广州大学人工智能原理-实验三-推理系统

广州大学学生实验报告

开课学院及实验室: 计算机科学与网络工程学院电子信息楼416   2023年12月21日

实验三  推理系统

• 实验目的

本实验课程是计算机、智能、物联网等专业学生的一门专业课程，通过实验，帮助学生更好地掌握人工智能相关概念、技术、原理、应用等；通过实验提高学生编写实验报告、总结实验结果的能力；使学生对智能程序、智能算法等有比较深入的认识。

1. 掌握人工智能中涉及的相关概念、算法；
2. 熟悉人工智能中的知识表示方法；
3. 掌握问题表示、求解及编程实现；
4. 理解谓词逻辑、子句消解的原理和应用；
5. 理解谓词逻辑、子句消解、产生式系统的结构原理与实际应用；
6. 掌握词逻辑、子句消解、产生式规则表示及规则库组建的实现方法；
7. 熟悉和掌握产生式系统的运行机制，掌握基于规则推理的基本方法。

二、基本要求

1. 实验前，复习《人工智能》课程中的有关内容。
2. 准备好实验数据。
3. 编程要独立完成，程序应加适当的注释。
4. 完成实验报告。

三、实验软件

使用C或C++（Visual studio或其它开发环境）（不限制语言使用）。

四、实验内容：

【产生式推理系统的算法原理】

以动物识别系统为例，用选定的编程语言建造规则库和综合数据库，开发能进行正确的正向推理，即从已知事实出发，通过规则库求得结论。推理过程是：

• 规则集中的规则前件与事实库中的事实进行匹配，得匹配的规则集合。
• 从匹配规则集合中选择一条规则作为使用规则。
• 执行使用规则的后件，将该使用规则的后件送入事实库中。
• 重复这个过程直至达到目标。

 1 动物分类规则集

      （1）若某动物有奶，则它是哺乳动物。

      （2）若某动物有毛发，则它是哺乳动物。

      （3）若某动物有羽毛，则它是鸟。

      （4）若某动物会飞且生蛋，则它是鸟。

      （5）若某动物是哺乳动物且有爪且有犬齿且目盯前方，则它是食肉动物。

      （6）若某动物是哺乳动物且吃肉，则它是食肉动物。

      （7）若某动物是哺乳动物且有蹄，则它是有蹄动物。

      （8）若某动物是有蹄动物且反刍食物，则它是偶蹄动物。

      （9）若某动物是食肉动物且黄褐色且有黑色条纹，则它是老虎。

      （10）若某动物是食肉动物且黄褐色且有黑色斑点，则它是金钱豹。

      （11）若某动物是有蹄动物且长腿且长脖子且黄褐色且有暗斑点，则它是长颈鹿。

      （12）若某动物是有蹄动物且白色且有黑色条纹，则它是斑马。

      （13）若某动物是鸟且不会飞且长腿且长脖子且黑白色，则它是驼鸟。

      （14）若某动物是鸟且不会飞且会游泳且黑白色，则它是企鹅。

      （15）若某动物是鸟且善飞且不怕风浪，则它是海燕。

下面是该规则集所形成的（部分）推理网络：

                           图1  动物识别系统部分推理网络

2 问题描述

 由上述动物识别规则组成规则库，推理机采用正向推理算法或反向推理算法，实现对动物的查询。

如给出初始事实：

F1：某动物有毛发

F2：吃肉

F3：黄褐色

F4：有黑色条纹

目标条件为：该动物是什么？

3 规则库扩充 (选做)

