人工智能導(dǎo)論-第二章知識和知識表示方法

1、第二章 知識和知識表示方法2.0 基本概念2.1 狀態(tài)空間法2.2 問題歸約法2.3 謂詞邏輯法2.4 語義網(wǎng)絡(luò)法2.5 框架表示法22.0 基本概念什么是知識1.數(shù)據(jù)與信息人類賴以生存的空間是一個物質(zhì)的世界，同時又是一個信息的世界信息需要用一定的形式表示才能被記載和傳遞，尤其使用計算機(jī)來做信息存儲及處理時更需要用一組符號及其組合進(jìn)行表示。這樣的符號及其組合表示的信息稱為數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)與信息是兩個密切相關(guān)的概念數(shù)據(jù)是信息的載體和表示信息是數(shù)據(jù)的語義32.知識把有關(guān)的信息關(guān)聯(lián)在一起的信息結(jié)構(gòu)，就是知識。信息之間有多種關(guān)聯(lián)形式，其中用得最多的一種是用“如果，則”所表示的形式。知識反映了客觀世界中事物之間

2、的關(guān)系不同事物或者相同事物間的不同關(guān)系形成了不同的知識實例知識1：如果大雁向南飛，則冬天就要來臨了。知識2：雪是白色的。（事實）知識3：如果頭痛且流涕，則有可能患了感冒。（規(guī)則）基本概念什么是知識4噪聲數(shù)據(jù)信息知識 元知識人們描述客觀世界的數(shù)據(jù)、信息、知識等具有如下的金字塔型層次結(jié)構(gòu)。 知識層次客觀事物的數(shù)量、屬性、位置及其相互關(guān)系等的抽象表示描述數(shù)據(jù)所表示的含義是一個或多個信息的關(guān)聯(lián)。把有關(guān)信息關(guān)聯(lián)在一起所形成的信息結(jié)構(gòu)。反映客觀世界中事物的關(guān)系，不同事物或者相同事物間的不同關(guān)系形成了不同的知識。是有關(guān)知識的知識，是知識庫中的高層知識。包括怎樣使用規(guī)則、解釋規(guī)則、校驗規(guī)則、解釋程序結(jié)構(gòu)等知識

3、。51.相對正確性2.不確定性3.可表示性與可利用性知識的特性61.相對正確性知識是人們對客觀世界認(rèn)識的結(jié)晶，并且受到長期實踐經(jīng)驗的檢驗。因此，在一定的條件及環(huán)境下，知識一般是正確的，可信任的。應(yīng)該注意一定的條件及環(huán)境的條件約束例如,1+1=2這樣常識性的知識，也是在十進(jìn)制下才是正確的2.不確定性信息與關(guān)聯(lián)是構(gòu)成知識的兩個要素信息可能是精確的，也可能是不精確的、模糊的；關(guān)聯(lián)可能是確定的，也可能是不確定的。知識不總是具有“真”或“假”這兩種狀態(tài)，在真和假之間可能存在許多中間狀態(tài)，這種特性稱為知識的不確定性。知識的特性7知識的特性（續(xù)）造成知識不確定性的原因有以下幾種：（1）由隨機(jī)性引起的不確定性

4、（2）由模糊性引起的不確定性（3）由不完全性引起的不確定性（4）由經(jīng)驗性引起的不確定性8知識的特性（續(xù)）3.可表示性與可利用性知識是可以用適當(dāng)?shù)男问奖硎境鰜淼?，如語言、文字、圖形、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等，正是由于知識的這一特性，所以它才能被存儲并得以傳播它是可利用的，我們每個人天天都在利用自己掌握的知識解決所面臨的各種各樣問題9知識的分類對知識從不同角度劃分，可得到不同的分類方法：1.按作用域劃分:常識性知識和領(lǐng)域性知識2.按作用及表示劃分：事實性知識，過程性知識，控制性知識3.按確定性劃分：確定性知識和不確定性知識4.按結(jié)構(gòu)及表現(xiàn)形式劃分：邏輯性知識和形象性知識5.若拋開知識涉及領(lǐng)域的具體特點(diǎn)，從抽象

5、的、整體的觀點(diǎn)來劃分，知識可分為零級、一級和二級知識。10知識表示所謂知識表示，就是對知識的一種描述，或者說是一種約定，一種計算機(jī)可以接受的用于描述知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對知識進(jìn)行表示的過程就是把知識編碼成某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過程知識的表示方法又稱為知識表示技術(shù)，其表示形式稱為知識表示模式11知識表示分類知識表示方法可分為兩大類：符號表示法：用各種包含具體含義的符號，以各種不同的方式和次序組合起來表示知識連接機(jī)制表示法：用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)表示知識的一種方法，相對于符號表示法而言是一種隱式表示法12常用知識表示方法狀態(tài)空間法問題歸約法謂詞邏輯表示法產(chǎn)生式表示法框架表示法語義網(wǎng)絡(luò)表示法腳本表示法過程表示法Petri

6、網(wǎng)表示法面向?qū)ο蟮谋硎痉ū倔w表示法13知識的表示（續(xù)）幾點(diǎn)注意同一個知識有多種表示方法，不同的方法其效果不一樣不同領(lǐng)域的知識具有不同的特點(diǎn)各種表示方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用的情況不同選擇知識表示方法，要因問題而異一般，在選用知識表示方法時，應(yīng)從以下幾個方面考慮1.充分表示領(lǐng)域知識2.有利于知識的利用3.便于知識的組織、維護(hù)與管理4.便于理解和實現(xiàn)142.1狀態(tài)空間法（State Space Representation）問題求解技術(shù)主要是兩個方面：問題的表示求解的方法狀態(tài)空間法狀態(tài)（state）算符（operator）狀態(tài)空間方法152.1.1問題狀態(tài)描述定義狀態(tài)：描述某類不同事物間的差別而引入的一

