Les systèmes à base de connaissances

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To cite this version:

Florence Le Ber, Jean Lieber, Amedeo Napoli. Les systèmes à base de connaissances. J. Akoka and I. Comyn-Wattiau. Encyclopédie de l’informatique et des systèmes d’information, Vuibert, pp.1197–

1208, 2006, 978-2-7117-4846-4. �inria-00201566�

i i

Les systèmes à base de onnaissanes

FloreneLeBer,JeanLieberetAmedeoNapoli

Mots-lés:systèmesàbasedeonnaissanes,représentationdeonnaissanes,formalismesdereprésentationdes

onnaissanes,logiques,règles,logiquesdedesriptions,raisonnement,résolutiondeproblèmes.

Résumé:Unsystèmeàbasedeonnaissaness'appuiesurdesonnaissanesrelativesàundomainedonnépour

résoudre des problèmesse posant dans e domaine.Pour onevoir un tel système, il fautmettre au point des

formalismesdereprésentationdesonnaissanesetderaisonnementquipermettentdeprendreenomptelesniveaux

syntaxiqueetsémantiquedesonnaissanesdudomaineonsidéré.Dansehapitre,laproblématiquedessystèmes

àbasedeonnaissanesesttoutd'abordintroduite,puissontdétaillésdesformalismesdereprésentationlogiques

(alulsdes propositions et prédiats), le langage Prolog,les systèmesà base de règles et enn les logiques de

desriptions.Lehapitresetermineparuntourd'horizondessystèmesderéféreneetdesdomainesd'appliation

danslesquelsilsopèrent.

Unjour,quelquepart,nousarrivonsàunar-

refour où des routes se roisent et où ne gure

auuneindiation.Plusieurssolutionspourtrou-

ver le bon hemin si tant est qu'un objetif

aitétédéidépourevoyages'orentànous:

hoisir une route au hasard, par exemple onti-

nuer tout droit oûteque oûte, quitteàretom-

bersurlemêmegenredearrefourouenoredans

un ul-de-sa (plusde route, un obstale impos-

sible à franhir), ou plutt hoisir une route en

s'appuyant surdesonnaissanes disponibles sur

ledomaine,parexempleavel'aided'uneartede

larégion,d'unguidehumainoumatériel,enrepé-

rant notrepositionpar rapportausoleilouave

uneboussole, un sextant,et. Beauoupde pro-

blèmesseprésententommeelui-i,oùils'agitde

partird'unétatinitialpouratteindreunétatnal,

enpassantparunensembled'étatsintermédiaires

qu'ilfautexploreretàpartirdesquelsilfautfaire

des hoix en fontion de onnaissanes plus ou

moinsdisponiblesetplusoumoinsomplètes.Le

nombredepossibilitésestlaplupartdutempstrès

vaste,sibienqu'iln'est pasenvisageabledehoi-

sir au hasard, sous peine de ne jamais pouvoir

résoudrele problème.La problématiquedes sys-

tèmesà basede onnaissanes repose surdetels

onstats (Stek,1995): omment proéderpour

qu'un système informatique s'appuyant sur des

onnaissanespuisserésoudredesproblèmesdans

undomainedonné?Celarevient,pouruntelsys-

tème,àfairepreuved'uneertaineformed'intelli-

gene,àêtreapabledemettreen÷uvredesstra-

tégiesetà faire deshoixjudiieuxlorsque 'est

néessaire.Lesonnaissanesdont ilestquestion

pour es systèmes sont disponibles et exploitées

sousformeéletronique.Ainsi,latâheprinipale

d'unsystèmeàbasedeonnaissanesestd'exploi-

ter des onnaissanes d'un domaine pour (aider

à) résoudre un problème donné, d'identiation,

de lassiation, de reonnaissane, de diagnos-

ti,deonguration,deplaniation,et.Pouren

revenirà notrevoyageinitial, denombreux pro-

blèmes peuvent se poser en ours deroute qu'il

peuts'avérerfortutilederésoudre,omme iden-

tierun animalquivientàpasser,dangereuxou

pas, uneplanteou un hampignon quipoussent

par là, omestible ou pas, soupçonner et déte-

terl'existened'unpointd'eau,diagnostiquerune

pannedelavoitureetréparer,trouverunhemin

plusourtou pluspratique, ouenore pluslong

maisplusjoli...

