知識表示和推理之框架表示法課件

1、第三章第三章 知識表示知識表示和推理和推理框架表示及推理框架表示及推理框架知識表示法的提出框架知識表示法的提出v1975年明斯基在論文年明斯基在論文“A framework for representing knowledge”中提出了框架中提出了框架理論。它所針對的是人們在理解事物情理論。它所針對的是人們在理解事物情景或某一個故事時的景或某一個故事時的心理學(xué)模型心理學(xué)模型，論述，論述了人們理解問題的一種思想方法。了人們理解問題的一種思想方法。兩種不同的知識表示法兩種不同的知識表示法v產(chǎn)生式系統(tǒng)表示的知識是龐大、凌亂，產(chǎn)生式系統(tǒng)表示的知識是龐大、凌亂，且不易整理的。且不易整理的。v框架法表示的

2、知識一般是系統(tǒng)的，有層框架法表示的知識一般是系統(tǒng)的，有層次的，經(jīng)過整理的，并跟隨事情的發(fā)展次的，經(jīng)過整理的，并跟隨事情的發(fā)展而變化的。而變化的。例如例如:框架系統(tǒng)框架系統(tǒng) 對于某些問題，有時要同時使用多個框?qū)τ谀承﹩栴}，有時要同時使用多個框架，組成一個框架系統(tǒng)來表示。例如，一個架，組成一個框架系統(tǒng)來表示。例如，一個立方體有三個面可見，則它需要四個子框架立方體有三個面可見，則它需要四個子框架來說明它。來說明它。立方體立方體1BEA子框架子框架ABE大框架大框架EAD立方體立方體2 從上圖可看出，一個框架結(jié)構(gòu)可以是另從上圖可看出，一個框架結(jié)構(gòu)可以是另一個框架的槽值，并且同一個框架結(jié)構(gòu)可以一個框架的

3、槽值，并且同一個框架結(jié)構(gòu)可以作為幾個不同的框架的槽值。這樣，可以節(jié)作為幾個不同的框架的槽值。這樣，可以節(jié)省存儲空間，這就是框架的重要特性省存儲空間，這就是框架的重要特性繼繼承性。即當(dāng)子節(jié)點(diǎn)的某些槽值或側(cè)面值沒有承性。即當(dāng)子節(jié)點(diǎn)的某些槽值或側(cè)面值沒有直接記錄時，可以從父節(jié)點(diǎn)繼承這些值。直接記錄時，可以從父節(jié)點(diǎn)繼承這些值。默認(rèn)值的作用：默認(rèn)值的作用：這樣一個故事這樣一個故事:Bob:Bob住在一幢大樓房的十二層住在一幢大樓房的十二層樓上，每天早上他從第十二層樓進(jìn)入電梯，樓上，每天早上他從第十二層樓進(jìn)入電梯，然后從底層離開，并且每天晚上如果有人然后從底層離開，并且每天晚上如果有人在電梯里時，他就從底

4、層進(jìn)入電梯而從第在電梯里時，他就從底層進(jìn)入電梯而從第十二層樓離開，如果他是獨(dú)自一人乘電梯，十二層樓離開，如果他是獨(dú)自一人乘電梯，那么他就從第八層下來并走到第十二層，那么他就從第八層下來并走到第十二層，根據(jù)根據(jù)“成年人成年人”的默認(rèn)值的繼承作用，我的默認(rèn)值的繼承作用，我們就很容易得出們就很容易得出BobBob是一個小孩，它夠不著是一個小孩，它夠不著到十二層樓的按鈕，僅能到達(dá)第八層。到十二層樓的按鈕，僅能到達(dá)第八層。3.3.1 典型知識與典型知識與框架框架v框架的定義：框架的定義： 框架是一種描述所論對象屬性的數(shù)框架是一種描述所論對象屬性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。據(jù)結(jié)構(gòu)。 所論的對象可以是一個事物、一個事件所論