7、組最少變量q0，q1，qn的有序集合。算符：使問題從一種狀態(tài)變化為另一種狀態(tài)的手段稱為操作符或算符。問題的狀態(tài)空間：是一個表示該問題全部可能狀態(tài)及其關(guān)系的圖，它包含三種說明的集合，即三元狀態(tài)（S，F(xiàn)，G） （問題初始狀態(tài)集合S，操作符集合F，目標(biāo)狀態(tài)集合G）。16對一個問題的狀態(tài)描述，必須確定三件事：1.該狀態(tài)描述方式，特別是初始狀態(tài)描述；2.操作符集合及其對狀態(tài)描述的作用；3.目標(biāo)狀態(tài)描述的特性。OriginalStateMiddleStateGoalState算符算符狀態(tài)空間法解釋：從某個初始狀態(tài)開始，每次加一個操作符，遞增的建立起操作符的實驗序列，直到達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)止。如下棋、迷宮及各種游

8、戲。17例:三數(shù)碼難題（3 puzzle problem）123123123312312312初始棋局目標(biāo)棋局18有向圖 一對節(jié)點(diǎn)用弧線連接起來，從一個節(jié)點(diǎn)指向另一個節(jié)點(diǎn)這種圖叫做有向圖。路徑 某個節(jié)點(diǎn)序列（ni1，ni2，nik）當(dāng) j = 2，3，k時，如果對于每一個ni，j-1都有一個后繼節(jié)點(diǎn)ni，j存在，那么就把這個節(jié)點(diǎn)序列叫做從節(jié)點(diǎn)ni1至節(jié)點(diǎn)nik的長度為k的路徑代價 用c（ni，nj）來表示從節(jié)點(diǎn)ni指向節(jié)點(diǎn)nj的那段弧線的代價。兩點(diǎn)間路徑的代價等于連接該路徑上各節(jié)點(diǎn)的所有弧線代價之和.狀態(tài)圖示法AB19圖的顯示說明 對于顯式說明，各節(jié)點(diǎn)及其具有代價的弧線由一張表明確給出。此表可

9、能列出該圖中的每一節(jié)點(diǎn)、它的后繼節(jié)點(diǎn)以及連接弧線的代價(舉例：鄰接表，鄰接矩陣)圖的隱示說明 說明節(jié)點(diǎn)的無限集合si作為起始節(jié)點(diǎn)是已知的。后繼節(jié)點(diǎn)算符（gamma）也是已知的，它能作用于任一節(jié)點(diǎn)以產(chǎn)生該節(jié)點(diǎn)的全部后繼節(jié)點(diǎn)和各連接弧線的代價。（舉例：棋局）表示方法的多樣性 如十五數(shù)碼難題中規(guī)則1：移動數(shù)碼（15X4條規(guī)則）規(guī)則2：移動空格（4條規(guī)則）20產(chǎn)生式系統(tǒng)搜索過程描述產(chǎn)生式系統(tǒng)（production system）一個總數(shù)據(jù)庫：它含有與具體任務(wù)有關(guān)的信息隨著應(yīng)用情況的不同，這些數(shù)據(jù)庫可能簡單，或許復(fù)雜。一套規(guī)則：它對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作運(yùn)算。每條規(guī)則由左部鑒別規(guī)則的適用性或先決條件以及右部描述

10、規(guī)則應(yīng)用時所完成的動作。一個控制策略：它確定應(yīng)該采用哪一條適用規(guī)則，而且當(dāng)數(shù)據(jù)庫的終止條件滿足時，就停止計算。21狀態(tài)空間表示舉例例：猴子和香蕉問題22解題過程用一個四元表列（W，x，Y，z）來表示這個問題狀態(tài).W 猴子的水平位置X 當(dāng)猴子在箱子頂上時取x = 1;否則取 x = 0Y 箱子的水平位置z 當(dāng)猴子摘到香蕉時取 z=1；否則取 z=0這個問題的操作（算符）如下：goto（U）表示猴子走到水平位置U或者用產(chǎn)生式規(guī)則表示為（W，0，Y，z）goto（U）（U，0，Y，z）23pushbox（V）猴子把箱子推到水平位置V，即有（W，0，W，z）pushbox（V）（V，0，V，z）cli

11、mbbox猴子爬上箱頂，即有（W，0，W，z）climbbox （W，1，W，z） 應(yīng)當(dāng)注意的是，要應(yīng)用算符pushbox（V），就要求產(chǎn)生式規(guī)則的左邊，猴子與箱子必須在同一位置上，并且，猴子不是箱子頂上。這種強(qiáng)加于操作的適用性條件，叫做產(chǎn)生式規(guī)則的先決條件24grasp猴子摘到香蕉，即有（c，1，c，0）grasp （c，1，c，1） 令初始狀態(tài)為(a，0，b，0)。這時，goto(U)是唯一適用的操作，并導(dǎo)致下一狀態(tài)(U，0，b,0)?，F(xiàn)在有3個適用的操作，即goto(U)，pushbox(V)和climbbox(若U=b)。把所有適用的操作繼續(xù)應(yīng)用于每個狀態(tài)，我們就能夠得到狀態(tài)空間圖，如

12、下圖所示。25(b，1，b，0)（U，0，b，0）（V，0，V，0）（c，1，c，0）（U，0，V，0）（c，1，c，1）（a，0，b，0）目標(biāo)狀態(tài)goto（U）goto（U）U=b，climbboxgoto（U）U=bpushbox（V）goto（U）U=V猴子和香蕉問題的狀態(tài)空間圖從圖不難看出，把該初始狀態(tài)變換為目標(biāo)狀態(tài)的操作序列為 goto(b),push box(c),climbbox,grasp26猴子和香蕉問題自動演示猴子香蕉箱子猴子香蕉箱子Ha!Ha!27狀態(tài)空間表示實例推銷員旅行問題(TSP問題)問題描述： 一個推銷員計劃出訪推銷產(chǎn)品。他從一個城市( 如 A) 出發(fā) , 訪問每

