02第二章 知識表示方法.ppt

1、第二章 知識表示,知識表示的概念 語義網(wǎng)絡表示法 框架表示法 狀態(tài)空間表示法 產(chǎn)生式表示法 謂詞表示法 ,2.1 知識表示的概念（一）,相關概念： 數(shù)據(jù)：指為描述具體事物引入的數(shù)字、符號等 信息：指不同數(shù)據(jù)組成的一種結(jié)構（如 “建國50歲”） 數(shù)據(jù)與信息的關系：數(shù)據(jù)是信息的載體和表示，信息是數(shù)據(jù)的語義 知識：對信息進行智能性加工后形成的對客觀世界的規(guī)律性認識*。 知識的一般概念 人類認識與經(jīng)驗的總和*. 人們對客觀事物的認識及解決問題的方法和策略,知識的三個代表性定義： 經(jīng)過消減、塑造、選擇和轉(zhuǎn)換的信息； 由特定領域的描述、關系和過程組成； 知識=事實+信念+啟發(fā)式。,人類對客觀世界感知,知識

2、是人類對客觀世界感知的一個層面。人類對客觀世界的感知分為四個層面： 4 智慧（Intelligence）3 知識（Knowledge）2 信息（Information）1 數(shù)據(jù)（Data）,2.1 知識表示的概念(二),知識的屬性 知識的分類 知識的表示 知識表示的要求 知識表示觀點：陳述性觀點（重表示） 過程性觀點（重運用） 知識表示方法： 狀態(tài)空間、與或圖、謂詞邏輯、產(chǎn)生式、 語義網(wǎng)絡、框架、 腳本、過程、神經(jīng)網(wǎng)絡,2.2 語義網(wǎng)絡,語義網(wǎng)絡的概念 語義網(wǎng)絡的分類 語義網(wǎng)絡的表達能力 基于語義網(wǎng)絡的推理 語義網(wǎng)絡表示的特點與不足,語義網(wǎng)絡的概念,1968年Quillian的博士論文中作為人

3、類聯(lián)想記憶的種個心理學模型首先提出-聯(lián)想網(wǎng)絡。 1972年Simon正式提出語義網(wǎng)絡的概念，在專家系統(tǒng)、NLP等領域得到廣泛應用。 語義網(wǎng)絡: 用實體和語義關系來表達知識的有向圖。 節(jié)點表示：物體、概念、事件、動作、狀態(tài)、性質(zhì) 弧表示：節(jié)點間的語義關系或聯(lián)系. 蘋果的語義網(wǎng)絡 知網(wǎng),蘋果語義網(wǎng)絡,蘋 果,營養(yǎng),水 果,高產(chǎn),富士,秦冠,中國西部,陜西,北方,甜,國家,日本,脆甜,富有,是一種,引進于,味道,產(chǎn)于,產(chǎn)于,是一種,是一種,是一個,特點,特點,位于,知網(wǎng)舉例醫(yī)療,語義網(wǎng)絡類型,命題語義網(wǎng) 數(shù)據(jù)語義網(wǎng):以數(shù)據(jù)為中心的語義網(wǎng)絡; 語言語義網(wǎng):用于自然語言的分析與理解; 結(jié)構語義網(wǎng):描述客

4、觀事物的結(jié)構; 分類語義網(wǎng):描述抽象概念及其層次; 推理語義網(wǎng):命題網(wǎng),已規(guī)范化更適合推理; 框架語義網(wǎng):與框架結(jié)合的語義網(wǎng);,實例關系 : 表示類與其實例（個體）間的關系(ISA) 分類關系 : 表示事物間的類屬關系(a-kind-of) 包含關系 : 部分與整體間的關系(a-part-of) 屬性聯(lián)系 : 表示對象屬性及其屬性值 (have, can),語義網(wǎng)絡的表達能力-語義關系(一),ISA,小王,大學生,AKO,熊貓,哺乳 動物,桌面,桌腿,桌子,a-part-of,男,教師,simon,40,sex,age,profession,成員關系: “是的成員” （a-member-of

