高级人工智能 第四章 定性推理PPT演示课件

2020/5/20,史,1,高级人工智能,史忠植中科院计算所,第四章定性推理,2020/5/20,史,2,内容提要,4.1概述4.2定性推理的基本方法4.3定性模型推理4.4定性进程推理4.5定性仿真推理4.6代数方法4.7几何空间定性推理,什么是定性推理？,定性推理(qualitativereasoning)是从物理系统、生命系统的结构描述出发,导出行为描述,以便预测系统的行为并给出原因解释。定性推理采用系统部件间的局部结构规则来解释系统行为,即部件状态的变化行为只与直接相邻的部件有关。,3,史忠植高级人工智能,2020/5/20,史,4,概述,1952年Simmons提出定性分析的因果关系。1977年Rieger发表了因果仿真的论文。1984年“ArtificialIntelligence”杂志第24卷出版了定性推理专辑,刊载了deKleer,Forbus和Kuipers对定性推理奠基性的文章,这标志着定性推理开始走向成熟。1986年Iwasaki和Simmons发表了“CausalityinDeviceBehavior”的文章。1993年“ArtificialIntelligence”杂志第59卷又发表了一组文章，回顾十年前这几位定性推理奠基人所做的工作。,2020/5/20,史,5,概述,deKleer的定性模型方法deKleer1984Forbus的定性进程方法Forbus1984Kuipers定性仿真法Kuipers1984,2020/5/20,史,6,概述,Davis提出从结构描述出发进行故障论断的方法Reiler提出从基本原理出发进行故障诊断的方法Williams把定量运算和定性推理相结合建立了一个混合代数系统Q1Iwasaki和Simmons把经济学、热力学中所用的因果关系形式化Weld在分子生物学中设计了定性模拟程序,2020/5/20,史,7,定性推理的基本方法,人类对物理世界的描述、解释,常是以某种直观的定性方法进行的,很少使用微分方程及具体的数值描述,如人们在骑自行车时,为了避免摔倒和撞车,并不需要使用书本上的运动方程,而是针对几个主要参量的变化趋势给予粗略的、直观的,但大体上准确的描述,这就够了。,2020/5/20,史,8,定性推理的基本方法,一般分析运动系统行为的标准过程可分为三个步骤：(1)决定描述对象系统特征的量。(2)用方程式表示量之间的相互关系。(3)分析方程式，得到数值解。,2020/5/20,史,9,定性推理的基本方法,这类运动系统行为的问题用计算机进行求解时，将面临如下三个问题：(1)步骤(1)(2)需要相当多的知识，并且要有相应的算法。(2)有的场合对象系统的性质很难用数学式子表示。(3)步骤(3)得到了数值解，但是对象系统的行为并不直观明了。,2020/5/20,史,10,定性推理的基本方法,为了解决第二、第三个问题，定性推理一般采用下列分析步骤：(1)结构认识：将对象系统分解成部件的组合。(2)因果分析：当输入值变化时，分析对象系统中怎样传播。(3)行为推理：输入值随着时间变化，分析对象系统的内部状态怎样变化。(4)功能说明：行为推理的结果表明对象系统的行为，由此可以说明对象系统的功能。,2020/5/20,史,11,定性推理的基本方法,定性推理的观点大体上可这样来理解:忽略被描述对象的次要因素,掌握主要因素简化问题的描述。将随时间t连续变化的参量x(t)的值域离散化为定性值集合,通常变量x的定性值x定义为依物理规律将微分方程转换成定性(代数)方程,或直接依物理规律建立定性模拟或给出定性进程描述。最后给出定性解释,2020/5/20,史,12,定性模型推理,deKleer研究解决经典物理问题需要哪些知识及如何建立问题求解系统。他提出的定性模型方法所涉及的物理系统是由管子、阀门、容器等装置组成,约束条件(定性方程)反映在这些装置的连接处,依定性方程给出定性解释。为将代数方程、微分方程定性化,首先需定义变量的定性值集合以及相应的定性运算。