13、個城市一次 , 且最多一次 , 然后 返回城市 A 。要求尋找最短路線 。ABDE28為了確定這個問題 , 作如下規(guī)定 :(1) 總數(shù)據(jù)庫是到目前為止所訪問過的城市表 .初始數(shù)據(jù)庫被描述為表 (A) 。不允許目錄表中任一城市出現(xiàn)多于一次 , 只有城市 A 例外 , 但也只有當(dāng)所有其他城市均已出現(xiàn)之后 , 才能再次出現(xiàn) A 。(2) 規(guī)則對應(yīng)于決策：即下一步走向城市 A; 下一步走向城市 B; ; 下一步走向城市E 。一條規(guī)則除非能夠把某個數(shù)據(jù)庫變?yōu)橐粋€合法數(shù)據(jù)庫 , 否則就不適用于這個數(shù)據(jù)庫。例如, 應(yīng)用“下一步走向城市 A”這條規(guī)則就不適用于尚未出現(xiàn)所有其他城市的任一數(shù)據(jù)庫。(3) 任一以

14、A 為起點(diǎn)和終點(diǎn),并出現(xiàn)所有其他城市的總數(shù)據(jù)庫,都滿足終止條件。可以使用下圖的距離圖表來計算任一旅程的總距離。提出作為解答的任一旅程,必須是具有最短距離的旅程。29(ACDEBA)推銷員旅行問題狀態(tài)空間圖(A)起始節(jié)點(diǎn)ABDE302.2 問題歸約法（Problem Reduction Representation）問題歸約法思想 先把問題分解為子問題及子-子問題，然后解決較小的問題。對該問題的某個具體子集的解答就意味著對原始問題的一個解答子問題1子問題n原始問題子問題集本原問題31問題歸約表示的組成部分：一個初始問題描述；一套把問題變換為子問題的操作符；一套本原問題描述。問題歸約的實質(zhì)：從目標(biāo)

15、(要解決的問題)出發(fā)逆向推理，建立子問題以及子問題的子問題，直至最后把初始問題歸約為一個平凡的本原問題集合。322.2.1 問題歸約描述（Problem Reduction Description）梵塔難題123CBA思考：用狀態(tài)空間法有多少個節(jié)點(diǎn)？為什么？33解題過程（3個圓盤問題）12312312312312312312312334梵塔問題歸約圖（113）（123）（111）（113）（123）（122）（111）（333）（122）（322）（111）（122）（322）（333）（321）（331）（322）（321）（331）（333）35問題歸約的描述問題歸約方法應(yīng)用算符把問題描述

16、轉(zhuǎn)化為子問題描述，可以采用各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：表列、樹、字符串、矢量、數(shù)組等；例如梵塔問題的表示：包含兩個數(shù)列的表列：(113),(333)也可以用狀態(tài)空間表示法的三元組（S，F(xiàn)，G）表示；其子問題描述規(guī)定了最后解答路徑將要通過的中間狀態(tài)；可以把問題歸約發(fā)看成比狀態(tài)空間法更通用的問題求解方法；其核心實現(xiàn)是不斷簡化問題，直至問題成為本原問題（已知問題、易解問題）；362.2.2 與或圖表示1.與圖、或圖、與或圖ABCD與圖ABC或圖37BCDEFGAHMBCDEFGAN增加附加節(jié)點(diǎn)后的規(guī)范化與或圖表示：38t1t2t4t5不可解節(jié)點(diǎn)端節(jié)點(diǎn):沒有子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)終止節(jié)點(diǎn):本原問題所對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)可解節(jié)點(diǎn):1）它

17、是一個終止節(jié)點(diǎn)2）它是一個“或”節(jié)點(diǎn)，且其子節(jié)點(diǎn)至少有一個是可解節(jié)點(diǎn)3）它是一個“與”節(jié)點(diǎn)，且其子節(jié)點(diǎn)全部是可解節(jié)點(diǎn)不可解節(jié)點(diǎn):關(guān)于可解節(jié)點(diǎn)的三個條件全部不滿足的節(jié)點(diǎn)稱為不可解節(jié)點(diǎn)終止節(jié)點(diǎn)端節(jié)點(diǎn)可解節(jié)點(diǎn)初始節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)2. 術(shù)語39tttt有解節(jié)點(diǎn)無解節(jié)點(diǎn)終止節(jié)點(diǎn)解樹:可解節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的，并且由這些可解節(jié)點(diǎn)可推出初始節(jié)點(diǎn)（它對應(yīng)于原始問題）為可解節(jié)點(diǎn)的子樹402.3 謂詞邏輯法邏輯語句：一種形式語言，它能夠把邏輯論證符號化，并用于證明定理，求解問題。形式語言：嚴(yán)格地按照相關(guān)領(lǐng)域的特定規(guī)則，以數(shù)學(xué)符號（符號串）形式描述該領(lǐng)域有關(guān)客體的表達(dá)式2.3.1 謂詞演算 1. 語法和語義基本符號謂詞符號