1 La notion de système à base de

onnaissanes

1.1 Larésolutiondeproblèmes

Pour résoudre un problème, un être humain

raisonnegénéralement surdesonepts abstraits

quimodélisentlesobjetsdel'universduproblème,

en tire des onlusions qu'il interprète ensuite

dansetunivers.Lasimulationd'untelomporte-

mentpourunsystèmeinformatiquesedéompose

selonlesétapessuivantes(f.gure1.1):

l'abstration permet d'assoier des stru-

turesaux éléments du domaineetdu pro-

blèmeonsidéré;

les strutures sont ensuite représentées en

mahine sous forme d'expressions symbo-

liques (formules bien formées) à l'aide

d'unlangagedereprésentationdesonnais-

sanes.Parmiesexpressions,ertainessont

1

Monde réel

Univers formel

Interprétation

Représentation formelle (initiale)

Représentation formelle (finale) Procédures

d’inférence Objets/Individus/Propriétés Abstraction

Fig. 1.1 La représentation et la manipulation des onnaissanes dans un système à base de

onnaissanes.

permanentes et onstituent la mémoire à

long terme; d'autres sont temporaires et

onstituent la mémoire à ourt terme. La

mémoireà long termeontient la onnais-

sane dont dispose le système sur le do-

maineétudiéetpeutêtreonsidéréeomme

unmodèleopérationneletutilisabledudo-

maine, e qui s'appelle enore une ontolo-

gie.La mémoireàourttermeontientles

informations sur le problème partiulier à

résoudre;

lesexpressionssymboliquessontombinées

entreellespourproduire,parappliationde

règles d'inférene,denouvellesexpressions

symboliques;

les nouvelles expressions symboliques sont

interprétées dans le adre de l'univers du

problème onsidéré et apportent des élé-

mentsdesolutionauproblèmeourant.

Un système à base de onnaissanes est un

programme qui s'appuie sur le shéma i-avant

pour résoudredesproblèmes enutilisant explii-

tement desonnaissanes disponibles etstokées

sousuneformeexploitable.Danssonarhiteture

lassique, untelsystèmeomprend:(i)unebase

deonnaissanes relativesàun domained'appli-

ation, (ii) unebase defaits ontenant des faits

oudonnéesaratérisantleproblèmeourant,(iii)

unprogrammesouventappelémoteurd'inférene,

quimanipulelesbases,reherhelesonnaissanes

adéquatesetmèneunraisonnement(suited'infé-

renes)pourrésoudreleproblèmeourant.

1.2 Connaître,'estdérirepourretrouver 1

Conevoir un système à base de onnais-

sanesonsisteàmodéliserpuisàreprésenterdes

onnaissanespropresàundomaineàl'aided'un

formalismedereprésentation,puisàmanipulerles

onnaissanes par l'intermédiaire de règles d'in-

férene pour résoudreles problèmes posés (Kay-

ser, 1997). La onnaissane est alors onsidérée

omme uneentité alulable, e quipose un er-

tainnombredeproblèmespratiquesvoirephiloso-

phiques(sereporterauhapitresurla¿¿Connais-

sane¿¿),enpartiulier:

sous quelle forme doivent s'exprimer les

onnaissanes?

omment un méanisme de raisonnement

peut-ilexploiter aumieuxun ensemblede

onnaissanesforémentlimitéetomment

peut-il tirer de et ensemble toutes les

onnaissanesimpliitesqu'ilrenferme?

ommentlesonnaissanesinféréesinuent-

ellessurleomportementdusystème?

omment raisonner ave des informations

inomplètesoubruitées?

omment faire aboutir un raisonnement

alors que l'éventail des possibilités de re-

herhed'unesolutionestvirtuellementin-

ni?

