人工智能技術(shù)導論第6章知識表示課件

1、第6章 知識表示 6.1 知識及其表示 6.2 框 架6.3 語義網(wǎng)絡(luò)6.4 面向?qū)ο笾R表示第6章 知識表示 6.1 知識及其表示 6.1 知識及其表示 6.1.1 知識的概念 “知識”是我們熟悉的名詞。但究竟什么是知識呢？我們認為，知識就是人們對客觀事物（包括自然的和人造的）及其規(guī)律的認識，知識還包括人們利用客觀規(guī)律解決實際問題的方法和策略等。 6.1 知識及其表示 6.1.1 知識的概念 對客觀事物及其規(guī)律的認識，包括對事物的現(xiàn)象、本質(zhì)、屬性、狀態(tài)、關(guān)系、聯(lián)系和運動等的認識，即對客觀事物的原理的認識。利用客觀規(guī)律解決實際問題的方法和策略，包括解決問題的步驟、操作、規(guī)則、過程、技術(shù)、技巧等

2、具體的微觀性方法；也包括諸如戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略、計謀、策略等宏觀性方法。所以，就內(nèi)容而言，知識可分為（客觀）原理性知識和（主觀）方法性知識兩大類。 就形式而言，知識可分為顯式的和隱式的。 對客觀事物及其規(guī)律的認識，包括對事物人工智能技術(shù)導論第6章知識表示課件人工智能技術(shù)導論第6章知識表示課件 6.1.3 知識表示的語言實現(xiàn) 上面談的知識表示，僅是指知識的邏輯結(jié)構(gòu)或形式。那么，要把這些外部的邏輯形式轉(zhuǎn)化為機器的內(nèi)部形式，還需要程序語言的支持。原則上講，一般的通用程序設(shè)計語言都可實現(xiàn)上述的大部分表示方法。但使用專用的面向某一知識表示的語言更為方便和有效。因此，幾乎每一種知識表示方法都有其相應(yīng)的專用實現(xiàn)語言

3、。例如，支持謂詞邏輯的語言有PROLOG和LISP，專門支持產(chǎn)生式的語言有OPS5，專門支持框架的語言有FRL，支持面向?qū)ο蟊硎镜恼Z言有Smalltalk、C+和Java等，支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示的語言有AXON。 6.1.3 知識表示的語言實現(xiàn)6.2 框 架 6.2.1 框架的概念 顧名思義，框架就是一種結(jié)構(gòu)，一種模式，其一般形式是: | 6.2 框 架 6.2.1 框架的概念 | | |側(cè)面值211，側(cè)面值 即一個框架一般有若干個槽，一個槽有一個槽值或者有若干個側(cè)面，而一個側(cè)面又有若干個側(cè)面值。其中槽值和側(cè)面值可以是數(shù)值、字符串、布爾值，也可以是一個動作或過程，甚至還可以是另一個框架的名字。 即

4、一個框架一般有若干個槽，一個槽有一例6.1 下面是一個描述“教師”的框架：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:(，)例6.1 下面是一個描述“教師”的框架： 可以看出，這個框架的名字為“教師”，它含有5個槽，槽名分別是“類屬”、“工作”、“性別”、“學歷”和“類型”。這些槽名的右面就是其值，如“”、“男”、“女”、“高師”、“中師”等等。其中“”又是一個框架名，“范圍”、“缺省”就是側(cè)面名，其后是側(cè)面值，如：“教學”、“科研”等。另外，用括的槽值也是框架名。 可以看出，這個框架的名字為“教師”例6.2 下面是一個描述“大學教師”的框架：框

5、架名:類屬:學歷:(學士，碩士，博士)專業(yè):職稱:(助教，講師，副教授，教授)外語:語種:范圍:(英，法，日，俄，德，) 缺省:英水平:(優(yōu)，良，中，差)缺省:良例6.2 下面是一個描述“大學教師”的框架：例6.3 下面是描述一個具體教師的框架: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(yīng)用例6.3 下面是描述一個具體教師的框架:部門:計算機系軟件教研室工作:參加工作時間:1995年8月工齡:當前年份-參加工作年份工資:部門:計算機系軟件教研室 比較例6.2和例6.3中的框架，可以看出，前者描述的是一個概念，后者描述的則是一個具體的事物。二者的關(guān)系是，后者是前者

6、的一個實例。因此，后者一般稱為前者的實例框架。這就是說，這兩個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）。當然，上位和下位是相對而言的。例如“大學教師”雖然是“教師-1”的上位框架，但它卻是“教師”框架的下位框架，而“教師”又是“知識分子”的下位框架。 比較例6.2和例6.3中的框架，可以 6.2.2 框架的表達能力 由框架的形式可以看出，框架適合表達結(jié)構(gòu)性的知識。所以，概念、對象等知識最適于用框架表示。其實，框架的槽就是對象的屬性或狀態(tài)，槽值就是屬性值或狀態(tài)值。不僅如此，框架還可以表示行為（動作），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。

