（计算机应用技术专业论文）基于事件的因果关系可计算化分析研究.pdf

浙江人学博十学位论文 摘要 f 人类使用的语言和人们对客观世界的形式化描述中，不同种类的因果关系 无所不在。长期以来，人们试图建立一个令人满意的一般性的因果关系分析理论。 但这已被证明是一项非常困难的工作妊论文中所描述的研究工作是试图建立一 个因果关系的可计算性理论，而且从因果推理的观点来看，这里的因果关系被限 制在基于时间上有序事件之间，更精确地说是存在于部分状态与动作之间的。 其体地说，此项研究在以下几个方面做了工作：它对因果关系存在的实体给 出了一个合适的框架；它建立了一个基于事件的因果关系的理论框架，在这个框 架卜凶果关系的结构与因素能够被合理描述；它提供了一个得到本体论与因果理 沦史 寸的基丁事什的因果关系的一般表达方式，使因果关系能够被形式化为在实 际推理( 例如预测推理) 中应用的因果规则，并使因果关系的非单调性以及其它 的一般性质得到体现；它构造了基于事件的因果关系的抽象推理模型，特别是因 果预测、因果解释和因果诊断；最后它把因果推理模型推广应用到具体的领域以 建立实际的a i 系统，例如在故事理解和法律推理中的应用。 此项研究的创新性主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 通过对事件内部结构的分析，为因果关系建立了以半状态与动作为实体的 本体框架，从而把因果关系定义在半状态与动作的粒度上，使得传统上不 同的实体，比如对象、事件、状态和动作自然地相互关联。 ( 2 ) 通过对因果关系的可能类型的全面分析，给出了因果关系的结构与组成元 索，特别是区分j 潜在的凶果关系内的原因、结果和因果场中的激活条件， 并且把它们同半状态与动作对应起来，建立了关于因果关系的分析理论。 对基于事件的因果关系的结构分析使得我们深入到半状态与动作的层次 来理解因果关系。 ( 3 ) 通过对因果关系一般性质的检验，建立了一种基于默认逻辑的因果规则表 不方法。凶粜关系的默认规则表达为潜在的因果关系提供了一个简洁的语 法与语义形式化工具，使得因果关系能够应用在因果推理模型中，比如预 浙江大学博士学位论文 测、解释和诊断。这个表达抓住了因果关系的特征与本质，也抓住了这样 一个基本常识：在因果推理中，原因与一组激活条件在推出结果的过程中 所起的作用不同，而且原因比激活条件更重要。这也体现了因果推理的非 堆调性。 ( 4 ) 以默认规则表达方法为基础，建立了具体领域的因果推理应用模型。例如 在故事理解领域中，通过默认因果链来填补故事中孤立句子之间的间隙， 从而使得此故事有一个很容易被理解的因果链。在法律推理应用中，把法 律条文表示成因果规则，按照所建立的因果模型进行有效的推理，作为计 算机辅助法律事务所的核心系统。 利用因果关系进行推理是人类最基本的一种智能体现。本研究系统地对基于 事件的因果关系的性质、结构、表示和推理模型进行了讨论，对于人工智能基本 问题的研究与实践有重要意义。夫 ， v、 天键词： 冈果关系；事件 实体结构 因果模型；因果规则，非单调推理； 默认逻辑预测推理、解释推理、诊断推理故事理解：计算机辅助法律事务 j ? 所 v 浙江人学博上学位论文 a b s t r a c t c a u s a lr e l a t i o n so fv a r i o u sk i n d sa r eap e r v a s i v ef e a t u r eo fh u m a nl a n g u a g ea n d t h e o r i s i n ga b o u tt h ew o r l d t h es p e c i f i c a t i o no fas a t i s f a c t o r yg e n e r a la n a l y s i so f c a u s a lr e l a t i o n sh a sl o n gp r o v e dd i f f i c u l t t h er e s e a r c hd e s c r i b e di nt h i st h e s i si sa n a t t e m p tt od e v e l o pac o m p u t a t i o n a lt h e o r yo fc a u s a lr e l a t i o n sb e t w e e nt e m p o r a l l y o r d e r e de v e n t s ，a n dm o r ep r e c i s e l yc a u s a lr e l a t i o n sa m o n gp a r t i a ls t a t e sa n da c t i o n s ， f r o mt h ec a u s a lr e a s o n i n gp o i n to f v i e w m o r es p e c i f i c a l l y ，t h er e s e a r c hp r o v i d e sa na p p r o p r i a t ef r a m e w o r ko fe n t i t i e sa m o n g w h i c hc