Un langage de représentation des onnais-

sanes se aratérisepar une syntaxe et unesé-

mantique : les expressions du langage dérivent

d'unproédédeonstrutiondeformulesbienfor-

mées (syntaxe)etsevoientassoiéesuneséman-

tique,surlaquellereposelavaliditédesinférenes

eetuéesparlesystème.Lasémantiqueestgéné-

ralementdonnéeparunefontiond'interprétation

quimet enorrespondaneles élémentsdelare-

présentationetlesélémentsd'undomained'inter-

prétation (sémantique dénotationnelle). Lesopé-

rations demanipulationdesonnaissanes es-

sentiellement reherhe et inférene sont dé-

pendantes du formalisme de représentation lui-

même. Les onepteurs d'une base de onnais-

sanesdoiventhoisirlesunitésdeonnaissanes

du domainequ'ilfaut représenteretlesoderde

1

L'expressionestdeGastonBahelardinEssaisurlaonnaissaneapprohée,1927.

i i

L'arhitetureetlaméaniquedessystèmesdeonnaissanes 3

façonà eque labaseonstruite soit un modèle

opérationneldel'universonsidéré.

La plupartdes formalismesdereprésentation

des onnaissanes sont délaratifs : les onnais-

sanes expriment e que l'on sait, le quoi de

l'univers étudié,par opposition àun formalisme

proédural, où est expliité le omment des

hoses. L'aspet délaratif repose sur une er-

taine indépendane vis-à-vis du ontexte d'utili-

sation ilestpossible d'appréhenderles unités

deonnaissanesisolémentethaqueunitéestin-

telligiblepouretparelle-mêmeetvis-à-visdes

traitements;iln'estpasnéessairedefairetour-

ner lesystèmepour savoir equ'il renfermeet

e qu'il est enséfaire. Une éhelle des de-

grésdedélarativitédesformalismes ourantsde

représentationestproposéedans(Laurière,1987).

2 L'arhiteture et la méanique des

systèmesde onnaissanes

2.1 Lanotiondesystèmeformel

La notiondesystème formel permetd'appré-

hender la forme et le fontionnement d'un sys-

tèmeàbasedeonnaissanes.Unsystèmeformel

seomposed'unensemblenon videdesymboles,

d'unproédédeonstrutiondeformules(àpartir

dessymboles),d'unensembled'axiomes(formules

prédénies)etd'unensemblederèglesd'inférene

oudedérivation notées

α1α2...αn αn+1

,quiselisentà

partirdel'ensemblede formules α1α2...αn ^sedé-

rive la formuleαn+1^{.Une formule est un théo-}

rème si'estun axiomeoubiensielle résultede

l'appliation d'une règle d'inférene à des théo-

rèmes.Un problème général qui sepose dansle

adre d'un système formel est de savoir si une

formuleφ ^{est un théorème, e qui revient à re-}

herher l'enhaînement des dérivations (preuve

oudémonstration)quionduitdesaxiomesàφ^.

Ilestpossibled'assoieruneinterprétation

unesémantique à uneformuleφ^{,sur labase}

d'un domaine d'interprétation

∆

^{et d'une fon-}

tiond'interprétation

I

^{.La fontion} d'interpréta- tionétablituneorrespondaneentrelessymboles

deφ^{etlesélémentsde}

∆

^{,surlabase delaquelle}

sealulelavaleurquel'interprétation

I

^onfère

àφ^{(quisenoteenore}φ^{Ietquipeutêtre}

vrai

^ou

faux

^{).Ainsi,laformule}φ^{estsatisables'ilexiste}

uneinterprétation

I

^{quiluidonnelavaleur}

vrai

^.

Deplus,lorsquetouteslesformulesd'unensemble

deformules

F

^{sontvraiespourune}interprétation

I

^{, alors}

I

^{est un modèle de}

F

^{. En} partiulier, à tout formalismedereprésentation estassoié un

proédéquipermetdetesterlasatisabilitéd'une

formuleoudeonstruireunmodèled'unensemble

de formules. Les tâhes d'un système à base de

onnaissanes seramènentglobalement àvérier

lasatisabilitéd'uneformuleoud'unensemblede

formulesetàonstruirealorsunmodèleassoié.

