数据库方法库及知识库

第5章

决策支持系统的数据库、方法库及知识库

主讲:刘钢lglhm@学习目标理解数据库系统在DSS中的作用和地位了解DSS数据库的组成及功能理解方法库系统在DSS中的作用与地位认识方法库与数据库的关系认识知识库在DSS中的作用与地位了解推理机制设计原理与方法了解几种常用的知识表示方法和知识组织方式5.1DSS的数据库系统数据是决策的依据，也是减少决策不确定因素的基础，因此数据库系统是决策支持系统重要的组成部分。数据库系统主要由数据库与数据库管理系统组成。5.1.1DSS对数据库的要求1．析取数据的能力2．支持记忆3．变化细度和精度的功能4．宽的时间范围5．多重数据来源6．随机存取能力7．集合运算能力8．公有或私有的数据库9．响应时间的能力10．支持各种关系和视图11．对DSS其它部件有好的接口12．与终端用户有好的接口5.1.2DSS数据库的组成DSS数据库系统往往由以下几部分组成：数据析取子系统DSS数据库数据库管理系统数据词典数据查询模块（P157图5-1）5.1.3DSS数据库系统各部件功能1．数据库DSS数据库中的数据是从内部和外部数据源以及属于一个或多个用户的个人数据中抽取的。2．数据组织3．数据析取系统为了创建DSS数据库或数据仓库，常有必要从几个数据源中获取数据，这种操作称为析取或抽取。4．数据库管理系统数据库管理系统（DatabaseManagementSystems，DBMS），可用于修改、删除、操纵、存储和检索数据库中的信息。

5．查询模块

6．数据词典5.2数据库系统的设计5.2.1数据库的设计方案1．数据信息的特征战略信息、战术信息、业务信息2．数据来源内部数据、外部数据、个人数据3．三种设计方案与业务数据库相结合构成一个统一的数据库不考虑已有的业务数据库，而建立独立的DSS数据库从已有数据库中析取、加工成决策所需的数据以形成DSS数据库5.2数据库系统的设计5.2.2数据析取设计数据析取是一种将多个源数据库与一个DSS数据库接口的功能和技术,它包括对源数据库进行聚合和子集化操作.主要包括数据类型变换和格式变换P164图5-25.2数据库系统的设计5.2.3DSS数据库及其管理系统设计的一些关键问题(略)1．关于数据的详细性与概括性问题2．关于数据来源目录问题

3．关于DSS数据库操作的有关问题4．关于与DSS其它部分接口的问题5.2数据库系统的设计5.2.4DSS的数据库类形(略)

1．经营管理数据库2．战略规划数据库5.3决策支持系统的方法库5.3.1建立方法库的理论依据方法库是在程序基础上发展起来的。20世纪70年代开始出现了专用程序包即程序库。程序库针对性强，但有它的局限性，表现在程序库中的子程序被不同用户调用时，每次都要进行编译、连接；修改程序库中的子程序，要相应地修改调用它的用户程序。为了使用程序库，用户必须熟悉有关程序设计语言和数据规则.方法库就是为了克服上述缺点而研制出来的。5.3.2方法库系统的功能方法库系统是存储、管理、调用及维护DSS各子系统要用到的通用算法、标准函数等方法的子系统。例如，数学方法、数理统计方法、经济数学方法等。方法库系统由方法库与方法库管理系统两大部分组成。方法库系统主要是一个软件系统,它综合了数据库和程序库,它为求解模型提供算法,可使DSS更有活力.5.3.2方法库系统的功能1.方法库系统的功能（1）方法库系统是具有扩充性的程序组件（2）可扩充性是指在组件集合（程序库或方法库）中随时可以加入新的组件（程序或

