人工智能_第2章知識(shí)表示方法

1、框架表示法知識(shí)的框架表示法1975年由M.Minsky提出，最早用作視覺感知、自然語言對(duì)話等問題的知識(shí)表示；目前已作為一種通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示知識(shí)對(duì)象(實(shí)體)。框架理論認(rèn)為，人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的認(rèn)識(shí)都是以一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在記憶中的，當(dāng)面臨一種新事物時(shí)，就從記憶中找出一個(gè)合適的框架并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其細(xì)節(jié)加以修改、補(bǔ)充，從而形成對(duì)當(dāng)前事物的認(rèn)識(shí)。【例】對(duì)教室的知識(shí)：在記憶中建立關(guān)于教室的框架，指出相應(yīng)事物的名稱（教室），以及事物各有關(guān)方面的屬性（如有四面墻、有課桌、有黑板，）。通過對(duì)該框架的查找，很容易得到教室的各有關(guān)特征。當(dāng)實(shí)際接觸了教室后，經(jīng)觀察得到了教室的大小、門窗的個(gè)數(shù)、桌凳的

2、數(shù)量、顏色等細(xì)節(jié)，把它們填入到教室框架中，就得到了教室框架的一個(gè)具體事例，稱為事例框架。1框架表示法框架是一種結(jié)構(gòu)化表示法。通?？蚣懿捎霉?jié)點(diǎn)-槽-值表示?？蚣苡糜诿枋龈袷焦潭ǖ氖挛?、行動(dòng)和事件。框架的構(gòu)成一個(gè)框架由若干個(gè)槽（Slot）組成，槽用于描述屬性；一個(gè)槽又可由若干個(gè)側(cè)面組成。側(cè)面用于描述相應(yīng)屬性的一個(gè)方面；一個(gè)側(cè)面可有一個(gè)或多個(gè)側(cè)面值。槽和側(cè)面所具有的屬性值分別稱為槽值和側(cè)面值。對(duì)框架、槽或側(cè)面，都可以附加上一些說明性信息(約束條件)，用于指出什么樣的值才能填入到槽或側(cè)面中。槽值或側(cè)面值的取值：數(shù)值、字符串、布爾值；在滿足某個(gè)給定條件時(shí)要執(zhí)行的動(dòng)作或過程；另一個(gè)框架的名字。框架實(shí)質(zhì)上是

3、一個(gè)層次的嵌套鏈接表。2框架表示法一個(gè)框架的一般結(jié)構(gòu)如下：框架名：槽名1：槽值1側(cè)面名11：側(cè)面值111側(cè)面值11p側(cè)面名12：側(cè)面值121側(cè)面值12p槽名2：槽值2側(cè)面名21：側(cè)面值211側(cè)面值21p槽名n：槽值n側(cè)面名n1：側(cè)面值n11側(cè)面值n1p側(cè)面名nm：側(cè)面值nm1側(cè)面值nmp3框架表示法-例【例】一個(gè)人可以用其職業(yè)、身高和體重等項(xiàng)描述，用這些項(xiàng)目組成框架的槽。當(dāng)描述一個(gè)具體的人時(shí)，再用這些項(xiàng)目的具體值填入到相應(yīng)的槽中。下面是描述John的框架。框架名：name:JOHNisa:PERSONprofession:PROGRAMMERheight:1.8mweight:79kg4框架表

