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关于定性推理 清华大学计算机系 王锵 巩昌平 石纯一王锵 |
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概述 定性推理是人工智能学科的一种崭新推理方法，它源于对物理现象的研究，早期工作 常常是针对物理过程的，如结合动力学、热力学中的问题来讨论。 １９７７年，Ｒｅｉｇｅｒ发表了第一篇关于定性推理的论文。１９８４年，“Ａｒ ｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ”杂志出版了定性推理专辑（一），刊载 了ｄｅ Ｋｌｅｅｒ、Ｆｏｒｂｕｓ和Ｋｕｉｐｅｒｓ等人的奠基性文章，标志着定性推 理研究的全面展开。１９９１年该刊又出版了定性推理专辑（二），标志着定性推理研究 进入一个新阶段。近年的ＡＩ会议文集中都有大量关于定性推理的文章，这说明定性推理 的研究在当前ＡＩ学术界中已占有重要地位。 什么是定性推理？ 定性推理是使用定性信息，对系统结构、行为和功能进行描述，并研究它们之间的关 系和因果性，推出定性解释，以模仿人类定性常识推理的一种跨领域推理方法。 定性推理的观点大致上可以理解为：忽略被描述问题的次要因素，掌握其主要因素来 简化对问题的描述。在此基础上将描述问题的传统定量方法转化成相应的定性模型，进行 推理并给出定性解释。 定性推理研究有如下几个主要目标： （１）现实世界的常识推理：研究人们日常推理中所使用知识的类型及运用形式。 （２）特定领域的定性推理：研究如何分析和预测特定领域。 （３）从第一原则出发基于模型的推理：第一原则（Ｆｉｒｓｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌ ｅ）指需要使用深层（基础）知识而不是浅层（启发式）知识来建模和推理，如何表示和 使用这种深层知识是定性推理的研究目标之一。 （４）动态特性与时态推理：研究时间的良好表示以及反映动态特性的时态推理机制 。 （５）因果推理形式：研究如何在系统分析预测的同时，给出系统行为的因果解释。 定性推理的基本方法 ８０年代初，ｄｅ Ｋｌｅｅｒ的ＥＮＶＩＳＩＯＮ（展望）方法，Ｆｏｒｂｕｓ的 ＱＰＴ（定性进程理论）方法以及Ｋｕｉｐｅｒｓ的ＱＳＩＭ方法，奠定了定性推理的基 础，可视为定性推理的基本方法。 １．ｄｅ Ｋｌｅｅｒ的ＥＮＶＩＳＩＯＮ方法 ＥＮＶＩＳＩＯＮ是ｄｅ Ｋｌｅｅｒ和Ｂｒｏｗｎ在Ｘｅｒｏｘ Ｐａｌｏ Ａｌ ｔｏ研究中心编制的程序。该方法将每个物理过程视为一个复杂的物理设备，由诸如管道 、阀门等部件连接构成，约束条件由连接处的定性方程给出。用行为的完全因果分析生成 装置的可能序列，再用此序列预测整个装置的行为。 ２．Ｆｏｒｂｕｓ的ＱＰＴ方法 Ｆｏｒｂｕｓ的定性进程理论简称ＱＰＴ。在ＱＰＴ中，用对象、对象间联系及进程 来建模，描述物理过程。 物理状态表示为对象集和它们的联系。用个体视图表示对象。个体视图有如下四个分 量：个体（规定个体视图必须存在的物体集），前提条件（不能表示为量关系的条件）， 定量条件（说明个体的数量条件及是否还有其它个体视图和进程引入），关系（个体的各 参数之间遵循的约束）。这些个体、前提条件、定量条件构成了个体视图需要满足的条件 ，关系给出了因此满足的性质。进程则比个体视图多了一个分量：影响（该进程引起的个 体变量上的直接变化）。 