产生式系统实验（AI实验一）

1.实验目的

1.熟悉知识的表示方法
2.掌握产生式系统的运行机制
3.产生式系统推理的基本方法。

2.实验内容

运用所学知识，设计并编程实现一个小型动物识别系统，能识别虎、金钱豹、斑马、长颈鹿、鸵鸟、企鹅、信天翁等七种动物的产生式系统。
规则库：
r1： IF 该动物有毛发 THEN 该动物是哺乳动物
r2： IF 该动物有奶 THEN 该动物是哺乳动物
r3： IF 该动物有羽毛 THEN 该动物是鸟
r4： IF 该动物会飞 AND 会下蛋 THEN 该动物是鸟
r5： IF 该动物吃肉 THEN 该动物是食肉动物
r6： IF 该动物有犬齿 AND 有爪 AND 眼盯前方
THEN 该动物是食肉动物
r7： IF 该动物是哺乳动物 AND 有蹄
THEN 该动物是有蹄类动物
r 8： IF 该动物是哺乳动物 AND 是反刍动物
THEN 该动物是有蹄类动物
r9： IF 该动物是哺乳动物 AND 是食肉动物 AND 是黄褐色
AND 身上有暗斑点 THEN 该动物是金钱豹
r10：IF 该动物是哺乳动物 AND 是食肉动物 AND 是黄褐色
AND 身上有黑色条纹 THEN 该动物是虎
r11： IF 该动物是有蹄类动物 AND 有长脖子 AND 有长腿
AND 身上有暗斑点 THEN 该动物是长颈鹿
r 12：IF 该动物有蹄类动物 AND 身上有黑色条纹
THEN 该动物是斑马
r13：IF 该动物是鸟 AND 有长脖子 AND 有长腿 AND 不会飞
AND 有黑白二色 THEN 该动物是鸵鸟
r14： IF 该动物是鸟 AND 会游泳 AND 不会飞
AND 有黑白二色 THEN 该动物是企鹅
r15： IF 该动物是鸟 AND 善飞 THEN 该动物是信天翁
要求给定初始条件，能识别出是哪种动物。
比如已知初始事实存放在综合数据库中：
暗斑点，长脖子，长腿，奶，蹄
运行后得该动物是：长颈鹿

3.实验原理

产生式通常用于表示事实、规则以及它们的不确定性度量，适合于表示事实性知识和规则性知识。

确定性规则知识的产生式表示
不确定性规则知识的产生式表示
确定性事实性知识的产生式表示
不确定性事实性知识的产生式表示

产生式与谓词逻辑中的蕴含式的区别：

除逻辑蕴含外，产生式还包括各种操作、规则、变换、算子、函数等。例如，“如果炉温超过上限，则立即关闭风门”是一个产生式，但不是蕴含式。
蕴含式只能表示精确知识，而产生式不仅可以表示精确的知识，还可以表示不精确知识。蕴含式的匹配总要求是精确的。产生式匹配可以是精确的，也可以是不精确的，只要按某种算法求出的相似度落在预先指定的范围内就认为是可匹配的。

产生式的形式描述及语义——巴科斯范式BNF（backus normal form）

符号“::=”表示“定义为”；符号“|”表示“或者是”；符号“[ ]”表示“可缺省”。
产生式系统的基本结构

产生式系统

规则库：用于描述相应领域内知识的产生式集合
综合数据库：一个用于存放问题求解过程中各种当前信息的数据结构
控制系统：由一组程序组成，负责整个产生式系统的运行，实现对问题的求解。控制系统要做以下几项工作：

从规则库中选择与综合数据库中的已知事实进行匹配。
匹配成功的规则可能不止一条，进行冲突消解。
执行某一规则时，如果其右部是一个或多个结论，则把这些结论加入到综合数据库中：如果其右部是一个或多个操作，则执行这些操作。
对于不确定性知识，在执行每一条规则时还要按一定的算法计算结论的不确定性。
检查综合数据库中是否包含了最终结论，决定是否停止系统的运行
产生式表示法的特点
优点：自然性、模块性、有效性、清晰性
缺点：效率不高、不能表达结构性知识

