人工智能第五講.ppt

1、盧錦玲 Email: ,人工智能及其在電力系統(tǒng)中的應用,第五章知識的表示和獲取 1.介紹 2.知識表示的基本概念 3.產(chǎn)生式表示法（Production Rule） 4.謂詞邏輯表示法 5.框架表示法 6.知識地獲取,知識的表示和獲取簡介,人工智能是研究如何使機器具有人類智能的學科。人之所以具有智能，是因為人擁有知識。人從出生到長大，通過不斷的（包括各種方式的學習），積累了大量的知識，積累的知識越多就越聰明。一個人沒有知識就不可能有智能。同樣，要使機器具有智能，就必須使它擁有知識，擁有的知識越多，其智能就越高。但人類的知識大多是很抽象的，而且我們習慣于用自然語言表達，那么如何機器具有人類的知識

2、，這就是知識的表示和獲取。,第一節(jié) 知識表示的基本概念,知識表示方法的重要性 知識的分類 知識表示方法的衡量標準 知識模型變換,知識表示方法的重要性 所謂知識表示，就是研究在機器中如何用最合適的形式時知識進行描述，使知識形式化、模型化，以便在機器中存儲和使用知識。對于人們習慣的知識表示形式（如自然語言表示），機器不一定能接受，所以必須把人類知識變換成一定形式的機器內(nèi)部的知識模型，為機器所接受，并以數(shù)據(jù)結構形式存儲知識。 知識表示方法的研究與AI研究目標是一致的、統(tǒng)一的，即應從人類思維規(guī)律或心理學為依據(jù)去研究知識的表示。由于對人類大腦中知識形成和知識結構的機制還沒有完全研究清楚，因此尚沒有通用的

3、知識表示形式，或由機器自動的對不同的知識表示法擇優(yōu)表示，或自動編輯知識。目前，人們針對不同的問題不同領域，研究出多種知識表示方法，他們主要基于兩種觀點：,一種是從思維規(guī)律出發(fā)，認為形式邏輯是一切推理活動的源泉，用邏輯來處理知識表示問題，如謂詞邏輯表示法。 另一種是從認知心理學出發(fā)，認為認知是過程性的，從感性知識到理性知識，學習形成概念，積累知識和經(jīng)驗知識等，即根據(jù)客觀事務一些規(guī)律，建立聯(lián)想記憶的心理學模型來處理知識表示問題。如語義網(wǎng)絡表示法?；谏鲜鰞煞N觀點形成的知識表示方法在問題的知識處理中，各有優(yōu)點和不足。 對于一個具體問題，可有不同的表示方法，采用不同的表示方法，問題求解的難易程度是不一

4、樣的。選擇一個合適的知識表示方法，有利于知識的存放和利用，使問題求解變得容易。因此，知識表示方法對問題求解是至關重要的，甚至在有些問題中，智能主要表現(xiàn)在尋找適當?shù)闹R表示上，一旦找到了適當?shù)闹R表示方法，問題也就基本解決了。,知識的分類 按知識性質分： （1） 敘述型知識：表示問題的狀態(tài)、概念、條件、事實的知識。（數(shù)據(jù)庫）（靜態(tài)知識） （2） 過程型知識：表示問題求解過程中決定選用各種操作、演算和行動的知識（動態(tài)知識）（知識庫） （3） 控制型知識：表示問題求解過程中用到的哪種操作、演算和行動的判斷或決策的知識（推理機） 例：敘述型知識：北京、上海、飛機、火車、時間、費用。 過程型知識：乘飛機

5、、坐火車。 控制型知識：乘飛機較快、較貴；坐火車較慢、較便宜。,按知識源分（1）共性知識：是指問題域內(nèi)有關事物、屬性、概念、定義、定理、原理、理論算法等知識，它們來自教科書和刊物，并已被領域專業(yè)人員承認和接受。它描述問題的細節(jié)，確保問題解的精確性，屬深層知識。（2）個性認識：來自現(xiàn)場有經(jīng)驗的專業(yè)人員，包括大量的經(jīng)驗知識或啟發(fā)式知識。它描述問題的輪廓，知識嚴格性差，屬淺層知識或啟發(fā)式知識。,按知識的層次分 （1）零級知識：最基本層的知識，包括問題域內(nèi)的事實、屬性、定理定義等，屬問題求解的常識性和原理性知識。 （2）一級知識：第二層知識，啟發(fā)式認識?？蓮浹a零級知識的不足，提高求解效率。 （3）二級

