一阶逻辑中的知识工程

什么是知识工程？

在一阶逻辑中构建知识库的过程称为知识工程。在知识工程中，调查特定领域、学习该领域重要概念并生成对象形式化表示的人被称为知识工程师。

在本主题中，我们将理解电子电路领域中的知识工程过程，该领域我们已经熟悉。这种方法主要适用于创建专用知识库。

知识工程过程

知识工程是人工智能和专家系统的一个重要领域，它是一个智能计算机系统试图模仿人类专家行为的领域。对于某种数字电路，例如一位全加器，知识工程师必须首先理解电路的作用和所涉及的组件：输入 A、B 和进位输入；门（AND、OR、XOR）；以及相应的输出：和输出和进位输出。这种对知识的清晰理解必须通过一阶逻辑进行形式化。

这种形式化表示被用于自动化推理系统，以得出结论或检测不一致性，预测任何给定输入集的输出值，或用于电路设计中的故障检测。进行了各种场景来测试知识库并验证系统是否会按预期运行。

知识工程除了电路分析之外，还涉及优化和模拟设计。这确保了知识在相关领域的可重用性，并减少了人工专业知识。工程师尝试使用逻辑和规则表示对系统的理解，并模拟人类理解，以提高实时应用中的决策准确性。

知识工程在医疗诊断、机器人、金融等众多领域都有应用。其一套方法非常适合基于专家的决策应用。因此，基于知识的系统正在不断发展，因为当前的知识库可能不足，并且随着领域知识的增长，知识可以更新。为了支持知识工程师，还将协助构建基于规则的系统、本体和语义网络。

最后，知识工程旨在弥合人类专业知识和机器推理之间的鸿沟，使人工智能系统能够智能地做出决策和处理变化，同时在高度复杂的问题领域提供准确的输出。

以下是知识工程过程的一些主要步骤。通过这些步骤，我们将开发一个知识库，使我们能够对下面的数字电路（一位全加器）进行推理

1. 识别任务

该过程的第一步是识别任务，对于数字电路，有各种推理任务。

在第一级或最高级，我们将检查电路的功能

• 电路是否正确相加？
• 如果所有输入都为高电平，门 A2 的输出将是什么？

在第二级，我们将检查电路结构细节，例如

• 哪个门连接到第一个输入端子？
• 电路是否有反馈回路？

任务识别是必需的，因为它定义了知识工程过程的范围和方向。随着对功能和结构问题的清晰理解，随后进行全面的分析。功能任务询问电路是否确实正确执行了预期的操作。结构任务解决了元素的物理或逻辑位置，减少了另一种类型的设计缺陷，优化了性能，或证实了电路的行为。

这些问题还将有助于系统地记录知识，以便在人工智能训练或模拟中重复使用。这种清晰度有助于电路系统中的高效推理和智能故障排除。

2. 收集相关知识

在第二步中，我们将收集数字电路所需的相关知识。因此，对于数字电路，我们有以下所需知识

• 逻辑电路由导线和门组成。
• 信号通过导线流向门的输入端子，每个门产生相应的输出，并进一步流动。
• 在这个逻辑电路中，使用了四种类型的门：AND、OR、XOR 和 NOT。
• 所有这些门都有一个输出端子和两个输入端子（除了 NOT 门，它有一个输入端子）。

获取相关知识可确保知识库建立在准确完整的信息之上。理解信号如何传播、各个门如何操作以及事物如何连接是逻辑建模电路所必需的。除了基本门操作之外，熟悉时序、信号延迟和逻辑电平（高或低）可以更准确地建模表示。

此外，识别常见子电路，例如多路复用器或半加器，也可以用于简化复杂设计。以适合一阶逻辑的正确格式记录事实也是此步骤的一部分，这使得推理工作有效，并使人工智能系统能够对数字电路进行准确的推理。

3. 决定词汇

该过程的下一步是选择函数、谓词和常量来表示电路、端子、信号和门。首先，我们将门彼此区分开来，并与其他对象区分开来。每个门都由一个常量命名的对象表示，例如 Gate(X1)。每个门的功能由其类型决定，类型被视为常量，例如 AND、OR、XOR 或 NOT。电路将由一个谓词标识：Circuit (C1)。