5、成員關系） 邏輯關系: 概念間的因果關系（推論關系） 方位關系: “位于” 時間關系： “在前”(before), “在后”(after) 所屬關系: “具有”,語義網(wǎng)絡的表達能力-語義關系(二),小王,計算機系,？,航院,北陵公園西門,？,人,五官、四肢,？,常黑屏,查病毒,？,OR,文件被破壞,類屬關系是指具體有共同屬性的不同事物間的分類關系、成員關系或?qū)嵗P系。 注：它體現(xiàn)的是“具體與抽象”、“個體與集體”的概念。類屬關系的一個最主要特征是屬性的繼承性，處在具體層的結(jié)點可以繼承抽象層結(jié)點的所有屬性。 常用的屬性有： A-Kind-of:表示一個事物是另一個事物的一種類型 （類別間的所屬）

6、 A-Member-of:表示一個事物是另一個事物的成員( 所有成員屬性一致 ) Is-a:表示一個事物是另一個事物的實例 （個體與類別間的所屬） 類屬關系實例 注：在類屬關系中，具體層的結(jié)點除了具有抽象層結(jié)點的所有屬性外，還可以增加一些自己的個性。,類屬關系,這條鯨魚,例如AC米蘭隊和國際米蘭隊在一場足球比賽中的成績?yōu)?：1，邏輯表示法為SCORE( AC-MILAN, INTER-MILAN, 0:1),可以通過加入附加結(jié)點的辦法將其改成語義網(wǎng)絡表示法，其根本方法是將多元關系表示成二元關系的組合或合取。本例通過加入附加結(jié)點G22(表示特定的一場比賽)。 多元邏輯關系語義網(wǎng)絡實例 從圖中可以

7、看出，原來的多元關系都變成了G22結(jié)點屬性。,多元邏輯關系的表示,動作的表示 他從早到晚都很忙。 小王給了小張一本書。,語義網(wǎng)絡的表達能力-語義關系(三),他 從早 到晚 都很 忙 。,小王 給了 小張 一本 書 。,他 從早 到晚 都很 忙 。,小王 給了 小張 一本 書 。,基于語義網(wǎng)絡的推理,匹配 構造問題的目標網(wǎng)絡塊或網(wǎng)絡片斷. 在整個語義網(wǎng)（知識庫）中尋找匹配 繼承 “默認”繼承值繼承 “”附加過程”繼承,蘋果,X,富士,特點,AKO,富士蘋果的特點？,語義 網(wǎng)絡片斷,值繼承,block,Brick,Brick1,Rectangular,問題: 求Brick1的形狀,1. Brick

8、1是否有Shape弧? 2.找與Brick1連接的ISA弧 3.找與Brick1連接的AKO弧 問題：為什么后找AKO？,AKO,ISA,Shape,“默認”繼承,block,Brick,Brick1,問題: 求Brick1的默認顏色,ISA,AKO,color,color,Default,Default,Red,Blue,“附加過程”繼承,block,Brick,Brick1,問題: 求Brick1的重量,ISA,AKO,Weight,(If-needed),Dencity,400,Block-Weight Procedure,Volume,11,Brick1,Dencity,400,Vol

9、ume,11,Weight,?,語義網(wǎng)絡的PROLOG表示,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) a_kind_of(秦冠, 陜西). is_located_at(陜西, 中國西部). a_part_of(中國西部, 中國).,are (a_kind_of, 蘋果, 水果）. Are (taste, 蘋果，甜）. are (a_kind_of, 富士, 蘋果) are (intro_from, 富士, 日本). are (is_a , 日本, 亞洲國家) ar

10、e (a_kind_of, 秦冠, 陜西). are (is_located_at, 陜西, 中國西部). are (a_part_of, 中國西部, 中國).,語義網(wǎng)絡的特點與不足,主要特點 結(jié)構性：結(jié)構化知識表示，繼承推理實現(xiàn)信息共享 自然聯(lián)想性：人類的聯(lián)想思維過程的自然表示 自索引性：可快速檢索信息 主要不足 非嚴格性：不能保證得到結(jié)論的有效性. 復雜性：大規(guī)模語義網(wǎng)絡的管理復雜,課堂練習,用語義網(wǎng)絡表示下列知識: 樹和草都是植物; 果樹是樹,且會結(jié)果; 每周二下午我們都在A311教室上人工智能課。這門課由研究生部的蔡老師主講，共32學時。今天是第二講“知識的表示”。 問題：什么時候、在