方法），这包括完全新建的方法和组合生成的方法。5.3.2方法库系统的功能2.在DSS中引入方法库的优点1）提供各种通用计算、分析、加工处理的能力。2）提高模型运行的效率。用户可以从模型库中调出所需要的模型，同时从方法库中调出相应的方法程序，通过联结，有效地完成模型的运算和分析。3）实现软件资源的共享。由于建立了方法库，对于模型库中的模型，就无需考虑每一个模型都配置一个或多个算法，而是各种模型共享一类方法程序，或一类模型共享多个方法程序。5.3.3方法库系统的结构一、概述：目前，建立方法库系统结构的一个基本观点，是将方法抽象为数据，利用数据库管理系统所具有的功能对方法库进行管理，如数据定义、数据存取、数据查找、并发控制、错误恢复、完全性限制等功能都是可以利用的。这样做的好处是可以减少开发费用，避免由于方法管理系统与数据库管理系统之间的差异带来的接口难点。二、方法库系统的结构二、方法库系统的结构1.方法库方法库由方法程序库和方法字典组成。（1）方法程序库是存储方法模块的工具，可由各种通用性和灵活性都比较强的可用来构成各种数学模型的方法程序库组成。如图给出了方法程序库中方法的集合。二、方法库系统的结构1.方法库（2）方法字典则用来对方法库中的程序进行登录和索引。（3）按方法的存储方式，方法库可以被分为层次结构型方法库、关系型方法库、语义网络模型结构方法库和含有人工智能技术的方法库等。二、方法库系统的结构2.方法库管理系统它是方法库系统的核心部分，是方法库的控制机构（后面将作详细介绍）。3.内部数据库它是方法库系统本身的一个数据库，用于存放输入的数据及经过方法加工后的输出数据。4.用户介面它包括系统员介面、程序员介面和终端用户介面等。

5.3.4方法库的构成和实现方法1.方法库系统MBS的构成2.用系统化方法实现方法库5.3.4——5.3.7（略）5.4DSS知识库系统5.4.1知识库系统概述当DSS向智能方向发展时，知识和推理的研究就显得越来越重要。事实上，也只有当知识和推理技术被熟练地运用于DSS时，才可能真正达到决策支持所提出的目标。许多非结构化和半结构化问题很复杂，因此除了需要常规DSS的功能以外，还需要问题求解的专门知识，所以在先进的DSS中需要包含知识库子系统.该系统可提供求解问题所需要的某些知识以及提供可增强DSS其他部件运行功能的知识。包含知识库子系统的DSS称为智能DSS、专家支持系统或者称为基于知识的DSS。5.4.2知识库系统的功能与特点一、DSS设立知识库的功能为自然语言理解创立语义和语用的环境；为建模和数值计算提供必要的分析基础；补充和延拓决策人员的思维能力。

二、知识库的特点DSS与专家系统在功能、知识库内容和推理策略上的不同构成了知识库的特点：1．DSS不仅具有定性的知识推理能力，而且具有定量的计算功能，并能将两种功能有机地结合起来。显然，它的功能比一般专家系统的功能强。

2．专家系统的知识结构通常比较单一，限定于用规则或因果关系等形式表示的某方面的专业知识。5.4.2知识库系统的功能与特点二、知识库的特点3．DSS推理机制不仅具有对不同结构特点的知识的推理，而且要与定量计算结果综合起来以加强辅助决策的有效性，这就使得它的推理比一般专家系统的推理更加复杂。4．在计算机的语言实现方面也有很大的不同。现有的专家系统一般采用人工智能程序设计语言，然而这些语言在数学计算方面效率很低，不能满足复杂计算问题的求解要求。目前利用现有的面向计算的编程语言完成智能DSS的软件，则系统的透明性和灵活性又不能令人满意。比较理想的方法是以智能语言为外壳，辅以其他多种语言工具组成IDSS的软件。5.4.3知识库的关键技术知识库的关键技术是知识的获取和解释、知识的表示、问题求解及知识库的管理和维护。这些技术和知识工程与专家系统所使用的技术并没有什么根本的差别，因此在DSS研究中完全可以借鉴知识工程和专家系统的一些成果。其不同点在于DSS特别重视推理和计算的结合，以及机器推理对于决策者思维的延拓能力。在专家系统中计算是很少的，几乎没有数学模型的概念，知识的结构和形式比较确定。5.4.5推理机制的设计与实现5.4.1推理机基本概念一、概念：推理机是知识库系统问题求解过程必不可少的机制，其功能是根据一定的推理策略从知识库中选择有关知识，对用户提供的事实进行推理，直到得出相应的结论为止。二、控制策略控制策略决定了对知识进行选择的方法，对问题求解的效率和效果有重要影响，常用的控制策略有三种：数据驱动控制（又称前向推理）、目标驱动控制（又称反向推理）和混合推理（又称双向推理）。5.4.5推理机制的设计与实现三、3种控制策略的问题空间及特点数据驱动控制适合于解空间很大的问题，其主要缺点是盲目推理，求解了许多与总目标无关的子目标；目标驱动控制适合于解空间较小的问题，其不足在于子目标选择盲目，不允许用户主动提供信息来指导推理过程；混合控制则综合了两者的优点。5.4.5推理机制的设计与实现四、推理的方式推理方向用来确定推理的控制方式，即推理过程是从初始证据开始到目标，还是从目标开始到初始证据。按照对推理方向的控制，推理可分为正向推理、逆向推理、混合推理及双向推理四种情况。无论哪一种推理方式，系统都需要有一个存放知识的知识库，一个存放初始证据及中间结果的综合数据库和一个用于推理的推理机。5.4.5推理机制的设计与实现（1）正向推理正向推理是一种从已知事实出发、正向使用推理规则的推理方式，亦称为数据驱动推理或前项链推理。其基本思想是：用户需要事先提供一组初始证据，并将其放入综合数据库。推理开始后，推理机根据综合数据库中的已有事实，到知识库中寻找当前可用知识，形成一个当前可用知识集，然后按照冲突消解策略，从该知识集中选择一条知识进行推理，并将新推出的事实加入综合数据库，作为后面继续推理时可用的已知事实，如此重复这一过程，直到求出所需要的解或者知识库中再无可用知识为止。

