人工智能 第6章 知識表示

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 語義網絡語義網絡6.4 面向對象知識表示面向對象知識表示第第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 6.1.1 知識的概念 究竟什么是知識呢？我們認為: 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)律的認識，包括對事物的現象、本質、屬性、狀態(tài)、關系、聯系和運動等的認識，即對客觀事物的原理的認識。 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、過程、技術

2、、技巧等具體的微觀性方法；也包括諸如戰(zhàn)術、戰(zhàn)略、計謀、策略等宏觀性方法。 所以，就內容而言，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形式和方法。 面向人的知識表示可以是語言、文字、數字、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）形式結構來描述知識，而且這種形式結構還要能夠轉換為機器的內

3、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 上面談的知識表示僅指知識的邏輯結構或形式。要把這些外部的邏輯形式轉化為機器的內部形式，還需要程序語言支持。 原則上講，一般的通用程序設計語言都可實現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的專用實現語言。 例如，支持謂詞邏輯的語言有PROLOG和LISP，專門支持產生式的語言有OPS5，專門支持框架的語言有FRL，支持面向對象表示的語言有Smalltalk、C+和Java等，支持神經網絡表示的語言有AXON.第第6章章

4、知識表示知識表示 6.2 框框 架架 6.2.1 框架的概念 框架是一種結構模式，其一般形式是: | | | 其中槽值和側面值可以是數值、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，科研;缺省:教學)性別:(男，女)學歷:(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”

5、就是側面名，其后是側面值，如：“教學”、“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“大學教師”的框架：框架名:類屬:學歷:(學士，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學歷：博士職稱:助教專業(yè):計算機應用外語：英水平：良部門:計算機系軟件教研室工作:參加工作時間:1995年8月工齡:當前年份-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系。一般稱前者為上位框架（或父框架），后者為

6、下位框架（或子框架）。當然，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。 框架還可以表示行為（動作），所以，有些過程性事件或情節(jié)也可用框架網絡來表示。第第6章章 知識表示知識表示 例6.4 關于房間的框架:框架名:墻數x1: 缺省:x1=4 條件:x10窗數x2: 缺省:x2=2 條件:x20門數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，d

7、3)右墻:(墻框架(w4，d4)天花板:地板:門:窗:條件:w1+w2+w3+w4=x2d1+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- 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 產生式規(guī)則也可用框架表示。 例: 產生式 如果

8、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系，在框架網絡中進行查找。搜索的目的是為了獲得有關信息。 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 PROLOG可方便地

9、實現框架。用PROLOG實現框架表示，一般采用含結構或表的謂詞來實現。因為框架實際上就是樹，而PROLOG的結構也是樹.表的元素個數和層數都不限定，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，科研)，default(教學)， sex(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 n

10、ame=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() 第第6章章 知識表示知識表示 6.3

11、 語義網絡語義網絡 6.3.1 語義網絡的概念 語義網絡是由節(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、狀態(tài)等；有向邊表示節(jié)點之間的某種聯系或關系。例如圖是一個語義網絡。其中，邊上的標記是邊的語義。圖62 蘋果的語義網絡 第第6章章 知識表示知識表示 語義網絡的概念最先由Quillian提出來的(1968年,博士論文):把語義網絡作為人類聯想記憶的一個顯式心理模型。所以，語義網絡也稱聯想網絡。語義網絡可以劃分為五個級別：執(zhí)行級、邏輯級、認識論級、概念級和語言學級。七種類型： (1)命題語義網（包括分塊聯想網絡）； (2)數據語義網：以數據為中心的語義網絡；

12、 (3)語言語義網：用于自然語言的分析和理解； (4)結構語義網：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：描述抽象概念及其層次； (6)推理語義網：是一種命題網，但它已在某種程度上規(guī)范化，更適于推理； (7)框架語義網：與框架相結合的第第6章章 知識表示知識表示 6.3.2 語義網絡的表達能力 語義網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系。而表示一個事物的層次、狀態(tài)、行為的語義網絡，也可以看作是該事物與其屬性、狀態(tài)或行為的一種關系。 抽象地說，語義網絡可表示事物之間的關系。因此，關系（或聯系）型的知識和能化為關系型的知識都可

13、以用語義網絡來表示。 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64。其中，關系“是一個”一般標識為“is-a”，或ISA。小華大學生ISA第第6章章 知識表示知識表示 2.分類（或從屬、泛化）關系 分類關系是指事物間的類屬關系，圖65就是一個描述分類關系的語義網絡。其中下層概念節(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

14、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“a kind of”或AKO。第第6章章 知識表示知識表示 3.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66所示的語義網絡就是一種聚集關系。其中，關系“一部分”一般標識為“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.屬性關系 屬性關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。 PersonsumonISA男40教師sexageprofession第第6章章 知識表示知識表示 張三計算機

15、學會是成員5.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” 。其中，關系“是成員”一般標識為“a-member-of”。 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.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69所示的語義網絡就是一個邏輯關系。 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.方位關系 在描述一個事物時，經常需要指出它發(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絡表示。例如事實： 張宏是石油學院的一名助

16、教； 石油學院位于西安市電子二路； 張宏今年25歲。 電子2路石油學院張宏助教西安市區(qū)25歲位于工作在職務屬于年齡第第6章章 知識表示知識表示 8.所屬關系 所屬關系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”圖611 表示所屬關系的語義網絡 狗尾巴have第第6章章 知識表示知識表示 語義網絡中的語義關系是多種多樣的，一般根據實際關系定義。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。 語義網絡實際上是一種復合的二元關系圖。網絡中的一條邊就是一個二元關系，而整

17、個網絡可以看作是由這些二元關系拼接而成。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。 例如，對于如下的語句(或事件)： 小王送給小李一本書。 用語義網絡可表示如圖，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構表示。 送書小王小李書giverrecipientSobject第第6章章 知識表示知識表示 語義網絡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”，其語義網絡表示為：studentISA三國演義readbookxread1ISAISAsubjectobject第第6章章 知識表示知識表示

18、 分塊語義網絡 studentISA三國演義readbookxread1ISAISAsubjectobjectRGSISAFA“每個學生都讀過三國演義”：其語義網絡表示為：) ,()(三國演義xreadxstudentx第第6章章 知識表示知識表示 6.3.3 基于語義網絡的推理 基于語義網絡的推理也是繼承。繼承也是通過匹配、搜索實現的。問題求解時，首先根據待求問題的要求構造一個網絡片斷，然后在知識庫中查找可與之匹配的語義網絡，當網絡片斷中的詢問部分與知識庫中的某網絡結構匹配時，則與詢問處匹配的事實，就是問題的解。 蘋果x富士 特點AKO 語義網絡片段 第第6章章 知識表示知識表示 6.3.4

19、 語義網絡的程序語言實現 由 于 語 義 網 絡 是 一 個 二 元 關 系 圖 ， 所 以 用PROLOG可方便地實現語義網絡知識表示。 例如，圖61所示的語義網絡用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

20、). 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). 也可以將一個網絡或網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”)，a-kind-of(“秦冠”，“蘋果”)，produ-in(秦冠，陜西).

21、 第第6章章 知識表示知識表示 6.4 面向對象知識表示面向對象知識表示 近年來，在知識表示領域則出現了面向對象的知識表示方法。 面向對象技術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，在面向對象的程序設計語言中，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、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。第第6章章 知識表示知識表示 例 C+中一個雇員類和經理類的定義。 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 知識表示知識表示 Em