Постановка и решение любой задачи всегда связаны с ее "погружением" в подходящую предметную область. Так, решая задачу составления расписания обработки деталей на металлорежущих станках, мы вовлекаем в предметную область такие объекты, как конкретные станки, детали, интервалы времени, и общие понятия "станок", "деталь", "тип станка" и т. п. Все предметы и события, которые составляют основу общего понимания необходимой для решения задачи информации, называются предметной областью. Мысленно предметная область представляется состоящей из реальных или абстрактных объектов, называемых сущностями.
Сущности предметной области находятся в определенных отношениях друг к другу (ассоциациях), которые также можно рассматривать как сущности и включать в предметную область. Между сущностями наблюдаются различные отношения подобия. Совокупность подобных сущностей составляет класс сущностей, являющийся новой сущностью предметной области.
Отношения между сущностями выражаются с помощью суждений. Суждение — это мысленно возможная ситуация, которая может иметь место для предъявляемых сущностей или не иметь места. В языке (формальном или естественном) суждениям отвечают предложения. Суждения и предложения также можно рассматривать как сущности и включать в предметную область.
Языки, предназначенные для описания предметных областей, называются языками представления знаний. Универсальным языком представления знаний является естественный язык. Однако использование естественного языка в системах машинного представления знаний наталкивается на большие трудности ввиду присущих ему нерегулярностей, двусмысленностей, пресуппозиций и т.п. Но главное препятствие заключается в отсутствии формальной семантики естественного языка, которая имела бы достаточно эффективную операционную поддержку.
Для представления математического знания в математической логике давно пользуются логическими формализмами — главным образом исчислением предикатов, которое имеет ясную формальную семантику и операционную поддержку в том смысле, что для него разработаны механизмы вывода. Поэтому исчисление предикатов было первым логическим языком, который применили для формального описания предметных областей, связанных с решением прикладных задач.
Описания предметных областей, выполненные в логических языках, называются (формальными) логическими моделями.
Сетевые моделиВведем ряд определений. Под сущностью будем понимать объект произвольной природы. Этот объект может существовать в реальном мире. В этом случае он будет называться П–сущностью. В базе знаний ему соответствует некоторое описание, полнота которого определяется той информацией, которую имеет о П–сущности ИС. Такое представление в базе знаний называется М–сущностью. Отметим, что могут существовать М–сущности, для которых в окружающем ИС мире нет соответствующих П–сущностей. Такие М–сущности представляют собой абстрактные объекты, полученные в результате операций типа обобщения внутри базы знаний.
Разделение на два типа сущностей позволяет использовать в сетевых моделях идеи, впервые сформулированные в теории семиотических моделей и основанном на них ситуационном управлении. Под семиотическими моделями проблемных областей будет пониматься комплекс процедур, позволяющих отображать в базе знаний П–сущности и их связи, фиксируемые в проблемной области инженером по знаниям, в совокупность связанных между собой М–сущностей. Способ интерпретации взаимосвязанных П–сущностей будет называться денотативной семантикой, а способ интерпретации взаимосвязанных М–сущностей — коннотативной семантикой.
П–сущность по отношению к соответствующей ей в базе знаний М–сущности называется денотатом или референтом этой М–сущности, а М–сущность по отношению к исходной П–сущности — ее десигнатом, именем, меткой, идентификатором и т.п. Десигнат — это простейший элемент в сетевой модели. Он входит в класс терминальных объектов сетевой модели. Терминальным объектом называется М–сущность, которая не может быть разложена на более простые сущности. Остальные М–сущности называются производными объектами или производными М–сущностями.
Перечень терминальных объектов, которые могут образовывать классы или типы, задается при проектировании ИС. Ими могут быть целые вещественные числа, идентификаторы, строки, списки и т. п. Семантика терминальных объектов определяется набором допустимых процедур, оперирующих с ними, например: арифметические действия над числами, сравнение между собой строк или идентификаторов, операции ввода-вывода, включающие необходимые трансформации представлений, и т.д.
Продукционные моделиПродукции наряду с фреймами являются наиболее популярными средствами представления знаний в ИС. Продукции, с одной стороны, близки к логическим моделям, что позволяет организовывать на них эффективные процедуры вывода, а с другой стороны, более наглядно отражают знания, чем классические логические модели. В них отсутствуют жесткие ограничения, характерные для логических исчислений, что дает возможность изменять интерпретацию элементов продукции. В общем виде под продукцией понимается выражение следующего вида:
(i); Q; Р; А⇒В; N.
