幾種結(jié)構(gòu)化知識(shí)表示和其推理

1、第 7 章 幾種結(jié)構(gòu)化知識(shí)表示及其推理 7.1 框架 7.2 語義網(wǎng)絡(luò) 7.3 類與對(duì)象 7.1 框 架7.2.1 框架的概念 顧名思義，框架就是一種結(jié)構(gòu)，一種模式，其一般形式是: | | | 即一個(gè)框架一般有若干個(gè)槽，一個(gè)槽有一個(gè)槽值或者有若干個(gè)側(cè)面，而一個(gè)側(cè)面又有若干個(gè)側(cè)面值。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(gè)動(dòng)作或過程，甚至還可以是另一個(gè)框架的名字。例 下面是一個(gè)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(gè)框架的名字為“教師”，它含有5個(gè)槽，槽名分別是“類屬”、“工作”、“性

2、別”、“學(xué)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(gè)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。另外，用括的槽值也是框架名。例 下面是一個(gè)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:良例7.3 下面是描述一個(gè)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(jì)算機(jī)應(yīng)用部門:計(jì)算機(jī)系軟件教研室工作:參加工作時(shí)間:1995年8月工

3、齡:當(dāng)前年份-參加工作年份工資: 比較例和例中的框架，可以看出，前者描述的是一個(gè)概念，后者描述的則是一個(gè)具體的事物。二者的關(guān)系是，后者是前者的一個(gè)實(shí)例。因此，后者一般稱為前者的實(shí)例框架。這就是說，這兩個(gè)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(duì)而言的。例如“大學(xué)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(shí)分子”的下位框架。7.1.2 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(shí)。所以，概念、對(duì)象等知識(shí)最適于用框架表示。其實(shí)，框架的槽就是對(duì)象的屬性或狀態(tài)，槽值就是屬性

4、值或狀態(tài)值。不僅如此，框架還可以表示行為（動(dòng)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。例 下面是關(guān)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:(，)例7.5 機(jī)器人糾紛問題的框架描述如圖7-1所示。圖71 機(jī)器人糾紛問題 還需指出的是，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

5、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7.1.3 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(shí)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(shí)庫(kù)中的框架的模式匹配。所謂問題框架，就是要求解某個(gè)問題時(shí)，先把問題用一個(gè)框架表示出來，然后與知識(shí)庫(kù)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?？蚣苊? 教師-1姓名: 李明性別: 男年齡: 25職稱: 助教專業(yè): 計(jì)算機(jī)應(yīng)用部門: 計(jì)算機(jī)系軟件教研室

6、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(xué)教師”, 該框架內(nèi)有“外語水平”槽, 并且側(cè)面“語種”(“范圍”)缺省值是“英”, 側(cè)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(gè)值也就可以填到“教師-1”的槽中。 7.1.4 框架的程序語言實(shí)現(xiàn) 有一種名為FRL(Frame Representation Language)的程序設(shè)計(jì)語言，就是專門基于框架的程序設(shè)計(jì)語言。用它就可以方便地實(shí)現(xiàn)框架知識(shí)表示。不過，用PROLOG也可方便地實(shí)現(xiàn)框架表示。用PROLOG實(shí)現(xiàn)框架表示，一般采用含結(jié)構(gòu)或表的謂詞來實(shí)

7、現(xiàn)。因?yàn)榭蚣軐?shí)際上就是樹，而PROLOG的結(jié)構(gòu)也是樹，表又是特殊的結(jié)構(gòu)，它的元素個(gè)數(shù)和層數(shù)都不限定，可動(dòng)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))， sex(男，女)， reco-of-f-s(中師，高師)， type(“”，“”，“”). 如果要給出框架的一個(gè)通用表示形式，則下面的表示方式可供參考。frame(name(教師)， body(st(類屬，st(，)， st(工作，st(范圍，st(教學(xué)，)，=st(科研，)， st(缺省

8、，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() 這是一個(gè)PROLOG的“事實(shí)”，其謂詞及領(lǐng)域說明如下: domains name=name(string) body=body(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。7.2 語義網(wǎng)絡(luò)7.2.1 語義網(wǎng)絡(luò)的概念 語義網(wǎng)絡(luò)是

