Правила типа ситуация - действие и система продукций

Предположим Робб решил провести день в зоопарке города Сан-Диего. Тетушка Агата это одобряет, но она знает, что зоопарк понравится Робби еще больше, если он сможет узнать различных животных, особенно тех, которые ей самой больше всего нравятся, Робби способен воспринимать основные признаки, такие, как цвет размер и число ног, но ему не известно, как слить все эти наблюдения воедино и прийти, скажем, к выводу, что перед ним обезьяна или жираф.

Поможет ли здесь система GPS? На самом деле, в какой-то степени она является подходящей: совокупность начальных фактов представляет собой исходное состояние, другая группа фактов, содержащая желаемое заключение, представляет собой целевое состояние, а операторы преобразуют одну совокупность фактов в другую путем добавления новых, выведенных фактов. К сожалению, GPS не настолько разработан, чтобы оказать здесь существенную пользу. Вместо него нам необходима некая модель, позволяющая глубже проникнуть в процесс, в ходе которого происходит распознавание выделяющихся фактов и вывод результирующих заключений.

Системы продукций полезны для многих задач, связанных с поиском решения

Большая часть знаний, относящихся к процессу решения, может быть представлена в форме небольших квантов, называемых продукциями.

Продукция представляет собой правило, содержащее часть, связанную с распознаванием ситуации, и часть, связанную с действием. Таким образом, продукция - это пара ситуация - действие, в которой так называемая левая часть содержит список признаков, которые следует искать, а правая - список того, что следует сделать.

• При использовании продукций в дедуктивных системах ситуации, влияющие на выбор продукций, представляют собой определенные комбинации фактов. Действия сводятся к утверждениям относительно новых фактов, выводимых непосредственно из указанных комбинаций. Таким образом, эти продукции могут быть названы не парами ситуация - действие, а парами посылка - заключение

Ограничения, которые делают систему продукций дедуктивной системой, справедливы для большего числа нижеследующих примеров.

Робби идентифицирует животных, пользуясь системой продукций

Робби необходима машина для логического вывода (дедукции), которая воспринимает совокупности известных фактов и строит новые заключения. Одна из возможных стратегий - иметь отдельную продукцию для каждого животного, хотя такая стратегия и не была бы слишком увлекательной. Тогда каждая правая часть была бы простым утверждением, говорящим о названии животного, а левая часть представляла бы обширную совокупность характеристик, достаточно большую, чтобы исключить альтернативные решения. В ходе работы следует сначала собрать все доступные факты, а затем просматривать список продукций в поисках той продукции, которая наилучшим образом отвечает ситуации.

Рассуждение, реализующее переход от основных фактов к заключению редко, однако, делается в один шаг. Гораздо чаще формируются и используются промежуточные факты, что делает процесс рассуждения сложнее и интереснее. Отсюда следует, в частности то, что рассматриваемые продукции могут быть небольшими, легко понимаемыми, удобными при использовании и построении. Пользуясь этим подходом, Робби надеется построить цепочки рассуждений, приводящие к названию рассматриваемого им животного.

Предположим тетушка Агата рекомендует Робби отправиться в отделение зоопарка, в котором содержится всего семь животных распространенных пород. Она знает, что при этом задача облегчится, поскольку потребуется лишь небольшое число продукций, связанных с распознаванием. Четыре из них весьма просты и определяют биологический класс,- птицы или млекопитающие:

Р1
Если у животного имеются волосы,
то это - млекопитающее.
Р2
Если животное дает молоко, 
то это - млекопитающее.
Р3
Если у животного перья,
то это - птица.
Р4
Если животное летает и откладывает яйца, 
то это птица

Последняя из этих двух продукций содержат среди предпосылок два элемента. Хотя вряд ли это существенно для той коллекции животных, которая может находиться в местном зоопарке, тетушке Агате, очевидно, известно, что некоторые млекопитающие могут летать, а некоторые - откладывать яйца, но только птицы могут делать и то, и другое.

Зная, что животное млекопитающее, можно воспользоваться одной из двух продукций, чтобы определить, хищное оно или нет. Простейшая продукция связана с поведением животного:

Р5
Если животное млекопитающее и ест мясо, 
то это - хищник.

Однако если это не время кормежки, то заключение можно сделать на основе другого набора факторов:

Р6
Если животное млекопитающее и имеет острые зубы,
     и имеет клыки,
     и его глаза смотрят прямо вперед, 
то это - хищник.

Все остальные животные нашего зоопарка, которые являются млекопитающими, оказываются копытными:

Р7
Если животное млекопитающее и у него есть копыта, 
то это - копытное.

Если Робби почему-то трудно рассмотреть ноги животного, у него все же есть возможность распознать его, поскольку всякое животное, жующее жвачку, несомненно является копытным:

Р8

Если животное млекопитающее и оно жует жвачку, 
то оно копытное, и оно парнокопытное.

