人工智能 第6章 知識(shí)表示講述

1、第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.1 知識(shí)及其表示知識(shí)及其表示 6.2 框框 架架 6.3 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò) 6.4 面向?qū)ο笾R(shí)表示面向?qū)ο笾R(shí)表示 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.1 知識(shí)及其表示知識(shí)及其表示 6.1.1 知識(shí)的概念 究竟什么是知識(shí)呢？我們認(rèn)為: 知識(shí)就是人們對(duì)客觀事物（包括自然的和人造的）及其規(guī)律的認(rèn)識(shí)， 知識(shí)還包括利用客觀規(guī)律解決實(shí)際問題的方法和策略。 對(duì)客觀事物及其規(guī)律的認(rèn)識(shí)，包括對(duì)事物的現(xiàn)象、本質(zhì)、屬性、狀 態(tài)、關(guān)系、聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)等的認(rèn)識(shí)，即對(duì)客觀事物的原理的認(rèn)識(shí)。 利用客觀規(guī)律解決實(shí)際問題的方法和策略，包括解決問題的步驟、 操作、規(guī)則

2、、過程、技術(shù)、技巧等具體的微觀性方法；也包括諸如戰(zhàn)術(shù)、 戰(zhàn)略、計(jì)謀、策略等宏觀性方法。 所以，就內(nèi)容而言，知識(shí)可分為（客觀）原理性知識(shí)和（主觀）方法 性知識(shí)兩大類。 就形式而言，知識(shí)可分為顯式的和隱式的。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.1.2 知識(shí)表示 面向計(jì)算機(jī)的知識(shí)描述或表達(dá)形式和方法。 面向人的知識(shí)表示可以是語(yǔ)言、文字、數(shù)字、符號(hào)、 公式、圖表、圖形、圖像等多種形式。這些表示形式是 人所能接受、理解和處理的形式。但面向人的這些知識(shí) 表示形式，目前還不能完全直接用于計(jì)算機(jī)，因此就需 要研究適于計(jì)算機(jī)的知識(shí)表示模式。 具體來講，就是要用某種約定的（外部）形式結(jié)構(gòu)來 描述知識(shí)，而且這種形式

3、結(jié)構(gòu)還要能夠轉(zhuǎn)換為機(jī)器的內(nèi) 部形式，使得計(jì)算機(jī)能方便地存儲(chǔ)、處理和利用。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.1.3 知識(shí)表示的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) 上面談的知識(shí)表示僅指知識(shí)的邏輯結(jié)構(gòu)或形式。要 把這些外部的邏輯形式轉(zhuǎn)化為機(jī)器的內(nèi)部形式，還需要 程序語(yǔ)言支持。 原則上講，一般的通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都可實(shí)現(xiàn)上述 的大部分表示方法。但使用專用的面向某一知識(shí)表示的 語(yǔ)言更為方便和有效。因此，幾乎每一種知識(shí)表示方法 都有其相應(yīng)的專用實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言。 例如，支持謂詞邏輯的語(yǔ)言有PROLOG和LISP，專 門支持產(chǎn)生式的語(yǔ)言有OPS5，專門支持框架的語(yǔ)言有 FRL，支持面向?qū)ο蟊硎镜恼Z(yǔ)言有Smalltalk、C+和Java 等，

4、支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的語(yǔ)言有AXON. 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.2 框框 架架 6.2.1 框架的概念 框架是一種結(jié)構(gòu)模式，其一般形式是: | | | 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。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例6.1 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”、“性別”、“學(xué)歷”和 “類型”。這些槽名的右面就 是其值，如“”、 “男”

5、、“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。 用括的槽值也是框架名。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例6.2 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(yǔ):語(yǔ)種:范圍:(英，法，日，俄，德，) 缺省:英 水平:(優(yōu)，良，中，差) 缺省:良 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 學(xué)歷：博士 職稱:助教 專業(yè):計(jì)算機(jī)應(yīng)用 外語(yǔ)：英 水平：良 部門:計(jì)算機(jī)系軟件教研室 工作: 參加工作時(shí)間:

6、1995年8月 工齡:當(dāng)前年份-參加工作年份 工資: 可以看出，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。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.2.2 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 性值或狀態(tài)值。 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。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例6.4 關(guān)于房間的框架: 框架名: 墻數(shù)x1: 缺省:x1=4 條件:x10 窗

7、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:(，) 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例6.5 機(jī)器人糾紛問題的框架描述。 圖61 機(jī)器人糾紛問題 框架名： 打人 -1 動(dòng)作：打 動(dòng)作發(fā)出者：羅賓 動(dòng)作接受者：蘇西 后果：（打人- 2，哭泣- 1） 框架名： 打人 -2 動(dòng)作：打 動(dòng)作發(fā)出者：蘇西 動(dòng)作接受者：羅賓 后果：(打人- 1，哭泣-

8、 2) 框架名： 哭 -1 動(dòng)作：哭 動(dòng)作發(fā)出者：蘇西 后果：（得意,懊悔 ） 框架名： 哭 -2 動(dòng)作：哭 動(dòng)作發(fā)出者：羅賓 后果：心里平衡 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 產(chǎn)生式規(guī)則也可用框架表示。 例: 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：條件1:頭痛 條件2:發(fā)燒 結(jié)論:患感冒 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.2.3 基于框架的推理 基于框架的推理方法是繼承: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:問題框架同知識(shí)庫(kù)中的框架模式匹配。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)