4、示法-例【例】 框架名： 商品名稱：生產(chǎn)廠家：出售商店:處 罰： 處理方式：處罰依據(jù)：處罰時(shí)間：?jiǎn)挝唬?、月、日）?jīng)辦部門：在這個(gè)框架中，有4個(gè)槽，其中，“處罰”槽有4個(gè)側(cè)面，側(cè)面“處罰時(shí)間”用“單位”指出了一個(gè)填值時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)限制。5框架網(wǎng)絡(luò)框架間的橫向聯(lián)系：由于框架中的槽值或側(cè)面值都可以是另一個(gè)框架的名字，這就在框架之間 建立起了聯(lián)系，通過一個(gè)框架可以找到另一個(gè)框架，這稱為橫向聯(lián)系?？蚣荛g的縱向聯(lián)系：當(dāng)某些事物有一些共同的屬性時(shí)，在對(duì)它們進(jìn)行描述時(shí)，可以將它們具有的共同屬性抽取出來，構(gòu)成一個(gè)上層框架，然后再對(duì)各自獨(dú)有的屬性分別構(gòu)成下層框架。為了指明框架間的這種上下關(guān)系，可在下層框架中設(shè)立一個(gè)專

5、用的槽，用以指出他的上層框架是哪一個(gè)。這樣就在框架間建立了縱向聯(lián)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)。6框架間的繼承框架的繼承性，就是當(dāng)子節(jié)點(diǎn)的某些槽值或側(cè)面值沒有被直接記錄時(shí)，可以從其父節(jié)點(diǎn)繼承這些值。繼承性是框架表示法的一個(gè)重要特性，它不僅可以在兩個(gè)框架之間實(shí)現(xiàn)繼承關(guān)系，而且還可以通過兩兩的繼承關(guān)系，從最低層追搠到最高層，使高層的信息逐層向低層傳遞。例如，椅子一般都有4條腿，如果一把具體的椅子沒有說明它有幾條腿，則可以通過一般椅子的特性，得出它也有4條腿。如果一個(gè)在上層框架中描述的屬性在下層框架需作進(jìn)一步說明時(shí)，則需要在下層框架中再次給出描述。如果在下層框架中對(duì)某些槽沒有作特別

6、的聲明，那么它將自動(dòng)繼承上層框架相應(yīng)槽的槽值。7框架網(wǎng)絡(luò)-例下圖是一個(gè)關(guān)于師生員工的框架網(wǎng)絡(luò)。師生員工框架：用于描述師生員工的共同屬性，例如姓名，性別，年齡等；教職工框架：用于描述教師、干部、工人的共同屬性，凡是在師生員工框架中已指出的屬性在這里可不再重復(fù)描述；（以此類推）師生員工框架教師1教師n學(xué)生n學(xué)生1教職工框架 學(xué)生框架 教師框架 電子系學(xué)生框架 工人框架 機(jī)械系學(xué)生框架 8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） 缺省：男 健康狀況： 范圍（健康,一般,差） 缺?。阂话阕≈罚?教職工框架為： 框架名：繼承： 工作類別：范圍(教師,干

7、部,工人)缺?。航處熼_始工作時(shí)間：?jiǎn)挝?年，月)截止工作時(shí)間：?jiǎn)挝?年，月)缺?。含F(xiàn)在離退休狀況：范圍(離休，退休)框架網(wǎng)絡(luò)-例9框架網(wǎng)絡(luò)-例教師框架為：框架名：繼承：部門：?jiǎn)挝?系，教研室)語種：范圍(英語,法語,日語,德語,俄語)缺省：英語外語水平：范圍(優(yōu)，良，中，差)缺?。毫悸毞Q：范圍(教授,副教授,講師,助教)缺?。褐v師研究方向：某個(gè)教師的事例框架為：框架名：繼承：姓名：孫林年齡：28健康狀況：健康部門：計(jì)算機(jī)系軟件教研室語種：德語開始工作時(shí)間：1985.910框架中槽的設(shè)置與組織充分表達(dá)事物各有關(guān)方面的屬性合理地設(shè)置槽要與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)相一致，所要求的及可能用到的都要表示出來；僅僅

