежит понятие предикатов, то есть логическая функция от одной или нескольких нелогических пременных. Функция может принимать значения истина (t) или ложь (f). В рамках логики утверждение считается истинным, если и относящееся к нему предположение считается истинным и заключение самого утверждения тоже истина.
Синтаксис языка предикатов включает: предикативные символы, символы переменных, константы (?), а также разделители ( ), [ ], “, ‘.
Предикативные символы используются для обозначения отношений. Объекты отношений записываются в ( ) после предикативного символа и наз-ся аргументами. Полная запись отношения наз-ся атомной или атомарной формулой.
Атомарная формула:
Является ( Иванов, спец.—поЭВМ)
предикативный терм 1 терм 2
символ
Термы могут представляться констанатами и переменными. Разрешено также в качестве термов использовать функции, к-рые обязательно должны быть определены в рамках ПО. Проектировщик ЭС заранеее определяет, как интерпретировать порядок термов в отношении. Допустимые выражения в исчислении предикатов, в частности атомарные формулы, наз-ся правильно построенными функциями ( ППФ ). В языке предикатов для каждой ППФ обязательно определяется конкретная интерпретация. Как только для ППФ определена интерпретация, говорят, что формула имеет значение “истина”, если соответствующее утверждение ПО истинно, в противном случае ППФ имеет значение “ложь”.
Из формул можно составить предложение с помощью логических связок: конъюнкция, дизъюнкция, импликация, отрицание.
Конъюнкция (?? ) используется для образования составных фраз:
Учится ( Иванов, эк.-университет ) ? располагается ( эк.-университет, Киев )
ППФ, построенные с помощью связки конъюнкция, наз-ся просто конъюнкциями.
Дизъюнкция ( ? ) реализует функцию не исключающего “или”.
Находятся ( Иванов, аудит.-147) И находится ( Иванов, библиотека ).
ППФ, построенные с помощью связки дизъюнкция, наз-ся дизъюнкциями.
Связка импликация ( ? ) используется для представления утверждения типа “если, то”.
Владеть ( Иванов, машина-1) ? марка ( машина-1, “BMW”).
ППФ, построенная путем соединения формул с помощью связки импликация, наз-ся импликацией.
Левая сторона импликации наз-ся антецедент, правая - конциквент. Импликация имеет значение “истина”, если антецедент и конциквент имеют значения “истина”, либо антецедент имеет значение “ложь” независимо от конциквента. В остальных случаях импликация имеет значения “ложь”.
ППФ со знаком отрицания ( ~ ) пред ней наз-ся отрицанием.
В языке предикатов атомная формула может принимать только истинные значения, только ложные значения, а также в зависимости от значений переменных, которые в нее входят, либо итсина, либо ложь. Для того, чтобы при исчислении предикатов можно было манипулировать значениями переменных, потребовалось ввести понятие “квантор”.
Квантор - это операция, в которой участвуют все значения переменной одного предиката.
Квантор служит для указания меры, в какой экземпляры переменной (?), то есть константы должны быть истинными, чтобы все значения в целом были истинными.
Различают квантор общности ? и квантор сущестовования ? . Если перед предикатом записан квантор ? для какой-то переменной, напр. ?(х), то это означает, что значение предиката будет истинным только в том случае, если все значения переменной х будут истинными.
?(х) ( специалист-по-ЭВМ (х) ? программист )
Если перед предикатом записан квантор ?, напр. ?(х), то для истинности предиката достаточно, чтобы только некотрые значения переменной, по крайней мере одно, были истинными.
?(х) ( специалист-по-ЭВМ(х) ? оптимист(х) )
В рамках одного предиката можно использовать и кванторы общности, и кванторы существования, но для разных переменных.
?(х) ?(y) ( служащий (х) ? руководитель (y, х))
Если некотрая переменная в ППФ проквантифицирована, то она называется связанной. В противном случае переменная называется свободной. Любое выражение, которое получается путем квантифицирования правильной формулы, является также ППФ.
Предикатами первого порядка наз-ся предикаты, в которых не допускается квантификация по предикатным или функциональным символам, а можно квантифицировать только переменные.
3. Аппарат логического вывода.
В языке предикатов процедуры логического вывода производятся над знаниями, представленными во внутренней форме по отношению к тем описаниям, к-рые выполнил проектировщик, отражая специфику ПО, т. о. проектировщик работает с внешней формой представления знаний, а процедуры логического вывода - со внутренней.
