[论文解读] The Myth of Modularity in Rule-Based Systems

David Heckerman, Eric Horvitz|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2013

Multi-Agent Systems and Negotiation参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文挑战了人们普遍认为基于规则的系统在不确定性下的合理推理中本质上具有模块性的观点。它区分了句法模块性（规则的结构独立性）与语义模块性（独立推理的有效性），表明尽管基于规则的系统在句法上是模块化的，但在 MYCIN 确信因子模型下，由于对规则独立性的强约束，其语义模块性很少能实现。本文提出放松语义模块性，以使其在实际的不确定性推理系统中可行。

ABSTRACT

In this paper, we examine the concept of modularity, an often cited advantage of the ruled-based representation methodology. We argue that the notion of modularity consists of two distinct concepts which we call syntactic modularity and semantic modularity. We argue that when reasoning under certainty, it is reasonable to regard the rule-based approach as both syntactically and semantically modular. However, we argue that in the case of plausible reasoning, rules are syntactically modular but are rarely semantically modular. To illustrate this point, we examine a particular approach for managing uncertainty in rule-based systems called the MYCIN certainty factor model. We formally define the concept of semantic modularity with respect to the certainty factor model and discuss logical consequences of the definition. We show that the assumption of semantic modularity imposes strong restrictions on rules in a knowledge base. We argue that such restrictions are rarely valid in practical applications. Finally, we suggest how the concept of semantic modularity can be relaxed in a manner that makes it appropriate for plausible reasoning.

研究动机与目标

• 检验模块性作为基于规则系统在不确定性推理中核心优势的有效性。
• 澄清句法模块性（结构独立性）与语义模块性（独立推理有效性）之间的区别。
• 研究语义模块性在类比推理中是否成立，特别是在 MYCIN 确信因子模型中。
• 识别语义模块性施加的强约束，并论证这些约束在实践中很少被满足。
• 提出一种适合实际不确定性推理应用的语义模块性松弛形式。

提出的方法

• 在 MYCIN 确信因子模型的背景下，使用概率推理原则，形式化定义语义模块性。
• 分析语义模块性在基于规则系统中成立所需的形式逻辑与数学约束。
• 利用确信因子模型，证明语义模块性对规则独立性施加了限制性假设。
• 提出一种语义模块性的松弛形式，以在保留有用推理特性的同时，允许实际的规则交互。
• 通过形式分析和 MYCIN 系统中的实例，阐明其理论与实际影响。
• 评估在不确定性推理系统中，模块性、表达力与正确性之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 MYCIN 确信因子模型下，基于规则系统中语义模块性能在多大程度上可实现？
• RQ2 规则必须满足哪些形式约束，才能在类比推理中确保语义模块性？
• RQ3 为何语义模块性的约束在现实应用中很少被满足？
• RQ4 如何在不损害推理完整性的前提下，有意义地放松语义模块性？
• RQ5 句法模块性与语义模块性对不确定性推理系统设计有何影响？

主要发现

• 在 MYCIN 确信因子模型下，基于规则系统的语义模块性要求强独立性假设，而这些假设在实践中很少成立。
• 语义模块性的假设对规则交互施加了数学约束，这些约束对大多数现实世界知识库而言过于严格。
• 句法模块性——即规则在结构上相互独立——是可实现且有用的，但并不能保证语义独立性。
• 本文证明，以保持语义模块性的方式组合规则在实践中往往不可行，原因在于确信因子中的非线性交互。
• 提出了一种语义模块性的松弛形式，允许实际的规则交互，同时保持合理的推理行为。
• 研究结果表明，基于规则系统的感知模块性在不确定性推理背景下往往是虚幻的，从而削弱了其被广泛使用的关键理由。