[科普中國(guó)]-增量非單調(diào)推理

非單調(diào)推理的特點(diǎn)是，在推理系統(tǒng)中增加新的知識(shí)可以導(dǎo)致結(jié)論被修改。因此任何復(fù)合行動(dòng)的知識(shí)，都可以“增量式”的加入到原來(lái)的系統(tǒng)中即為增量非單調(diào)推理。

機(jī)器人分層任務(wù)規(guī)劃的非單調(diào)理論與實(shí)現(xiàn)與經(jīng)典(命題，一階)邏輯相比，非單調(diào)推理的特點(diǎn)是，在推理系統(tǒng)中增加新的知識(shí)可以導(dǎo)致結(jié)論被修改。在服務(wù)機(jī)器人相關(guān)的知識(shí)表示和推理過(guò)程中，由于受到機(jī)器人硬件以及感知模塊的限制，對(duì)環(huán)境信息的建模往往是不完備的，在推理過(guò)程中必須對(duì)環(huán)境做出假定，即環(huán)境中的推理是“通常情況下”的推理。在此基礎(chǔ)上我們才能對(duì)機(jī)器人的知識(shí)背景進(jìn)行表達(dá)，并采用相應(yīng)的推理技術(shù)得到一般情況下的結(jié)論，當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，原來(lái)的假定，以及可以得到的結(jié)論不再成立。在這種情況下，我們需要更新背景知識(shí)，并且推理出和以前不一樣的新知識(shí)。非單調(diào)推理系統(tǒng)能夠很方便地處理這類(lèi)知識(shí)更新的問(wèn)題，從而使得推理系統(tǒng)在一定程度上滿足elaboration tolerance的要求。1

非單調(diào)理論以及行動(dòng)語(yǔ)言背景常識(shí)知識(shí)的表達(dá)與推理是知識(shí)表達(dá)領(lǐng)域的重要問(wèn)題，常識(shí)知識(shí)的一個(gè)重要的特點(diǎn)是具有非單調(diào)性質(zhì)，因此非單調(diào)推理系統(tǒng)和理論得到廣泛的關(guān)注和研究。主要的工作包括缺省邏輯(Default Logic)、自認(rèn)知邏輯(Autoepistemic Logic)以及界限(Circumscription)。這些工作主要為了解決推理中的框架問(wèn)題以及默認(rèn)情況下的推理等問(wèn)題。非單調(diào)理論對(duì)于框架問(wèn)題的解決主要依賴(lài)于“慣性性質(zhì)”的表達(dá)?！翱蚣軉?wèn)題”本身是指，在通過(guò)邏輯公式刻畫(huà)的規(guī)劃問(wèn)題中，在每一個(gè)行動(dòng)執(zhí)行時(shí)，只有少量的物體的狀態(tài)被改變，而大部分物體的狀態(tài)都保持不變，如何通過(guò)不顯式表達(dá)的方式將這些不發(fā)生改變的狀態(tài)都表達(dá)出來(lái)。慣性規(guī)則表達(dá)的是，一個(gè)謂詞，如果沒(méi)有其他的行動(dòng)或其他謂詞直接改變，那么在下一個(gè)狀態(tài)這些謂詞的值保持不變。在基于非單調(diào)語(yǔ)義的系統(tǒng)中，這樣的知識(shí)可以很方便的進(jìn)行表達(dá)，例如基于穩(wěn)定模型語(yǔ)義的邏輯程序以及基于非單調(diào)因果理論的行動(dòng)語(yǔ)言C+。

行動(dòng)語(yǔ)言是一種描述行動(dòng)的改變和轉(zhuǎn)移的正式語(yǔ)言，其語(yǔ)義主要通過(guò)語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)來(lái)定義。傳統(tǒng)上的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)通過(guò)一系列狀態(tài)和轉(zhuǎn)移來(lái)定義。一個(gè)轉(zhuǎn)移，通過(guò)行動(dòng)將一個(gè)狀態(tài)和在這個(gè)狀態(tài)執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作之后的后繼狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)。在轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中，一個(gè)規(guī)劃結(jié)果可以表達(dá)成一條對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的路徑。1