,2020/5/20,史,13,定性模型推理,定性值集合是一个离散集合,其元素是由对数轴的划分而得到的,通常把数轴(,)划分成(,0),0,(0,)三段,规定定性值集合为,0,变量x的定性值x如下定义:,另外用x表示dx/dt的定性值,也即,2020/5/20,史,14,定性模型推理,xy,xy,其中:符号？表示不确定或无定义。,2020/5/20,史,15,定性模型推理,下面给出和的运算规则。设e1,e2是公式,则有：,0e1e10e10+e1e1-e1-e1,2020/5/20,史,16,定性模型推理,使用下列规则，可将运算符+、转换成、：,e1e2e1e2e1e2e1e2,2020/5/20,史,17,压力调节器,压力调节器是通过弹簧来控制阀门流量,以使流量为某一设定值而不受流入的流量和负载变化的影响。根据物理学有,2020/5/20,史,18,压力调节器,其中Q是通过阀门的流量,P是压力,A是阀门开启的面积,而C是常系数,是流体的质量密度。按照运算和转换规则而得到定性方程：,Q=P,Q=A+P(如果A0),2020/5/20,史,19,压力调节器,除了可以讨论每个状态内的定性分析还可讨论各状态间转换的定性分析。deKleer建立的ENVSION系统是使用约束传播与生成测试方法来求解定性方程。,2020/5/20,史,20,定性进程推理,Forbus提出的定性进程方法把物理现象视作由一些相关的进程来描述,每个进程由一组个体、前提条件、数量条件、参数关系和影响来描述,推理过程是从已知的进程表中依次选出一些可用的进程来描述一个物理过程。定性进程理论中有关定性物理的关键思想如下：(1)组织原则为物理进程。本体论在知识的组织上起着重要作用。在人们进行物理系统推理时，物理进程非常直观，用它组织物理领域的理论是合理的。(2)用顺序关系表示数值。重要的性质差别常由比较而来。例如，当压力和温度不同时产生流动；当温度到达某一界值时会发生相变等。在很多情况下，用一套序数关系表示数值更自然。,2020/5/20,史,21,定性进程推理,(3)单一机制假设。物理进程被看作是产生变化的机制。这样，任何变化必须解释为某些物理进程的直接或间接的影响。进程本体论为定性物理理论的因果性打下了基础。(4)组合的定性数学。人们进行复杂系统推理时，使用部分信息并进行组合。(5)清晰的表示及关于模型化假设的推理。明确地表示某些特定知识的适用条件，并从领域理论中为特定系统建模成为定性物理的中心任务。,2020/5/20,史,22,定性进程推理,一个物理系统的变化是由进程引起的,一个物理过程由一些进程来描述,这就是定性推理进程方法的基本观点。下面介绍在定性进程推理中的量空间和进程的描述。,2020/5/20,史,23,定性进程推理,1.量空间(1)时间由区间表示,区间之间的关系有前、后、相等。两个区间可以相连,瞬间认为是极短的区间,持续时间为0。(2)物体的参数称作量,量由其数量和导数组成。Am表示数量的值,As表示数量的符号。Dm表示数量导数值,Ds表示数量导数的符号。(MQt)表示时刻t量Q的值。HAS-Quantity是谓词,指某物体具有某参数。(3)一个量的所有可能取值构成量空间,量空间的元素间有半序关系。,2020/5/20,史,24,定性进程推理,2.进程一个物理进程P由一组个体、一组前提条件、一组数量条件、一组参数关系和一组影响组成。一个进程的具体示例称作进程例，用PI表示。,2020/5/20,史,25,定性进程推理,Processheat-flow.热流进程Individuals:一组个体srcanobject,Has-Quantity(src,heat)src是热源dstanobject,Has-Quantity(dst,heat)dst是受热对象pathaheat-path,path是热流路径Heat-connection(path,src,dst)将src,dst连结起来Preconclitions:一组前提条件Heat-Aligned(path)热流路径安排好QuantityConditions:一组数量条件Atemperature(src)Atemperature(dst)src温度高于dst温度,2020/5/20,史,26,定性进程推理,Relations:一组参量关系Letflow-ratebeaquantityflow-rate(热流量)