a u s a lr e l a t i o n sa r et oh o l d ；i ta l s od e v e l o p sat h e o r e t i c a lf r a m e w o r ko fe v e n t c a u s a t i o n ，u n d e rw h i c ht h es t r u c t u r e sa n de l e m e n t so fc a u s a lr e l a t i o n sh o l d i n ga m o n g t h e s eo n t o l o g i c a le n t i t i e sc a nb ed e s c r i b e d ；i tg i v e sag e n e r a lr e p r e s e n t a t i o nt o o lf o r e v e n tc a u s a t i o ns u p p o r t e db yt h eo n t o l o g i c a la n dt h e o r e t i c a lf r a m e w o r k s ，u n d e rw h i c h c a u s a lr e l a t i o n sc a nb ef o r m a l i z e da sc a u s a lr u l e sf o r p r a c t i c a lr e a s o n i n g ，e g ， p r e d i c t i v er e a s o n i n g ，i n w h i c hn o n m o n o t o n i c i t y , a sw e l la st h eo t h e r g e n e r a l p r o p e r t i e s a n dt h en a t u r eo fe l e m e n t si n v o l v e d ，c a nb e c a p t u r e d ；i t c o n s t r u c t s c o m p u t a t i o n a l f r a m e w o r k sf o ra b s t r a c tc a u s a l r e a s o n i n gm o d e l s ，s u c h a sc a u s a l p r e d i c t i o n ，c a u s a le x p l a n a t i o n ，a n dc a u s a ld i a g n o s i s ；a n di tf i n a l l ye x t e n d sa n du t i l i z e s t h e s ea b s t r a c tr e a s o n i n gm o d e l st of o r m a l i z ec a u s a lk n o w l e d g ei ns p e c i f i cd o m a i n st o d e v e l o pp r a c t i c a lc a u s a lr e a s o n i n gs y s t e m sf o ra ir e s e a r c h ，e g ，s t o r yu n d e r s t a n d i n g a n d l e g a lr e a s o n i n g t h er e s e a r c hi so r i g i n a lf r o ms e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea n a l y s i so ft h ei n t e m a ls t r u c t u r eo fe v e n t s p r o v i d e s af u n d a m e n t a l o n t o l o g yf o rc a u s a lr e l a t i o n s t h en e wo n t o l o g yi sb a s e do ne n t i t i e so fp a r t i a l s t a t e sa n da c t i o n s ，w h e r es u c ht r a d i t i o n a ld i f f e r e n te n t i t i e sa s o b j e c t s ， p r o p e r t i e s ，e v e n t s ，s t a t e sa n d a c t i o n sa r e n a t u r a l l yr e l a t e d t oe a c ho t h e r ( 2 ) t h es t r u c t u r a la n a l y s i so fe v e n tc a u s a t i o ne x h a u s t sp o s s i b l et y p e so fe v e n t v 浙江大学博士学位论文 c a u s a t i o nab r o a dd i s t i n c t i o