人工智能 第6章 知識表示講述

1、第第6章章 知識表示知識表示 第第6章章 知識表示知識表示 6.1 知識及其表示知識及其表示 6.2 框框 架架 6.3 語義網(wǎng)絡(luò)語義網(wǎng)絡(luò) 6.4 面向?qū)ο笾R表示面向?qū)ο笾R表示 第第6章章 知識表示知識表示 6.1 知識及其表示知識及其表示 6.1.1 知識的概念 究竟什么是知識呢？我們認(rèn)為: 知識就是人們對客觀事物（包括自然的和人造的）及其規(guī)律的認(rèn)識， 知識還包括利用客觀規(guī)律解決實際問題的方法和策略。 對客觀事物及其規(guī)律的認(rèn)識，包括對事物的現(xiàn)象、本質(zhì)、屬性、狀 態(tài)、關(guān)系、聯(lián)系和運動等的認(rèn)識，即對客觀事物的原理的認(rèn)識。 利用客觀規(guī)律解決實際問題的方法和策略，包括解決問題的步驟、 操作、規(guī)則

2、、過程、技術(shù)、技巧等具體的微觀性方法；也包括諸如戰(zhàn)術(shù)、 戰(zhàn)略、計謀、策略等宏觀性方法。 所以，就內(nèi)容而言，知識可分為（客觀）原理性知識和（主觀）方法 性知識兩大類。 就形式而言，知識可分為顯式的和隱式的。 第第6章章 知識表示知識表示 6.1.2 知識表示 面向計算機的知識描述或表達(dá)形式和方法。 面向人的知識表示可以是語言、文字、數(shù)字、符號、 公式、圖表、圖形、圖像等多種形式。這些表示形式是 人所能接受、理解和處理的形式。但面向人的這些知識 表示形式，目前還不能完全直接用于計算機，因此就需 要研究適于計算機的知識表示模式。 具體來講，就是要用某種約定的（外部）形式結(jié)構(gòu)來 描述知識，而且這種形式

3、結(jié)構(gòu)還要能夠轉(zhuǎn)換為機器的內(nèi) 部形式，使得計算機能方便地存儲、處理和利用。 第第6章章 知識表示知識表示 6.1.3 知識表示的語言實現(xiàn) 上面談的知識表示僅指知識的邏輯結(jié)構(gòu)或形式。要 把這些外部的邏輯形式轉(zhuǎn)化為機器的內(nèi)部形式，還需要 程序語言支持。 原則上講，一般的通用程序設(shè)計語言都可實現(xiàn)上述 的大部分表示方法。但使用專用的面向某一知識表示的 語言更為方便和有效。因此，幾乎每一種知識表示方法 都有其相應(yīng)的專用實現(xiàn)語言。 例如，支持謂詞邏輯的語言有PROLOG和LISP，專 門支持產(chǎn)生式的語言有OPS5，專門支持框架的語言有 FRL，支持面向?qū)ο蟊硎镜恼Z言有Smalltalk、C+和Java 等，

4、支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的語言有AXON. 第第6章章 知識表示知識表示 6.2 框框 架架 6.2.1 框架的概念 框架是一種結(jié)構(gòu)模式，其一般形式是: | | | 其中槽值和側(cè)面值可以是數(shù)值、字符串、布爾值，也可以是 一個動作或過程，甚至還可以是另一個框架的名字。 第第6章章 知識表示知識表示 例6.1 一個描述“教師”的框架： 框架名: 類屬: 工作:范圍:(教學(xué)，科研;缺省:教學(xué)) 性別:(男，女) 學(xué)歷:(中師，高師) 類型:(， ) 可以看出，這個框架的名字 為“教師”，它含有5個槽， 槽名分別是“類屬”、“工 作”、“性別”、“學(xué)歷”和 “類型”。這些槽名的右面就 是其值，如“”、 “男”

5、、“女”、“高師”、 “中師”等等。其中“”又是一個框架名，“范 圍”、“缺省”就是側(cè)面名， 其后是側(cè)面值，如：“教學(xué)”、 “科研”等。 用括的槽值也是框架名。 第第6章章 知識表示知識表示 例6.2 一個描述“大學(xué)教師”的框架： 框架名: 類屬: 學(xué)歷:(學(xué)士，碩士，博士) 專業(yè): 職稱:(助教，講師，副教授，教授) 外語:語種:范圍:(英，法，日，俄，德，) 缺省:英 水平:(優(yōu)，良，中，差) 缺省:良 描述一個具體教師的框架: 框架名: 類屬: 姓名:李明 性別:男 年齡:25 學(xué)歷：博士 職稱:助教 專業(yè):計算機應(yīng)用 外語：英 水平：良 部門:計算機系軟件教研室 工作: 參加工作時間:

6、1995年8月 工齡:當(dāng)前年份-參加工作年份 工資: 可以看出，兩個框架之間存在一種層次關(guān) 系。一般稱前者為上位框架（或父框架）， 后者為下位框架（或子框架）。當(dāng)然，上位 和下位是相對而言的。 第第6章章 知識表示知識表示 6.2.2 框架的表達(dá)能力 由框架的形式可以看出，框架適合表達(dá)結(jié)構(gòu)性的 知識。所以，概念、對象等知識最適于用框架表示。 其實，框架的槽就是對象的屬性或狀態(tài)，槽值就是屬 性值或狀態(tài)值。 框架還可以表示行為（動作），所以，有些過程 性事件或情節(jié)也可用框架網(wǎng)絡(luò)來表示。 第第6章章 知識表示知識表示 例6.4 關(guān)于房間的框架: 框架名: 墻數(shù)x1: 缺省:x1=4 條件:x10 窗

7、數(shù)x2: 缺省:x2=2 條件:x20 門數(shù)x3: 缺省:x3=1 條件:x30 前墻:(墻框架(w1，d1) 后墻:(墻框架(w2，d2) 左墻:(墻框架(w3，d3) 右墻:(墻框架(w4，d4) 天花板: 地板: 門: 窗: 條件:w1+w2+w3+w4=x2 d1+d2+d3+d4=x3 類型:(，) 第第6章章 知識表示知識表示 例6.5 機器人糾紛問題的框架描述。 圖61 機器人糾紛問題 框架名： 打人 -1 動作：打 動作發(fā)出者：羅賓 動作接受者：蘇西 后果：（打人- 2，哭泣- 1） 框架名： 打人 -2 動作：打 動作發(fā)出者：蘇西 動作接受者：羅賓 后果：(打人- 1，哭泣-

8、 2) 框架名： 哭 -1 動作：哭 動作發(fā)出者：蘇西 后果：（得意,懊悔 ） 框架名： 哭 -2 動作：哭 動作發(fā)出者：羅賓 后果：心里平衡 第第6章章 知識表示知識表示 產(chǎn)生式規(guī)則也可用框架表示。 例: 產(chǎn)生式 如果頭痛且發(fā)燒，則患感冒。 用框架表示可為： 框架名： 前提：條件1:頭痛 條件2:發(fā)燒 結(jié)論:患感冒 第第6章章 知識表示知識表示 6.2.3 基于框架的推理 基于框架的推理方法是繼承:子框架可以擁有其父 框架的槽及其槽值。 實現(xiàn)繼承的操作有匹配、搜索和填槽。 匹配:問題框架同知識庫中的框架模式匹配。所謂 問題框架，就是要求解某個問題時，先把問題用一個 框架表示出來，然后與知識庫

9、中的已有框架進(jìn)行匹配。 如果匹配成功，就可獲得有關(guān)信息。 搜索就是沿著框架間的縱向和橫向聯(lián)系，在框架網(wǎng) 絡(luò)中進(jìn)行查找。搜索的目的是為了獲得有關(guān)信息。 第第6章章 知識表示知識表示 6.2.4 框架的程序語言實現(xiàn) PROLOG可方便地實現(xiàn)框架。用PROLOG實現(xiàn)框架表示，一般采 用含結(jié)構(gòu)或表的謂詞來實現(xiàn)。因為框架實際上就是樹，而PROLOG 的結(jié)構(gòu)也是樹.表的元素個數(shù)和層數(shù)都不限定，可動態(tài)變化，因此， 更適于表示一般的框架。 例如，前面的“教師”框架用PROLOG可表示如下: frame(name(教師)， kind_of()， work(scope(教學(xué)，科研)，default(教學(xué))， se

10、x(男，女)， reco_of_f_s(中師，高師)， type(“”，“”，“”). 第第6章章 知識表示知識表示 框架的通用表示形式參考:其中的subtreelist是遞歸定義的。按此定義所有框 架都取統(tǒng)一的表示形式。 domains name=name(string) body=body(subtreelist) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtreelist) database frame(name，body) clauses frame(name(“教師”)， body(st(“類屬”，st(“”，)， st(“工作”，st(“范

11、圍”，st(“教學(xué)”，)， st(科研，)，st(缺省，st(教學(xué)，)， st(性別，st(男，)，st(女，)， st(學(xué)歷，st(中師，)，st(高師，)， st(類型，st(，)，st(，)， st() 第第6章章 知識表示知識表示 6.3 語義網(wǎng)絡(luò)語義網(wǎng)絡(luò) 6.3.1 語義網(wǎng)絡(luò)的概念 語義網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點和邊 （也稱有向弧）組成的一種 有向圖。其中節(jié)點表示事物、 對象、概念、行為、性質(zhì)、 狀態(tài)等；有向邊表示節(jié)點之 間的某種聯(lián)系或關(guān)系。例如 圖是一個語義網(wǎng)絡(luò)。其中， 邊上的標(biāo)記是邊的語義。 圖62 蘋果的語義網(wǎng)絡(luò) 第第6章章 知識表示知識表示 語義網(wǎng)絡(luò)的概念最先由Quillian提出來的(1

12、968年,博士論文):把語 義網(wǎng)絡(luò)作為人類聯(lián)想記憶的一個顯式心理模型。所以，語義網(wǎng)絡(luò)也稱 聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)。語義網(wǎng)絡(luò)可以劃分為五個級別：執(zhí)行級、邏輯級、認(rèn)識論 級、概念級和語言學(xué)級。七種類型： (1)命題語義網(wǎng)（包括分塊聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)）； (2)數(shù)據(jù)語義網(wǎng)：以數(shù)據(jù)為中心的語義網(wǎng)絡(luò)； (3)語言語義網(wǎng)：用于自然語言的分析和理解； (4)結(jié)構(gòu)語義網(wǎng)：描述客觀事物的結(jié)構(gòu)，常見于模式識別和機器學(xué) 習(xí)等領(lǐng)域； (5)分類語義網(wǎng)：描述抽象概念及其層次； (6)推理語義網(wǎng)：是一種命題網(wǎng)，但它已在某種程度上規(guī)范化，更 適于推理； (7)框架語義網(wǎng)：與框架相結(jié)合的 第第6章章 知識表示知識表示 6.3.2 語義網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力

13、 語義網(wǎng)絡(luò)不僅可以表示事物 的屬性、狀態(tài)、行為等，而且更 適合于表示事物之間的關(guān)系和聯(lián) 系。而表示一個事物的層次、狀 態(tài)、行為的語義網(wǎng)絡(luò)，也可以看 作是該事物與其屬性、狀態(tài)或行 為的一種關(guān)系。 抽象地說，語義網(wǎng)絡(luò)可表示事 物之間的關(guān)系。因此，關(guān)系（或 聯(lián)系）型的知識和能化為關(guān)系型 的知識都可以用語義網(wǎng)絡(luò)來表示。 智能系統(tǒng) 專家思維專家知識 困難問題專家系統(tǒng) 是一種 能解決 具有 能模擬 第第6章章 知識表示知識表示 1.實例關(guān)系 實例關(guān)系表示類與其實例（個體）之間的關(guān)系。 這是最常見的一種語義關(guān)系。例如，“小華是一個大 學(xué)生”就可表示為圖64。其中，關(guān)系“是一個”一 般標(biāo)識為“is-a”，或I

14、SA。 小華大學(xué)生 ISA 第第6章章 知識表示知識表示 2.分類（或從屬、泛化）關(guān)系 分類關(guān)系是指事物間的類 屬關(guān)系，圖65就是一個描 述分類關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)。其 中下層概念節(jié)點除了可繼承、 細(xì)化、補充上層概念節(jié)點的 屬性外，還出現(xiàn)了變異的情 況：鳥是鴕鳥的上層概念節(jié) 點，其屬性是“有羽毛”、 “會飛”，但鴕鳥的屬性只 是繼承了“有羽毛”這一屬 性，而把鳥的“會飛”變異 為“不會飛”。其中，關(guān)系 “是一種”一般標(biāo)識為“a kind of”或AKO。 第第6章章 知識表示知識表示 3.組裝關(guān)系 如果下層概念是上層概念的一個方面或者一部分， 則稱它們的關(guān)系是組裝關(guān)系。例如圖66所示的語義 網(wǎng)絡(luò)就是

15、一種聚集關(guān)系。其中，關(guān)系“一部分”一般 標(biāo)識為“a part of”。 桌子 桌腿桌面 一部分a part of 第第6章章 知識表示知識表示 4.屬性關(guān)系 屬性關(guān)系表示對象的屬性及其屬性值。如圖表示 simon是一個人，男性，40歲，職業(yè)是教師。 Person sumon ISA 男40教師 sexageprofession 第第6章章 知識表示知識表示 張三計算機學(xué)會 是成員 5.集合與成員關(guān)系 意思是“是的成員”，它表示成員（或元素）與 集合之間的關(guān)系。例如，“張三是計算機學(xué)會會 員” 。其中，關(guān)系“是成員”一般標(biāo)識為“a- member-of”。 第第6章章 知識表示知識表示 第第6章

16、章 知識表示知識表示 6.邏輯關(guān)系 如果一個概念可由另一個概念推出，兩個概念間 存在因果關(guān)系，則稱它們之間是邏輯關(guān)系。圖69所 示的語義網(wǎng)絡(luò)就是一個邏輯關(guān)系。 雨天 外出 ANDOR 帶雨披 帶雨傘 則 第第6章章 知識表示知識表示 7.方位關(guān)系 在描述一個事物時，經(jīng)常需要指出它發(fā)生的時間、位置，或 者指出它的組成、形狀等等，此時可用相應(yīng)的方位關(guān)系語義網(wǎng)絡(luò) 表示。例如事實： 張宏是石油學(xué)院的一名助教； 石油學(xué)院位于西安市電子二路； 張宏今年25歲。 電子2路石油學(xué)院張宏助教 西安市區(qū)25歲 位于工作在職務(wù) 屬于 年齡 第第6章章 知識表示知識表示 8.所屬關(guān)系 所屬關(guān)系表示“具有”的意思。例如

17、“狗有尾巴” 圖611 表示所屬關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 狗尾巴 have 第第6章章 知識表示知識表示 語義網(wǎng)絡(luò)中的語義關(guān)系是多種多樣的，一般根據(jù) 實際關(guān)系定義。如常見的還有before、after、at等表示 時間次序關(guān)系和located-on、located-under等表示位置關(guān) 系。進(jìn)一步，還可對帶有全稱量詞和存在量詞的謂詞 公式的語義加以表示。 語義網(wǎng)絡(luò)實際上是一種復(fù)合的二元關(guān)系圖。網(wǎng)絡(luò) 中的一條邊就是一個二元關(guān)系，而整個網(wǎng)絡(luò)可以看作 是由這些二元關(guān)系拼接而成。 第第6章章 知識表示知識表示 還可以從語句角 度來考察語義網(wǎng)。 例如，對于如下 的語句(或事件)： 小王送給小李一本 書。 用語義

18、網(wǎng)絡(luò)可表示如 圖，其中S代表整個 語句。這種表示被稱 為是自然語言語句的 深層結(jié)構(gòu)表示。 送 書 小王小 李 書 giverrecipient S object 第第6章章 知識表示知識表示 語義網(wǎng)絡(luò)表示用謂詞公式表示的形式語言語句。例如： x(student(x)read(x，三國演義) 即“某個學(xué)生讀過三國演義”，其語義網(wǎng)絡(luò)表 示為： student ISA 三國演義 readbook xread1 ISAISA subjectobject 第第6章章 知識表示知識表示 分塊語義網(wǎng)絡(luò) student ISA 三國演義 readbook xread1 ISA ISA subjectobjec

19、t R GS ISA F A “每個學(xué)生都讀過三國演義”： 其語義網(wǎng)絡(luò)表示為： ) ,()(三國演義xreadxstudentx 第第6章章 知識表示知識表示 6.3.3 基于語義網(wǎng)絡(luò)的推理 基于語義網(wǎng)絡(luò)的推理也是繼承。繼承也是通過匹 配、搜索實現(xiàn)的。問題求解時，首先根據(jù)待求問題的 要求構(gòu)造一個網(wǎng)絡(luò)片斷，然后在知識庫中查找可與之 匹配的語義網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)片斷中的詢問部分與知識庫 中的某網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)匹配時，則與詢問處匹配的事實，就 是問題的解。 蘋果 x富士 特點 AKO 語義網(wǎng)絡(luò)片段 第第6章章 知識表示知識表示 6.3.4 語義網(wǎng)絡(luò)的程序語言實現(xiàn) 由 于 語 義 網(wǎng) 絡(luò) 是 一 個 二 元 關(guān) 系

20、 圖 ， 所 以 用 PROLOG可方便地實現(xiàn)語義網(wǎng)絡(luò)知識表示。 例如，圖61所示的語義網(wǎng)絡(luò)用PROLOG可表示如下: a_kind_of(蘋果，水果). taste(蘋果，甜). a_kind_of(富士，蘋果). intro_from(富士，日本). is_a(日本，亞洲國家). 第第6章章 知識表示知識表示 a-kind-of(秦冠，蘋果). produ-in(秦冠，陜西). is-located-at(陜西，中國西部). a-part-of(中國西部，中國). 也可以表示為 arc(a-kind-of，蘋果，水果). arc(taste，蘋果，甜). arc(a-kind-of，富士，

21、蘋果). arc(intro-from，富士，日本). arc(is-a，日本，亞洲國家). 第第6章章 知識表示知識表示 arc(a-kind-of，秦冠，蘋果). arc(produ-in，秦冠，陜西). arc(is-located-at，陜西，中國西部). arc(a-part-of，中國西部，中國). 也可以將一個網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)片段組織在一個事實中。例如： net1( a-kind-of(“蘋果”，“水果”)，taste(“蘋果”，“甜”)，a-kind-of(“秦冠”， “蘋果”)，produ-in(秦冠，陜西). 第第6章章 知識表示知識表示 6.4 面向?qū)ο笾R表示面向?qū)ο笾R表示

22、 近年來，在知識表示領(lǐng)域則出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮闹R表示方法。 面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的核心概念是對象和類。對象可以泛指一切事物， 類則是一類對象的抽象模型。反之，一個對象是其所屬類的實例。 通常，在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言中，只給出類的定義，其對象由 類生成。 類的定義中就說明了所轄對象的共同特征（屬性、狀態(tài)等）和行 為。特征用變量表示，行為則是作用于這些特征和作用于對象的一 組操作，如函數(shù)、過程等。這些操作一般稱為方法。這樣，一個類 將其對象所具有的共同特征和操作組織在一起，統(tǒng)一進(jìn)行定義，以 供全體對象共享。即當(dāng)給類中的特征變量賦予一組值時，則這組值 連同類中的方法，就構(gòu)成了一個具體的對象。 第第6章章 知識表示知識表示 例 C+中一個雇員類和經(jīng)理類的定義。 class Employee privite: char *Name; int Age; int Salary; public: Employee(char*name，int age，int salary); Employee(); void Change(int age,int salary); void Retire(); 第第6章章