《人工智能实验指导书》课件-实验3　知识表示-动物识别系统

一、实验目的1.理解和掌握产生式知识表示方法。2.能够利用产生式知识表示方法进行正向推理和反向推理。3.能够用Python语言建立产生式系统的规则库。二、实验背景建立一个动物识别系统的规则库，用以识别虎、豹、斑马、长颈鹿、企鹅、鸵鸟、信天翁等7种动物。为了识别这些动物，可以根据动物识别的特征，建立包含下述规则的规则库(总共15条)：R1：if动物有毛发then动物是哺乳动物。R2：if动物有奶then动物是哺乳动物。R3：if动物有羽毛then动物是鸟。R4：if动物会飞and会生蛋then动物是鸟。R5：if动物吃肉then动物是食肉动物。R6：if动物有犀利牙齿and有爪and眼向前方then动物是食肉动物。R7：if动物是哺乳动物and有蹄then动物是有蹄类动物。R8：if动物是哺乳动物and反刍then动物是有蹄类动物。R9：if动物是哺乳动物and是食肉动物and有黄褐色and有暗斑点then动物是豹。R10：if动物是哺乳动物and是食肉动物and有黄褐色and有黑色条纹then动物是虎。R11：if动物是有蹄类动物and有长脖子and有长腿and有暗斑点then动物是长颈鹿。R12：if动物是有蹄类动物and有黑色条纹then动物是斑马。R13：if动物是鸟and不会飞and有长脖子and有长腿and有黑白二色then动物是鸵鸟。R14：if动物是鸟and不会飞and会游泳and有黑白二色then动物是企鹅。R15：if动物是鸟and善飞then动物是信天翁。如果动物有暗斑点、有长脖子、有长腿、有奶、有蹄，请推理出是什么动物。三、实验原理产生式系统(ProductionSystem)是历史悠久且被使用最多的知识表示系统。产生式系统是用来描述若干不同的以一个基本概念为基础的系统。这个基本概念就是产生式规则或产生式条件和操作的概念。在产生式系统中，知识一般分为两个部分：用事实表示静态知识，如事物和事物之间的联系；用产生式规则表示推理过程和行为。通常一个产生式系统包含事实库、规则集和规则解释(控制器) 3个部分，其基本结构如图3-1所示。事实库存放已有的知识信息数据，包括推理过程中形成的中间结论知识，规则及存储有关问题的状态转移、性质变换等规则的过程型知识。每条规则分为左部和右部两个部分，左部表示激活该产生式规则的条件，右部表示调用该产生式规则后做出的动作。规则解释(控制器)根据有关的控制型知识，选择控制策略，将规则与事实进行匹配，控制和利用知识进行推理并求解问题。从选择规则到执行操作通常分为三步：匹配、冲突消解和操作。其中由匹配器负责判断规则条件是否成立；冲突消解负责选择可调用的规则；解释器负责执行规则的动作，并在满足结束条件时终止产生式系统的运行。利用产生式系统求解问题一般归纳为以下步骤：(1)事实库初始化。(2)若存在未使用规则前提下能与事实库相匹配则转(3)，否则转(5)。(3)使用规则，更新事实库，并标记所用规则。(4)判定事实库是否包含解。若包含，则终止求解过程，否则转(2)。(5)要求更多关于问题的信息，若不能提供索要信息，则求解失败，否则更新事实库并转(2)。五、实验总结1.阐述实验过程本实验中的动物识别系统是一个典型的专家系统问题。其中知识库就是使用产生式规则表示的，因而专家系统可以看作是一个产生式系统；而事实库主要用于存放问题求解过程中的各种当前信息，包括原始事实、中间结论以及最终结论等；推理机构事实上是通过一段程序控制推理的进行，直至推理结束。本实验首先设计相应的综合数据库，然后依据事实定义动物识别系统所需规则，形成规则库；根据综合数据库和规则库分别进行正向推理和反向推理，并得到对应的推理结果。2.理解实验原理产生式系统是许多专家系统的主要知识表示手段，包括事实的表示和规则的表示两部分。系统工作时，使用者需要首先把所有可得到的事实收集在一起，然后在所有的产生式规则中逐个比较，以寻找与前项相匹配的规则。产生式系统的问题求解过程可以归纳如下：(1)事实库初始化。(2)若存在未使用规则的前提下能与事实库相匹配则转到(3)，否则转到(5)。(3)使用规则，更新事实库，并标记所用规则。(4)判定事实库是否包含解。若包含，则终止求解过程，否则转到(2)。(5)要求更多的关于问题的信息，若不能提供所要信息，则求解失败，否则更新事实库并转到(2)。对于简单的产生式系统，其前提和结论部分都是一些简单的断言，而实用的产生式系统无论在结构上还是规模上都更为复杂。3.分析实验问题本实验的动物识别系统的设计是一个典型的产生式系统问题。常见的产生式系统包括事实库、规则集和规则解释三个部分。在实验中分别对这三部分进行代码实现，并完成了由事实到结论的正向推理，以及从结论到事实的逆向推理。从实验结果中，我们发现产生式系统具有自然性、模块性、有效性、一致性等特点，同时，由于产生式系统的规则仅仅描述了前提条件和行为之间的静态关系，不便于结构性知识的表达，因此效率比较低。4.达到实