ni sm a d eb e t w e e np o t e n t i a lc a u s a t i o na n da c t u a l c a u s a t i o n ，a n d i n p a r t i c u l a r ，f o rp o t e n t i a l c a u s a t i o n ，a s e to f s t a n d i n g c o n d i t i o n si nt h ec a u s a lf i e l da r ed i s t i n g u i s h e df r o mc a u s ea n de f f e c t a a n a l y t i c a lt h e o r yi se s t a b l i s h e db yp u t t i n gc a u s a le l e m e n t si n t op a r t i a ls t a t e s a n da c t i o n s ，w h i c hd e e p e n so u ru n d e r s t a n d i n go fe v e n tc a u s a t i o na tt h el e v e l o f p a r t i a ls t a t e sa n d a c t i o n s f3 ) a c a u s a lr u l er e p r e s e n t a t i o ni sm a p p e di n t od e f a u l tl o g i cf o r m a l i s m ，b a s e do n t h ee x a m i n a t i o no f g e n e r a lp r o p e r t i e s o fc a u s a t i o nt h ed e f a u l tr u l e r e p r e s e n t a t i o np r o v i d e s ac o n c i s e s y n t a c t i c a n ds e m a n t i cf o r m a l i s mf o r p o t e n t i a l c a u s a lr e l a t i o n st ob eu s e di nc a u s a lr e a s o n i n gm o d e l ss u c ha s p r e d i c t i n g ，e x p l a i n i n ga n dd i a g n o s i n g i tc a p t u r e sg e n e r a lp r o p e r t i e sa n dt h e n a t u r eo fe l e m e n t si n v o l v e d i np a r t i c u l a r ，i tc a p t u r e si n t u r i o nt h a tt h ec a u s e ， t h es e to fs t a n d i n gc o n d i t i o n si nt h ec a u s a lf i e l dp l a yd i f f e r e n tr o l e s ，a n d p a r t i c u l a r l yt h a tt h ec a u s ei sm o r ei m p o r t a n tt h a nt h eo t h e r s ，f o ri n f e r r i n gt h e e f f e c tf r o mac a u s a lr e l a t i o n i ta l s o c a p t u r e sn o n m o n o t o n i c i t y i nc a u s a l r e a s o n i n g ( 4 ) s p e c i f i cc a u s a lr e a s o n i n gs y s t e m sa r ec o n s t r u c t e d i nt h e d o m a i no fs t o r y u n d e r s t a n d i n g ，w h e r ed e f a u l tc a u s a l c h a i n sa r eu s e df o rf i l l i n gi nt h eg a p s b e t w e e ni s o l a t e ds e n t e n c e so fas i m p l e s t o r y t om a k et h e s t o r yc a u s a l l y w e l l c o n n e c t e d ，i nt u r np r o v i d e se v i d e n c ef o rt h ec o m p u t a t i o n a la p p r o a c h a n di nt h ec o m p u t e r - a i d e dl a wa g e n c nc a u s a lr e a s o n