人工智能導(dǎo)論-第二章 002-2014

第二章知識表示方法2.1知識和知識表示2.2狀態(tài)空間表示2.3問題歸約表示2.4謂詞邏輯表示2.5語義網(wǎng)絡(luò)表示2.6產(chǎn)生式表示2.7框架表示2.8面向?qū)ο蟊硎?023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊1產(chǎn)生式產(chǎn)生式通常用于表示事實、規(guī)則以及它們的不確定性度量，適合于表示事實性知識和規(guī)則性知識。事實斷言一個語言變量的值或斷言多個語言變量之間關(guān)系的陳述句。規(guī)則領(lǐng)域知識2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊22.6產(chǎn)生式表示

四元組表示：（對象，屬性，值，置信度）

或者：（關(guān)系，對象1，對象2，置信度）例：老李年齡很可能是40歲:(Li，age，40，0.8)老李和老王不大可能是朋友:(friend，Li，Wang，0.1)產(chǎn)生式表示2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊31.確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示2.不確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示

三元組表示：（對象，屬性，值）

或者：（關(guān)系，對象1，對象2）例：老李年齡是40歲：（Li，age，40）

老李和老王是朋友：（friend，Li，Wang）2.6產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式表示2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊43.確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示4.

不確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示

基本形式：IFPTHENQ

或者：PQ例如：

r4：IF動物會飛

AND

會下蛋

THEN該動物是鳥

基本形式：IFPTHENQ

（置信度）或者：PQ（置信度）

例如：IF發(fā)燒THEN感冒（0.6）2.6產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式與蘊含式區(qū)別1除邏輯蘊含外，產(chǎn)生式還包括各種操作、規(guī)則、變換、算子、函數(shù)等。區(qū)別2蘊含式只能表示精確知識，而產(chǎn)生式不僅可以表示精確的知識，還可以表示不精確知識。蘊含式的匹配總要求是精確的。產(chǎn)生式匹配可以是精確的，也可以是不精確的，只要按某種算法求出的相似度落在預(yù)先指定的范圍內(nèi)就認(rèn)為是可匹配的。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊52.6產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式的形式描述及語義

——巴科斯范式BNF2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊6<產(chǎn)生式>::=<前提><結(jié)論><前提>::=<簡單條件>|<復(fù)合條件><結(jié)論>::=<事實>|<操作><復(fù)合條件>::=<簡單條件>AND<簡單條件>[AND<簡單

條件>…)]|<簡單條件>OR<簡單條件>[OR<

簡單條件>…)]<操作>::=<操作名>[(<變元>,…)]符號“::=”表示“定義為”；符號“|”表示“或者是”；符號“[]”表示“可缺省”。

2.6產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊7控制規(guī)則庫推理機綜合數(shù)據(jù)庫2.6產(chǎn)生式表示8產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成綜合數(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。規(guī)則庫用于對數(shù)據(jù)庫進行操作運算。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規(guī)則應(yīng)用時所完成的動作?？刂啤⑼评頇C確定應(yīng)該采用哪一條適用規(guī)則，當(dāng)數(shù)據(jù)庫的終止條件滿足時，停止計算。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊2.6產(chǎn)生式表示控制和推理機的工作從規(guī)則庫中選擇與綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實進行匹配。匹配成功的規(guī)則可能不止一條，進行沖突消解。執(zhí)行某一規(guī)則時，如果其右部是一個或多個結(jié)論，則把這些結(jié)論加入到綜合數(shù)據(jù)庫中：如果其右部是一個或多個操作，則執(zhí)行這些操作。對于不確定性知識，在執(zhí)行每一條規(guī)則時還要按一定的算法計算結(jié)論的不確定性。檢查綜合數(shù)據(jù)庫中是否包含了最終結(jié)論，決定是否停止系統(tǒng)的運行。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊92.6產(chǎn)生式表示簡單的動物識別例：設(shè)有以下兩條規(guī)則r3：IF動物有羽毛THEN動物是鳥r15：IF動物是鳥AND動物善飛THEN動物是信天翁其中，r3和r15是上述兩條規(guī)則在動物識別系統(tǒng)中的規(guī)則編號。假設(shè)已知有以下事實：動物有羽毛，動物善飛，求滿足以上事實的動物是何種動物？2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊102.6產(chǎn)生式表示動物識別系統(tǒng)例：識別虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、鴕鳥、企鵝、信天翁的產(chǎn)生式系統(tǒng)2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊112.6產(chǎn)生式表示規(guī)則庫2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊12r1：

IF該動物有毛發(fā)

