第7章-幾種結構化知識表示及其推理

1、第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.1 框架框架 7.2 語義網(wǎng)絡語義網(wǎng)絡 7.3 類與對象類與對象 習題七習題七 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.1 框框 架架7.2.1 框架的概念框架的概念 顧名思義，框架就是一種結構，一種模式，其一般形式是: | | 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 | 即一個框架一般有若干個槽，一個槽有一個槽值或者有若干個側面，而一個側面又有若干個側面值。其中槽值和側面值可以是數(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 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 例例7.1

2、下面是一個描述“教師”的框架：框架名:類屬:工作:范圍:(教學，科研) 缺省:教學性別:(男，女)學歷:(中師，高師)類型:(，)第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 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”、“學歷”和“類型”。這些槽名的右面就是其值，如“”、“男”、“女”、“高師”、“中師”等等。其中“”又是一個框架名，“范圍”、“缺省”就是側面名，其后是側面值，如：“教學”、“科研”等。另外，用括的槽值也是框架名。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 例例7.2 下面是一個描述“大學教師”的框架：框架名:類屬:學歷:(學士，碩士，博士)

3、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:良第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 例7.3 下面是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職業(yè):教師職稱:助教專業(yè):計算機應用第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 部門:計算機系軟件教研室工作:參加工作時間:1995年8月工齡:當前年份-參加工作年份工資:第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 比較例7.2和例7.3中的框架，可以看出，前者描述的是一個概念，后者描述的則是一個具體的事物。二者的關系是，后者是前者的一個實例。因此，后者一般稱

4、為前者的實例框架。這就是說，這兩個框架之間存在一種層次關系。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）。當然，上位和下位是相對而言的。例如“大學教師”雖然是“教師-1”的上位框架，但它卻是“教師”框架的下位框架，而“教師”又是“知識分子”的下位框架。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.1.2 框架的表達能力框架的表達能力 由框架的形式可以看出，框架適合表達結構性的知識。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。不僅如此，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)絡來表示。第 7 章 幾種

5、結構化知識表示及其推理 例例7.4 下面是關于房間的框架:框架名:墻數(shù)x1: 缺省:x1=4 條件:x10窗數(shù)x2: 缺省:x2=2 條件:x20門數(shù)x3: 缺省:x3=1 條件:x30第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 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 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 例7.5 機器人糾紛問題的框架描述如圖7-1所示。圖71 機器人糾紛問題第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 還需指出的是

6、，產(chǎn)生式規(guī)則也可用框架表示。例如，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 結論:患感冒第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.1.3 基于框架的推理基于框架的推理 基于框架的推理方法是繼承。所謂繼承，就是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。 匹配就是問題框架同知識庫中的框架的模式匹配。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，然后與知識庫中的已有框架進行匹配。如果匹配成功，就可獲得有關信息。搜索就是沿著框架間的縱向和橫向聯(lián)系，在框架網(wǎng)絡中進行查找。搜索的目的是為了獲得有關信息。第

7、 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 框架名: 教師-1姓名: 李明性別: 男年齡: 25職稱: 助教專業(yè): 計算機應用部門: 計算機系軟件教研室外語水平： 顯然, 原框架“教師-1”中無“外語水平”槽, 但它的父框架是“大學教師”, 該框架內(nèi)有“外語水平”槽, 并且側面“語種”(“范圍”)缺省值是“英”, 側面“水平”的缺省值是“良”。 于是通過繼承, 便知道了“教師-1”懂英語, 且水平還良好。 那么, 這兩個值也就可以填到“教師-1”的槽中。 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.1.4 框架的程序語言實現(xiàn)框架的程序語言實現(xiàn) 有一種名為FRL(Frame Representatio

8、n Language)的程序設計語言，就是專門基于框架的程序設計語言。用它就可以方便地實現(xiàn)框架知識表示。不過，用PROLOG也可方便地實現(xiàn)框架表示。用PROLOG實現(xiàn)框架表示，一般采用含結構或表的謂詞來實現(xiàn)。因為框架實際上就是樹，而PROLOG的結構也是樹，表又是特殊的結構，它的元素個數(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。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 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，科研)，default(教學)， sex(男，女)， reco-of-f-s(中師

9、，高師)， type(“”，“”，“”). 如果要給出框架的一個通用表示形式，則下面的表示方式可供參考。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 frame(name(教師)， body(st(類屬，st(，)， st(工作，st(范圍，st(教學，)，=st(科研，)， st(缺省，st(教學，)， st(性別，st(男，)，st(女，)， st(學歷，st(中師，)，st(高師，)， st(類型，st(，)，st(，)，= st() 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 這是一個PROLOG的“事實”，其謂詞及領域說明如下: domains name=name(string) body=b