18、、變量符號、函數(shù)符號、常量符號、括號和逗號謂詞演算的解釋：謂詞符號對應(yīng)關(guān)系，常量符號論域?qū)嶓w，函數(shù)符號對應(yīng)函數(shù)；41原子公式：由若干謂詞符號和項組成的謂詞演算。原子公式是謂詞演算基本積木塊。項包括常量符號、變量符號、函數(shù)符號等。定義原子公式為真值或假值就表示了某種語義。無變量的原子公式取值確定，包含變量的原子公式取值不定。例如：INROOM（ROBOT，r1） 為真INROOM（ROBOT，r2）為假M(fèi)ARRIEDfather(wang),mother(wang)42連詞和量詞(Connective &Quantifiers)連詞與、合?。╟onjunction)：用連詞把幾個公式連接起來而構(gòu)

19、成的公式。合取項是合取式的每個組成部分。 例:(我喜愛音樂和繪畫) LIKE(I，MUSIC)LIKE(I，PAINTING) 或、析?。╠isjunction）：用連詞把幾個公式連接起來而構(gòu)成的公式。析取項是析取式的每個組成部分 例：PLAYS(LILI，BASKETBALL)PLAYS(LILI，F(xiàn)OOTBALL) （李力打籃球或踢足球。）蘊(yùn)涵(Implication):“”表示“如果那么”（IFTHEN）關(guān)系，其所構(gòu)成的公式叫做蘊(yùn)涵。非（Not）表示否定，、均可表示量詞全稱量詞（Universal Quantifiers)存在量詞 (Existential Quantifiers)432

20、.3.2 謂詞公式原子公式的的定義：用P(x1，x2，xn)表示一個n元謂詞公式，其中P為n元謂詞，x1,x2,，xn為客體變量或變元。通常把P(x1,x2,xn)叫做謂詞演算的原子公式，或原子謂詞公式。分子謂詞公式可以用連詞把原子謂詞公式組成復(fù)合謂詞公式，并把它叫做分子謂詞公式。44合式公式（WFF，well-formed formulas）合式公式的遞歸定義(1)原子謂詞公式是合式公式。(2)若A為合式公式，則A也是一個合式公式。(3)若A和B都是合式公式，則(AB)，(AB)，(AB)和(AB)也都是合式公式。(4)若A是合式公式，x為A中的自由變元，則(x)A和(x)A都是合式公式。(

21、5)只有按上述規(guī)則(1)至(4)求得的那些公式，才是合式公式。45合式公式的性質(zhì)合式公式的真值等價（Equivalence) 如果兩個合式公式，無論如何解釋，其真值表都是相同的，那么我們就稱此兩合式公式是等價的。T F T F F F表2-1 真值表P Q PQ P Q PQ PT T T T T FF T T F T TF F F F T T46等價關(guān)系(1 否定之否定(P) 等價于 P(2)P Q 等價于 P Q(3) 狄摩根定律(P Q) 等價于 P Q(P Q) 等價于 P Q(4 分配律P (Q R) 等價于 (P Q) (P R)P (Q R) 等價于 (P Q) (P R)(5)

22、 交換律P Q 等價于 Q PP Q 等價于 Q P 47(6) 結(jié)合律(P Q) R 等價于 P (Q R)(P Q) R 等價于 P (Q R)(7) 逆否律P Q 等價于 Q P(8)( x)P(x) 等價于 ( x)P (x) ( x)P(x) 等價于 ( x)P (x) (9)( x)P(x) Q(x) 等價于 ( x)P(x) ( x)Q(x) ( x)P(x) Q(x) 等價于 ( x)P(x) ( x)Q(x) (10 ( x)P(x)等價于 ( y)P(y)( x)P(x)等價于(y)P(y) 482.3.3 置換與合一置換假元推理：就是由合式公式W1和W1W2產(chǎn)生合式公式W

23、2的運(yùn)算。全稱化推理：是由合式公式（x）W（x）產(chǎn)生合式公式W（A），其中A為任意常量符號。綜合推理：同時應(yīng)用上述二者。定義就是在該表達(dá)式中用置換項置換變量性質(zhì)可結(jié)合的不可交換的49合一（Unification)合一：尋找項對變量的置換，以使兩表達(dá)式一致?？珊弦唬喝绻粋€置換s作用于表達(dá)式集Ei的每個元素，則用Ei s來表示置換例的集。稱表達(dá)式集Ei是可合一的。501）令k=0，F(xiàn)k=F，k=。這里，F(xiàn)是欲求其最一般合一的公式集，是空代換，它表示不做代換2）若Fk只含一個表達(dá)式，則算法停止,k就是最一般合一3）找出Fk的差異集Dk。4）若Dk中存在元素xk和tk，其中xk是變元,tk是項，且x

24、k不在tk中出現(xiàn)，則置： k+1= k 。tk/ xk Fk+1 = Fk tk/ xk， k=k+1 然后轉(zhuǎn)2）。5）算法終止，F(xiàn)的最一般合一不存在。求最一般合一的算法 51例 設(shè)有公式集 F=P(a,x,f(g(y),P(z,f(z),f(u)求其最一般合一。解： 1）令0=，F(xiàn)0=F,因 F0 中有兩個表達(dá)式，所以0不是最一般合一 2）差異集D0 =a,z 3）1=0a/z=a/z, F1=F0a/z= P(a,x,f(g,y),P(a,f(a),f(u) 4） D1 =x,f(a) 5）2= 1 f(a)/x=a/z,f(a)/x F2=F1f(a)/x=P(a,f(a),f(g(y)

25、,P(a,f(a),f(u) 6） D2 =g(y),u 7）3= 2g(y)/u=a/z,f(a)/x,g(y)/u 8） F3= F2g(y)/u=P(a,f(a),f(g(y) 因為F3只含一個表達(dá)式，所以3 就是最一般合一， 即是最一般合一為：a/z,f(a)/x,g(y)/u舉 例1.試用相應(yīng)的謂詞公式分別表示下列語句。(1)有的人喜歡梅花，有的人喜歡菊花，有的人既喜歡梅花又喜歡菊花。(2)新型計算機(jī)速度又快，存儲容量又大。(3)不是每個計算機(jī)系的學(xué)生都喜歡在計算機(jī)上編程序。52(1)有的人喜歡梅花，有的人喜歡菊花，有的人既喜歡梅花又喜歡菊花。解：定義謂詞：P(x):x是人L(x,y

