JP2701442B2 - ファジィ表現による知識ベースを持つエキスパートシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、専門家の知識を計算機によって利用するエ
キスパートシステムに関するものである。

従来の技術 近年、人工知能や知識工学分野の発展にともなって、
専門家の知識を計算機に記憶させ、各種故障診断、意識
決定支援、設計支援などを行うエキスパートシステムが
さかんに開発されている。エキスパートシステムは専門
家が知識を用いて、推論を行うと同様に、各種のシステ
ムのプロセスを推論により実行し、利用者の必要とする
情報を得ることができる。推論には大きくわけて、２種
類の推論がある。多値論理を用いるファジィ推論と、従
来からの二値論理による推論である。ファジィ推論は数
字モデルが記述できないような複雑な対象において、人
間が従来の経験から持っている専門的な知識をあいまい
な表現を許すメンバーシップ関数を用いて、「IF〜THEN
…」形式のプロダクションルールで表現し、計算機で推
論を実行するものである。また、従来のエキスパートシ
ステムで用いられている二値論理の推論とは人間の持っ
ているあいまいな表現を用いずにプロダクションルール
を形成し、事実の情報がルールに「合致する」か、「合
致しない」かの二値論理を用いて、推論を実行するもの
である。

以下、従来のシステム構成を示す第５図、知識ベース
の説明図である第６図及びシステムの動作方法のフロー
チャートである第７図を参考にして従来の二値論理によ
る前向き推論型のエキスパートシステムについて説明す
る。

第５図において、51は知識ベースのプロダクションル
ールに専門知識を、または推論の過程でシステム側から
の質問に対して回答を入力するための入力装置、52は入
力装置51からの入力値、及びシステムからの質問、推論
の途中結果、最終結果、および知識を編集するために用
いる表示装置、53は知識ベースのデータを編集するため
のエディタ部、54は専門家による知識を計算機の内部に
蓄えるための知識ベース、55は知識ベース54からプロダ
クションルールを取り出すためのデータ管理部、56は利
用者の入力に応じた事実を解釈し、データ管理部55から
のプロダクションルールとの適合（以下、発火という）
から推論結論を導き、この結果が利用者の必要とする最
終的な結果ではなく中間的結果である場合はさらに利用
者の要求に応じて結論を導き出すための専門知識やその
知識に付随する各種のデータの提示を行う推論機構部、
57はデータ管理部55によって得られたプロダクションル
ールを取り込み、利用者からの入力値データが、発火す
るプロダクションルールを検知し、推論を行うなどの推
論機能を実行する作業領域部である。また、場合によっ
ては、これらに、例えば過去の推論結果を記憶し、以後
の推論に利用するためのデータベースを付加することも
ある。

第６図は知識ベースの一例を示す図である。知識ベー
スの内容を以下に説明する。知識ベース54は専門家の知
識を蓄積するが、通常は知識を各知識源に分割して入力
する。例えば、601は株の売買に関する知識源を示し、6
02は、ある会社（Ｂ社）への資金投資に関する知識源で
ある。知識ベースにはこの様な知識源が複数個存在して
いる。各々の知識源では複数のプロダクションルールが
蓄積されている。例えば、601では「もし、手持ちの資
金が１千万円を下回り、Ａ社の株価が800円以上に上昇
したならば、Ａ社の株を１万株売りなさい」や、「も
し、手持ちの資金がまだ１千万円以上あるならば，株を
売らない」等のルールが蓄積されている。これらのルー
ルは推論実行中に、最新の入力データとして「手持ちの
資金が800万円、Ａ社の株価が1000円に上昇した」等の
情報が利用者によって入力された場合には知識源601の
初めのプロダクションルールが発火し、次の知識源であ
る知識源Ｂが導かれる。もし、株の売買による利益が15
0万円であった場合には、知識源602の初めのプロダクシ
ョンルールが発火し、知識源Ａから知識源Ｂへの推論の
多段化により、中間結果として「Ｂ社への資金投資を50
万円とする」という決定がなされる。