是一个数量Aflow-rateZERO.flow-rate值0flow-rateQ+(temperature(src)-temperature(dst)flow-rate与src,dst的温差定性成比例Influences:一组影响1-(heat(src),Aflow-rate)flow-rate的值直接影响heat(src),而且是负影响1(heat(dst),Aflow-rate)flow-rate的值直接影响heat(dst),而且是正影响,2020/5/20,史,27,定性进程推理,演绎过程在进程定性推理中，其演绎过程如下：(1)选进程。对一组已知的个体来说,在进程表中依各进程对个体的说明找出可能出现的那些进程例PI。(2)确定激活的PI。依前提条件、数量条件确定每个PI的状态。满足这些条件的为激活的PI,激活的PI叫进程结构。(3)确定量的变化。个体的变化由相应量的Ds值来表示。量的变化可由进程直接影响，也可由Q间接影响。(4)确定进程结构变化。量的变化将会引起进程结构的变化,确定这种变化也叫限制分析,这样对一个物理过程的描述便由(1)建立的PI进入了下一个PI。重复(1)(4)的步骤便可给出一个物理过程的一串进程描述。,2020/5/20,史,28,定性进程推理,2020/5/20,史,29,定性仿真推理,1984年Kuipers发表了“因果性的常识推理：从结构导出行为”论文。这篇论文建立了一种定性仿真推理的框架,简单地给出了从常微分方程的抽象而得的定性结构和定性行为表示方法。随后，1986年AI杂志又刊登了Kuipers“定性仿真”一文，文中明确了抽象关系，提出用于定性仿真的QSIM算法，并用抽象关系证明了其有效性和不完备性。这两篇文章奠定了定性仿真的基础。演绎过程,2020/5/20,史,30,定性仿真推理,定性仿真是从结构的定性描述出发来导出行为描述。直接用部件的参量作为状态变量来描述物理结构,定性约束直接由物理规律得到,把一个参量随时间的变化视作定性的状态序列,求解算法是从初始状态出发,生成各种可能的后续状态,进而通过一致性过滤,重复该过程直到没有新状态出现。定性仿真结构描述由系统的状态参数和约束关系组成。认为参数是时间的可微函数,约束是参数间的二元或多元关系。如速度的导数是加速度。表为DERIV(Vel,acc)。f=ma表为MULT(m,a,f),f随g单调增加表为M+(f,g),f随g单调减少,表为M-(f,g)。,2020/5/20,史,31,定性仿真推理,行为描述关心参量的变化。假设参量f(t)是a,b到,的可微函数。f的界标值是一个有限集合,至少含有f(a),f(b)。集合t|ta,bf(t)是界标值的元素称作区别点。定义4.1设l1,定义如下:,2020/5/20,史,32,定性仿真推理,2020/5/20,史,33,定性仿真推理,定义4.2设ti,ti+1是相邻的区分点,规定f在(ti,ti+1)内的定性状态QS(f,ti,ti+1)仍为,QS(f,t)其中t(ti,ti+1),2020/5/20,史,34,定性仿真推理,定义4.3f在a,b上的定性行为是f的定性状态序列QS(f,t0),QS(f,t0,t1),QS(f,t1),QS(f,tn)。其中ti(i=0,1,n)为所有的区分点,且titi+1,若F=f1,fn,则F的定性行为是,QS(F,ti)=QS(f1,ti),QS(fn,ti)QS(F,ti,ti+1)=QS(f1,ti,ti+1),QS(fn,ti,ti+1),其中ti是f1,fk区分点并集的元素。,2020/5/20,史,35,定性仿真推理,定性状态转换在定性仿真中，定性状态转移是经常遇到的。假设f是可微函数,f从一个定性状态转换到另一个定性状态必须遵守介值定理和中值定理。定性状态转换有两类：一类是P转换，该类转换是从时间点到时间区间；另一类是I转换，它是从时间区间到时间点的转换。下面给出转换表:,2020/5/20,史,36,定性仿真推理,2020/5/20,史,37,定性仿真推理,2020/5/20,史,38,定性仿真推理,QSIM算法可对系统的行为进行定性仿真。首先将初始状态送入ACTIVE表中,然后重复(1)(6)直至ACTIVE表空为止。