黑板系統(tǒng)介紹

1.黑板模型介紹黑板系統(tǒng)作為分布式人工智能的先驅(qū)，其研究和應(yīng)用正在不 斷 地 深 入 。 黑 板 系 統(tǒng) 是 在 抽 象 與 總 結(jié) 語(yǔ) 言 理 解 系 統(tǒng)HEARSAY-II的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，適合于解決復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化的問(wèn)題，能在求解過(guò)程中綜合運(yùn)用多種不同知識(shí)源，使得問(wèn)題的表達(dá)、組織和求解變得比較容易。黑板系統(tǒng)是一種問(wèn)題求解模型，是組織推理步驟、控制狀態(tài)數(shù)據(jù)和問(wèn)題求解之領(lǐng)域知識(shí)的概念框架。它將問(wèn)題的解空間組織成一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用相關(guān)的分級(jí)結(jié)構(gòu)。分級(jí)結(jié)構(gòu)的每一層信息由一個(gè)惟一的詞匯來(lái)描述，它代表了問(wèn)題的部分解。領(lǐng)域相關(guān)的知識(shí)被分成獨(dú)立的知識(shí)模塊，它將某一層次中的信息轉(zhuǎn)換成同層或相鄰層的信息。各種應(yīng)用通過(guò)不同知識(shí)表達(dá)方法、推理框架和控制機(jī)制的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。影響黑板系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大因素是應(yīng)用問(wèn)題本身的特性，但是支撐應(yīng)用程序的黑板體系結(jié)構(gòu)有許多相似的特征和構(gòu)件。對(duì)于特定應(yīng)用問(wèn)題，黑板系統(tǒng)可通過(guò)選取各種黑板、知識(shí)源和控制模塊的構(gòu)件來(lái)設(shè)計(jì)；也可以利用預(yù)先定制的黑板體系結(jié)構(gòu)的編程環(huán)境，比如，TRICERO和 PROTEAN分別在 AGE與 BB1之上建造。1.1黑板系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1)黑板結(jié)構(gòu)黑板是一個(gè)存放問(wèn)題求解狀態(tài)數(shù)據(jù)的全局存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，由輸入數(shù)據(jù)、部分解、備選方案、最終解和控制數(shù)據(jù)等對(duì)象組成。它可劃分成多個(gè)子黑板，即解空間可劃分成多個(gè)分級(jí)結(jié)構(gòu)。每個(gè)分級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)的結(jié)點(diǎn)模板是預(yù)先確定的，但結(jié)點(diǎn)實(shí)例是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的。黑板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是對(duì)問(wèn)題求解方案的一種設(shè)計(jì)。黑板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先是黑板的概念設(shè)計(jì)，即確定哪些狀態(tài)變化需要記錄在黑板中，如何劃分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；其次要決定是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)地劃分黑板系統(tǒng)，黑板能否可重構(gòu)；同時(shí)，還要決定知識(shí)源及其知識(shí)的表示方法。2)知識(shí)源結(jié)構(gòu)知識(shí)源是問(wèn)題求解的領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)。每個(gè)知識(shí)源的目標(biāo)是為問(wèn)題求解提供信息，它由條件部分與動(dòng)作部分組成，可以表達(dá)為過(guò)程、規(guī)則集或邏輯命題。