SHIP ENGINEERING 船舶工程
V ol.33 No.1 2011 总第33卷，2011年第1期基于贝叶斯网络的船舶人因安全性评估模型
侯政良，杨自春，初珠立
（海军工程大学船舶与动力学院，武汉 430033）
摘 要：针对舰船系统特点，设计了相应的人因安全性调查问卷，确定人因安全性影响因素、节点状态和条件概率.建立基于贝叶斯网络的船舶人因安全性量化评估模型，据此对影响安全性的因素进行灵敏度分析.结果表明，提出的安全性量化评估模型和分析方法正确、可行、有效.
关键词：船舶；人因安全性；贝叶斯网络；调查问卷；灵敏度分析
中图分类号：X912.9; U673.4 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2011) 01-0078-04
Human Safety Assessment of Ships Based on Bayesian Network
HOU Zheng-liang YANG Zi-chun CHU Zhu-li
(College of Naval Architecture and Power, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)
Abstract: Considering the characteristics of ship system, a corresponding questionnaire was designed;
the influence factors of human safety, the states of nodes and conditional probability were also defined.
Human Safety Assessment of ships based on Bayesian network was proposed and sensitivity analysis of influence factors was made based on the model. The result indicates that the proposed model and analysis method are correct, feasibility and availability.
Key words: ship; human safety assessment; Bayesian network; questionnaire; sensitivity analysis
据统计，在航海船舶领域，人因失误引发事故的比重高达80% [1,2]，人因失误对舰船的安全性造成了非常大的威胁.由于舰船内部的工作环境比较恶劣，加之海况、人的疲劳等因素的影响，人因失误带来的事故发生频率将会増大，影响到舰船的生命力和人员的安全.如何通过人因安全性分析，降低因人因失误所造成的危害，已成为亟待解决的问题.
近年来发展起来的贝叶斯网络（Bayesian Network, BN），由于具有坚实的数学理论基础，被认为是不确定环境中实现知识表示、推断、预测等最理想的工具，已在数据挖掘、故障诊断、图像识别、可靠性工程等领域得到了较好应用[3].在人因领域，贝叶斯网络已被成功应用于人因可靠性的评价[4-6].现有的人因可靠性评价方法在数据的量化方面过多地依赖专家判断，这样的量化使得数据的主观性较强.针对性地根据船舶系统特点设计相应的调查问卷并进行调查，将人因安全性的影响因素、节点状态和条件概率等数据确定下来，建立基于贝叶斯网络的船舶人因安全性量化评估模型，据此对影响安全性的因素进行了灵敏度分析，为如何改善船舶人因安全性提供了方向.
1 贝叶斯网络
贝叶斯网络（BN）是一个有向无环图（Directed Acyclic Graph, DAG）[7]，它由代表变量的节点及连接这些节点的有向边构成.图1给出了一个简单的6个节点的贝叶斯网络示例，其中未包含条件概率分布（Conditional Probabilities Distribution, CPD）.
一个具有N个节点的贝叶斯网络可用N=<
1）
收稿日期：2010-07-07；修回日期：2010-08-27
基金项目：总装武器装备预研基金项目（9140A27050106JB11）
作者简介：侯政良（1987-），男，硕士，研究方向：舰船人因可靠性、安全性.
侯政良等，基于贝叶斯网络的船舶人因安全性评估模型
操作等.通常认为有向边表达了一种因果关系，因而贝叶斯网络也称因果网.对于有向边(V i , V j )，V i 称为V j 的父节点，而V j 称为V i 的子节点.没有父节点的节点称为根节点，没有子节点的节点称为叶节点.V i 的父节点集合和非后代节点集合分别用Pa (V i )和A (V i )来表示.
有向图中蕴含了条件独立性假设，即在给定Pa (V i )下，V i 与A (V i )条件独立：
()()(),()()i i i i i P V Pa V A V P V Pa V = （1） 2）P 表示一个与每个节点相关的条件概率分布.
由贝叶斯网络的条件独立性假设可知，条件概率分布可用()()i i P V Pa V 来描述，它表达了节点与其父节点的关联关系.如果给定根节点先验概率分布和非根节点的条件概率分布，可以得到包含所有节点的联合概率分布.
(){}()1111,,,,n
n i i i P V P V V P V V V ?===∏""""
（2）
图1 一个简单的贝叶斯网络
2 调查问卷及前处理 2.1 调查问卷设计
在建立舰船人因安全性评估模型前，首先要确定影响人因安全性的因素.通过调查并考虑到环境
和管理都会对舰船上的人因安全性造成很大的影响，因此将导致舰船人因失误的因素大致分为工作能力、环境状况和管理状况三类.并根据调查再次将这三大影响因素进行细化，每个大的影响因素都可以细化为若干小的影响因素，见表1.在细化影响因素的过程中，充分考虑了所分析对象的特点.
对于各个细化的影响因素针对性地设计出所对应的问题和选项，在问题的设计上要做到语言尽量通俗易懂；选项的划分也要详尽，避免模糊的选项；对于敏感的问题（比如关于领导和管理方面的问题）可以想办法委婉地进行提问，并且问卷采用不记名以保证被调查者的意愿能够真实详细地反映出来.关于船舶人因安全性的26个问题如表2所示.
调查问卷的对象是船上的所有工作人员，可针对性地对若干条船进行问卷发放和调查.为了保证数据能够真实反映出各个因素之间的影响关系，因此受调查人数要保证一定的数量.本文的调查问卷对象是来院校培训的大量船员，调查选在船员考试之前并要求严肃认真答卷，保证了数据的真实可靠.
表1 影响海上人因失误的各项因素表
个人工作能力工作经验
经历事故情况、工作时间 知识的掌握
故障处理能力、培训效果
对装备环境掌握 文化水平 学历水平
环境状况
工作环境 舱室的环境、温度、噪声 居住环境 居住舱室的环境
出海环境
风浪颠簸、海况、长时间出海管理状况
平时的管理 工作休息时间、喝酒情况、 安排平时的教育管理
安全管理氛围同事影响、集体凝聚力 表2 船舶人因安全性的调查问卷问题
影 响
问
题
个人工作能力： 工作经验
经历事故情况 您是否经历过事故？
工作时间 请选择您在您所在部门的工作时间
知识的掌握 在工作中，出现异常情况您能否快速做出快速准确的判断？ 故障处理能力 您对自己所操作设备可能发生的故障和处理办法了解的如何？ 培训效果 您认为您在培训时学到的知识能够使你完全胜任你的工作岗位吗？ 对装备环境的掌握 您对所操作设备的工作原理、性能、操作规程等的熟悉程度如何？ 您对自己所操作设备可能发生的故障和处理办法了解的如何？ 您对您所在舰船工作舱室和岗位情况了解程度如何？ 文化水平 您的文化水平如何？ 环境状况：
工作环境 您工作舱室环境好坏会对您的正常工作有影响吗？ 居住环境
您船上的居住环境如何？对您的正常工作影响大吗？
其 它
续表2
影 响
问 题
出海环境 长时间或者连续出海对您的正常工作影响大吗？ 海况差、风浪颠簸对您的正常工作影响大吗？ 安全管理状况：
平时的管理 您所在部门对履行部署职责情况的监督和管理力度如何？ 工作休息时间安排 您认为您的工作与休息时间安排合理吗？ 平时的教育管理 您经常参加装备安全管理方面的教育吗？ 你所在单位领导对安全管理的态度 喝酒情况 请选出你的喝酒习惯
安全管理氛围 你认为你所在部门的安全管理氛围如何？
同事的影响 您和其他同事之间的关系如何，对正常工作影响大吗？ 你周围同事对你的违规操作有什么反应？ 集体凝聚力 您所在的部门集体凝聚力怎么样？
人因失误行为
你在工作中是否能够严格按照操纵条令进行操作？
你身边同志的不安全及不符合安全操作规程的行为出现的程度如何？ 您在自己值更时间内，您能否做到注意力集中地监控和操作设备？
由于不能保证每位受调查者都能认真、真实地回答所提出的问题，因此所收回的调查问卷并不是可以全部都用来研究的.要对其中的“不合格”问卷进行剔除，将所有剔除后的调查问卷编号并把其中的选项录入到电脑中，实现数据的转换，然后针对每个问题的选项分布进行记录，方便之后的分析.