算法4.1QSIM算法。(1)从ACTIVE表中选一状态。(2)对每个参数按转换表找出所有可能的转换。(3)对约束中变元的转换生成二元组,三元组集合,依约束关系做一致性滤波。(4)对有公共变元的约束,对元组进行组对,再对组对的元组做一致性滤波。,2020/5/20,史,39,定性仿真推理,(5)从剩下的元组生成所有可能的全局解释。每个解释生成一个新状态作为当前状态的后继状态。(6)对新状态做全局滤波,剩下的状态送入ACTIVE表。全局滤波排除下列状态：无变化情形:如I1,I4,I7;循环情形:新状态与某个前辈状态相同;发散情形:某参数值为,这时当前时间点必为结束点。,2020/5/20,史,40,几何空间定性推理,空间定性推理是对几何形状或者运动性质进行定性推理，首先需对空间位置及运动方式进行定性表示，进而对几何形状及运动性质进行推理研究及预测分析，并作出逻辑解释。空间定性推理是通过定义一组空间并寻找这些关系间的联系来进行的。目前主要的研究是针对空间定性建模方式、空间形状及关系的定性表示和定性技术的形式化等,产生解释理论,但总体来看与解决工程问题距离尚远。,2020/5/20,史,41,几何空间定性推理,将Allen的时态逻辑Allen1984与Randall的空间逻辑Randall1992结合起来，形成空间、时间、连续运动的表达逻辑。另外从空间定性推理派生出空间规划理论,可用于为一组几何对象寻找满足一组约束的分布设计,有关方法主要用于设计自动化、定性建模等领域。在这一领域已取得了一些较有实际意义的成果,如约束满足问题(CSP)求解理论,而实际上很多空间定性规划都是一个几何约束满足问题(GCSP)。,2020/5/20,史,42,几何空间定性推理,1992年由Randell等人建立起来的RCC空间时间逻辑是用于对空间问题进行可达性的展望,并已程序实现。与Kuipers的QSIM方法类似,基于RCC逻辑的仿真算法也是从对系统进行结构性的描述开始的,系统将初始状态作为生成树的根结点,可能的行为则是树中从根结点到叶结点的路径。,2020/5/20,史,43,QualitativeSpatialReasoning,QualitativereasoningmodellingthecontinuousrealityinmanageableentitiessolutionforquantitativeproblemsthatarenotcomputableTwoapproachesartificialintelligenceGIScience1992Randell,Cui,CohndatabasesGISystems1991Egenhofer,Franzosa,GISRUK2004UniversityofEastAnglia,Slide5of20,2020/5/20,史,44,RCC,RCC=RegionConnectionCalculusRandell,Cui,Cohntopologicalrelationsofpolygonsqualitativemodellingdisjoint,meet,overlapconceptualneighbourhood-diagram,GISRUK2004UniversityofEastAnglia,Slide6of20,2020/5/20,史,45,RCC-diagram,GISRUK2004UniversityofEastAnglia,Slide7of20,Conceptualneighbourhooddiagram,QualitativeCalculi,ThesuccessofqualitativereasoningreliesonchoiceofgoodqualitativecalculiAq-calculusisgeneratedbyasetofjointlyexhaustiveandpairwisedisjoint(JEPD)relationsonthedomainofdiscourse,46,史忠植高级人工智能,2020/5/20,史,47,RCC8TopologicalAlgebra,Regionsarenonemptyregularclosedsubsetsofaconnectedregulartopologicalspace(e.g.Euclideanspace)BasicRCC8relationsaredefinedonregions,2020/5/20,史,48,RCC8BasicRelations,DCECPOTPPNTPPEQdisjointmeetoverlapcovered_bycontained_byequal,2020/5/20,史,49,DirectionalModel,Point-basedProjection-basedCone-basedRegion-basedRectangleAlgebraDirection-RelationMatixModel,2020/5/20,史,50,Cone-BasedCardinalDirections,FrankAU.Qualitativespatialreasoning:Cardinaldirectionsasanexample.IJGIS,1996,10:269290,2020/5/20,史,51,Projection-BasedCard.Directions,FrankAU.Qualitativespatialreasoning:Cardinaldirectionsasanexample.IJGIS,1996,10:269290,2020/5/20,史,52,RectangleAlgebra,TherectanglerelationbetweentwoboxesA,Bisdescribedbytheintervalrelationsbetweenthex-andy-projectionsofA,B,A,B,A,B,A(o,oi)B,A(m,d)B,2020/5/20,史,53,Direction-RelationMatrix,R.K.Goyal,M.J.Egenhofer:SimilarityofCardinalDirections.SSTD2001:36-58,A,ForeachreferenceobjectA,theplaneisdecomposedinto9tiles,Ai(i=0,8),withA0theMBRofA.,A5,A8,A7,A6,A3,A2,A1,A4,2020/5/20,史,54,Direction-RelationMatrix,ThedirectionrelationbetweenA,Bisexpressedasa3*3BooleanmatrixM=(mij),wheremij=0iffAiisdisjointfromB.,2020/5/20,史,55,Reasoningwithq-Calculi,ConstraintsGivenaq-calclusR,andarelationrinR,(xry)expressaconstraintbetweentwovariablesxandyCompositionGiventwoconstraints(xry)(2)状态存在的描述谓词:Holds-on(s,i)表示在区间i上存在状态s;Holds-at(s,t)表示在时刻t存在状态s;(3)谓词Div(t,i)表示时刻t在区间i上;(4)函数inf(i)表示在区间i的开始时刻;(5)函数sup(i)表示在区间i的结束时刻;,2020/5/20,史,63,几何空间定性推理,空间时间关系描述方位性状态。如果状态s满足i(Holds-on(s,i)Holds-at(s,inf(i)Holds-at(s,sup(i)即如果一个状态s在时间区间i上存在,则在该区间的起止时刻这个状态都存在。具有这一性质的状态称为方位性状态。,2020/5/20,史,64,几何空间定性推理,空间时间关系描述运动性状态。如果状态s满足t(Holds-on(s,t)i(Div(t,i)Holds-on(s,i)即如果在某时刻t有状态s,那么一定存在包含这一时刻的某一区间使$s$在整个区间都存在,具有这一性质的状态称为运动性状态。,2020/5/20,史,65,几何空间定性推理,空间时间关系描述扰动原理Galton根据这种分类给出了扰动原理,这是对空间状态在时域变化进行描述的一组公理体系：定义4.5扰动(perturbation)。