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类型中国人工智能学会:2016中国人工智能系列白皮书——可拓学(73页).pdf

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    中国 人工智能 学会 2016 系列 白皮书 可拓学 73
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    1、 中国中国人工智能系列人工智能系列白皮书白皮书 -可拓学可拓学 中国中国人工智能学会人工智能学会 二二一一六六年年九九月月 中国人工智能系列白皮书可拓学 2 目 录 第 1 章 可拓学概述 . 1 1.1 可拓学的学科体系 . 1 1.1.1 可拓学的定义和定位 . 1 1.1.2 可拓学的理论体系可拓论. 1 1.2 可拓学的方法体系可拓创新方法 . 3 1.2.1 拓展分析方法 . 5 1.2.2 共轭分析方法 . 5 1.2.3 可拓变换方法 . 5 1.2.4 可拓集方法 . 5 1.2.5 优度评价方法 . 6 1.3 可拓工程 . 6 1.3.1 可拓学在人工智能领域的应用. 6

    2、1.3.2 可拓学在工程技术领域的应用. 9 1.3.3 管理可拓工程 . 10 1.3.4 可拓学与其他领域的交叉融合. 10 第 2 章 可拓策略生成方法与系统 . 11 2.1 引言 . 11 2.2 可拓策略生成的一般方法 . 12 2.2.1 问题的形式化界定方法 . 12 2.2.2 问题相容性的判断方法 . 13 2.2.3 问题相关度的计算方法 . 13 2.2.4 拓展分析方法与共轭分析方法. 13 2.2.5 可拓变换及其筛选方法 . 14 2.2.6 可拓策略的优度评价方法 . 15 中国人工智能系列白皮书可拓学 3 2.3 可拓策略生成系统 . 15 2.3.1 ESG

    3、S 的主要功能模块 . 15 2.3.2 应用 ESGS 求解不相容问题的一般步骤 . 18 2.3.3 ESGS 的软件架构 . 19 2.4 ESGS 软件研制情况 . 19 2.5 结束语 . 20 第 3 章 基于可拓学的数据挖掘研究与应用 . 21 3.1 引言 . 21 3.2 可拓分类知识获取 . 22 3.3 传导知识获取. 24 3.4 基于知识库的可拓知识获取 . 24 3.4.1 拓展型可拓知识获取 . 24 3.4.2 从知识库中获取可拓知识的理论基础 . 25 3.4.3 基于决策树知识的可拓知识获取 . 25 3.5 智能知识的挖掘算法、技术与管理 . 26 3.5

    4、.1 转化规则挖掘方法 . 26 3.5.2 基于多目标线性规划的二次挖掘方法 . 27 3.5.3 智能知识管理系统设计技术 . 27 3.5.4 知识可拓优化技术 . 27 3.6 可拓模式识别 . 28 3.7 可拓神经网络 . 29 3.7.1 可拓神经网络的基本思想 . 30 3.7.2 可拓神经网络的类型与算法分析 . 30 3.8 应用研究成果. 34 3.8.1 基于可拓数据挖掘的客户价值获取 . 34 3.8.2 产品销售问题可拓分类知识挖掘 . 34 3.8.3 基于变换选择策略的可拓知识挖掘系统 . 35 中国人工智能系列白皮书可拓学 4 3.8.4 客户流失预防与转化策

    5、略获取系统 . 35 3.8.5 可拓建筑策划与设计数据挖掘. 36 3.8.6 基于多目标线性规划的二次挖掘方法的应用 . 37 3.8.7 双权连接可拓神经网络的应用. 37 3.9 结束语 . 38 第 4 章 可拓设计 . 39 4.1 引言 . 39 4.2 机械产品的可拓设计理论与方法. 40 4.2.1 可拓概念设计 . 40 4.2.2 可拓配置设计 . 41 4.2.3 可拓低碳设计 . 43 4.2.4 可拓绿色设计 . 45 4.2.5 可拓设计的计算机实现 . 47 4.3 可拓建筑策划与设计的理论与方法 . 47 4.3.1 可拓建筑策划的理论与方法 . 47 4.3

    6、.2 可拓建筑设计的理论与方法 . 48 4.3.3 计算机辅助可拓建筑策划与设计 . 50 4.4 结束语 . 50 第 5 章 可拓控制 . 51 5.1 可拓控制的研究背景和意义 . 51 5.2 可拓控制理论 . 52 5.2.1 可拓控制的基本概念 . 52 5.2.2 可拓控制的原理 . 55 5.2.3 可拓控制器的结构与设计 . 55 5.3 可拓控制的应用 . 57 参考文献 . 60 中国人工智能系列白皮书可拓学 1 第 1 章 可拓学概述 1.1 可拓学的学科体系 1.1.1 可拓学的定义和定位可拓学的定义和定位 可拓学(Extenics)是以形式化的模型, 探讨事物拓展