26、):x喜歡y其中，y的個體域是梅花，菊花將知識用謂詞表示為：( x)(P(x) L (x,梅花) L (x,菊花) L (x,梅花)L (x,菊花) 53(2)新型計算機(jī)速度又快，存儲容量又大。解：定義謂詞：NC(x):x是新型計算機(jī)F(x):x速度快B(x):x容量大將知識用謂詞表示為：( x)(NC(x)F(x) B(x)54(3)不是每個計算機(jī)系的學(xué)生都喜歡在計算機(jī)上編程序。解：定義謂詞：S(x):x是計算機(jī)系學(xué)生L(x,programming):x喜歡編程序U(x,computer):x使用計算機(jī)將知識用謂詞表示為：( x)(S(x) L(x,programming) U(x,comp

27、uter)5556謂詞邏輯表示方法的特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn) 符號簡單，描述易于理解。 自然、嚴(yán)密、靈活、模塊化。 具有嚴(yán)格的形式定義。 每項事實僅需表示一次。 具有證明過程中所使用的推理規(guī)則。 利用定理證明技術(shù)可從舊事實推出新事實。主要缺點(diǎn)： 難于表示過程式和啟發(fā)式知識。 由于缺乏組織原則，利用該方法表示的知識庫難于管理。 由于是弱證明過程，當(dāng)事實的數(shù)目增大時，在證明過程中決定使用哪條規(guī)則時可能產(chǎn)生組合爆炸。 不具有表示不精確和不確定知識的能力。572.4 語義網(wǎng)絡(luò)法（Semantic Network Representation）語義網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)定義組成部分語義網(wǎng)絡(luò)是奎廉（J.R.Quillian）于1

28、968年提出的,作為描述 人類聯(lián)想記憶的一種心理學(xué)模型。1972年，西蒙將語義網(wǎng)絡(luò)用于自然語言理解。語義網(wǎng)絡(luò)是通過概念及其語義關(guān)系來表示知識的一種網(wǎng)絡(luò)圖一個語義網(wǎng)絡(luò)是一個帶標(biāo)識的有向圖，其中：節(jié)點(diǎn)：表示各種事物、概念、屬性、動作、狀態(tài)有向弧：表示它所連接的節(jié)點(diǎn)間的某種語義聯(lián)系58組成部分詞法:決定表示詞匯表中允許有哪些符號,它涉及各個節(jié)點(diǎn)和弧線。 結(jié)構(gòu):敘述符號排列的約束條件,指定各弧線連 接的節(jié)點(diǎn)對。 過程:說明訪問過程,這些過程能用來建立和修 正描述,以及回答相關(guān)問題。 語義:確定與描述相關(guān)的(聯(lián)想)意義的方法即確 定有關(guān)節(jié)點(diǎn)的排列及其占有物和對應(yīng)弧線。 59ACBDEFGRABRADRB

29、ERFERCFRACRCGRDG語義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示例60表示占有關(guān)系和其它情況例：燕子是鳥；2.4. 1 二元語義網(wǎng)絡(luò)的表示SwallowBirdISA61狗吃肉狗的語義網(wǎng)絡(luò)能運(yùn)動是一種是一種動物身上有毛能狩獵有尾巴有生命會吃跑得快獵狗“獵狗是一種狗”這一簡單事實的語義網(wǎng)絡(luò)短線與相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)相連的部分是該節(jié)點(diǎn)所描述的屬性1.用語義網(wǎng)絡(luò)表示事實62占有鴿子窩春天秋天鳥鳥窩時間情況小信使小信使鴿子窩鳥鳥窩是一只占有物開始于結(jié)束于是一種是是是一種是一種是一種是一只占有物（a）（b）是一種占有者指出了“小信使這只鴿子占有一個窩”，而且還指出了占有的起止時間將“占有”作為一個語義關(guān)系用一條有向弧表示事實：“小

30、信使”這只鴿子從春天到秋天占有一個窩632. 用語義網(wǎng)絡(luò)表示事物間的關(guān)系幾種常用的關(guān)系（1）分類關(guān)系 分類關(guān)系是指事物之間的類屬關(guān)系（2）聚集關(guān)系 如果下層概念是上層概念的一個方面或者一個部分，則稱它們的關(guān)系是聚集關(guān)系教學(xué)學(xué)生教師課程部分部分部分獵狗狗是一種分類關(guān)系聚集關(guān)系64饑餓需進(jìn)食推出（3）推論關(guān)系一個概念可由另一個概念推出（4）時間、位置關(guān)系描述一個事物時，常常需要指出它發(fā)生的時間、位置等65（5）多元關(guān)系 二元關(guān)系：在語義網(wǎng)絡(luò)中，一條有向弧從一個節(jié)點(diǎn)指向另一個節(jié)點(diǎn)，表示這兩個節(jié)點(diǎn)的一種語義關(guān)系。多元關(guān)系：用一種關(guān)系把幾個節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來，通過一個節(jié)點(diǎn)和多條有向弧來表示。例如“小信使語義網(wǎng)