9、由節(jié)點(diǎn)和邊（也稱有向?。┙M成的一種有向圖。其中節(jié)點(diǎn)表示事物、對(duì)象、概念、行為、性質(zhì)、狀態(tài)等；有向邊表示節(jié)點(diǎn)之間的某種聯(lián)系或關(guān)系。例如圖72就是一個(gè)語義網(wǎng)絡(luò)。其中，邊上的標(biāo)記就是邊的語義。 還需指出的是, 上述關(guān)于框架的推理方法, 實(shí)際僅適于裝載著概念和實(shí)體對(duì)象的框架, 而對(duì)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。 語義網(wǎng)絡(luò)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(luò)作為人類聯(lián)想記憶的一個(gè)顯式心理模型。所以，語義網(wǎng)絡(luò)也稱聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)在，語義網(wǎng)絡(luò)的理論已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。有人把它劃分為五個(gè)級(jí)別：執(zhí)行級(jí)、邏輯級(jí)、認(rèn)識(shí)論級(jí)、概念級(jí)和語言學(xué)級(jí)。并

10、分為七種類型： (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(shí)別和機(jī)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)合的語義網(wǎng)。圖72蘋果的語義網(wǎng)絡(luò)6.3.2 語義網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力 由語義網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，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(gè)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

11、其屬性、狀態(tài)或行為的一種關(guān)系。如圖73所示的語義網(wǎng)絡(luò)，就表示了專家系統(tǒng)這個(gè)事物（的內(nèi)涵），同時(shí)也可以看作是表示了專家系統(tǒng)與“智能系統(tǒng)”、“專家知識(shí)”、“專家思維”及“困難問題”這幾個(gè)事物之間的關(guān)系或聯(lián)系。所以，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(shí)和能化為關(guān)系型的知識(shí)都可以用語義網(wǎng)絡(luò)來表示。下面我們就給出常見的幾種。圖73 專家系統(tǒng)的語義網(wǎng)絡(luò) 1.實(shí)例關(guān)系 實(shí)例關(guān)系表示類與其實(shí)例（個(gè)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(gè)大學(xué)生”就可表示為圖74。其中，關(guān)系“是一個(gè)”一般標(biāo)識(shí)為“is-a”，或ISA。圖74 表示實(shí)例關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 小華大學(xué)生是

12、一個(gè) 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75就是一個(gè)描述分類關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)。在圖75中，下層概念節(jié)點(diǎn)除了可繼承、細(xì)化、補(bǔ)充上層概念節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，其屬性是“有羽毛”、“會(huì)飛”，但鴕鳥的屬性只是繼承了“有羽毛”這一屬性，而把鳥的“會(huì)飛”變異為“不會(huì)飛”。其中，關(guān)系“是一種”一般標(biāo)識(shí)為“akindof”或AKO。圖75 表示分類關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 3.組裝關(guān)系 如果下層概念是上層概念的一個(gè)方面或者一部分，則稱它們的關(guān)系是組裝關(guān)系。例如圖76所示的語義網(wǎng)絡(luò)就是一種聚集關(guān)系。其中，關(guān)系“一部分”一般標(biāo)識(shí)為“a-part-of”。桌子桌腿

13、桌面一部分一部分圖76 表示組裝關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 4.屬性關(guān)系 屬性關(guān)系表示對(duì)象的屬性及其屬性值。例如，圖77表示simon是一個(gè)人，男性，40歲，職業(yè)是教師。圖77 表示屬性關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 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(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)員”可表示為圖78。其中，關(guān)系“是成員”一般標(biāo)識(shí)為“a-member-of”。圖78 表示集合成員關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 張三計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)是成員6.邏輯關(guān)系 如果一個(gè)概念可由另一個(gè)概念推出，兩個(gè)概念間存在因果關(guān)系，則稱它們之間是邏輯關(guān)系。圖79所示的語義網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)邏輯關(guān)系。 圖79 表示邏輯關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 雨天外

14、出ANDOR帶雨披帶雨傘則7.方位關(guān)系 在描述一個(gè)事物時(shí)，經(jīng)常需要指出它發(fā)生的時(shí)間、位置，或者指出它的組成、形狀等等，此時(shí)可用相應(yīng)的方位關(guān)系語義網(wǎng)絡(luò)表示。例如事實(shí)： 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。 可用圖710所示的語義網(wǎng)絡(luò)表示。圖710 表示方位關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 電子2路石油學(xué)院張宏助教西安市區(qū)25歲味道工作在職務(wù)屬于年齡圖711 表示所屬關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)狗尾巴have 8.所屬關(guān)系 所屬關(guān)系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示為圖711。 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(shí)際關(guān)系定義。如常見的還有before、after、at等表示時(shí)