Перевод внешней формы во внутреннюю производится в системах, реализующих язык предикатов, автоматически на основе таблиц истинности для вычисления отдельных предикатов и логических операций, а также на основании целого ряда эквивалентности ( законы де Моргана, дистрибутивные законы, ассоциативные законы ). В процессе логического вывода языка предикатов используются операции, к-рые применяются к существующим ППФ с целью построения новых ППФ.
“Modus ponens” - используется для создания из ППФ вида А ППФ вида В
( А ? В). ? (“турникет”) интерпретируется как “следовательно”.
Операция специализации. Суть — позволяет доказать, что если некоторому классу обьектов присуще к.-л. свойство, то любой обьект данного класса будет обладать этим свойством. Для всех обьектов класса исп. свойство А, следовательно
??x) W(x), A L*W(A) (?)
Операция — унификация. Использ-ся для док-ва теории, содержащих квантиоризированные формулы приводят в соответствие определенные подвыражения формы путем нахождения подстановок.
Операция резолюция.
Используется для порождения новых предположений. В основе метода резолюции лежит опровержение гипотезы и доказательство, что это неверно. В процессе реализации метода используется операция исключения высказывания, если эти высказывания в даных предположениях отрицаются, а вдругих — нет. Врезультате доказательства если опровержение ложно, формируется пустая резольвента.
Для применения резолюции ППФ должны быть переведены в клаузальную форму путем упрощения, а затем представлено в форме дизьюнкции. Процесс преобразования сводится к следующ. основным этапам:
1 — исключение символов импликации из формул и ограничение области действия символа отрицания
2 — разделение переменных, т.е. замена одной связанной квантором переменной, кот. встречается в выражении несколько раз — различными именами
3 — исключение кванторов существования путем их замены функциями, аргументами которых являются переменные, связанные квантором общности, область действия кот. включает область действия исключенного квантора существования.
4 — преобразование предположений в префиксную форму, т.е. в ППФ не остается кванторов существования. Каждый квантор общности имеет свою переменную, поэтому все кванторы общности можно переместить в начало ППФ и считать, что область действия каждого квантора включает всю ППФ.
5 — приведение матрицы к коньюнктивной нормальной форме, т.е. коньюнкции конечного множества дизьюнкций.
6 — исключение кванторов общности. Это возможно, т.к. все переменные, оставшиеся на этом этапе относятся к квантору общности.
7 — исключение символов коньюнкции. В результате матрица остается только в виде дизьюнкций, над которыми возможно проведение операций резлюции.
4. Особенности машинной реализации языка предикатов первого порядка.
Машинная реализация языка предиката первого порядка имеет ряд серьезных проблем, которые связаны с универсальностью аппарата логического вывода. 1-я проблема — монотонность рассуждений (в процессе логического вывода нельзя отказаться от промежуточного заключения, если становятся известными дополнительные факты, которые свидетельствуют о том, что полученные на основе этого заключения решения не приводят к желаемому результату. 2-я проблема — комбинаторный взрыв ( в процессе логического вывода невозможно применять оценочные критерии для выбора очередного правила.
Безсистемное применение правил в рассчете на случайное доказательство приводит к тому, что возникает много лишних цепочек ППФ , активных в определенный момент времени. Это чаще всего приводит к переполнению рабочей памяти.
В процессе исследований по отысканию эффективных процедур машинной реализации языка предиката наметилось 2 основных подхода(кон. 60-х гг.):
1 — Отбрасывается принцип универсальности языка предиката и производится поиск конкретных процедур, эффективных для конкретной предметной области. В этом случае в БЗ вводились обширные знания предметной области. Наиболее типичный представитель — LISP
2 — развивался в рамках традиционной логики и был направлен на сохранение универсальности , свойственной языку- предикату путем разработки эффективных процедур логического вывода универсальных по своему характеру, но позволяющих нейтрализовать монотонность и комбинаторный взрыв.
Наиболее эффективной разработкой этого подхода явл. язык PROLOG. В нем принята обратная стратегия вывода. Полностью реализованы все средства описания знаний языка-предиката, в т.ч. и кванторами для порождения новых высказываний используется операция резолюции.В качестве процедуры поиска решения, позволяющей устранить монотонность и комбинаторный взрыв используют поиск в иерархически упорядоченном пространстве состояний.