知識(shí)源伺機(jī)對(duì)黑板中發(fā)生的變化作出反應(yīng)。如果當(dāng)前狀態(tài)滿足知識(shí)源的條件部分，則該知識(shí)源即被觸發(fā)，執(zhí)行動(dòng)作部分，產(chǎn)生一個(gè)新的狀態(tài)。知識(shí)源設(shè)計(jì)首先是設(shè)計(jì)事件觸發(fā)機(jī)構(gòu)。知識(shí)源的激活與求解狀態(tài)相關(guān)，而不是過(guò)程相關(guān)。同時(shí)，知識(shí)源的設(shè)計(jì)必須考慮所采用的問(wèn)題求解策略。在采用搜索策略的系統(tǒng)中，動(dòng)作和條件部分是可以分別調(diào)度的實(shí)體。條件部分是一個(gè)前窺器，而動(dòng)作部分是一個(gè)生成器。在采用識(shí)別策略的系統(tǒng)中，條件部分是動(dòng)作部分適用情形的篩選器，兩者在同一個(gè)模塊中。黑板系統(tǒng)中討論的知識(shí)局限于知識(shí)源，即活動(dòng)知識(shí)，它由算法、啟發(fā)式規(guī)則組成，能將黑板的一種狀態(tài)變換成另一種狀態(tài)。其他難于用算法或規(guī)則表示的領(lǐng)域知識(shí)，如定義、分類(lèi)等“靜態(tài)”知識(shí)最好用對(duì)象、框架、或表格來(lái)表達(dá)。3）控制機(jī)制控制機(jī)制對(duì)黑板上發(fā)生的變化進(jìn)行監(jiān)控，決定下一步采取的行動(dòng)。各種類(lèi)型的信息對(duì)控制機(jī)制是全程可存取的。這些信息可以存放在黑板上或另外單獨(dú)存放?？刂菩畔⒈挥脕?lái)決定關(guān)注的焦點(diǎn)以指出下一個(gè)被處理的對(duì)象?？刂茩C(jī)制設(shè)計(jì)是黑板系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的任務(wù)，可變性最多，目標(biāo)是在恰當(dāng)?shù)纳舷挛闹羞x擇和運(yùn)用恰當(dāng)?shù)闹R(shí)源。其主要的設(shè)計(jì)可變因素體現(xiàn)在以下方面：知識(shí)源可調(diào)度的部分不同。在面向搜索的系統(tǒng)中，條件部分和動(dòng)作部分是可單獨(dú)調(diào)度的，即調(diào)度器決定是否要產(chǎn)生新的假設(shè)或是做更多的前窺。在面向識(shí)別的系統(tǒng)中，每個(gè)知識(shí)源是一個(gè)調(diào)度單位，若條件部分滿足，則動(dòng)作部分馬上被執(zhí)行。關(guān)注焦點(diǎn)的類(lèi)型不同。對(duì)于基于事件的調(diào)度，焦點(diǎn)是選擇最佳的解點(diǎn)，以此作為進(jìn)一步計(jì)算的基礎(chǔ)。因?yàn)樵谧R(shí)別系統(tǒng)中，一旦黑板中的變化被選定，知識(shí)源即可按事先規(guī)定的次序進(jìn)行處理?；谥R(shí)的調(diào)度為大多數(shù)搜索系統(tǒng)所采用，它按知識(shí)源對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的影響來(lái)選擇知識(shí)源。知識(shí)源的可調(diào)度部件是前窺評(píng)估器和解空間生成器。4）知識(shí)應(yīng)用策略系統(tǒng)求解問(wèn)題的行為由嵌入在控制模塊的知識(shí)應(yīng)用策略來(lái)決定。知識(shí)應(yīng)用策略有自底向上的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)推理，自頂向下的模型驅(qū)動(dòng)推理，或混合型的伺機(jī)推理策略。最恰當(dāng)?shù)闹R(shí)應(yīng)用策略取決于應(yīng)用問(wèn)題的特點(diǎn)和可以獲得的領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)的質(zhì)量與數(shù)量。正是由于沒(méi)有硬性規(guī)定知識(shí)應(yīng)用策略或推理方法，使得黑板系統(tǒng)成為一個(gè)非常有力與有用的工具和框架。黑板系統(tǒng)框架只是提供了構(gòu)件，其中可以應(yīng)用任何推理方法。