Здесь i — имя продукции, с помощью которого данная продукция выделяется из всего множества продукций. В качестве имени может выступать некоторая лексема, отражающая суть данной продукции (например, "покупка книги" или "набор кода замка"), или порядковый номер продукции в их множестве, хранящемся в памяти системы.
Элемент Q характеризует сферу применения продукции. Такие сферы легко выделяются в когнитивных структурах человека. Наши знания как бы "разложены по полочкам". На одной "полочке" хранятся знания о том, как надо готовить пищу, на другой — как добраться до работы и т. п. Разделение знаний на отдельные сферы позволяет экономить время на поиск нужных знаний. Такое же разделение на сферы в базе знаний ИС целесообразно и при использовании для представления знаний продукционных моделей.
Основным элементом продукции является ее ядро: А⇒В. Интерпретация ядра продукции может быть различной и зависит от того, что стоит слева и справа от знака секвенции ⇒. Обычное прочтение ядра продукции выглядит так: ЕСЛИ A, ТО B, более сложные конструкции ядра допускают в правой части альтернативный выбор, например, ЕСЛИ А, ТО B1, ИНАЧЕ B2. Секвенция может истолковываться в обычном логическом смысле как знак логического следования В из истинного А (если А не является истинным выражением, то о В ничего сказать нельзя). Возможны и другие интерпретации ядра продукции, например A описывает некоторое условие, необходимое для того, чтобы можно было совершить действие В.
Элемент Р есть условие применимости ядра продукции. Обычно Р представляет собой логическое выражение (как правило, предикат). Когда Р принимает значение "истина", ядро продукции активизируется. Если Р ложно, то ядро продукции не может быть использовано. Например, если в продукции "НАЛИЧИЕ ДЕНЕГ; ЕСЛИ ХОЧЕШЬ КУПИТЬ ВЕЩЬ X, ТО ЗАПЛАТИ В КАССУ ЕЕ СТОИМОСТЬ И ОТДАЙ ЧЕК ПРОДАВЦУ" условие применимости ядра продукции ложно, т. е. денег нет, то применить ядро продукции невозможно.
Элемент N описывает постусловия продукции. Они актуализируются только в том случае, если ядро продукции реализовалось. Постусловия продукции описывают действия и процедуры, которые необходимо выполнить после реализации В. Например, после покупки некоторой вещи в магазине необходимо в описи товаров, имеющихся в этом магазине, уменьшить количество вещей такого типа на единицу. Выполнение N может происходить не сразу после реализации ядра продукции.
Если в памяти системы хранится некоторый набор продукций, то они образуют систему продукций. В системе продукций должны быть заданы специальные процедуры управления продукциями, с помощью которых происходит актуализация продукций и выбор для выполнения той или иной продукции из числа актуализированных.
В ряде ИС используются комбинации сетевых и продукционных моделей представления знаний. В таких моделях декларативные знания описываются в сетевом компоненте модели, а процедурные знания — в продукционном. В этом случае говорят о работе продукционной системы над семантической сетью.
СценарииОсобую роль в системах представления знаний играют стереотипные знания, описывающие известные стандартные ситуации реального мира. Такие знания позволяют восстанавливать информацию, пропущенную в описании ситуации, предсказывать появление новых фактов, которых можно ожидать в данной ситуации, устанавливать смысл происхождения ситуации с точки зрения более общего ситуативного контекста.
Для описания стереотипного знания используются различные модели. Среди них наиболее распространенными являются сценарии. Сценарием называется формализованное описание стандартной последовательности взаимосвязанных фактов, определяющих типичную ситуацию предметной области. Это могут быть последовательности действий или процедур, описывающие способы достижения целей действующих лиц сценария (например, обед в ресторане, командировка, полет самолета, поступление в вуз). В ИС сценарии используются в процедурах понимания естественно–языковых текстов, планирования поведения, обучения, принятия решений, управления изменениями среды и др.
Предположим, что на вход ИС поступает текст. Будем говорить, то ИС понимает текст, если она дает ответы, правильные с точки зрения человека, на любые вопросы, относящиеся к тому, о чем говорится в тексте. Под "человеком" понимается конкретный человек–эксперт, которому поручено оценить способности системы к пониманию. Это вносит долю субъективизма, ибо разные люди могут по–разному понимать одни и те же тексты.
Классификация уровней пониманияВ существующих интеллектуальных системах (ИС) можно выделить пять основных уровней понимания и два уровня метапонимания.