THEN該動物是哺乳動物r2：

IF該動物胎生

THEN該動物是哺乳動物r3：

IF該動物有羽毛

THEN該動物是鳥r4：

IF該動物會飛

AND會下蛋

THEN該動物是鳥r5：

IF該動物吃肉

THEN該動物是食肉動物r6：

IF該動物有犬齒

AND有爪

AND眼盯前方

THEN該動物是食肉動物r7：IF該動物是哺乳動物AND有蹄

THEN該動物是有蹄類動物r8：IF該動物是哺乳動物AND是反芻動物

THEN該動物是有蹄類動物2.6產(chǎn)生式表示r9：IF該動物是哺乳動物AND是食肉動物AND是黃褐色

AND身上有暗斑點THEN該動物是金錢豹

r10：IF該動物是哺乳動物AND是食肉動物AND是黃褐色

AND身上有黑色條紋THEN該動物是虎

r11：IF該動物是有蹄類動物AND有長脖子AND有長腿

AND身上有暗斑點THEN該動物是長頸鹿

r12：IF該動物有蹄類動物AND身上有黑色條紋

THEN該動物是斑馬r13：IF該動物是鳥AND有長脖子AND有長腿AND不會飛

AND有黑白二色THEN該動物是鴕鳥r14：IF該動物是鳥AND會游泳AND不會飛

AND有黑白二色THEN該動物是企鵝

r15：IF該動物是鳥AND善飛THEN該動物是信天翁規(guī)則庫2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊132.6產(chǎn)生式表示動物識別系統(tǒng)已知該動物身上有：暗斑點，長脖子，長腿，胎生，蹄，判斷它是什么動物。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊14解：該已知事實存放在綜合數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)規(guī)則庫進行推理：（1）從規(guī)則庫中取出r1，檢查其前提是否可與綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實匹配。匹配失敗，則r1不能被用于推理。然后取r2進行同樣的工作。匹配成功，則r2被執(zhí)行。綜合數(shù)據(jù)庫更新為：該動物身上有：暗斑點，長脖子，長腿，胎生，蹄，哺乳動物2.6產(chǎn)生式表示動物識別系統(tǒng)（2）分別用r3，r4，r5，r6綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實進行匹配，均不成功。r7匹配成功，執(zhí)行r72023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊15（3）r11匹配成功，推出“該動物是長頸鹿”。綜合數(shù)據(jù)庫更新為：該動物身上有：暗斑點，長脖子，長腿，胎生，蹄，哺乳動物，有蹄類動物2.6產(chǎn)生式表示動物識別系統(tǒng)2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊162.6產(chǎn)生式表示產(chǎn)生式表示的特點主要優(yōu)點自然性：與人類的判斷性知識基本一致。模塊性有效性：可以表示多種知識主要缺點效率較低不便于表示結(jié)構(gòu)性知識2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊172.6產(chǎn)生式表示適合產(chǎn)生式表示的知識（1）領(lǐng)域知識間關(guān)系不密切，不存在結(jié)構(gòu)關(guān)系。（2）領(lǐng)域問題的求解過程可被表示為一系列相對獨立的操作，且每個操作可被表示為一條或多條產(chǎn)生式規(guī)則。（3）經(jīng)驗性及不確定性的知識，且相關(guān)領(lǐng)域中對這些知識沒有嚴(yán)格、統(tǒng)一的理論。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊182.6產(chǎn)生式表示第二章知識表示方法2.1知識和知識表示2.2狀態(tài)空間表示2.3問題歸約表示2.4謂詞邏輯表示2.5語義網(wǎng)絡(luò)表示2.6產(chǎn)生式表示2.7框架表示2.8面向?qū)ο蟊硎?023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊19定義框架一種描述所論對象（事物、事件或概念）屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個框架由若干個被稱為“槽”的結(jié)構(gòu)組成，每一個槽又可根據(jù)實際情況劃分為若干個“側(cè)面”。一個槽用于描述所論對象某一方面的屬性。一個側(cè)面用于描述相應(yīng)屬性的一個方面。槽和側(cè)面所具有的屬性值分別被稱為槽值和側(cè)面值。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊202.7框架表示框架的BNF描述2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊21<框架>::=<框架頭><槽部分>[<約束部分>]<框架頭>::=框架名<框架名的值><槽部分>::=<槽>，[<槽>]<約束部分>::=約束<約束條件>，[<約束條件>]<框架名的值>::=<符號名>|<符號名>（<參數(shù)>，[<參數(shù)>]）<槽>::=<槽名><槽值>|<側(cè)面部分><槽名>::=<系統(tǒng)預(yù)定義槽名>|<用戶自定義槽名><槽值>::=<靜態(tài)描述>|<過程>|<謂詞>|<框架名的值>|<空><側(cè)面部分>::=<側(cè)面>，[<側(cè)面>]<側(cè)面>::=<側(cè)面名><側(cè)面值><側(cè)面名>::=<系統(tǒng)預(yù)定義側(cè)面名>|<用戶自定義側(cè)面名><側(cè)面值>::=<靜態(tài)描述>|<過程>|<謂詞>|<側(cè)面名的值>|<空><靜態(tài)描述>::=<數(shù)值>|<字符串>|<布爾值>|<其它值><過程>::=<動作>|<動作>，[<動作>]<參數(shù)>::=<符號名>2.7框架表示