6、知識：第三層知識，控制性知識，對低層知識起知道作用，組織和有效運用零級和一級知識。 （4）高層次知識：如回憶、綜合、概括、抽象等，它們反映人的心理特征，目前尚難于用計算機表示。 領域知識（問題領域內(nèi)知識）：包括零級知識和一級知識。 元知識（知識的知識）：二級以上的知識。高級的本源的知識。,知識模型變換,同構和同態(tài)的概念 設有兩個問題：P=和P= 其中：Q表示與問題P有關的事實的集合，即Q=q1,q2, F表示Q中事實之間的某種二元關系的集合，即F=(qi,qj),i,j=1,2, 同樣：Q表示與問題P有關的事實的集合，即=q1,q2, F表示Q中事實之間的某種二元關系的集合，即F=(qi,qj

7、),i,j=1,2, 如果存在一個滿映射h即q=h(q),記作h:QQ,使得對F集合中的任何序偶(qi,qj)有（h(qi),h(qj)）F,即F與F之間也存在一個滿映射：h:FF,則稱P是P的同態(tài)問題，而稱h是從P到P的同態(tài)映射，記作PP。 如果h是一個雙映射，即對應集合中每一個元素的映射關系是互相一一對應的，則稱P到P的同構問題，h則稱為同構映射，記作PP同構映射是同態(tài)映射的特例。,1知識模型變換,由于同構映射滿足等價關系，同態(tài)映射滿足蘊含關系，因此我們可以利用同構和同態(tài)的概念對知識模型進行變換和簡化，將原始問題化為其同構和同態(tài)問題，以便更明確、更簡潔地表達知識，易于問題求解。 通過同構或

8、同態(tài)變換，將原始問題化為其同構或同態(tài)問題。 同構問題地解含等價于原始問題地解答，即同構問題有解等價于原始問題有解。原始問題有解蘊含著同態(tài)問題有解，同態(tài)問題無解，則原始問題無解。,方棋盤分割問題,原始問題：在2n2n的方格棋盤中，去掉對頂角上二個小方格后，如圖2.2（a）所示，問能否將它分割為若干12的小長方塊？ 求解原始問題是很困難的，因為對n的數(shù)值未加限制，可以是任意大的正整數(shù)。直接求解要考察2種可能的分割方案，隨著n的增大，存在“組合爆炸”問題。,同構問題,將棋盤中小方格相間地著色，化為其同構問題，如圖2.2（b），由此可見，無論n為何值，對角頂上二個小方格是同色地，去掉它們后的圖2.2（

9、b）中，小白格與小黑格的數(shù)目之間差值為2。由于每個（12）長方塊只能包括一個小白格和一個小黑格，因此，無論如何分割，最后剩下的是同色的二個小方格，無法分割成小長方塊。因此，同構問題無解，所以，等價的原始問題也無解。,同態(tài)問題,為了使問題更為簡明，進行同態(tài)交換，引入序對，用以表示待分割的棋盤的狀態(tài)，化為同態(tài)問題，如圖2.2（c）所示。 初始狀態(tài),目標狀態(tài)：。 分割操作：每次操作，分割一個小長方塊，割去一個小白格和一個小黑格，使狀態(tài)變量都減去1，即：如每一次分割，使初始狀態(tài)變?yōu)橐淮螤顟B(tài)。 顯然，經(jīng)過2n-2次操作后，狀態(tài)變?yōu)椋海?不可能達到所求目標狀態(tài)。 因此，同態(tài)問題無解， 蘊含著其原始問題也無

10、解,產(chǎn)生式表示法（Production Rule）,產(chǎn)生式規(guī)則 產(chǎn)生式規(guī)則表示方法 產(chǎn)生式系統(tǒng),產(chǎn)生式規(guī)則 產(chǎn)生式規(guī)則是根據(jù)客觀世界中各客體之間存在依賴關系的實質而提出的。 在客觀世界中，各客體之間具有互相存在的因果關系，如： 如果現(xiàn)在下雨，就穿雨衣。 如果是運算放大器，就可進行信號運算。 如果差動保護正確動作，則是變壓器內(nèi)部故障。 這些句子表示的是狀態(tài)動作對，或前提（條件）結論（行動）對，可以用產(chǎn)生式規(guī)則表示。產(chǎn)生式規(guī)則的格式為 如果（IF），則（THEN）； 或前提（條件），結論（行動）。 其中，前提可以是一個，也可以是幾個，而結論一般只有一個。,產(chǎn)生式規(guī)則表示方法,用產(chǎn)生式規(guī)則形式表示知

