第五章 系統(tǒng)知識的控制和推理
人類專家具有商效率求解復(fù)雜問題的能力，主要表現(xiàn)在兩方面：一是專家具有大量的專門知識；二是專家具有選擇和應(yīng)用知識的能力。本章討論的是圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計中知識的控制和推理策略。
知識的選擇過程本文稱為控制策略，其任務(wù)是控制推理過程的執(zhí)行和選擇推理方式。推理是指從已有事實推出新的事實（結(jié)論）的過程。推理過程所要解決的問題是：在問題求解的每個狀態(tài)下，如何選擇知識而加以靈活的應(yīng)用。推理以知識庫的已有知識為基礎(chǔ)，是一種基于知識的推理。推理的機(jī)算機(jī)實現(xiàn)構(gòu)成推理機(jī)，是專家系統(tǒng)的另一核心部分。
5.1符號的模式匹配
符號的棋式匹配是比較兩個符號表達(dá)式以判明它們彼此是否相似的過程，盡管當(dāng)前的模式匹配只是從形式上檢查而不管其含義，但它仍是構(gòu)成模式表、斷言表和推理機(jī)的核心部分。所以說，符號的模式匹配是推理機(jī)的關(guān)鏈部分。
符號的棋式匹配是一遞歸結(jié)構(gòu)函數(shù)過程，其主要功能如下：
·完全匹配；
·任意字與字組合匹配，
·變夏匹配；
·約束匹配；
·限制條件匹配，
·計算值匹配，
·條件范圍匹配等。
以上匹配方式基本滿足了圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計的需要。
5.2框架知識的控制和推理
本文在第三章中介紹了圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計的框架知識元，本節(jié)介紹框架知識的控制和推理過程。框架知識元的選擇是通過各設(shè)計子任務(wù)調(diào)用相應(yīng)的知識元實現(xiàn)，對框架知識的推理，通過如下方式進(jìn)行。
1.規(guī)格化框架：對于規(guī)格化框架知識元，有一套控制程序，實現(xiàn)框架知識的存儲、取值、修改、刪除，進(jìn)行框架知識的運行和求值，這主要由下列函數(shù)完成：
（1）存函數(shù)FPUT，它交所需要的知識存入指定的框架、柄、側(cè)面下；
（FPUT′coefflcient′lubricate′K1
′((6.2 12.0 21.0 29.0 45.0 60.0 75.0 100.0 150.0 190.0 225.0)
(0.82 0.83 0.85 0.88 0.91 0.93 0.96 1.00 1.05 1.09 1.12)))
將K1值(數(shù)表)存入coefficient框架的lubricate側(cè)面下。
（2）取函數(shù)FGET，它將給出指定框架側(cè)面下的所有信息，若該側(cè)面無或下面無信息，函數(shù)返回HIL值；
(FGET＇coefficient＇lubricate＇K1）返回K1的值。
（3）刪函數(shù)FREMOVE、FDELETE，根據(jù)需要，F(xiàn)REMOVE能夠刪除指定框架的特定側(cè)面或槽；FDELETE用于刪除指定的框架；如
（FREMOVE＇coefficient＇lubricate＇K1）刪除K1側(cè)面的值。
（FREMOVE＇coefficient＇lubricate）刪除lubricate槽的各側(cè)面。
（REMOVE＇coefficient）刪除coefficient框架。
2.變體框架：變體框架是為了適應(yīng)知識的各種不同表面而建立的框架知識元，對每一各變體框架知識元通常作為一個整體使用，其建立和刪除過程采用對原子的建表和解除原子的約束的方法實現(xiàn)。變體框架知識元的運行和推理是通守相應(yīng)的知識控制與推理程序?qū)崿F(xiàn)的。例如，框架知識（表3-3）含有四個側(cè)面，它們分別是formula側(cè)面、condition側(cè)面、value側(cè)面、notice側(cè)面，此框架知識的推理過程如下（以箱體底座壁厚為例）：
首先測試條件（condition）側(cè)面，若條件側(cè)面有值，則進(jìn)行求值。如c1的求值方法為：若選擇的齒輪材料系列為order1（滲碳、淬火系列），則c1=0.025；否則，c1=0.025。c2的求值方法是：若減速器傳動級數(shù)grade=1則c2=3；否則，c2=5。
