人工智能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)專業(yè)課件

1、 人工智能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)人工智能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 產(chǎn)生式系統(tǒng)（產(chǎn)生式系統(tǒng)（Production SystemProduction System），），也稱作基于規(guī)則的系統(tǒng)，是人工智能也稱作基于規(guī)則的系統(tǒng)，是人工智能系統(tǒng)中最典型、最普遍的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中最典型、最普遍的結(jié)構(gòu)。第二章第二章 人工智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)人工智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.1 2.1 產(chǎn)生式系統(tǒng)概述產(chǎn)生式系統(tǒng)概述 2.2 2.2 問(wèn)題的表示問(wèn)題的表示 2.3 2.3 控制策略分類控制策略分類 2.4 2.4 產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型 2.1 2.1 產(chǎn)生式系統(tǒng)概述產(chǎn)生式系統(tǒng)概述 產(chǎn)生式，也稱作規(guī)則，或產(chǎn)生式規(guī)則，用于描述各種產(chǎn)生式，也稱作規(guī)

2、則，或產(chǎn)生式規(guī)則，用于描述各種知識(shí)單元間廣泛存在的因果關(guān)系，即前提和結(jié)論之間知識(shí)單元間廣泛存在的因果關(guān)系，即前提和結(jié)論之間的關(guān)系。的關(guān)系。 在產(chǎn)生式系統(tǒng)中，待描述系統(tǒng)的知識(shí)被分為兩部分：在產(chǎn)生式系統(tǒng)中，待描述系統(tǒng)的知識(shí)被分為兩部分： 事實(shí)：事實(shí)：表示已知事實(shí)，如事物、事件及其之間關(guān)系，也可表示已知事實(shí)，如事物、事件及其之間關(guān)系，也可以看作是無(wú)前提條件的產(chǎn)生式。以看作是無(wú)前提條件的產(chǎn)生式。 產(chǎn)生式規(guī)則：產(chǎn)生式規(guī)則：前提和結(jié)論之間的關(guān)系式，表示推理過(guò)程和前提和結(jié)論之間的關(guān)系式，表示推理過(guò)程和行為。行為。2.1.1 2.1.1 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 三個(gè)基本部分：綜合數(shù)據(jù)庫(kù)（事實(shí)

3、庫(kù)）、規(guī)則庫(kù)（規(guī)則集）、控制三個(gè)基本部分：綜合數(shù)據(jù)庫(kù)（事實(shí)庫(kù)）、規(guī)則庫(kù)（規(guī)則集）、控制器（規(guī)則解釋）。器（規(guī)則解釋）。1 1、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)是產(chǎn)生式系統(tǒng)使用的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)有關(guān)問(wèn)題狀綜合數(shù)據(jù)庫(kù)是產(chǎn)生式系統(tǒng)使用的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)有關(guān)問(wèn)題狀態(tài)、性質(zhì)等事實(shí)（敘述型知識(shí)），包括推理過(guò)程中形成的中間結(jié)態(tài)、性質(zhì)等事實(shí)（敘述型知識(shí)），包括推理過(guò)程中形成的中間結(jié)論，對(duì)應(yīng)問(wèn)題的表示信息。論，對(duì)應(yīng)問(wèn)題的表示信息。2 2、規(guī)則庫(kù)是產(chǎn)生式規(guī)則的集合，存儲(chǔ)有關(guān)問(wèn)題的狀態(tài)轉(zhuǎn)移、性質(zhì)、規(guī)則庫(kù)是產(chǎn)生式規(guī)則的集合，存儲(chǔ)有關(guān)問(wèn)題的狀態(tài)轉(zhuǎn)移、性質(zhì)變化等規(guī)則（過(guò)程型知識(shí)），規(guī)則形式變化等規(guī)則（過(guò)程型知識(shí)），規(guī)則形式: :if if

4、 條件條件 then then 行動(dòng)行動(dòng) if if 前提前提 then then 結(jié)論結(jié)論 如果某規(guī)則的前件能夠被事實(shí)庫(kù)中的事實(shí)滿足，則該規(guī)則被激活。如果某規(guī)則的前件能夠被事實(shí)庫(kù)中的事實(shí)滿足，則該規(guī)則被激活。3 3、控制器是規(guī)則的解釋程序或執(zhí)行程序，它規(guī)定選擇一條可用規(guī)、控制器是規(guī)則的解釋程序或執(zhí)行程序，它規(guī)定選擇一條可用規(guī)則的原則和規(guī)則使用的方式則的原則和規(guī)則使用的方式 ( (推理方向推理方向) )，并根據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的，并根據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，控制求解問(wèn)題的過(guò)程（控制策略信息，控制求解問(wèn)題的過(guò)程（控制策略, ,推理引擎）。通常從選推理引擎）。通常從選擇規(guī)則到執(zhí)行操作分擇規(guī)則到執(zhí)行操作分三步