11、識的方法叫知識的產(chǎn)生式規(guī)則表示方法。如前面的句子可表示成： clothed (rain_proof) :- it_is (raining). operate (signals) :- amplifier_is (operated). transformer (internal_fault) :- action (differntial_protection).,產(chǎn)生式系統(tǒng),用產(chǎn)生式規(guī)則表示知識所構成的系統(tǒng)稱產(chǎn)生式系統(tǒng)，或稱基于規(guī)則的系統(tǒng)。產(chǎn)生式系統(tǒng)的概念最早是由美國數(shù)學家Post于1943年提出的。 產(chǎn)生式系統(tǒng)求解問題的基本方法 產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成 產(chǎn)生式規(guī)則的優(yōu)點 產(chǎn)生式系統(tǒng)的缺點,產(chǎn)生式系統(tǒng)

12、求解問題的基本方法 產(chǎn)生式系統(tǒng)（或基于規(guī)則的系統(tǒng)）是用規(guī)則序列的形式來描述問題的思維過程，形成求解問題的知識模型。模型中的每一條規(guī)則稱為一個產(chǎn)生式，規(guī)則用字符串表示。問題的求解過程是根據(jù)初始數(shù)據(jù)，在上下文（或稱當前數(shù)據(jù)庫）中，搜索可匹配的產(chǎn)生式，并將結論寫入上下文；再根據(jù)改變后的上下文，重新搜索匹配，最終求得問題的解。 在產(chǎn)生式系統(tǒng)的知識規(guī)則中，一個或多個前提條件表示的狀態(tài)，是調(diào)用產(chǎn)生式規(guī)則之前早已準備好的事實，是為產(chǎn)生結論而提供的。產(chǎn)生式規(guī)則調(diào)用所形成的結論又繼續(xù)引導作為另一個產(chǎn)生式規(guī)則的前提使用。一個規(guī)則集中要求一個以上的事實，這些事實可看作是產(chǎn)生式規(guī)則的特殊形式，即是無條件的產(chǎn)生式規(guī)則，

13、如 it_is (raining). 在產(chǎn)生式系統(tǒng)中，這些事實構成數(shù)據(jù)庫。,產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成 產(chǎn)生式系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、知識庫和推理機三部分組成。 l 數(shù)據(jù)庫：用于存放用戶提供的初始狀態(tài)、問題域內(nèi)對象的性質和屬性等事實及求解過程中產(chǎn)生的中間結果數(shù)據(jù)。 l 知識庫：用于存放問題域內(nèi)的知識，所有知識用產(chǎn)生式規(guī)則表示。 l 推理機：又稱控制系統(tǒng)或控制策略器。負責如何來運用規(guī)則庫中的規(guī)則與事實匹配，當求解過程中出現(xiàn)多個結論或找不到滿意結論時，如何為解決沖突問題提供控制策略。,產(chǎn)生式規(guī)則的優(yōu)點,自然性 產(chǎn)生式規(guī)則結構接近于人的思維和自然推理形式，易于理解。 能有效表達啟發(fā)式（淺層）知識：可根據(jù)人的經(jīng)驗程度、數(shù)

14、據(jù)可靠程度，給出可信度因子，便于實現(xiàn)不精確推理。 模塊性強 規(guī)則庫對推理機具有相對獨立性，產(chǎn)生式規(guī)則間的聯(lián)系一般是通過上下文的數(shù)據(jù)結構，而不是規(guī)則的互相直接調(diào)用。因此規(guī)則庫中規(guī)則的增刪、修改，不會對知識庫維護產(chǎn)生大的影響。 清晰性 規(guī)則庫規(guī)則格式單一，層次清晰，便于知識正確性和一致性檢查，推理機設計也易于實現(xiàn)。,產(chǎn)生式系統(tǒng)的缺點,透明度差 雖然其局部每一規(guī)則易理解，但因其獨立性，因此難于作完整的原理性解釋。 表達能力受限 由于規(guī)則格式單一，對復雜知識、不確定推理的表達顯得能力不足和呆板不靈活。 大型AI系統(tǒng)有效性降低 產(chǎn)生式系統(tǒng)的強模塊性，使得規(guī)則間信息傳遞依賴于上下文的數(shù)據(jù)，而不能直接調(diào)用其