非單調(diào)理論非單調(diào)理論是指隨著信息的增加，結(jié)論可以被修改的推理。非單調(diào)理論常常用在常識(shí)知識(shí)的表達(dá)，以及自然語(yǔ)言理解中。首先簡(jiǎn)要回顧非單調(diào)理論的3類(lèi)主要工作一缺省邏輯，自認(rèn)知邏輯以及界限。之后詳細(xì)介紹表達(dá)行動(dòng)語(yǔ)言C+語(yǔ)義的非單調(diào)因果理論。1

行動(dòng)的模塊化的描述方式的體現(xiàn)對(duì)于機(jī)器人現(xiàn)有的知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，向其中增加新的知識(shí)時(shí)，不需要對(duì)現(xiàn)有的知識(shí)進(jìn)行任何更改。一般來(lái)講，由于行動(dòng)描述對(duì)于環(huán)境的刻畫(huà)不完備，因此對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，之前的一些假定新的環(huán)境下面已經(jīng)不成立了，雖然采用非單調(diào)的推理系統(tǒng)緩解了這種情況，但是有些時(shí)候，在擴(kuò)展的同時(shí)還需要對(duì)原來(lái)的系統(tǒng)描述進(jìn)行更改。展示了復(fù)合行動(dòng)定義可以“增量式”的增加到一個(gè)行動(dòng)描述中，不需要對(duì)原來(lái)的行動(dòng)描述做任何改變。實(shí)際上，由于復(fù)合行動(dòng)表達(dá)的是在一些特定情況之下的基本行動(dòng)的連續(xù)執(zhí)行，而基本行動(dòng)是根據(jù)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)確定的。并且由于采用復(fù)合行動(dòng)的擴(kuò)展是可靠并且完備的，因此任何復(fù)合行動(dòng)的知識(shí)，都可以“增量式”的加入到原來(lái)的系統(tǒng)中。和之前的系統(tǒng)一起完成各種規(guī)劃任務(wù)。這樣就為機(jī)器人從上面描述的知識(shí)庫(kù)中獲取一些過(guò)程性知識(shí)提供了方便的基礎(chǔ)。1

模糊Perti網(wǎng)的知識(shí)推理與維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)隨著模糊數(shù)學(xué)的出現(xiàn)，提出了模糊Petri網(wǎng)的概念，它具有處理不精確知識(shí)的能力。以模糊Perti網(wǎng)(FP喲的基本數(shù)學(xué)定義為基礎(chǔ)，通過(guò)討論基于模糊產(chǎn)生式系統(tǒng)的模糊知識(shí)表示法，建立了模糊產(chǎn)生式規(guī)則與模糊Petri網(wǎng)之間的映射關(guān)系，提出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換算法;為了提高模糊Perti網(wǎng)的表達(dá)能力，根據(jù)模糊知識(shí)表示的特點(diǎn)，提出了改進(jìn)的模糊Petri網(wǎng)模型，減少了Perti網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)數(shù)目，在一定程度上降低了網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度;對(duì)于基于模糊產(chǎn)生式規(guī)則的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，提出了基于即N模型的正向推理算法和反向推理算法，并且在信息不完備的情況下，能夠進(jìn)行默認(rèn)推理;結(jié)合兩種推理策略的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于FPN模型的雙向推理算法;通過(guò)對(duì)模糊Petri網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)制的分析，給出了基于FPN模型的知識(shí)庫(kù)一致性維護(hù)算法。通過(guò)修改托肯增量計(jì)算函數(shù)，對(duì)新知識(shí)進(jìn)行肯定并且對(duì)舊知識(shí)在一定程度上進(jìn)行保留，提供了對(duì)非單調(diào)推理的支持:最后，結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)與可視化編程技術(shù)，用VC++6.0在Win32平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了上述系統(tǒng)的原型系統(tǒng)。2

