DS证据理论--浙大.ppt
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1、Outlinen本章的主要参考文献n证据理论的发展简况n经典证据理论n关于证据理论的理论模型解释n证据理论的实现途径证据理论的实现途径n基于DS理论的不确定性推理n计算举例计算举例1 Dempster, A. P. Upper and lower probabilities induced by a multivalued mapping. Annals of Mathematical Statistics, 1967, 38(2): 325-339. 【提出证据理论的第一篇文献】2 Dempster, A. P. Generalization of Bayesian Inference. J
2、ournal of the Royal Statistical Society. Series B 30, 1968:205-247.3 Shafer, G. A Mathematical Theory of Evidence. Princeton University Press, 1976. 【证据理论的第一本专著,标志其正式成为一门理论】4 Barnett, J. A. Computational methods for a mathematical theory of evidence. In: Proceedings of 7th International Joint Confer
3、ence on Artificial Intelligence(IJCAI-81), Vancouver, B. C., Canada, Vol. II, 1981: 868-875. 【第一篇将证据理论引入AI领域的标志性论文】本章的主要参考文献本章的主要参考文献5 Zadeh, L. A. Review of Shafers a mathematical theory of evidence. AI Magazine, 1984, 5:81-83. 【对证据理论进行质疑的经典文献之一】6 Shafer, G. Perspectives on the theory and practice
4、of belief functions. International Journal of Approximate Reasoning, 1990, 4: 323-362. 7 Shafer, G. Rejoinder to comments on “Perspectives on the theory and practice of belief functions”. International Journal of Approximate Reasoning, 1992, 6: 445-480. 8 Voorbraak, F. On the justification of Dempst
5、ers rule of combination. Artificial Intelligence, 1991, 48:171-197.9 Smets, P. The combination of evidence in the transferable model. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1990, 12(5): 447-458. 10 Smets, P, and Kennes, R. The transferable belief model. Artificial Intelligen
6、ce, 1994, 66: 191-234. 本章的主要参考文献本章的主要参考文献(续(续1)11 Voobraak, F. A computationally efficient approximation of Dempster-Shafer theory. International Journal of Man-Machine Study, 1989, 30: 525-536. 12 Dubois, D, Prade, H. Consonant approximations of belief functions. International Journal of Approximat
7、e Reasoning, 1990, 4: 279-283. 13 Tessem, B. Approximations for efficient computation in the theory of evidence. Artificial Intelligence, 1993, 61:315-329. 【注:文献10-12均为证据理论近似计算方法】14 Simard, M. A., et al. Data fusion of multiple sensors attribute information for target identity estimation using a Dem
8、pster-Shafer evidential combination algorithm. In: Proceedings of SPIE-International Society for Optical Engineering, 1996, Vol.2759: 577-588. 【提出了一种实现证据理论的“修剪算法”】本章的主要参考文献本章的主要参考文献(续(续2)15 Josang, A. The consensus operator for combining beliefs. Artificial Intelligence, 2002, 141(1-2): 157-170. 16