11、什么地方、由誰上人工智能課？ 今天的授課內(nèi)容是什么？第一講是什么時候？ 人工智能課是什么時候開始的？,課堂練習,用語義網(wǎng)絡表示下列知識: 1 樹 和 草 都是 植物 2 果樹 是 樹, 且會 結(jié)果,AKO,AKO,？,Have,？,課堂練習（情況和動作的表示,每周二下午我們都在A311教室上人工智能課。這門課由蔡老師主講，共32學時。今天是第二講“知識的表示”。 問題：什么時候、在什么地方、由誰上人工智能課？ 今天的授課內(nèi)容是什么？ 第一講是什么時候？ 人工智能課是什么時候開始的？ 課 蔡老師 （主講） 課1 每周二下午（時間） A311教室 （地點）,人工智能（課名） 32學時 （學時） 第

12、一講 ？ 第二講：知識表示 （內(nèi)容） 11月16日 （時間）,學生信息等,課堂練習,課 蔡老師 （主講） 上課 課1 每周二下午（時間） A311教室 （地點） （上課時間） （下課時間）,人工智能 （課名） 32學時 （學時） 第一講 第二講：知識表示 （內(nèi)容） 11月16日 （時間）,學生信息等,2.3 框架,框架的概念 框架的表達能力 基于框架的推理 框架表示的特點與不足,在一個廚房中能看到些什么？ 教室都有哪些特征？ 醫(yī)院、劇院、街道、食堂、,在一個廚房中能看到些什么？,教室都有哪些特征？,框架的概念,框架理論：1975年由明斯基提出。認為人們對現(xiàn)實世界中各種事物的認識都是以一種類似于

13、框架的結(jié)構存儲記憶的。 框架定義 存儲以往經(jīng)驗的通用數(shù)據(jù)結(jié)構； 表示形式： 由框架名、槽名、側(cè)面、值組成。 框架通常由描述事物的各個方面（屬性）的槽組成 每個槽可以擁有若干個側(cè)面（屬性不同方面描述） 每個側(cè)面又可以擁有若干個值 推理方法： 沒有固定的推理機理。但和語義網(wǎng)絡一樣遵循匹配和繼承的原理。,框架的概念,框架是一種結(jié)構,一般形式: / ,側(cè)面值122, : / ,側(cè)面值k22, : ,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:(，),槽值,槽名,側(cè)面名,側(cè)面值,框架(教師),框架(大學教師),框架名: 類屬: 學歷: (學士,

14、碩士,博士) 專業(yè): 職稱: (助教,講師, 副教授,教授) 外語: 語種: (英,法,日,俄,德,) 缺省: 英 水平: (優(yōu),良中,差) 缺省: 良,框架(教師-1),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 部門:計算機軟件教研室 工作:,參加工作時間:1995年8月 工齡:當前年分 工資:,教師框架的實例框架,框架間的關系,框架之間的關系 框架也分為類框架和實例框架。通過引入類-超類（AKO）及實例-類（ISA）關系來表示框架之間的包含關系和屬于關系?？蚣芾碚搶⒅R看成相互關系的成塊組織。 推理方法： 匹配：問題框架同知識庫框架的模式

15、匹配。 槽計算：繼承,框架的表達能力,框架適合表達結(jié)構性的知識. 如概念,對象. 框架也可以表示行為(動作),如機器人糾紛問題.,基于框架的推理,繼承 :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: 匹配 :問題框架同知識庫中框架的模式匹配. 搜索:在框架網(wǎng)絡中進行查找有關信息. 填槽:根據(jù)繼承原理,填補問題框架的槽值. 填槽的方式:查詢,默認,繼承,附加過程計算 如“教師-1”中的“外語水平”可由“大學教師”中繼承,基于框架的推理-機器人糾紛問題,基于框架的推理-產(chǎn)生式規(guī)則的表示,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