Первый уровень характеризуется схемой, показывающей, что любые ответы на вопросы система формирует только на основе прямого содержания, введенного из текста. Если, например, в систему введен текст: "В восемь утра, после завтрака, Петя ушел в школу. В два часа он вернулся домой. После обеда он ушел гулять", то на первом уровне понимания система обязана уметь отвечать правильно на вопросы типа: "Когда Петя ушел в школу?" или "Что сделал Петя после обеда?". В лингвистическом процессоре происходит морфологический, синтаксический и семантический анализ текста и вопросов, относящихся к нему. На выходе лингвистического процессора получается внутреннее представление текста и вопросов, с которыми может работать блок вывода. Используя специальные процедуры, этот блок формирует ответы. Другими словами, уже понимание на первом уровне требует от ИС определенных средств представления данных и вывода на этих данных.
Второй уровень: На втором уровне добавляются средства логического вывода, основанные на информации, содержащейся в тексте. Это разнообразные логики текста (временная, пространственная, каузальная и т. п., которые способны породить информацию, явно отсутствующую в тексте. Для нашего примера на втором уровне возможно формирование правильных ответов на вопросы типа: "Что было раньше: уход Пети в школу или его обед?" или "Гулял Петя после возвращения из школы?" Только построив временную структуру текста, ИС сможет ответить на подобные вопросы.
Схема ИС, с помощью которой может быть реализован второй уровень понимания, имеет еще одну базу знаний. В ней хранятся закономерности, относящиеся к временной структуре событий, возможной их пространственной организации, каузальной зависимости и т.п., а логический блок обладает всеми необходимыми средствами для работы с псевдофизическими логиками.
Третий уровень: К средствам второго уровня добавляются правила пополнения текста знаниями системы о среде. Эти знания в ИС, как правило, носят логический характер и фиксируются в виде сценариев или процедур иного типа. На третьем уровне понимания ИС должна дать правильные ответы на вопросы типа: "Где был Петя в десять утра?" или "Откуда Петя вернулся в два часа дня?" Для этого надо знать, что означает процесс "пребывание в школе" и, в частности, что этот процесс является непрерывным и что субъект, участвующий в нем, все время находится "в школе".
Схема ИС, в которой реализуется понимание третьего уровня, внешне не отличается от схемы второго уровня. Однако в логическом блоке должны быть предусмотрены средства не только для чисто дедуктивного вывода, но и для вывода по сценариям.
Три перечисленных уровня понимания реализованы во всех практически работающих ИС. Первый уровень и частично второй входят в разнообразные системы общения на естественном языке.
Три перечисленных уровня понимания реализованы во всех практически работающих ИС. Первый уровень и частично второй входят в разнообразные системы общения на естественном языке.
Четвертый уровень: Вместо текста в ней используется расширенный текст, который порождается лишь при наличии двух каналов получения информации. По одному в систему передается текст, по другому — дополнительная информация, отсутствующая в тексте. При человеческой коммуникации роль второго канала, как правило, играет зрение. Более одного канала коммуникации имеют интеллектуальные роботы, обладающие зрением.
При наличии четвертого уровня понимания ИС способна отвечать на вопросы типа: "Почему Петя не должен был брать это?" или "Что сделал Петя?" Если вопрос, поступивший в систему, соответствует третьему уровню, то система выдает нужный ответ. Если для ответа необходимо привлечь дополнительную ("экзегетическую") информацию, то внутреннее представление текста и вопроса передается в блок, который осуществляет соотнесение текста с той реальной ситуацией его порождения, которая доступна ИС по зрительному или какому–нибудь иному каналу фиксации ситуации внешнего мира.
Пятый уровень: Для ответа на этом уровне ИС кроме текста использует информацию о конкретном субъекте, являющемся источником текста, и хранящуюся в памяти системы общую информацию, относящуюся к коммуникации (знания об организации общения, о целях участников общения, о нормах участия в общении). Теория, соответствующая пятому уровню, — это так называемая теория речевых актов.
Было обращено внимание на то, что любая фраза не только обозначает некое явление действительности, но и объединяет в себе три действия: локуцию, иллокуцию и перлокуцию. Локуция — это говорение как таковое, т.е. те действия, которые говорящий произвел, чтобы высказать свою мысль. Иллокуция — это действие при помощи говорения: вопрос, побуждение (приказ или просьба) и утверждение. Перлокуция — это действие, которым говорящий пытается осуществить некоторое воздействие на слушающего: "льстить", "удивлять", "уговаривать" и т.д. Речевой акт можно определить как минимальную осмысленную (или целесообразную) единицу речевого поведения. Каждый речевой акт состоит из локутивного, иллокутивного и перлокутивного акта.