31、絡(luò)”中，表示一個占有關(guān)系占有窩春天秋天情況小信使占有物開始于結(jié)束于是一種占有者66用語義網(wǎng)絡(luò)表示復(fù)雜知識時，常涉及到對量詞及量化變元的表示對于存在量詞直接用“是一個”、“是一種”等語義聯(lián)系表示。對于全稱量詞需要用網(wǎng)絡(luò)分區(qū)技術(shù)處理。網(wǎng)絡(luò)分區(qū)技術(shù)由享得里克（G.G.Hendrix）在1975年提出的。網(wǎng)絡(luò)分區(qū)技術(shù)的思想： 把一個表示復(fù)雜知識的命題劃分為若干子命題，每一個子命題有一個較簡單的語義網(wǎng)絡(luò)表示，稱為一個子空間，多個子空間構(gòu)成一個大空間。每個子空間可以看作是大空間中的一個節(jié)點(diǎn)，稱為超節(jié)點(diǎn)，子空間之間用有向弧連接。空間可以逐層嵌套3. 變元與量詞在語義網(wǎng)絡(luò)中的表示67例，對于如下事實：每個學(xué)生

32、都背誦了一首唐詩。學(xué)生背誦唐詩srp是是是主體客體GSgF 其中，s是全稱量詞，表示任一個學(xué)生，r是存在量詞，表示某一次背誦，p是存在量詞，表示某一首唐詩。用節(jié)點(diǎn)g表示這個子空間，用有向弧F指明節(jié)點(diǎn)g表示的是一個什么樣的子空間。有向弧指出子空間g中的全稱量詞變元是s。節(jié)點(diǎn)GS表示整個空間。注意：一個子空間中的所有非全稱量詞變元節(jié)點(diǎn)都應(yīng)是全稱量詞變元的函數(shù)，否則，就放在子空間的外面超結(jié)點(diǎn)68學(xué)生背誦sr是是是主體客體GSgF靜夜思唐詩例如，對如下事實：每個學(xué)生都背誦了“靜夜思”這首詩。因為“靜夜思”是一個常量，不是全稱量詞s的函數(shù)，應(yīng)放在子空間之外694. 常用的語義聯(lián)系語義聯(lián)系反映了節(jié)點(diǎn)之間的

33、語義關(guān)系在框架表示法中的系統(tǒng)定義的槽名（ISA、Subclass、Part-of、Infer等）可以作為語義網(wǎng)絡(luò)知識表示中的系統(tǒng)預(yù)定義的語義聯(lián)系70常用的語義聯(lián)系李明XX學(xué)會A-Member-of 它表示個體與集體（類或集體）之間的關(guān)系。由它聯(lián)系的個體對集體有屬性繼承性 和屬性更改權(quán)。例，“李明是學(xué)會會員”的語義網(wǎng)絡(luò)。（1）A-Member-of聯(lián)系 （2）Compose-of 聯(lián)系它表示“構(gòu)成”聯(lián)系，是一種一對多的聯(lián)系。有它聯(lián)系節(jié)點(diǎn)一般不具有屬性繼承性，一般需要引入一個節(jié)點(diǎn)。正整數(shù)與整數(shù)Compose-of零負(fù)整數(shù)例，“整數(shù)由正整數(shù),負(fù)整數(shù)與零組成”。71（3）Have聯(lián)系李 明計算機(jī)Hav

34、e它表示事物對屬性的“擁有”關(guān)系或事物之間的“占有”關(guān)系 例如，“李明有計算機(jī)”（4）Before、After、At聯(lián)系開學(xué)9月At用來表示事件發(fā)生的時間關(guān)系，Before表示一個事件發(fā)生在另一個事件之前，After表示一個事件發(fā)生在另一個事件之后，At表示事件發(fā)生的時間例，“9月份開學(xué)”72（5）Located-on(-at,-under,-inside,-outside等) 聯(lián)系計算機(jī)桌子Located-on表示事物之間的位置關(guān)系 例如，“計算機(jī)放在桌子上”（6）Similar-to、Near-to聯(lián)系方凳方桌Similar-to表示事物之間的相似和接近關(guān)系 例，“方凳相似于方桌”73例2

35、.9 由給出的系統(tǒng)預(yù)定義語義聯(lián)系畫出下述知識的語義網(wǎng)絡(luò)：每位住在金山公寓3號樓的人都是金山公司的程序員.解：先用謂詞公式表示出來，然后用語義網(wǎng)絡(luò)表示。定義謂詞： Person(x) : 表示x是人 Address(x,y): 表示x住在y Occupation(x,y):表示x的職業(yè)是y Member(x,y): 表示x是y的成員謂詞公式表示： (x)(Person(x)Address(x,金山公寓3號樓) (Occupation(x,程序員) Member(x,金山公司)74說明：（1）引入兩個超節(jié)點(diǎn)A和B分別代表兩個子空間（2）其中， X 是全稱量詞，表示任一個人，add是存在量詞，表示某

36、一住地，OC是存在量詞，表示某一職業(yè)。用有向弧F指明節(jié)點(diǎn)A和B分別表示的是一個什么樣的子空間。有向弧指出子空間A和B中的全稱量詞變元是X。（3）還用到語義聯(lián)系：ISA、Infer、Have、Member-of、Loca-inside等金山公司addxABOCoccupationaddress金山公寓3號樓程序員ISAPersonISAISAISAISAMember-ofHaveLoca-insideFInferF752.4.3語義網(wǎng)絡(luò)的推理及其特點(diǎn)語義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)： 用語義網(wǎng)絡(luò)表示知識的問題求解系統(tǒng)語義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成：由語義網(wǎng)絡(luò)表示的知識庫利用語義網(wǎng)絡(luò)求解問題的程序，稱為語義網(wǎng)絡(luò)推理機(jī)76 語義網(wǎng)