9、Yang, Jian-Bo, Xu, Dong-Ling. On the evidential reasoning algorithm for multiple attribute decision analysis under uncertainty. IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics Part A: Systems and Humans, 2002, 32(3): 289-304. 17 Yaghlane, B. B., et al. Belief function independence: I. The marginal
10、 case. International Journal of Approximate Reasoning, 2002, 29(1): 47-70.18 Yaghlane, B. B., et al. Belief function independence: II. The conditional case. International Journal of Approximate Reasoning, 2002, 31: 31-75. 本章的主要参考文献本章的主要参考文献(续(续3)19 段新生. 证据理论与决策、人工智能证据理论与决策、人工智能. 中国人民大学出版社, 1993. 20
11、徐从富 等. Dempster-Shafer证据推理方法理论与应用的综述证据推理方法理论与应用的综述. 模式识别与人工智能, 1999, 12(4): 424-430. 21 徐从富 等. 面向数据融合的面向数据融合的DS方法综述方法综述. 电子学报, 2001, 29(3): 393-396.22 徐从富 等. 解决证据推理中一类解决证据推理中一类“0绝对化绝对化”问题的方法问题的方法. 计算机科学, 2000, 27(5): 53-56. 23 李岳峰 等. 证据理论中的近似计算方法证据理论中的近似计算方法. 吉林大学自然科学学报, 1995, (1):28-32.24 刘大有 等. 广义
12、证据理论的解释广义证据理论的解释. 计算机学报, 1997, 20(2): 158-164.25 刘大有 等. 凸函数证据理论模型凸函数证据理论模型. 计算机研究与发展, 2000, 37(2): 175-181.本章的主要参考文献本章的主要参考文献(续(续4)26 杨莹 等. 对一种基于证据理论的不确定性处理模型的重要扩充对一种基于证据理论的不确定性处理模型的重要扩充. 计算机学报, 1990, (10): 772-778. 27 刘大有 等. 一种简化证据理论模型的研究一种简化证据理论模型的研究. 计算机研究与发展, 1999, 36(2): 134-138.28 肖人彬 等. 相关证据合
13、成方法的研究相关证据合成方法的研究. 模式识别与人工智能, 1993, 6(3): 227-234. 29 孙全 等. 一种新的基于证据理论的合成公式一种新的基于证据理论的合成公式. 电子学报, 2000, 28(8): 117-119.30 曾成, 赵保军, 何佩昆. 不完备框架下的证据组合方法不完备框架下的证据组合方法. 电子与信息学报, 2005, 27(7): 1043-1046. 31 王永庆. 人工智能原理与方法人工智能原理与方法. 西安交通大学出版社, 1998. pp. 185-197. (第5章第5.5节 “证据理论”)本章的主要参考文献本章的主要参考文献(续(续5)5.1
14、5.1 证据理论的发展简况证据理论的发展简况 1 1、证据理论的名称、证据理论的名称 证据理论(Evidential Theory) Dempster-Shafer理论 Dempster-Shafer证据理论 DS (或D-S)理论其它叫法: Dempster规则 Dempster合成规则 Dempster证据合成规则 2 2、证据理论的诞生和形成、证据理论的诞生和形成 诞生诞生:源于20世纪60年代美国哈佛大学数学家A. P. Dempster在利用上、下限概率来解决多值映射问题利用上、下限概率来解决多值映射问题方面的研究工作。自1967年起连续发表了一系列论文,标志着证据理论的正式诞生。
15、形成形成:Dempster的学生G. Shafer对证据理论做了进一步的发展,引入信任函数信任函数概念,形成了一套基于“证据”和“组合”来处理不确定性推理问题的数学方法,并于1976年出版了证据的数学理论(A Mathematical Theory of Evidence),这标志着证据理论正式成为一种处理不确定性问题的完整理论。 3 3、证据理论的核心、优点及适用领域、证据理论的核心、优点及适用领域 核心核心:Dempster合成规则合成规则,这是Dempster在研究统计问题时首先提出的,随后Shafer把它推广到更为一般的情形。 优点优点:由于在证据理论中需要的先验数据比概率推理理论中的
16、更为直观、更容易获得,再加上Dempster合成公式可以综合不同专家或数据源的知识或数据,这使得证据理论在专家系统、信息融合专家系统、信息融合等领域中得到了广泛应用。 适用领域适用领域:信息融合、专家系统、情报分析、法律案件分析、多属性决策分析,等等。 4 4、证据理论的局限性、证据理论的局限性 要求证据必须是独立的证据必须是独立的,而这有时不易满足 证据合成规则没有非常坚固的理论支持,其合理合理性和有效性还存在较大的争议性和有效性还存在较大的争议 计算上存在着潜在的指数爆炸问题指数爆炸问题 5 5、证据理论的发展概况、证据理论的发展概况 “Zadeh悖论悖论”:对证据理论的合成公式的合理性进
17、行质疑。 例子例子:利用Dempster证据合成规则对两个目击证人(W1, W2)判断某宗“谋杀案” 的三个犯罪嫌疑人(Peter, Paul, Mary)中究竟谁是真正的凶手,得到的结果(认定Paul是凶手)却违背了人的常识推理结果,Zadeh认为这样的结果无法接受。m1()m2()Peter0.990.00Paul0.010.01Mary0.000.99 专家系统专家系统MYCIN的主要开发者之一的主要开发者之一Shortliffe:对证据理论的理论模型解释和算法实现进行了研究。 AI专家专家Dubois & Prade :指出证据理论中的信任函数(Belief function)是一种模