然后，測試公式（formula）側(cè)面并計算其值；如計算公式delta=c1*a+c2的值。
最后，測試取值條件（value）側(cè)面，若對取值有限制，則檢驗所計算值是否滿足紅束條件；如對delta值的限制，若delta≤8，則取delta=8。對箱體知識的求值過程的LISP函數(shù)如表5-1：
其它變提框架知識元的處理，論文以后還將介紹，這里不再一一細(xì)述。
5.3產(chǎn)生式規(guī)則的控制與推理
圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(tǒng)是一個多階段的設(shè)計過程。不同設(shè)計階段的產(chǎn)生式知識元構(gòu)成圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(tǒng)的規(guī)則庫。不同設(shè)計任務(wù)的產(chǎn)生式知識元的控制是通過主控框架選擇應(yīng)用的。
推理策略是應(yīng)用產(chǎn)生式知識元時，控制推理的執(zhí)行過程。常用的推理控制策略有正向推理、反向推理、正反向混合推理、元控制策略等。作者研制的圓柱齒輪減速器專家設(shè)計系統(tǒng)中，采用正向、反向、正反向混合推理，現(xiàn)分別介紹如下：
1.正向推理機(jī)的開發(fā)
正向推理策略是前向鏈控制策略（也稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動控制）。這種控制的基本思想是：從問題已有的信息（事實）開始，正向使用規(guī)則，當(dāng)規(guī)則的前題被已有事實匹配時，該規(guī)則即為可用規(guī)則，然后通過沖突消解，在可用規(guī)則中選擇一條啟用規(guī)則，啟用規(guī)則結(jié)論的使用又導(dǎo)致上下文的改變，從而引起新的規(guī)則的匹配，如此地循環(huán)往復(fù)，直到到達(dá)一個問題狀態(tài)沒有可用規(guī)則或求得了所要求的解為止。例如，下列規(guī)則的推理過程為：
RULES==＞（…
(rule lubrication-8
(if (there is no rule for lubrication))
（then(the lubricating method is bath lubrication)))
…
(rule lubrication-10
(if (the lobricating method is bath lubrication)
(gearbox is 2 grades transmission))
(then (the depth of oil is 2-3 gear tooth height of
heigh speed gear)））
…）
若系統(tǒng)的上下文中沒有能夠啟用潤滑方式的規(guī)則的話，則規(guī)則8 被啟用（默認(rèn)規(guī)則），并將其結(jié)論部分（the lubricating?method is bath lubrication）加入系統(tǒng)的上下文，由于上下文中加入了新的事實，推理機(jī)對規(guī)則集再次進(jìn)行遍歷，其結(jié)果，規(guī)則10（假設(shè)此時設(shè)計的speedged gear）加入系統(tǒng)上下文中，這樣反復(fù)進(jìn)行，直到再沒有新的事實加入上下文中為止。
正向推理系統(tǒng)中，用戶先輸入與當(dāng)前問題有關(guān)的信息，構(gòu)成當(dāng)前數(shù)據(jù)庫（上下文）。正向推理的示意圖如圖5-l。
圓柱齒輪減速器的設(shè)計過程，是一個由初始條件向設(shè)計結(jié)果的轉(zhuǎn)變過程。因而，圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(tǒng)中，大量采用前向鏈的推理控制策略。它的優(yōu)點是：用戶可以主動提供有關(guān)問題的信息，而不必等到系統(tǒng)要求時才提供，系統(tǒng)可以很快地對用戶輸入的事實作出響應(yīng)。但其不足在于知識的啟用與執(zhí)行似乎漫無目標(biāo)，系統(tǒng)求解過程中可能要執(zhí)行許多與解無關(guān)的操作，導(dǎo)致推理過程的低效率。