Для четвертого и пятого уровней понимания интересны результаты по невербальным (несловесным) компонентам общения и психологическим принципам, лежащим в основе общения. Кроме того, в правила пополнения текста входят правила вывода, опирающиеся на знания о данном конкретном субъекте общения, если такие знания у системы есть. Например, система может доверять данному субъекту, считая, что порождаемый им текст истинен. Но может не доверять ему и понимать текст, корректируя его в соответствии со своими знаниями о субъекте, породившем текст. Знания такого типа должны опираться на психологические теории общения, которые пока развиты недостаточно.
Например, на вход системы поступает текст: "Нина обещала скоро прийти". Если о Нине у системы нет никакой информации, она может обратиться к базе знаний и использовать для оценки временного указателя "скоро" некоторую нормативную информацию. Из этой информации можно узнать, что с большой долей уверенности "скоро" не превышает полчаса. Но у системы может иметься специальная информация о той Нине, о которой идет речь во входном тексте. В этом случае система, получив нужную информацию из базы знаний, может приготовиться, например, к тому, что Нина скорее всего придет не ранее чем через час.
Первый метауровень: На этом уровне происходит изменение содержимого базы знаний. Она пополняется фактами, известными системе и содержащимися в тех текстах, которые в систему введены. Разные ИС отличаются друг от друга характером правил порождения фактов из знаний. Например, в системах, предназначенных для экспертизы в области фармакологии, эти правила опираются на методы индуктивного вывода и распознавания образов. Правила могут быть основаны на принципах вероятностей, размытых выводов и т.п. Но во всех случаях база знаний оказывается априорно неполной и в таких ИС возникают трудности с поиском ответов на запросы. В частности, в базах знаний становится необходимым немонотонный вывод.
Второй метауровень: На этом уровне происходит порождение метафорического знания. Правила порождения знаний метафорического уровня, используемые для этих целей, представляют собой специальные процедуры, опирающиеся на вывод по аналогии и ассоциации. Известные в настоящее время схемы вывода по аналогии используют, как правило, диаграмму Лейбница, которая отражает лишь частный случай рассуждений по аналогии. Еще более бедны схемы ассоциативных рассуждений.
Если рассматривать уровни и метауровни понимания с точки зрения архитектуры ИС, то можно наблюдать последовательное наращивание новых блоков и усложнение реализуемых ими процедур. На первом уровне достаточно лингвистического процессора с базой знаний, относящихся только к самому тексту. На втором уровне в этом процессоре возникает процедура логического вывода. На третьем уровне необходима база знаний. Появление нового канала информации, который работает независимо от исходного, характеризует четвертый уровень. Кроме процедур, связанных с работой этого канала, появляются процедуры, увязывающие между собой результаты работы двух каналов, интегрирующие информацию, получаемую по каждому из них. На пятом уровне развитие получают разнообразные способы вывода на знаниях и данных. На этом уровне становятся важными модели индивидуального и группового поведения. На метауровнях возникают новые процедуры для манипулирования знаниями, которых не было на более низких уровнях понимания. И этот процесс носит открытый характер. Понимание в полном объеме — некоторая, по–видимому, недостижимая мечта. Но понимание на уровне "бытового понимания" людей в ИС вполне достижимо
Существуют и другие интерпретации феномена понимания. Можно, например, оценивать уровень понимания по способности системы к объяснению полученного результата. Здесь возможен не только уровень объяснения, когда система объясняет, что она сделала, например, на основе введенного в нее текста, но и уровень обоснования (аргументации), когда система обосновывает свой результат, показывая, что он не противоречит той системе знаний и данных, которыми она располагает. В отличие от объяснения обоснование всегда связано с суммой фактов и знаний, которые определяются текущим моментом существования системы. И вводимый для понимания текст в одних состояниях может быть воспринят системой как истинный, а в других — как ложный. Кроме объяснения и обоснования возможна еще одна функция, связанная с пониманием текстов, — оправдание. Оправдать нечто означает, что выводимые утверждения не противоречат той системе норм и ценностей, которые заложены в ИС. Существующие ИС типа экспертных систем, как правило, способны давать объяснения и лишь частично обоснования. В полном объеме процедуры обоснования и оправдания еще не реализованы.