以上の構成を、第７図のフローチャートを用いて、そ
の動作手順を説明する。

まず、処理71において、専門家は知識として蓄えるべ
きプロダクションルールを入力装置51から表示装置52を
見ながら入力する。この入力の際にはエディタ部53のエ
ディティング機能を用いて入力し、入力された知識デー
タは知識ベース54にその計算機の設定されたデータ書式
に従って蓄積される。処理72では専門家による知識の蓄
積が終了した後、システムの利用者は解決したい問題に
対して、表示装置52に表示されたシステム側の質問事項
に、入力装置51を用いて「はい」、「いいえ」、または
質問事項の回答を入力する。処理73では入力された利用
者のデータは作業領域部57に一次的に記憶され、推論機
構部56は知識ベース54に蓄えられている複数個のプロダ
クションルールをデータ管理部55を介して作業領域部57
に取り込む。処理74では推論機構部56が作業領域部57の
利用者の入力データに適合するプロダクションルールを
検知して、推論を行い、発火するプロダクションルール
から推論結果を導き出す。あるいは、利用者が過去の推
論過程などを問い合わせたときは、その解答を表示装置
52から利用者に表示する。処理75では結果が得られた
後、得られた推論結果が利用者の必要とする問題の最終
結果である場合には推論機構部56は最終結果として、推
論結果を表示装置52に表示するが、推論結果が中間結果
である場合には次の質問事項を利用者に表示装置52を介
して質問する。この一連の操作としての多段推論を繰り
返すことにより、利用者の求める最終的な結果を導出
し、結果を利用者に表示できる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、このような従来の方法では利用者のあ
いまいな表現に知識ベースが対応できず、利用者が知識
ベースの表現形式に合致するように知識を作成して、多
段推論を実行しなければならなかった。例えば、人間同
士ならば、「もし、手持ちの資金が約１千万以上あるな
らば，株を売らない」等のあいまいな表現を用いても、
情報のやりとりができるが、エキスパートシステムでは
「約」等のあいまいな表現は許されず、「１千万円以
上」と、確定した値を用いてルールを表記しなければな
らない。従って、手持ちの資金が999万9999円の場合に
はルールは発火しないというルールの柔軟性に欠ける問
題点があった。

また、ルール中にあいまいな表現を許す方法として、
ファジィ推論があるが、ファジィ推論を用いたエキスパ
ートシステムとして、知識ベースに複数の知識源を持
ち、通常のあいまいでないルールをも含めて、多段推論
を実行できるシステムはまだなく、あいまいな表現によ
る多段推論が実行できないという問題があった。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、従来のエキス
パートシステムでの知識に加えて、あいまいな知識をも
取り扱えるルールを形成し、ファジィ推論が可能なよう
に、そのルールから構成される知識源を知識ベースに効
率良く構築するのを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、あらかじめルール群がファジィ推論が可能
なプロダクションルールおよび通常の二値論理の推論が
可能なプロダクションルールとが混在して、複数の知識
源からなる知識ベース部に特徴を有する多段推論装置で
ある。

また、本発明は、あらかじめ定められたルール群をフ
ァジァ推論が可能なプロダクションルール群、および通
常の二値論理の推論が可能なプロダクションルール群と
の２つの群に分割して、各群が複数の知識源からなる知
識ベース部に特徴を有する多段推論装置に関する。

作用 本発明は前記した構成により、「IF〜THEN…」形式で
書かれたプロダクションルールに利用者のあいまいであ
るが、柔軟な知識を知識ベースの中に自由に記述でき、
従来のエキスパートシステムの発火型の推論だけでな
く、ファジィ推論による多段推論も可能にして、従来よ
りも人間の表現方法に合致するルール記述法を考案し、
ルール記述の柔軟性をより高めることができるファジィ
推論が可能な知識ベースを持つエキスパートシステムを
提供できる。

実施例 以下に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。第
１図は本発明の請求項１のファジィ推論の知識ベースを
持つエキスパートシステムの一実施例の構成図である。