如果RCC关系R与R满足条件:t(Holds-at(R(a,b),t)(i(Holds-on(R(a,b),i)(inf(i)=t)(sup(i)=t)即如果时刻t有状态R,且有一个区间i开始或结束于t区间i上的状态为R。此时称R与R互为扰动。扰动原理:每个RCC关系是它自身的扰动,另外一个静止性的状态只能与一个运动性的状态互扰动,反之亦然(只讨论刚体)。,2020/5/20,史,66,几何空间定性推理,Randell算法假设初始状态S0已放入状态集合S中。(1)如果S空则停止;(2)从S中选出状态Si,且移出;(3)如果Si为不一致状态将转(2);(4)应用状态约束选择可用变换规则;(5)用所选出的规则产生可能的下一个状态集合;(6)使用添加与删除规则;(7)进行状态内约束检查;(8)将剩下的状态加入S并转(1)。,2020/5/20,史,67,空间推理的定义,空间推理是指利用空间理论和人工智能AI(artificialintelligence)技术对空间对象进行建模、描述和表示,并据此对空间对象间的空间关系进行定性或定量分析和处理的过程。目前,空间推理被广泛应用于地理信息系统、机器人导航、高级视觉、自然语言理解、工程设计和物理位置的常识推理等方面,并且正在不断向其他领域渗透,其内涵非常广泛。空间推理的研究在人工智能中占有很重要的地位,是人工智能领域的一个研究热点。,2020/5/20,史,68,空间推理具有以下11项关键属性,其中,至少前7项是基本空间推理所必具备的,其余的为可选项。,(1)空间推理是以空间和存在于空间中的空间对象为研究对象。我们不能脱离空间和存在于空间中的空间对象来研究空间推理。(2)在空间推理过程中运用人工智能技术和方法。(3)空间推理处理的是一个或几个推理的问题。(4)空间推理是基于空间和存在于空间中的空间对象已经被建模的前提下。我们不能在没有模型的情况下讨论空间推理。(5)空间推理必须能够给出关于空间和存在于空间中的空间对象的定性或定量的推理结果。(6)空间推理必须能够描述空间行为。,2020/5/20,史,69,(7)当空间推理模型把问题分解为几个组成部分时,必须能够描述这些组成部分的相互作用。(8)在空间推理过程中,可能用到空间谓词,空间中确定的点使某些空间谓词为真,而使另一些空间谓词为假。(9)空间推理应该能够处理带有模糊性和不确定性的空间信息。(10)空间推理中应该能够添加和处理时间因素,即成为时空推理。(11)空间推理应该具有空间自然语言理解能力。,2020/5/20,史,70,2.空间推理的主要研究机构,1.美国国家地理空间数据交换所NGDC(NationalGeospatialDataClearinghouse)所属的USGS(U.S.GeologicalSurvey)站点是美国国家空间数据基础设施NSDI(NationalSpatialDataInfrastructure)的重要组成部分。这个交换所提供了一个来自于USGS的查找地理空间信息或空间参考数据的途径,这些数据是以元数据的形式存在的。这个站点是由USGS和美国联邦地理数据委员会(FGDCFederalGeographicDataCommittee)共同维护的。USGS根据数据内容可以分为生物学资源信息、地理信息、国家地图绘制信息和水资源信息这4个分布的数据集合。,2020/5/20,史,71,2.美国国家地理信息和分析中心NCGIA(NationalCenterforGeographicInformationandAnalysis)是一个独立的研究联盟，致力于包括GIS在内的地理信息科学和相关技术的基础研究，成立于1988年.这个联盟的3个协会是加利福尼亚大学、布法罗大学和缅因州大学，主要由国家自然科学基金会NSF(NationalScienceFoundation)资助,现在,这个联盟每年得到大约500万美元的资助.今天,NCGIA已经成为一个国际的基础研究焦点，它的3个站点吸引了来自世界各地的短期和长期访问者，它的教育节目也满足了不同层次的学生的需要。NCGIA的研究课题主要包括：空间数据的精度和不确定性、认知的模型和表示等。