对于端子，我们将使用谓词：Terminal(x)。

对于门输入，我们将使用函数 In(1, X1) 来表示门的第一个输入端子，对于输出端子，我们将使用 Out (1, X1)。

函数 Arity(c, i, j) 用于表示电路 c 有 i 个输入，j 个输出。

门之间的连接可以用谓词 Connect(Out(1, X1), In(1, X1)) 来表示。

我们使用一元谓词 On (t)，如果端子处的信号开启，则为真。

这种转换将电路的物理和逻辑结构转换为推理系统能够读取的形式化表达式。常量、谓词和函数的使用使我们能够精确地定义高级关系。例如，通过使用 In 和 Out 等函数来指示输入和输出，可以图形化地表示信号流。通过以逻辑形式表示行为、结构和连接，系统可以推断各种条件下的电路行为。

此外，这种形式化有助于自动验证、故障分析和性能评估。逻辑函数确保知识库可以以经济的方式扩展和延伸，以包含更大更复杂的数字电路。

4. 编码关于领域的一般知识

为了编码关于逻辑电路的一般知识，我们需要以下规则

• 如果两个端子连接，则它们具有相同的输入信号，可以表示为

• 每个端子处的信号将具有值 0 或 1；它将表示为

• Connect 谓词是可交换的

• 门的类型表示

• AND 门的输出为零当且仅当其任何输入为零。

• OR 门的输出为 1 当且仅当其任何输入为 1

• XOR 门的输出为 1 当且仅当其输入不同

• NOT 门的输出是其输入的反相

• 上述电路中的所有门都有两个输入和一个输出（除了 NOT 门）。

• 所有门都是逻辑电路

5. 编码问题实例的描述

现在我们编码电路 C1 的问题；首先，我们对电路及其门组件进行分类。如果已经考虑了关于问题的本体，这一步很容易。此步骤涉及编写概念实例的简单原子句子，这被称为本体。

对于给定电路 C1，我们可以将问题实例编码为以下原子句子

由于电路中有两个 XOR、两个 AND 和一个 OR 门，因此这些门的原子句子将是

1. 对于 XOR 门：Type(x1)= XOR, Type(X2) = XOR
2. 对于 AND 门：Type(A1) = AND, Type(A2)= AND
3. 对于 OR 门：Type (O1) = OR。

然后表示所有门之间的连接。

注意：本体定义了存在的本质的特定理论。

编码问题实例使系统能够使用组件的真实配置进行操作，实例化通用规则进行推理。此步骤还将抽象结构投射到真实示例电路 C1 上。它不仅指将类型映射到门，还通过 Connect 等谓词定义它们的互连。这些互连确定信号流的路径，这对于检查逻辑至关重要。

通过结构化本体，复杂的电路也可以简化为基本的逻辑原语。通过门系列和链路的连接，这种编码可以实现模拟、故障诊断和优化技术，因此它是知识工程过程的一个组成部分。

6. 向推理过程提出查询并获得答案

在此步骤中，我们将找到加法器电路所有端子的所有可能值集。第一个查询将是

电路 C1 的第一个输出为 0，第二个输出为 1 的输入组合应该是什么？

1. ∃i1, i2, i3 Signal (In(1, C1))=i1 ∧ Signal (In(2, C1))=i2 ∧ Signal (In(3, C1))= i3
2. ∧ Signal (Out(1, C1)) =0 ∧ Signal (Out(2, C1))=1

这证明了逻辑推理在知识系统中的强大功能。通过提问，我们可以做出有用的推断，例如识别导致所需输出的输入条件。对于一位全加器，有必要提出关于 A、B 和进位输入组合的问题，这些组合导致给定的和输出和进位输出用于测试和验证。

推理引擎通过所有已编程的逻辑规则和关系进行检查，以提供准确的响应。也可以进行逆向推理，其中给出输出并需要推导出输入。这种查询在电路调试、优化和构建具有预定逻辑输出的系统方面非常有用。

7. 调试知识库

现在我们将调试知识库，这是整个过程的最后一步。在此步骤中，我们将尝试调试知识库中的问题。

在知识库中，我们可能遗漏了诸如 1 ≠ 0 之类的断言。