第１図において、11は入力装置で、プロダクションル
ールを蓄積する知識ベースに知識を入力するため、また
は推論の過程でシステム側からの質問に対して回答する
ための装置。12は表示装置で、入力装置11からの入力
値、及びシステムからの質問や推論の途中結果や最終結
果、知識を表示する。13はエディタ部で、知識ベースの
データを編集する。14は知識ベース部で、ファジィ推論
が可能なプロダクションルールおよび通常の二値論理の
推論が可能なプロダクションルールとが混在し、例え
ば、知識源Ａとしての知識源141や、更には、他の知識
源Ｂとしての知識源142などを構成する。知識ベース14
は上記の知識源を複数個持つ。ただし、ファジィ推論を
行うプロダクションルールとはルールの条件部がファジ
ィ数、もしくは通常の二値論理的な表現で記述されてい
るが、結論的はファジィ数で表現されているものをい
い、通常のエキスパートシステムで実行されるプロダク
ションルールとは、ルールの条件部がファジィ数、もし
くは通常の二値論理的な表現であるが、結論部は二値論
理的なアクション表現（実行文）が記述されているもの
をいう。15はデータ管理部で、知識ベース14からファジ
ィ推論のプロダクションルール、もしくは二値論理の推
論のプロダクションルールを取り出す。16は推論機構部
で、利用者の入力に応じた事実を解釈し、データ管理部
15からのプロダクションルールとの適合から推論結論を
導き、この結果が利用者の必要とする最終的な結果では
なく中間的結果である場合には、さらに利用者の要求に
応じて結論を導き出すための専門知識やその知識に付随
する各種のデータの提示を行う。17は作業領域部で、デ
ータ管理部15によって得られたプロダクションルールを
取り込み、利用者からの入力値データに関連するプロダ
クションルールを検知し、推論作業領域171で推論を行
う。ただし、このプロダクションルールが二値論理の推
論ルールである場合には適合したルールの結論部のアク
ション表現を実行し、プロダクションルールがファジィ
推論のルールである場合には適合したルール全体の推論
結果を推論過程保持部172に蓄積する。

前記のように構成された本発明のファジィ推論が可能
な知識ベースを持つエキスパートシステムについて、以
下に、第１図と第２図を用いて更に詳しい内容を説明す
る。

１）まず、専門家は知識として蓄えるべきプロダクショ
ンルールを入力装置11から表示装置12を見ながら入力す
る。この入力の際にはエディタ部13のエディティング機
能を用いて入力し、入力された知識データは知識ベース
部14にその計算機の設定されたデータ書式に従って蓄積
される。

２）蓄積方法は各知識源で、ファジィ推論のプロダクシ
ョンルールと二値推論の推論のルールとを混在して持っ
ている。蓄積方法の一例を第２図に示す。第２図では複
数の知識源を示している。この例では、知識源Ａとして
株の売買に関する知識が蓄積されており、各知識源には
各ルールの番号、そのルールがファジィルール（Ｆ）
か、二値論理のルール（Ａ）かを示す種類、IF部の条件
を明記する前件部、THEN部の結果を明記する後件部を記
載し、更に、二値論理のルールの場合には次の推論が行
われる知識源の発生を記載する。ただし、知識源は発生
しなくても良い。ここで、ファジィルールとは後件部が
ファジィ変数で表されているルールをいい、二値論理の
ルールとは後件部がアクション表現となっているものを
いう。例えば、ルール番号１は二値論理型のルールであ
り、「もし、資金が１千万円を下回るならば、株を１万
株売り、Ａ氏へ売却連絡をする。また、推論後は投資の
知識源Ｂへ行く」ことを表している。

３）専門家による知識の蓄積が終了した後、システムの
利用者は解決したい問題に対して、表示装置12に表示さ
れたシステム側の質問事項に、入力装置11を用いて「は
い」、「いいえ」、または質問事項の回答を入力する。

４）入力された利用者のデータは作業領域部17の推論作
業領域171に一次的に記憶され、推論機構部16は知識ベ
ース14に蓄えられている複数個の知識源をデータ管理部
15を介して作業領域部17の推論作業領域171に取り込
む。

５）推論機構部16が推論作業領域171の利用者の入力デ
ータに適合するプロダクションルールを検知し、推論を
行い、発火するプロダクションルールから推論結果を導
き出す。推論形式は二値論理の推論とファジィ推論とを
同時に行い、ファジィ推論に関しては前件部がファジィ
数ではない場合にはその適合度を０もしくは１として、
全てのファジィルールを用いて、通常のファジィ推論を
行う。推論結果は推論過程保持部172に書き込む。ま
た、二値論理の推論に関しては前件部がファジィ数では
ない場合にはその適合度を０もしくは１として、例え
ば、最も適合度の高いルールを１つ実行する等により、
その最適なルールの後件部のアクション表現を実行す
る。発火した二値論理の推論のルールに知識源の発生が
あれば、次の知識源を発生させる。もし、知識源の発生
がなければ、知識源の最後のルールとして明記してある
知識源の発生を実行させる。例えば、第２図では番号10
0番に知識源の発生（NK）として、知識源Ｂを発生させ
ることが記載されてる。