Frame<框架名>槽名1：側(cè)面名11側(cè)面值111，…，側(cè)面值11P1

┊┊

側(cè)面名1m

側(cè)面值1m1，…，側(cè)面值1mPm

槽名n：側(cè)面名n1側(cè)面值n11，…，側(cè)面值n1P1┊

側(cè)面名nm側(cè)面值nm1，…，側(cè)面值nmPm一般結(jié)構(gòu)2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊222.7框架表示“缺省”值：當(dāng)缺少有關(guān)事物的信息，同時又無直接反面證據(jù)時，就假設(shè)按慣例或者一般情況下的填充值。

“如果需要”值：過程信息。“如果加入”值：應(yīng)該做什么的信息。

框架的一般結(jié)構(gòu)2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊23

Slot（槽）VALUE（值側(cè)面）

DEFAULT（缺省值側(cè)面）

IF-NEEDED（如果需要值側(cè)面）

IF-ADDED（如果加入值側(cè)面）2.7框架表示實例2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊24例：

一個描述碩士生有關(guān)情況的框架Frame<MASTER>Name：Unit（Last-name，F(xiàn)irst-name）

Sex：Area（male，female）

Default：maleAge：Unit（Years）

Major：Unit（Major）

Field：Unit（Field）

Advisor：Unit（Last-name，F(xiàn)irst-name）

Project：Area（National，Provincial，Other）

Default：NationalPaper：Area（SCI，EI，Core，General）

Default：CoreAddress：<S-Address>Telephone：HomeUnit（Number）

MobileUnit（Number）2.7框架表示實例框架2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊25碩士生-1框架：

Frame<Master-1>ISA：<Master>//是一個

Name：YangYeSex：femaleMajor：ComputerField：Web-Intelligence//方向Web智能

Advisor：LinHai//導(dǎo)師林海

Project：Provincial

//項目省部級2.7框架表示框架表示2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊26學(xué)生框架Frame<Student>Name：Unit（Last-name，F(xiàn)irst-name）

Sex：Area（male，female）

Default：male//缺省

Age：Unit（Years）

If-Needed：Ask-Age//詢問賦值

Address：<S-Address>Telephone：HomeUnit（Number）

MobileUnit（Number）

If-Needed：Ask-Telephone//詢問賦值2.7框架表示定義實例框架當(dāng)人們把觀察或認(rèn)識到的具體細(xì)節(jié)填入一個框架后得到的該框架的一個具體實例?？蚣芟到y(tǒng)把一組有關(guān)的框架連結(jié)起來可形成一個框架系統(tǒng)?？蚣芟到y(tǒng)推理由框架之間的協(xié)調(diào)來完成2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊272.7框架表示框架表示2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊28碩士生框架Frame<Master>AKO：<Student>//預(yù)定義槽名

Major：Unit（Major）

//專業(yè)