5、：三步： 匹配。匹配。 判斷規(guī)則的前件是否成立判斷規(guī)則的前件是否成立? 可能有多條規(guī)則的前件能夠與綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)匹配可能有多條規(guī)則的前件能夠與綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)匹配! 沖突解決，選擇可調(diào)用的規(guī)則。沖突解決，選擇可調(diào)用的規(guī)則。 從匹配滿足的規(guī)則集中選擇一條規(guī)則。從匹配滿足的規(guī)則集中選擇一條規(guī)則。 執(zhí)行規(guī)則，并在滿足結(jié)束條件時(shí)終止產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行執(zhí)行規(guī)則，并在滿足結(jié)束條件時(shí)終止產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行。 如果規(guī)則的后件是結(jié)論，把該結(jié)論加入綜合數(shù)據(jù)庫(kù)；如果規(guī)則的后件是結(jié)論，把該結(jié)論加入綜合數(shù)據(jù)庫(kù)； 如果規(guī)則的后件是動(dòng)作，執(zhí)行該動(dòng)作；如果規(guī)則的后件是動(dòng)作，執(zhí)行該動(dòng)作；4 4、產(chǎn)生式系統(tǒng)的特點(diǎn)：、產(chǎn)生式系統(tǒng)

6、的特點(diǎn)： 數(shù)據(jù)、知識(shí)和控制相互獨(dú)立。數(shù)據(jù)、知識(shí)和控制相互獨(dú)立。 知識(shí)具有相對(duì)固定的格式：均由左、右兩部分組成。知識(shí)具有相對(duì)固定的格式：均由左、右兩部分組成。 知識(shí)無(wú)序性與模塊化：知識(shí)的補(bǔ)充和修改非常容易。知識(shí)無(wú)序性與模塊化：知識(shí)的補(bǔ)充和修改非常容易。 控制系統(tǒng)與問(wèn)題無(wú)關(guān)?？刂葡到y(tǒng)與問(wèn)題無(wú)關(guān)。2.1.2 2.1.2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本過(guò)程產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本過(guò)程 基本算法如下基本算法如下 ： 過(guò)程過(guò)程PRODUCTIONPRODUCTION 1 1DATA DATA 初始數(shù)據(jù)庫(kù)初始數(shù)據(jù)庫(kù) 2 2Until DATA Until DATA 滿足結(jié)束條件滿足結(jié)束條件( (匹配）之前匹配）之前, do:,

7、do: 3 3從規(guī)則集中選一條可應(yīng)用于從規(guī)則集中選一條可應(yīng)用于DATADATA的規(guī)則的規(guī)則R R（選擇）（選擇） 4 4綜合數(shù)據(jù)庫(kù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù) R R 應(yīng)用到應(yīng)用到 DATA DATA 得到結(jié)果得到結(jié)果 （執(zhí)行）（執(zhí)行） 上述過(guò)程是上述過(guò)程是 “匹配、選擇、執(zhí)行匹配、選擇、執(zhí)行”的循環(huán)過(guò)程的循環(huán)過(guò)程。 2.2 2.2 問(wèn)題的表示問(wèn)題的表示 用產(chǎn)生式系統(tǒng)求解問(wèn)題，就是把一個(gè)問(wèn)題的描述轉(zhuǎn)化成產(chǎn)生式系統(tǒng)的三個(gè)部用產(chǎn)生式系統(tǒng)求解問(wèn)題，就是把一個(gè)問(wèn)題的描述轉(zhuǎn)化成產(chǎn)生式系統(tǒng)的三個(gè)部分。其中問(wèn)題的表示（即綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則集的描述）對(duì)問(wèn)題的求解有很大分。其中問(wèn)題的表示（即綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則集的描述）對(duì)問(wèn)題的求解有

8、很大的影響。的影響。 狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法。所求問(wèn)題的已知事實(shí)及中間結(jié)論，稱為狀態(tài)。狀態(tài)的集合及。所求問(wèn)題的已知事實(shí)及中間結(jié)論，稱為狀態(tài)。狀態(tài)的集合及狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移規(guī)則構(gòu)成問(wèn)題的表示。基于這種表示的問(wèn)題求解稱為狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移規(guī)則構(gòu)成問(wèn)題的表示?；谶@種表示的問(wèn)題求解稱為狀態(tài)空狀態(tài)空間法間法。求解過(guò)程是，通過(guò)對(duì)可能的狀態(tài)空間的搜索求得一個(gè)解。求解過(guò)程是，通過(guò)對(duì)可能的狀態(tài)空間的搜索求得一個(gè)解。（PRODUCTIONPRODUCTION過(guò)程）過(guò)程） 問(wèn)題歸約法問(wèn)題歸約法。待求問(wèn)題分解為一些較為簡(jiǎn)單的子問(wèn)題，且子問(wèn)題也可以分。待求問(wèn)題分解為一些較為簡(jiǎn)單的子問(wèn)題，且子問(wèn)題也可以分解，所以可得到若干子問(wèn)題。包