i n go fl e g a lr u l e si st h e c o r eo ft h e s y s t e m a n dr e s u l t sc a nh e l pl a w y e r sh a v em o r ee f f i c i e n tl a w d o c u m e n t a t i o n t h eu s eo fc a u s a t i o ni so n eo fb a s i ci n t e l l i g e n c ef o rh u m a nb e i n g s t h es y s t e m a t i c w o r kc o n d u c t e dh e r e m a y b e h e l p f u l f o rf u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e 浙江人学博：l 学位论文 k e y w o r d s ：c a u s a lr e l a t i o n s h i p ，e v e n t ，e n t i t y , s t r u c t u r e ，c a u s a lm o d e l ，c a u s a lr u l e ， n o n m o n o t o n i cr e a s o n i n g ，d e f a u l tl o g i c ，p r e d i c t i n gr e a s o n i n g ，e x p l a n a t o r yr e a s o n i n g ， d i a g n o s t i cr e a s o n i n g ，s t o r yu n d e r s t a n d i n g ，c o m p u t e r - a i d e dl a wa g e n c y 浙江人学博j j 学位论义 第一章绪论 在这一章，我们将在一般意义上来讨论因果关系，以及我们在其它各章中将 要提到的观点与结论。我们按照“这是什么”、“为什么要这样”、“怎样去做”、 “结果会是什么”和“与以前的方法比较有哪些改进”这样的次序来逐个研究因 果关系的分析方法、它的实体、它的性质、它的结构与元素、它的表达与推理、 它的抽象推理模型与应用，等等。 1 1 研究要点 奉论文描述的研究工作是企图建立一个因果关系的可计算性理论( a c o m p u t a t i o n a lt h e o r yo f c a u s a t i o n ) ，并且能够把所建立的理论应用到a i 因果推 理的实际领域中。这里的因果关系局限于时间上有序事件( t e m p o r a l l yo r d e r e d e v e n t s ) 之间的因果关系，更加精确的说是存在于半状态( p a r t i a ls t a t e s ) 和动作 ( a c t i o n s ) 之间，如果把半状态和动作当作事件的更细颗粒的话。 我们可以把研究工作进一步细分成下面几个部分： 1 一个使因果关系得以存在的实体( e n t i t i e s ) 的框架。 2 一个基于事件的因果关系( e v e n tc a u s a t i o n ) 框架，在这个框架下，因果关系 的结构与元素能够被描述，一些因果关系的性质，例如非自反性 ( i r r e f l e x i v i t y ) 、反对称性( a n t i s y m m e t r y ) 、次序性( p r e c e d e n c e ) 、传递性 ( t r a n s i t i v i t y ) 、客观性( o b j e c t i v i t y ) 、正规性( r e g u l a r i t y ) 、条件性 ( c o n d i t i o n a l i t y ) 、虚拟性( c o u n t e r f a c t u a l i t y ) 、非单调性( n o n m o n o t o n o c i t y ) ， 等等，可以被检查。 3 一个一般的基于事件的因果关系的表达工具，用这种表达方式，因果关系可 以被形式化为因果规则( c a u s a lr u l e s ) ，并在实际推理中( 例如预测推理) 得到应用，而且因果关系的性质( 例如非单调性) 得到体现。 4 关于因果预测、因果解释和因果诊断等抽象因果推理模型的可计算性框架。 浙江大学博士学位论文 5 上述推理模型框架在某些具体领域的应用分析，例如故事理解和法律推理。 我们通过建立一个基于事件的因果关系的可计算的分析方法来达到这些具 体的目标。我们的策略是深入研究事件的内部结构，把半状态与动作定义成事件 的最小颗粒，从而把因果关系定义在半状态与动作之上。所以，两个事件之间的 因果关系可以被分析为与这两个事件相关的半状态与动作之间的因果关系。我们 将全面地分析所有可能种类的因果关系，详细识别出因果关系的结构与组成元 素，特别是区分潜在的因果关系中的原因、结果和因果场中的激活条件，并且把 它们与半状态或动作对应起来。同时，我们将检查一些因果关系的普遍性质是否 在上述因果关系中成立。