3 基于贝叶斯网络的舰船人因安全性评估模型 3.1 舰船人因安全性行为评价模型建立
通过BayesiaLab 软件，根据舰船人因失误的影响因素和调查情况建立其舰船人因安全性行为评价模型的贝叶斯网络，如图2所示.
图2 舰船人因安全性的贝叶斯网络
3.2 贝叶斯网络节点状态及条件概率的确定
根据表2调查问卷获得的各个影响因素和它们之间的关系可构建出图2的贝叶斯网络.其中，每个节点都可代表一个影响因素.通过调查问卷的结果可以确定出各个节点的状态.一般，对于每个节点相应的调查问题有几个选项便可设立几个节点状态.
贝叶斯网络中各个节点之间的关系是通过条件概率表（Conditional Probabilities Table, CPT ）来确定的，条件概率表给出了相应节点在所有父节点状态组合下的对应概率.比如，对于图2中的安全工作氛围节点，该节点的父节点是集体凝聚力和同事的影响两个，它的条件概率表可以通过表2中的调查数据来计算出来.其可能的6种组合状态如表3所示，其中每行的总概率和应该等于1.
表3 安全工作氛围的条件概率表 安全工作的氛围 影响因素
积极一般消极集体凝聚力
同事的影响0.740.220.04好 积极 0.650.270.08好 中性 0.520.370.11好 消极 0.430.420.15一般 积极 0.430.330.24一般 中性 0.21
0.34
0.45
一般
消极
根据贝叶斯网络的特点，当有新的信息和数据时，可及时地更新贝叶斯网络各个节点的条件概率.信息和数据越多，那么所建立起来的贝叶斯网络也就越精确.因此，当有更多船员的信息能加入到贝叶斯网络模型中，所建立的模型就会更加真实和精确.
所建立的模型具有推理的功能，当贝叶斯网络中的几个节点给出，就可以通过节点之间的关系根据给出的几个节点来确定出其他节点. 3.3 灵敏度分析
对装备环
境掌握
故障处理能力
连续出海
海况
工作环境 船上居住环境
人的失误行为状况
同事影响 安全管理状况 安全工作的氛围
环境状况 个人工作能力
出海环境 文化水平
知识掌握 工作经验 平时的管理 管理教育
集体凝聚力 喝酒情况 作息时间经历事故情况 工作时间
培训效果
平时的管理个人工作能力环境状况
出海环境
文化水平
知识掌握工作经验
好不好
高低
好差
好差
强一般
严格松散
经验充足缺乏经验
84.44%
15.56%
77.01%22.99%
69.72%30.28%
55.49%44.51%
74.76%25.24%
77.71%22.29%
67.20%32.80%
侯政良等，基于贝叶斯网络的船舶人因安全性评估模型
模型建立起来后，针对各个影响舰船人因安全性的影响因素进行灵敏性分析，得到最容易影响人因安全性的因素，找出薄弱环节.
针对三个大的影响因素进行灵敏度分析，如图3所示，当人因失误增大到100%的时候，环境状况改变最大，下降了20.09%，安全管理状况次之，下降了10.24%，个人工作能力改变最小，下降了10.11%.因此环境对人因安全性的影响是比较明显的，这个与调查中也很相符，由于现在的机器自动化程度比较高，个人工作能力对人因安全行为的影响不再占有很大成份.由于舰船上的连续出海比较普遍，加上海况差、工作环境恶劣等因素，大多船员在晕船、疲劳的影响下会精神恍惚，从而产生监控不力、岗位失职和误操作等现象.同时，管理上的疏忽和松散也会导致人因安全性状况变差.
图3 三大影响因素的灵敏度分析
对各个大因素影响下的各细化因素进行灵敏性分析可以找出哪些因素对人误行为的影响比较大，结果如表4所示.
表4 各个细化因素的灵敏性分析
人因失误行为状况连续
出海
海况
工作
环境
船上居
住环境
培训
效果
经历事
故情况
故障处
理能力
对装备
的掌握
作息
时间
喝酒
情况
管理
教育
集体
凝聚力
100%好 28.33 76.2 86 86.17 73.0467.0 71.09 72.05 77.05 88.04 68.1286.05 100%差 25.88 74.7 84 84.87 72.7766.7 70.42 71.71 76.66 87.77 67.2485.68 灵敏度 2.45 1.5 2 1.3 0.270.3 0.67 0.34 0.39 0.27 0.88 0.37
从表4中可以看出，环境方面的影响因素对人因失误影响较大，尤其表现在连续出海、工作环境和海况差上，因此减少船员疲劳的发生和改善工作环境是降低人因失误的重要途径.在个人工作能力方面，故障的处理能力灵敏度最高.在管理方面，管理教育在影响方面占有很大的比重，这说明管理松散，人员懒慢会导致舰船船员人因失误的大量发生，管理教育要经常进行.
4 结论
本文针对舰船系统特点，设计了相应的人因安全性调查问卷，确定了人因安全性影响因素、节点状态和条件概率.建立了基于贝叶斯网络的舰船人因安全性量化评估模型，据此对影响安全性的因素进行了灵敏度分析，找出了船舶人因安全性的薄弱环节.该模型具有以下优点：
1）模型层次分明、直观全面，能够结合系统本身的特点将各种因素考虑进去；
2）模型在数据的确定上针对系统特点采用了调查问卷的形式，降低了专家在评价人因安全性的主观性，提高了数据的真实性和可用性；
3）模型拓展性好，可以根据信息的更新使得网络的精度不断提高；
4）灵敏度分析找出了影响舰船人员安全行为的主要影响因素，为如何改善船舶人因安全性提供了方向.
参考文献：
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Department. The Role of human factors in marine casualties final Report [R]. US Cost Guard, 1989.
[3] 周忠宝, 董豆豆, 周经伦. 贝叶斯网络在可靠性分析
中的应用[J]. 系统工程理论与实践, 2006, 26(6): 95-100.
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[5] 刘莉, 徐浩军, 井凤玲, 等. 基于贝叶斯网络的飞行
安全人因可靠性评估模型[J]. 空军工程大学学报,
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[7] 周忠宝. 基于贝叶斯网络的概率安全评估方法及应
用研究[D]. 武汉: 国防科技大学, 2006.