ＱＰＴ的推理过程如下：（１）给定对象集和进程集，决定在给定的状态中哪些进程 的实例能存在。（２）检查进程实例的条件是否满足，以判断其是否活动。（３）决定活 动进程的影响，当有几个进程作用在一个变量上时，决定综合效果。（４）活动进程的影 响可能使非活动进程的条件满足而成为活动进程，或使活动进程的条件不满足而成为非活 动过程。 ＱＰＴ提供了一个进程随时间活动的清单。 ３．Ｋｕｉｐｅｒｓ的ＱＳＩＭ方法 ＱＳＩＭ实质上是一个定性仿真算法。该方法直接用部件参量及参量间的定性约束描 述物理结构，得出在ＱＳＩＭ量空间上以ＱＳＩＭ的谓词形式给出的定性微分方程组。类 似地，系统行为定义为系统状态在时间上的变化序列。 具体的仿真过程是从初态出发，先生成所有可能的后继状态，再通过定性过滤来消除 不能出现的状态。重复此过程，直到没有新状态出现。Ｋｕｉｐｅｒｓ把定性推理分解成 两个任务：物理系统－模型构造→ＱＤＥ－定性仿真→行为。具体地讲，模型构造的目标 是构造定性微分方程组（ＱＤＥ），定性仿真是应用ＱＳＩＭ算法模拟系统行为。为此， Ｋｕｉｐｅｒｓ还发展了从物理系统到ＱＤＥ编译器ＱＰＣ，基于定性进程理论（ＱＰＴ ）来构造模型。 定性推理的其它方法 这里介绍定性推理中具代表性的一些思想及相应的工作。 １．因果分析理论 尽管自然科学的基础理论总是避免使用因果概念，将事物运动的规律描述为变量之间 非因果的函数关系。但是人们在解释自然现象时，却经常使用“Ａ导致Ｂ”这种非形式化 的术语。定性推理方法试图模拟人的思维方式，在对物理系统行为求解的同时，对行为作 出解释。这种解释不是根据物理系统的功能得出的，而是根据系统的结构知识和论域内的 物理规律得出的。例如，在解释自来水为什么会从水龙头中流出来时，不是从“因为水龙 水具有放水和截水的功能”，而是从水龙头、水管、水塔和自来水组成的的物理系统及压 强、水位等物理关系的角度来进行解释，这是一种深层次的解释。 Ｓｉｍｏｎ在５０年代就提出了因果顺序理论，１９８６年起Ｉｗａｓａｋｉ和Ｓｉ ｍｏｎ将这一理论用于分析系统的行为。该方法不需对具体的数学方程进行运算，而是通 过了哪些变量在哪个方程中出现，求出自容（ｓｅｌｆｃｏｎｔａｉｎｅｄ）方程组中变 量之间的因果依赖关系。该方法将确定因果结构的任务与确定扰动对系统影响的任务区分 开。 因果理论作为定性推理的一个方面，在解释系统行为、性能评价中有极广泛的用途。 ２．定性代数方法 定性推理用问题的主要因素来描述问题。随着描述方法的灵活性带来了知识上的含糊 性，给定性分析、推理、预测等任务带来较大困难。从代数角度来研究是定性推理方法本 身的需要，并很有可能成为产生重大进展的突破口。 １９８８年Ｗｉｌｌｉａｍｓ在考虑物理系统定性信息和定量信息及其相互作用的基 础上，提出了混合定量的代数Ｑ１，并以此为基础实现定性符号代数系统ＭＩＮＩＭＡ， 它可以对定性方程进行组合、简化、规范和分解。而后又对Ｑ１进行了修改，于１９９１ 年给出了混合代数系统ＳＲ１、ＰＩ１和ＺＩ１，并对它们的性质进行了更深刻的研究和 讨论。 目前，定性代数方法在定性模型的构造、讨论其完备性等诸方面的应用很活跃。 ３．动力学分析法 定性推理目的之一是自动分析动态系统。动力学分析法主要研究随时间变化的定性微 分方程，及其表示、组织和推理问题；可用于非线性的求解，判断方程的一般性质和对数 值结果进行解释。 常规定性推理方法要依赖约束的传播和满足规则，只适用于局部推理。动力学分析法 研究的对象是相空间中轨线的几何特征，轨线代表了系统状态随时间变化的轨迹，若干行 为定性一致的轨线在一定区域内形成系统流。