Функционирование многих ИС носит целенаправленный характер (примером могут служить автономные интеллектуальные роботы). Типичным актом такого функционирования является решение задачи планирования пути достижения нужной цели из некоторой фиксированной начальной ситуации. Результатом решения задачи должен быть план действий — частично–упорядоченная совокупность действий. Такой план напоминает сценарий, в котором в качестве отношения между вершинами выступают отношения типа: "цель–подцель" "цель–действие", "действие–результат" и т.п. Любой путь в этом сценарии, ведущий от вершины, соответствующей текущей ситуации, в любую из целевых вершин, определяет план действий.
Поиск плана действий возникает в ИС лишь тогда, когда она сталкивается с нестандартной ситуацией, для которой нет заранее известного набора действий, приводящих к нужной цели. Все задачи построения плана действий можно разбить на два типа, которым соответствуют различные модели: планирование в пространстве состояний (SS–проблема) и планирование в пространстве задач (PR–проблема).
В первом случае считается заданным некоторое пространство ситуаций. Описание ситуаций включает состояние внешнего мира и состояние ИС, характеризуемые рядом параметров. Ситуации образуют некоторые обобщенные состояния, а действия ИС или изменения во внешней среде приводят к изменению актуализированных в данный момент состояний. Среди обобщенных состояний выделены начальные состояния (обычно одно) и конечные (целевые) состояния. SS–проблема состоит в поиске пути, ведущего из начального состояния в одно из конечных. Если, например, ИС предназначена для игры в шахматы, то обобщенными состояниями будут позиции, складывающиеся на шахматной доске. В качестве начального состояния может рассматриваться позиция, которая зафиксирована в данный момент игры, а в качестве целевых позиций — множество ничейных позиций. Отметим, что в случае шахмат прямое перечисление целевых позиций невозможно. Матовые и ничейные позиции описаны на языке, отличном от языка описания состояний, характеризуемых расположением фигур на полях доски. Именно это затрудняет поиск плана действий в шахматной игре.
При планировании в пространстве задач ситуация несколько иная. Пространство образуется в результате введения на множестве задач отношения типа: "часть–целое", "задача–подзадача", "общий случай–частный случай" и т.п. Другими словами, пространство задач отражает декомпозицию задач на подзадачи (цели на подцели). PR–проблема состоит в поиске декомпозиции исходной задачи на подзадачи, приводящей к задачам, решение которых системе известно. Например, ИС известно, как вычисляются значения sin x и cos x для любого значения аргумента и как производится операция деления. Если ИС необходимо вычислить tg x, то решением PR–проблемы будет представление этой задачи в виде декомпозиции tg x=sin x/cos x (кроме х=p/2+kp).
Решение задач методом поиска в пространстве состоянийПредставление задач в пространстве состояний предполагает задание ряда описаний: состояний, множества операторов и их воздействий на переходы между состояниями, целевых состояний. Описания состояний могут представлять собой строки символов, векторы, двухмерные массивы, деревья, списки и т.п. Операторы переводят одно состояние в другое. Иногда они представляются в виде продукций A⇒B, означающих, что состояние А преобразуется в состояние В.
Пространство состояний можно представить как граф, вершины которого помечены состояниями, а дуги — операторами.
Таким образом, проблема поиска решения задачи <А,В> при планировании по состояниям представляется как проблема поиска на графе пути из А в В. Обычно графы не задаются, а генерируются по мере надобности.
Различаются слепые и направленные методы поиска пути. Слепой метод имеет два вида: поиск вглубь и поиск вширь. При поиске вглубь каждая альтернатива исследуется до конца, без учета остальных альтернатив. Метод плох для "высоких" деревьев, так как легко можно проскользнуть мимо нужной ветви и затратить много усилий на исследование "пустых" альтернатив. При поиске вширь на фиксированном уровне исследуются все альтернативы и только после этого осуществляется переход на следующий уровень. Метод может оказаться хуже метода поиска вглубь, если в графе все пути, ведущие к целевой вершине, расположены примерно на одной и той же глубине. Оба слепых метода требуют большой затраты времени и поэтому необходимы направленные методы поиска.
Метод ветвей и границ. Из формирующихся в процессе поиска неоконченных путей выбирается самый короткий и продлевается на один шаг. Полученные новые неоконченные пути (их столько, сколько ветвей в данной вершине) рассматриваются наряду со старыми, и вновь продлевается на один шаг кратчайший из них. Процесс повторяется до первого достижения целевой вершины, решение запоминается. Затем из оставшихся неоконченных путей исключаются более длинные, чем законченный путь, или равные ему, а оставшиеся продлеваются по такому же алгоритму до тех пор, пока их длина меньше законченного пути. В итоге либо все неоконченные пути исключаются, либо среди них формируется законченный путь, более короткий, чем ранее полученный. Последний путь начинает играть роль эталона и т.д.