2.反向推理機(jī)的開發(fā)
反向推理是一種后向鏈控制策略（也稱為目標(biāo)驅(qū)動控制）。這種控制的基本思想是：預(yù)先假設(shè)一個目標(biāo)，然后在知識庫中找出那些其結(jié)論部分可能導(dǎo)致這個目標(biāo)為真的規(guī)則集，再檢查規(guī)則集中每條規(guī)則的前題部分，如果某條規(guī)則的前題中所含有的各條件均能通過用戶的會話得到滿足，或者能被用戶已經(jīng)提供的上下文的事實所匹配，則把規(guī)則的結(jié)論部分（即目標(biāo)）加到上下文中，從而該目標(biāo)被證明。否則把規(guī)則的條件項目作為新的子目標(biāo)，遞歸執(zhí)行上述過程，直到各“與”關(guān)系的子目標(biāo)的全部和“或”關(guān)系的子目標(biāo)中有一個出現(xiàn)在上下文中時，目標(biāo)被求解，或者直到子目標(biāo)不能進(jìn)一步分解而且上下文不能實現(xiàn)上述滿足時，這個預(yù)先假設(shè)的目標(biāo)失敗，系統(tǒng)此時需要重新假設(shè)新的目標(biāo)。
目標(biāo)驅(qū)動控制只考慮那些對假設(shè)目標(biāo)是可用的規(guī)則。為證明一個假設(shè)目標(biāo)G，可以根據(jù)可用規(guī)則集把G分解為許多子目標(biāo)，每個子目標(biāo)又可以進(jìn)一步分解，當(dāng)出現(xiàn)某條規(guī)則分解的全部子目標(biāo)均為已出現(xiàn)的高層次目標(biāo)時，推理過程便會進(jìn)入死循環(huán)，控制過程需要作這種檢測。
與正向推理類似，反向推理控制也會出現(xiàn)可用規(guī)則的沖突消解問題，反向推理控制先把結(jié)論相同的規(guī)則集中在一起，對于一個給定的目標(biāo)（或子目標(biāo)）如果有一條以上的規(guī)則其結(jié)論部分均能達(dá)到這個目標(biāo)或子目標(biāo)時，就產(chǎn)生了沖突。在目標(biāo)驅(qū)動的后向推理中，沖突消解問題顯得難度更大、更重要，因為所選擇得規(guī)則左部就成為子目標(biāo)，規(guī)則的選擇等于目標(biāo)的選擇。
反向推理過程示意圖見圖5-2 。
圓柱齒輪減速器專家系統(tǒng)設(shè)計中，反向推理機(jī)制是局部使用的，即系統(tǒng)在假設(shè)目標(biāo)的選取上，是選規(guī)則的條件項目作為假設(shè)目標(biāo)。這主要是基于下面的考慮：
專家系統(tǒng)在實際使用中，所設(shè)計的對象情況千變?nèi)f化的，而專家系統(tǒng)許多知識依賴于一般的常識性假設(shè)。這些假設(shè)在通常情況下是合理的，但有時不適合于特殊情況。為此，專家系統(tǒng)在某些必要的環(huán)節(jié)，的使用情況見§6.2.2。
3.混合推理機(jī)構(gòu)的開發(fā)
從上面的討論中可以看出，正、反向推理各具有獨自的優(yōu)點，在第六章的系統(tǒng)輸入中我們將會看到，圓柱齒輪減速器原始的輸入條件包括許多項。事實上，一般由用貨單位提供的任務(wù)書，其初始條件是不完備的。這時，由于條件的不完備，僅僅使用正向推理難以使設(shè)計進(jìn)行下去。圓柱齒輪減速器設(shè)計專家系統(tǒng)除采用默認(rèn)推理的方法外，就是用混合推理的方法�；旌峡刂撇呗缘幕舅枷胧牵航Y(jié)合使用正向推理和反向推理的各自優(yōu)點，先通過正向推理幫助選擇初始目標(biāo)，然后通過反向推理求解這個目標(biāo)，理中初始目標(biāo)選擇的盲目性，也克服了正向推理中推理的盲目性，從而兩種推理本身得到了相互補充�；旌贤评砣粢运惴枋龅脑�，其過程如下：
Procedure Alternate-chain（KB，context）
repeat
Goals←Forward-dhain（KB，context）
G：=Ghoose=Goal（Goals）
P←Backward-chain（G，KB）
until Pis ture