37、絡(luò)的推理主要包括：網(wǎng)絡(luò)匹配：尋找與網(wǎng)絡(luò)片斷的語義網(wǎng)絡(luò)模式繼承推理：使用節(jié)點(diǎn)的繼承關(guān)系進(jìn)行推理網(wǎng)絡(luò)演繹 ：使用節(jié)點(diǎn)間的推論關(guān)系確定不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)片斷間的語義等價關(guān)系1.語義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的推理77 語義網(wǎng)絡(luò)求解問題的基本過程：1)把待求解的問題構(gòu)造為一個問題網(wǎng)絡(luò)片段，其中有些節(jié)點(diǎn)或者有向弧的標(biāo)識是空的，反映待求解問題2)在語義網(wǎng)絡(luò)知識庫中搜尋可與問題網(wǎng)絡(luò)片段匹配的網(wǎng)絡(luò)片段。搜尋中，可能需要進(jìn)行繼承推理和網(wǎng)絡(luò)演繹3)當(dāng)問題網(wǎng)絡(luò)片段與知識庫中的某語義網(wǎng)絡(luò)片段匹配時，則由此可匹配的語義網(wǎng)絡(luò)片段得到問題的解78（1）網(wǎng)絡(luò)匹配例設(shè)事實： 趙云是一個學(xué)生。趙云在東方大學(xué)主修計算機(jī)課程。趙云入校的時間是1990年。用

38、語義網(wǎng)絡(luò)表示上述事實，并求解問題：趙云修什么課？ 解：（1）給出事實的語義網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)生趙云大學(xué)東方大學(xué)教育1科學(xué)計算機(jī) 1990時間ISAISAISAISAISAAgentBeginRecipientMajor趙云受教育情況的語義網(wǎng)絡(luò)79X教育趙云RecipientMajorISA待求解問題語義片段（3）將二圖進(jìn)行匹配，可以知道趙云主修課程是計算機(jī)。 (說明：語義網(wǎng)絡(luò)匹配建立在精確匹配的基礎(chǔ)上，包含節(jié)點(diǎn)和有向弧的匹配。)（2）根據(jù)事實構(gòu)造語義網(wǎng)絡(luò)根據(jù)求解問題構(gòu)造問題網(wǎng)絡(luò)片段80繼承推理指推理機(jī)利用ISA和AKO等具有繼承性的語義聯(lián)系對網(wǎng)絡(luò)片段中并不顯示存在的結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，即網(wǎng)絡(luò)片段的繼承匹配如

39、果在下層網(wǎng)絡(luò)片段中沒有找到問題網(wǎng)絡(luò)片段需要匹配的有向弧和節(jié)點(diǎn)，可沿該下層節(jié)點(diǎn)的ISA有向弧找到上層節(jié)點(diǎn)。只要上層節(jié)點(diǎn)的屬性描述中有可匹配的有向弧和節(jié)點(diǎn)，問題網(wǎng)絡(luò)片段就完成了繼承匹配（2）繼承推理81小米谷物麻雀麻雀1鳥動物翅膀飛行工具AKOAKOAKOISAISA說明：可以從圖看出麻雀是鳥的一個下層結(jié)點(diǎn)。鳥有一個屬性結(jié)點(diǎn)是翅膀，說明鳥是有翅膀的，并且通過AKO鏈傳遞給下層結(jié)點(diǎn)麻雀，可以通過語義網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)知道，麻雀是有翅膀的82推理網(wǎng)絡(luò)指帶有邏輯語義關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)若兩節(jié)點(diǎn)A和B，由有向弧Infer連接A至B，則A是規(guī)則的前提條件，B是規(guī)則的結(jié)論；若由有向弧Possible-Reason連接A至B，

40、則A是規(guī)則的結(jié)論，B是A成立的原因。（3）語義網(wǎng)絡(luò)演繹83語義網(wǎng)絡(luò)表示法的特點(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)性 語義網(wǎng)絡(luò)表示法是一種結(jié)構(gòu)化的知識表示方法。語義網(wǎng)絡(luò)具有更大靈活性 ，用其他方法表示的知識幾乎都可以用語義網(wǎng)絡(luò)表示（2）自然性 語義網(wǎng)絡(luò)實際上是一個帶有標(biāo)識的有向圖，可直觀的把事物的屬性及事物間的語義聯(lián)系表示出來，便于理解84語義網(wǎng)絡(luò)表示法的主要局限性(1)非嚴(yán)格性 與謂詞相比，語義網(wǎng)絡(luò)沒有公認(rèn)的形式化表示體系(2)復(fù)雜性 語義網(wǎng)絡(luò)表示方法具有表示知識的靈活性，但是，也由于它表示知識的非嚴(yán)格性，一旦結(jié)點(diǎn)個數(shù)太多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，推理就難以進(jìn)行852.5 框架表示法1975年，美國的人工智能學(xué)者明斯基根據(jù)人們

41、在理解情景、故事時的思維過程提出的心理學(xué)模型在論文“A Framework for Representing Knowledge”中提出了框架理論框架理論的思想：認(rèn)為人們對現(xiàn)實世界中各種事物的認(rèn)識都是一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲在記憶里，當(dāng)面臨一個新事物時，就從記憶中找出一個合適的框架，并根據(jù)實際情況對其細(xì)節(jié)加以修改、補(bǔ)充，從而形成對當(dāng)前事物的認(rèn)識?？蚣鼙硎痉ň褪怯脕肀硎具@種經(jīng)驗性知識的一種知識表示方法。86框架的形式表示： 框架名 槽名1： 側(cè)面名11： 側(cè)面值11 側(cè)面名12： 側(cè)面值12 側(cè)面名1n： 側(cè)面值1n 槽名k： 側(cè)面名k1： 側(cè)面值k1 側(cè)面名k2： 側(cè)面值k2 側(cè)面名km： 側(cè)