If-Needed：Ask-Major//詢問賦值

If-Added：Check-Major//后繼處理

Field：Unit（Direction-Name）

//方向

If-Needed：Ask–Field//詢問賦值

Advisor：Unit（Last-name，F(xiàn)irst-name）

//導(dǎo)師

If-Needed：Ask-Visor//詢問賦值

Project：Area（National，Provincial，Other）//項目

Default：National//缺省

Paper：Area（SCI，EI，Core，General）//論文

Default：Core//缺省2.7框架表示框架系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)通過諸框架之間的橫向或縱向聯(lián)系來實現(xiàn)?？蚣苤g的橫向聯(lián)系一個框架的槽值或側(cè)面值可以是另外一個框架的名字框架之間的縱向聯(lián)系用框架表示具有演繹關(guān)系的知識結(jié)構(gòu)時，下層框架與上層框架之間所具有的一種繼承關(guān)系具有橫向聯(lián)系及縱向聯(lián)系的一組框架稱為框架網(wǎng)絡(luò)2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊292.7框架表示框架網(wǎng)絡(luò)2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊30StudentCollegianMasterDoctorMaster-1Master-2S-AddressISAISAAKOAddressAKOAKO2.7框架表示框架的繼承特性的繼承通過ISA、AKO鏈來實現(xiàn)。繼承技術(shù)，通常由框架中設(shè)置的3個側(cè)面：Default、If-Needed、If-Added所提供的缺省推理功能來組合實現(xiàn)如果該槽提供有Default側(cè)面值，就繼承該默認(rèn)值作為查詢結(jié)果返回。如果該槽提供有If-Needed側(cè)面供繼承，則執(zhí)行If-Needed操作，去產(chǎn)生一個值作為查詢結(jié)果。如果對某個事物的某一屬性進行了賦值或修改操作，則系統(tǒng)會自動沿ISA和AKO鏈追溯到具有相應(yīng)的類或超類框架，去執(zhí)行If-Added操作，作相應(yīng)的后繼處理。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊312.7框架表示If-Needed與If-Added的區(qū)別主要區(qū)別在于激活時機和操作目的不同。If-Needed操作是在系統(tǒng)試圖查詢某個事物框架中未記載的屬性值時激活，并根據(jù)查詢需求，被動地即時產(chǎn)生所需要的屬性值；If-Added操作是在系統(tǒng)對某個事務(wù)框架的屬性作賦值或修改工作后激活，目的在于通過這些后繼處理，主動做好配套操作，以消除可能存在的不一致。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊322.7框架表示繼承實例2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊33碩士生-2框架：

Frame<Master-2>ISA：<Master>Name：LiuQingAge：22Major：ComputerAdvisor：LinHaiPaper：EI碩士生框架Frame<Master>AKO：<Student>

Major：Unit（Major）

If-Needed：Ask-Major

If-Added：Check-Major

Field：Unit（Direction-Name）

If-Needed：Ask–Field

Advisor：Unit（Last-name，F(xiàn)irst-name）

If-Needed：Ask-Visor

Project：Area（National，Provincial，Other）

Default：National

Paper：Area（SCI，EI，Core，General）

Default：Core學(xué)生框架2.7框架表示框架表示2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊34機器人糾紛問題的框架描述2.7框架表示框架的推理框架沒有固定的推理機理框架系統(tǒng)的推理和語義網(wǎng)絡(luò)一樣遵循匹配和繼承原則?？蚣艿钠ヅ鋵嶋H上是通過對相應(yīng)槽的槽名和槽值逐個進行比較，并利用繼承關(guān)系來實現(xiàn)的。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊352.7框架表示推理實例2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊36例：假設(shè)前面討論的學(xué)生框架系統(tǒng)已建立在知識庫中，若要求從知識庫中找出一個滿足如下條件的碩士生：

male，Age<25，

Major：Computer，Project：National解：1、用框架表示這些條件，可得到初始問題框架

Frame：Master-xName：

Sex:male

Age：Years<25Major：ComputerProject：National

2、用此框架和知識庫中的框架匹配2.7框架表示框架表示的特點優(yōu)點結(jié)構(gòu)性深層性繼承性自然性缺點缺乏框架的形式理論缺乏過程性知識表示難以保證清晰些2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊372.7框架表示框架的程序語言實現(xiàn)FRL（FrameRepresentationLanguage）PROLOG例：“教師”框架用PROLOG表示

2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊38框架名:<教師>類屬:<知識分子>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:(<小學(xué)教師>，<中學(xué)教師>，<大學(xué)教師>)frame(name("教師")，

kind--of("<知識分子>")，

work(scope(“教學(xué)”，“科研”)，

default("教學(xué)"))，

sex("男"，"女")，

reco--of--f--s("中師"，"高師")，

type(“<小學(xué)教師>”，“<中學(xué)教師>”，“<大學(xué)教師>”)).2.7框架表示劇本表示劇本是框架的一種特殊形式，用一組槽來描述某些時間的發(fā)生序列。劇本的組成(1)開場條件：給出在劇本中描述的事件發(fā)生的前提條件。(2)角色（支撐物）：用來表示在劇本所描述的事件中可能出現(xiàn)的有關(guān)人物的一些槽。(3)道具（線索）：用來表示在劇本所描述的事件中可能出現(xiàn)的有關(guān)物體的一些槽。(4)場景（場次）：描述事件發(fā)生的真實順序，可以由多個場景組成，每個場景又可以是其它的劇本。(5)結(jié)果（結(jié)局）：給出在劇本所描述的事件發(fā)生以后通常所產(chǎn)生的結(jié)果。2023/2/2人工智能導(dǎo)論-劉珊392.7框架表示40餐廳劇本（1）開場條件

（a）顧客餓了，需要進餐廳（b）顧客有足夠的錢（2）角色

顧客、服務(wù)員、廚師、老板（3）道具

食品、桌子、菜單、錢（4）場景

場景1

進入餐廳

（a）顧客走入餐廳（b）尋找桌子（c）在桌子旁坐下場景2

點菜

（a）服務(wù)員給顧客菜單（b）顧客點菜（c）顧客把菜單還給服務(wù)員（d）顧客等待服務(wù)員送菜場景3