END這里先用自向推理方式以用戶已經(jīng)提供的數(shù)據(jù)信息（上下文）得到部分結(jié)果，這部分結(jié)果可能含有反向推理過程的各子目標(biāo)，Choose-Goal過程利用這些部分結(jié)果決定或猜測總目標(biāo)的選擇，所選擇的總目標(biāo)至少不會同這些部分結(jié)果發(fā)生矛盾。因此混合控制交替使用了正向推理和反向推理這兩算法：通過用戶所提供的信息選擇一個目標(biāo)，然后當(dāng)證明這個目標(biāo)時又反過來詢問用戶以獲取更多的信息。
推理的過程中，系統(tǒng)除采用演繹推理外，還采用非單調(diào)的推理方式。非單調(diào)推理是一種基于默認(rèn)信息的推理。圓柱齒輪減速器設(shè)計過程中存在有大量的默認(rèn)信息，默認(rèn)信息并非無信息，而是一種常識性知識。從理論意義上講，默認(rèn)信息的含義是指：當(dāng)且僅當(dāng)沒有事實說明S不成立時，S總是成立的。減速器設(shè)計中，有如一般生產(chǎn)條件（其含義是指加工機(jī)城零件，在經(jīng)濟(jì)梢度能條件下，采用的生產(chǎn)加工方法）等�；谀J(rèn)信息的推理即默認(rèn)推理（或稱缺省推理）是一種非單調(diào)推理。默認(rèn)推理是當(dāng)條件不充分、把握的事實不完備時依據(jù)常識性內(nèi)容所作的一些有益的猜測。在推理或者進(jìn)一步的計算過程以后，新的事實被認(rèn)識，原來基于默認(rèn)推理的某些結(jié)論可能要被否認(rèn)。在減速器設(shè)計的過程中，許多的判斷和決策是在不完全和不確定的信息狀態(tài)下進(jìn)行的，求解過程并不因為信息的不完全和不確定而優(yōu)柔寡斷、停止設(shè)計，而采用相應(yīng)的策略，去解決那些設(shè)計產(chǎn)生的默認(rèn)狀態(tài)不一致問題。
5.4 沖突消解策略
推理機(jī)在運用產(chǎn)生式知識元的知識進(jìn)行推理時，一條知識的可用與否取決于這條知識的條件部分同問題當(dāng)前數(shù)據(jù)庫的匹配。一般情況下，在問題求解的每一中間狀態(tài)，可用知識不止一條，因此，推理機(jī)需要有沖突的消解策略。
本文研究的專家系統(tǒng)所采用的沖突消解策略如下：
（1）知識庫的組織形式按它們所對應(yīng)的問題求解狀態(tài)所描述的上下文分塊，求解某一問題時，只能選取此問題相對應(yīng)的產(chǎn)生式知識元。即產(chǎn)生式知識元的調(diào)用，是根據(jù)設(shè)計的當(dāng)前子任務(wù)進(jìn)行的；
（2）a，b兩條知識，若a的前提（條件）比b更具體與復(fù)雜，則優(yōu)先選用a。因為a的情況更為特殊、具體；
（3）對知識庫的知識預(yù)先排序，按先后次序啟用；
（4）對于反向推理，假設(shè)目標(biāo)的選擇通常是經(jīng)過優(yōu)選的，即先假設(shè)最一般的情況。
5.5 數(shù)表、圖線知識的處理
1。數(shù)表知識：知識以數(shù)表形式表示時，通過一控制和操作數(shù)表的函數(shù)，則可方便地對數(shù)表知識進(jìn)行處理。如表5-2所示的函數(shù)段是處理表3-5 軸伸數(shù)據(jù)的，該函數(shù)的運行方式：
(shaftnose 80）返回結(jié)果==＞(80 0.030 0.010 130)
由此，就可方便地決定軸伸公差及長度等參數(shù)。
類似這種處理的方法，圓柱齒輪減速器中還有許多，例如，軸承數(shù)據(jù)、公差數(shù)據(jù)、鍵數(shù)據(jù)、齒輪模數(shù)、中心距、成本、軸上各類數(shù)據(jù)（如倒角，過渡圓角）等等均采用這一處理方法。
數(shù)表形式的其它表達(dá)方式的知識的按相應(yīng)的控制與推理策略進(jìn)行。
2.圖線知識：圖線知識的處理方法是根據(jù)其表達(dá)形式確定的。對于公式化的圖線知識可按公式的處理辦法求解。對數(shù)據(jù)化的圖線知識，按一定的方式取得數(shù)據(jù)后，通過插值函數(shù)INTRPOLATE求出所需值。
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