    在上述规则集(Ⅰ)基础上增加以下规则集(Ⅱ)：

（1）兔子：有毛发，有奶，善跳跃，唇裂；

（2）猫：有毛发，有奶，善捕鼠，脚有肉垫；

（3）犀牛：有毛发，有奶，鼻子上有角，褐色，皮糙肉后，皮糙肉厚，有蹄；

（4）熊猫：有毛发，有奶，黑眼圈，四肢短小；

（5）鹦鹉：鸟类，上嘴鹰钩，会模仿人说话；

（6）鸭子：鸟类，腿短，嘴扁平，善潜水游泳；

（7）鹰：鸟类，上嘴鹰钩，有爪，吃肉；

（8）鸭子：有羽毛，卵生，善游泳，嘴扁平，腿短；

（9）鹅：有羽毛，卵生，善潜水游泳，白色或黑色，颈长，嘴大，腿长，颈部有肉只凸起；

（10）鸦：有羽毛，卵生，黑色，嘴大；

（11）鹰：有羽毛，卵生，有爪，吃肉，上嘴鹰钩；

（12）鹦鹉：有羽毛，卵生，上嘴鹰钩，能模仿人说话；

（13）青蛙：卵生，生活在水中，生活在陆地，有皮肤呼吸，用肺呼吸，皮肤光滑，吃昆虫，会变色；

（14）蝾螈：卵生，生活在水中，生活在陆地，有皮肤呼吸，用肺呼吸，吃昆虫，皮肤粗糙，四肢扁，背部黑色；

（15）蟾蜍：卵生，生活在水中，生活在陆地，有皮肤呼吸，用肺呼吸，吃昆虫，皮肤粗糙；

（16）比目鱼：用鳃呼吸，身体有鳍，生活在海洋中，身体扁平，两眼在头部同侧；

（17）鲫鱼：用鳃呼吸，身体有鳍，生活在淡水中，身体扁平，头高尾部窄；

（18）蛇：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，身体圆而细长，吃小动物；

（19）壁虎：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，有四肢，尾巴细长易断，吃昆虫；

（20）乌龟：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，身体圆而扁，有坚硬的壳；

（21）玳瑁：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，壳为黄褐色，皮肤光滑，有黑斑；

（22）鳄鱼：生活在陆地，用肺呼吸，胎生，身体有鳞或甲，有四肢，善游泳，皮硬黑褐色。

要求在动物分类规则集(Ⅰ)的基础上添加上述22条知识，共构成29种动物的知识库系统，对原有动物分类系统进行扩充和修改。

五、学生实验报告要求

1 以产生式推理模式为基础，实现动物分类系统，推理方法采用正向推理或反向推理；

2 要求表示规则的语言必须能体现出规则前提和结论的对应关系，必须能体现出前提和结论中的逻辑关系；

3 要求能对规则库进行动态地增加、删除和修改操作（选做）；

4要求有用户交互，如界面等输入要查询的初始事实、推理方法、推理中用到的规则和结论。

算法设计过程

规则集

正向推理过程

实验运行结果 :

实验选做

实验完整代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>
#include <set>
#include <queue>
#include <iomanip>
#include <algorithm>
#include <string>
using namespace std;
map<string, vector<string>> inDegree;
map<string, vector<string>> outDegree;
map<string, vector<vector<string>>> preCondition;
set<string> st;
map<string, int> getNum;
map<int, string> getString;
int maxWordLength = 0;
 
/*
* 初始化 : 入度, 出度, 前提条件(多个入度推导出下一步)
*/
void init()
{
 
    vector<vector<string>> ver = {
        {"有奶", "哺乳动物"},
        {"有毛发", "哺乳动物"},
        {"有羽毛", "鸟"},
        {"会飞", "生蛋", "鸟"},
        {"哺乳动物", "有爪", "有犬齿", "目盯前方", "食肉动物"},
        {"哺乳动物","吃肉","食肉动物"},
        {"哺乳动物", "有蹄", "有蹄动物"},
        {"有蹄动物", "反刍食物", "偶蹄动物"},
        {"食肉动物", "黄褐色", "黑色条纹", "老虎"},
        {"食肉动物", "黄褐色", "黑色斑点","金钱豹"},
        {"有蹄动物", "长腿", "长脖子", "黄褐色", "暗斑点", "长颈鹿"},
        {"有蹄动物", "白色", "黑色条纹", "斑马"},
        {"鸟", "不会飞", "长腿", "长脖子", "黑白色", "驼鸟"},
        {"鸟", "不会飞", "会游泳", "黑白色", "企鹅"},
        {"鸟", "善飞", "不怕风浪", "海燕"},
 
        // 选做
        {"有毛发", "有奶", "善跳跃", "唇裂", "兔子"},
        {"有毛发", "有奶", "善捕鼠", "脚有肉垫", "猫"},
        {"有毛发", "有奶", "鼻子上有角", "褐色", "皮糙肉后", "皮糙肉厚", "有蹄", "犀牛"},
        {"有毛发", "有奶", "黑眼圈", "四肢短小", "熊猫"},
        {"鸟类", "上嘴鹰钩", "会模仿人说话", "鹦鹉"},
        {"鸟类", "腿短", "嘴扁平", "善潜水游泳", "鸭子"},
        {"鸟类", "上嘴鹰钩", "有爪", "吃肉", "鹰"},
        {"有羽毛", "卵生", "善游泳", "嘴扁平", "腿短", "鸭子"},
        {"有羽毛", "卵生", "善潜水游泳", "白色或黑色", "颈长", "嘴大", "腿长", "颈部有肉只凸起", "鹅"},
        {"有羽毛", "卵生", "黑色", "嘴大", "鸦"},
        {"有羽毛", "卵生", "有爪", "吃肉", "上嘴鹰钩", "鹰"},
        {"有羽毛", "卵生", "上嘴鹰钩", "能模仿人说话", "鹦鹉"},
        {"卵生", "生活在水中", "生活在陆地", "有皮肤呼吸", "用肺呼吸", "皮肤光滑", "吃昆虫", "会变色", "青蛙"},
        {"卵生", "生活在水中", "生活在陆地", "有皮肤呼吸", "用肺呼吸", "吃昆虫", "皮肤粗糙", "四肢扁", "背部黑色", "蝾螈"},
        {"卵生", "生活在水中", "生活在陆地", "有皮肤呼吸", "用肺呼吸", "吃昆虫", "皮肤粗糙", "蟾蜍"},
        {"用鳃呼吸", "身体有鳍", "生活在海洋中", "身体扁平", "两眼在头部同侧", "比目鱼"},
        {"用鳃呼吸", "身体有鳍", "生活在淡水中", "身体扁平", "头高尾部窄", "鲫鱼"},
        {"生活在陆地", "用肺呼吸", "胎生", "身体有鳞或甲", "身体圆而细长", "吃小动物", "蛇"},
        {"生活在陆地", "用肺呼吸", "胎生", "身体有鳞或甲", "有四肢", "尾巴细长易断", "吃昆虫", "壁虎"},
        {"生活在陆地", "用肺呼吸", "胎生", "身体有鳞或甲", "身体圆而扁", "有坚硬的壳", "乌龟"},
        {"生活在陆地", "用肺呼吸", "胎生", "身体有鳞或甲", "壳为黄褐色", "皮肤光滑", "有黑斑", "玳瑁"},
        {"生活在陆地", "用肺呼吸", "胎生", "身体有鳞或甲", "有四肢", "善游泳", "皮硬黑褐色", "鳄鱼"}
 