16、： 條件1:頭痛 條件2:發(fā)燒 結(jié)論: 患感冒,2.4 框架的特點與不足,主要特點 結(jié)構性：適合描述結(jié)構性強或重復性事件. 深層性：可以嵌套分層地對知識進行表示. 繼承性：減少知識的 余和保證知識的一致性 自然性：直觀自然,易于理解. 主要不足. 沒有形成完整的理論體系. 缺乏過程性知識表示 框架,槽,側(cè)面等知識表示單元缺乏清晰的語義.,2.5 腳本,框架的一種：描述事件的發(fā)生序列 腳本的結(jié)構: 進入條件、角色、道具、場景、結(jié)果 腳本的推理：預測功能 應用：自然語言處理,2.5 飯店腳本,進入條件：餓 了、有錢 角色：顧客、店員、廚師 道具：食品、桌子、菜單、錢 場景：進入、點菜、等待、吃 、

17、離開、 結(jié)果：顧客飽了，但錢少了 老板賺了錢，但店里食品少了,常識知識的表示,2.6 常識知識的表示,常識定義：經(jīng)過長期驗證使用，眾所周知、不言自明的知識。 普遍性：經(jīng)過千百年實踐檢驗 約定性：常識使人際交往更簡便、經(jīng)濟 例外性：但按常識處理，一般應合理、正確 例如：飯前洗手、累了休息、餓了吃飯 有病去醫(yī)院或買藥吃、藥房買藥 用嘴吃飯、時空特征、人的特征.,2.6常識知識的表示,常識表示的難點 數(shù)量巨大：難以收集 關聯(lián)復雜：難以定界、難以描述 不確定性：近似性、模糊性、時變性,常識內(nèi)容列舉,本體的類和個體 對象的屬性、功能、組成、材料、用途、位置、分布 事件的位置 、時間、先決條件、影響、主體

18、和客體 情感 計劃 故事 語境,2.6 常識知識的表示,常識的重要性-計算機需要常識知識 常識問題：樹上有幾只鳥問題-常識推理 專家系統(tǒng)：醫(yī)療診斷系統(tǒng) 自然語言理解：她正在教室上課。,2.6 常識知識的表示,常識表示 邏輯公式表示、自然語言 常識推理 非單調(diào)推理、CYC工程AI中的“曼哈頓計劃”,2.7 常識知識庫 - CYC,CYC: 萊納特（Doug Lenat）從1984開始建立。試圖對日常生活常識綜合建立綜合的本體論和數(shù)據(jù)庫的人工智能工程，由工程師和計算機程序員組成的小組, 500人年，耗費5000萬美元（CYc源于 “encyclopedia”） 目標：通過知識工程的手段和知識庫，讓

19、計算機建立起和人一樣的常識系統(tǒng)，使人工智能具有和人類似的推理能力 Cyc系統(tǒng)有140多萬條斷言 如：樹是長在房子外面的；人死后就不會買東西； 一段木頭可截成更小的木頭，但桌子不能； 迄今最復雜的AI系統(tǒng),最大人類常識知識庫。 美國洛杉磯時報題：一架會思考的機器的誕生,2.7 常識知識庫 - CYC,Cyc系統(tǒng): 保密、部分公開(約 1/20) 潛在應用前景非常廣闊 。 “如果一個機器人不明白事物的相對價值，如一只飛蛾和一個嬰兒誰重要，那你會讓它在你家里服務嗎?” “Cyc系統(tǒng)早就知道人只有到了一定年齡才能工作” “人是否能跑?”、“地球有多大?”,2.7 常識知識庫 - CYC,萊納特認為：

20、Cyc系統(tǒng)更加接近完成人工智能研究的目標，一個能提高人類能力的智能系統(tǒng)?！耙坏┱嬲罅康男畔⑴c人相結(jié)合，成為人掌握的知識，那人和計算機軟件系統(tǒng)的整合將產(chǎn)生超人。這就像比起文字產(chǎn)生前的人類，會書寫的人就是超人一樣?！?信心：初期2%-現(xiàn)在98% -什么是人與機器的本質(zhì)區(qū)別？ -整合什么？,2.8 NKI 工程,什么是NKI -國家知識基礎設施(National Knowledge Infrastructure，簡稱NKI)。是一個龐大的，可共享的知識群體，為科研、教學、科普和知識服務提供了有效的基礎。它不僅集成各個學科的公共知識，而且還融入各個學科專家的個人知識。 從結(jié)構上講，知識基礎設施(NK