http/,2020/5/20,史,72,3.欧洲定性空间推理网SPACENET是一个由多所大学联合的空间推理的网络,分布在欧洲的有12个SPACENET站点,是由欧盟资助的。由英国利兹大学计算机研究学院主任AnthonyCohn教授领导,致力于空间表示和自动推理(尤其是定性空间推理)以及拓扑和形式化的空间模型。Cohn,Randell和Cui等人曾提出了著名的区域连接演算(RCC)算法。,2020/5/20,史,73,匹兹堡大学的空间信息研究组,是一个致力于空间信息的理解和应用的研究机构。它们的研究主要涉及GIS、超文本导航和科学可视化的特征、空间推理的形式方法和人们对空间认识经验的研究。慕尼黑大学空间推理研究组,主要研究方向是定性空间推理.包括空间位置知识的表示、空间信息传播约束、定性空间推理和神经网络模型的综合。瑞士洛桑的AI实验室EPFL,主要研究方向包括自然语言的语义和逻辑分析、时空推理、语言和感知之间的关系。,2020/5/20,史,74,3.空间推理的研究进展,3.1对空间推理的许多研究方向进行分类、归纳和整理之后得到的主要研究方向是：(1)空间数据库的精度。(2)空间关系语言。(3)空间推理与地理信息系统。(4)空间决策支持系统。(5)空间数据的不确定性处理。(6)形式化的绘图知识。(7)时空推理。,2020/5/20,史,75,(8)定性空间推理。(9)空间推理的用户界面。(10)基于实例(CASE-BASED)的空间推理.(11)空间推理的认知问题。(12)空间推理与机器人视觉。(13)常识推理。(14)区域连接演算RCC-8。,2020/5/20,史,76,3.2空间推理的研究热点大量的空间推理文献、近年来召开的国际空间推理学术会议以及Internet网的空间推理站点都表明,时空推理STSR(spatio-temporalspatialreasoning)、定性空间推理QSR(qualitativespatialreasoning)和地理信息系统是空间推理的研究热点。,2020/5/20,史,77,时空推理当今世界是在漫长的历史长河中，历经沧桑演变进化而来的。世界中的任何事物和现象都遵循着诞生、生长，直至消失或死亡的自然规律。同样，现代文明和科技的进步无不是人类历史的经验积累和结晶。人类在认识和解释当今世界事物和现象时,不但渴望甚至必须了解它们的过去,而且希望预测未知的将来,以便在必要的时候采取一定措施,使人类社会朝着美好的方向发展。在这绵延不断的历史轨迹中，无不打上了时间的烙印，因此,探索适宜的工具和方法,沿着时间脉络研究和推理客观世界内在机制和时空发展规律,就显得十分重要。,2020/5/20,史,78,总的来说，影响空间推理结果的因素包括空间因素和时间因素。所谓时空推理是指在空间推理过程中添加时间因素。地表、地下和大气等空间对象的状态不仅受到空间因素的影响,同时,从一个漫长的时间过程来看，也必将受到时间因素的影响。可以说,时空推理是更为一般的空间推理,或者可以说空间推理是时空推理的一个特例。目前,时空推理方面的研究还处于起步阶段。下面,我简单地介绍一些权威学者对时空推理的认识和他们提出的时空推理模型。,2020/5/20,史,79,1.RichardA.Block在他的论文“PsychologicalTimeandtheProcessingofSpatialInformation”中指出：“与其说空间为时间提供了一个框架，不如说时间感知为空间感知提供了一个框架”。“位置和持续时间之间、个人经验和常识之间以及期望和回顾之间存在重要的区别”。他提出了上下文时间模型，并且把它扩展到空间，模型着眼于哪些变量对持续时间和其他种类的时间体验之间及行为和判断之间的相互作用有影响，这些变量包括实验者的特征、时间周期、时间周期上的活动和时间行为。,2020/5/20,史,80,2.A.G.Cohn,Z.Cui,D.A.Randell在他们的论文“ExploitingTemporalContinuityinQualitativeSpatialCalculus”中提出了一个空间知识推理的逻辑框架,目的是为人工智能系统的表示和推理提供一个形式上的时间和空间的公理理论。