5.4.5推理机制的设计与实现（2）逆向推理概念：逆向推理是一种以某个假设目标作为出发点的推理方法，也称为目标驱动推理或逆向链推理。其基本思想是：首先根据问题求解的要求，将要求证的目标（称为假设）构成一个假设集，然后从假设集中取出一个假设对其进行验证，检查该假设是否在综合数据库中、是否为用户认可的事实。直到被肯定或否定。例子：5.4.5推理机制的设计与实现如图所示，反向推理如先假定录取，反推所有条件不满足，则不录取。5.4.5推理机制的设计与实现（2）逆向推理优点:逆向推理的主要优点是不必寻找和使用那些与假设目标无关的信息和知识，推理过程的目标明确，同时也有利于向用户提供解释，在诊断性专家系统中较为有效。缺点:其主要缺点是当用户对解的情况认识不清时，由系统自主选择假设目标的盲目性比较大，若选择不好，可能需要多次提出假设，会影响系统效率。

5.4.5推理机制的设计与实现（3）混合推理为了更好地发挥这两种推理各自的长处，避免各自的短处，互相取长补短，可以将它们结合起来使用。把正向推理和逆向推理结合起来所进行的推理称为混合推理。混合推理可有多种具体的实现方法。例如，可以采用先正向推理，后逆向推理的方法；也可以采用先逆向推理，后正向推理的方法；还可以采用随机选择正向和逆向推理的方法。有先后顺序5.4.5推理机制的设计与实现（4）双向混合推理所谓双向混合推理是指正向推理和逆向推理同时进行，使推理过程在中间的某一步结合起来。其基本思想是：依据某种选择，先根据问题的已知事实进行正向推理，或从假设目标出发进行逆向推理。在整个推理过程中，两种控制策略依据一定的算法交替执行。

5.4.5推理机制的设计与实现混合推理的适用场合l）已知事实不够充分2）由正向推理推出的结论可信度不高3）希望得出更多的结论4）希望从正反两个方向同时进行推理5.5知识的表示及组织