模糊知識(shí)推理在知識(shí)處理領(lǐng)域中，基于模糊知識(shí)的推理己經(jīng)引起了人們的廣泛重視。模糊推理的目的就是從已知的事實(shí)(精確的、不太精確的或者模糊的)出發(fā)，應(yīng)用模糊知識(shí)庫(kù)中所描述的知識(shí)，推導(dǎo)出關(guān)于結(jié)論的模糊描述。在這里，基于經(jīng)典的二值邏輯或基于多值邏輯建立起來(lái)的推理方法不再適用。模糊推理在許多方面與人類(lèi)的模糊思維、決策和推理十分類(lèi)似。因而研究模糊推理的一些特征和所遵循的規(guī)律，無(wú)疑為模擬智能提供了一個(gè)有力的武器v31l。應(yīng)用模糊Perti網(wǎng)來(lái)表示模糊產(chǎn)生式的規(guī)則，不僅可以簡(jiǎn)化知識(shí)表示，使整個(gè)知識(shí)庫(kù)更加具有條理性，更重要的是依據(jù)Petri網(wǎng)的數(shù)學(xué)原理，可以提出新的推理規(guī)則，提高推理的效率。尤其在網(wǎng)絡(luò)多主體協(xié)同推理的情況下具有極大的優(yōu)勢(shì)，這方面將是進(jìn)一步的研究方向。

FPN的運(yùn)行過(guò)程就是一個(gè)問(wèn)題的求解的過(guò)程。推理機(jī)在這一過(guò)程中將根據(jù)事實(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)中的已有知識(shí)，不斷以迭代的方式對(duì)新的事實(shí)的確信度進(jìn)行計(jì)算，最后得出用戶所關(guān)心問(wèn)題的答案。根據(jù)不同的應(yīng)用，推理系統(tǒng)對(duì)推理過(guò)程可以采用不同的推理策略。常用的有數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)(也稱(chēng)為正向推理)和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)他稱(chēng)為反向推理)的推理控制策略，綜合兩種推理控制策略的推理策略稱(chēng)為雙向推理。2

一致性維護(hù)算法基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)是應(yīng)用較為廣泛的一類(lèi)專(zhuān)家系統(tǒng)，其知識(shí)庫(kù)的規(guī)則可自由地增加、修改和刪除。然而隨著從領(lǐng)域?qū)＜姨幉粩喃@取知識(shí)，知識(shí)庫(kù)越來(lái)越大，庫(kù)中知識(shí)單元之間的相互影響和相互聯(lián)系隨之變得復(fù)雜，難以跟蹤和捉摸，這時(shí)知識(shí)庫(kù)的一致性，邏輯錯(cuò)誤檢查顯得尤為重要。知識(shí)庫(kù)的一致性檢驗(yàn)問(wèn)題己受到十分關(guān)注，成對(duì)規(guī)則比較、關(guān)系圖、推理圖vsIl等的應(yīng)用在一致性檢驗(yàn)方面均取得了良好效果，但是正如Hnayes一Roth所指出的l叫:基于規(guī)則系統(tǒng)所缺少的一個(gè)重要方面是一種合適的驗(yàn)證方法或技術(shù)，以測(cè)試和檢查規(guī)則集的一致性和完整性。Perti網(wǎng)模型能有效地表達(dá)系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為，為基于規(guī)則的系統(tǒng)提供了一個(gè)自然有效的分析方法。

在模糊默認(rèn)推理中，沒(méi)有足夠多的信息使推理取得的結(jié)論一定正確，因?yàn)橥评硎腔谝恍┖?jiǎn)化的假設(shè)成立的前提的，后增加的信息可能會(huì)使該系統(tǒng)先前得到的結(jié)論不再成立，這種情況稱(chēng)為非單調(diào)推理。此時(shí)可以簡(jiǎn)單的用新增加的信息筱蓋原來(lái)得到的信息，但這樣做使得先前為推理該結(jié)論所做出的努力付諸流水，而新信息也并不一定就完全正確。在即N模型中這個(gè)問(wèn)題很好解決，依照新信息有更高的價(jià)值、舊信息在某種程度上也成立的觀念，對(duì)托肯增量函數(shù)進(jìn)行修改:R(M(p)，o，β)=λ+(1一λ)xM(p)。

其中λ為新信息的置信度，M(p)即表示舊信息的置信度。

這樣得到的就是人們對(duì)信念進(jìn)行修改的歷史的綜合結(jié)論，更符合人們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的一般過(guò)程。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所