8、需要對(duì)有關(guān)的屬性設(shè)立槽，不可面面俱到，以免浪費(fèi)空間和降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。充分表達(dá)相關(guān)事物間的各種關(guān)系由槽中的框架名建立聯(lián)系事物間的聯(lián)系是通過在槽中填入相應(yīng)的框架名來建立的，它們之間究竟是一種什么樣的關(guān)系，則是由槽名來指明的。對(duì)槽及側(cè)面進(jìn)行合理的組織利用其上下層間的繼承性。盡量將不同框架中的相同屬性抽取出來，放入其上層框架，而在下層框架中只描述相應(yīng)事物獨(dú)有的屬性。從而減少信息的重復(fù)性，并且有利于知識(shí)的一致性。有利于進(jìn)行框架推理?？蚣芡评硎且粋€(gè)反復(fù)進(jìn)行框架匹配的過程，為了是推理得11標(biāo)準(zhǔn)槽名在框架表示系統(tǒng)中通常定義一些標(biāo)準(zhǔn)槽名，應(yīng)用時(shí)不用說明就可直接使用。稱這些槽名為系統(tǒng)預(yù)定義槽名。1)ISA槽：

9、用于指出事物間抽象概念上的類屬關(guān)系。其直觀含義是“是一個(gè)”，“是一種”，“是一只” ?！纠吭O(shè)有下面兩個(gè)框架：框架名：姓名：?jiǎn)挝唬ㄐ眨┠挲g：?jiǎn)挝唬q）性別：范圍（男，女）缺?。耗锌蚣苊篒SA: 腦力：特好12標(biāo)準(zhǔn)槽名2) AKO槽：用于具體的指出事物間的類屬關(guān)系。其直觀含義是“是一種”，下層框架可以繼承其上層框架所描述的屬性及值。對(duì)上面的例子，可將棋手框架中的ISA改為AKO。3)Subclass槽：用于指出子類與類之間的類屬關(guān)系。上例中，由于“棋手”是“運(yùn)動(dòng)員的一個(gè)子類，故可將ISA該為Subclass。4) Instance槽：用來建立AKO槽的逆關(guān)系。用它作為某框架的槽時(shí)，可用來指

10、出它的下層框架是哪些?！纠靠蚣苊篒nstance:，姓名：?jiǎn)挝唬ㄐ?，名）年齡：?jiǎn)挝唬q）性別：范圍（男，女）缺省：男13標(biāo)準(zhǔn)槽名5) Part-of槽：用于指出部分與全體的關(guān)系?！纠科嚭洼喬?。上層框架是對(duì)汽車的描述，下層框架是對(duì)輪胎的描述。顯然，輪胎是汽車的一部分。注意將Part-of槽與上面四種槽區(qū)分開來：前述4種槽是上、下層框架間的類屬關(guān)系，它們由共同的特性，可以繼承；Part-of槽只指出下層是上層的一個(gè)子結(jié)構(gòu)，兩者一般不具有共同的特征，不能繼承。14標(biāo)準(zhǔn)槽名6) Infer槽：指出兩個(gè)框架所描述的事物間的邏輯推理關(guān)系，用它可以表示相應(yīng)的產(chǎn)生式規(guī)則。【例】設(shè)有下面知識(shí)：如果咳嗽，

11、發(fā)燒且流涕，則八成是患了感冒，需服用感冒清，一日三次，每次2-3粒。并要多喝開水。對(duì)該知識(shí) ，可用如下兩個(gè)框架表示：框架名：癥狀1：咳嗽癥狀2：發(fā)燒癥狀3：流涕Infer: 可信度：0.8框架名：病名：感冒治療方法：服用感冒清，一日三次，每次2-3粒注意事項(xiàng) ：多喝開水愈后：良好7) Possible-Reason槽：與Infer槽作用相反，用來把某個(gè)結(jié)論與可能的原因聯(lián)系起來。15框架求解問題的過程在用框架表示知識(shí)的系統(tǒng)中，問題的求解主要是通過匹配與填槽實(shí)現(xiàn)的。要求解某個(gè)問題時(shí):(1)首先把問題用框架表示出來；(2)然后與已有的框架進(jìn)行匹配，找出一個(gè)或幾個(gè)可匹配的預(yù)選框架作為初步假設(shè)，并在此引