安全管理状况
个人工作能力
环境状况
人的失误行为状况
安全管理状况
个人工作能力
环境状况
人的失误行为状况
90.33%
9.67%
87.12%
12.88%
89.81%
10.19%
100.00%
0.00%
好
差
好
差
强
一般
良好
一般
80.09%
19.91%
77.01%
22.99%
69.72%
30.28%
0.00%
100.00%
好
差
好
差
强
一般
良好
一般
如何使用贝叶斯网络工具箱 2004-1-7版 翻译：By 斑斑（QQ：23920620） 联系方式：banban23920620@https://www.doczj.com/doc/7e16590732.html, 安装 安装Matlab源码 安装C源码 有用的Matlab提示 创建你的第一个贝叶斯网络 手工创建一个模型 从一个文件加载一个模型 使用GUI创建一个模型 推断 处理边缘分布 处理联合分布 虚拟证据 最或然率解释 条件概率分布 列表（多项式）节点 Noisy-or节点 其它（噪音）确定性节点 Softmax（多项式 分对数）节点 神经网络节点 根节点 高斯节点 广义线性模型节点 分类 / 回归树节点 其它连续分布 CPD类型摘要 模型举例 高斯混合模型 PCA、ICA等 专家系统的混合 专家系统的分等级混合 QMR 条件高斯模型 其它混合模型
参数学习 从一个文件里加载数据 从完整的数据中进行最大似然参数估计 先验参数 从完整的数据中（连续）更新贝叶斯参数 数据缺失情况下的最大似然参数估计（EM算法） 参数类型 结构学习 穷举搜索 K2算法 爬山算法 MCMC 主动学习 结构上的EM算法 肉眼观察学习好的图形结构 基于约束的方法 推断函数 联合树 消元法 全局推断方法 快速打分 置信传播 采样（蒙特卡洛法） 推断函数摘要 影响图 / 制定决策 DBNs、HMMs、Kalman滤波器等等
安装 安装Matlab代码 1.下载FullBNT.zip文件。 2.解压文件。 3.编辑"FullBNT/BNT/add_BNT_to_path.m"让它包含正确的工作路径。 4.BNT_HOME = 'FullBNT的工作路径'; 5.打开Matlab。 6.运行BNT需要Matlab版本在V5.2以上。 7.转到BNT的文件夹例如在windows下，键入 8.>> cd C:\kpmurphy\matlab\FullBNT\BNT 9.键入"add_BNT_to_path"，执行这个命令。添加路径。添加所有的文件夹在Matlab的路 径下。 10.键入"test_BNT"，看看运行是否正常，这时可能产生一些数字和一些警告信息。（你可 以忽视它）但是没有错误信息。 11.仍有问题？你是否编辑了文件？仔细检查上面的步骤。
用于运动识别的聚类特征融合方法和装置 提供了一种用于运动识别的聚类特征融合方法和装置，所述方法包括：将从被采集者的加速度信号 中提取的时频域特征集的子集内的时频域特征表示成以聚类中心为基向量的线性方程组；通过求解线性方程组来确定每组聚类中心基向量的系数；使用聚类中心基向量的系数计算聚类中心基向量对子集的方差贡献率；基于方差贡献率计算子集的聚类中心的融合权重；以及基于融合权重来获得融合后的时频域特征集。 加速度信号 →时频域特征 →以聚类中心为基向量的线性方程组 →基向量的系数 →方差贡献率 →融合权重 基于特征组合的步态行为识别方法 本发明公开了一种基于特征组合的步态行为识别方法，包括以下步骤：通过加速度传感器获取用户在行为状态下身体的运动加速度信息；从上述运动加速度信息中计算各轴的峰值、频率、步态周期和四分位差及不同轴之间的互相关系数；采用聚合法选取参数组成特征向量；以样本集和步态加速度信号的特征向量作为训练集，对分类器进行训练，使的分类器具有分类步态行为的能力；将待识别的步态加速度信号的所有特征向量输入到训练后的分类器中，并分别赋予所属类别，统计所有特征向量的所属类别，并将出现次数最多的类别赋予待识别的步态加速度信号。实现简化计算过程，降低特征向量的维数并具有良好的有效性的目的。 传感器 →样本及和步态加速度信号的特征向量作为训练集 →分类器具有分类步态行为的能力 基于贝叶斯网络的核心网故障诊断方法及系统 本发明公开了一种基于贝叶斯网络的核心网故障诊断方法及系统，该方法从核心网的故障受理中心采集包含有告警信息和故障类型的原始数据并生成样本数据，之后存储到后备训练数据集中进行积累，达到设定的阈值后放入训练数据集中；运用贝叶斯网络算法对训练数据集中的样本数据进行计算，构造贝叶斯网络分类器；从核心网的网络管理系统采集含有告警信息的原始数据，经贝叶斯网络分类器计算获得告警信息对应的故障类型。本发明，利用贝叶斯网络分类器构建故障诊断系统，实现了对错综复杂的核心网故障进行智能化的系统诊断功能，提高了诊断的准确性和灵活性，并且该系统构建于网络管理系统之上，易于实施，对核心网综合信息处理具有广泛的适应性。 告警信息和故障类型 →训练集 —>贝叶斯网络分类器
第五章贝叶斯统计 5.1 简介 到目前为止，我们已经知道了大量的不同的概率模型，并且我们前面已经讨论了如何用它们去拟合数据等等。前面我们讨论了如何利用各种先验知识，计算MAP参数来估计θ=argmax p(θ|D)。同样的，对于某种特定的请况，我们讨论了如何计算后验的全概率p(θ|D)和后验的预测概率密度p(x|D)。当然在以后的章节我们会讨论一般请况下的算法。 5.2 总结后验分布 后验分布总结关于未知变量θ的一切数值。在这一部分，我们讨论简单的数，这些数是可以通过一个概率分布得到的，比如通过一个后验概率分布得到的数。与全面联接相比，这些统计汇总常常是比较容易理解和可视化。 5.2.1最大后验估计 通过计算后验的均值、中值、或者模型可以轻松地得到未知参数的点估计。在5.7节，我们将讨 论如何利用决策理论从这些模型中做出选择。典型的后验概率均值或者中值是估计真实值的恰当选择，并且后验边缘分布向量最适合离散数值。然而，由于简化了优化问题，算法更加高效，后验概率模型，又名最大后验概率估计成为最受欢迎的模型。另外，通过对先验知识的取对数来正 则化后，最大后验概率可能被非贝叶斯方法解释（详情参考6.5节）。 最大后验概率估计模型在计算方面该方法虽然很诱人，但是他有很多缺点，下面简答介绍一下。在这一章我们将更加全面的学习贝叶斯方法。 图5.1（a）由双峰演示得到的非典型分布的双峰分布，其中瘦高蓝色竖线代表均值，因为他接近 大概率，所以对分布有个比较好的概括。(b)由伽马绘图演示生成偏态分布，它与均值模型完全不同。 5.2.1.1 无法衡量不确定性 最大后验估计的最大的缺点是对后验分布的均值或者中值的任何点估计都不能够提供一个不确定性的衡量方法。在许多应用中，知道给定估计值的置信度非常重要。我们在5.22节将讨论给出后验估计置信度的衡量方法。 5.2.1.2 深耕最大后验估计可能产生过拟合
3.1 贝叶斯网络构建算法 算法3.1：构建完全连接图算法 输入：样本数据D ；一组n 个变量V={V l ，V 2，…，V n }变量。 输出：一个完全连接图S 算法： 1、 连接任意两个节点，即连接边 L ij=1，i ≠j 。 2、 为任一节点V i 邻接点集合赋值，B i= V\{V i }。 算法3.2：构建最小无向图算法 输入：样本数据D ；一组n 个变量V={V l ，V 2，…，V n }变量。及算法3.1中得到的邻接点集B i ，连接边集 L ij 先验知识：节点V i ,V j 间连接边是否存在 变量说明：L 为连接边，|L|=n(n –1)/2为连接边的数量，B i 表示变量V i 的直接邻近集，|B i |表示与变量B i 相邻的变量数。(V i ⊥V j |Z)表示V i 和V j 在Z 条件下条件独立，设∧(X ，Y)表示变量X 和Y 的最小d-分离集。 输出：最小无向图S 1、根据先验知识，如果V i 和V j 不相连接，则L ij =0 . 2、对任一相连接边，即L ij ≠0，根据式（3-12）计算互信息I （V i ,V j ） ),(Y X I =))()(|),((y p x P y x p D =????? ?)()(),(log ),(Y p X p Y X p E y x P (3-12) if I （V i ,V j ）ε≤ then { L ij =0 //V i 和V j 不相连接 B i= V\{V j }, B j= V\{V i } //调整V i 和V j 邻接集 } else I ij = I （V i ,V j ） //节点V i 和V j 互信息值 3、对所有连接边，并按I ij 升序排序 4、如果连接边集L ij 不为空，那么按序选取连接边L ij ,否则 goto 10 if |B i |≥ |B j |，令Z= B i else Z= B j //为后面叙述方便，这里先假设|B i |≥ |B j | 5、逐一计算L ij 的一阶条件互信息I(V i ,V j |Z 1)，Z 1={Y k }, Y k ∈Z, if I(V i ,V j |Z 1)ε≤ then { L ij =0 //V i 和V j 关于Z 1条件独立 B i= V\{V j }, B j= V\{V i } //调整V i 和V j 邻接集 d ij = Z 1 //L ij 最小d 分离集为Z 1 goto 4
哈尔滨学院本科毕业论文（设计）题目：贝叶斯公式公式在数学模型中的应用 院（系）理学院 专业数学与应用数学 年级2009级 姓名鲁威学号09031213 指导教师张俊超职称讲师 2013 年6月1 日
目录 摘要 (1) Abstract (2) 前言 (3) 第一章贝叶斯公式及全概率公式的推广概述..................................... 错误！未定义书签。 1.1贝叶斯公式与证明 (5) 1.1贝叶斯公式及其与全概率公式的联系 (5) 1.3贝叶斯公式公式推广与证明 (6) 1.3.1贝叶斯公式的推广 (6) 1.4贝叶斯公式的推广总结 (7) 第二章贝叶斯公式在数学模型中的应用 (8) 2.1数学建模的过程 (8) 2.2贝叶斯中常见的数学模型问题 (9) 2.2.1 全概率公式在医疗诊断中的应用 (9) 2.2.2全概率公式在市场预测中的应用 (11) 2.2.3全概率公式在信号估计中的应用. ...................................... 错误！未定义书签。 2.2.4全概率公式在概率推理中的应用 (15) 2.2.5全概率公式在工厂产品检查中的应用 ................................ 错误！未定义书签。 2.3全概率公式的推广在风险决策中的应用 (17) 2.3.1背景简介 (17) 2.3.2风险模型 (18) 2.3.3实例分析 (18) 第三章总结 (21) 3.1贝叶斯公式的概括 (21) 3.2贝叶斯公式的实际应用 (21) 结束语 (23) 参考文献 (24) 后记 (25)
贝叶斯决策模型及实例分析 一、贝叶斯决策的概念 贝叶斯决策，是先利用科学试验修正自然状态发生的概率，在采用期望效用最大等准则来确定最优方案的决策方法。 风险型决策是根据历史资料或主观判断所确定的各种自然状态概率（称为先验概率），然后采用期望效用最大等准则来确定最优决策方案。这种决策方法具有较大的风险，因为根据历史资料或主观判断所确定的各种自然状态概率没有经过试验验证。为了降低决策风险，可通过科学试验（如市场调查、统计分析等）等方法获得更多关于自然状态发生概率的信息，以进一步确定或修正自然状态发生的概率；然后在利用期望效用最大等准则来确定最优决策方案，这种先利用科学试验修正自然状态发生的概率，在采用期望效用最大等准则来确定最优方案的决策方法称为贝叶斯决策方法。 二、贝叶斯决策模型的定义 贝叶斯决策应具有如下内容 贝叶斯决策模型中的组成部分： ) ( ,θ θP S A a及 ∈ ∈。概率分布S P∈ θ θ) (表示决策 者在观察试验结果前对自然θ发生可能的估计。这一概率称为先验分布。 一个可能的试验集合E，E e∈，无情报试验e0通常包括在集合E之内。 一个试验结果Z取决于试验e的选择以Z0表示的结果只能是无情报试验e0的结果。 概率分布P(Z/e,θ)，Z z∈表示在自然状态θ的条件下，进行e试验后发生z结果的概
率。这一概率分布称为似然分布。 c 以及定义在后果集合C的效用函数u(e,Z,a,θ)。 一个可能的后果集合C，C 每一后果c=c(e,z,a,θ)取决于e,z,a和θ。.故用u(c)形成一个复合函数u{(e,z,a,θ)}，并可写成u(e,z,a,θ)。 三、贝叶斯决策的常用方法 3.1层次分析法(AHP) 在社会、经济和科学管理领域中，人们所面临的常常是由相互关联，相互制约的众多因素组成的复杂问题时，需要把所研究的问题层次化。所谓层次化就是根据所研究问题的性质和要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照各因素之间的相互关联影响和隶属关系将所有因素按若干层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。 3.1.1层次分析模型 最高层：表示解决问题的目的，即层次分析要达到的目标。 中间层：表示为实现目标所涉及的因素，准则和策略等中间层可分为若干子层，如准则层，约束层和策略层等。 最低层：表示事项目标而供选择的各种措施，方案和政策等。 3.1.2层次分析法的基本步骤 (l) 建立层次结构模型 在深入分析研究的问题后，将问题中所包括的因素分为不同层次，如目标层、指标层和措施层等并画出层次结构图表示层次的递阶结构和相邻两层因素的从属关系。 (2) 构造判断矩阵 判断矩阵元素的值表示人们对各因素关于目标的相对重要性的认识。在相邻的两个层次中，高层次为目标，低层次为因素。 (3) 层次单排序及其一致性检验 判断矩阵的特征向量W经过归一化后即为各因素关于目标的相对重要性的排序权值。利用判断矩阵的最大特征根，可求CI和CR值，当CR<0.1时，认为层次单排序的结果有满意的一致性；否则，需要调整判断矩阵的各元素的取值。 (4) 层次总排序 计算某一层次各因素相对上一层次所有因素的相对重要性的排序权值称为层次总排序。由于层次总排序过程是从最高层到最低层逐层进行的，而最高层是总目标，所以，层次总排序也是计算某一层次各因素相对最高层（总目标）的相对重要性的排序权值。 设上一层次A包含m个因素A1,A2,…,A m其层次总排序的权值分别为a1,a2,…,a m；下一层次B包含n个因素B1,B2,…,B n，它们对于因素A j(j=1,2,…,m)的层次单排序权值分别为：b1j,b2j,…,b nj（当B k与A j无联系时，b kj=0），则B层次总排序权值可按下表计算。 层次总排序权值计算表
贝叶斯网络预测信用卡欺诈行为 ——贝叶斯网络应用（1） 一、理论说明 1．贝叶斯网络的应用 使用贝叶斯网络，可以通过将观察到并记录下的数据与实际常识结合起来构建概率模型，以通过使用表面看上去不相关的属性确定发生的可能性，找出一个结果到底与哪些影响变量相关，或者说，究竟是什么因素影响了结果。 贝叶斯分类模型继承了贝叶斯网络的优点并具有良好的分类精度，正受到越来越多的关注，并广泛的应用在欺诈识别、客户管理、医学诊断上、互联网搜索上，比如，利用贝叶斯分类模型建立客户的等级分类，如信用等级、忠诚等级，当新客户出现时，即可以按该分类模型对其等级情况做出分类预测。又比如本文所例举的，根据信用卡用户的信用记录及相关信息建立用户的信用模型，并监测哪些用户会做出贷款拖欠的行为。 2．贝叶斯网络模型 （1）贝叶斯原理 统计学分成两派，一派是传统的频率学派，一派是贝叶斯派，能够在统计学界自成一派，可见其影响。贝叶斯的核心思想在于一个公式 P(A|X)=P(X|A)·P(A)/P(X) 其中A是随机变量，X是数据，P(X|A)是似然，P(A)是先验分布，P(A|X)是后验分布，P(X)是一个数。 这个公式的意义在于，我们可以通过一个经验的概率，加上数据的实践，来得出一个后验的概率，也就是说“经验+数据=结果”。那么将这个原理用在贝叶斯网络上，即将先验贝叶斯网络和数据相结合而得到一个后验贝叶斯网络。那么什么是贝叶斯网络？ （2）贝叶斯网络模型概述 贝叶斯网络(Bayesian network),又叫概率因果网络、信任网络、知识图等,是一种有向无环图。一个贝叶斯网络由两个部分构成，一个是具有K个节点的有向无环图，图中有节点和连接节点的有向边，节点代表随机变量，有向边代表了节点间的相互关联关系。 另一个是与每个节点相关的条件概率表（Conditional Probabilities Table,CPT）P，它表示了节点和父节点之前的相关关系，这个关系就是条件概率。那么由这个图G和概率表P构成的网络就是贝叶斯网络，贝叶斯网络有如下假设（或者规定）： 给定一个父节点，那么它的子节点独立于任何非这个子节点的后代节点和其构成的任何节点子集。即如果用A(V i)表示非V i后代节点构成的任何节点子集,用∏(V i)表示V i的直接双亲节点,则 p(Vi|A(Vi),∏(V i))=p(Vi|∏(Vi)) 在这个假定下，变量Vi的联合概率就是：给定每个节点的父节点情况下，每个节点条件概率只积，如图中的联合概率为 p(V1,V2,...,V6)=p(V6|V5)·p(V5|V2,V3)·p(V4|V2)·p(V3|V1)·p(V2|V1)·p(V1) 这就是贝叶斯网络和其网络的概率。我们可以让贝叶斯网络通过数据不断的学习修正，上次修正的贝叶斯网络又是下次学习的先验贝叶斯网络，持续的学习使得网络更能体现数据的意义，即，让数据来说话！ （2）树增强朴素贝叶斯网络模型概述 尽管贝叶斯网络有良好的逻辑性、预测性、并在处理复杂问题上有很大的优势，但它的假
addpath(genpathKPM(pwd)) N = 4; dag = zeros(N,N); C = 1; S = 2; R = 3; W = 4; dag(C,[R S]) = 1; dag(R,W) = 1; dag(S,W)=1; discrete_nodes = 1:N; node_sizes = 2*ones(1,N); bnet = mk_bnet(dag, node_sizes, 'discrete', discrete_nodes); onodes = []; bnet = mk_bnet(dag, node_sizes, 'discrete', discrete_nodes, 'observed', onodes); bnet = mk_bnet(dag, node_sizes, 'names', {'cloudy','S','R','W'}, 'discrete', 1:4); C = https://www.doczj.com/doc/7e16590732.html,s('cloudy'); % https://www.doczj.com/doc/7e16590732.html,s是一个关联数组； bnet.CPD{C} = tabular_CPD(bnet, C, [0.5 0.5]); CPT = zeros(2,2,2); CPT(1,1,1) = 1.0; CPT(2,1,1) = 0.1; CPT = reshape([1 0.1 0.1 0.01 0 0.9 0.9 0.99], [2 2 2]); bnet.CPD{W} = tabular_CPD(bnet, W, 'CPT', [1 0.1 0.1 0.01 0 0.9 0.9 0.99]); bnet.CPD{C} = tabular_CPD(bnet, C, [0.5 0.5]); bnet.CPD{R} = tabular_CPD(bnet, R, [0.8 0.2 0.2 0.8]); bnet.CPD{S} = tabular_CPD(bnet, S, [0.5 0.9 0.5 0.1]); bnet.CPD{W} = tabular_CPD(bnet, W, [1 0.1 0.1 0.01 0 0.9 0.9 0.99]); figure draw_graph(dag)
贝叶斯预测模型 贝叶斯预测模型的概述 贝叶斯预测模型是运用贝叶斯统计进行的一种预测.贝叶斯统计不同于一般的统计方法,其不仅利用模型信息和数据信息，而且充分利用先验信息。 托马斯·贝叶斯(Thomas Bayes)的统计预测方法是一种以动态模型为研究对象的时间序列预测方法。在做统计推断时，一般模式是： 先验信息+总体分布信息+样本信息→后验分布信息 可以看出贝叶斯模型不仅利用了前期的数据信息，还加入了决策者的经验和判断等信息，并将客观因素和主观因素结合起来，对异常情况的发生具有较多的灵活性。这里以美国1960—2005年的出口额数据为例，探讨贝叶斯统计预测方法的应用。 [编辑] Bayes预测模型及其计算步骤 此处使用常均值折扣模型，这种模型应用广泛而且简单，它体现了动态现行模型的许多基本概念和分析特性。 常均值折扣模型 对每一时刻t常均值折模型记为DLM{1，1，V，δ}，折扣因子δ，O<δ 推论2：μt的后验分布()～N [m t，C t]，其中m t = m t? 1 + A t e t,C t = A T v t,A t = R t / Q t,e t = y t? f t 由于Rt=Ct-1+Wt=Ct-1/δ,故有W? t = C t? 1(δ? 1? 1) 其计算步骤为： (1)R t = C? t/ δ；(2)Q t = R t + V； (3)A t = R t / Q t；(4)f t? 1 = m t? 1； (5)e t? y t? f t? 1；(6)C t = A t V； (7)m t? m t? 1 + A t e t [编辑] 计算实例 根据The SAS System for Windows 9．0所编程序，对美国出口额(单位：十亿元)变化进行了预测。选取常均值折扣模型和抛物线回归模型。 美国出口额的预测，预测模型的初始信息为m0=304，Co=72，V=0.Ol，δ=0.8得到的1960—2006年的预测结果。见表2中给出了预测的部分信息(1980—2006年的预测信息)。 贝叶斯网络 2007-12-27 15:13 贝叶斯网络 贝叶斯网络亦称信念网络(Belief Network)，于1985 年由Judea Pearl 首先提出。它是一种模拟人类推理过程中因果关系的不确定性处理模型，其网络拓朴结构是一个有向无环图(DAG)。它的节点用随机变量或命题来标识，认为有直接关系的命题或变量则用弧来连接。例如，假设结点E 直接影响到结点H，即E→H，则建立结点E 到结点H 的有向弧(E,H)，权值(即连接强度)用条件概率P(H/E)来表示，如图所示： 一般来说，有 n 个命题 x1,x2,,xn 之间相互关系的一般知识可用联合概率分布来描述。但是，这样处理使得问题过于复杂。Pearl 认为人类在推理过程中，知识并不是以联合概率分布形表现的，而是以变量之间的相关性和条件相关性表现的，即可以用条件概率表示。如 例如，对如图所示的 6 个节点的贝叶斯网络，有 一旦命题之间的相关性由有向弧表示，条件概率由弧的权值来表示，则命题之间静态结构关系的有关知识就表示出来了。当获取某个新的证据事实时，要对每个命题的可能取值加以综合考查，进而对每个结点定义一个信任度，记作 Bel(x)。可规定 Bel(x) = P(x=xi / D) 来表示当前所具有的所有事实和证据 D 条件下，命题 x 取值为 xi 的可信任程度，然后再基于 Bel 计算的证据和事实下各命题 的可信任程度。 团队作战目标选择 在 Robocode 中，特别在团队作战中。战场上同时存在很多机器人，在你附近的机器人有可能是队友，也有可能是敌人。如何从这些复杂的信息中选择目标机器人，是团队作战的一大问题，当然我们可以人工做一些简单的判断，但是战场的信息是变化的，人工假定的条件并不是都能成立，所以让机器人能自我选择，自我推理出最优目标才是可行之首。而贝叶斯网络在处理概率问题上面有很大的优势。首先，贝叶斯网络在联合概率方面有一个紧凑的表示法，这样比较容易根据一些事例搜索到可能的目标。另一方面，目标选择很容易通过贝叶斯网络建立起模型，而这种模型能依据每个输入变量直接影响到目标选择。 贝叶斯网络是一个具有概率分布的有向弧段（DAG）。它是由节点和有向弧段组成的。节点代表事件或变量，弧段代表节点之间的因果关系或概率关系，而弧段是有向的，不构成回路。下图所示为一个简单的贝叶斯网络模型。它有 5 个节 点和 5 个弧段组成。图中没有输入的 A1 节 点称为根节点，一段弧的起始节点称为其末节点的母节点，而后者称为前者的子节点。 简单的贝叶斯网络模型 贝叶斯网络能够利用简明的图形方式定性地表示事件之间复杂的因果关系或概率关系，在给定某些先验信息后，还可以定量地表示这些关系。网络的拓扑结构通常是根据具体的研究对象和问题来确定的。目前贝叶斯网络的研究热点之一就是如何通过学习自动确定和优化网络的拓扑结构。 变量 由上面贝叶斯网络模型要想得到理想的目标机器人，我们就必须知道需要哪些输入变量。如果想得到最好的结果，就要求我们在 Robocode 中每一个可知的数据块都要模拟为变量。但是如果这样做，在贝叶斯网络结束计算时，我们会得到一个很庞大的完整概率表，而维护如此庞大的概率表将会花费我们很多的系统资源和计算时间。所以在开始之前我们必须要选择最重要的变量输入。这样从比赛中得到的关于敌人的一些有用信息有可能不会出现在贝叶斯网络之内，比如速 摘要: 本文主要介绍了贝叶斯网的基本概念以及重要性抽样方法的基本理论和概率推理, 重点介绍了两种重要的抽样方法, 即逻辑抽样方法和似然加权法, 并且比较了它们的优缺点 关键词: 贝叶斯网 抽样法 无偏估计 1．引言 英国学者T.贝叶斯1763年在《论有关机遇问题的求解》中提出一种归纳推理的理论, 后被一些统计学者发展为一种系统的统计推断方法, 称为贝叶斯方法．采用这种方法作统计推断所得的全部结果, 构成贝叶斯统计的内容．认为贝叶斯方法是唯一合理的统计推断方法的统计学者, 组成数理统计学中的贝叶斯学派, 其形成可追溯到 20世纪 30 年代．到50～60年代, 已发展为一个有影响的学派．Zhang 和Poole 首先提出了变量消元法, 其原理自关于不定序动态规划的研究（Bertele and Brioschi,1972）．相近的工作包括D`Ambrosio （1991）、Shachter （1994）、Shenoy （1992）等人的研究．近期关于变量消元法的研究可参见有关文献【1】由于变量消元法不考虑步骤共享, 故引进了团树传播法, 如Hugin 方法．在实际应用中, 网络节点往往是众多的, 精确推理算法是不适用的, 因而近似推理有了进一步的发展. 重要性抽样法（Rubinstein, 1981）是蒙特尔洛积分中降低方差的一种手段, Henrion （1988）提出了逻辑抽样, 它是最简单也是最先被用于贝叶斯网近似推理的重要性抽样算法. Fung 和Chang （1989）、Shachter 和Peot （1989）同时提出了似然加权算法. Shachter 和Peot （1989）还提出了自重要性抽样和启发式重要性抽样算法. Fung 和Favero （1994）提出了逆序抽样（backward sam-pling ）, 它也是重要性抽样的一个特例. Cheng 和Druzdzel （2000）提出了自适应重要性抽样算法, 同时也给出了重要性抽样算法的通用框架, 这就是各种抽样方法的发展状况. 本文就近似推理阐述了两种重要的抽样方法即逻辑抽样方法和似然加权法, 并比较了它们的优缺点． 2. 基本概念 2.1 贝叶斯网络的基本概念 贝叶斯网络是一种概率网络, 用来表示变量之间的依赖关系, 是带有概率分布标注的有向无环图, 能够图形化地表示一组变量间的联合概率分布函数． 贝叶斯网络模型结构由随机变量（可以是离散或连续）集组成的网络节点, 具有因果关系的网络节点对的有向边集合和用条件概率分布表示节点之间的影响等组成．其中节点表示了随机变量, 是对过程、事件、状态等实体的某些特征的描述; 边则表示变量间的概率依赖关系．起因的假设和结果的数据均用节点表示, 各变量之间的因果关系由节点之间的有向边表示, 一个变量影响到另一个变量的程度用数字编码形式描述．因此贝叶斯网络可以将现实世界的各种状态或变量画成各种比例, 进行建模． 2.2重要性抽样法基本理论 设()f X 是一组变量X 在其定义域n X R Ω?上的可积函数．考虑积分 ()()X I f X d X Ω= ? (2.2.1) Microcomputer Applications Vol. 25, No.11, 2009 技术交流 微型电脑应用 2009年第25卷第11期 ·31· 文章编号：1007-757X(2009)11-0031-03 基于贝叶斯网络技术的软件缺陷预测与故障诊断 王科欣，王胜利 摘 要：如何进一步地提高软件的可靠性和质量是我们十分关注的问题，而前期软件缺陷和后期软件故障的诊断都是控制质量的关键手段，由此我们提出了基于贝叶斯的神经网络。基于对贝叶斯网络和神经网络理论的分析，发现贝叶斯网络和神经网络各自的优点与不足，利用贝叶斯具有前向推理的优势进行故障诊断，利用神经网络学习算法能够处理更复杂网络结构的优势来积累专家知识，最后提出了贝叶斯网络与概率神经网络相结合的模型，该模型可以更好地兼顾软件缺陷与故障诊断两个方面。 关键词：贝叶斯；神经网络；测试；缺陷预测；故障诊断 中图分类号：TP311.5 文献标志码：A 0 引言 如何进一步提高软件的可靠性和质量是我们十分关注的问题，软件可能存在缺陷，我们在软件的整个生命周期中始终期望能及早发现重要错误，并及时诊断。这就告诉我们，在进行软件前期预测时，就应该重视和记录重要缺陷，以便在故障发生时能通过早期预测的记录表找到故障原因。这就说明软件缺陷预测和故障诊断不应该是两个独立的过程，而应该有所联系。本文就通过贝叶斯网络和模糊神经网络对两项工作进行了整合。通过贝叶斯的在推理规则上的优势，尤其是前向推理的特点进行故障诊断，利用神经网络学习和训练函数的复杂多样性，可以更好地拟合复杂情况。 1 软件缺陷预测与故障诊断 1.1 软件缺陷预测的两个方面 1.1.1 对于软件可靠性早期预测 对于开发者而言，在开发软件之前或者设计软件中，主要作用是进行风险控制，验证其设计可行性。由于贝叶斯网络可以在信息不完全的情形下进行不确定性和概率性事件的推理，所以对于复杂软件的早期预测具有先天的优势。软件缺陷数量属于动态度量元素，需要通过对软件产品进行完整的测试后才能获得。针对特定模块进行完整测试成本比较高，并且必须在软件开发完成之后才能进行集成测试，这样在前期很难控制软件产品缺陷数量。为了更好地提高软件质量，对软件模块中包含的缺陷进行预测是一个可行的方法。软件缺陷预测方法的前提假设是软件的复杂度和软件的缺陷数量有密切关联。复杂度高的软件模块产生的缺陷比复杂度低的模块产生的缺陷多。软件缺陷预测的思路是使用静态度量元素表征软件的复杂度，然后预测软件模块可能的缺陷数量或者发生缺陷的可能性。通过进行软件缺陷预测，能够以较低的成本在项目开发的早期预测产品的缺陷分布状况，可以更好的调整有限的资源，集中处理可能出现较多缺陷的高风险模块，从而从整体上提高软件产品的质量。 1.1.2 对于软件残留缺陷的预测 对于测试者而言，通过质量预测，可将软件的各个组成部分按预测的质量水平进行分类，明确测试的重点，避免在进行测试时同等对待，而是有所侧重，这对节约有限资源和缩短开发周期都有着十分重要的意义。软件的测试和修改是一个螺旋式上升的过程。由于资源和时间的有限投入，什么时候软件达到了要求的质量水平从而能够投入实际使用是一个十分关键的问题。对残留缺陷进行预测，目的就是为了确保代码中的缺陷数量维持在一个安全水平。对测试经理来说，估计目前软件的测试到了哪个阶段、还应该继续做到什么样水平，这都是尤其重要的。从软件经济学的观点上来看，它关系到产业界的投入产出比、测试过度，不能再检查出太 多错误，或者说检查耗费很长的时间和很多的人力，但最终是一个细微的错误，这是不经济的；但是如果残留缺陷还比较多，就停止测试工作，那么会使得这些缺陷在未排除的情 况下交付给用户，等到用户发现错误时，维护的成本就会更 高。因此，正确预测软件残留缺陷对于交付使用后的软件维护也具有重要意义。 1.2 软件故障诊断技术 软件故障诊断是根据软件的静态表现形式和动态信息查找故障源，并进行分析，给出相应的决策。其中静态形式包括程序、数据和文档，动态信息包括程序运行过程中的一系列状态，人在参与软件生存周期的各个阶段工作时，都有可能由于各种疏忽和不可预料的因素，出现各种各样的错误。因而，从广义上说，软件故障诊断的工作涉及到软件的整个生命周期——需求分析、设计、编码、测试、使用、维护等各阶段所造成的缺陷。 软件故障诊断，“诊”的主要工作是对状态检测，包括使用各种度量和分析方法；“断”的工作则更为具体，它需要确定：（1）软件故障特性；（2）软件故障模式；（3）软件故障发生的模块和部位；（4）说明软件故障产生的原因，并且提出相应的纠正措施和避免下一次再发生该类错误的措——————————— 作者简介：王科欣（1982-） ，男，湖南长沙人，暨南大学计算机科学系，硕士研究生，软件设计师，广东体育职业技术学院助教，主要研究方向为软件工程、数据库与知识工程，广东 广州，510632；王胜利（1984-），男，湖南衡阳人，暨南大学计算机科学系，硕士 研究生，研究方向为软件工程、数据挖掘，广东 广州，510632 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。 贝叶斯网络训练 使用贝叶斯网络必须知道各个状态之间相关的概率。得到这些参数的过程叫做训练。和训练马尔可夫模型一样，训练贝叶斯网络要用一些已知的数据。比如在训练上面的网络，需要知道一些心血管疾病和吸烟、家族病史等有关的情况。相比马尔可夫链，贝叶斯网络的训练比较复杂，从理论上讲，它是一个NP-complete 问题，也就是说，对于现在的计算机是不可计算的。但是，对于某些应用，这个训练过程可以简化，并在计算上实现。 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。 在日常生活中，人们往往进行常识推理，而这种推理通常是不准确的。例如，你看见一个头发潮湿的人走进来，你可能会认为外面下雨了，那你也许错了；如果你在公园里看到一男一女带着一个小孩，你可能会认为他们是一家人，你可能也犯了错误。在工程中，我们也同样需要进行科学合理的推理。但是，工程实际中的问题一般都比较复杂，而且存在着许多不确定性因素。这就给准确推理带来了很大的困难。很早以前，不确定性推理就是人工智能的一个重要研究领域。尽管许多人工智能领域的研究人员引入其它非概率原理，但是他们也认为在常识推理的基础上构建和使用概率方法也是可能的。为了提高推理的准确性，人们引入了概率理论。最早由Judea Pearl于1988年提出的贝叶斯网络(Bayesian Network)实质上就是一种基于概率的不确定性推理网络。它是用来表示变量集合连接概率的图形模型，提供了一种表示因果信息的方法。当时主要用于处理人工智能中的不确定性信息。随后它逐步成为了处理不确定性信息技术的主流，并且在计算机智能科学、工业控制、医疗诊断等领域的许多智能化系统中得到了重要的应用。 贝叶斯理论是处理不确定性信息的重要工具。作为一种基于概率的不确定性推理方法，贝叶斯网络在处理不确定信息的智能化系统中已得到了重要的应用，已成功地用于 学院本科毕业论文（设计） 题目：贝叶斯公式公式在数学模型中的应用 院（系）理学院 专业数学与应用数学 年级2009级 姓名鲁威学号09031213 指导教师俊超职称讲师 2013 年6月1 日 目录 摘要 (1) Abstract (2) 前言 (2) 第一章贝叶斯公式及全概率公式的推广概述........................................ 错误!未定义书签。 1.1贝叶斯公式与证明 (5) 1.1贝叶斯公式及其与全概率公式的联系 (5) 1.3贝叶斯公式公式推广与证明 (6) 1.3.1贝叶斯公式的推广 (6) 1.4贝叶斯公式的推广总结 (7) 第二章贝叶斯公式在数学模型中的应用 (8) 2.1数学建模的过程 (8) 2.2贝叶斯中常见的数学模型问题 (9) 2.2.1 全概率公式在医疗诊断中的应用 (9) 2.2.2全概率公式在市场预测中的应用 (11) 2.2.3全概率公式在信号估计中的应用. ......................................... 错误!未定义书签。 2.2.4全概率公式在概率推理中的应用 (15) 2.2.5全概率公式在工厂产品检查中的应用 ................................... 错误!未定义书签。 2.3全概率公式的推广在风险决策中的应用 (17) 2.3.1背景简介 (17) 2.3.2风险模型 (18) 2.3.3实例分析 (18) 第三章总结 (21) 3.1贝叶斯公式的概括 (21) 3.2贝叶斯公式的实际应用 (21) 结束语 (23) 参考文献 (24) 后记 (25) 1 算法介绍 1.1 贝叶斯方法的基本观点 托马斯·贝叶斯(ThomasBayes)是英国数学家，他对贝叶斯方法奠基性的工作是他的论文“关于几率性问题求解的评论”。由于当时贝叶斯方法在理论和应用中还存在很多不完善的地方，因此在很长一段时间并未被普遍接受。后来随着统计决策理论、信息论和经验贝叶斯方法等理论和方法的创立和应用，贝叶斯方法很快显示出它的优点，成为十分活跃的一个方向。随着人工智能的发展尤其是机器学习、数据挖掘的兴起，贝叶斯理论的发展和应用也获得了更为广阔的空间。近年来，贝叶斯学习理论方面的文章更是层出不穷，内容涉及到人工智能的大部分领域，如因果推理、不确定性知识表达、模式识别和聚类分析等，同时出现了专门研究贝叶斯理论的组织ISBA(IntemationalSoeietyofBayesianAnalysis)。 贝叶斯方法的特点是使用概率去表示所有形式的不确定性，学习或其他形式的推理都用概率规则来实现。贝叶斯理论在数据挖掘中的应用主要包括贝叶斯方法用于分类及回归分析、因果推理和不确定知识表达以及聚类模式发现等。贝叶斯方法正在以其独特的不确定性知识表达形式、丰富的概率表达能力、综合先验知识的增量学习特性等成为当前数据挖掘众多方法中最为引人注目的焦点之一。 贝叶斯统计是贝叶斯理论和方法的应用之一，其基本思想是：假定对所研究的对象在抽样前已有一定的认识，常用先验分布来描述这种认识，然后基于抽取的样本再对先验认识作修正，得到后验分布，而各种统计推断都基于后验分布进行。经典统计学的出发点是根据样本，在一定的统计模型下做出统计推断。在取得样本观测值X 之前，往往对参数统计模型中的参数θ有某些先验知识，关于θ的先验知识的数学描述就是先验分布。贝叶斯统计的主要特点是使用先验分布，而在得到样本观测值T n x x x X ),...,,(21 后，由X 与先验分布提供的信息， 经过计算和处理，组成较完整的后验信息。这一后验分布是贝叶斯统计推断的基础。 1.2 贝叶斯统计模型 1.2.1 概率论中的贝叶斯公式 设事件A 1，A 2，…，A k 构成互不相容的完备事件组，则Bayes 公式是 (1) 在上式中，先验信息以{P(A j ), j=1,2,…,k }这一概率分布的形式给出，即先验分布。由于事件B 的发生，可以对A 1，A 2，…，A k 发生的概率提供新的信息。根据这些信息以及先验分布，可得出后验分布{P (A i |B ), i=1,2,..,k }.可以看出，Bayes 公式反映了从先验分布向后验分布的转化。 1.2.2 数据挖掘中常用的贝叶斯公式 将(1)式中的随机变量的形式改写，引入随机变量θ，它的取值是θ1,θ2,…,θk ,其中θj =θ(A j )，即当A j 发生时，θ取值θj ，θ是离散型的(取有限值)，具有 贝叶斯网络 贝叶斯网络（Bayesian network），又称信念网络（belief network）或是有向无环图模型（directed acyclic graphical model），是一种概率图型模型，借由有向无环图（directed acyclic graphs, or DAGs）中得知一组随机变数{}及其n组条件概率分配（conditional probability distributions, or CPDs）的性质。举例而言，贝叶斯网络可用来表示疾病和其相关症状间的概率关系；倘若已知某种症状下，贝叶斯网络就可用来计算各种可能罹患疾病之发生概率。 一般而言，贝叶斯网络的有向无环图中的节点表示随机变数，它们可以是可观察到的变量，抑或是隐变量、未知参数等。连接两个节点的箭头代表此两个随机变数是具有因果关系或是非条件独立的；而两个节点间若没有箭头相互连接一起的情况就称其随机变数彼此间为条件独立。若两个节点间以一个单箭头连接在一起，表示其中一个节点是“因（parents）”，另一个是“果（descendants or children）”，两节点就会产生一个条件概率值。比方说，我们以表示第i个节点，而的“因”以表示，的“果”以表示；图一就是一种典型的贝叶斯网络结构图，依照先前的定义，我们就可以轻易的从图一可以得知： ，以及 大部分的情况下，贝叶斯网络适用在节点的性质是属于离散型的情况下，且依照此条件概率写出条件概率表（conditional probability table, or CPT），此条件概率表的每一行（row）列 出所有可能发生的，每一列（column）列出所有可能发生的，且任一行的概率总和必为1。写出条件概率表后就很容易将事情给条理化，且轻易地得知此贝叶斯网络结构图中各节点间之因果关系；但是条件概率表也有其缺点：若是节点是由很多的“因”所造成的“果”，如此条件概率表就会变得在计算上既复杂又使用不便。下图为图一贝叶斯网络中某部分结构图之条件概率表。 图一：部分结构图之条件概率表贝叶斯网络
基于贝叶斯网络的各种抽样方法比较
基于贝叶斯网络技术的软件缺陷预测与故障诊断
贝叶斯网络的建造训练和特性
贝叶斯公式公式在数学模型中的应用
贝叶斯方法在聚类中的应用
[p]贝叶斯网络
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