我们将提出一种基于默认逻辑( d e f a u l tl o g i c ) 的规则 表示方法，以体现因果关系的性质与特点。在这种默认规则表示中，原因( c a u s e ) 将被对应为前提条件( p r e r e q u i s i t e ) 、激活条件( s t a n d i n gc o n d i t i o n s ) 将被对应 为判摒条件( j u s t i f i c a t i o n s ) 、结果( e f f e c t ) 将被对应为结论( c o n s e q u e n c e ) 。有 了这个一般的表达工具，我们就可以建立因果推理模型，并把它应用到预测、解 释和诊断等实际推理上。 具体地说，我们将把因果推理应用到故事理解领域，通过对故事中孤立句子 的因果关系的分析，根据脚本中提供的事件序列来填充故事中没有显式给出的事 什，从而形成整个故事的因果链，以达到理解故事的目的。我们还将因果模型应 用到法律领域。在法律咨询系统中，因果推理是最重要的一种推理方式。我们在 分析法律条文的基础上，提出法律知识的因果关系表达模型，给出它的非单调推 理模型，并在基于案例分析与解释的法律专家咨询系统n b u c a l a + 中得到初步 的应用。 整个研究工作较有系统性。对所有例子都给出了认真的分析与说明，相关算 法都有较详细的描述。 本研究在以下几个方面具有独创性。 ( 1 ) 通过对事件内部结构的分析，为因果关系建立了以半状态与动作为实体的 本体框架，从而把因果关系定义在半状态与动作的粒度上，使得传统上不 同的实体，比如对象、事件、状态和动作自然地相互关联。 浙江大学博士学位论文 ( 2 ) 通过对因果关系的可能类型的全面分析，给出了因果关系的结构与组成元 素，特别是区分了潜在的因果关系内的原因、结果和因果场中的激活条件， 并且把它们同半状态与动作对应起来，建立了关于因果关系的分析理论。 对基于事件的因果关系的结构分析使得我们深入到半状态与动作的层次 来理解因果关系。 ( 3 ) 通过对因果关系一般性质的检验，建立了一种基于默认逻辑的因果规则表 示方法。因果关系的默认规则表达为潜在的因果关系提供了一个简洁的语 法与语义形式化工具，使得因果关系能够应用在因果推理模型中，比如预 测、解释和诊断。这个表达抓住了因果关系的特征与本质，也抓住了这样 一个基本常识：在因果推理中，原因与一组激活条件在推出结果的过程中 所起的作用不同，而且原因比激活条件更重要。这也体现了因果推理的非 单调性。 ( 4 )以默认规则表达方法为基础，建立了具体领域的因果推理应用模型。例如 在故事理解领域中，通过默认因果链来填补故事中孤立句子之间的间隙， 从而使得此故事有一个很容易被理解的因果链。在法律推理应用中，把法 律条文表示成因果规则，按照所建立的因果模型进行有效的推理，作为计 算机辅助法律事务所的核心系统。 丌腱本研究足为了适应a i 研究中对系统性地建立因果关系表达与推理模型 的需要。本研究的结论可以为实际a i 领域的因果关系表达与推理提供普遍的表 达方式与可计算框架，使得以前被非形式化处理的因果关系，在我们的可计算框 架中得到有效的、符合常识的形式化处理，从而使a i 系统的推理更加强壮与深 入。这些因果推理系统也可以是整个a i 系统框架的一部分，而因果关系的表达 可以溶合到一个更加广泛的表达机制，采用同样的非单调推理机制。 本研究不是传统意义上的对因果关系的哲学思考，如果这样的话我们需要更 多地讨论因果关系的哲学问题，例如时间、决定论、目的论等等。本研究应该是 一个对因果关系的可计算性方面的思考，强调的是关于因果关系的表达与推理， 最终提供的是一个表达因果知识的合理的方法和进行因果推理的有效机制。 浙江大学博士学位论文 1 2 研究动机 不同类型的因果关系在人类语言与人们对客观世界的描述中无所不在。在哲 学上，凶果关系是一个古老的话题。在自然科学中，因果关系发挥着无比熏要的 作用：它广泛地隐含在物理学的定律中( b o h m1 9 6 7 ；d e k l e e ra n d b r o w n1 9 8 4 ： f o r b u s1 9 8 4 ；1 w a s a k ia n ds i m o n1 9 8 6 ) ；它在一定程度上可以解释一个机械或生 物系统的工作原理( h o r n1 9 9 0 ) ；心理学则认为因果关系是人们从孩提时代起就 运用自如的少数概念之一( p i a g e t a n dg a r c i a1 9 7 4 ) ：即使在社会科学中，因果关 系的应用也是广泛存在着：在政治与经济领域，认识因果关系对于认识规律与决 策是十分重要的( l e m e r1 9 6 5 ) ，而在法律领域，因果关系是绝对重要的( h a r t a n d h o n o r e1 9 8 5 ) 。因果关系很大程度上垄断了人们日常的常识性思考，因果关系的 术语也经常出现在出版物与演讲中。正象休谟所说( h u m e1 9 3 8 ) ：“对我们来说， 因果关系是宇宙的一块基石，我们心灵的所有操作在很大程度上都要依赖于它。” 尽管如此，因为因果关系具有直觉性而难以形式化，它在定程度上被现代 科学遗忘了。与此相反，物理定律与函数映射由于清晰地反映领域中组织与系统 的本质而被深入分析并构造成计算机模型。