这样将系统的动态特征转化成静止图像，可 实现全局推理，预测动态系统的长期行为。 动力学分析法是一种定性定量过程相结合的方法：把定性推理当作宠观分析过程，指 导某个特定方程的定量计算。例如侦破案件时，根据现场勘查信息，分析凶手的特征，缩 小调查范围，而后仔细审查嫌疑犯。通常这是一个反复的过程，直到找出罪犯。开始阶段 的信息总是很少，为此１９９１年Ｎｉｓｈｉｄａ等定义了流语法以指导定量计算。对于 不完备信息，计算程序将根据流语法枚举得的流模式进一步寻找有关轨线。１９９１年， Ｙｉｐ提出了一套邻接相容规则：如果两条相邻的轨线是不一致的，那么它们之间必须存 在着另一条特殊的轨线。这样，尽管有时具有某种特征的流在相平面上占据的范围非常小 ，利用随机搜索策略能发现它们的概率几乎为零，但借助定性推理方法却可以细致地描绘 出动态系统的相平面图像。 定性推理的应用 定性推理来源于对物理现象的分析，其研究目的是把定性方法用于知识系统，改进其 设计和水平，从而更好地解决工程领域问题。近来，虽然在定性技术和方法上没有重大进 展，但在具体任务领域中取得了成果。 １．仿真 定性仿真是定性推理的基础技术，其特点是在预测物理系统行为的同时给出因果解释 。１９９０年Ｆｏｒｂｕｓ提出了自解释仿真概念，综合了定性定量模型，对一个物理系 统提供了更精确的预测和因果解释。１９９２年，又引进了“局部分析技术”，试图将全 局问题转化成一系统局部问题，避免全局变量的指数爆炸。 ２．诊断 诊断有很强的应用背景，可分为与领域有关和与领域无关两类，定性诊断可归于后一 类。与领域无关的诊断需要对象进行定性判断。“首次原则”概念在８０年代初提出，它 要求诊断系统对首次出现的故障也能作出判断并加以解释。１９８７年，Ｒｅｉｔｅｒ对 基于“首次原则”的诊断作了基于谓词演算的形式化描述。１９９３年Ｇｅｒｈａｒｄ Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ用简明的形式化描述，试图减少冲突集测度中组合爆炸问题，并在构 造性算法方面有一些进展。Ｍａｒｃ Ｒｉｅｓｅ在网络通讯系统中，通过提取一部分不 确定信息，用非单调的推理方法去解释网络上的故障行为。 ３．设计 定性设计是应用已有知识、信息和技术，去寻求所需的缺乏事物。问题的焦点是根据 领域知识，发展合适的问题抽象方法，在此基础上构造设计算法。在装置设计领域，１９ ９０年Ｗｉｌｌｉａｍｓ开发了Ｉｂｉｓ系统（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）。该系统将装置的部件特征抽象为相应变量，将装 置的特征抽象为变量相互作用的拓扑结构。在几何图形设计领域，１９９１年Ｔｕｕｒｋ ｉｙｙａｈ等提出了一种新算法，其基础是一种对几何图形拓扑结构的新抽象——“骨架 法”，它具有许多优点。 ４．空间推理 空间推理研究涉及刚体运动的几何性质，有广泛的应用基础，如机器人的规划、导航 等。１９８７年Ｆｏｒｂｕｓ等提出了一个定性空间推理的形式框架。１９８８年Ｎｉｅ ｌｓｅｎ对刚体运动中所受的约束作了定性分析，并实现了一个系统。１９８７年Ｆａｌ ｔｉｎｇｓ在前述形式框架基础上，对空间表示进行了研究。１９９３年Ｌａｔｅｃｋｉ 等发展了更简炼、有效的抽象方法。 （计算机世界报 1994年 第22期） |
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