Considéronsunsystèmeformel 2

oùl'ensemble

dessymbolesest{p,

e, u}

^{,leproédédeonstru-}

tion de formules est la onaténation des sym-

boles, où le seul axiome est

upueuu

^{et les deux}

règlesd'inférenes sont

AeB

uAeBu ^{(si uneexpression}

delaforme

AeB

^{estun théorème alors}

uAeBu

^est

unthéorème)et

AeB

AueuB ^{(siuneexpressiondela}

forme

AeB

^{estunthéorèmealors}

AueuB

^estunthéo-

rème).Ilestpossibledetesterdansesystème

formel si les formules

uupuueuuuu

^,

uupueuuuu

^et

upupueuuu

^{sont des théorèmes. La réponse est}

oui pour la première (deux arbres dedérivation

peuventêtreproduits),etnon pourlesdeuxfor-

mules suivantes, ar un théorème ne peut pas

ontenirunnombreimpairde

u

^etplusd'un

p

^.

Uneinterprétationpeutêtreassoiéeàesys-

tème formel, ave omme domaine d'interpréta-

tion ∆ ⁼ N (ensemble des entiers naturels), et une fontiond'interprétation

I

^{qui à}

u

^{fait or-}

respondre l'entier 1 (

I(u) = ”1”

^{), à}

e

^{fait or-}

respondre l'égalité (

I(e) = ”=”

^{) et à}

p

^fait

orrespondre l'addition (

I(p) = ”+”

^{). Dans e}

as, la formule

uupuueuuuu

s'interprète omme l'addition

11

+

11

=

1111

^{(à la façon des}

hiresromains).Lefaitquelaformule

upupueuuu

nesoit pasun théorème alors qu'il peutlui or-

respondreuneinterprétation,enl'ourrene

1

+

1

+

1

=

111

^{,montrequelesystèmeformelestin-}

omplet:iln'estpas possibledeprouvertoute

quiestvrai parequ'il manquedes règlesd'infé-

renepourlefaire.Leproblèmedel'inomplétude

d'unsystèmeformel estdiile àrésoudre etse

retrouveàl'identiquedansunsystèmeàbasede

onnaissanes:ilmanquedesonnaissaneset/ou

des règles d'inférenepour résoudre ertainsdes

problèmesposés.

2.2 Lesoneptsetlesontologies

Enreprésentationdesonnaissanes,leterme

ontologie fait référene à un modèle opération-

nelutilisépourdérireundomainepartiulierdu

monde réel (Fensel etal., 2003;Staab and Stu-

der, 2004). Dans et ordre d'idées, les onepts

apparaissentommedesbriquesdebasedesonto-

logies(GanteretWille, 1999):ils possèdentune

intensionquisedénitparl'ensembledesproprié-

tés aratéristiques, ou attributs, du onept et

uneextension quireouvrel'ensembledesindivi-

dusouobjetsinstanesduonept.L'intension

peuts'appréhender ommel'ensembledes ondi-

2

CetexempleesttirédelapageWebhttp://www710.univ-lyon1.fr/˜fouet/DEA/main.htmldeJ.-M.Fouet.Un systèmeformelanaloguenotéMIUestproposédans(Hofstadter,1985).

tionsnéessairesetsusantesdevantêtrevériées

par un objet pourêtre instane du onept. Les

intensionsetlesextensionssontemboîtéesensens

inversel'unedel'autre:plusunoneptestgéné-

ralplusilreouvred'individusetmoinsilreouvre

depropriétés,etréiproquement.

Pratiquement, une ontologie O ^{se présente}

ommeunsystèmeformelonstituéd'unensemble

de onepts et d'un ensemble de relations bi-

nairesspéiéespardesouplesdeonepts(D,

R)

de domaines etde odomaines, d'un ensemble

A

d'axiomes,d'unerelationdespéialisationousub-

somption notée⊑^,quiestgénéralementréexive, antisymétriqueet transitive, qui permet d'orga-

niser les onepts etles relations enune hiérar-

hie,etquiautoriselesinférenes.Enpartiulier,

C

1⊑

C

2^signieque

C

1^{estunsous-oneptde}

C

2^:

l'extensionde

C

1^{estontenuedansellede}

C

2^tan-

disquel'intensionde

C

1^{ontientellede}

C

2^.Ilest

possiblealorsd'inférerqu'unindividuestinstane

d'un ertain onept ou qu'un onept partage

ertaines propriétés ave un autre onept. Sui-

vant e shéma, unebase deonnaissanes s'ap-

puie sur un ouple onstitué d'une ontologie et

d'unebase d'assertionsoudefaits(danslesquels

interviennent les individus). Ainsi, une base de

onnaissanes ontient des unités de formes et

de niveaux d'abstration diérents, omme par

exemple des onepts, des instanes, mais aussi

des règles manipulant des faits, des stratégies

(heuristiques)exprimantlafaçondeseservirdes

onnaissanesdelabase.