7、6.2.2 框架的表達能力例6.4 下面是關(guān)于房間的框架:框架名:墻數(shù)x1: 缺省:x1=4 條件:x10窗數(shù)x2: 缺省:x2=2 條件:x20門數(shù)x3: 缺省:x3=1 條件:x30例6.4 下面是關(guān)于房間的框架: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=x2d1+d2+d3+d4=x3類型:(，)前墻:(墻框架(w1，d1) 例6.5 機器人糾紛問題的框架描述如圖6-1所示。 圖61 機器人糾紛問題 例6.5 機器人糾紛問題的框架描述如圖6-1所 還需指出的是，產(chǎn)生式

8、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：條件1:頭痛 條件2:發(fā)燒 結(jié)論:患感冒 還需指出的是，產(chǎn)生式規(guī)則也可用框 6.2.3 基于框架的推理 基于框架的推理方法是繼承。所謂繼承，就是子框架可以擁有其父框架的槽及其槽值。實現(xiàn)繼承的操作有匹配、搜索和填槽。 匹配就是問題框架同知識庫中的框架的模式匹配。所謂問題框架，就是要求解某個問題時，先把問題用一個框架表示出來，然后與知識庫中的已有框架進行匹配。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)中進行查找。搜索的目的是為了獲得有關(guān)信息。 6.2.3 基于框架的

9、推理 6.2.4 框架的程序語言實現(xiàn) 有一種名為FRL(Frame Representation Language)的程序設(shè)計語言，就是專門基于框架的程序設(shè)計語言。用它就可以方便地實現(xiàn)框架知識表示。不過，用PROLOG也可方便地實現(xiàn)框架表示。用PROLOG實現(xiàn)框架表示，一般采用含結(jié)構(gòu)或表的謂詞來實現(xiàn)。因為框架實際上就是樹，而PROLOG的結(jié)構(gòu)也是樹，表又是特殊的結(jié)構(gòu)，它的元素個數(shù)和層數(shù)都不限定，可動態(tài)變化，因此，更適于表示一般的框架。 6.2.4 框架的程序語言實現(xiàn)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

10、學，科研)，default(教學)， sex(男，女)， reco-of-f-s(中師，高師)， type(“”，“”，“”). 如果要給出框架的一個通用表示形式，則下面的表示方式可供參考。 例如，前面的“教師”框架用PROLOG可表示如下: frame(name(教師)，body(st(類屬，st(，)，st(工作，st(范圍，st(教學，)，=st(科研，)，st(缺省，st(教學，)，st(性別，st(男，)，st(女，)，st(學歷，st(中師，)，st(高師，)，st(類型，st(，)，st(，)，=st() frame(name(教師)，這是一個PROLOG的“事實”，其謂詞及領(lǐng)域

11、說明如下: domains name=name(string) body=body(subtree list) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtreelist)database frame(name，body) 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。這是一個PROLOG的“事實”，其謂詞及領(lǐng)域說明如下: 6.3 語義網(wǎng)絡(luò) 6.3.1 語義網(wǎng)絡(luò)的概念 語義網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點和邊（也稱有向?。┙M成的一種有向圖。其中節(jié)點表示事物、對象、概念、行為、性質(zhì)、狀態(tài)等；有向邊表示節(jié)點之間的某種聯(lián)系或關(guān)系。例如圖62就是一

12、個語義網(wǎng)絡(luò)。其中，邊上的標記就是邊的語義。6.3 語義網(wǎng)絡(luò) 6.3.1 語義網(wǎng)絡(luò)的概念圖62 蘋果的語義網(wǎng)絡(luò) 圖62 蘋果的語義網(wǎng)絡(luò) 語義網(wǎng)絡(luò)的概念最先是由Quillian提出來的，他于1968年在他的博士論文中，把語義網(wǎng)絡(luò)作為人類聯(lián)想記憶的一個顯式心理模型。所以，語義網(wǎng)絡(luò)也稱聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)在，語義網(wǎng)絡(luò)的理論已經(jīng)有了長足的發(fā)展。有人把它劃分為五個級別：執(zhí)行級、邏輯級、認識論級、概念級和語言學級。并分為七種類型： 語義網(wǎng)絡(luò)的概念最先是由Quilli (1)命題語義網(wǎng)（包括分塊聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)）； (2)數(shù)據(jù)語義網(wǎng)：以數(shù)據(jù)為中心的語義網(wǎng)絡(luò)； (3)語言語義網(wǎng)：用于自然語言的分析和理解； (4)結(jié)構(gòu)語義網(wǎng)：