5）搜索與識(shí)別問(wèn)題問(wèn)題求解方式可根據(jù)領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)的數(shù)量來(lái)劃分。知識(shí)匱乏系統(tǒng)必須依賴(lài)于搜索技術(shù)來(lái)求解問(wèn)題，知識(shí)豐富系統(tǒng)則可使在采用搜索技術(shù)的系統(tǒng)中，每個(gè)求解步驟都需要一個(gè)評(píng)價(jià)器來(lái)選擇一個(gè)預(yù)先窮舉的狀態(tài)。每個(gè)求解步驟包括一個(gè)算子或狀態(tài)生成，接著是評(píng)價(jià)，再接著是選擇和運(yùn)用狀態(tài)變換算子。在采用識(shí)別技術(shù)的系統(tǒng)中，必須通過(guò)掃描知識(shí)庫(kù)來(lái)選取可用于當(dāng)前狀態(tài)的知識(shí)，稱(chēng)為匹配步。每一個(gè)求解步驟包括一個(gè)匹配步，接著是運(yùn)用狀態(tài)變換算子。絕大部分專(zhuān)家系統(tǒng)是識(shí)別系統(tǒng)。用識(shí)別技術(shù)來(lái)求解問(wèn)題。6）控制知識(shí)的組織問(wèn)題領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)、元知識(shí)和控制知識(shí)是否顯式地區(qū)分開(kāi)來(lái)，是黑板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。有些系統(tǒng)在分級(jí)控制中將領(lǐng)域特有知識(shí)與運(yùn)用知識(shí)相分離。這些控制相關(guān)的知識(shí)可全程存取，控制模塊用規(guī)則的形式表示。這樣就有必要將控制相關(guān)的知識(shí)組織成獨(dú)立的控制知識(shí)源。另外，還要決定是否將控制信息集成到黑板結(jié)構(gòu)上，即以何種形式存儲(chǔ)控制數(shù)據(jù)。若控制數(shù)據(jù)單獨(dú)存放，那么控制規(guī)則的表達(dá)與處理必須區(qū)別于領(lǐng)域知識(shí)源。1.2基于黑板的多AGENT系統(tǒng)多AGENT 系統(tǒng)研究關(guān)心的是在一組可能預(yù)先已存在的自治智能AGENT間協(xié)調(diào)其智能行為，它們?nèi)绾文軈f(xié)調(diào)其知識(shí)、目標(biāo)、技能、計(jì)劃，以共同采取行動(dòng)或求解問(wèn)題。AGENT可能為單個(gè)目標(biāo)或多個(gè)既獨(dú)立又相互作用的目標(biāo)工作。AGENT必須共享關(guān)于問(wèn)題和解的知識(shí)。但是，他們也必須推測(cè)AGENT#相互間的協(xié)調(diào)過(guò)程。在多AGENT系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)的任務(wù)可以很復(fù)雜，因?yàn)榇嬖谥^開(kāi)放系統(tǒng)的情景，其中不可能有全局控制、全局一致的知識(shí)、全局共享的目標(biāo)或全局性的成功標(biāo)準(zhǔn)，甚至沒(méi)有系統(tǒng)的全局性表示。顯然通訊是多AGENT系統(tǒng)中至關(guān)重要的問(wèn)題，黑板是其中兩種基本通訊方式之一。黑板是一個(gè)用于共享知識(shí)結(jié)構(gòu)的特定AGENT，其他AGENT 可在其上張貼或讀取消息；另一種是支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的通訊方式。此兩種方式在功能上是等價(jià)的，即可以相互模擬。AGENT間的協(xié)同依賴(lài)于通訊，而不要進(jìn)行協(xié)同就完成結(jié)果計(jì)算是幾乎不可能的，問(wèn)題在于通訊開(kāi)銷(xiāo)很容易超過(guò)計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。通訊量最小化和消息完備性是影響效率的關(guān)鍵因素，應(yīng)按照低耦合高內(nèi)聚的思想，使黑板方式與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式這兩種機(jī)制充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。需深入研究的問(wèn)題有：如何確保AGENT在進(jìn)行決策