Inferenzmaschine: Fakten und Regeln Schritt für Schritt verknüpfen

Ein wissensbasiertes System hat zwei zentrale Teile. Der erste Teil ist die Wissensbasis. Sie enthält das Fachwissen des Systems. In welcher Form das Wissen vorliegt, ist nicht festgelegt. Eine Möglichkeit sind Wenn-dann-Beziehungen, mit denen Zusammenhänge in der Welt für Computer verständlich werden. Meist pflegen Experten diese Wissensbasis.

Der zweite Teil ist die Inferenzmaschine. Das ist eine Software. Sie arbeitet mit dem Wissen der Wissensbasis und leitet daraus neue Aussagen ab. Ein Expertensystem gibt also nicht nur wieder, was gespeichert ist. Es kommt auf dieser Grundlage zu weiteren Schlussfolgerungen.

Dabei wendet die Inferenzmaschine Inferenzregeln an. Eine oft benutzte Regel ist der Modus ponens: Aus „Wenn A, dann B“ und „A“ folgt B.

Fakten, Regeln und Anfragen sind drei verschiedene Dinge. Das siehst du gut an Prolog. Prolog-Programme bestehen aus einer Datenbasis, die Fakten und Regeln umfasst. Der Benutzer formuliert dazu Anfragen. Der Prolog-Interpreter benutzt Fakten und Regeln, um systematisch eine Antwort zu finden.

Ein Fakt ist ein einzelner Eintrag, zum Beispiel mensch(gregor). Eine Regel hat die Form WENN … DANN …. Der WENN-Teil heißt Prämisse, der DANN-Teil Konklusion. Ein Beispiel: WENN Herdplatte heiß UND kein Topf auf Herd DANN schalte Herd aus. In Prolog sieht eine Regel so aus: ist_Mutter(Mutter) :- weiblich(Mutter), ist_Elternteil_von(Mutter,_). Hinter :- stehen die Bedingungen. Das Komma zwischen ihnen steht für UND.

Eine Anfrage stellst du an die Datenbasis, zum Beispiel ?- mensch(Name). Fakten und Prädikate beginnen mit Kleinbuchstaben. Variablen beginnen mit einem Großbuchstaben oder mit einem Unterstrich. Eine Variable hat zunächst keinen Wert. Das System gibt ihr während der Verarbeitung einen Wert. Das nennt man Bindung.

Eine Inferenzmaschine kann Regeln verketten. Dann nutzt sie die Folgerung einer Regel als Grundlage für die nächste. Es gibt zwei Richtungen.

Die Vorwärtsverkettung ist datengetrieben. Du startest bei bekannten Fakten. Eine Regel „WENN Fakt DANN …“ passt, und ihre Folgerung ist ein neuer Fakt. Dieser Fakt kann die Prämisse der nächsten Regel sein, und so geht es Schritt für Schritt weiter. Damit versucht man, auf Grundlage von Fakten zu einem meist noch unbekannten Ziel zu kommen.

Die Rückwärtsverkettung ist zielgetrieben. Du startest beim Ziel, das du beweisen willst. Du prüfst nur die Regeln, die dieses Ziel in der Konklusion haben. Ist in ihrer Prämisse etwas unbekannt, wird es zum Teilziel. Das System versucht dann, es aus anderen Regeln herzuleiten. Gelingt das nicht, wird der Wert vom Benutzer erfragt.

Im Beispiel unten steht der Arbeitsspeicher für die Symbole, die gerade als bekannt gelten. Beide Verfahren verlangen, dass die Aussagen als Horn-Klauseln vorliegen. Eine Horn-Klausel ist eine ODER-Verknüpfung von Literalen, von denen höchstens eines nicht verneint ist.

Manchmal antwortet Prolog auf eine Anfrage mit „No.“. Das heißt: Aus den Fakten und Regeln der Datenbasis lässt sich keine Lösung beweisen. Prolog durchsucht die Datenbasis von oben nach unten und versucht, die Anfrage mit findbaren Fakten zu beweisen. Findet es keinen, gibt es No. zurück.

Ein Fall aus einer Datenbasis mit Verwandten: In ihr stehen unter anderem weiblich(claudia). und kind(claudia,jana). Bei kind steht der Elternteil vorne, jana ist also Kind von claudia. Die Anfrage ?- neffe(claudia,A). liefert trotzdem No. Die Datenbasis enthält keinen Fakt der Form kind(X,claudia). Claudia hat also keinen eingetragenen Elternteil. Die Regel neffe braucht aber die Bedingung vollgeschwister, und die kann für Claudia nicht gelten.

Eine Regel mit Kommas gilt nur, wenn alle ihre Bedingungen erfüllt sind. Fehlt für eine Bedingung der Fakt, scheitert die Regel. Auch bei einer Anfrage mit Komma müssen beide Teile zur selben Bindung passen. In ?- ist_nachbar_von(schmidt, Nachbar), ist_nachbar_von(Nachbar,mueller). passt Nachbar = meier, weil die Fakten ist_nachbar_von(schmidt,meier) und ist_nachbar_von(meier,mueller) in der Datenbasis stehen.

Das System arbeitet mit dem, was in seiner Wissensbasis steht. Ein Expertensystem hat nur einen begrenzten Datenumfang. Meistens bekommt es nur Daten aus der direkten Umgebung des Problems. Ein Schokoriegel, der unbemerkt in einen Benzintank rutscht, ist für das Expertensystem Tankstelle kein programmierbarer Wert. Deshalb ist dieser Fall für das System nicht denkbar.

Die Abhilfe: Ergänze den fehlenden Fakt und stelle die Anfrage noch einmal. Rechne dabei nach, ob danach wirklich alle Bedingungen erfüllt sind.