Алгоритм кратчайших путей Мура. Исходная вершина X0 помечается числом 0. Пусть в ходе работы алгоритма на текущем шаге получено множество дочерних вершин X(xi) вершины xi. Тогда из него вычеркиваются все ранее полученные вершины, оставшиеся помечаются меткой, увеличенной на единицу по сравнению с меткой вершины xi, и от них проводятся указатели к Xi. Далее на множестве помеченных вершин, еще не фигурирующих в качестве адресов указателей, выбирается вершина с наименьшей меткой и для нее строятся дочерние вершины. Разметка вершин повторяется до тех пор, пока не будет получена целевая вершина.
Алгоритм Дейкстры определения путей с минимальной стоимостью является обобщением алгоритма Мура за счет введения дуг переменной длины.
Алгоритм Дорана и Мичи поиска с низкой стоимостью. Используется, когда стоимость поиска велика по сравнению со стоимостью оптимального решения. В этом случае вместо выбора вершин, наименее удаленных от начала, как в алгоритмах Мура и Дийкстры, выбирается вершина, для которой эвристическая оценка расстояния до цели наименьшая. При хорошей оценке можно быстро получить решение, но нет гарантии, что путь будем минимальным.
Алгоритм Харта, Нильсона и Рафаэля. В алгоритме объединены оба критерия: стоимость пути до вершины g(x) и стоимость пути от вершины h(x) — в аддитивной оценочной функции f(x)=g(x)-h(x). При условии h(x)<hp(x), где hp(x) — действительное расстояние до цели, алгоритм гарантирует нахождение оптимального пути.
Алгоритмы поиска пути на графе различаются также направлением поиска. Существуют прямые, обратные и двунаправленные методы поиска. Прямой поиск идет от исходного состояния и, как правило, используется тогда, когда целевое состояние задано неявно. Обратный поиск идет от целевого состояния и используется тогда, когда исходное состояние задано неявно, а целевое явно. Двунаправленный поиск требует удовлетворительного решения двух проблем: смены направления поиска и оптимизации "точки встречи". Одним из критериев для решения первой проблемы является сравнение "ширины" поиска в обоих направлениях — выбирается то направление, которое сужает поиск. Вторая проблема вызвана тем, что прямой и обратный пути могут разойтись и чем уже поиск, тем это более вероятно.
Решение задач методом редукцииЭтот метод приводит к хорошим результатам потому, что часто решение задач имеет иерархическую структуру. Однако не обязательно требовать, чтобы основная задача и все ее подзадачи решались одинаковыми методами. Редукция полезна для представления глобальных аспектов задачи, а при решении более специфичных задач предпочтителен метод планирования по состояниям. Метод планирования по состояниям можно рассматривать как частный случай метода планирования с помощью редукций, ибо каждое применение оператора в пространстве состояний означает сведение исходной задачи к двум более простым, из которых одна является элементарной. В общем случае редукция исходной задачи не сводится к формированию таких двух подзадач, из которых хотя бы одна была элементарной.
Поиск планирования в пространстве задач заключается в последовательном сведении исходной задачи к все более простым до тех пор, пока не будут получены только элементарные задачи. Частично упорядоченная совокупность таких задач составит решение исходной задачи. Расчленение задачи на альтернативные множества подзадач удобно представлять в виде И/ИЛИ–графа. В таком графе всякая вершина, кроме концевой, имеет либо конъюнктивно связанные дочерние вершины (И–вершина), либо дизъюнктивно связанные (ИЛИ–вершина). В частном случае, при отсутствии И–вершин, имеет место граф пространства состояний. Концевые вершины являются либо заключительными (им соответствуют элементарные задачи), либо тупиковыми. Начальная вершина (корень И/ИЛИ–графа) представляет исходную задачу. Цель поиска на И/ИЛИ–графе — показать, что начальная вершина разрешима. Разрешимыми являются заключительные вершины (И–вершины), у которых разрешимы все дочерние вершины, и ИЛИ–вершины, у которых разрешима хотя бы одна дочерняя вершина. Разрешающий граф состоит из разрешимых вершин и указывает способ разрешимости начальной вершины. Наличие тупиковых вершин приводит к неразрешимым вершинам. Неразрешимыми являются тупиковые вершины, И–вершины, у которых неразрешима хотя бы одна дочерняя вершина, и ИЛИ–вершины, у которых неразрешима каждая дочерняя вершина
Алгоритм Ченга и Слейгла. Основан на преобразовании произвольного И/ИЛИ–графа в специальный ИЛИ–граф, каждая ИЛИ–ветвь которого имеет И–вершины только в конце. Преобразование использует представление произвольного И/ИЛИ–графа как произвольной формулы логики высказываний с дальнейшим преобразованием этой произвольной формулы в дизъюнктивную нормальную форму. Подобное преобразование позволяет далее использовать алгоритм Харта, Нильсона и Рафаэля.