Мы говорим здесь о парнокопытных просто, чтобы иметь пример продукции с кратным заключением.

Установив способ разделения животных на хищников и травоядных, теперь необходимо обратиться к продукциям, которые выделяют виды животных. Для хищников имеется две возможности:

Р9
Если животное хищное
     и имеет желто-коричневый цвет и темные пятна, 
то  это - леопард. 
Р10
Если животное хищное
     и имеет желто-коричневый цвет и темные полосы, 
то это - тигр.

Строго говоря, основной цвет животного здесь не играет роли, поскольку оба животных имеют желто-коричневый цвет. Но никто и не требовал, чтобы информация в продукциях была минимальной. Часто целесообразно сосредоточить внимание на отдельной продукции, вкладывая в нее все, что кажется естественным, не обращая внимания на то, в каком отношении она находится с другими продукциями.

Для травоядных животных другая группа продукций подразделяет их на четыре возможных типа:

Р11
Если животное травоядное 
      и у него длинные ноги, 
      тонкая шея,
      и желто-коричневый цвет, 
      и темные пятна, 
то это - жираф.
Р12
Если животное травоядное и имеет белый цвет и черные полосы, 
то это - зебра.

После такой проработки млекопитающих, то же самое следует проделать для птиц:

Р13
Если животное птица, 
    оно летает,
    у него длинные ноги и длинная шея, 
    цвета белого с черным, 
то это - страус.
Р14
Если животное птица, 
     оно не летает, 
     оно плавает цвета черного с белым, 
то это - пингвин.
Р15
Если животное птица, оно летает, 
то это - альбатрос

Теперь, когда все животные, так сказать, перед нами, мы видим, что многие признаки распространены весьма широко. Зебры и тигры имеют черные полосы; тигры, леопарды и жирафы желто-коричневого цвета; жирафы и страусы имеют длинные ноги и длинную шею; страусы и пингвины имеют черно-белую окраску.

Теперь рассмотрим конкретный пример, когда Робби находится в зоопарке и постепенно устанавливает следующие факты:

• Наблюдалось животное желто-коричневого оттенка с темными пятнами.- Выделяются продукции 9 и 11, поскольку в обеих требуется наличие желто-коричневого цвета и темных пятен. Однако ни одна из них не срабатывает, поскольку в обеих имеются дополнительные соображения, которые необходимо выяснить.
• Во время кормления детеныша, животное жует жвачку. Очевидно, что животное дает молоко соображение, благодаря которому срабатывает продукция 2, таким образом, установлено, что животное млекопитающее. Комбинация того, что животное является млекопитающим, с тем, что оно жует жвачку, приводит к срабатыванию продукции 8, откуда вытекает, что животное травоядное и на каждой ноге два или четыре пальца. Почти все условия для продукции 11 готовы.
• У животного длинные ноги и длинная шея. Немедленно срабатывает продукция 11. Это животное - жираф.

Таким путем факты проходят по цепочке продукций до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое заключение.

Существует несколько методов выбора продукции, если сразу несколько кажутся подходящими

В случае когда целый ряд продукций по тем или иным признакам требует внимания, должен иметься механизм выбора между ними. Вот некоторые распространенные методы:

" Все продукции расположены в виде некоторого длинного списка. Используется та, которая срабатывает первой по этому списку. На другие внимания не обращается.

Используется продукция с самыми жесткими требованиями, соответствующая данной ситуации, где под жесткостью подразумевается продукция с самым длинным списком ограничивающих предпосылок или ситуационных элементов.

Используется та соответствующая ситуация продукция, которая была использована последней из данного класса.

Некоторые аспекты ситуации в целом рассматриваются как особо важное. Тогда предпочтение отдается тем из соответствующих ситуаций продукциям, которые имеют более высокий приоритет.

Системы дедукции приводят к деревьям И/ИЛИ

Простая продукция, ориентированная на логический вывод, определяет единственное заключение, следующее из одновременного удовлетворения признаков, отражающих распознаваемую ситуацию. Заключение, сформулированное в продукции, следует из комбинации И, или конъюнкции фактов, определяемых в части, относящихся к распознанию посылок. Заключение, достигаемое благодаря более чем одной продукции, называется дизъюнкцией этих продукций (ИЛИ).

Таким образом слова "дизъюнкция" и "конъюнкция" - это просто иное обозначение для И и ИЛИ. При графическом изображении этих отношений возникает дерево И/ИЛИ. На рис. 5.12 показано, каким образом по продукциям дерева И/ИЛИ из базовых фактов, расположенных внизу дерева, можно прийти к окончательному заключению. Всякая совокупность продукций предполагает существование дерева такого сорта.