18、糊测度,以集合论的观点研究证据的并、交、补和包含等问题。 Smets等人等人:将信任函数推广到识别框架的所有模糊子集上,提出Pignistic概率和可传递信度模型(TBM)。 粗糙集理论的创始人粗糙集理论的创始人Pawlak:认为粗糙集理论使得无限框架上的证据处理向有限框架上的证据处理的近似转化成为可能。证据理论的发展概况(证据理论的发展概况(续续1) 为了避免证据组合爆炸,提高证据合成的效率:为了避免证据组合爆炸,提高证据合成的效率: Voorbraak:提出一种Dempster证据合成公式的Bayes近似方法,使得焦元个数小于等于识别框架中元素的个数。 Dubois & Prade :提出
19、一种 “和谐近似”(Consonant approximation),即用和谐函数来代替原来的信任函数。 Tessem:提出了一种称为(k, l, x)近似方法。 Yen等人等人: 将模糊集引入证据理论。 Yen, J. Generalizing the Dempster-Shafer theory to fuzzy sets. IEEE Trans. on Systems, Man, and Cybernetics, 1990, 20(3): 559-570.】证据理论的发展概况(证据理论的发展概况(续续2) 6 6、证据理论在中国的发展情况、证据理论在中国的发展情况 段新生:段新生:在19
20、93年出版了一本专门论述证据理论的专著证据理论与决策、人工智能。【注:由于此书出版时间较早,故其内容不是很新,未能反映证据理论及其应用方面的最新成果】 刘大有等人:刘大有等人:国内较早研究证据理论的专家,并发表了一系列的论文,主要集中研究该理论的模型解释、理论扩展、近似实现等问题。 肖人彬等人:肖人彬等人:对证据的相关性及相关证据的组合问题进行了研究。 苏运霖、管纪文等人:苏运霖、管纪文等人:对证据理论与粗糙集理论进行了比较研究。 【苏运霖, 管纪文等. 证据论与约集论.软件学报,1999, 10(3): 277-282. 注:此处的“约集”即为“粗糙集”(Rough set)】 曾成等人:曾
21、成等人:研究了不完备的识别框架下的证据合成问题,并提出相应的证据合成公式。 顾伟康等人:顾伟康等人:对证据合成公式进行扩展,提出一种改进的证据合成公式。 徐从富等人:徐从富等人:1999-2001总结国内外关于证据理论及其应用的代表性文献,先后发表2篇关于证据理论及其应用的综述文章。 证据理论在中国的发展情况(证据理论在中国的发展情况(续续)5.2 5.2 经典证据理论经典证据理论 1 1、证据理论的主要特点、证据理论的主要特点 满足比Bayes概率理论更弱的条件,即不必满足概不必满足概率可加性率可加性。 具有直接表达直接表达“不确定不确定”和和“不知道不知道”的能力,这些信息表示在mass函
22、数中,并在证据合成过程中保留了这些信息。 证据理论不但允许人们将信度赋予假设空间的单个元素,而且还能赋予它的子集,这很象人类在各级抽象层很象人类在各级抽象层次上的证据收集过程次上的证据收集过程。 2 2、基本概念、基本概念 设是一个识别框架识别框架,或称假设空间假设空间。 (1)基本概率分配 基本概率分配:Basic Probability Assignment,简称BPA。在识别框架上的BPA是一个2 0, 1的函数m,称为mass函数函数。并且满足 m() = 0 且 ( )1Am A其中,使得m(A)0的A称为焦元焦元(Focal elements)。 (2)信任函数 信任函数也称信度函
23、数信度函数(Belief function)。 在识别框架上基于BPA m的信任函数定义为:( )( )BABel Am B (3)似然函数 似然函数也称似然度函数似然度函数 (Plausibility function) 。 在识别框架上基于BPA m的似然函数定义为:( )( )BAPl Am B 在证据理论中,对于识别框架 中的某个假设A,根据基本概率分配BPA分别计算出关于该假设的信任函信任函数数Bel(A)和似然函数似然函数Pl(A)组成信任区间信任区间Bel(A), Pl(A),用以表示对某个假设的确认程度。(4)信任区间“Teach us to number our days a
24、right, that we may gain a heart of wisdom.”From Psalms 90:12 3、Dempster合成规则合成规则 Dempster合成规则(Dempsters combinational rule)也称证据合成公式证据合成公式,其定义如下: 对于A,上的两个mass函数m1, m2的Dempster合成规则合成规则为:12121( )( )()BCAmmAm BmCK其中, K为归一化常数归一化常数1212( )()1( )()BCBCKm BmCm BmC 对于A,识别框架上的有限个mass函数m1, m2, ., mn的Dempster合成规则
25、合成规则为:121211221()( )()()()nnnnAAAAmmmAm Am Am AK其中,1111221122()()()1()()()nnnnAAnnAAKmAmAmAmAmAmAn个个mass函数的函数的Dempster合成规则合成规则m1()m2()m12()Peter0.990.000.00Paul0.010.011.00Mary0.000.990.00 4、Dempster合成规则计算举例合成规则计算举例 例1. “Zadeh悖论悖论” :某宗“谋杀案” 的三个犯罪嫌疑人组成了识别框架 =Peter, Paul, Mary ,目击证人(W1, W2)分别给出下表所示的BP
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