21、I)可分為四層: 應用層 :為各類知識的應用提供界面 知識庫系統(tǒng)層 高性能計算機層 通信網(wǎng)絡:用來支持知識的傳播,CNKI中國知識基礎設施工程-中國知網(wǎng),CNKI中國知識基礎設施工程 (China national knowledge infrastructure),CNKI介紹,CNKI是在中宣部、新聞出版署等主管部門支持下、由清華大學承擔的一項史無前列的浩大的知識工程。無論是編輯中國知識資源總庫、還是構建知識傳播體系-“中國知網(wǎng)”，都是CNKI的基礎工程。 CNKI是繼能源、交通、通訊后中國的第四大基礎設施。 CNKI 是知識基礎設施 CNKI 是基于中國知識資源總庫的知識門戶 CNKI

22、是全球信息量最大、最具價值的中文網(wǎng)站 CNKI 是知識搜索引擎 CNKI 是知識超市,2.8核心層: 知識庫系統(tǒng)層,知識庫系統(tǒng)層存放經(jīng)過重新整理過的百科全書和教科書。 知識庫系統(tǒng)層提供獲取各種人類專家知識的工具。 為應付人類知識的不斷更新提供必要的知識維護手段 。 知識分析：保證知識的一致性,2.8 NKI工程知識分析,知識分析：保證知識的一致性。需要對概念的屬性和關系進行分析。 屬性之間的公里（國家人口數(shù)） 公里1：國家.人口總數(shù)=國家.男性人口數(shù)+國家.女性人口數(shù) 公里2：國家.人口總數(shù)=國家.農(nóng)業(yè)人口數(shù)+國家.非農(nóng)業(yè)人口數(shù) 公里3：國家.人口總數(shù) 國家.首都.人口總數(shù) 定義（人口數(shù)一致性

23、）：如果知識庫K滿足以上公里，則知識庫K的人口數(shù)是一致的。,2.8 NKI工程知識分析,關系之間的公里 關系：自反性、傳遞性、對稱性等-更復雜 公里1：東鄰（A,B） 西鄰(B,A) 公里2：東鄰（A,B） 西鄰(B,A) V 西南鄰(B,A) V 西北鄰(B,A),2.8 NKI 工程,NKI與CYC有一些重疊之處，但還是有本質(zhì)的差別。NKI要獲取的是各學科的專業(yè)知識，同時還要從各種領域?qū)＜夷抢铽@取他們的寶貴經(jīng)驗，因此不但可用于教學及職業(yè)培訓，而且可用于具體問題的求解以及專家水平的咨詢。 CYC :常識知識 NKI :專業(yè)知識的常識化 （正確性，可理解性）,作業(yè),讀書：“知識表示” 一章 思

24、考：如何將人類的知識放入計算機中，包括如何表示和推理？列舉你所能想到的方法。 選擇合適的知識表示方式（可以多種）描述大學生一天的學習生活（腳本+框架）。 回答問題： 時間、地點、活動內(nèi)容、人物、結(jié)果,知識的屬性,真假性與相對性 不確定性：不完備性、不精確性、模糊性 矛盾性和相容性（一致性） 可表示性與可利用性,知識的分類（一）,按內(nèi)容分 客觀原理性知識: 客觀事物及其規(guī)律的認識 主觀方法性知識: 解決問題的方法和策略 按形式分 顯示的知識: 文字的、圖形的，如書本知識 隱式的知識:只可意會, 不可言傳，如各種技能 按可信度分（確定性與不確定性） 理論知識: 可靠嚴密, 如平面圖判別定理 經(jīng)驗知