9、含問(wèn)題、子問(wèn)題的集合與問(wèn)題分解的規(guī)則解，所以可得到若干子問(wèn)題。包含問(wèn)題、子問(wèn)題的集合與問(wèn)題分解的規(guī)則一起構(gòu)成問(wèn)題的表示。基于這種表示的問(wèn)題求解稱為一起構(gòu)成問(wèn)題的表示?；谶@種表示的問(wèn)題求解稱為問(wèn)題歸約法問(wèn)題歸約法。求解過(guò)。求解過(guò)程是，通過(guò)對(duì)各個(gè)子問(wèn)題解答的搜索求得原問(wèn)題的解答。程是，通過(guò)對(duì)各個(gè)子問(wèn)題解答的搜索求得原問(wèn)題的解答。 （SPLITSPLIT過(guò)程）過(guò)程） 2.2.1 2.2.1 狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法狀態(tài)空間可用三元組（狀態(tài)空間可用三元組（S，O，G）來(lái)描述）來(lái)描述 S是狀態(tài)集合。狀態(tài)是表示某種事實(shí)的符號(hào)或數(shù)據(jù)。問(wèn)題的狀態(tài)可以用任何類型的是狀態(tài)集合。狀態(tài)是表示某種事實(shí)的符號(hào)或數(shù)據(jù)。問(wèn)題的

10、狀態(tài)可以用任何類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述。起始狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述。起始狀態(tài)S0是是S的一個(gè)非空子集，描述問(wèn)題的初始狀態(tài)。的一個(gè)非空子集，描述問(wèn)題的初始狀態(tài)。 G是目標(biāo)狀態(tài)。是目標(biāo)狀態(tài)。 G是是S的一個(gè)非空子集，它可以是一個(gè)或多個(gè)要達(dá)到的狀態(tài)，也可的一個(gè)非空子集，它可以是一個(gè)或多個(gè)要達(dá)到的狀態(tài)，也可以是對(duì)某些狀態(tài)性質(zhì)的描述。以是對(duì)某些狀態(tài)性質(zhì)的描述。 O是規(guī)則集合。集合中的每個(gè)元素稱作操作算子，將一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一個(gè)狀態(tài)。是規(guī)則集合。集合中的每個(gè)元素稱作操作算子，將一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一個(gè)狀態(tài)。問(wèn)題求解：從問(wèn)題求解：從S S0 0出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列操作變換達(dá)到出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列操作變換達(dá)到G G， 即狀態(tài)空間搜索

11、問(wèn)題。狀態(tài)空間的一個(gè)解是一個(gè)有限的規(guī)則序列，即狀態(tài)空間搜索問(wèn)題。狀態(tài)空間的一個(gè)解是一個(gè)有限的規(guī)則序列， 即為狀態(tài)空間的一個(gè)解，解不一定唯一。即為狀態(tài)空間的一個(gè)解，解不一定唯一。GSSSkOOO21021kOO,12.2.2 2.2.2 問(wèn)題歸約法問(wèn)題歸約法 問(wèn)題歸約法也可用一個(gè)三元組（問(wèn)題歸約法也可用一個(gè)三元組（S0，O，P）來(lái)描述）來(lái)描述 S0是初始問(wèn)題，即要求解的問(wèn)題；是初始問(wèn)題，即要求解的問(wèn)題； P是本原問(wèn)題集，其中的每一個(gè)問(wèn)題是自然成立的，不需證明的；是本原問(wèn)題集，其中的每一個(gè)問(wèn)題是自然成立的，不需證明的； O是操作算子集，一個(gè)操作算子可把一個(gè)問(wèn)題化成若干個(gè)子問(wèn)題。是操作算子集，一個(gè)操

12、作算子可把一個(gè)問(wèn)題化成若干個(gè)子問(wèn)題。該方法由問(wèn)題出發(fā)，運(yùn)用操作算子產(chǎn)生一些子問(wèn)題，對(duì)子問(wèn)題再運(yùn)用操該方法由問(wèn)題出發(fā)，運(yùn)用操作算子產(chǎn)生一些子問(wèn)題，對(duì)子問(wèn)題再運(yùn)用操作算子產(chǎn)生子問(wèn)題的子問(wèn)題，一直進(jìn)行到產(chǎn)生的問(wèn)題均為本原問(wèn)題，則作算子產(chǎn)生子問(wèn)題的子問(wèn)題，一直進(jìn)行到產(chǎn)生的問(wèn)題均為本原問(wèn)題，則問(wèn)題得解。問(wèn)題歸約的最終目的是產(chǎn)生本原問(wèn)題。問(wèn)題得解。問(wèn)題歸約的最終目的是產(chǎn)生本原問(wèn)題。問(wèn)題歸約法是比狀態(tài)空間法更一般的問(wèn)題求解方法，如果在歸約法中，問(wèn)題歸約法是比狀態(tài)空間法更一般的問(wèn)題求解方法，如果在歸約法中，每運(yùn)用一次操作算子，只產(chǎn)生一個(gè)子問(wèn)題，則就是狀態(tài)空間法。每運(yùn)用一次操作算子，只產(chǎn)生一個(gè)子問(wèn)題，則就是狀態(tài)

