高级数据库技术 知识库技术最新版本.ppt

高级数据库技术及应用 第4章知识库技术 3 目录 4 1知识的概念4 2知识表示与推理4 3知识库与知识库系统4 4基于知识的数据库技术 第4章知识库技术 4 1知识的概念4 2知识表示与推理4 3知识库与知识库系统4 4基于知识的数据库技术 4 3 1知识库概念从知识存储的角度来看知识库是知识集合包括概念 事实与规则 由于概念一般均包含在事实内实际上知识库中应当包含事实与规则两个部分4 3 2知识库管理系统当知识以一定方式存储并具共享性和持久性这种集合的元素数量很大时就需要进行管理管理知识库的计算机软件就称为知识库管理系统 knowledgebasemanagementsystem KBMS 4 3知识库与知识库系统 KBMS应当具有以下功能 支持传统DBMS数据库管理系统的一切功能 具有一种对知识进行操纵和处理的描述性语言目前KBMS可用如下几方面刻画其特性 1 所管理的知识仅限于事实和规则两种 2 应能管理大量的知识 3 所采用语言大多用逻辑语言 即用谓词表示 4 核心是一个推理机制 inferenceengine 完成对知识操纵包括对知识一致性校验 知识演绎检索 4 3知识库与知识库系统 4 3 3知识库系统如一个系统具使用计算机所存储知识对输入数据解释生成作业假说并对其进行验证的功能则称该系统为一个知识库系统 knowledgebasesystem KBS KBS中知识是系统本身进行推理过程中所利用的信息而不是提供给系统使用者的信息由此可知知识库系统与数据库系统重要区别之处在于它并非向用户提供查询的信息而是提供根据输入数据信息通过知识推断而得到的结果 4 3知识库与知识库系统 从逻辑构成上来看 KBS基本组成情况如下图所示从资源组成上来看 KBS是一种资源集成包括 知识库及相应的存储机构 知识库管理系统及相应的机器 知识获取机构及相应的人员 包括知识工程师 知识库管理员 4 3知识库与知识库系统 4 3 4知识库体系结构知识库系统中涉及数据库基础平台是关系数据库系统知识库系统结构包括语言形式 系统模式和系统功能等知识库研究只有十多年的历史由于难于开发出实用系统知识库系统的体系结构一直在变化改进当中人们只能从历史发展角度研究知识库系统的体系结构 4 3知识库与知识库系统 图9 9知识库三个研究阶段的典型体系结构 4 3知识库与知识库系统 图 a 是第一阶段体系结构语言Prolog扩充了传送SQL命令的内部谓词数据库接口将SQL命令传给DBMS执行并将结果以 每次一个元组 方式传给Prolog解释器这类系统具有完整的Prolog和DBMS功能图 b 是DATALOG研究阶段的系统语言为DATALOG某种扩充语言访问数据库对用户透明且数据交换以 每次一个集合 方式进行系统还实现查询优化技术这类系统不具有通用程序设计语言的能力 4 3知识库与知识库系统 图 c 型的查询语言与宿主语言是分开的有不同的编程风范 图 d 型的查询语言与宿主语言是集成的又用一种编程风范 对用户来说 查询语言和宿主语言透明这两种系统是满足对知识库系统一般要求的实用系统 4 3知识库与知识库系统 第4章知识库技术 4 1知识的概念4 2知识表示与推理4 3知识库与知识库系统4 4基于知识的数据库技术 4 4 1主动数据库技术 传统数据库中当用户要对数据库中的数据进行存取时只能通过执行相应的数据库命令或应用程序来实现许多实际应用领域中如计算机集成制造系统 管理信息系统 办公自动化中常常希望数据库系统在紧急情况下能够根据数据库的当前状态 主动 适时地作出反应执行某些操作 向用户提供某些信息主动数据库 activedatabase adb 除完成传统数据库服务外具有各种主动进行服务的功能 4 4 1主动数据库技术 1 ADBS组成主动数据库系统 ActiveDataBaseSystem ADBS 由传统数据库系统 DBS 事件驱动的知识库 简称事件库EB 及相应事件监视器 EM 组成 ADBS DBS EB EM DBS DatabaseSystem 统数据库系统用来存储和管理数据 4 4 1主动数据库技术 EB EventBase EB即事件库 规则库这也是一个数据库用来存储规则和对规则进行维护 管理与应用是由事件驱动的一组知识组成的集合 规则集合 其中每一项知识表示在相应的事件发生时如何来主动地执行其中包含的由用户预先设定的动作 EM EventMonitor 随时监视EB中事件是否已经发生的监视模块一旦监视到某事件已经发生时就主动地触发系统按照EB中指明的相应知识执行其中预先设定的动作 