9、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。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.2.4 框架的程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) PROLOG可方便地實(shí)現(xiàn)框架。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)現(xiàn)。因?yàn)榭蚣軐?shí)際上就是樹，而PROLOG 的結(jié)構(gòu)也是樹.表的元素個(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))， se

10、x(男，女)， reco_of_f_s(中師，高師)， type(“”，“”，“”). 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 框架的通用表示形式參考: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。 domains name=name(string) body=body(subtreelist) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtreelist) database frame(name，body) clauses frame(name(“教師”)， body(st(“類屬”，st(“”，)， st(“工作”，st(“范

11、圍”，st(“教學(xué)”，)， st(科研，)，st(缺省，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() 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.3 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò) 6.3.1 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的概念 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是由節(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 圖是一個(gè)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。其中， 邊上的標(biāo)記是邊的語(yǔ)義。 圖62 蘋果的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò) 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的概念最先由Quillian提出來的(1

12、968年,博士論文):把語(yǔ) 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(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)也稱 聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)。語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)可以劃分為五個(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(yǔ)言學(xué)級(jí)。七種類型： (1)命題語(yǔ)義網(wǎng)（包括分塊聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)）； (2)數(shù)據(jù)語(yǔ)義網(wǎng)：以數(shù)據(jù)為中心的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)； (3)語(yǔ)言語(yǔ)義網(wǎng)：用于自然語(yǔ)言的分析和理解； (4)結(jié)構(gòu)語(yǔ)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(yǔ)義網(wǎng)：描述抽象概念及其層次； (6)推理語(yǔ)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(yǔ)義網(wǎng)：與框架相結(jié)合的 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.3.2 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力

13、 語(yǔ)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(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，也可以看 作是該事物與其屬性、狀態(tài)或行 為的一種關(guān)系。 抽象地說，語(yǔ)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(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)來表示。 智能系統(tǒng) 專家思維專家知識(shí) 困難問題專家系統(tǒng) 是一種 能解決 具有 能模擬 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(yǔ)義關(guān)系。例如，“小華是一個(gè)大 學(xué)生”就可表示為圖64。其中，關(guān)系“是一個(gè)”一 般標(biāo)識(shí)為“is-a”，或I

14、SA。 小華大學(xué)生 ISA 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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65就是一個(gè)描 述分類關(guān)系的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。其 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“a kind of”或AKO。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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66所示的語(yǔ)義 網(wǎng)絡(luò)就是

15、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 桌腿桌面 一部分a part of 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 4.屬性關(guān)系 屬性關(guān)系表示對(duì)象的屬性及其屬性值。如圖表示 simon是一個(gè)人，男性，40歲，職業(yè)是教師。 Person sumon ISA 男40教師 sexageprofession 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 張三計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì) 是成員 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” 。其中，關(guān)系“是成員”一般標(biāo)識(shí)為“a- member-of”。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 第第6章

16、章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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69所 示的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)邏輯關(guān)系。 雨天 外出 ANDOR 帶雨披 帶雨傘 則 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(yǔ)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。 電子2路石油學(xué)院張宏助教 西安市區(qū)25歲 位于工作在職務(wù) 屬于 年齡 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 8.所屬關(guān)系 所屬關(guān)系表示“具有”的意思。例如

17、“狗有尾巴” 圖611 表示所屬關(guān)系的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò) 狗尾巴 have 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中的語(yǔ)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)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(yǔ)義加以表示。 語(yǔ)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。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 還可以從語(yǔ)句角 度來考察語(yǔ)義網(wǎng)。 例如，對(duì)于如下 的語(yǔ)句(或事件)： 小王送給小李一本 書。 用語(yǔ)義

18、網(wǎng)絡(luò)可表示如 圖，其中S代表整個(gè) 語(yǔ)句。這種表示被稱 為是自然語(yǔ)言語(yǔ)句的 深層結(jié)構(gòu)表示。 送 書 小王小 李 書 giverrecipient S object 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示用謂詞公式表示的形式語(yǔ)言語(yǔ)句。例如： x(student(x)read(x，三國(guó)演義) 即“某個(gè)學(xué)生讀過三國(guó)演義”，其語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表 示為： student ISA 三國(guó)演義 readbook xread1 ISAISA subjectobject 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 分塊語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò) student ISA 三國(guó)演義 readbook xread1 ISA ISA subjectobjec

19、t R GS ISA F A “每個(gè)學(xué)生都讀過三國(guó)演義”： 其語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示為： ) ,()(三國(guó)演義xreadxstudentx 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.3.3 基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的推理 基于語(yǔ)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(yǔ)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。 蘋果 x富士 特點(diǎn) AKO 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)片段 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.3.4 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) 由 于 語(yǔ) 義 網(wǎng) 絡(luò) 是 一 個(gè) 二 元 關(guān) 系

20、 圖 ， 所 以 用 PROLOG可方便地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)知識(shí)表示。 例如，圖61所示的語(yǔ)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). 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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，

21、蘋果). arc(intro-from，富士，日本). arc(is-a，日本，亞洲國(guó)家). 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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)). 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). 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.4 面向?qū)ο笾R(shí)表示面向?qū)ο笾R(shí)表示

22、 近年來，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(yǔ)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。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例 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(); void Change(int age,int salary); void Retire(); 第第6章章