现代科学变得越来越依赖于数学公式 的描述而忽视因果关系的作用。然而，没有因果上的直觉，人类正面l 晦无法真正 理解奉质性的东西的危险( d ek l e e ra n db r o w n1 9 8 4 ) 。 因为因果关系是人类的一般智能与认识世界的基本手段，所以在a i 研究中 囚果知i 的表达与推理是一个重要的方面。最近几年我们看到许多这方面的工 作，目的是为了建立具体领域的因果a 1 模型( 例如，h o m1 9 9 0 ) 。另外，因果 模型经常被嵌入在专家系统或基于知识的系统中，作为一个相对独立的子推理模 型( 例如，p a t i l1 9 8 1 ；s i m m o n s1 9 9 2 ) 。在物理系统的定性推理系统中( q u a l i t a t i v e r e a s o n i n ga b o u tp h y s i c s ) ，因果模型还经常被用来解释物理现象( w e l da n dd e k i e e r1 9 9 0 ) 。在基于模型的诊断( m o d e l b a s e dd i a g n o s i s ) 或根据第一原理的诊 断( d i a g n o s i s f r o mf i r s tp r i n c i p l e s ) 方法中，系统中各部件之间的操作性的连接 被看成是一种因果关系，并根据这些因果关系来识别能够导致整个系统工作失常 4 浙江人学博 j 学位论文 的个或多个坏部件( 例如，d a v i s1 9 8 4 ) 。所有这些工作当然肯定了因果关系的 重要性，也使得a i 系统的知识表达与推理更加深入，更有说服力。 但是，在大多数情况下，因果关系在a i 中的研究还基本上是非形式的，就 事论事的。因果关系一般被嵌入到a i 程序中或抽象的计算模型中，没有特别地 与其它关系区分丌来。在关于常识性知识表达与推理的c y c 系统中( l e n a ta n d g u h a1 9 9 0 ) ，因果关系虽然被显式地提及，但是处理方法与其它知识没有区别。 即使在因果知识应用相对成熟的定性推理系统中，例如因果排序理论( 1 w a s a k i a n ds i m o n1 9 8 6 ) ，仍然缺乏一个完整的因果关系的分析方法。 作者认为，对于因果关系本身的研究来说，一方面，建立一个完整的因果关 系理论是必不可少的，这可以从以下几个方面来探讨：它的普遍与特殊性质，它 与其它概念之间的关系，它的基本的实体，它的组成结构与元素，它的表达与推 理机制等等。这些探讨无疑会极大地加深我们对因果关系本质的理解。只有在此 基础上，我们才能建立既符合因果直觉、又反映a i 理论与实践成果的关于因果 关系的可计算性框架。另一方面，因果关系的分析也会被上述这些问题所困扰， 哲学上对因果关系的长期研究已经证明了这一点。即使这样的理论能够建立，最 好的结果可能是过分普遍的结论根本不适合于a i 中的应用。所以我们必须寻求 这两方面的折衷，使得建立的理论，既能遵从因果直觉，又能应用到a i 实际领 域的表达与推理。 1 3 研究方法 义献中记载了一些方法来寻求建立一个合理的因果关系分析理论。最常见的 是哲学的方法，它涉及的有代表性的问题包括因果法则( c a u s a ll a w s ) 与单个 因果陈述( s i n g u l a r c a u s a ls t a t e m e n t s ) 的定义与性质( 例如，h u m e1 9 3 8 ：l e w i s 1 9 7 3 ：m a c k i e1 9 7 4 ) ，因果关系的本体论与认识论( 例如，w o o z l e y1 9 7 8 ：p o p p e r 1 9 7 9 ) ，冈果关系与时间的关系( 例如，v o ni n w a g e n1 9 8 0 ) ，因果关系与决定论 ( 例如，v o nw r i g h t1 9 7 4 ) ，因果关系与目的论( 例如，m a c k i e1 9 7 4 ) ，因果能量 ( 例如，c a s t a n e d a l 9 8 0 ) ，因果功率( 例如，h a r r ea n d m a d d e n1 9 7 5 ) ，等等。显 浙江大学博士学位论文 然，哲学分析的成果无法实际应用到a i 理论与实践中。尽管如此，这些分析， 特别是对因果关系的定义与性质的分析，例如休谟的规范性( r e g u l a r i t y a c c o u n t ) ，l e w i s 的虚拟性( c o u n t e r f a c t u a l a c c o u n t ) ，m a c k i e 的条件性( c o n d i t i o n a l a c c o u n t ) ，找出了因果关系丰富的性质，为我们建立因果关系的可计算性框架奠 定了良好的基础。 逻辑分析方法所关心的问题是如何建立一个逻辑精确的公理体系准确把握 因果关系的性质，并且与传统的命题逻辑、一阶和高阶逻辑相一致。这种分析方 法，例如因果逻辑( b u r k s1 9 7 7 ) 、因果命题( t a y l o r1 9 9 2 ) ，表面上为a i 理论与 实践提供了因果关系形式化的强有力工具。