13、空間法。 9、 人的價(jià)值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2022-3-62022-3-6Sunday, March 06, 202210、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2022-3-62022-3-62022-3-63/6/2022 8:06:53 PM11、人總是珍惜為得到。2022-3-62022-3-62022-3-6Mar-226-Mar-2212、人亂于心，不寬余請(qǐng)。2022-3-62022-3-62022-3-6Sunday, March 06, 202213、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來(lái)懲罰自己。2022-3-62022-3-62022-3-62022-3-63/6/202214、抱最大的希

14、望，作最大的努力。2022年3月6日星期日2022-3-62022-3-62022-3-615、一個(gè)人炫耀什么，說(shuō)明他內(nèi)心缺少什么。2022年3月2022-3-62022-3-62022-3-63/6/202216、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022-3-62022-3-6March 6, 202217、一個(gè)人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。2022-3-62022-3-62022-3-62022-3-62.2.3 2.2.3 產(chǎn)生式系統(tǒng)舉例產(chǎn)生式系統(tǒng)舉例 圖圖2-1 2-1 八數(shù)碼游戲八數(shù)碼游戲 問(wèn)題描述：給定一種初始布局（初始狀態(tài)）和一個(gè)目標(biāo)的布問(wèn)題描述：給定一種初始布局（初始狀態(tài)）和一

15、個(gè)目標(biāo)的布局（目標(biāo)狀態(tài)），問(wèn)如何移動(dòng)將牌，實(shí)現(xiàn)從初始狀態(tài)到目標(biāo)局（目標(biāo)狀態(tài)），問(wèn)如何移動(dòng)將牌，實(shí)現(xiàn)從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。 一個(gè)合理的走步序列是問(wèn)題的一個(gè)解。一個(gè)合理的走步序列是問(wèn)題的一個(gè)解。2834 5716123456789、 人的價(jià)值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2022-3-62022-3-6Sunday, March 06, 202210、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2022-3-62022-3-62022-3-63/6/2022 8:06:54 PM11、人總是珍惜為得到。2022-3-62022-3-62022-3-6Mar-226-Mar-2212、人亂于心，不寬

16、余請(qǐng)。2022-3-62022-3-62022-3-6Sunday, March 06, 202213、生氣是拿別人做錯(cuò)的事來(lái)懲罰自己。2022-3-62022-3-62022-3-62022-3-63/6/202214、抱最大的希望，作最大的努力。2022年3月6日星期日2022-3-62022-3-62022-3-615、一個(gè)人炫耀什么，說(shuō)明他內(nèi)心缺少什么。2022年3月2022-3-62022-3-62022-3-63/6/202216、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022-3-62022-3-6March 6, 202217、一個(gè)人即使已登上頂峰，也仍要自強(qiáng)不息。2022-3-6202

17、2-3-62022-3-62022-3-6 1 1綜合數(shù)據(jù)庫(kù)：選擇一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示將牌布局。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)：選擇一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示將牌布局。 本例選用二維數(shù)組來(lái)表示布局較直觀，其數(shù)組元素用本例選用二維數(shù)組來(lái)表示布局較直觀，其數(shù)組元素用 表示，其中表示，其中 且互不相等。且互不相等。 這樣每個(gè)具體取值矩陣就代表了一個(gè)棋局狀態(tài)。顯然，這樣每個(gè)具體取值矩陣就代表了一個(gè)棋局狀態(tài)。顯然，該問(wèn)題有該問(wèn)題有 個(gè)狀態(tài)。個(gè)狀態(tài)。 ijS8 , 1 , 0, 3,1ijSji362880! 9111213141516171819CCCCCCCCC 2. 2. 規(guī)則集：移動(dòng)一塊將牌（即走一步）就使?fàn)钜?guī)則集：移動(dòng)一塊將牌（

18、即走一步）就使?fàn)顟B(tài)發(fā)生一次轉(zhuǎn)變。有四種走法：空格左移、空格態(tài)發(fā)生一次轉(zhuǎn)變。有四種走法：空格左移、空格上移、空格右移、空格下移。上移、空格右移、空格下移。記數(shù)組第記數(shù)組第 i i 行第行第 j j 列的元素為列的元素為 空格所在的行、列分別記為空格所在的行、列分別記為 ，則，則 則空格左移一格、空格上移一格、空格右移一則空格左移一格、空格上移一格、空格右移一格、空格下移一格可用如下格、空格下移一格可用如下4 4條規(guī)則來(lái)描述：條規(guī)則來(lái)描述：ijS 1i j3,00, ji000jiS 規(guī)則規(guī)則1: 1: （空格左移一格）（空格左移一格） 規(guī)則規(guī)則2: 2: （空格上移一格）（空格上移一格） 規(guī)則規(guī)

19、則3: 3: （空格右移一格）（空格右移一格） 規(guī)則規(guī)則4: 4: （空格下移一格）（空格下移一格） 0 000000i jij1ij1ifj2thenSS S0()(),;0 000000i ji1 ji1 jifi2thenSS S0()(),;0 000000i jij1ij1ifj2thenSS S0()(),;0 000000i ji1 ji1 jifi2thenSS S0()(),; 3.3.控制策略：從規(guī)則集中選擇規(guī)則并作用于狀控制策略：從規(guī)則集中選擇規(guī)則并作用于狀態(tài)的一種廣義選取函數(shù)。態(tài)的一種廣義選取函數(shù)。確定某一策略后，可以用算法的形式給出確定某一策略后，可以用算法的形式給出