Метод ключевых операторов. Пусть задана задача <A,B> и известно, что оператор f обязательно должен входить в решение этой задачи. Такой оператор называется ключевым. Пусть для применения f необходимо состояние C, а результат его применения есть I(c). Тогда И–вершина <A,В> порождает три дочерние вершины: <A,C>, <C,f{c)> и <f(c),B>, из которых средняя является элементарной задачей. К задачам <A,С> и <f(c),B> также подбираются ключевые операторы, и указанная процедура редуцирования повторяется до тех пор, пока это возможно. В итоге исходная задача <A,B> разбивается на упорядоченную совокупность подзадач, каждая из которых решается методом планирования в пространстве состояний.
Возможны альтернативы по выбору ключевых операторов, так что в общем случае будет иметь место И/ИЛИ–граф. В большинстве задач удается не выделить ключевой оператор, а только указать множество, его содержащее. В этом случае для задачи <A,B> вычисляется различие между A и B, которому ставится в соответствие оператор, устраняющий это различие. Последний и является ключевым.
Метод планирования общего решателя задач (ОРЗ). ОРЗ явился первой наиболее известной моделью планировщика. Он использовался для решения задач интегрального исчисления, логического вывода, грамматического разбора и др. ОРЗ объединяет два основных принципа поиска: анализ целей и средств и рекурсивное решение задач. В каждом цикле поиска ОРЗ решает в жесткой последовательности три типа стандартных задач: преобразовать объект А в объект В, уменьшить различие D между А и В, применить оператор f к объекту А. Решение первой задачи определяет различие D второй — подходящий оператор f, третьей — требуемое условие применения С. Если С не отличается от A, то оператор f применяется, иначе С представляется как очередная цель и цикл повторяется, начиная с задачи "преобразовать A в С". В целом стратегия ОРЗ осуществляет обратный поиск — от заданной цели В к требуемому средству ее достижения С, используя редукцию исходной задачи <A,В> к задачам <A,C> и <С,В>.
Заметим, что в ОРЗ молчаливо предполагается независимость различий друг от друга, откуда следует гарантия, что уменьшение одних различий не приведет к увеличению других.
Планирование с помощью логического вывода. Такое планирование предполагает: описание состояний в виде правильно построенных формул (ППФ) некоторого логического исчисления, описание операторов в виде либо ППФ, либо правил перевода одних ППФ в другие. Представление операторов в виде ППФ позволяет создавать дедуктивные методы планирования, представление операторов в виде правил перевода — методы планирования с элементами дедуктивного вывода.
Дедуктивный метод планирования системы QA3, ОРЗ не оправдал возлагавшихся на него надежд в основном из–за неудовлетворительного представления задач. Попытка исправить положение привела к созданию вопросно–ответной системы QA3. Система рассчитана на произвольную предметную область и способна путем логического вывода ответить на вопрос: возможно ли достижение состояния В из A? В качестве метода автоматического вывода используется принцип резолюций. Для направления логического вывода QA3 применяет различные стратегии, в основном синтаксического характера, учитывающие особенности формализма принципа резолюций. Эксплуатация QA3 показала, что вывод в такой системе получается медленным, детальным, что несвойственно рассуждениям человека.
Метод продукций системы STRIPS. В этом методе оператор представляет продукцию Р, А⇒В, где Р, А и В — множества ППФ исчисления предикатов первого порядка, Р выражает условия применения ядра продукции А⇒В, где В содержит список добавляемых ППФ и список исключаемых ППФ, т.е. постусловия. Метод повторяет метод ОРЗ с тем отличием, что стандартные задачи определения различий и применения подходящих операторов решаются на основе принципа резолюций. Подходящий оператор выбирается так же, как в ОРЗ, на основе принципа "анализ средств и целей". Наличие комбинированного метода планирования позволило ограничить процесс логического вывода описанием состояния мира, а процесс порождения новых таких описаний оставить за эвристикой "от цели к средству ее достижения".