ただし、次の知識源の欄が空白の場合には何の発生も
実行しない。

６）推論後、得られた結果が利用者の必要とする問題の
最終結果である場合には推論機構部16は最終結果とし
て、推論過程保持部172の内容を表示装置12に表示する
が、推論結果が中間結果である場合には次の質問事項を
利用者に表示装置12を介して質問する。この一連の操作
としての多段推論を繰り返すことにより、利用者の求め
る最終的な結果を導出し、結果を利用者に表示できる。

ただし、ここでのファジィ推論は例えば、システムと
制御、Vol.28,No.7,pp442−446（1984）に掲載の「ファ
ジィ制御」で用いられているMax−Min演算による推論等
が採用できる。

次に、本発明の請求項２のファジィ推論の知識ベース
を持つエキスパートシステムの一実施例について第３図
とともに説明する。第３図において、31は入力装置で、
プロダクションルールを蓄積する知識ベースに知識を入
力するため、または推論の過程でシステム側からの質問
に対して回答するための装置。32は表示装置で、入力装
置31からの入力値、システムからの質問、推論の途中結
果、最終結果、および知識を表示する。33はエディタ部
で、知識ベースのデータを編集する。34は知識ベース部
で、ルール群がファジィ推論が可能なプロダクションル
ールと通常の二値論理の推論が可能なエキスパートシス
テムで実行されるプロダクションルールとに分割して、
知識源を持つ。この知識源はルールの条件部はファジィ
数、もしくは通常の二値論理的な表現で記述されている
が、結論部はファジィ数で表現されているファジィ推論
知識群341と、ルールの条件部がファジィ数、もしくは
通常の二値論理的な表現であるが、結論部は二値論理的
なアクション表現で記述されている二値論理推論知識群
342から構成されている。

また、各知識群はファジィ推論知識群ならば、ファジ
ィ推論ルールによる知識源3411等の複数の知識源から構
成され、知識群が二値論理推論知識群ならば、二値論理
の推論ルールによる知識源3421等の複数の知識源から構
成されている。35はデータ管理部で、知識ベース34から
ファジィ推論のプロダクションルール、もしくは二値論
理の推論のプロダクションルールを取り出す。36は推論
機構部で、利用者の入力に応じた事実を解釈し、データ
管理部35からのプロダクションルールとの適合から推論
結果を導き、この結果が利用者の必要とする最終的な結
果ではなく中間的結果である場合には、さらに利用者の
要求に応じて結論を導き出すための専門知識やその知識
に付随する各種のデータの提示を示す。37は作業領域部
で、データ管理部35によって得られたプロダクションル
ールを取り込み、利用者からの入力値データに関連する
プロダクションルールを検知し、推論作業領域371で推
論を行う。ただし、このプロダクションルールが二値論
理の推論ルールである場合には適合したルールの結論部
のアクション表現を実行し、プロダクションルールがフ
ァジィ推論のルールである場合には適合したルール全体
の推論結果を推論過程保持部372に蓄積する。

次に、上記のように構成された本発明のファジィ推論
が可能な知識ベースを持つエキスパートシステムについ
て、以下に、第３図と第４図を用いて更に詳しい内容を
説明する。

１）専門家のプロダクションルールを入力装置31、表示
装置32、およびエディタ部33を用いて入力し、入力され
た知識データを知識ベース部34に設定されたデータ書式
に従って蓄積する。

２）蓄積方法はファジィ推論知識群と二値論理推論知識
群とに分割する。各知識群では複数の知識源が存在し
て、各知識源はプロダクションルールからなりたってい
る。蓄積方法の一例を第４図に示す。この例では、ファ
ジィ推論知識群では知識源Ａとしての株の売買に関する
知識が蓄積されている。各知識源には各ルールの番号、
IF部の条件を明記する前件部、THEN部の結果を明記する
後件部を記載し、更に、次の推論が行われる知識源の発
生をファジィ推論知識群では全てのルールに対して番号
NKとして１つの知識源を、二値論理推論知識群では、各
ルールに対しての知識源を記載する。

３）知識の蓄積の終了後、システムの利用者は解決した
い問題に対して、表示装置32に表示されたシステム側の
質問事項に、入力装置31を用いて質問事項の回答を入力
する。

４）入力された利用者のデータは作業領域部37の推論作
業領域371に一次的に記憶され、推論機構部36は知識ベ
ース34に蓄えられている複数個の知識源をデータ管理部
35を介して作業領域部37の推論作業領域371に取り込
む。