然而，它们有一个致命的缺陷，例如， b u r k s 的因果逻辑有四个因果情态算予，即因果必要口。，因果可能6 ，因果蕴 涵一。，因果等价一，每个情态算子使用可能世界的解释理论，但是它们都不能 覆盖包含有重复因果情态算子的表达式，即不能把因果情态算子应用到自身，而 这种情况对于一个自圆其说的逻辑系统却是必需的。另外，它还有一个缺陷，它 没有深入到因果关系的内部去分析组成结构与元素，从而也无法揭示那些因素在 因果推理中所发挥的作用。 另外一个因果关系的分析方法是从语言学的观点来探讨自然语言中因果短 语的语义和语用性质( s a a d1 9 8 2 ) 。这种分析可能对a i 中的自然语言理解的研 究工作是有用的，但是对于建立一个普遍适用的因果关系可计算性框架则关系不 大。 我们的目标是建立一个因果关系的可计算性框架，使得因果关系能够被形式 化地分析和表达，从而能够在a i 系统中得到实际应用。上述研究方法没有一种 能够达到这个要求。所以我们必须寻求自己的研究方法。我们把自己的研究方法 称为可计算性方法( c o m p u t a t i o n a lp e r s p e c t i v e ) 。在这种研究方法中，我们必 须提供一个般的因果关系表达方式，它不仅允许描述一个因果关系的组成结构 与因素，而且必须体现因果关系的普遍性质，而这些性质又必须符合哲学与逻辑 分析的结果和人类的直觉。因此，可计算性方法区别于哲学方法的一个重要特征 是，在可计算性方法中，一个因果关系不是通过精确的定义，而是通过表达成某 浙江大学博士学位论文 种形式的因果规则来体现已被广泛承认的因果关系的普遍性质的。 本论文所描述的因果关系理论是一个可计算性方法。它在分析实体框架的基 础上定义了因果关系的结构与元素，给出了一个基于默认逻辑的因果规则表达方 式，建立了可计算性框架下的因果推理模型，并给出了在故事理解中和在法律领 域的应用例子。 与s h o h a m 所建立的因果理论( s h o h a m1 9 8 8 ，1 9 9 0 ) 相比，我们的理论有 许多优点。第一，我们重新审视了因果关系的客观性，即要求因果关系是客观的 或者至少是深度主客观的( d e e p l yi n t e r s u b j e c t i v e ) ，从而因果关系的真值不依赖 于它们的元素是否被知道。这个原则避免了s h o h a m 理论中因果关系的元素被强 制通过情态算子“知道”( k n o w i n g ) 或“相信”( b e l i e v i n g ) 进行认识论上的解 释。第二，我们定义了一个因果关系的实体框架作为基于事件的因果关系的本体 论基础，使得本来不同的实体例如事件、状态、动作等自然相关，避免了s h o h a m 理论中因果关系结构的混乱。第三，s h o h a m 的理论只限于因果预测的推理方式， 而我们的理论则可应用于预测推理、解释推理和诊断推理等多个因果推理模型， 并分析了故事理解中的实际例子和在法律咨询系统中的应用。 1 4 论文的结构 本论文共分七个章节。第一章是引言，介绍关于本研究的要点，背景与动机， 研究方法以及论文的结构。 第二章介绍因果关系的实体。要对因果关系进行分析，必须首先弄清楚因果 关系在什么地方成立，即因果关系的实体。实体不同，因果关系的性质就不同。 没有实体的讨论，一切结论都是空的。一般地说，因果关系的实体可以是事件、 状态、动作、对象、属性、命题、形式语言的句子等等。在文献中，研究的注意 力往往集中在具有时序的事件之间的因果关系。确实，基于事件的因果关系最广 泛地存在于各个专门领域、人类的思维和日常生活中。然而，研究者们对于事件 本身是否能够被分析存在着很大分歧。一些人认为事件作为一个整体是不可分 的，例如( s h o h a m1 9 8 8 ，1 9 9 0 ) ，( l e w i s1 9 7 3 ) ；另一些人则坚持事件结构中有 浙江大学博士学位论文 一些中间体，例如在( k i m1 9 7 3 ) 中，事件被分析成为一个或多个静态的对象在 某一个时刻表现出一定的属性，而在( r i e g e r a n dg r i n b e r g1 9 7 7 ) 中事件属于下 列四种东西之一：动作、趋势、状态和状态变化。在本章中，我们把基于事件 的实体集合分析成为包含半状态和动作，使得这些半状态和动作被定义成事件内 部结构中的更小粒度的概念。这种分析是基于这样一种认识，即事件的发生肯定 涉及了状态的变化，更进一步说，任何状态的变化是由一个动作发生所引起的， 而动作的发生必须有一个主体在起作用。与此同时，其它半状态保持不变，并可 从这个事件中继承下来。在这个意义上所定义的事件，传统上完全不同的实体， 例如事件、状态和动作都被自然地统一在一个合适的事件实体框架内，而状态与 动作等都是其内部结构。事件结构的这种分析也与实际的常识推理相吻合：当我 们谈论事件时，我们实际上指的只是状态或动作或者是状态的变化。 有了这个实体集合作为本体论基础，我们把基于事件的因果关系的分析提高 到了一个全新的层次，即半状态与动作的层次。在第三章中，将在这一新层次上 建立基于事件的因果关系的新理论。这个理论允许我们全面地列举所有形式的因 果关系类型，比( s c h a n ka n d a b e l s o n1 9 7 7 ) 的工作更详细、更精确。