13、描述客觀事物的結(jié)構(gòu)，常見于模式識別和機器學習等領(lǐng)域； (5)分類語義網(wǎng)：描述抽象概念及其層次； (6)推理語義網(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)框架語義網(wǎng)：與框架相結(jié)合的語義網(wǎng)。 (1)命題語義網(wǎng)（包括分塊聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)）； 6.3.2 語義網(wǎng)絡(luò)的表達能力 由語義網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點可以看出，語義網(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。而表示一個事物的層次、狀態(tài)、行為的語義網(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。 6.3.2 語義網(wǎng)絡(luò)的表達能力 如圖63所示的語義網(wǎng)絡(luò)，就表示了專家系統(tǒng)這個事物（的內(nèi)涵），同時也可以看作是

14、表示了專家系統(tǒng)與“智能系統(tǒng)”、“專家知識”、“專家思維”及“困難問題”這幾個事物之間的關(guān)系或聯(lián)系。所以，抽象地說，語義網(wǎng)絡(luò)可表示事物之間的關(guān)系。因此，關(guān)系（或聯(lián)系）型的知識和能化為關(guān)系型的知識都可以用語義網(wǎng)絡(luò)來表示。下面我們就給出常見的幾種。 如圖63所示的語義網(wǎng)絡(luò)，就表示了專 1.實例關(guān)系 實例關(guān)系表示類與其實例（個體）之間的關(guān)系。這是最常見的一種語義關(guān)系。例如，“小華是一個大學生”就可表示為圖64。其中，關(guān)系“是一個”一般標識為“is-a”，或ISA。 1.實例關(guān)系圖63 專家系統(tǒng)的語義網(wǎng)絡(luò) 智能系統(tǒng)專家思維專家知識困難問題專家系統(tǒng)是一種能解決具有能模擬圖63 專家系統(tǒng)的語義網(wǎng)絡(luò) 智能系統(tǒng)

15、專家思維專家知識困難問圖64 表示實例關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 小華大學生是一個圖64 表示實例關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 小華大學生是一個 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就是一個描述分類關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)。在圖65中，下層概念節(jié)點除了可繼承、細化、補充上層概念節(jié)點的屬性外，還出現(xiàn)了變異的情況：鳥是鴕鳥的上層概念節(jié)點，其屬性是“有羽毛”、“會飛”，但鴕鳥的屬性只是繼承了“有羽毛”這一屬性，而把鳥的“會飛”變異為“不會飛”。其中，關(guān)系“是一種”一般標識為“akindof”或AKO。 2.分類（或從屬、泛化）關(guān)系圖65 表示分類關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 圖65 表示分類關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 3.組裝關(guān)系

16、 如果下層概念是上層概念的一個方面或者一部分，則稱它們的關(guān)系是組裝關(guān)系。例如圖66所示的語義網(wǎng)絡(luò)就是一種聚集關(guān)系。其中，關(guān)系“一部分”一般標識為“apartof”。 3.組裝關(guān)系桌子桌腿桌面一部分一部分圖66 表示組裝關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 桌子桌腿桌面一部分一部分圖66 表示組裝關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 4.屬性關(guān)系 屬性關(guān)系表示對象的屬性及其屬性值。例如，圖67表示simon是一個人，男性，40歲，職業(yè)是教師。 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，“張三是計算機學會會員”可表示為圖68。其中，關(guān)系“是成員”一般標識為“a-member-of”。 4.屬性關(guān)系圖

17、67 表示屬性關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 圖67 表示屬性關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 圖68 表示集合成員關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 張三計算機學會是成員圖68 表示集合成員關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 張三計算機學會是成 6.邏輯關(guān)系 如果一個概念可由另一個概念推出，兩個概念間存在因果關(guān)系，則稱它們之間是邏輯關(guān)系。圖69所示的語義網(wǎng)絡(luò)就是一個邏輯關(guān)系。 6.邏輯關(guān)系圖69 表示邏輯關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 雨天外出ANDOR帶雨披帶雨傘則圖69 表示邏輯關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 雨天外出ANDOR帶雨披 7.方位關(guān)系 在描述一個事物時，經(jīng)常需要指出它發(fā)生的時間、位置，或者指出它的組成、形狀等等，此時可用相應(yīng)的方位關(guān)系語義網(wǎng)絡(luò)表示。例如事實： 張宏是石油學院的一

18、名助教； 石油學院位于西安市電子二路； 張宏今年25歲。 可用圖610所示的語義網(wǎng)絡(luò)表示。 7.方位關(guān)系圖610 表示方位關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 電子2路石油學院張宏助教西安市區(qū)25歲味道工作在職務(wù)屬于年齡圖610 表示方位關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 電子2路石油學院張宏助 8.所屬關(guān)系 所屬關(guān)系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示為圖611。 圖611 表示所屬關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 狗尾巴have 8.所屬關(guān)系圖611 表示所屬關(guān) 語義網(wǎng)絡(luò)中的語義關(guān)系是多種多樣的，一般根據(jù)實際關(guān)系定義。如常見的還有before、after、at等表示時間次序關(guān)系和located-on、located-under等表示位置關(guān)系。