10、ody(subtree list) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtreelist)database frame(name，body) 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。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.2 語義網(wǎng)絡語義網(wǎng)絡7.2.1 語義網(wǎng)絡的概念語義網(wǎng)絡的概念 語義網(wǎng)絡是由節(jié)點和邊（也稱有向?。┙M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)系或關系。例如圖72就是一個語義網(wǎng)絡。其中，邊上的標記就是邊的語義。 還需指出的是, 上述關于框架

11、的推理方法, 實際僅適于裝載著概念和實體對象的框架, 而對于裝載著規(guī)則的框架, 其推理就要用基于規(guī)則的演繹推理方法。 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 語義網(wǎng)絡的概念最先是由Quillian提出來的，他于1968年在他的博士論文中，把語義網(wǎng)絡作為人類聯(lián)想記憶的一個顯式心理模型。所以，語義網(wǎng)絡也稱聯(lián)想網(wǎng)絡。 現(xiàn)在，語義網(wǎng)絡的理論已經(jīng)有了長足的發(fā)展。有人把它劃分為五個級別：執(zhí)行級、邏輯級、認識論級、概念級和語言學級。并分為七種類型： (1)命題語義網(wǎng)（包括分塊聯(lián)想網(wǎng)絡）； (2)數(shù)據(jù)語義網(wǎng)：以數(shù)據(jù)為中心的語義網(wǎng)絡；第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 (3)語言語義網(wǎng)：用于自然語言的分析和

12、理解； (4)結構語義網(wǎng)：描述客觀事物的結構，常見于模式識別和機器學習等領域； (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)：與框架相結合的語義網(wǎng)。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖72蘋果的語義網(wǎng)絡第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 6.3.2 語義網(wǎng)絡的表達能力語義網(wǎng)絡的表達能力 由語義網(wǎng)絡的結構特點可以看出，語義網(wǎng)絡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，也可以看作是該事物與其屬性、狀態(tài)或行為的一種關系。如圖73

13、所示的語義網(wǎng)絡，就表示了專家系統(tǒng)這個事物（的內(nèi)涵），同時也可以看作是表示了專家系統(tǒng)與“智能系統(tǒng)”、“專家知識”、“專家思維”及“困難問題”這幾個事物之間的關系或聯(lián)系。所以，抽象地說，語義網(wǎng)絡可表示事物之間的關系。因此，關系（或聯(lián)系）型的知識和能化為關系型的知識都可以用語義網(wǎng)絡來表示。下面我們就給出常見的幾種。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖73 專家系統(tǒng)的語義網(wǎng)絡 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 1.實例關系實例關系 實例關系表示類與其實例（個體）之間的關系。這是最常見的一種語義關系。例如，“小華是一個大學生”就可表示為圖74。其中，關系“是一個”一般標識為“is-a”，或I

14、SA。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖74 表示實例關系的語義網(wǎng)絡 小華大學生是一個第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 2.分類（或從屬、泛化）關系分類（或從屬、泛化）關系 分類關系是指事物間的類屬關系，圖75就是一個描述分類關系的語義網(wǎng)絡。在圖75中，下層概念節(jié)點除了可繼承、細化、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，關系“是一種”一般標識為“akindof”或AKO。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖75 表示分類關系的語義網(wǎng)

15、絡 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 3.組裝關系組裝關系 如果下層概念是上層概念的一個方面或者一部分，則稱它們的關系是組裝關系。例如圖76所示的語義網(wǎng)絡就是一種聚集關系。其中，關系“一部分”一般標識為“a-part-of”。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 桌子桌腿桌面一部分一部分圖76 表示組裝關系的語義網(wǎng)絡 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 4.屬性關系屬性關系 屬性關系表示對象的屬性及其屬性值。例如，圖77表示simon是一個人，男性，40歲，職業(yè)是教師。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖77 表示屬性關系的語義網(wǎng)絡PersonsumonISA男40教師sex

16、ageprofession第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 5.集合與成員關系集合與成員關系 意思是“是的成員”，它表示成員（或元素）與集合之間的關系。例如，“張三是計算機學會會員”可表示為圖78。其中，關系“是成員”一般標識為“a-member-of”。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖78 表示集合成員關系的語義網(wǎng)絡 張三計算機學會是成員第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 6.邏輯關系邏輯關系 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系，則稱它們之間是邏輯關系。圖79所示的語義網(wǎng)絡就是一個邏輯關系。 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖79 表示邏輯關系

17、的語義網(wǎng)絡 雨天外出ANDOR帶雨披帶雨傘則第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.方位關系方位關系 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，此時可用相應的方位關系語義網(wǎng)絡表示。例如事實： 張宏是石油學院的一名助教； 石油學院位于西安市電子二路； 張宏今年25歲。 可用圖710所示的語義網(wǎng)絡表示。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖710 表示方位關系的語義網(wǎng)絡 電子2路石油學院張宏助教西安市區(qū)25歲味道工作在職務屬于年齡第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖711 表示所屬關系的語義網(wǎng)絡狗尾巴have 8.所屬關系所屬關系 所屬關系表示“具