20、程序。使用該策略從初始狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)不斷程序。使用該策略從初始狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)不斷尋求滿足一定條件的問(wèn)題狀態(tài)，最后到達(dá)目標(biāo)尋求滿足一定條件的問(wèn)題狀態(tài)，最后到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)。狀態(tài)。 2.3 2.3 控制策略分類控制策略分類 對(duì)當(dāng)前的狀態(tài)，只要某一條規(guī)則作用之后能生成合法的新?tīng)顟B(tài)，對(duì)當(dāng)前的狀態(tài)，只要某一條規(guī)則作用之后能生成合法的新?tīng)顟B(tài)，那么，這條規(guī)則就是可用規(guī)則。那么，這條規(guī)則就是可用規(guī)則。 產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行表現(xiàn)出一種搜索過(guò)程，在每一個(gè)循環(huán)中選一產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行表現(xiàn)出一種搜索過(guò)程，在每一個(gè)循環(huán)中選一條規(guī)則試用，直到找到某一個(gè)序列能產(chǎn)生滿足結(jié)束條件的狀態(tài)條規(guī)則試用，直到找到某一個(gè)序列能產(chǎn)生滿足結(jié)束條件的狀

21、態(tài)為止。為止。 不同的控制策略產(chǎn)生不同的解，高效率的控制策略能夠走較少不同的控制策略產(chǎn)生不同的解，高效率的控制策略能夠走較少的步驟達(dá)到目標(biāo)，但需要問(wèn)題求解的足夠知識(shí)。的步驟達(dá)到目標(biāo)，但需要問(wèn)題求解的足夠知識(shí)。 控制策略分為兩類：控制策略分為兩類：不可撤回方式（不可撤回方式（IrrevocableIrrevocable）和試探方）和試探方式（式（TentativeTentative）。1 1）不可撤回方式：）不可撤回方式： 思想思想: : 利用問(wèn)題給出的局部知識(shí)決定如何選取規(guī)則，利用問(wèn)題給出的局部知識(shí)決定如何選取規(guī)則，已用過(guò)的規(guī)則不能撤回。優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單。已用過(guò)的規(guī)則不能撤回。優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單。

22、例：爬山問(wèn)題。登山過(guò)程中，登山人的目標(biāo)是爬上例：爬山問(wèn)題。登山過(guò)程中，登山人的目標(biāo)是爬上峰頂，如何一步一步地向目標(biāo)前進(jìn)就是一個(gè)策略問(wèn)峰頂，如何一步一步地向目標(biāo)前進(jìn)就是一個(gè)策略問(wèn)題。通常，人們利用高度隨位置變化的函數(shù)題。通常，人們利用高度隨位置變化的函數(shù)H(P)來(lái)來(lái)引導(dǎo)爬山，這是一種不可撤回方式。引導(dǎo)爬山，這是一種不可撤回方式。利用利用 H(P)可以計(jì)算朝不同方向邁出一步后高度的可以計(jì)算朝不同方向邁出一步后高度的變化情況。即變化情況。即 向東：向東：z1=H（P0+x）-H(P0) 向西：向西：z2=H（ P0 -x）- H(P0) 向北：向北：z3=H（ P0+ y）- H(P0) 向南：向南

23、：z4=H（ P0 -y）- H(P0) 選擇選擇z變化最大的那一步攀登，到達(dá)新的位置變化最大的那一步攀登，到達(dá)新的位置P；從從P開(kāi)始重復(fù)這一過(guò)程，直到到達(dá)山頂。開(kāi)始重復(fù)這一過(guò)程，直到到達(dá)山頂。圖圖2-2 2-2 爬山過(guò)程示意圖爬山過(guò)程示意圖 假設(shè)登山人當(dāng)前所處的位置為假設(shè)登山人當(dāng)前所處的位置為P0，如果只有四個(gè)方向可供選，如果只有四個(gè)方向可供選擇擇 ：向東（向東（x）、向西（）、向西（-x ）、向北（）、向北（y）、向南（）、向南（-y），分別記為規(guī)則，分別記為規(guī)則1、2、3、4。 爬山算法爬山算法1. 1. 開(kāi)始狀態(tài)作為一個(gè)可能狀態(tài)。開(kāi)始狀態(tài)作為一個(gè)可能狀態(tài)。2. 2. 從一個(gè)可能狀態(tài)，從