5、的對象可以是一個事物、一個事件或者一個概念?；蛘咭粋€概念?？蚣艿慕Y(jié)構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)v一個框架由若干個一個框架由若干個“槽槽”組成，用于描述組成，用于描述所論及對象的若干個方面的屬性；每個所論及對象的若干個方面的屬性；每個“槽槽”又可劃分為若干個又可劃分為若干個“側(cè)面?zhèn)让妗保糜?，用于描述相?yīng)屬性的若干個方面。描述相應(yīng)屬性的若干個方面。v槽和側(cè)面所具有的屬性值分別稱為槽值和槽和側(cè)面所具有的屬性值分別稱為槽值和側(cè)面值，具體的值可以是程序、條件、默側(cè)面值，具體的值可以是程序、條件、默認(rèn)值或是一個子框架。認(rèn)值或是一個子框架。框架的一般格式框架的一般格式v一個框架可以由框架名、槽、側(cè)面和值四部分組一個框架可

6、以由框架名、槽、側(cè)面和值四部分組成，表示成如下格式：成，表示成如下格式： 框架名框架名 槽槽1 1側(cè)面?zhèn)让?1 11值值111111 側(cè)面?zhèn)让?212值值121121 槽槽2 2側(cè)面?zhèn)让?121值值211211 槽槽n n側(cè)面?zhèn)让鎛1n1值值n11n11 側(cè)面?zhèn)让鎛mnm值值nm1nm1 例如，一個人可以用其職業(yè)、身高和體例如，一個人可以用其職業(yè)、身高和體重等項(xiàng)描述，因而可以用這些項(xiàng)目組成框架重等項(xiàng)描述，因而可以用這些項(xiàng)目組成框架的槽。當(dāng)描述一個具體的人時，再用這些項(xiàng)的槽。當(dāng)描述一個具體的人時，再用這些項(xiàng)目的具體值填入到相應(yīng)的槽中。后表給出的目的具體值填入到相應(yīng)的槽中。后表給出的是描述是描述J

7、ohnJohn的框架。的框架。JOHNIsa PERSONProfession ProgrammerHeight 1.8mWeight 79Kg 框架名框架名槽槽1槽槽2槽槽3槽槽4槽值槽值再如，一臺計(jì)算機(jī)主機(jī)的框架表示：再如，一臺計(jì)算機(jī)主機(jī)的框架表示：計(jì)算機(jī)主機(jī)計(jì)算機(jī)主機(jī)主機(jī)品牌主機(jī)品牌 聯(lián)想聯(lián)想1+1生產(chǎn)廠商生產(chǎn)廠商 北京聯(lián)想集團(tuán)公司北京聯(lián)想集團(tuán)公司CPU品牌：品牌：Intel 型號：奔騰型號：奔騰IV/825主板主板品牌：品牌： 型號：型號： 內(nèi)存內(nèi)存品牌：品牌： 型號：型號： 容量：容量：硬盤硬盤品牌：品牌： 型號：型號： 容量：容量：框架名框架名槽槽1槽槽2槽槽3槽槽4槽槽5槽槽6槽

8、值槽值側(cè)面值側(cè)面值舉例：會議舉例：會議37的框架的框架會議會議37時間時間 2000年年9月月11日日地點(diǎn)地點(diǎn) AI專題研討會會議室專題研討會會議室目的目的 人工智能系統(tǒng)開發(fā)人工智能系統(tǒng)開發(fā)出席者出席者 佐藤，山田，安部佐藤，山田，安部 舉例：教師的框架舉例：教師的框架教師教師姓名姓名年齡年齡性別性別男/女職稱職稱教授教授/副教授副教授 /講師講師/助教助教部門部門院院/研究所研究所住址住址住址框架住址框架工資工資工資框架工資框架參加工作時間參加工作時間年年/ 月月v關(guān)于自然災(zāi)害的新聞報(bào)道中所涉及的事實(shí)關(guān)于自然災(zāi)害的新聞報(bào)道中所涉及的事實(shí)經(jīng)常是可以預(yù)見的，這些可預(yù)見的事實(shí)就經(jīng)常是可以預(yù)見的，這