4 4 1主动数据库技术 2 ADBS结构ADBS与一般DBMS在结构上区别 ADBS除有一个关系型被动数据库外还添加了一个事件驱动的事件库和一个和多个事件监视器监视器主动并实时检测各种事件的发生然后自动地根据发生事件和条件按照一定的规则触发并执行所需动作主动数据库管理系统的体系结构如下图所示实线表示控制连接 虚线表示数据连接 图1主动数据库管理系统的体系结构 4 4 1主动数据库技术 4 4 1主动数据库技术 实际系统中用户接口 DDL处理模块 DMI处理模块 日志和恢复模块 求助与解释模块 内存表格和缓冲区 数据库和数据字典组织处理等与DBMS没有原则的区别主要区别是新增加事件监视和执行模块它与规则库 数据库 数据字典和总控模块都有数据交换 4 4 1主动数据库技术 ADB中主动机制是事件库和事件监视器而事件库和事件监视器本质是知识库及其推理机制 事件库是一种知识库 事件监视器是其推理机制 ADB实际上是一种知识库系统 ADB实现主动服务基本原理 在主动数据库中预先设置一些处理规则这些规则规定了事件发生的条件 相应的动作等内容事件监视器根据事件库对数据库进行监控根据监测到的信息触发数据库系统的主动服务 4 4 1主动数据库技术 ADB基本模式主要是采用 事件 条件 动作 模式 即Event Condtion Action ECA模式 WHENEVERIFTHENECA语义 一旦指定的事件发生 计算机就主动触发执行其后的条件判断规则如果条件为真 则执行其后的动作当发生某一事件 Event 时 如果满足给定条件 Condition 则执行相应的动作 Action 4 4 1主动数据库技术 ADB通过 事件 条件 动作 来表示数据库中主动知识即应用ECA规则建立知识库 应用时间监视器进行知识推理实现主动服务 ECA规则的基本描述 RULE ONIFTHEN WHERE EXCEPTION 4 4 1主动数据库技术 IFTHEN WHERE EXCEPTION ENDRULE1 规则名 在系统中唯一标识该规则 在规则匹配管理时指定规则2 参数列表 可选检查该规则时这些参数将带入系统的实时值3 事件列表 规则要处理的事件 4 4 1主动数据库技术 4 条件表达式 合法逻辑公式如条件值为真 其后描述动作序列将被执行5 动作序列 当相应事件发生且条件满足时执行的一系列预定的动作 动作当中可以进一步引发另一个事件6 约束 规则执行时须遵循约束条件不指明WHERE时表示没约束7 异常 例外 处理 规则执行过程中出现异常时所作一系列预定动作异常处理动作可选不指明EXCEPTION时表示没异常处理 4 4 1主动数据库技术 4 ADB实现途径1 改造的途径 在已有关系型数据库基础上扩充其功能添加事件监视器和事件库2 嵌入主动程序设计语言途径 需改造或重新设计一种具有主动功能程序设计语言在程序中可描述ECA结构规则库在程序语言中被说明和使用这种具有主动功能的程序将传统数据封装主动程序作为人机接口 给用户提供一个主动数据库这种途径减少规则匹配时间 运行效率可得到提高 4 4 1主动数据库技术 3 重新设计主动数据库的途径 针对主动数据库的特点设计出一个全新的数据系统重新设计一种数据库的工作量巨大近年来商品化DBMS如Ingres Oracle和Sybase等引进 触发器 Trigger 和 规则 Rule 概念在某种意义上引入主动处理功能 ISO的SQL3标准也支持通用的主动规则机制 4 4 2决策支持系统 1DSS概念决策支持系统 decisionsupportsystem DSS 辅助决策者通过数据 模型和知识以人机交互方式进行半结构化或非结构化决策的计算机应用系统为决策者提供分析问题 建立模型 模拟决策环境调用各种信息资源和分析工具帮助决策者提高决策水平和质量 DSS概念是70年代提出且在80年代获得发展是向更高级发展而产生先进信息管理系统 MIS 4 4 2决策支持系统 决策按其性质可分为如下3类 1 结构化决策 决策过程环境及规则能用确定模型或语言描述以适当的算法产生决策方案并从多种方案中选择最优解的决策结构化决策问题相对比较简单直接决策过程和决策方法有固定的规律可以遵循能用明确的语言和模型加以描述并可依据通用模型和决策规则实现其决策过程基本自动化早期管理信息系统能够求解这类问题如 应用解析方法 运筹学方法等求解资源优化问题 4 4 2决策支持系统 2 非结构化决策 决策过程复杂不能用确定模型和语言描述更无所谓最优解的决策决策过程和决策方法没有固定规律可循没有固定决策规则和通用模型可依决策者主观行为 学识 经验 直觉 判断力 洞察力 个人偏好和决策风格等 对各阶段决策效果有相当影响往往是决策者根据掌握情况和数据临时作出决定 4 4 2决策支持系统 3 半结构化决策 介于以上二者之间的决策可建立适当的算法产生决策方案使决策方案中得到较优的解决策过程和决策方法有一定规律可循但又不能完全确定 有所了解但又不全面 有所分析但又不确切 有所估计但又不确定决策一般可适当建立模型但无法确定最优方案 4 4 2决策支持系统 非结构化和半结构化决策用于一个组织中高管理层决策者一方面需要根据经验进行分析判断另一方面也需要借助计算机为决策提供各种辅助信息及时做出正确有效的决策 决策支持系统的核心技术也是数据库和知识处理 4 4 2决策支持系统 2 DSS基本组成DSS发展经历了两库 三库到四库系统过程 两库系统 DBMS和MBMS 模型库系统 三库系统 在两库系统上增加MEBMS 方法库系统 四库系统 在三库系统上加入知识库系统DSS三部件结构 人机交互子系统 对话部件 模型库子系统 模型部件 数据库子系统 数据部件 这种结构反映DSS的组成和关键技术 4 4 2决策支持系统 4 4 2决策支持系统 3 DSS的数据库数据库是相关数据的集合这些数据组织起来可被多个用户在多个应用中使用对于DSS除数据库外还需数据仓库来处理海量的数据对于有些DSS应用则需要建立多个专门的数据库而包含不同来源的几个数据库可为同一个应用服务DSS数据库 包含文字 图片 地图 声音和动画等多媒体数据也可是概念 想法和观点还可是初步的 原始的 也可以是概括的数据 4 4 2决策支持系统 DSS包括内部 外部和个人数据等三种数据源 内部数据 从组织内部数据处理系统获得的数据 外部数据 来自组织外部的数据 个人数据 用户个人创建反映其专长与经验的数据组织DSS数据库有三种策略 DSS数据库与业务数据库结合构成综合型数据库 不考虑现有MIS数据库或数据库重新建立DSS自己数据库 所需数据从已有MIS数据库等通过析取加工得到并存放DSS自身数据库中 4 4 2决策支持系统 4 模型库和模型库管理系统DSS模型库 用于分析的各种不同统计 财务 数学及其它一些定量模型为决策者提供推理 比较 选择和分析决策问题单独或联合运行模型及构造新模型是解决问题的强大工具模型库所构造的模型不一定很复杂但一定要符合实际建模时特别注意推理能力和决策者的干预由于模型的生成 修改 更新 删除 连接是经常性操作模型库的管理就成为非常重要模型库子系统结构如图4 25所示 4 4 2决策支持系统 4 4 2决策支持系统 模型库管理系统 MBMS 主要功能 模型定义 建立 存储 查询 修改及重构等 模型选择 拼接和组合 提供根据用户命令将简单子模型构造成复杂模型的手段 模型运行控制从调用者获取输入参数传递到模型并使模型运行 最后把输出参数返回到调用者 数据库接口转换为减少模型对DBMS依赖增强其独立性模型中对DB访问采用了同一标准形式 为与一种具体DBMS连接 须有转换接口将标准访问形式转化成具体系统要求形式 4 4 2决策支持系统 5 方法库和方法库管理系统方法库 解决问题使用的方法和提供更多数据挖掘方法方法在模型基础上依据模型选择相应方法进行计算解决问题可用一种模型 多种解决方法 方法库使用程序方法实现 定义标准接口使用数据和模型方法库管理系统 一个软件系统 综合数据库和程序库 方法库管理系统负责方法库中方法的更新即对方法的统一接口进行编辑 4 4 2决策支持系统 6 知识库和知识库管理系统知识库子系统 提供各种知识表示方式的能灵活调用管理知识的软件系统包括知识库 知识库管理系统 推理机制 咨询部分 学习机制和接口部件 大多数知识库都有应用领域的限制 建立知识库后就可利用AI技术使计算机具有基于事实与知识的推理功能 常用推理方法 正向推理 逆向推理 模糊推理 基于模型的推理 基于语义的推理基于事例的推理等 4 4 2决策支持系统 7 智能化结构数据仓库 DW 知识仓库 KW 联机分析处理 OLAP 数据挖掘 DM 和决策支持系统相结合 使DSS具有较强的学习功能 并向智能化方向发展 1 数据仓库将大量用于处理的传统数据库数据进行清理 抽取和转换并按决策主体的需要进行重新组织这种高度集中的数据为各种不同决策需求提供分析基础DW逻辑结构 近期基本数据层 历史数据层和综合数据层DW物理结构 采用星型结构的关系数据库星型结构由事实表和维表组成多个维表形成多维结构星型结构数据体现为空间多维立方体 4 4 2决策支持系统 2 OLAPOLAP 基于DW信息分析处理过程 DW用户接口部分DW侧重于存储和管理