Рис 5.12. Совокупность продукций определяет дерево заключений. Это дерево эквивалентно так называемым деревьям И/ИЛИ. В узлах типа И все факты на ветвях должны быть истинными, чтобы узел И был истинным, а в узле типа ИЛИ достаточно одного истинного факта. Принято отмечать узел И дугой, охватывающей все относящиеся к нему ветви, тогда как для узлов ИЛИ такой отметки не делается. Грубо говоря, каждая ветвь ИЛИ представляет робой простую продукцию, содержащую в перечне условий, накладываемых на ситуацию, лишь одно условие. Каждая ветвь И также представляет собой Продукцию, причем каждая из них соответствует некоторому условию на ситуацию

Расположение узлов в этом дереве отражает то, каким образом к заключению можно прийти, исходя из различных комбинаций основных исходных фактов. Как и в случае обычных деревьев типа И/ИЛИ, заключение считается подтвержденным, если имеется возможность соединить его с исходными фактами по сети "удовлетворенных" узлов типа И/ИЛИ. Выбирая различные пути в узлах типа ИЛИ, для достижения данного заключения могут быть использованы различные множества фактов.

Иногда бывает полезным обратиться к такому подразумеваемому дереву, чтобы лучше представить себе проблемное пространство, отмечая, например, что рассуждение ожидается "широким и неглубоким" или же "узким и глубоким", или "и широким, и глубоким". Однако здесь необходима определенная осторожность. При использовании деревьев для рассмотрения целей и подцелей появляется тенденция рассматривать проблему контроля как проблему поиска, и при этом становятся доступными различные методы поиска. Это положение несет в себе и хорошие, и плохие черты. Одна из плохих черт состоит в том, что при этом может появиться тенденция возиться с имеющимся проблемным пространством вместо того, чтобы построить иное пространство.

Системы дедукции могут работать в обоих направлениях

До сих пор предполагалось, что системы продукций, ориентированные на логический вывод, работают, двигаясь от известных фактов к новому, выводимому факту. На этом пути система рассуждает вперед. Но и рассуждение в обратном порядке также возможно, поскольку в системе продукций можно предположить заключение и использовать продукции для того, чтобы создать перечень фактов, которые поддержали бы выдвинутую гипотезу.

Например, Робби мог бы предположить, что данное животное - леопард, а затем заняться рассуждениями, оправдана ли такая гипотеза. Тогда часть продукции, связанная с посылками, определяет то, какие условия должны быть выполнены, чтобы гипотеза о леопарде оказалась верной.

• Делается предположение, что животное - хищник. Две продукции могут дать вклад, а именно продукция 5 и продукция 6. Предположим, первой рассматривается продукция 5. Она требует, чтобы животное было млекопитающим.
• Делается предположение, что животное - млекопитающее. Снова возникает две возможности: продукции 1 и 2. Обратимся к продукции 1.
• Делается предположение, что у животного имеются волосы. Это опять работа сенсорной системы. Пусть волосы есть. Это означает, что животное млекопитающее, и Робби может вернуться назад к рассмотрению продукции 5.
• Делается предположение, что животное ест мясо. Пусть в данный момент на этот счет фактов нет. Робби должен отложить продукцию 5 и использовать продукцию 6, чтобы установить, что животное хищное.
• Делается предположение, что животное принадлежит к млекопитающим. Верно, поскольку это уже было установлено, когда мы пытались удовлетворить условия продукции 5.
• Делается предположение, что у животного имеются резцы, делается предположение, что у животного имеются клыки, и делается предположение, что глаза животного смотрят вперед. Пусть сенсорная система подтверждает, что все это верно. Очевидно, что животное и в самом деле является хищным, и Робби может вернуться к продукции 9, с которой началось все то, что до сих пор было нами сделано.
• Делается предположение, что животное имеет желто-коричневый цвет, и делается предположение, что у животного имеются темные пятна. Пусть и то и другое верно. Тогда продукция 9 подтверждает гипотезу о том, что мы имеем дело с леопардом. Ясно, что это так.

Таким образом, Робби оказался способным пройти назад по продукциям вида посылки - заключение, используя желаемые заключения при решении того, какие факты следует разыскивать. Построена цепь рассуждения в обратном направлении. Это построение заканчивается успешно выверкой всех гипотез, когда удовлетворяется подразумеваемое дерево И/ИЛИ. Построение обрывается, когда остается без ответа некоторый вопрос, связанный с посылкой, потому что нет подходящего твердого факта или заключения некоторой продукции, позволяющих прояснить этот вопрос, а также если некоторая из требуемых посылок на самом деле противоречит известным фактам.