    7、的可能性以及开拓创新的规律与方法,并用于解决矛盾问题的科学。它的研究对象是矛盾问题,即在现有条件下无法实现人们要达到的目标的问题。 可拓学就是要通过探讨古往今来人们处理矛盾问题的规律1,建立一套程序化的方法,使人能够按照程序处理矛盾问题,利用计算机和网络帮助人们生成解决矛盾问题的创意和新产品构思的创意2。 可拓学的基本理论是可拓论3,方法体系是可拓创新方法4,它们的应用称为可拓工程。可拓论、可拓创新方法和可拓工程构成可拓学。 1.1.2 可拓学的理论体系可拓学的理论体系可拓论可拓论 可拓论由基元理论、可拓集理论和可拓逻辑构成其理论体系,如图 1-1 所示。 1. 基元理论 物元、事元和关系元(

    8、统称为基元)是可拓学的逻辑细胞,利用它们可以描述万事、万物和问题,描述信息、知识和策略。通过研究基元的拓展性和变换、变换运算的规律,建立了把数学模型拓广的可拓模型,去表示矛盾问题及其解决过程,作为处理矛盾问题的形式化工具;研究了基元的拓展分析理论和物的共轭分析理论;探讨了可拓变换的类型和性质,形成可拓变换理论;它们合称为基元理论。 2. 可拓集与关联函数 经典数学以康托集为基础,康托集是对确定性事物的分类。扎德提出的模糊集描述了模糊性的事物,是模糊数学的基础。康托集和模糊集定性地表达了事物的性质及其分类。 为了表示矛盾问题通过变换变为不矛盾问题, 必须建立描述变换中国人工智能系列白皮书可拓学

    9、2 下事物性质变化的集合概念。 1983 年, “可拓集合和不相容问题”一文提出了可拓集的概念,使静态的集合论发展为描述变换(包括动态)下的集合论,作为解决矛盾问题的集合论基础。 为了定量地刻画事物性质的变化, 可拓集以关联函数作为定量化工具。 发散分析相关分析拓展分析理论蕴含分析可扩分析虚实共轭分析软硬共轭分析基元理论 共轭分析理论潜显共轭分析负正共轭分析基本可拓变换传导变换与共轭变换可拓变换理论可拓变换的运算可拓论可拓变换的性质基元可拓集可拓集 复合元可拓集质变域(可拓域)与量变域(稳定域)可拓集理论关联函数的定义与计算公式关联函数关联函数的类型及其变换可拓模型基元可拓推理可拓逻辑 可拓推

    10、理 传导推理共轭推理解决矛盾问题的推理 图图 1-1 可拓论框架可拓论框架 3. 可拓逻辑 要使计算机能利用可拓模型处理矛盾问题, 生成解决矛盾问题的策略,必须研究带有矛盾前提的逻辑。 在解决矛盾问题的研究中, 不仅要涉及数量关系, 还要涉及事物、事物的特征和量值。不仅考虑静态的事物和关系,还要考虑事物和关系在变换下(包括动态)的变化。不仅要进行推理,还要涉及创造性思维的过程,不仅需要不矛盾的传统逻辑,还需要允许一定矛盾前提中国人工智能系列白皮书可拓学 3 的逻辑。因此,在可拓学中,研究了它特有的逻辑可拓逻辑,它 是异于形式逻辑和辩证逻辑的逻辑,有如下几个特点: (1) 研究使矛盾问题转化的逻

    11、辑。数理逻辑研究经典数学中推理的规律,模糊逻辑研究模糊数学中推理的规律。人们天天要与矛盾问题打交道,要处理各种各样的矛盾问题。因此,必须研究如何在矛盾前提下,通过某些变换,使矛盾问题转化为不矛盾问题的可拓逻辑。 (2) 逻辑值随变换而改变。在经典逻辑和模糊逻辑中,事物是否具有某种性质, 命题为“真”或为“假”是相对固定的。 但在可拓逻辑中,由于引入了变换(包括时空的改变) ,事物具有某种性质的程度和命题 “真假” 的程度随变换而改变。 可以说, 经典逻辑和模糊逻辑从“静态”的角度研究事物的性质和命题的真假;可拓逻辑则从变换(包括“动态”)的角度讨论事物具有某种性质的程度和命题真假的变化。同样,

    12、推理的正确性也是可变的,可拓逻辑也研究在变换下推理正确度的变化。 (3) 形式逻辑的形式和辩证逻辑的思想。可拓逻辑对语句或命题真假程度的描述成为描述事物矛盾程度的依据, 可拓逻辑要研究“变”的推理规律,就必须符合自然辩证法的基本规律。因此,可拓逻辑也进行了哲学原理形式化的尝试。通过用符号表达某些哲学原理,可以对这些哲学规律进行操作和运算, 使辩证逻辑不仅仅停留于自然语言的描述。 可拓逻辑汲取了形式逻辑形式化的做法,采用了辩证逻辑的思想,结合并发展出描述可拓思维形式, 以解决矛盾问题的变换和推理为核心的可拓逻辑,为用计算机和网络处理矛盾问题建立了逻辑工具。 1.2 可拓学的方法体系可拓创新方法