Метод продукций, использующий макрооператоры [Файкс и др., 1973]. Макрооператоры — это обобщенные решения задач, получаемые методом STRIPS. Применение макрооператоров позволяет сократить поиск решения, однако при этом возникает проблема упрощения применяемого макрооператора, суть которой заключается в выделении по заданному различию его требуемой части и исключении из последней ненужных операторов
Решение задач методом дедуктивного выбораВ дедуктивных моделях представления и обработки знании решаемая проблема записывается в виде утверждении формальной системы, цель — в виде утверждения, справедливость которого следует установить или опровергнуть на основании аксиом (общих законов) и правил вывода формальной системы. В качестве формальной системы используют исчисление предикатов первого порядка.
В соответствии с правилами, установленными в формальной системе, заключительному утверждению–теореме, полученной из начальной системы утверждений (аксиом, посылок), приписывается значение ИСТИНА, если каждой посылке, аксиоме также приписано значение ИСТИНА.
Процедура вывода представляет собой процедуру, которая из заданной группы выражений выводит отличное от заданных выражение.
Обычно в логике предикатов используется формальный метод доказательства теорем, допускающий возможность его машинной реализации, но существует также возможность доказательства неаксиоматическим путем: прямым выводом, обратным выводом.
Метод резолюции используется в качестве полноценного (формального) метода доказательства теорем. Для применения этого метода исходную группу заданных логических формул требуется преаобразовать в некоторую нормальную форму. Это преобразование проводится в несколько стадий, составляющих машину вывода.
Решение задач c использованием немонотонных логик и вероятностных логикДанные и знания, с которыми приходится иметь дело в ИС, редко бывают абсолютно точными и достоверными. Присущая знаниям неопределенность может иметь разнообразный характер, и для ее описания используется широкий спектр формализмов. Рассмотрим один из типов неопределенности в данных и знаниях — их неточность. Будем называть высказывание неточным, если его истинность (или ложность) не может быть установлена с определенностью. Основополагающим понятием при построении моделей неточного вывода является понятие вероятности, поэтому все описываемые далее методы связаны с вероятностной концепцией.
Модель оперирования с неточными данными и знаниями включает две составляющие: язык представления неточности и механизм вывода на неточных знаниях. Для построения языка необходимо выбрать форму представления неточности (например, скаляр, интервал, распределение, лингвистическое выражение, множество) и предусмотреть возможность приписывания меры неточности всем высказываниям.
Механизмы оперирования с неточными высказываниями можно разделить на два типа. К первому относятся механизмы, носящие "присоединенный" характер: пересчет мер неточности как бы сопровождает процесс вывода, ведущийся на точных высказываниях. Для разработки присоединенной модели неточного вывода в основанной на правилах вывода системе необходимо задать функции пересчета, позволяющие вычислять: а) меру неточности антецедента правила (его левой части) по мерам неточности составляющих его высказываний; б) меру неточности консеквента правила (его правой части) по мерам неточности правила и посылки правила; в) объединенную меру неточности высказывания по мерам, полученным из правил.
Введение меры неточности позволит привнести в процесс вывода нечто принципиально новое — возможность объединения силы нескольких свидетельств, подтверждающих или опровергающих одну и ту же гипотезу. Другими словами, при использовании мер неточности целесообразно выводить одно и то же утверждение различными путями (с последующим объединением значений неточности), что совершенно бессмысленно в традиционной дедуктивной логике. Для объединения свидетельств требуется функция пересчета, занимающая центральное место в пересчете. Заметим, что, несмотря на "присоединенность" механизмов вывода этого типа, их реализация в базах знаний оказывает влияние на общую стратегию вывода: с одной стороны, необходимо выводить гипотезу всеми возможными путями для того, чтобы учесть все релевантные этой гипотезе свидетельства, с другой-предотвратить многократное влияние силы одних и тех же свидетельств.
Для механизмов оперирования с неточными высказываниями второго типа характерно наличие схем вывода, специально ориентированных на используемый язык представления неточности. Как правило, каждому шагу вывода соответствует пересчет мер неточности, обусловленный соотношением на множестве высказываний (соотношением может быть элементарная логическая связь, безотносительно к тому, является ли это отношение фрагментом какого-либо правила). Таким образом, механизмы второго типа применимы не только к знаниям, выраженным в форме правил. Вместе с тем для них, как и для механизмов "присоединенного" типа, одной из главных является проблема объединения свидетельств
©Морозов Н.М.