24、一個(gè)可能狀態(tài)，應(yīng)用可用規(guī)則集生成所有新的可能狀態(tài)集應(yīng)用可用規(guī)則集生成所有新的可能狀態(tài)集。3. 3. 對(duì)該狀態(tài)集中每一狀態(tài)：對(duì)該狀態(tài)集中每一狀態(tài)： （1 1）進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試，檢查其是否為目標(biāo)：）進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試，檢查其是否為目標(biāo)： （2 2）如果是目標(biāo)則程序停止。）如果是目標(biāo)則程序停止。 （3 3）如果不是目標(biāo)，計(jì)算該狀態(tài)的好壞或者比較各狀態(tài)的好壞。）如果不是目標(biāo)，計(jì)算該狀態(tài)的好壞或者比較各狀態(tài)的好壞。4. 4. 取狀態(tài)集中最好狀態(tài)，作為下一個(gè)可能狀態(tài)取狀態(tài)集中最好狀態(tài)，作為下一個(gè)可能狀態(tài)。5. 5. 回到第回到第2 2步。步。 爬山算法缺點(diǎn)：有時(shí)到達(dá)某一狀態(tài)后，盡管它不是目標(biāo)狀態(tài)，但在測(cè)試過(guò)爬山算法

25、缺點(diǎn)：有時(shí)到達(dá)某一狀態(tài)后，盡管它不是目標(biāo)狀態(tài)，但在測(cè)試過(guò)中又找不到比該狀態(tài)更好的狀態(tài)，如圖中又找不到比該狀態(tài)更好的狀態(tài)，如圖2-32-3。 局部極大點(diǎn)（多峰時(shí)處于非主峰）：它比周圍鄰居狀態(tài)都好，但不是目標(biāo)。局部極大點(diǎn)（多峰時(shí)處于非主峰）：它比周圍鄰居狀態(tài)都好，但不是目標(biāo)。 平頂：它與全部鄰居狀態(tài)都有同一個(gè)值。平頂：它與全部鄰居狀態(tài)都有同一個(gè)值。 山脊：如果搜索方向與山脊的走向不一致，則有可能會(huì)停留在山脊處。山脊：如果搜索方向與山脊的走向不一致，則有可能會(huì)停留在山脊處。所以，用不可撤回方式來(lái)求解登山問(wèn)題，需要對(duì)狀態(tài)測(cè)試函數(shù)進(jìn)行選擇：所以，用不可撤回方式來(lái)求解登山問(wèn)題，需要對(duì)狀態(tài)測(cè)試函數(shù)進(jìn)行選擇：

26、這個(gè)函數(shù)應(yīng)具有單極值，且這個(gè)極值對(duì)應(yīng)目標(biāo)狀態(tài)值。這個(gè)函數(shù)應(yīng)具有單極值，且這個(gè)極值對(duì)應(yīng)目標(biāo)狀態(tài)值。 圖圖2-3 2-3 爬山法的三種可能狀態(tài)爬山法的三種可能狀態(tài) 測(cè)試函數(shù)例：以測(cè)試函數(shù)例：以8 8數(shù)碼為例，統(tǒng)計(jì)數(shù)碼為例，統(tǒng)計(jì)“不在位不在位”將牌個(gè)數(shù)將牌個(gè)數(shù)（逐一比（逐一比較當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)對(duì)應(yīng)位置較當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)對(duì)應(yīng)位置, ,有差異的將牌總個(gè)數(shù)），并取有差異的將牌總個(gè)數(shù)），并取其負(fù)值作為狀態(tài)描述的函數(shù)其負(fù)值作為狀態(tài)描述的函數(shù). . - W(n) - W(n)（n n為測(cè)試狀態(tài)）為測(cè)試狀態(tài)） 基于該定義，下圖所示狀態(tài)的函數(shù)值為基于該定義，下圖所示狀態(tài)的函數(shù)值為-4-4。顯然，目標(biāo)狀態(tài)的。顯然

27、，目標(biāo)狀態(tài)的函數(shù)值為函數(shù)值為0 0。2 8 31 6 47 51 2 3457 6 81 2 38 47 6 52 8 31 6 47 51W=-42 8 31 47 6 52W=-3上上2 31 8 47 6 53W=-3上上 2 31 8 47 6 54W=-2左左1 2 3 8 47 6 55W=-1下下1 2 38 47 6 56W=0右右2 8 3 1 47 6 53W=-3左左 8 3 2 1 47 6 54W=-3上上8 3 2 1 47 6 55W=-3右右8 1 3 2 47 6 56W=-3下下8 1 3 2 47 6 57W=-3左左 1 3 8 2 47 6 58W=-

28、2上上1 3 8 2 47 6 59W=-1右右1 2 38 47 6 510W=0下下圖圖2-4 2-4 八數(shù)碼問(wèn)題各狀態(tài)的爬山函數(shù)值八數(shù)碼問(wèn)題各狀態(tài)的爬山函數(shù)值 爬山法的策略爬山法的策略 執(zhí)行使新?tīng)顟B(tài)的測(cè)試函數(shù)值有最大增長(zhǎng)的規(guī)則；執(zhí)行使新?tīng)顟B(tài)的測(cè)試函數(shù)值有最大增長(zhǎng)的規(guī)則； 所有規(guī)則都不能使新?tīng)顟B(tài)的測(cè)試函數(shù)值增長(zhǎng)時(shí)，所有規(guī)則都不能使新?tīng)顟B(tài)的測(cè)試函數(shù)值增長(zhǎng)時(shí)，執(zhí)行使測(cè)試函數(shù)值不減少的規(guī)則；執(zhí)行使測(cè)試函數(shù)值不減少的規(guī)則； 如果以上兩種規(guī)則都不存在，則過(guò)程停止。如果以上兩種規(guī)則都不存在，則過(guò)程停止。2 2）試探方式）試探方式 試探方式分為兩種：試探方式分為兩種：回溯方式和圖搜索方式回溯方式和圖搜索