12、導(dǎo)下收集進(jìn)一步的信息;框架的匹配是通過對(duì)相應(yīng)的槽的槽名及槽值逐個(gè)比較實(shí)現(xiàn)的。如果兩個(gè)框架的各對(duì)應(yīng)槽沒有矛盾，或者滿足預(yù)先規(guī)定的某些條件，就認(rèn)為這兩個(gè)框架可以匹配。(3)最后用某種評(píng)價(jià)方法對(duì)預(yù)選框架進(jìn)行評(píng)價(jià)，決定是否接受它。16繼承性框架的推理-例【例】師生員工的框架網(wǎng)絡(luò)已建立在知識(shí)庫中，從知識(shí)庫中找出一個(gè)滿足以下條件的教師：男性，年齡在30歲以下，身體健康，職稱為講師把這些條件用框架表示出來，就可得到如下的初始問題框架框架名：姓名：年齡：30性別：男健康狀況：健康職稱：講師某個(gè)教師的事例框架為：框架名：繼承：姓名：孫林年齡：28健康狀況：健康部門：計(jì)算機(jī)系軟件教研室語種：德語開始工作時(shí)間：19

13、85.9師生員工教師故：孫林可能是要找的教師(符合條件的可能不止孫林一個(gè),此框只能作為預(yù)選框,還需進(jìn)一步收集更多的信息,以從中選出一個(gè))。17劇本(script)表示劇本是框架的一種特殊形式，它用一組槽來描述某些事件的發(fā)生序列，就像劇本中的事件序列一樣，故稱為“劇本”(腳本)表示法。劇本的構(gòu)成(1) 開場(chǎng)條件：給出在劇本中描述的事件發(fā)生的前提條件。(2) 角色：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：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(chǎng)景：描述事件發(fā)生的真實(shí)順序，可以由多個(gè)場(chǎng)景組成，每個(gè)場(chǎng)景又可以是其它的劇本。(5) 結(jié)果：在劇本所描述的

14、事件發(fā)生以后通常所產(chǎn)生的結(jié)果。18劇本表示-例【例】餐廳劇本(1) 開場(chǎng)條件：(a)顧客餓了，需要進(jìn)餐。(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(chǎng)景：場(chǎng)景1 進(jìn)入餐廳(a) 顧客走入餐廳。(b) 尋找桌子。 (c) 在桌子旁坐下。場(chǎng)景2 點(diǎn)菜(a) 服務(wù)員給顧客菜單。(b) 顧客點(diǎn)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(chǎng)景3 等待(a) 服務(wù)員把顧客所點(diǎn)的菜告訴廚師。(b) 廚師做菜。19劇本表示-例場(chǎng)景4 吃菜(a) 廚師把做好的菜給服務(wù)員。(b) 服務(wù)員給顧客送菜。(c) 顧客吃菜。場(chǎng)景5 離開(a)

15、 服務(wù)員拿來帳單。(b) 顧客付錢給服務(wù)員。(c) 顧客離開餐廳。(5) 結(jié)果(a) 顧客吃了飯，不餓了。(b) 顧客花了錢。 (c) 老板掙了錢。(d) 餐廳食品少了。20劇本的特點(diǎn)劇本中所描述的事件形成一個(gè)因果鏈，鏈的起點(diǎn)是開場(chǎng)條件，滿足這些條件，劇本中的事件才能產(chǎn)生。鏈的終點(diǎn)是一組結(jié)果，這組結(jié)果可能導(dǎo)致以后的事件(可能用其他的劇本來描述)發(fā)生。因果鏈內(nèi)前后的事情相互聯(lián)系。前面的事件使當(dāng)前的事件有可能產(chǎn)生，而當(dāng)前事件又使后面的事件有可能產(chǎn)生。如已知某一劇本適用于所給定的情形，則可利用劇本來預(yù)言一些沒有直接提到的事件。劇本結(jié)構(gòu)比較呆板，知識(shí)表達(dá)的范圍窄，不適用于表達(dá)各種變化頻繁的知識(shí)。但對(duì)于