    13、可拓学研究了描述现实世界中的事、物和关系,信息和知识以及中国人工智能系列白皮书可拓学 4 问题的形式化体系。建立了以基元为逻辑细胞的可拓模型; 研究了事物拓展的可能性可拓展性以及用形式化表示可拓展性的方法拓展分析方法;研究了从物质性、系统性、动态性和对立性分析物的结构的共轭性, 建立了基元的拓展分析理论与方法以及物的共轭分析理论与方法,提出了矛盾问题转化的基本方法,包括化不相容问题为相容问题的可拓策略生成方法、 处理对立问题的转换桥方法和从整体出发,考虑处理复杂问题的关键策略与协调方法。 可拓学从新的角度为人们认识和分析现实世界、 解决现实世界中的矛盾问题,提出了一种新的方法体系可拓创新方法体

    14、系,如图1-2 所示。 共轭思维模式传导思维模式逆向思维模式菱形思维模式可拓思维模式法从缺点出发的第三创造创造法从已有产品出发的第二法从需要出发的第一创造新产品构思方法转换桥方法可拓策略生成方法处理矛盾问题的方法创意生成方法可拓识别方法可拓聚类方法可拓分类方法可拓集方法优度评价方法论域的变换关联准则的变换基元的变换共轭变换方法传导变换方法变换的运算方法基本变换方法可拓变换方法负正共轭分析方法潜显共轭分析方法软硬共轭分析方法虚实共轭分析方法共轭分析方法分合链方法蕴含系方法相关网方法发散树方法拓展分析方法可拓模型建立方法基本方法可拓创新方法 图图 1-2 可拓创新方法体系可拓创新方法体系 中国人工

    15、智能系列白皮书可拓学 5 1.2.1 拓展分析方法拓展分析方法 拓展分析方法是根据基元的拓展分析原理对事、物、关系等进行拓展,以获得解决矛盾问题的多种可能途径的方法。拓展分析方法包括发散树方法、相关网方法、蕴含系方法和分合链方法。 1.2.2 共轭分析方法共轭分析方法 对物的结构的研究, 有助于我们利用物的各个部分及各部分间的相互关系去解决矛盾问题。 物具有物质性、 系统性、 动态性和对立性,统称为物的共轭性。根据物的共轭性,利用物元和关系元作为形式化工具,对物的虚部、实部与虚实中介部、软部、硬部与软硬中介部、潜部、显部与潜显中介部、负部、正部与负正中介部进行的形式化分析方法,称为共轭分析方法

    16、。通过对物的各共轭部及其相互关系和相互转化的分析,可以得到解决矛盾问题的多种策略。共轭分析方法为人们全面分析物的结构提供了新的视角。 1.2.3 可拓变换方法可拓变换方法 使矛盾问题转化的工具是变换。 通过对人们处理矛盾问题的变换方法的研究,抽象出五种基本变换和四种运算方式。任何一个解决矛盾问题的创意,都是由五种基本变换通过四种运算或复合而成。 由于事物的相关性和蕴含性, 对一事物或关系的变换会导致他事物或关系的改变, 这是传导变换, 人们常常利用传导变换去处理问题。 1.2.4 可拓集方法可拓集方法 可拓集方法是从动态的、转化的角度对研究对象进行分类、 识别和聚类等的方法。可拓集是以可拓变换

    17、和关联函数为基础的集合。针对不同的变换, 可拓集有不同的质变域和量变域, 从而有不同的分类、聚类和识别形式, 它形式化和定量化地揭示了矛盾问题的转化过程和结果,更贴切地描述了分类、聚类和识别等的动态性和可转化性。 在可拓学中,建立了描述距离的新概念“距”和“侧距”,以突破经典数学中区间内的点与区间之距离均为零的规定。 以此为基础建立的中国人工智能系列白皮书可拓学 6 关联函数,就可以定量地描述“类内也有异”的客观现实,进而描述量变和质变的过程, 建立了能表达在某种变换下事物性质的量变和质变的定量计算公式。 1.2.5 优度评价方法优度评价方法 优度评价方法是综合多种衡量条件对某一对象、方案、策

    18、略等的优劣程度进行综合评价的实用方法。 对一个对象的评价往往不能只考虑有利的一面,还要考虑不利的一面。此外,在评价时,往往要考虑到动态性和可变性,对潜在的利弊进行考虑。该方法用关联函数来计算各衡量条件符合要求的程度,由于关联函数的值可正可负,这样建立的优度可以反映一个对象利弊的程度,使得评价更符合实际。 1.3 可拓工程 可拓论和可拓创新方法在各个具体领域的应用统称为可拓工程。 1.3.1 可拓学在人工智能领域的应用可拓学在人工智能领域的应用 可拓论刚刚诞生不久,不少专家就明确指出,可拓论“带有很浓厚的人工智能色彩”3, “必将渗透到人工智能及其相关学科中”4,从可拓学和人工智能的发展过程可见

    19、,它们有着密切的联系5。 1. 可拓论与人工智能的基础问题 (1)问题处理:不少学者认为,用计算机进行“问题处理”是人工智能的核心,人工智能研究解决问题的思维规律及其计算机模拟。实际上,很多智能活动的过程,甚至所有智能活动的过程,都可以看作或抽象为“问题求解”的过程。可拓学研究的矛盾问题是问题的难点,解决矛盾问题是重要的智能活动,也是人工智能水平的体现,它比一般解题更富创造性,更强调智能的发挥,对解决矛盾问题的深入研究有助于人工智能水平的提高。同时,把可拓学对问题的形式化描述、可拓变换和可拓推理解决矛盾问题的方法应用于人工智能中,使计算机学会用可拓创新方法解决矛盾问题, 这对人工智能技术水平的

    20、中国人工智能系列白皮书可拓学 7 提高有十分重要的意义,对促进人工智能的发展有重要的价值。 (2)可拓模型和信息、知识的形式化表示:可拓学建立的以基元为逻辑细胞的形式化体系,容易为计算机所接受而进行操作。可拓模型为人工智能提供一种简洁而逐步规范的知识表示方法。 信息和知识用可拓模型描述以后,可以利用基元的可拓展性,开拓出新的信息和知识,进而建立可拓信息-知识-策略形式化体系,为人工智能的策略生成技术提供依据, 为信息的拓展和可拓知识的获取与挖掘提供新的理论和方法。 (3)可拓集与分类、识别:解决矛盾问题的集合论基础是可拓集论,其本质是“非变为是”、“不行变行”、“不属于变属于”等的形式化描述,

    21、这是计算机进行矛盾问题处理的理论基础之一。可拓集的本质体现在质变域、零界和可拓变换中。计算机利用它们处理事物性质的动态变化,进行创造性思维和生成策略,并利用关联函数作为定量化工具,进行定性和定量相结合的操作,将大大提高计算机的智能水平。 分类,是人工智能进行识别、检索、决策和控制的前提。可拓分类方法为动态事物和动态过程的模式识别注入新的方法。因此,把可拓变换的思想引入识别中, 把可拓创新方法应用于识别研究将提高计算机的分类和识别能力。 (4)可拓推理与人工智能的推理技术:推理技术是人工智能的重要技术, 它研究前提和结论之间的逻辑关系及真度或置信度的传递规律等。对推理的研究往往涉及对逻辑的研究,

    22、逻辑是人脑思维的规律,也是推理的理论基础,人脑的大部分思维活动都是在知识不完全的情况下,在不断探索中完成的。因此,可拓推理在形式化和模拟人类思维的变通性方面将是一种具有创造能力的推理方法。 可拓推理包括基元拓展推理、传导推理、共轭推理和处理矛盾问题的推理等。可拓推理的核心是变换,这与传统推理以蕴含和匹配为中国人工智能系列白皮书可拓学 8 核心的机制不同,它的目的是生成、选择恰当的基元去变换原有的基元, 从而使矛盾问题得到解决。 可拓推理应用的重点在如下两个方面: 在策略生成方面, 以可拓展性为基础, 分析生成策略的推理过程,提出生成解决矛盾问题的可拓策略的方法,并在计算机上实现。 把可拓推理演

    23、绎成可拓算子,编制成算法和软件,运用于生成可拓信息或可拓知识,这在搜索技术和数据挖掘中有重要的价值。 (5)基于可拓模型与可拓推理的知识表示与推理:知识表示、知识获取和知识处理是知识工程的重要内容,而其核心是知识表示。可拓模型对于描述客观世界的物、事和关系具有简洁、统一和使用方便的特点,利用它们来描述信息和知识,便于计算机操作。其次,基元的可拓展性系统地描述了事物拓展的多种可能性, 为提高计算机的创造性思维能力和发展策略生成新技术提供了新的理论和方法。第三,利用基元的可拓展性为知识获取提供新的方法。可拓学从定性和定量的角度,研究解决矛盾问题的规律和方法,为解决深层知识获取提供了新的工具。 知识

    24、推理把深藏着的知识开发出来,它包括隐性知识显化和数据挖掘两个部分。 可拓创新方法简单明了, 便于不同领域的学者使用,为潜在知识的显化提供了思维方法和可操作的工具:首先,用可拓模型表达知识所涉及的基本概念和基本思想,然后,利用基元的可拓展性不断扩充,逐步完善,形成思路清晰、模式规范的显式知识,使潜在知识显化的过程形式化和规范化,将会带来知识推理的新进展。 2. 可拓学与人工智能结合的重点研究方向 可拓学与人工智能相结合的研究方向是矛盾问题的智能化处理7。以问题处理为核心,用可拓模型描述信息和知识,建立可拓推理和可拓算法,以探索人工智能的理论体系和应用方法,将是今后可拓学研究者与人工智能工作者相结