42、面值km約束條件：約束條件1約束條件2約束條件3為了給框架、槽、側(cè)面附加說明信息2.5.1 框架的構(gòu)成框架通常由描述事務(wù)的各個方面的槽組成，每個槽可以擁有若干個側(cè)面，而每個側(cè)面可以擁有若干個值。87框架網(wǎng)絡(luò)建立框架之間的聯(lián)系： 由于框架中的槽值或側(cè)面值都可以是另一個框架的名，建立框架之間的聯(lián)系，通過一個框架可以找到另一個框架上層框架：處于某種環(huán)境中若干對象必然會有某些共同的屬性，提取它們的共同屬性，構(gòu)成上層框架下層框架：對各類對象獨(dú)有的屬性分別構(gòu)成若干個下層框架“繼承”槽：指明框架之間的上下關(guān)系繼承性：下層框架可以繼承上層框架的屬性和值繼承性的優(yōu)點(diǎn)：通過繼承性，在框架網(wǎng)絡(luò)中，避免了相關(guān)對象的重

43、復(fù)描寫，節(jié)約時間和空間88例 建立分層框架網(wǎng)絡(luò)說明：框架網(wǎng)絡(luò)從最高層框架到最底層框架的框架名依次為：, , , ,并為相應(yīng)框架設(shè)置繼承槽來避免重復(fù)描述。 師生員工框架為： 框架名： 姓名：單位（姓，名） 年齡：單位（歲） 性別：范圍（男，女） 缺?。耗?健康狀況：范圍（健康,一般,差） 缺省：一般 住房：住房 教職工框架為： 框架名：教職工 繼承：師生員工工作類型：范圍（教師，干部，工人） 缺?。航處?學(xué)歷：范圍（中專，大專，本科，研究生） 缺?。罕究?參加工作時間：單位（年，月）89教師框架為： 框架名：教師 繼承：教職工 部門：單位（系，教研室） 語種：范圍（英語，法語，德語，日語，俄語）

44、 缺?。河⒄Z 職稱：范圍（教授，副教授，講師，助教） 缺?。褐v師 某個教師的實例框架為： 框架名：教師1 繼承：教師 姓名：王林 年齡：36 健康狀況：健康 參加工作時間：1982，9 部門：計算機(jī)系軟件教研室 職稱：副教授90從上述描述可以看出：1）在框架網(wǎng)絡(luò)中，既有用“繼承”槽指出上、下層框架之間的縱向關(guān)系，也有以框架名作為槽值指出框架之間的橫向關(guān)系。2）實例框架中的每一個槽都應(yīng)給出槽值，并可以繼承上層框架槽的槽值，從而獲得實例框架中沒有直接給出的知識。3）以框架作為知識表示模式時，知識是通過屬性值表示的91系統(tǒng)預(yù)定義的槽名在框架表示法中，對于一些常用且可公用的槽名給出了標(biāo)準(zhǔn)槽名及其定義，

45、稱這些槽名為系統(tǒng)預(yù)定義槽名（1）ISA槽用于指出事物之間抽象概念上的類屬關(guān)系，其含義是“是一個”、“是一種”、“是一只”等當(dāng)用ISA作為某下層框架的槽時，表示該框架所描述的事物是其上層框架的一個特例，上層框架是比下層框架更一般或更抽象的概念?；蛘哒f，框架可以用一個ISA槽指出它的父框架槽值是它父框架的框架名說明：用“ISA”槽所指出的聯(lián)系都具有繼承性 ，即下層框架可繼承上層框架所描述的屬性及其屬性值92（2）AKO槽用于具體地指出事物間的類屬關(guān)系，其含義是“是一種”。當(dāng)用它作為某下層框架的槽時，就明確的指出該下層框架所描述的事物是其上層父框架所描述的事物中的一種槽值是它上一層框架的框架名 （3

46、）Subclass槽用于指出子類與父類（或子類與超類）之間的類屬關(guān)系。當(dāng)用它作為某下層框架的槽時，表示該下層框架是其上層父框架的一個子類（或子子類）槽值是它父框架的框架名（4）Instance槽用來建立AKO槽的逆關(guān)系。當(dāng)它作為某上層框架的槽時，用來指出它的下一層子框架是哪一些框架槽值是它下一層框架的框架名93（5）Part-of槽用于指出“部分”與“整體”的關(guān)系當(dāng)它用作某下層框架時，它指出該下層框架所描述的事物只是其上層框架所描述事物的一部分。Part-of槽不具有繼承性：Part-of槽只是指出下層框架是上層框架的一個子結(jié)構(gòu)，兩者一般不具有共同的特性，不能繼承上層框架所描述的屬性和值（6）

47、Infer槽用來指出兩個框架所描述事物間的邏輯關(guān)系，可以用來表示產(chǎn)生式規(guī)則（7）Possible-Reason槽與Infer槽的作用相反,它用來把某個結(jié)論與可能的原因聯(lián)系起來942.5.2 框架的推理及其特點(diǎn)用框架表示知識的系統(tǒng)組成：有框架網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的知識庫；由一組程序構(gòu)成的框架推理機(jī)。說明：知識庫作用：提供求解問題所需要的知識推理機(jī)作用：針對用戶提的問題，運(yùn)用知識庫中的知識完成問題求解推理機(jī)理知識庫向特定框架發(fā)送消息，啟動相應(yīng)的附加過程根據(jù)返回值，評價決定下一步的附加過程框架推理過程95框架推理的基本過程在框架表示知識的系統(tǒng)中，推理過程是主要通過框架匹配與填槽來實現(xiàn)：（1）把要求解的問題用一個稱為問題框架表示出來（2）把初始問題框架與知識庫已有的框架進(jìn)行匹配96例題: 假設(shè)上例提出的關(guān)于師生員工的框架網(wǎng)絡(luò)已建立在知識庫中，當(dāng)前要求解的問題是從知識庫中