Цель помогает определить, как должна работать система дедукции

Зная, что ориентированная на продукции система вывода может действовать как в прямом, так и в обратном направлении, как решить, что лучше? Ответ зависит от цели, преследуемой при выводе, и от формы проблемного пространства. Безусловно, если целью является вывод всего, что может быть получено из данного множества фактов, то продукционная система должна работать в прямом направлении. С другой стороны, если целью является проверка или опровержение некоторого конкретного заключения, то, вероятно, лучше всего идти в обратном направлении, отталкиваясь от этого заключения. Одно из соображений - избежать ненужного накопления фактов. В действительности нет необходимости рассматривать факты, не относящиеся непосредственно к делу. Система продукций может работать в обратном направлении, от элементов предпосылок до тех пор, пока существуют подходящие продукции. Использование сенсорных систем для собирания фактов необходимо, лишь если не подходит ни одна продукция.

Другая причина для действия в обратном направлении возникает потому, что обычно из начального множества фактов может последовать великое множество заключений, не имеющих никакого отношения к целевому заключению. Если такие факты предъявлены системе продукций, работающей в прямом направлении, то много усилий может быть потрачено впустую, из-за излишней комбинаторики.

По-видимому, управление системой продукций обладает многими характеристиками

Сторонники систем продукций указывают на одно или несколько из следующих преимуществ:
• Системы продукций по мнению многих, являются хорошей моделью средств, на которых основано решение задач человеком.
• Системы продукций заставляют пользоваться однородным представлением знаний.
• Системы продукций допускают постепенное наращивание путем добавления отдельных продукций.
• Системы продукций допускают незапланированные, но полезные взаимодействия, которые невозможны в случае структур контроля, в которых все взаимодействия процедур предусмотрены заранее. Элемент знания может быть использован, как только это окажется целесообразным, а не только тогда, когда по предвидению программиста он может быть целесообразным.

Системы продукций в некоторых ситуациях могут оказаться несовершенными

Может создаться впечатление, что в системах продукций знания можно подавать однородным образом и постепенно, нисколько не беспокоясь о связи новых квантов информации со старыми. Очевидно, что системы продукций должны давать возможность тем, кто поставляет информацию, сконцентрировать внимание на четко очерченных комбинациях посылка - заключение или ситуация - действие. Каждая продукция связана с некоторыми конкретными важными моментами и описывает соответствующую реакцию.

Следует, однако, проявлять осторожность. Общее наблюдение состоит в том, что если задача достаточно проста, то любой подход выглядит элегантным. Более того, как заметил король Лир, передача управления может означать потерю управления.

Если требуется много продукций, то их следует разбить на подсистемы

Одно конкретное обстоятельство, вызывающее беспокойство, состоит в том, что система продукций может рассыпаться, если объем знаний слишком велик, поскольку тогда число продукций становится чрезмерно большим. Преимущество, состоящее в том, что нет необходимости задумываться о взаимодействии между продукциями, становится недостатком, связанным с потерей возможности влиять на взаимодействие между большим числом продукций.

Конечно, одно из возможных решений - разбить факты и продукции на подсистемы таким образом, чтобы в каждый данный момент рассматривать лишь приемлемое их число. Внутри каждой подсистемы некоторые продукции могут быть ответственны за передачу информации или внимания в другую подсистему. Любопытно, что некоторые пользователи языка ACTORS, Хьюитта строят программы, сильно напоминающие системы связывающихся между собой подсистем продукций.

Играющая важную роль система понимания речи HEARSAY II Университета Карнеги - Меллона также выглядит как разбитая на подсистемы система продукций. Она представляет собой большое собрание источников знаний, напоминающих продукции, которые оперируют с использованием так называемой черной доски. Эта доска на самом деле выглядит, как боковой срез торта "Наполеон", поскольку она имеет много слоев, соответствующих единицам естественной речи, таким, как фразы, слова, слоги, фонемы, сегменты и отрезки сигналов в 10 мс. Эти слои по существу приводят к разбиению фактов и продукций на группы, поскольку большинство продукций специфичны для конкретного слоя или двух.

Многие продукции относятся к формированию гипотез о том, как агрегировать группы единиц нижних уровней в объекты, используемые на верхних уровнях, делая, так сказать, из маленьких большие. Так, специалист на уровне слогов может выделить некоторую группу слогов с характерным расположением во времени и выдвинуть гипотезу о каком-то слове. Тогда это новое слово может оказаться тем самым словом, которого ожидает специалист по словам для завершения фразы.

• Продукции могут быть использованы для того, чтобы задать разбиение на группы; такая продукция представляет собой пару элемент - группа.

Конечно, требуется множество других продукций, чтобы установить приоритеты, установить объекты концентрации усилий, для рассмотрения конкурирующих гипотез, для борьбы с тысячами трудностей, которыми ограждает себя реальный мир.