【正文】 決策支持系統(tǒng) 系統(tǒng)工程專業(yè)本科學(xué)員必修課 第四章 智能決策支持系統(tǒng)和智能技術(shù)的決策支持 ?人工智能基本原理 本章內(nèi)容 ?智能決策支持系統(tǒng)概述 ?專家系統(tǒng)與智能決策支持系統(tǒng) ?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策支持 ?遺傳算法的決策支持 ?機(jī)器學(xué)習(xí)的決策支持 智能決策支持系統(tǒng)概述 智能決策支持系統(tǒng)概念 智能決策支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 1981年， Bonczek提出了 DSS三系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中有“ 知識(shí)系統(tǒng) ” ，使得不少學(xué)者將 DSS劃為人工智能的范疇，研究知識(shí)表示與知識(shí)推理，這樣， DSS與人工智能的專家系統(tǒng)的界限變得模糊了。 ? 1980年， Spraque提出 DSS的三部件結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng) DSS結(jié)構(gòu)的典型代表。 ? IDSS實(shí)際上就是在 DSS基礎(chǔ)上增加了 知識(shí)部件 。 智能決策支持系統(tǒng)概念 知識(shí)部件 知識(shí)庫 知識(shí)管理系統(tǒng) 推理機(jī) 智能決策支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （ 1）專家系統(tǒng) （ 2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （ 3）遺傳算法 （ 4）機(jī)器學(xué)習(xí) （ 5）自然語言理解 （ 1） IDSS的基本結(jié)構(gòu)形式 問題綜合與交互系統(tǒng) 模型庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 人工智能技術(shù) 專家系統(tǒng) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 遺傳算法 機(jī)器學(xué)習(xí) 自然語言理解 模型庫 數(shù)據(jù)庫 （ 2） IDSS的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖 問題綜合與交互系統(tǒng) 模型庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 知識(shí)庫管理系統(tǒng) 推理機(jī) 模型庫 數(shù)據(jù)庫 知識(shí)庫 用戶 人工智能基本原理 邏輯推理 知識(shí)表示與知識(shí)推理 搜索技術(shù) 邏輯推理 （ 1）概念：概念反映事物的特有屬性和屬性的取值。 （ 3）推理：從一個(gè)或多個(gè)判斷推出一個(gè)新判斷的過程。 （ 2）判斷：對(duì)概念的肯定或否定； 是研究人的思維形式及其規(guī)律的科學(xué)，主要用于形成 概念 ，作出 判斷 ，進(jìn)行 推理 。 2 推理的種類 演繹推理 歸納推理 類比推理 假言推理 三段論推理 數(shù)學(xué)歸納法 假言易位推理 枚舉歸納推理 （ 1）假言推理： “ 如果 p， 那么 q”為真，同時(shí) “ p”為真，則推出 “ q”為真。 p→q ， p┝ q （ 2）三段論推理： “ 如果 p， 那么 q”為真，同時(shí) “ 如果 q，那么 r”為真，則推出 “ 如果 p， 那么 r”為真。 p→q ， q → r ┝ p →r （ 3） 假言易位推理： “ 如果 p， 那么 q”為真，同時(shí) “ 非 q”為真，則推出 “ 非 p”為真。 p→q ，～ q ┝ ～ p 演繹推理 （ 1）數(shù)學(xué)歸納法： A包含 B B2， …… A真 B1真， Bn → Bn＋ 1 歸納推理 （ 2）枚舉歸納推理：由所見的某一類事物的部分分子具有某種屬性，而且沒有遇到相反的情況，于是得出這一類事物都具有這種屬性的一般性結(jié)論。 S1是 P， S2 是 P…… Sn是 P， S1… Sn是 S類中的部分分子，而且沒有遇到相反的事例 所以， S類事物都是 P 類比推理： A事物有 a、 b、 c、 d屬性， B事物有 a、 b、 c屬性（ 或 a， 、b， 、 c， 相似屬性） 所以， B事物也可能有 d 屬性（或 d， 相似屬性） 由兩個(gè)（或兩類）事物在某些屬性上相同，進(jìn)而推斷它們?cè)诹硪粋€(gè)屬性也可能相同的推理。 （ 1）演繹推理的結(jié)論沒有超出已知的知識(shí)范圍，而歸納推理和類比推理的結(jié)論超出了已知的知識(shí)范圍； （ 2）演繹推理中由于前提和結(jié)論有必然聯(lián)系，只要前提為真，結(jié)論一定為真。歸納推理和類比推理中前提和結(jié)論，不能保證有必然聯(lián)系，具有或然性。這樣的結(jié)論未必是可靠的，需要經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)證和證明。 知識(shí)、知識(shí)表示 知識(shí)是加工了的、深思熟慮過的、經(jīng)過推理了的、已經(jīng)達(dá)成共識(shí)的關(guān)于實(shí)體的狀態(tài)以及實(shí)體之間的聯(lián)系的一系列事實(shí)，可以用來指導(dǎo)行動(dòng)，是理解自然規(guī)律并根據(jù)自然規(guī)律預(yù)測(cè)實(shí)際系統(tǒng)行為的能力。 ?知識(shí)的概念 ： 是以各種不同方式把多個(gè)信息關(guān)聯(lián)在一起的信息結(jié)構(gòu)。是人們對(duì)客觀事物及其規(guī)律的認(rèn)識(shí)，知識(shí)還包括人們利用客觀規(guī)律解決實(shí)際問題的方法和策略等。 描述性知識(shí) ：表示對(duì)象及概念的特征及其相互關(guān)系的知識(shí)，及問題求解狀況的知識(shí)，也稱為事實(shí)性知識(shí)。 判斷性知識(shí) ：表示與領(lǐng)域有關(guān)的問題求解知識(shí)，如推理規(guī)則等，也稱啟發(fā)性知識(shí)。 過程性知識(shí) ：表示問題求解的控制策略，即如何應(yīng)用判斷性知識(shí)進(jìn)行推理的知識(shí)。 ?計(jì)算機(jī)所處理的知識(shí)，按其作用可大致分為三類： ?知識(shí)按其作用的層次可分為兩類： 對(duì)象級(jí)知識(shí) ：直接描述有關(guān)領(lǐng)域?qū)ο蟮闹R(shí) 元級(jí)知識(shí) ：描述對(duì)象級(jí)知識(shí)的知識(shí) 知識(shí)、知識(shí)表示 知識(shí)、知識(shí)表示 ?知識(shí)表示： 知識(shí)表示是對(duì)知識(shí)的一種描述，或者說是一組約定，是一種計(jì)算機(jī)可以接受的、用于描述知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)知識(shí)進(jìn)行表示就是把知識(shí)表示成便于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和利用的某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 ?知識(shí)表示的要求 1）表示能力：能夠?qū)栴}求解所需的知識(shí)正確有 效地表達(dá)出來； 2）可理解性：所表達(dá)的知識(shí)簡(jiǎn)單、易于理解； 3）可訪問性：能夠有效地利用所表達(dá)的知識(shí)； 4）可擴(kuò)充性：能夠方便地對(duì)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)充。 知識(shí)、知識(shí)表示 知識(shí)表示的方法 謂詞邏輯 產(chǎn)生式規(guī)則 語義網(wǎng)絡(luò) 框架 劇本 謂詞邏輯的合法表達(dá)式也稱合式公式。它由原子公式、連接詞和量詞組成。 ?原子公式：由謂詞、括號(hào)和括號(hào)中的項(xiàng)組成 辦公地點(diǎn)關(guān)系 劉凌 401 陳東華 402 張明亮 418 辦公地點(diǎn)（劉凌、 401） 辦公地點(diǎn)（陳東華、 402） 辦公地點(diǎn)（張明亮、 418） 1 一階謂詞邏輯 蘭色（盒子） 顏色（盒子、蘭色） 值（顏色、盒子、蘭色） 盒子是蘭色的 ?原子公式：由謂詞、括號(hào)和括號(hào)中的項(xiàng)組成 謂詞邏輯的合法表達(dá)式也稱合式公式。它由原子公式、連接詞和量詞組成。 1 一階謂詞邏輯 ?連接詞：用來組合原子公式以形成較復(fù)雜的合式公式。 ∧ — 合?。?P∧Q ，當(dāng) P、 Q皆為真時(shí)，才為真，否則為假；類似“ AND” ∨ — 析?。?P∨Q ，當(dāng) P、 Q皆為假時(shí)，則為假，否則為真；類似“ OR” ?— 蘊(yùn)涵： P=Q, 只有 P為真， Q為假時(shí)，蘊(yùn)涵式為假，否則為真； ~ — 否定： ~P，當(dāng) P為假時(shí)，才為真，否則為假。 1 一階謂詞邏輯 P Q P=Q T T T T F F F T T F F T 1 一階謂詞邏輯 ?量詞： ?、 ? ，分別為全稱量詞和存在量詞。 例子：“張某送給屋里的每個(gè)人一件禮物” （ ? y） { [ IN(y , ROOM) ∧ HUMAN( y ) ] = (?x) [GIVE(ZHANG , x , y) ∧ PRESENT(x)]} 1 一階謂詞邏輯 2 產(chǎn)生式規(guī)則 產(chǎn)生式 (Production)一詞 ， 首先是由美國數(shù)學(xué)家波斯特 （ ） 提出來的 。 波斯特根據(jù)替換規(guī)則提出了一種稱為波斯特機(jī)的計(jì)算模型 ，模型中的每一條規(guī)則當(dāng)時(shí)被稱為一個(gè)產(chǎn)生式 。 后來 ， 這一術(shù)語幾經(jīng)修改擴(kuò)充 ， 被用到許多領(lǐng)域 。例如 ， 形式語言中的文法規(guī)則就稱為產(chǎn)生式 。 產(chǎn)生式也稱為產(chǎn)生式規(guī)則 ， 或簡(jiǎn)稱規(guī)則 。 2 產(chǎn)生式規(guī)則 產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式為： 前件 → 后件 其中，前件就是前提，后件是結(jié)論或動(dòng)作，前件和后件可以是由邏輯運(yùn)算符 AND、 OR、 NOT組成的表達(dá)式。 2 產(chǎn)生式規(guī)則 產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)一般表示為： if A then B 產(chǎn)生式規(guī)則的語義 ： 如果前提滿足，則可得結(jié)論或者執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，即后件由前件來觸發(fā)。所以，前件是規(guī)則的執(zhí)行條件，后件是規(guī)則體。 例如 ， 下面就是幾個(gè)產(chǎn)生式規(guī)則： (1)如果銀行存款利率下調(diào) ， 那么股票價(jià)格上漲； (2)如果爐溫超過上限 ， 則立即關(guān)閉風(fēng)門； (3)如果鍵盤突然失靈且屏幕上出現(xiàn)怪字符 ， 則是病毒發(fā)作； 一條產(chǎn)生式規(guī)則就是一條知識(shí) 。 用產(chǎn)生式可以實(shí)現(xiàn)推理和操作 ， 產(chǎn)生式規(guī)則是知識(shí)表示形式 。 產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)有 正向 和 逆向 兩種推理方式 。 （ 1）正向推理 ? 逐條搜索規(guī)則庫，對(duì)每一條規(guī)則的前提條件都檢查事實(shí)庫中是否存在； ? 對(duì)前提條件中各子項(xiàng)，若事實(shí)庫中不是全部都存在，放棄該條規(guī)則； ? 若在事實(shí)庫中全部存在，則執(zhí)行該條規(guī)則，并結(jié)論放入到事實(shí)庫中； ? 反復(fù)執(zhí)行上述過程，直至推出目標(biāo)，并存放入事實(shí)庫中。 算法 ： 例如：在產(chǎn)生式規(guī)則庫中有 3條規(guī)則，在事實(shí)庫中存在 B、 C、 E 3個(gè)事實(shí)，且它們均為真。希望通過正向推理，證明目標(biāo) G為真。 B、 C、 E A BG C DA ED V V 產(chǎn)生式規(guī)則庫 事實(shí)庫 推理過程： （ 1）正向推理 （ 2）逆向推理 ?從目標(biāo)開始，尋找以此目標(biāo)為結(jié)論的規(guī)則，并對(duì)該規(guī)則的前提進(jìn)行判斷； ?若該規(guī)則的前提中某個(gè)子項(xiàng)是另一規(guī)則的結(jié)論，再找此結(jié)論的規(guī)則； ?重復(fù)上述過程，直到對(duì)某個(gè)規(guī)則的前提能夠進(jìn)行判斷； ?按此規(guī)則前提的判斷得出結(jié)論的判斷，由此回溯到上一個(gè)規(guī)則的推理，一直回溯到目標(biāo)的判斷。 