15、他規(guī)則，因此求解陷于大量的規(guī)則檢索、匹配和操作，不能對執(zhí)行優(yōu)化序列或優(yōu)化回溯控制作出明顯反應。 基于產(chǎn)生式規(guī)則表示方法的特點，它適用于領域知識可分解表示為一系列不相關的求解操作，如經(jīng)典的分類學。也適用于依賴大量經(jīng)驗知識、知識較雜且缺乏深層知識的系統(tǒng)。,謂詞邏輯表示法,邏輯是人們思維活動規(guī)律的反映和抽象。數(shù)理邏輯是用數(shù)學方法研究形式邏輯的一個分支，又稱為符號邏輯。在數(shù)理邏輯中，通過符號系統(tǒng)來表達客觀對象以及有關的邏輯推理。謂詞邏輯是數(shù)理邏輯的基本形式，是基于謂詞分析的一種形式化語言。知識的邏輯表達通常指用一階謂詞邏輯描述人工智能的問題求解,謂詞邏輯的概念,1謂詞和個體變量 謂詞邏輯是一種用句子的

16、內(nèi)部結構（主語、謂語）為基本符號來研究人的思維規(guī)律的數(shù)理邏輯。 如“張比王小”，用謂詞表示為：LITTLE（Zhang，Wang） 其中大寫英文詞LITTLE（也可以用一個字母）表示謂詞比??； 括弧及里面的字（Zhang，Wang）表示主語（次序不能顛倒）。 謂詞邏輯的一般形式為，i=1，2，n 式中P稱為謂詞，用來刻劃個體的性質或關系， 稱為個體變量（又稱變元），它表示獨立存在的事物，可以是一個抽象的概念，也可以是一個具體的事物。 個體域：個體變元的變化范圍，可以是有限的，也可以是無限的。 謂詞的元數(shù)：個體變元的數(shù)目。如一元謂詞，多元謂詞。 謂詞賦值：將P賦予確定的含義，代表確定的個體。 謂

17、詞的真值：當謂詞被賦值后就有了真值，“真”或“假”。,聯(lián)結詞,謂詞只能表示簡單陳述句，對思維過程中的大量復合句還要用聯(lián)結詞將它們組合成謂詞合式公式。常用的聯(lián)結詞有： (1) 否定聯(lián)結詞：用來否定原來的謂詞。如： LIKE(I, Music) 否定后變成 LIKE(I, Music) (2) 合取聯(lián)結詞：用來表示并列的復合句子。如： LIKE(I, Music) LIKE(I, Dance) (3) 合取聯(lián)結詞：用來表示可兼有的或。如： CHAMPION(Liming, 100m) CHAMPION(Liming, 400m) (4) 合取聯(lián)結詞：用來表示“如果那么”的句子。左側叫前提（前件），

18、右側叫結論（后件），它表示善意的推定，即只有在前件P為T，后件Q為F時，PQ的真值為F，否則PQ的真值為T。 (5) 雙條件聯(lián)結詞：只有P和Q的真值相同時，PQ的真值為T，否則PQ的真值為F。,常用謂詞聯(lián)結詞的定義如下：,P,Q,量詞,謂詞叫原子謂詞公式（簡稱原子公式），用表示。 有些原子公式對個體域中所有個體變元都具有T值，但有些則不然。在數(shù)理邏輯中用量詞來表示這個特點。 (1) 全稱量詞“（x）”，讀作“對于所有的x”。 (x)表示“對于個體域中所有的個體x，謂詞均為T”。 (2) 存在量詞“（ x）”，讀作“存在x”。 ( x)表示“在個體域中存在某些個體，使謂詞為T”。,謂詞合式公式（

19、又稱謂詞公式）,原子公式和聯(lián)結詞及量詞一起可以組成謂詞合式公式。定義如下： （1） 原子公式是合式公式。 （2） 若A是合式公式，則A是合式公式。 （3 若A和B都是合式公式，則（AB）,(AB),(AB)和（A B）都是合式公式。 （4） 如果A是合式公式，x是A中出現(xiàn)的任何變元，則（ x）A和（ x）A都是合式公式。 （5只有經(jīng)過有限次的應用規(guī)則（1）（4）所得到的公式是合式公式。 由此可見，謂詞合式公式是由原子謂詞公式、聯(lián)結詞、量詞以及圓括號按照上述規(guī)則組成一個符號串。 例如：“所有發(fā)電機的母線電壓大于、等于1.05時，應減少發(fā)電機勵磁”可改寫成：“對于所有發(fā)電機，如果其母線電壓1.05