29、方式。 回溯方式：應(yīng)用規(guī)則后遇到規(guī)定的情況時(shí)，返回到最回溯方式：應(yīng)用規(guī)則后遇到規(guī)定的情況時(shí)，返回到最近的近的回溯點(diǎn)回溯點(diǎn)（無(wú)特殊規(guī)定時(shí)，最近的上一狀態(tài)即是回（無(wú)特殊規(guī)定時(shí)，最近的上一狀態(tài)即是回溯點(diǎn)），從那里改選另外一條可應(yīng)用規(guī)則。溯點(diǎn)），從那里改選另外一條可應(yīng)用規(guī)則。2 2）試探方式）試探方式 對(duì)八數(shù)碼問(wèn)題而言，在對(duì)八數(shù)碼問(wèn)題而言，在3 3種情況下應(yīng)考慮回溯：種情況下應(yīng)考慮回溯： 新生成的狀態(tài)在通向目標(biāo)的路徑上已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)；新生成的狀態(tài)在通向目標(biāo)的路徑上已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)； 從初始狀態(tài)開(kāi)始，在應(yīng)用了指定數(shù)目的規(guī)則后，仍沒(méi)有找到從初始狀態(tài)開(kāi)始，在應(yīng)用了指定數(shù)目的規(guī)則后，仍沒(méi)有找到目標(biāo)狀態(tài)；目標(biāo)狀態(tài)； 對(duì)當(dāng)

30、前狀態(tài)，再?zèng)]有可應(yīng)用規(guī)則。對(duì)當(dāng)前狀態(tài)，再?zèng)]有可應(yīng)用規(guī)則。 假如規(guī)定的搜索深度為假如規(guī)定的搜索深度為6 6層（表現(xiàn)為：應(yīng)用了第層（表現(xiàn)為：應(yīng)用了第6 6條規(guī)則之后得到條規(guī)則之后得到的狀態(tài)仍然不是目標(biāo)狀態(tài)），回溯策略應(yīng)用于八數(shù)碼游戲時(shí)的一的狀態(tài)仍然不是目標(biāo)狀態(tài)），回溯策略應(yīng)用于八數(shù)碼游戲時(shí)的一部分搜索圖如圖部分搜索圖如圖2-52-5所示所示2 8 31 6 47 51 1左、上、右左、上、右同狀態(tài)同狀態(tài)4 4，回溯到上，回溯到上一步，到狀態(tài)一步，到狀態(tài)5 52 22 8 31 6 4 7 5上、右上、右左左2 8 3 6 41 7 53 3上、右、下上、右、下上上 8 32 6 41 7 54 4

31、右、下右、下上上8 32 6 41 7 55 5左、右、下左、右、下右右 8 32 6 41 7 56 6左左同狀態(tài)同狀態(tài)5 5，回溯到，回溯到上一步，到狀態(tài)上一步，到狀態(tài)6 68 32 6 41 7 57 7左左8 3 42 6 1 7 57 7下用了用了6 6條規(guī)則，未找條規(guī)則，未找到解，回溯到上一到解，回溯到上一步，到狀態(tài)步，到狀態(tài) 6 6狀態(tài)狀態(tài)6 6的所有規(guī)則的所有規(guī)則用完，回溯到上一用完，回溯到上一步，到狀態(tài)步，到狀態(tài) 5 58 3 2 6 41 7 56 6左、下左、下右右8 6 3 2 41 7 57 7左左（1 1）（1 1）（2 2）（3 3）8 6 32 41 7 56

32、6左、上、右、下左、上、右、下下下（2 2）圖圖2-5 2-5 利用回溯策略的部分搜索圖利用回溯策略的部分搜索圖 圖搜索方式圖搜索方式: : 對(duì)任一狀態(tài)，應(yīng)用其所有可應(yīng)用規(guī)則，并把狀態(tài)變對(duì)任一狀態(tài)，應(yīng)用其所有可應(yīng)用規(guī)則，并把狀態(tài)變化過(guò)程用圖結(jié)構(gòu)記錄下來(lái)，一直到得到解為止。圖搜索策略求解化過(guò)程用圖結(jié)構(gòu)記錄下來(lái)，一直到得到解為止。圖搜索策略求解問(wèn)題是一種窮舉方式。問(wèn)題是一種窮舉方式。 圖搜索方式下，求得一條解路徑需要搜索問(wèn)題的整個(gè)求解空間。圖搜索方式下，求得一條解路徑需要搜索問(wèn)題的整個(gè)求解空間。 對(duì)于狀態(tài)空間較大的問(wèn)題，需要對(duì)于狀態(tài)空間較大的問(wèn)題，需要利用與問(wèn)題有關(guān)的知識(shí)引導(dǎo)規(guī)則的選擇利用與問(wèn)題有