知识的表示、知识的获取及知识的运用，成为知识处理学的三大课题。一般认为知识的表示处于中心地位。因为一方面获取的知识必须表示成某种形式，否则就无从记录知识；另一方面显然没有表示就根本谈不上运用知识。5.5.1知识表示的概念一、知识的定义知识的定义是“以各种方式把一个或多个信息关联在一起的信息结构”。简言之，知识是一个或多个信息之间的关联（关系或联系）。知识表示实际上就是对知识的一种描述，即用一些约定的符号把知识编码成一组计算机可以接受的数据结构。知识表示过程就是把知识编码成某种数据结构的过程。知识表示技术就是研究在计算机中如何用最合适的形式对系统中所需的各种知识进行组织，它与问题的性质和推理控制策略有着密切的关系。5.5.2知识表示观点和方法1．知识表示观点知识表示观点是人们对知识表示的看法。根据对控制性知识的组织方式，目前已形成了以下两种有代表性的知识表示观点。（1）陈述性观点陈述性知识表示是指以陈述的方式把知识用一定的数据结构表示出来。即把知识看作一种特殊的数据.知识表示仅说明描述的对象是什么，不涉及如何运用知识的问题。5.5.2知识表示观点和方法（2）过程性观点过程性知识表示是指以程序（亦称为过程）的方式把知识表示出来，即把知识寓于程序之中，把知识表示和运用知识结合起来。过程性知识表示的优点是推理过程直接、清晰，有利于模块化，并且便于用特殊领域的启发式信息来避免推理思路的不相关和不自然，因此工作效率较高；其主要缺点是灵活性差，对知识的维护不方便。5.5.2知识表示观点和方法2．知识表示方法知识表示方法又称为知识表示技术，其表示形式被称为知识表示模式。目前，使用较多的知识表示方法有10余种，如一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、语义网络表示法、框架表示法、脚本表示法、过程表示法、面向对象表示法以及一些不确定性知识的表示方法等。5.5.3知识的规则表示法是由一组以“如果这个条件满足的话,那么就得出这个结论或采取这个动作”的形式表示人类知识和经验的基本形式.其形式为:IFConditionTHENConclusion/Action

如果条件那么结论或动作1）每个这样的语句就叫一个规则，一系列这样的规则就构成知识库；2）与传统的程序相比知识库中运用的“IF-THEN”语句的数量和深度不同（通常含有几百甚至于几万条规则，其次，规则往往是相互关联，嵌套很多层，而且嵌套关系比传统的程序要复杂）。知识规则表示法的框图实例：5.5.5框架表示法框架表示法是在框架理论的基础上发展起来的一种结构化知识表示方法。在框架表示法中,事物之间的相互关系是基于共享特性而不是层次关系。框架理论认为人们对现实世界中各种事物的认识都是以一种类似于框架的结构存储在记忆中的。当遇到一个新事物时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据新的情况对其细节加以修改、补充，从而形成对这个新事物的认识。如，当一个人走进教室前，会根据以往对教室的认识，想象到教室会有窗户、黑板、课桌、凳子、讲台等。至于该教室的细节，还需要在进入教室后通过观察来得到。5.5.5框架表示法关与知识的框架框架所表示的知识不是层次式的，而是概念式、随意式的。如图所示，一个汽车，它有特征或框架中的槽，如四个轮子，一个汽油或柴油马达，可以行走或运动。汽车的特点可以和其他类的东西相比较，如摩托车，见图中摩托车框架。5.5.5框架表示法优点结构性：把知识的内部结构、联系表示出来深层性：可通过Is-a,A-kind-of,Subclass等以嵌套结构分层对知识进行表示继承性：自然性：高度模拟人脑对实体的多方面、多层次的存储结构，直观、自然缺点缺乏框架的形式理论支撑缺乏过程性知识表示清晰性难以保证5.5.6语义网络表示法概念：当知识涉及有互联特性的对象和群族时,用语义网络表示法更有效。语义网络是一种采用网络的形式表示人类知识的方法。形式上，一个语义网络为一个带标识的有向图，其中带有标识的结点表示问题领域中的物体、概念、事件、动作或势态，结点一般划分为实例结点和类结点两种类型；结点之间的有向弧表示结点之间的语义联系，是语义网络组织知识的关键。即语义基本单元可用如下三元组：（结点1，弧，结点2）来表示。5.5.6语义网络表示法实例：1、用语义基元描述“驼鸟是一种鸟”这一事实。由于“驼鸟”与“鸟”之间的语义联系为“是一种”，因此在此语义网络中，弧线被标识为“是一种”。5.5.6语义网络表示实例2，用语义网络表示以下两个简单事实：李新的自行车是永久牌、蓝色、26型。王红的自行车是金狮牌、红色、24型。这两个事实相互独立，但又有一定联系。不管是李新的自行车，还是王红的自行车，都是一辆特定的自行车，属于具体概念。为使该问题的表示更加一般化和便于扩充，可在语义网络中增加“自行车”这个抽象概念，并用自行车1、自行车2分别代表李新和王红的自行车。其语义网络如图所示。5.5.6语义网络表示语义网络推理过程用语义网络表示知识的问题求解系统主要由两大部分所组成，一部分是由语义网络构成的知识库