Les ontologies ont une plae d'importane

roissante dans des domaines omme la gestion

desonnaissanes,lessystèmesoopératifs,l'inté-

grationetlareherhed'information,leommere

életroniqueetbiensûrleWebsémantique(sere-

porterauhapitresurle¿¿Websémantique¿¿).

Lesontologiessontappeléesàjouerlàunrlelé

enétablissantuneterminologieommuneentreles

agentslogiielsethumainsquipeuventainsi

partagerlamêmesémantiquesurles oneptset

lesrelationsmanipulés.Lesontologiessontégale-

mentau÷urdelagestiondesonnaissanes,où,

àl'imagedelagestiondebasesdedonnées,ene

sont plus simplement des données (syntaxiques)

maisdesonnaissanes (muniesd'unesyntaxeet

d'une sémantique)qui sont onsidérées etmani-

pulées.

Toutefois,lesobjetsduquotidienobéissentra-

rementàdesloisrigoureuses,ommelesêtreshu-

mains etauontrairedes objetsmathématiques.

Intégrerlesdiérentesnaturesdesobjetsduquo-

tidiendansunformalismedereprésentationpose

desproblèmesdiilesàrésoudreommelarepré-

sentation demodalités(statutetdegré devérité

des informations), la représentation de onnais-

sanestypiquesetexeptionnelles,lareprésenta-

tiondeonnaissanesinomplètes,évolutives,in-

terdépendantes, et. Ainsi, de nombreux forma-

lismes de représentation etde raisonnement ont

étémisaupoint pourprendreenompteles na-

turesdiversesetvariéesdesonnaissanes(Haton

et al., 1991). Quelques-uns de es formalismes,

parmi les plus ouramment utilisés, les logiques

des propositionsetdes prédiats,lelangagePro-

log,lesrèglesdeprodutionetleslogiquesdedes-

riptions, sontdétaillés dansles paragraphesqui

suivent.Ilexistebiensûrd'autresformalismesde

représentation, qu'il n'est paspossible de traiter

iifautedeplae,ommeparexemplelesgraphes

oneptuels(Sowa,1984)oulesreprésentationsde

onnaissanesparobjets(Duournauetal,1998).

Leleteururieux ouintéressé peutserapporter

auxdeuxlivresréférenés.

2.3 L'ingénierie et la gestion des onnais-

sanes

L'ingénierie d'unsystème àbase de onnais-

saness'appuiesurunensembled'opérationsqui

se retrouvent dans laoneption de tout logiiel

d'envergure:

initialisationetmodélisation:esétapesre-

ouvrent la spéiation d'un modèle des

élémentsdu domaineà représenter et une

miseen÷uvredumodèledudomaine;des

méthodologies de modélisation telles que

kads ou ommon kads ont été mises au

point pour es besoins (Shreiber et al.,

1999);

représentationetranement:esétapesre-

ouvrentlaphasedereprésentationpropre-

mentdite,lehoixd'unlangagedereprésen-

tation,l'implantationdumodèleetlera-

nementdumodèleaprèslespremièresopé-

rationsdetest;

évaluation : ette étape suit et omplète

l'utilisation du systèmeà base deonnais-

sanes dans des appliations et reouvre

lamiseenplaed'environnementslogiiels

adaptésauxbesoinsspéiques etl'évalua-

tiondufontionnementdusystèmedansla

pratique;

maintenane : les onnaissanes évoluent,

les modes de raisonnement aussi, e qui

faitévoluerd'autantlaspéiationdusys-

tème,quidoitêtremisàjourpourgarantir

laohéreneetlaompatibilitédesonnais-

sanes, aniennesetnouvelles;

diusion : les onnaissanes doivent être

partagées et transmises si besoin est sous

une forme opérationnelle : 'est là un des

fondamentauxdelaoneption desontolo-

giesetdondesbasesdeonnaissanes.Le

fait que les onnaissanes soient odées à

l'aide d'unlangage dereprésentation muni