在( s c h a n k a n da b e l s o n 】9 7 7 ) 中，只有一部分基于事件的因果关系被分析，它们分别是： 动作导致状态的变化；状态引起动作：状态抑制动作：状态或动作引起精神状态 的变化；精神状态产生动作等等。在本章中，我们还区分了潜在的因果关系与实 际的因果关系的概念，前者描述了一种因果规律而后者则是在一个特定情况下实 际发生的因果事件。我们借用( m a c k i e1 9 7 4 ) 中的术语，认为一个潜在的因果 关系的结构除了原因与结果外，还包含了一组因果场中的激活条件。而这些因素， 即原因、结果、因果场中的激活条件，在第二章中定义的实体框架下，都可以清 楚地表达成半状态或动作，或者是两者的组合，从而避免了( m a c k i e1 9 7 4 ) 和 ( s h o h a m1 9 8 8 ) 中所定义的因果关系结构的实体的随机性，也让我们更清楚地 认识到各个因素在因果推理中所发挥的不同作用。 基于事件的因果关系理论也展示了一系列被认为是因果关系所固有的性质。 在第三章中，我们探讨了三种最基本的性质，即自反性、非对称性和时序性；我 浙江大学博士学位论文 们探讨了其它一些性质，例如传递性、客观性、条件性、非单调性、常规性和虚 拟。阵：我们还讨论了不同的分类方法，例如发生性因果关系与抑制性因果关系， 蕾因果关系与负因果关系，单个因果关系与复合因果关系，直接因果关系与间接 因果关系，必要因果关系与非必要因果关系，充分因果关系与非充分因果关系， 等等。举例来说，客观性的讨论保证了因果关系独立于它们的元素是否被知道， 所以在我们的理论中，诸如( h u m e1 9 3 8 ) 或( s h o h a m1 9 8 8 ) 中的所谓主观因 果关系被排除在外。非单调性反映了因果推理是一种非单调推理，也就是说，一 个典型的因果陈述“x 引起y ”，在某个特定情况下给定原因前提x ，结果y 能 够被推出来，而在另外一个情况下则y 可能推不出来。因此，因果推理可以作 为非单调推理方式的一种，镶嵌到实际的a i 系统中。 在第三章中，我们还把我们的理论与文献中经常提及的哲学方法进行了有益 的比较。特别地，从实体、结构、元素、一般性质和分类等方面，比较了h u m e 的常规性分析、l e w i s 的虚拟性分析和与我们的理论最相关的m a c k i e 的条件性 分析。 在第四章中，我们用建立的因果关系理论来支持潜在的因果关系元素与默认 逻辑( r e i t e r1 9 8 0 ) 中默认规则( d e f a u l tr u l e s ) 结构的映射，使原因映射到前 提( p r e r e q u i s i t e ) ，因果场中激活条件映射到确认( j u s t i f i c a t i o n ) ，而结果映射到 结论( c o n s e q u e n c e ) 。更进一步，一个默认因果规则只能应用到某些满足当前的 因果场的情况。我们选择默认逻辑作为对基于事件的因果关系进行形式化描述的 一般表示方法，这是因为它是一个非单调性推理机制的有效工具，同时它具有简 洁的语法形式和对非单调推理的简明解释。更重要的是，默认规则形式直观上下 确反映了因果场及因果场中激活条件在推理中的作用。与一些非正式的方法与 a i 因果模型实践比较，默认规则表达有许多优点。它抓住了第三章中讨论过的 一般性质。特别地，它对( m a c k i e1 9 7 4 ) 中提出的条件性进行了形式化；当因 果关系相对于所要推出的结果是唯一的时候，它隐含了原因与结果之间的一个虚 拟；通过重复应用因果关系到它的因果场允许的实际情况中，它也隐含了因果关 系的正规性。对一个一般的因果陈述的判断是看是否在因果场存在一条对应的默 浙江大学博士学位论文 认因果规则，而对因果关系的实际发生的判断除了默认规则与原因的确认外，还 要看当前情况是否符合因果场并且一组激活条件是否被违反。实际上，这里还区 分了原因( c a u s e ) 与理由( r e a s o n ) 这两个极易混淆的概念，也就是说，相对 于结论来说，原因被解释成前提条件中的因素，而理由则被解释成激活条件中的 因素，而且这些因素在推出结论时没有被违反。 在第四章中，我们还试图建立抽象的因果推理框架，并且给出了用于预测、 解释和诊断领域的详细算法，这些推理框架可以被运用于实际的a i 模型中。最 后，我们对默认规则表示方法与( s h o h a m1 9 8 8 ) 中的工作进行了比较。我们所 建立的因果关系可计算性理论框架精确地使因果关系的一些哲学思考与逻辑理 论可操作化，提供了应用因果关系进行实际a i 推理的模型与平台，使因果关系 既有自己的表达方法与推理机制，又可融入到一个a i 大系统中。我们的研究工 作显然比最近一些相似的工作有所不同，例如( g e f f n e r1 9 8 9 ，1 9 9 0 ，1 9 9 4 ) ，( h a u g h 1 9 8 9 ) ，( l i f s c h i t z1 9 8 7 ) ，( s t e i n1 9 9 1 ) 中，只当非因果知识解决问题遇到困难时， 因果知识利用因果关系的特殊性才被用来解决问题，而没有提供对因果关系