18、有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示為圖711。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 語義網(wǎng)絡中的語義關系是多種多樣的，一般根據(jù)實際關系定義。如常見的還有before、after、at等表示時間次序關系和located-on、located-under等表示位置關系。進一步，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。 由上所述可以看出，語義網(wǎng)絡實際上是一種復合的二元關系圖。網(wǎng)絡中的一條邊就是一個二元關系，而整個網(wǎng)絡可以看作是由這些二元關系拼接而成。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 上面我們是從關系角度考察語義網(wǎng)的表達力的。下面我們從語句角度來考察語義網(wǎng)。 例如，對于如下的語句

19、(或事件)： 小王送給小李一本書。 用語義網(wǎng)絡可表示為圖712，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構表示。 語義網(wǎng)絡也能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“某個學生讀過三國演義”，其語義網(wǎng)絡表示為圖713。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖712 語句(事件)的語義網(wǎng)絡 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖713 謂詞公式的語義網(wǎng)絡 studentISA三國演義readbookxread1ISAISAsubjectobject第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖714 分塊語義網(wǎng)絡 stude

20、ntISA三國演義readbookxread1ISAISAsubjectobjectRGSISAFA又如： x(student (x) read (x, 三國演義) 即“每個學生讀過三國演義”, 其語義網(wǎng)絡表示為圖 7-14。 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.2.3 基于語義網(wǎng)絡的推理基于語義網(wǎng)絡的推理 基于語義網(wǎng)絡的推理也是繼承。繼承也是通過匹配、搜索實現(xiàn)的。問題求解時，首先根據(jù)待求問題的要求構造一個網(wǎng)絡片斷，然后在知識庫中查找可與之匹配的語義網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡片斷中的詢問部分與知識庫中的某網(wǎng)絡結構匹配時，則與詢問處匹配的事實，就是問題的解。我們要通過圖7-1所示的語義網(wǎng)絡(假設它已存

21、入知識庫), 查詢富士蘋果有什么特點。那么, 我們可先構造如圖7-15所示的一個網(wǎng)絡片段。然后, 使其與知識庫中的語義網(wǎng)絡進行匹配。 匹配后X的值應為“脆甜”。當然, 這是一個簡單問題。如果問題復雜, 也可能不能通過直接匹配得到結果, 那么還需要沿著有關邊進行搜索, 通過繼承來獲得結果。例如要問：吃富士蘋果對人的健康有何意義？ 那么, 通過上述網(wǎng)絡片斷不能直接獲得答案, 這時, 就需沿著邊“AKO”一直搜索到節(jié)點“水果”, 由水果的“富營養(yǎng)”性, 通過特性繼承便得到富士蘋果也富營養(yǎng)。 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 圖715 語義網(wǎng)絡片段 蘋果x富士 特點AKO第 7 章 幾種結構化知

22、識表示及其推理 7.2.4 語義網(wǎng)絡的程序語言實現(xiàn)語義網(wǎng)絡的程序語言實現(xiàn) 由 于 語 義 網(wǎng) 絡 是 一 個 二 元 關 系 圖 ， 所 以 用PROLOG可方便地實現(xiàn)語義網(wǎng)絡知識表示。例如，圖71所示的語義網(wǎng)絡用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 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 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)

23、. 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，蘋果). arc(intro-from，富士，日本). arc(is-a，日本，亞洲國家). 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 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). 當然，我們也可以將一個網(wǎng)絡或網(wǎng)絡片段組織在一個事實中。例如： net1( a-kind-of(“蘋果”，“水果”)， taste(“蘋果”，“甜”

24、)， a-kind-of(“秦冠”，“蘋果”)， produ-in(秦冠，陜西). 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 7.3 面向?qū)ο笾R表示面向?qū)ο笾R表示近年來，面向?qū)ο蠹夹g蓬勃興起。在知識表示領域則出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮闹R表示方法。 面向?qū)ο蠹夹g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計語言中，只給出類的定義，其對象由類生成。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 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

25、。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)一進行定義，以供全體對象共享。即當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，就構成了一個具體的對象。第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 例例7.6 下面是面向?qū)ο蟪绦蛟O計語言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();第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 ;Employee Em

26、ployee(char*name，int age，int salary)Name=newcharstrlen(name);strcpy(Name，name);Age=age;Salary=salary;= = Employee Employee() Delete Name;= Void Employee Change(int age，int salary)第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 Age=age;Salary=salary;Void Employee Retire()if(Age60)Delete this;以上是雇員類的定義，用此定義就可生成一個雇員類的實例，即雇員對象。例如下面的語句 Employeee1(李明，30) 第 7 章 幾種結構化知識表示及其推理 就生成一個名為李明，年齡為30歲的雇員。下面是經(jīng)理類的定義。 Class Manager:public EmployeeInt Level;public:Manager(char*name，int age，int salary，int