9、些可預(yù)見的事實(shí)就可以作為代表所報(bào)道的新聞中的屬性?？梢宰鳛榇硭鶊?bào)道的新聞中的屬性。v例如，以下是一則關(guān)于地震的報(bào)道，請用例如，以下是一則關(guān)于地震的報(bào)道，請用框架表達(dá)這段報(bào)道?？蚣鼙磉_(dá)這段報(bào)道。-今天，一次強(qiáng)度為里氏今天，一次強(qiáng)度為里氏8.58.5級的強(qiáng)烈地震襲擊級的強(qiáng)烈地震襲擊了下斯洛文尼亞了下斯洛文尼亞(Low Slabovia)(Low Slabovia)地區(qū)，造成地區(qū)，造成2525人死亡和人死亡和5 5億美元的財(cái)產(chǎn)損失。下斯洛文尼亞億美元的財(cái)產(chǎn)損失。下斯洛文尼亞地區(qū)主席說：多年來，靠近薩迪豪金斯斷層的地區(qū)主席說：多年來，靠近薩迪豪金斯斷層的重災(zāi)區(qū)一直是一個危險(xiǎn)地區(qū)。這是本地區(qū)發(fā)生重災(zāi)區(qū)

10、一直是一個危險(xiǎn)地區(qū)。這是本地區(qū)發(fā)生的第的第3 3號地震。號地震。第一步：確定屬性第一步：確定屬性框架的槽。框架的槽。 本報(bào)道中關(guān)于地震的關(guān)鍵屬性是地震發(fā)生的本報(bào)道中關(guān)于地震的關(guān)鍵屬性是地震發(fā)生的地點(diǎn)地點(diǎn)、時間時間、傷亡人數(shù)傷亡人數(shù)、財(cái)產(chǎn)損失數(shù)量財(cái)產(chǎn)損失數(shù)量、地震強(qiáng)地震強(qiáng)度的震級度的震級、斷層情況斷層情況。新聞框架表達(dá)步驟新聞框架表達(dá)步驟第二步：將有關(guān)數(shù)據(jù)填入相應(yīng)的槽。第二步：將有關(guān)數(shù)據(jù)填入相應(yīng)的槽。地震地震3地點(diǎn)地點(diǎn) Low Slabovia時間時間 今天今天傷亡人數(shù)傷亡人數(shù) 25財(cái)產(chǎn)損失財(cái)產(chǎn)損失 5億美元億美元 震級震級 8.5斷層斷層 薩迪豪金斯薩迪豪金斯例如，一個三角錐由四個面組成例如，

11、一個三角錐由四個面組成AB三角錐三角錐三角形面三角形面1 A三角形面三角形面2 B三角形面三角形面3 C三角形面三角形面4 D 從不同角度觀察，可看到不同的面。從不同角度觀察，可看到不同的面。如，如，AB情景情景a）對象對象 三角錐三角錐左側(cè)三角形左側(cè)三角形 A右側(cè)三角形右側(cè)三角形 B情景情景a）又如，又如，情景情景b）對象對象 三角錐三角錐左下三角形左下三角形 A右下三角形右下三角形 B上側(cè)三角形上側(cè)三角形 C情景情景b）ABC再如，再如，v對于情景對于情景c），由），由于它與情景于它與情景b）的）的框架匹配失敗，框架匹配失敗，說明情景說明情景c）看到）看到的不是一個三角的不是一個三角錐，需