19、進一步，還可對帶有全稱量詞和存在量詞的謂詞公式的語義加以表示。 由上所述可以看出，語義網(wǎng)絡(luò)實際上是一種復合的二元關(guān)系圖。網(wǎng)絡(luò)中的一條邊就是一個二元關(guān)系，而整個網(wǎng)絡(luò)可以看作是由這些二元關(guān)系拼接而成。 語義網(wǎng)絡(luò)中的語義關(guān)系是多種多樣的，一 上面我們是從關(guān)系角度考察語義網(wǎng)的表達力的。下面我們從語句角度來考察語義網(wǎng)。 例如，對于如下的語句(或事件)： 小王送給小李一本書。 用語義網(wǎng)絡(luò)可表示為圖612，其中S代表整個語句。這種表示被稱為是自然語言語句的深層結(jié)構(gòu)表示。 語義網(wǎng)絡(luò)也能表示用謂詞公式表示的形式語言語句。例如： x(student(x)read(x，三國演義) 即“某個學生讀過三國演義”，其語義

20、網(wǎng)絡(luò)表示為圖613。 上面我們是從關(guān)系角度考察語義網(wǎng)的圖612 語句(事件)的語義網(wǎng)絡(luò) 送書小王小李書giverrecipientSobject圖612 語句(事件)的語義網(wǎng)絡(luò) 送書小王小李書giv圖613 謂詞公式的語義網(wǎng)絡(luò) 圖613 謂詞公式的語義網(wǎng)絡(luò) 圖614 分塊語義網(wǎng)絡(luò) 圖614 分塊語義網(wǎng)絡(luò) 6.3.3 基于語義網(wǎng)絡(luò)的推理 基于語義網(wǎng)絡(luò)的推理也是繼承。繼承也是通過匹配、搜索實現(xiàn)的。問題求解時，首先根據(jù)待求問題的要求構(gòu)造一個網(wǎng)絡(luò)片斷，然后在知識庫中查找可與之匹配的語義網(wǎng)絡(luò)，當網(wǎng)絡(luò)片斷中的詢問部分與知識庫中的某網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)匹配時，則與詢問處匹配的事實，就是問題的解。 6.3.3 基于語義網(wǎng)

21、絡(luò)的推理圖615 語義網(wǎng)絡(luò)片段 蘋果x富士 特點AKO圖615 語義網(wǎng)絡(luò)片段 蘋果x富士 特點AKO 6.3.4 語義網(wǎng)絡(luò)的程序語言實現(xiàn) 由于語義網(wǎng)絡(luò)是一個二元關(guān)系圖，所以用PROLOG可方便地實現(xiàn)語義網(wǎng)絡(luò)知識表示。 例如，圖61所示的語義網(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，亞洲國家). 6.3.4 語義網(wǎng)絡(luò)的程序語言實現(xiàn)a-kind-of(秦冠，蘋果). produ-in(秦冠，陜西). is-located-at(陜西，中國西部). a-par

22、t-of(中國西部，中國). 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，蘋果). arc(intro-from，富士，日本). arc(is-a，日本，亞洲國家). a-kind-of(秦冠，蘋果). arc(a-kind-of，秦冠，蘋果). arc(produ-in，秦冠，陜西). arc(is-located-at，陜西，中國西部). arc(a-part-of，中國西部，中國). 當然，我們也可以將一個網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)片段組織在一個事實中。例如： net1( a-kind-of(“蘋果”，“水果”)， tas

23、te(“蘋果”，“甜”)， a-kind-of(“秦冠”，“蘋果”)， produ-in(秦冠，陜西). arc(a-kind-of，秦冠，蘋果). 6.4 面向?qū)ο笾R表示 近年來，面向?qū)ο蠹夹g(shù)蓬勃興起。在知識表示領(lǐng)域則出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮闹R表示方法。 面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的核心概念是對象和類。對象可以泛指一切事物，類則是一類對象的抽象模型。反之，一個對象是其所屬類的實例。通常，在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言中，只給出類的定義，其對象由類生成。 6.4 面向?qū)ο笾R表示 近年來 類的定義中就說明了所轄對象的共同特征（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，一個類將其對象所具有的共同特征和操作組織在一起，統(tǒng)一進行定義，以供全體對象共享。即當給類中的特征變量賦予一組值時，則這組值連同類中的方法，就構(gòu)成了一個具體的對象。 類的定義中就說明了所轄對象的共同特 例6.6 下面是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言C+中一個雇員類和經(jīng)理類的定義。 class Employee privite: char*Name; int Age; int Salary;= public: