Система рассуждения

В повседневном языке практически любую компьютерную систему можно назвать системой рассуждения, поскольку все они автоматизируют различные виды логики или принятия решений. Однако в профессиональной лексике в области информационных технологий этот термин обычно применяется к более сложным системам рассуждения. К примеру, вычисление налога с продаж или скидки покупателя относится к более простым видам рассуждения, в то время как логический вывод при медицинской диагностике или доказательстве математической теоремы требует более сложных методов. Системы рассуждения могут работать в двух режимах: интерактивном и пакетном. Интерактивные системы взаимодействуют с пользователем, задавая уточняющие вопросы и позволяя пользователю направлять процесс рассуждения. Пакетные системы получают всю имеющуюся информацию сразу и выдают наилучший возможный ответ без участия пользователя^[1].

Системы рассуждения находят широкое применение — от планирования и обработки бизнес-правил, до решения задач, аналитики событий, обнаружения вторжений, прогнозирования, робототехники, компьютерного зрения и обработки естественного языка.

Первые системы рассуждения появились как автоматические доказатели теорем — системы, представляющие аксиомы и утверждения в логике первого порядка и выводящие новые утверждения по правилам логики, например, по модусу поненс. Другим ранним типом были обобщённые решатели задач, такие как Обобщённый решатель задач, разработанный Ньюэллом и Саймоном. Обобщённые решатели задач предоставляли общий механизм поиска решения для структурированных проблем, разбивая их на подзадачи и объединяя частичные решения в итоговый ответ. Примером подобных систем также является семейство SOAR.

На практике автоматические доказатели теорем и обобщённые решатели задач редко применялись для решения прикладных задач, требовали специальных знаний и навыков работы с логикой. Первым практически применимым результатом исследований по автоматизированному рассуждению стали экспертные системы. Они фокусировались на достаточно узких предметных областях, например: медицинская диагностика или поиск неисправностей в авиационной технике. Экспертные системы ограничивались относительно простым набором логических правил, чаще всего реализованных в виде правил вида «ЕСЛИ — ТО». Такое ограничение и специализация позволили добиться высокой производительности и сделать системы рассуждения практичными. Для автоматизированного рассуждения в экспертных системах применялись так называемые инференсные механизмы, тогда как для более общего логического вывода — автоматические доказатели теорем^[2].

С ростом популярности экспертных систем появлялись новые методы автоматического рассуждения для решения разнообразных задач в промышленности и государственном управлении. Некоторые подходы, например, кейс-базированное рассуждение, выросли из исследований по экспертным системам. Другие, например, алгоритмы удовлетворения ограничений, испытали влияние со стороны методов принятия решений и математического программирования. Существуют также принципиально другие подходы, основанные не на символических, а на коннекционистских (нейронных) моделях, эффективно применяемые для распознавания образов и сигналов, например, при поиске текста или сопоставлении лиц.

Понятие «система рассуждения» может охватывать практически любые сложные системы поддержки принятия решений, как это иллюстрируют примеры ниже. Тем не менее, чаще всего под этим термином понимают компьютерные реализации логики. Различные реализации отличаются по степени формализации, типу применяемой логики и другим параметрам. Большинство систем рассуждения реализуют различные варианты пропозициональной и символической (предикатной) логики. Иногда это строгие математические модели (например, логика первого порядка), иногда — расширенные или гибридные версии этих моделей (например, вежливая логика^[3]). Системы рассуждения могут явно реализовывать дополнительные виды логики (например, модальную, деонтическую, темпоральную). Однако многие системы прибегают к неточным или полуформальным приближённым моделям известных логик, поддерживая как процедурные, так и полу-декларативные методы для моделирования различных стратегий рассуждений. Для этих систем важнее практичность, чем строгость, поэтому они часто используют модифицированные или расширенные механизмы.

Многие системы рассуждения реализуют дедуктивное рассуждение, позволяющее делать логические выводы на основе имеющихся знаний. Инференсные механизмы поддерживают как прямой (forward reasoning), так и обратный (backward reasoning) вывод через модус поненс. Методы, основанные на рекурсии, чаще всего называют 'прямым цепированием' и 'обратным цепированием' соответственно. Хотя наиболее широко распространено дедуктивное рассуждение, в отдельных случаях используются абдуктивное, индуктивное, опровержимое рассуждение и другие методы. Для поиска приемлемых решений в сложных задачах могут использоваться эвристические методы.

Системы рассуждения могут базироваться на принципе замкнутого мира (CWA) либо на принципе открытого мира (OWA). OWA часто применяется при представлении знаний в онтологиях и используется, в частности, в семантической паутине. В разных системах используются различные подходы к отрицанию: помимо обычного логического или побитового отрицания, реализуются сильные и слабые формы отрицания, включая отрицание как неудача и 'инфляционное' отрицание (негирование негрунтовых атомов). Также системы могут поддерживать монотонное и немонотонное рассуждение, стратификацию и иные логические техники.

Многие системы рассуждения поддерживают рассуждение при неопределённости. Это особенно важно при построении распределённых рассуждающих агентов, которым приходится работать с неполными или неопределёнными знаниями об окружающем мире. Существует несколько распространённых подходов к учёту неопределённости: коэффициенты уверенности, вероятностные методы (например, байесовский вывод или теория Демпстера — Шефера), многозначная (нечёткая логика) логика и различные коннекционистские подходы^[4].

В этом разделе приведена неполная и неформальная классификация наиболее распространённых типов систем рассуждения. Эти категории частично перекрываются между собой и используют многие общие методы и алгоритмы.