16、預(yù)先構(gòu)思好的特定知識(shí)，如理解故事情節(jié)等，是非常有效的。21劇本的準(zhǔn)備和啟用準(zhǔn)備劇本的方法：在應(yīng)用某一劇本以前，必須先準(zhǔn)備好劇本。根據(jù)劇本的重要性，可以有二種準(zhǔn)備劇本的方法。(1) 對(duì)于不屬于事件核心部分的劇本，只需設(shè)置指向該劇本的指針即可，以便當(dāng)它成為核心時(shí)啟用?！纠坑邢率鍪录禾K珊在去博物館的路上經(jīng)過她喜歡的餐廳。她非常喜歡這次的畢加索作品展覽會(huì)。則對(duì)于餐廳劇本只需要設(shè)置指針即可。(2) 對(duì)于符合事件核心部分的劇本，則應(yīng)使用在當(dāng)前事件中涉及到的具體對(duì)象和人物去填寫劇本的槽。劇本的啟用：劇本的前提、道具、角色和事件等常能指示啟用該劇本。22劇本的推理一旦劇本被啟用，則可以應(yīng)用它來進(jìn)行推理。其

17、中最重要的是運(yùn)用劇本可以預(yù)測(cè)沒有明顯提及的事件的發(fā)生?！纠繉?duì)于以下情節(jié)：昨晚，約翰到了餐廳。他訂了牛排。當(dāng)他付完款，發(fā)現(xiàn)錢已用光，于是就趕緊回家了。問題：昨晚，約翰吃飯了嗎?【解】啟用餐廳劇本，情節(jié)中的所有事件與劇本中所預(yù)測(cè)的事件序列相對(duì)應(yīng)，因而可以推斷出約翰吃飯了。【例】對(duì)于以下情節(jié)：約翰走進(jìn)餐廳。他被帶到餐桌旁。訂了一大塊牛排之后，他坐在那兒等了許久。于是，他生氣地走了。該情節(jié)中，因?yàn)橐玫?，所以約翰走了，這一事件改變了餐廳腳本中所預(yù)測(cè)的事件序列，因而餐廳劇本被中斷了。23過程式表示前面的幾種知識(shí)表示方法均是知識(shí)和事實(shí)的一種靜止的表示方法，即為知識(shí)的陳述式表達(dá)，是對(duì)事物有關(guān)知識(shí)的靜態(tài)描述

18、，是知識(shí)的一種顯式、說明性知識(shí)表達(dá)形式。說明性表示知識(shí)給出事物本身的屬性及事物之間的相互關(guān)系。對(duì)問題的解答就隱含在這些知識(shí)之中。而過程性知識(shí)則給出解決一個(gè)問題的具體過程。過程式表示就是將有關(guān)某一問題領(lǐng)域的知識(shí)，連同如何使用這些知識(shí)的方法，均隱式地表達(dá)為一個(gè)求解問題的過程。24小結(jié)狀態(tài)空間法：描述：狀態(tài)和操作符。方法：從某個(gè)初始狀態(tài)開始，每次加一個(gè)操作符，遞增地建立起操作符的試驗(yàn)序列，直到達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)為止。缺點(diǎn)：由于狀態(tài)空間法需要擴(kuò)展過多的節(jié)點(diǎn)，容易出現(xiàn)“組合爆炸”，因而只適用于表示比較簡(jiǎn)單的問題。問題歸約法描述：與或圖方法：從目標(biāo)(要解決的問題)出發(fā)，逆向推理，通過一系列變換把初始問題變換為子問題和子-子問題集合，直至最后歸約為一個(gè)平凡的本原問題集合。25小結(jié)謂詞邏輯法：描述：采用謂詞合式公式和一階謂詞演算把要解決的問題變?yōu)橐粋€(gè)有待證明的問題，方法：采用消解定理和消解反演來進(jìn)行證明。語義網(wǎng)絡(luò)是知識(shí)的一種