4.解题思路

前提条件：将每一个前提条件转换为一个对应的唯一的一个数学数字

中间结论：

结论：

产生式规则转换如下：

5.Python实现

#动物识别系统
#自定义函数，判断有无重复元素
def judge_repeat(value,list=[]):for i in range(0,len(list)):if(list[i]==value):return 1else:if(i!=len(list)-1):continueelse:return 0
#自定义函数，对已经整理好的综合数据库real_list进行最终的结果判断
def judge_last(list):for i in list:if(i=='23'):for i in list:if(i=='12'):for i in list:if(i=='21'):for i in list:if(i=='13'):print("黄褐色，有斑点,哺乳类，食肉类->金钱豹\n")print("所识别的动物为金钱豹")return 0elif(i=='14'):print("黄褐色，有黑色条纹，哺乳类，食肉类->虎\n")print("所识别的动物为虎")return 0elif(i=='14'):for i in list:if(i=='24'):print("有黑色条纹，蹄类->斑马\n")print("所识别的动物为斑马")return 0   elif(i=='24'):for i in list:if(i=='13'):for i in list:if(i=='15'):for i in list:if(i=='16'):print("有斑点，有黑色条纹，长脖，蹄类->长颈鹿\n")print("所识别的动物为长颈鹿")return 0elif(i=='20'):for i in list:if(i=='22'):print("善飞，鸟类->信天翁\n")print("所识别的动物为信天翁")return 0elif(i=='22'):for i in list:if(i=='4'):for i in list:if(i=='15'):for i in list:if(i=='16'):print("不会飞，长脖，长腿，鸟类->鸵鸟\n")print("所识别的动物为鸵鸟")return 0elif(i=='4'):for i in list:if(i=='22'):for i in list:if(i=='18'):for i in list:if(i=='19'):print("不会飞，会游泳，黑白二色，鸟类->企鹅\n")print("所识别的动物企鹅")return 0else:if(list.index(i) != len(list)-1):continueelse:print("\n根据所给条件无法判断为何种动物")dict_before={'1':'有毛发','2':'产奶','3':'有羽毛','4':'不会飞','5':'会下蛋','6':'吃肉','7':'有犬齿','8':'有爪','9':'眼盯前方','10':'有蹄','11':'反刍','12':'黄褐色','13':'有斑点','14':'有黑色条纹','15':'长脖','16':'长腿','17':'不会飞','18':'会游泳','19':'黑白二色','20':'善飞','21':'哺乳类','22':'鸟类','23':'食肉类','24':'蹄类','25':'金钱豹','26':'虎','27':'长颈鹿','28':'斑马','29':'鸵鸟','30':'企鹅','31':'信天翁'}
print('''输入对应条件前面的数字:********************************************************1:有毛发  2:产奶  3:有羽毛  4:不会飞  5:会下蛋          **6:吃肉  7:有犬齿  8:有爪  9:眼盯前方  10:有蹄         **11:反刍  12:黄褐色  13:有斑点  14:有黑色条纹  15:长脖 **16:长腿  17:不会飞  18:会游泳  19:黑白二色  20:善飞   **21：哺乳类  22:鸟类  23:食肉类  24：蹄类              ***************************************************************************当输入数字0时!程序结束***************''' )
#综合数据库
list_real=[]
while(1):
#循环输入前提条件所对应的字典中的键num_real=input("请输入：")list_real.append(num_real)if(num_real=='0'):break
print("\n")
print("前提条件为：")
#输出前提条件
for i in range(0,len(list_real)-1):print(dict_before[list_real[i]],end=" ")
print("\n")
print("推理过程如下：")
#遍历综合数据库list_real中的前提条件
for i in list_real:if(i=='1'):if(judge_repeat('21',list_real)==0):list_real.append('21')print("有毛发->哺乳类")elif(i=='2'):if(judge_repeat('21',list_real)==0):list_real.append('21')print("产奶->哺乳类")elif(i=='3'):if(judge_repeat('22',list_real)==0):list_real.append('22')print("有羽毛->鸟类")else:if(list_real.index(i) !=len(list_real)-1):continueelse:break
for i in list_real:if(i=='4'):for i in list_real:if(i=='5'):if(judge_repeat('22',list_real)==0):list_real.append('22')print("不会飞，会下蛋->鸟类")elif(i=='6'):for i in list_real:if(i=='21'):if(judge_repeat('21',list_real)==0):list_real.append('21')print("食肉->哺乳类")elif(i=='7'):for i in list_real:if(i=='8'):for i in list_real:if(i=='9'):if(judge_repeat('23',list_real)==0):list_real.append('23')print("有犬齿,有爪,眼盯前方->食肉类")elif(i=='10'):for i in list_real:if(i=='21'):if(judge_repeat('24',list_real)==0):list_real.append('24')print("有蹄，哺乳类->蹄类")elif(i=='11'):for i in list_real:if(i=='21'):if(judge_repeat('24',list_real)==0):list_real.append('24')print("反刍，哺乳类->哺乳类")else:if(i !=len(list_real)-1):continueelse:breakjudge_last(list_real)

6.实验结果

7.实验分析

遇到困难是多层次映射（例如有毛与哺乳动物等效，则可以替换哺乳动物）难以解决，由于自身水平受限和时间约束，采用了暴力枚举把情况补充到了数据库中做出对应。
改进：可以使用Vector与map映射解决情况的出入