５）推論機構部36が推論作業領域371の利用者の入力デ
ータに適合するプロダクションルールを検知して、推論
を行い、推論結果を導き出す。推論形式は二値論理の推
論とファジィ推論とを順不同で実行する。ファジィ推論
知識群に関しては前件部がファジィ数ではない場合には
その適合度を０もしくは１として、全てのファジィルー
ルを用いて、通常のファジィ推論を行う。推論結果は推
論過程保持部372に書き込み、番号がNKと記載されてい
る命令文を実行して、知識源の発生を行う。第４図では
二値論理推論知識群（Ａ）の知識源Ａを発生させてい
る。また、二値論理推論知識群に関しては前件部がファ
ジィ数ではない場合にはその適合度を０もしくは１とし
て、例えば、最も適合度の高いルールを１つ実行する等
により、その最適なルールの後件部のアクション表現を
実行する。発火した二値論理の推論のルールに知識源の
発生があれば、次の知識源を発生させる。

６）結果が得られた後、得られた推論結果が利用者の必
要とする問題の最終結果である場合には推論機構部36は
最終結果として、推論過程保持部372の内容を表示装置3
2に表示する。推論結果が中間結果である場合には次の
質問事項を利用者に表示装置32を介して質問する。この
一連の操作としての多段推論を繰り返すことにより、利
用者の求める最終的な結果を導出し、結果を利用者に表
示できる。

前記のように、本実施例においてはシステムの利用者
があいまいな入力値を取り扱えるように、知識ベースに
ファジィ推論のプロダクションルールと、更に従来のエ
キスパートシステムでのプロダクションルールをも同時
に記載が可能としている。本発明により、人間の持つあ
いまいな表現を加味したルールの記載が可能となるの
で、利用者にとって、より人間の感性にマッチしたエキ
スパートシステムが構築できる。

なお、本実施例ではファジィ推論の演算をMax−Min演
算としたが、Min演算の代わりに代数積、限界積、激烈
積などのｔ−norm演算を、また、Max演算の代わりに代
数和、限界和、激烈和などのｔ−conorm演算を用いても
よい。

発明の効果 以上のように、本発明では利用者のあいまいな言語表
現を用いて、あいまいではあるが、柔軟な知識を知識ベ
ースの中に自由に記述できるので、従来のエキスパート
システムでの推論だけでなく、ファジィ推論による多段
推論も可能になり、従来のシステムよりも人間にとっ
て、人間の感性を表現できるシステムが構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はファジィ推論ルールと二値論理推論ルールとを
混在して持つ知識ベースを備えた第１の発明における一
実施例のファジィ推論の知識ベースを持つエキスパート
システムのブロック図、第２図は第１の発明に関する知
識ベースの一例を示す説明図、第３図はファジィ推論ル
ールと二値論理推論ルールとを分割して持つ知識ベース
を備えた第２の発明における一実施例のファジィ推論の
知識ベースを持つエキスパートシステムのブロック図、
第４図は第２の発明に関する知識ベースの一例を示す説
明図、第５図は従来の前向き推論型のエキスパートシス
テムのシステム構成図、第６図は従来の知識ベースの一
例を示す説明図、第７図は従来の前向き推論型のエキス
パートシステムの動作手順を示すフローチャートの説明
図である。 11……入力装置、12……表示装置、13……エディタ部、
14……知識ベース、141…知識源Ａ、142……知識源Ｂ、
15……データ管理部、16……推論機構部、17……作業領
域部、171……推論作業領域、172……推論過程保持部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若見 昇 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 情報処理学会 第37回（昭和63年後 期） 全国大会講演論文集 Ｐ．1461− 1462 「オートメーション」 Ｖｏｌ．33, Ｎｏ．６ （1988−６） Ｐ．17−21

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ファジィ推論のプロダクションルールと二
   値論理推論のプロダクションルールとが並列して存在す
   る知識源と，前記知識源を複数個記憶する知識ベース部
   と，前記知識ベース部から知識源を取り出し，その知識
   源のプロダクションルールにしたがって，ファジィ推論
   の実行及び二値論理推論の実行の両方を行う推論機構部
   と，外部からの入力や前記推論機構部でのファジィ推論
   や二値論理推論による推論結果を記憶する作業領域部と
   を具備し，前記知識源の少なくともひとつは，前記ファ
   ジィ推論のプロダクションルールと前記二値論理推論の
   プロダクションルールの推論結果として他の知識源での
   推論を要求しており，前記推論機構部は前記知識ベース
   部が保有する複数の知識源を用いて多段推論を行うこと
   を特徴とするエキスパートシステム。