    25、合的重要方向。 可拓推理 8、 可拓算法、可拓分类、可拓策略生成、可拓数据挖掘、可拓模式识别、可拓中国人工智能系列白皮书可拓学 9 神经网络等理论、方法和技术的进一步深入研究,将为实现各领域矛盾问题的智能化处理打下坚实的基础。 随着科学技术的发展,各领域都要涉及矛盾问题的智能化处理。研究如何使计算机能生成解决矛盾问题的策略, 以提高计算机的智能化水平已显得十分迫切。 由于网络和计算机已渗透到人们生活和工作的各个层面,因此,充分利用能处理矛盾问题的智能系统将是今后国民经济很多领域现代化的重要任务。面向未来,没有处理矛盾问题的软件和网络、没有从帮助用户解决矛盾问题的角度出发的信息平台,就无法实现真

    26、正意义上的智能化。 为了解决具体的矛盾问题, 必须研究能处理一般矛盾问题和领域中矛盾问题所需要的形式化模型、定量化工具、推理规则和特有的方法。 因此, 研究利用计算机帮助处理各部门所遇到矛盾问题, 是经济、社会和国家安全所需要解决的重要课题。通过近年的研究, 有望在如下几方面取得突破性的成果:研制各个行业的可拓策略生成软件;研制各领域的可拓数据挖掘软件;研制各行各业的可拓策略(创意)生成平台。 1.3.2 可拓学在工程技术领域的应用可拓学在工程技术领域的应用 可拓设计是利用可拓论和可拓创新方法研究设计过程中矛盾问题的处理(包括形式化表示、建模、变换、推理、评价与决策) ,以寻求较优设计方案的一

    27、种新的设计理论与方法。 它与其它设计理论和方法的最大区别在于它的形式化和定性与定量相结合。 它所建立的模型是可拓模型,避免了数学建模中常常舍去问题的一些实际内容,也避免了目前已有设计方法中形式化和定量化不足的缺陷。 它是对现代设计理论与方法的补充、完善和进一步发展。有关可拓设计的最初研究,始于可拓学应用研究的初期,首先涉足于新产品构思领域,研究了产品创新的三种创造法,并初步应用于产品设计。 控制与检测领域中存在大量的矛盾问题,如控制中准确性、稳中国人工智能系列白皮书可拓学 10 定性和快速性的对立,检测中检测参数与检测仪器不能检测的矛盾,检测仪器的要求与检测环境的矛盾等等。 不可控制和不可检测

    28、的问题影响了自动化的水平。另一方面,机器在运转过程中,经常要产生各种各样的矛盾问题, 我们能否在机器中装上能处理该领域矛盾问题的智能系统。当机器遇到不能解决的盾问题时,这个系统能提出处理的策略,并指挥机器把该矛盾问题转化为不矛盾问题,是一项具有前瞻性的重要课题,其目标是创制高水平的智能系统。 将可拓论和可拓创新方法应用于控制领域去处理控制中的矛盾问题。称为可拓控制方法。它为解决控制领域中存在的矛盾问题提供了一条值得探索的路径。可拓检测以可拓论为依据,利用可拓变换的方法,建立一种以可拓模型为基础的检测理论与方法,对传统方法无法检测或难以检测的物理量实现有效的检测。 1.3.3 管理可拓工程管理可

    29、拓工程 管理可拓工程从处理矛盾问题的角度去审视管理的过程,建立一套新的管理工程理论与方法,包括可拓策划、可拓营销、可拓决策等理论和方法。 1.3.4 可拓学与其他领域的交叉融合可拓学与其他领域的交叉融合 凡是有矛盾问题的地方,可拓学就有其用武之地。可拓学的基本理论与方法和各领域的知识相结合,拓广了该领域的理论,也产生了处理该领域矛盾问题的可拓工程方法。 中国人工智能系列白皮书可拓学 11 第 2 章 可拓策略生成方法与系统 2.1 引言 随着社会经济的发展和网络信息技术的不断进步, 信息和知识越来越多,各种系统越来越复杂,要考虑的参数不计其数,矛盾层出不穷。如何利用计算机和网络存储量大、计算快

    30、的特点生成和搜索各领域解决矛盾问题的策略,已成为提高计算机智能化水平的关键。虽然人们已经能将大量工作交给计算机处理, 并在许多方面得到了满意的结果,但在问题求解、特别是不相容问题求解方面的研究还很不够。人工智能领域确实花了很长时间考虑问题求解, 但对于解决不相容问题的策略生成并没有解决, 主要原因在于系统没有自动生成解决不相容问题的策略的功能。 可拓策略生成方法是一套以可拓学理论1为基础,采用形式化模型和可拓推理技术研究不相容问题求解的方法。 它根据信息知识提取和拓展的规律性,通过建立由对象、特征和量值构成的基元及其复合元,将非结构化的不相容问题转化为可形式化、定量化处理的可拓模型,并利用可拓

    31、推理和可拓变换来获取化解问题的策略。近年来,在广大学者的不懈努力下,在多项国家自然科学基金项目“可拓策略生成系统的基础理论与基本方法研究(70271060)”“基于可拓学和HowNet 的策略生成方法与系统研究(61273306)”“基于 GEP 的可拓策略自组织生成理论与方法研究(61503085)”等的支持下, 可拓策略生成的理论与方法体系日益完善,目前已建立了可拓信息-知识-策略形式化体系9,以及解决不相容问题的集合论基础可拓集合7和逻辑基础可拓逻辑8。在上述理论和方法研究的基础上,很多学者也相继开展了可拓策略生成系统的研究, 建立了可拓策略生成系统的一般框架与功能模块10, 并开发了一