15、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(duì)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(luò)實(shí)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(gè)二元關(guān)系，而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看作是由這些二元關(guān)系拼接而成。 上面我們是從關(guān)系角度考察語義網(wǎng)的表達(dá)力的。下面我們從語句角度來考察語義網(wǎng)。 例如，對(duì)于如下的語句(或事件)： 小王送給小李一本書。 用語義網(wǎng)絡(luò)可表示為圖712，其中S代表整個(gè)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。 語義網(wǎng)絡(luò)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(guó)演義

16、) 即“某個(gè)學(xué)生讀過三國(guó)演義”，其語義網(wǎng)絡(luò)表示為圖713。圖712 語句(事件)的語義網(wǎng)絡(luò) 圖713 謂詞公式的語義網(wǎng)絡(luò) 圖714 分塊語義網(wǎng)絡(luò) 又如： x(student (x) read (x, 三國(guó)演義) 即“每個(gè)學(xué)生讀過三國(guó)演義”, 其語義網(wǎng)絡(luò)表示為圖 7-14。 7.2.3 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(shí)現(xiàn)的。問題求解時(shí)，首先根據(jù)待求問題的要求構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)片斷，然后在知識(shí)庫(kù)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(shí)庫(kù)中的某網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)匹配時(shí)，則與詢問處匹配的事實(shí)，就是問題的解。我們要通過圖7-1所示的語義網(wǎng)絡(luò)(假設(shè)它已存入知識(shí)庫(kù)),

17、 查詢富士蘋果有什么特點(diǎn)。那么, 我們可先構(gòu)造如圖7-15所示的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)片段。然后, 使其與知識(shí)庫(kù)中的語義網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配。 匹配后X的值應(yīng)為“脆甜”。當(dāng)然, 這是一個(gè)簡(jiǎn)單問題。如果問題復(fù)雜, 也可能不能通過直接匹配得到結(jié)果, 那么還需要沿著有關(guān)邊進(jìn)行搜索, 通過繼承來獲得結(jié)果。例如要問：吃富士蘋果對(duì)人的健康有何意義？ 那么, 通過上述網(wǎng)絡(luò)片斷不能直接獲得答案, 這時(shí), 就需沿著邊“AKO”一直搜索到節(jié)點(diǎn)“水果”, 由水果的“富營(yíng)養(yǎng)”性, 通過特性繼承便得到富士蘋果也富營(yíng)養(yǎng)。 圖715 語義網(wǎng)絡(luò)片段 蘋果x富士 特點(diǎn)AKO 7.2.4 語義網(wǎng)絡(luò)的程序語言實(shí)現(xiàn) 由于語義網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)二元關(guān)系圖，所以用P

18、ROLOG可方便地實(shí)現(xiàn)語義網(wǎng)絡(luò)知識(shí)表示。例如，圖71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(guó)家). a-kind-of(秦冠，蘋果). produ-in(秦冠，陜西). is-located-at(陜西，中國(guó)西部). a-part-of(中國(guó)西部，中國(guó)). 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).

19、arc(is-a，日本，亞洲國(guó)家). arc(a-kind-of，秦冠，蘋果). arc(produ-in，秦冠，陜西). arc(is-located-at，陜西，中國(guó)西部). arc(a-part-of，中國(guó)西部，中國(guó)). 當(dāng)然，我們也可以將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)片段組織在一個(gè)事實(shí)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). 7.3 面向?qū)ο笾R(shí)表示近年來，面向?qū)ο蠹夹g(shù)蓬勃興起。在知識(shí)表示領(lǐng)域則出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮闹R(shí)表示方法。 面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的核心概念是對(duì)象和類。對(duì)象

20、可以泛指一切事物，類則是一類對(duì)象的抽象模型。反之，一個(gè)對(duì)象是其所屬類的實(shí)例。通常，在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言中，只給出類的定義，其對(duì)象由類生成。類的定義中就說明了所轄對(duì)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(duì)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(gè)類將其對(duì)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(duì)象共享。即當(dāng)給類中的特征變量賦予一組值時(shí)，則這組值連同類中的方法，就構(gòu)成了一個(gè)具體的對(duì)象。 例 下面是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言C+中一個(gè)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()