算法 ： B、 C、 E A BG C DA ED V V 產(chǎn)生式規(guī)則庫 事實(shí)庫 推理過程： G B A C D E （ 2）逆向推理 ? 從概念結(jié)點(diǎn)間問它們之間的關(guān)系 ? 通過概念和關(guān)系問其他結(jié)點(diǎn) 由 1968年在研究人類聯(lián)想記憶時(shí)提出的一種心理學(xué)模型。 3 語義網(wǎng)絡(luò) 基本思想： ? 用結(jié)點(diǎn)表示概念，用弧線表示概念之間的關(guān)系，將領(lǐng)域知識(shí)表示成一種結(jié)構(gòu)圖形式； ? 在語義網(wǎng)絡(luò)中，尋找概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，主要通過語義網(wǎng)絡(luò)的形式推理來回答兩類問題： 3 語義網(wǎng)絡(luò) 結(jié)點(diǎn) 代表實(shí)體，表示各種事物、概念、情況、屬性、狀態(tài)、事件、動(dòng)作等； 語義單元 是由有向圖表示的三元組 (結(jié)點(diǎn) 1,弧 ,結(jié)點(diǎn) 2) 結(jié)點(diǎn) 1 結(jié)點(diǎn) 2 語義關(guān)系 弧 是有方向和標(biāo)注的，方向體現(xiàn)了結(jié)點(diǎn)所代表的實(shí)體的主次關(guān)系，即結(jié)點(diǎn) 1為主，結(jié)點(diǎn) 2為輔； 標(biāo)注 表示所連接的兩個(gè)實(shí)體之間的語義聯(lián)系。 試用語義網(wǎng)絡(luò)表示命題 “ 某學(xué)校小學(xué)生坐車去春 游 ” 。 動(dòng)作方式 某學(xué)校 小學(xué)生 動(dòng)作目的 春游 坐車 屬于 3 語義網(wǎng)絡(luò) 基本的語義關(guān)系 (1)Isa和 Partof型關(guān)系 Isa：表示一個(gè)事物是另一個(gè)事物的實(shí)例，表示具體與抽象關(guān)系，此關(guān)系的一個(gè)最主要的特點(diǎn)是屬性的繼承關(guān)系。 靈長(zhǎng)類 動(dòng)物 Isa Isa型語義網(wǎng)絡(luò) 3 語義網(wǎng)絡(luò) 輪胎 汽車 Partof Partof型語義網(wǎng)絡(luò) (1)Isa和 Partof型關(guān)系 Partof ：表示一個(gè)事物是另一個(gè)事物的一部分，是部分與整體的關(guān)系。 基本的語義關(guān)系 3 語義網(wǎng)絡(luò) Is ：表示一個(gè)結(jié)點(diǎn)是另一個(gè)結(jié)點(diǎn)的屬性 中國的陸地面積 960萬平方公里 Is Is型語義網(wǎng)絡(luò) (1)Isa和 Partof型關(guān)系 基本的語義關(guān)系 3 語義網(wǎng)絡(luò) (2)屬性 (類屬 )關(guān)系 Have ：表示一個(gè)結(jié)點(diǎn)具有另一個(gè)結(jié)點(diǎn)所描述的屬性 Have屬性關(guān)系語義網(wǎng)絡(luò) 鳥 翅膀 Have 基本的語義關(guān)系 3 語義網(wǎng)絡(luò) (2)屬性 (類屬 )關(guān)系 AKindof ：表示一個(gè)事物是另一個(gè)事物的一種類型，表示隸屬關(guān)系。 AKO屬性關(guān)系語義網(wǎng)絡(luò) 鴨嘴獸 哺乳動(dòng)物 AKindof 基本的語義關(guān)系 3 語義網(wǎng)絡(luò) (2)屬性 (類屬 )關(guān)系 Can ：表示一個(gè)結(jié)點(diǎn)能做另一個(gè)結(jié)點(diǎn)的事情。 Can屬性關(guān)系語義網(wǎng)絡(luò) 草魚 水草 eat 基本的語義關(guān)系 3 語義網(wǎng)絡(luò) (3)其他關(guān)系 時(shí)間關(guān)系 ：指不同事物在其發(fā)生時(shí)間方面的先后關(guān)系。 Before： 表示一個(gè)事物在一個(gè)事物之前發(fā)生； After： 表示一個(gè)事物在一個(gè)事物之后發(fā)生； 位置關(guān)系 ：指不同事物在位置方面的關(guān)系。 Locatedon Locatedat Locatedunder Locatedinside Locatedoutside 3 語義網(wǎng)絡(luò) 語義網(wǎng)絡(luò)的推理 語義的推理過程主