    32、些应用于具体领域的策略生成系统软件11-14。 中国人工智能系列白皮书可拓学 12 近年来, 针对前期对可拓策略生成系统研究中存在的一些瓶颈问题,我们分别探索了结合 HowNet 和基因表达式编程(GEP)的可拓策略生成方法与系统。 前者利用 HowNet 的知识库可以辅助解决现有策略生成系统由于知识存储模块中知识不足致使生成策略困难的问题,提高了策略生成的智能化水平15; 后者着力于构建一种高效的可拓变换运算式的自组织生成机制, 从而有效避免在可拓策略生成的过程中因可拓变换的类型和数量繁多而引起的计算量的组合爆炸, 提高可拓策略生成的效率和智能化水平16。 本章将简要介绍可拓策略生成方法和可

    33、拓策略生成系统 (ESGS)的研究概况。 2.2 可拓策略生成的一般方法 要用形式化定量化的方法解决不相容问题,必须研究从建模、判断、拓展、变换、评价,直至获得解决问题的策略的方法,综合形成解决不相容问题的可拓策略生成方法6,17。简要介绍如下: 2.2.1 问题的形式化界定方法问题的形式化界定方法 任何问题都是由目标和条件构成的。根据基元理论,可以将问题的目标 G 和条件 L 用多维基元(对象,特征列,量值列)形式化表示为 并建立原问题的可拓模型为 P=G*L。复杂问题的目标有时需要用复合元(基元的复合)形式化表示。 根据具体问题的要求,选取原问题的评价特征 c0i, 并设 c0si为问题所

    34、涉及的任一对象 Z 需要的特征,c0ti为问题所涉及的原对象 Z0提供的特征,量值为 v0i,记 1122,GGGGGGmGmcvOcvGcv,1122,LLLLLLnLncvOcvLcv,中国人工智能系列白皮书可拓学 13 0 1010 202000,sssrrcVZcVGcV,0 10100 202000,tttrrcvZcvLcv, 从而建立原问题的核问题的可拓模型 P0=G0*L0。 2.2.2 问题相容性的判断方法问题相容性的判断方法 针对核问题中的评价特征,若是单评价特征问题,则直接根据评价特征的性质选择利用相应的关联函数建立相容度函数00,K G L, 判断问题的相容性;若是多评

    35、价特征问题,则需要根据评价特征之间的关系,选择利用多维关联函数或综合关联函数建立相容度函数00,K G L,进而判断问题的相容性。 若00,0K G L,则说明原问题是相容问题;若00,0K G L,则说明原问题是不相容问题; 若00,0K G L, 则说明原问题是临界问题。 2.2.3 问题相关度的计算方法问题相关度的计算方法 对于不相容问题,再利用 HowNet(知网)中的词语相似度的计算方法,改进词语相关度、建立基元相关度、进而建立目标相关度和条件相关度,形成问题相关度的计算方法,用于判断不相容问题与问题库中已解决的不相容问题的相关程度18。若相关度达到规定的阈值,则直接采取已解决问题的

    36、策略解决该不相容问题,认为找到解决不相容问题的策略;若相关度达不到规定的阈值,则认为未找到解决不相容问题的策略,需要继续对问题利用下面的方法获得策略。 2.2.4 拓展分析方法与共轭分析方法拓展分析方法与共轭分析方法 拓展分析方法与共轭分析方法都是提供解决不相容问题的多种思路的形式化方法。首先根据实际问题,判断目标基元和条件基元哪个不能改变,然后对可以改变的基元进行分析,以获得解决不相容问题的多种途径。 (1)若目标基元不能改变,则选择对条件基元进行拓展分析或中国人工智能系列白皮书可拓学 14 共轭分析,从而形成相关树、发散树或共轭对。依次进行如下步骤: 选择相关分析,建立条件基元的相关树(网

    37、); 对条件相关树(网)的叶基元进行发散分析,获得发散树;如果是物元,还可进行共轭分析,即从虚实、软硬、潜显、负正等方面对物元进行分析。 (2)若条件基元不能变,则选对目标基元进行拓展分析或共轭分析,从而形成蕴含系、相关树或共轭对。 此外, 也可先对目标进行发散分析, 通过可拓变换形成新的目标,若新目标蕴含原目标,且新目标与原条件相容,则问题解决。 (3)若目标和条件都需进行分析,则先执行(1)再执行(2) ,合并建立问题的相关-蕴含树。 2.2.5 可拓变换及其筛选方法可拓变换及其筛选方法 可拓变换方法是化解不相容问题的工具,包括基本可拓变换方法、可拓变换的运算方法、传导变换方法等。 在上述