他们的形式方法可以用于时间或空间区域,并且提供了一套基本关系和推理机。特别是他们定义了基本关系的合成表,可以用于检验时空约束,甚至用于检验区域特征的时空演变。,2020/5/20,史,81,3.在论文“TemporalDynamicsandGeographicInformationSystems”中,StephenStead认为,现实世界是沿着一条根据数值的时间范围划分的有唯一顺序的时间路线运转。他借鉴考古应用中的为时间建模的方法,提出了标准切割时间技术方法,存储风景快照作为解释背景。Stead把已知数据元素表示在四维空间(x,y,z和t)中,这样一来,就可以为现实世界的过程建模了。2000年6月在新奥尔良召开的IEA/AIE22000研讨会和在德克萨斯召开的AAAI22000研讨会以及2000年8月在柏林召开的ECAI22000等空间推理研讨会,都是以时空推理为主题的。,2020/5/20,史,82,2020/5/20,史,83,定性空间推理当描述一个空间配置或对这样的配置进行推理的时候,要获得精确、定量的数据通常是不可能的或不必要的。在这种情况下,可能要用到关于空间配置的定性推理。定性空间表示包括许多不同的方面，我们不仅要判定什么样的空间实体是我们可以接受的，同时还要考虑描述这些空间实体之间关系的不同方法。例如,我们可以仅考虑它们的拓扑结构、大小、形状,或它们之间的距离。当然,这些概念之间并不是完全独立的。,2020/5/20,史,84,Clarke用C(x,y)表示两个区域x和y是相互连接的,所谓连接是指两个由点集构成的区域共享一点.在区域连接演算RCC-8系统中,这种解释被稍加改动为:共享一点的区域的闭包,改动后的解释有助于区分区域、区域的闭包和区域的内部.RCC-8是用于定性空间表示和推理的拓扑结构方法,定性空间表示和推理中的空间区域是一个非空的拓扑空间子集.在RCC-8演算中,使用8个穷举并且不相交的关系来描述两个空间区域之间的拓扑关系。,2020/5/20,史,85,另一个拓扑关系表示和推理的方法是“n-交集”表示,在这种表示方法中,每一个区域都与3个点的集合联系在一起,这3个点的集合分别是区域的内部、区域的边界和区域的补。两区域间的关系可以通过用一个被称为9-交集的33的矩阵来刻画,矩阵的每个元素表示来自每个区域的相应集合的交集是否为空。实际上,利用一个更为简单的22的4-交集矩阵就可以充分地描述RCC-8关系。可是,33的矩阵允许表示更多的考虑到区域和嵌入空间之间关系的集合。,2020/5/20,史,86,目前的空间推理的研究,近几年,由于认识到空间知识本质上是定性的,定性空间推理(qualitativespatialreasoning)研究成为空间推理研究的主流,发展出公理化、代数、几何约束满足和基于模型的推理等方法。下面就主要讨论目前国内的专家学者对空间推理研究。,2020/5/20,史,87,空间推理研究的方法学廖士中,王建民,王海山提出了提出了空间推理一个新的一般框架和研究方法学。概述了空间推理研究的内容、关键问题和基本方法,从基本原则、形式框架、研究步骤、表示体系和推理框架等五个方面提出了空间推理研究的方法学,结合实际研究案例阐述了该方法的合理性与有效性。最后指出了空间推理研究的进一步工作和方向。,2020/5/20,史,88,1.空间推理研究方法学应以计算有效性和认知合理性为原则,来评价空间推理的建模方法、表示形式和推理算法。基本原则2.空间推理的形式框架为约束满足问(CSP)。约束满足问题包含一组变量和一组变量间的约束,目标是找到所有变量一个或多个赋值,使得所有约束得到满足。形式框架3则空间推理的研究步骤如下。步骤1.界定易处理问题类。步骤2.基于概念邻域结构建立空间知识表示的层次体系。步骤3.应用约束满足方法在层次体系中推导结论,2020/5/20,史,89,4表示体系知识表示是概括智能行为的模型,是人工智能研究中的基本问题之一。找出被表示世界领域中的结构,并构造各种保持结构的表示形式,是各种表示方法的本质。表示有定量表示和定性表示、拟真表示和替代表示。5推理框架,2020/5/20,史,90,(2)定性空间推理的分层递阶框架分层递