贝叶斯网络技术

藏书人摘要:贝叶斯网络是一种概率网络,它是基于概率推理的图形化网络,而贝叶斯公式则是这个概率网络的基础。贝叶斯网络是基于概率推理的数学模型,所谓概率推理就是 通过一些变量的信息来获取其他的概率信息的过程,基于概率推理的贝叶斯网络(Bayesiannetwork)是为了解决不定性和...
贝叶斯网络是一种概率网络,它是基于概率推理的图形化网络,而贝叶斯公式则是这个概率网络的基础。贝叶斯网络是基于概率推理的数学模型,所谓概率推理就是 通过一些变量的信息来获取其他的概率信息的过程,基于概率推理的贝叶斯网络(Bayesian network)是为了解决不定性和不完整性问题而提出 的,它对于解决复杂设备不确定性和关联性引起的故障有很的优势,在多个领域中获得广泛应用。 
2. 贝叶斯网络又称信度网络,是Bayes方法的扩展,目前不确定知识表达和推理领域最有效的理论模型之一。从1988年由Pearl提出 后,已知成为近几年来研究的热点.。一个贝叶斯网络是一个有向无环图(Directed Acyclic Graph,DAG),由代表变量节点及连接这 些节点有向边构成。节点代表随机变量,节点间的有向边代表了节点间的互相关系(由父节点指向其后代节点),用条件概率进行表达关系强度,没有父节点的用先 验概率进行信息表达。节点变量可以是任何问题的抽象,如:测试值,观测现象,意见征询等。适用于表达和分析不确定性和概率性的事件,应用于有条件地依赖多 种控制因素的决策,可以从不完全。不精确或不确定的知识或信息中做出推理。 
3. 贝叶斯网络建造 
贝叶斯网络的建造是一个复杂的任务,需要知识工程师和领域专家的参与。在实际中可能是反复交叉进行而不断完善的。面向设备故障诊断应用的贝叶斯网 络的建造所需要的信息来自多种渠道,如设备手册,生产过程,测试过程,维修资料以及专家经验等。首先将设备故障分为各个相互独立且完全包含的类别(各故障 类别至少应该具有可以区分的界限),然后对各个故障类别分别建造贝叶斯网络模型,需要注意的是诊断模型只在发生故障时启动,因此无需对设备正常状态建模。 通常设备故障由一个或几个原因造成的,这些原因又可能由一个或几个更低层次的原因造成。建立起网络的节点关系后,还需要进行概率估计。具体方法是假设在某 故障原因出现的情况下,估计该故障原因的各个节点的条件概率,这种局部化概率估计的方法可以大大提高效率。
贝叶斯网络具有如下特性: 
1。贝叶斯网络本身是一种不定性因果关联模型。贝叶斯网络与其他决策模型不同,它本身 
是将多元知识图解可视化的一种概率知识表达与推理模型,更为贴切地蕴含了网络节点 
变量之间的因果关系及条件相关关系。 
2。贝叶斯网络具有强大的不确定性问题处理能力。贝叶斯网络用条件概率表达各个信息要 
素之间的相关关系,能在有限的,不完整的,不确定的信息条件下进行学习和推理。 
3。贝叶斯网络能有效地进行多源信息表达与融合。贝叶斯网络可将故障诊断与维修决策 
相关的各种信息纳入网络结构中,按节点的方式统一进行处理,能有效地按信息的相关 
关系进行融合。
目前对于贝叶斯网络推理研究中提出了多种近似推理算法,主要分为两大类:基于仿真方法和基于搜索的方法。在故障诊断领域里就我们水电仿真而言,往往故障概率很小,所以一般采用搜索推理算法较适合。就一个实例而言,首先要分析使用那种算法模型: 
a.)如果该实例节点信度网络是简单的有向图结构,它的节点数目少的情况下,采用贝叶斯网络的精确推理,它包含多树传播算法,团树传播算法,图约减算法,针对实例事件进行选择恰当的算法; 
b.)如果是该实例所画出节点图形结构复杂且节点数目多,我们可采用近似推理算法去研究,具体实施起来最好能把复杂庞大的网络进行化简,然后在与精确推理相结合来考虑。

贝叶斯分类器

  贝叶斯分类器的分类原理是通过某对象的先验概率,利用贝叶斯公式计算出其后验概率,即该对象属于某一类的概率,选择具有最大后验概率的类作为该对象所属的类。目前研究较多的贝叶斯分类器主要有四种,分别是:Naive Bayes、TAN、BAN和GBN。
  贝叶斯网络是一个带有概率注释的有向无环图,图中的每一个结点均表示一个随机变量,图中两结点 间若存在着一条弧,则表示这两结点相对应的随机变量是概率相依的,反之则说明这两个随机变量是条件独立的。网络中任意一个结点X 均有一个相应的条件概率表(Conditional Probability Table,CPT),用以表示结点X 在其父结点取各可能值时的条件概率。若结点X 无父结点,则X 的CPT 为其先验概率分布。贝叶斯网络的结构及各结点的CPT 定义了网络中各变量的概率分布。
  贝叶斯分类器是用于分类的贝叶斯网络。该网络中应包含类结点C,其中C 的取值来自于类集合( c1 , c2 , ... , cm),还包含一组结点X = ( X1 , X2 , ... , Xn),表示用于分类的特征。对于贝叶斯网络分类器,若某一待分类的样本D,其分类特征值为x = ( x1 , x2 , ... , x n) ,则样本D 属于类别ci 的概率P( C = ci | X1 = x1 , X2 = x 2 , ... , Xn = x n) ,( i = 1 ,2 , ... , m) 应满足下式:
  P( C = ci | X = x) = Max{ P( C = c1 | X = x) , P( C = c2 | X = x ) , ... , P( C = cm | X = x ) }
  而由贝叶斯公式:
  P( C = ci | X = x) = P( X = x | C = ci) * P( C = ci) / P( X = x)
  其中,P( C = ci) 可由领域专家的经验得到,而P( X = x | C = ci) 和P( X = x) 的计算则较困难。
  应用贝叶斯网络分类器进行分类主要分成两阶段。第一阶段是贝叶斯网络分类器的学习,即从样本数 据中构造分类器,包括结构学习和CPT 学习;第二阶段是贝叶斯网络分类器的推理,即计算类结点的条件概率,对分类数据进行分类。这两个阶段的时间复杂性均取决于特征值间的依赖程度,甚至可以是 NP 完全问题,因而在实际应用中,往往需要对贝叶斯网络分类器进行简化。根据对特征值间不同关联程度的假设,可以得出各种贝叶斯分类器,Naive Bayes、TAN、BAN、GBN 就是其中较典型、研究较深入的贝叶斯分类器。
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