    38、拓展分析或共轭分析所获得的叶基元集中, 选择实施可拓变换或可拓变换的运算。以对条件的拓展分析为例,对问题的条件相关树的树叶实施可拓变换后, 会形成可拓变换蕴含系。 通过传导变换,会使原问题的相容度发生变化。使问题的相容度从 K0(P0) =K(G0,L0) 0 的可拓变换或可拓变换的运算式,即为解决原不相容问题的可拓策略。 对问题的目标蕴含系的最下位目标, 首先要考虑在原条件下这些目标是否能实现,若能,则问题解决;否则,还要对条件进行拓展分析与可拓变换,考虑在新条件下这些目标是否能实现。 由于可拓变换的方式有很多,而且其中很多不是可拓策略, 这一过程可能会发生计算量的组合爆炸, 因此必须研究可

    39、拓变换的筛选问题。 文献16提出了采用 GEP 方法, 以启发式迭代的方式来实现可拓变换运算式的自组织构建。 为了使 GEP 方法与上述应用需求相匹配,中国人工智能系列白皮书可拓学 15 文献16对 GEP 的染色体结构、 解码方式、 个体选择机制和收敛准则重新进行了研究。该方法能够有效避免组合爆炸的发生,提升可拓策略生成的效率,在复杂不相容问题求解方面具有很大潜力。 2.2.6 可拓策略的优度评价方法可拓策略的优度评价方法 利用上述方法,可以获得很多解决不相容问题的可拓策略, 需要根据原问题的要求选取衡量指标, 建立衡量指标体系及各衡量指标的关联函数, 然后选择相应的优度评价方法对所有的可拓

    40、策略进行评价选优,从而获得解决该不相容问题的较优可拓策略。 根据衡量指标体系的不同, 优度评价方法包括一级优度评价方法和多级优度评价方法7。 2.3 可拓策略生成系统 可拓策略生成系统(ESGS)是把可拓策略生成方法和现有的人工智能技术、数据库技术、可视化技术、面向对象技术等相结合,用计算机模仿人类发现问题-分析问题-生成解决问题的策略的过程,以帮助人们获得解决不相容问题的可拓策略的软件系统, 是可拓策略生成方法的软件化。 2.3.1 ESGS 的主要功能模块的主要功能模块 ESGS 的结构主要包括如下模块:基础数据库、问题可拓模型模块、问题相关度计算与判断模块、不相容问题模块、知识存储模块、

    41、可拓变换及其筛选模块、优度评价模块、可拓策略库等。其框架结构如图 2-2 所示。 1. 基础数据库 基础数据库是实现策略生成的基础,存放各种物、事、关系等原始数据和语料数据,以及按照“可拓信息-知识-策略形式化体系”的规范,经过预处理后的各种信息元,需要根据不相容问题所涉及的领域分类进行构建。 中国人工智能系列白皮书可拓学 16 2. 问题可拓模型模块 该模块包括用户需求语句处理模块19、 原问题的可拓模型模块和核问题的可拓模型模块。 要有效地解决不相容问题, 必须根据实际问题准确地建立其可拓模型。建立问题可拓模型有如下 3 种方法: (1) 早期研究的 ESGS 一般靠用户在固定界面输入参数

    42、来建立可拓模型,减少自然语言理解困难。但当参数较多时,系统界面的设计难以重复利用。 (2) 针对需要解决的实际问题,首先根据“可拓信息-知识-策略形式化体系”的规范,结合人机交互和 HowNet 的 KDML,形式化表示原问题的目标和条件,建立原问题的可拓模型,根据原问题目标的要求和条件的限制,再通过人机交互抽象出核问题的可拓模型20。 (3) 在智能 Agent 引导技术基础上,利用信息抽取技术,从用户输入的需求语句出发,通过对用户需求语句的预处理、组块分析、分类、量值提取、模型填充,从而自动建立原问题的可拓模型,再通过人机交互选取评价特征,进而建立核问题的可拓模型21。 3. 问题的相关度

    43、计算与判断模块 该模块用于对需要解决的问题进行问题的相关度计算, 并判断与不相容问题库中已解决的不相容问题的相关程度。 4. 不相容问题模块 该模块用于对需要解决的问题的相容度进行计算与判断, 并存储已有求解策略的不相容问题。 中国人工智能系列白皮书可拓学 17 图图 2-1 可拓策略生成系统框架结构图可拓策略生成系统框架结构图 5. 知识存储模块 该模块是实现策略生成的重要部分,主要包括:拓展型知识、共轭型知识、关联函数、可拓知识、常识知识、其它领域知识等模块。 拓展型知识和共轭型知识都源于领域知识,需要针对不同的领域,根据“可拓信息-知识-策略的形式化体系”构建;关联函数模块中存储着各种类

    44、型的关联函数及各种综合关联函数, 建立问题相容度函数时可以调用其中的关联函数;基于可拓变换的各种可拓知识,都存储在可拓知识模块中。 常识知识和部分领域知识除了来源于问题所涉及的领域,还可以从 HowNet 的知识库中获取,HowNet 本身就是一个具有语义的通识知识库, 可以借助其中义原及其语义关系的表达方式,对基元的结构进行重新构造,利用 KDML 语言(知识系统描述语言)和基元、复合元的对应关系,转化为基元、复合元形式及它们的运算式形式,从而作为解决不相容问题的知识基础。还有一些其他类型的可拓知识,需要利用基于知识库的可拓数据挖掘方法获取。这就为解决不相容问题提供了多种路径。 中国人工智能