20、，則減少發(fā)電機勵磁”。其謂詞公式是： ( x)(UOLTAGE(x,bus)(GE)(V,1.05)DECREASED(x,excitation),式中個體變元x表示發(fā)電機；V表示電壓。,謂詞演算的等價式和蘊含式,等價：兩個謂詞公式P、Q在其共同的個體域上，P Q是永真式。記作P Q。 蘊含：兩個謂詞公式P、Q在其共同的個體域上，PQ是永真式。記作P Q。 在謂詞公式的演算過程中，常用的一批等價式和蘊含式參見教材P8688。,謂詞邏輯表示法的應用舉例,用謂詞邏輯表示狀態(tài) 問題的狀態(tài)往往是一個或一批事實，它可以用一個或一組語句來描述，因此可用一個或幾個謂詞公式的合取來表示。 例5用謂詞公式表示變

21、電所中負荷的供電狀況。 分析：只有在母線帶電，斷路器、隔離開關1、2均在合位時，負荷才能供電。 謂詞公式：LINK(breaker,switch1) LINK(switch1,bus) LINK(switch2, breaker) LIVE(bus) CLOSE(breaker) CLOSE(switch1) CLOSE(switch2),用謂詞邏輯表示操作 操作由條件和動作兩部分組成。用謂詞邏輯表示操作時，條件可以寫成若干語句的合取。當狀態(tài)的事實使它們都為真時，該操作可以被選用。動作則表示操作。例 用謂詞公式表示拉開刀閘1的操作。 操作：OPEN(SWITCH) 條件：LINK(breake

22、r,switch1) LINK(switch1,bus) OPEN(BREAK) OPEN(SWITCH1),謂詞邏輯表示法的特點,謂詞邏輯表示法的優(yōu)點 l 嚴格性：可以保證其演繹推理結果的正確性，可以較精確地表達知識。 l通用性：擁有通用的邏輯演算的方法和推理的規(guī)則。 l自然性：謂詞邏輯是一種接近于自然語言的形式語言。 l 模塊性：便于用計算機實現(xiàn)邏輯推理的機械化、自動化。 謂詞邏輯表示法的缺點 l 效率低：由于推理是根據(jù)形式邏輯進行的，把推理演算與知識含義截然分開，拋棄了表達內(nèi)容中所含有的語義信息，往往使推理過程太冗長，效率低，出現(xiàn)“組合爆炸”。 l 靈活性差：不便于表達和加入啟發(fā)性知識及

23、元知識。,謂詞邏輯表示法的應用,（1） 自動問答系統(tǒng) （2） 機器人行動規(guī)劃系統(tǒng) （3） 機器博弈系統(tǒng) （4） 問題求解系統(tǒng),框架表示法,研究發(fā)現(xiàn)，人們大腦中的經(jīng)驗知識往往是用數(shù)據(jù)結構形式存儲的，進而將這種表示某種固定狀態(tài)（事物、動作、推測）的一種數(shù)據(jù)結構稱為框架?？蚣鼙硎痉ㄊ且环N描述范圍廣泛、存放描述信息較多的知識表示方法。,框架表示法的一般形式,框架名槽名1（值111，值112，.） （值121，值122，.） 槽名2（值211，值212，.） （值221，值222，.） 說明：（1）槽、側面、值可以有任意有限個數(shù)目，可根據(jù)需要設置。 （2）每個槽可以填入不同類型的值，設計者可根據(jù)需要確定，它可以是數(shù)值、文字、二值邏輯的真或假，也可以是一個子框架。,框架表示法的特點,（1） 框架是一個分層次的嵌套式結構?？捎蓽\入深的描述問題。 （2） 每個框架是相對獨立的數(shù)據(jù)結構。 （3） 利用框架系統(tǒng)的互相調(diào)用形式，可以調(diào)用其它應用程序和其它表示方法。（可以實現(xiàn)互相調(diào)用）,語義網(wǎng)表示法,語義網(wǎng)是以網(wǎng)絡格式表示人類知識構造的一種形式，是一