33、關(guān)的知識(shí)引導(dǎo)規(guī)則的選擇，以便在較窄的空間內(nèi)找到問(wèn)題的解。搜索過(guò)程中利用應(yīng)用問(wèn)題相關(guān)知識(shí)對(duì)以便在較窄的空間內(nèi)找到問(wèn)題的解。搜索過(guò)程中利用應(yīng)用問(wèn)題相關(guān)知識(shí)對(duì)規(guī)則進(jìn)行選擇的搜索，稱為啟發(fā)式圖搜索。規(guī)則進(jìn)行選擇的搜索，稱為啟發(fā)式圖搜索。圖圖2-6 2-6 八數(shù)碼游戲的部分搜索樹(shù)八數(shù)碼游戲的部分搜索樹(shù) 圖圖2-72-7是是5 5個(gè)城市旅行商問(wèn)題的地圖，個(gè)城市旅行商問(wèn)題的地圖， 求從求從A A出發(fā)經(jīng)出發(fā)經(jīng)B B、C C、D D、E E再回到再回到A A的最短的最短路徑。路徑。問(wèn)題的表示：若每個(gè)城市用一個(gè)字母表問(wèn)題的表示：若每個(gè)城市用一個(gè)字母表示，則綜合數(shù)據(jù)庫(kù)可用字母組成的表或示，則綜合數(shù)據(jù)庫(kù)可用字母組成的

34、表或字符串來(lái)表示，如（字符串來(lái)表示，如（A A）表示初始狀態(tài)，）表示初始狀態(tài)，（A A* * * * *A A）表示目標(biāo)狀態(tài)，（）表示目標(biāo)狀態(tài)，（A A* * *）表）表示訪問(wèn)兩個(gè)城市后的當(dāng)前狀態(tài)。示訪問(wèn)兩個(gè)城市后的當(dāng)前狀態(tài)。啟發(fā)式圖搜索例：?jiǎn)l(fā)式圖搜索例：?jiǎn)栴}：旅行商問(wèn)題。一個(gè)推銷員要到幾個(gè)城市辦理業(yè)務(wù)，城市間里程數(shù)已知。問(wèn)題：旅行商問(wèn)題。一個(gè)推銷員要到幾個(gè)城市辦理業(yè)務(wù)，城市間里程數(shù)已知。求：從某個(gè)城市出發(fā)，每個(gè)城市只允許訪問(wèn)一次，最后回到出發(fā)城市的最短求：從某個(gè)城市出發(fā)，每個(gè)城市只允許訪問(wèn)一次，最后回到出發(fā)城市的最短距離環(huán)路。距離環(huán)路。圖圖2-7 2-7 旅行商問(wèn)題的地圖旅行商問(wèn)題的地圖

35、規(guī)則集：規(guī)則集：1 1）下一步走向城市）下一步走向城市A A；2 2）下）下一步走向城市一步走向城市B B；， 5 5）下一步走）下一步走向城市向城市E E；問(wèn)題的約束：?jiǎn)栴}的約束： 不可以重復(fù)經(jīng)過(guò)同一城市；不可以重復(fù)經(jīng)過(guò)同一城市； 在沒(méi)有轉(zhuǎn)完所有城市時(shí)，不能走向起在沒(méi)有轉(zhuǎn)完所有城市時(shí)，不能走向起點(diǎn)城市點(diǎn)城市A A。引導(dǎo)策略：每次走向離得最近的城市引導(dǎo)策略：每次走向離得最近的城市。圖圖2-82-8表示求解該問(wèn)題時(shí)，用啟發(fā)式圖表示求解該問(wèn)題時(shí)，用啟發(fā)式圖搜索控制方式生成的搜索樹(shù)。搜索控制方式生成的搜索樹(shù)。初態(tài)初態(tài)（A）B、C、D、E710613（AB）（AC） B、D、E（AD）（AE）10（A

36、CDEB） A7（ACDEBA） 目標(biāo)目標(biāo)圖圖2-8 2-8 用啟發(fā)式圖搜索生成的搜索樹(shù)用啟發(fā)式圖搜索生成的搜索樹(shù)5（ACD） B、E（ACB） （ACE） 796（ACDE） BACDB10三種控制方式有不同的特點(diǎn)：三種控制方式有不同的特點(diǎn)： 不可撤回方式沿著單獨(dú)的一條路徑延伸搜索；不可撤回方式沿著單獨(dú)的一條路徑延伸搜索； 回溯方式保留部分搜索樹(shù)結(jié)構(gòu)，只記錄當(dāng)前工作的一條回溯方式保留部分搜索樹(shù)結(jié)構(gòu)，只記錄當(dāng)前工作的一條路徑，回溯操作對(duì)當(dāng)前工作路徑進(jìn)行修正；路徑，回溯操作對(duì)當(dāng)前工作路徑進(jìn)行修正； 圖搜索方式記錄完整的搜索樹(shù)。圖搜索方式記錄完整的搜索樹(shù)。2.42.4 正向、逆向、雙向產(chǎn)生式系統(tǒng)正向、逆向、雙向產(chǎn)生式系統(tǒng) 正向產(chǎn)生式