    45、系列白皮书可拓学 18 6. 可拓变换及其筛选模块 该模块中有很多类型的变换,包括基本可拓变换、可拓变换的运算及传导变换,变换的选择和筛选决定了策略生成的有效性和效率。目前主要有两种处理方法: (1) 根据不相容问题的目标和条件中产生不相容的特征的相应量值的差异,选择变换的类型,且实施变换后马上利用相容度函数度量是否是有效变换;还要根据具体问题预设阈值、相关度、评价特征及其评价函数,以便在可拓变换模块中选择变换时,既能保证生成的解决不相容问题的有效策略足够多,又能避免组合爆炸问题的发生。 (2) 对于复杂不相容问题,可拓变换的实施与变换的结果之间可能呈现一定的黑箱性,导致难以采用 1)中的方式

    46、选择变换的类型。在此种情况下,利用 GEP 方法,以由变换的对象拓展出的基元和基本可拓变换及其运算分别建立终点符号集合和函数符号集合, 通过启发式迭代的方式来实现可拓变换运算式的自组织构建。 7. 优度评价模块 优度评价模块中存储着各种评价特征及其量值域, 针对要解决的实际问题的不同评价特征, 可以调用关联函数模块中的关联函数和综合关联函数,计算综合优度。 8. 可拓策略库 可拓策略库中存放各种已解决的不相容问题的解决策略, 当以后再遇到不相容问题时,可以首先利用文献18建立的问题相关度计算方法,与问题模块中的已解决的问题进行比对,如果有相关度达到一定阈值的问题, 则可直接到可拓策略库查询对应

    47、的问题所采取的解决策略,如果可用,则获得解决该不相容问题的可拓策略,否则,再进行策略生成的全过程,并把获得的可拓策略存入其中。 2.3.2 应用应用 ESGS 求解不相容问题的一般步骤求解不相容问题的一般步骤 应用 ESGS 求解不相容问题的一般步骤如图 2-3 所示。基于中国人工智能系列白皮书可拓学 19 HowNet 的 ESGS 的一般步骤参见文献15。 原始问题原问题和核问题建模判断目标和条件哪一个不能改变相容度判定相关度判定进入知识存储模块,对可以变的目标或条件,选取其拓展型知识或共轭型知识形成不相容问题树进入可拓变换与筛选模块,选取可拓变换获得变换后的问题树相容度判定获得可拓策略进

    48、入知识存储模块,选取评价特征和关联函数进入优度评价模块评价选优,获得优度较高的策略可拓策略库说明原问题为伪不相容问题,结束进入可拓策略库搜索选取相应的策略是否是否否是 图图 2-3 应用应用 ESGS 求解不相容问题的一般步骤求解不相容问题的一般步骤 2.3.3 ESGS 的软件架构的软件架构 目前已有的对 ESGS 软件架构的研究,主要有基于构件的 ESGS实现方法、策略生成系统正交软件体系结构、利用面向方面软件开发改善开发过程、不相容问题策略生成的通用框架、结合 HowNet 的ESGS 研制、基于 WebService 架构的 ESGS 等方法20。 2.4 ESGS 软件研制情况 通过

    49、近年对可拓策略生成系统的基础理论和方法的系统研究, 已中国人工智能系列白皮书可拓学 20 逐步摸索到进行可拓策略生成系统研究的基本思路, 开发了多个解决具体领域不相容问题的可拓策略生成系统。 针对不同领域的矛盾问题,研究人员实现了不同的策略生成系统。目前实现的 ESGS 有:房地产营销优化系统、防治空气污染系统、提高毕业生就业率系统、游客停车问题系统、自助游 ESGS、大坝安全的 ESGS、租房 ESGS、求职问题 ESGS、防止企业人才流失系统、提高客户价值的 ESGS、图像识别 ESGS 等,详见文献21。 2.5 结束语 本研究基于可拓学的基本理论与方法3,给人们提供了形式化定量化解决不

    50、相容问题的可操作的有效方法和步骤,ESGE 的研究与开发,可以辅助人们解决领域不相容问题。该研究可为将来进一步研制矛盾问题智能化处理系统打下坚实的基础22,必将有广阔的应用前景,且具有鲜明的自主知识产权。 中国人工智能系列白皮书可拓学 21 第 3 章 基于可拓学的数据挖掘研究与应用 3.1 引言 数据挖掘自 20 世纪 80 年代中期提出以来,得到了迅速的发展,它能够在海量的数据中快速地寻找到一些十分有价值、 有意义的数据间的特定关系并产生新的知识。然而,现有的数据挖掘技术没有充分考虑从变换的角度挖掘有关变换的作用的知识。在各个领域中,要真正实现智能化, 必须研究处理矛盾问题的理论与方法及其

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