12、尋找另外錐，需尋找另外的框架與之匹配。的框架與之匹配。ABDC情景情景c）3.3.2 階層知識與特征的繼承階層知識與特征的繼承v框架表示的知識特點(diǎn)框架表示的知識特點(diǎn)具有分類、階層具有分類、階層構(gòu)造的特性。構(gòu)造的特性。v這類階層構(gòu)造的知識，上層框架具有的特這類階層構(gòu)造的知識，上層框架具有的特征應(yīng)是與之相聯(lián)系的所有下層框架共有的，征應(yīng)是與之相聯(lián)系的所有下層框架共有的，即下層框架能繼承上層框架的信息。即下層框架能繼承上層框架的信息。 例如，會議例如，會議37是所有是所有AI會會議中的一次，因此它可以繼承議中的一次，因此它可以繼承AI會議這個大框架的多種屬性，會議這個大框架的多種屬性，從而簡化它的框架

13、表示。從而簡化它的框架表示。AI會議會議種類種類 一般會議一般會議時間時間 每周星期五每周星期五地點(diǎn)地點(diǎn) AI專題研討會會議室專題研討會會議室目的目的 人工智能系統(tǒng)開發(fā)人工智能系統(tǒng)開發(fā)出席者出席者 佐藤，山田，鈴木佐藤，山田，鈴木 會議會議37種類種類 AI會議會議出席者出席者 佐藤，山田，安部佐藤，山田，安部表示會議表示會議37與與AI會會議的上下層關(guān)系議的上下層關(guān)系v框架知識除了可以進(jìn)行繼承推理外，還框架知識除了可以進(jìn)行繼承推理外，還有匹配推理方式。例如，假設(shè)有關(guān)教師有匹配推理方式。例如，假設(shè)有關(guān)教師的框架網(wǎng)絡(luò)已建立災(zāi)知識庫中，且其中的框架網(wǎng)絡(luò)已建立災(zāi)知識庫中，且其中包含了許多教師的實(shí)例框

14、架，其中兩個包含了許多教師的實(shí)例框架，其中兩個如示：如示：教師教師-1姓名姓名范怡偉范怡偉年齡年齡35性別性別男職稱職稱講師講師部門部門計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院/軟件所軟件所住址住址住址框架住址框架-1工資工資工資框架工資框架-1參加工作時間參加工作時間1996年年/ 10 月月教師教師-2姓名姓名李連鷹李連鷹年齡年齡58性別性別男職稱職稱教授教授部門部門計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院/軟件所軟件所住址住址住址框架住址框架-1工資工資工資框架工資框架-1參加工作時間參加工作時間1966年年/ 10 月月v當(dāng)要解決的問題是從知識庫中找出一個當(dāng)要解決的問題是從知識庫中找出一個滿足如下條件的教師：滿足如下條件的教

15、師： 男性，年齡在男性，年齡在35歲以下，職稱為講師歲以下，職稱為講師 把這些條件用框架表示出來，就可得到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。如下的初始問題框架。教師教師-x姓名姓名年齡年齡35性別性別男職稱職稱講師講師v用此問題框架與知識庫中的框架匹配，用此問題框架與知識庫中的框架匹配，顯然顯然“教師教師-1”框架可以匹配?？蚣芸梢云ヅ??！敖處熃處? x”中的中的“姓名姓名”槽為未知，通過匹配，槽為未知，通過匹配，符合條件的教師有可能就是范怡偉。也符合條件的教師有可能就是范怡偉。也還可能是其他的框架，需要進(jìn)一步收集還可能是其他的框架，需要進(jìn)一步收集信息。信息。3.3.3 程序知識及其啟動程序知識及其啟動v在用框架進(jìn)行知識表示的過程中，如果需要在用框架進(jìn)行知識表示的過程中，如果需要進(jìn)行推理和求解問題時，會把程序附加在槽進(jìn)行推理和求解問題時，會把程序附加在槽內(nèi)。內(nèi)。一般會議一般會議種類種類 社會活動社會活動時間時間 IF-ADDED(填寫日歷的程序填寫日歷的程序)出席者出席者 IF-NEEDED(詢問使用者的