25、識: 隨機模糊, 不確定, 如“發(fā)燒-感冒”,知識的分類（二）,按適用范圍分: 常識性知識: 一般通用性知識 領域性知識: 具體領域的專業(yè)知識 按作用分 事實性知識: 描述概念、屬性、狀態(tài)等情況的知識 反映事物的靜態(tài)特征，也稱敘述性知識 過程性知識: 描述操作、演算、行為等規(guī)律的知識 控制性知識: 知識的知識，也稱元知識或超知識,知識的分類（三）,按性質(zhì)分：概念、命題、公理、定理、規(guī)則、方法等 按層次分：表層知識（經(jīng)驗）、深層知識(理論） 按等級分：零級、一級、二級 按結(jié)構及表現(xiàn)形式分：邏輯性知識、形象性知識,知識的表示,面向計算機的知識描述形式和方法 人的知識與機器的知識 知識表示的重要性(

26、麥卡賽問題) 知識的陳述表示和過程表示,如求N! N! = N*(N-1)! N! = N*(N-1)*(N-2)*3*2*1 (N0, 0!=1) 知識的確定性表示和不確定性表示 多種知識表示的綜合,知識表示的要求,數(shù)據(jù)結(jié)構 + 算法 = 表示 + 推理 表示能力：廣泛性、高效性、非確定 可利用性：對推理的支持 可組織性與可維護性 可實現(xiàn)性 自然性與可理解性,例如：詞典的表示 數(shù)組 鏈表,麥卡賽問題的表示,2n,2n,(原始問題),麥卡賽問題： 請判別是否能將右圖的黃色部分劃分為1x2的小長方塊（2n2-1個）？,麥卡賽問題的表示,2n,2n,2n,2n,(原始問題),(同構問題),2.4

27、邏輯表示法,一階謂詞邏輯是謂詞邏輯中最直觀的一種邏輯。它以謂詞形式來表示動作的主題、客體。客體可以多個。 如：張三與李四打網(wǎng)球（Zhang and Li play tennis），可寫為：play (Zhang, Li, tennis) 這里謂詞是play，動詞主體是Zhang和 Li，而客體是tennis。 謂詞邏輯規(guī)范表達式： P ( x1, x2, x3, )， 這里P是謂詞, xi是主體與客體。,邏輯表示法特點,謂詞比命題更加細致地刻畫知識： 表達能力強 如：北京是個城市， City(x) 把城市這個概念分割出來。把“城市” 與“北京”兩個概念連接在一起，而且說明“北京”是“城市”的子

28、概念。（有層） 謂詞可以代表變化的情況 如：City(北京),真。 City(煤球)，假 在不同的知識之間建立聯(lián)系.,2.3 邏輯表示法,邏輯表示法特點,在不同的知識之間建立聯(lián)系 如：Human(x) Lawed(x)， 人人都受法律管制，x是同一個人。 Commit(x) Punished(x)， x不一定是人也可以是動物。 而，Human(x) Lawed(x)commit(x) Punished(x)， 意為如果由于某個x是人而受法律管制，則這個人犯了罪就一定要受到懲罰。,2.3 邏輯表示法,邏輯表示法特點,謂詞邏輯法是應用最廣的方法之一，其原因是： 謂詞邏輯本身具有比較扎實的數(shù)學基礎（數(shù)理統(tǒng)計） 一階謂詞邏輯具有完備的邏輯推理算法。如果對邏輯的某些外延擴展后，則可把大部分的知識表達成一階謂詞邏輯的形式。（知識易表達） .,2.3 邏輯表示法,邏輯表示法特點,用邏輯（謂詞）表示知識實質(zhì)上是把人類關于世界的認識變成一個包含個體、函數(shù)和謂詞的概念化形式。 基本步驟： 給出有關世界的個體、函數(shù)和謂詞 構造一階謂詞公式（集） 對公式（集）給出解釋，使該解釋是相應公式（集）的一個模型。,2.3 邏輯表示法,邏輯表示例,例：一個房間里，有一機器人Robot，一個積木塊Box，兩個桌子A和B， 怎樣用邏輯法描述從初始狀態(tài)到目標狀態(tài)的機器人操作過程？ 先