    };
 
    int n = ver.size();
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        int m = ver[i].size();
        string ed = ver[i][m - 1];
        vector<string> pre;
        st.insert(ver[i][m - 1]);
        maxWordLength = max(maxWordLength, (int)ver[i][m - 1].size());
        for (int j = 0; j < m - 1; j++) {
            st.insert(ver[i][j]);
            inDegree[ed].push_back(ver[i][j]);
            outDegree[ver[i][j]].push_back(ed);
            pre.push_back(ver[i][j]);
            maxWordLength = max(maxWordLength, (int)ver[i][j].size()); 
        }
 
        preCondition[ed].push_back(pre);
    }
 
    cout << "规则集合" << endl;
    for (auto [s, matrix] : preCondition) {
        for (auto ver : matrix) {
            cout << s << ":";
            for (auto s : ver) {
                cout << s << ' ';
            }
            cout << endl;
        }
    }
    cout << endl;
    cout << "入度" << endl;
    // 输出inDegree
    for (auto [s, ver] : inDegree) {
        cout << s << ":";
        for (auto s2 : ver) {
            cout << s2 << ' ';
        }
        cout << endl;
    }
    cout << endl;
    cout << "出度" << endl;
    for (auto [s, ver] : inDegree) {
        cout << s << ":";
        for (auto s2 : ver) {
            cout << s2 << ' ';
        }
        cout << endl;
    }
 
    // 单词与数字之间的映射
    int idx = 1;
    for (auto s : st) {
        getNum[s] = idx;
        getString[idx] = s;
        idx++;
    }
}
int main()
{
    // 初始化
    init();
 
    cout << endl; 
    for (auto [idx, s] : getString) {
        string idx2 = to_string(idx);
        string s2 = idx2 + "." + s;
        cout << std::left << std::setw(maxWordLength + 1) << s2<< "\t";
        if (idx % 6 == 0) {
            cout << endl;
        }
    }
    cout << "\n输入初始事实, 输入0结束" << endl;
    int idx;
    cin >> idx;
    queue<string> q;
    while (idx != 0) {
        q.push(getString[idx]);
        cin >> idx;
    }
 
    map<string, vector<string>> currentInDegree; // 当前的入度信息, 如果入度达到一定数目, 那么可以推导出来
    set<string> ans; // 出度为0的string 是答案
    // 进行正向推理
    while (q.size()) {
        string s = q.front();
        q.pop();
 
        // 查找出度
        vector<string> ver = outDegree[s];
        for (auto next : ver) {
            //入度的数目加1
            currentInDegree[next].push_back(s);
            vector<string> inDegree2 = currentInDegree[next];
            for (auto ver : preCondition[next]) {
                if (inDegree2.size() >= ver.size()) {
                    int equals = 0;
 
                    // 入度可能重复出现了两次 要去重
                    sort(inDegree2.begin(), inDegree2.end());
                    for (int i = 0; i < (int)ver.size(); i++) {
                        for (int j = 0; j < (int)inDegree2.size(); j++) {
                            if (j > 0 && inDegree2[j] == inDegree2[j - 1]) continue; // 跳过重复的
                            if (ver[i] == inDegree2[j]) {
                                equals++;
                            }
                        }
                    }
                    // 入度足够, 能够推导出下一步
                    if (equals >= (int)ver.size()) {
                        q.push(next);
                        // 出度为0, 是最终结果
                        if (outDegree[next].size() == 0) {
                            ans.insert(next);
                        }
                        break;
                    }
                }
            }
        }
 
    }
 
    if (ans.size() == 0) {
        cout << "无法推理出该动物" << endl;
    }
    else {
        cout << "经过推理, 该动物可能是" << ":";
        for (auto s : ans) {
            cout << s << ", ";
        }
        cout << endl;
    }
 
    return 0;
}
 
 
// 91 92 57 18 0 =>兔子