人工智能第6章知識表示

人工智能第6章知識表示第一頁，共42頁。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表示第二頁，共42頁。6.1知識及其表示6.1.1知識的概念究竟什么是知識呢？我們認(rèn)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(rèn)識，知識還包括利用客觀規(guī)律解決實(shí)際問題的方法和策略。對客觀事物及其規(guī)律的認(rèn)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(yùn)動等的認(rèn)識，即對客觀事物的原理的認(rèn)識。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、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。第三頁，共42頁。6.1.2知識表示面向計(jì)算機(jī)的知識描述或表達(dá)形式和方法。面向人的知識表示可以是語言、文字、數(shù)字、符號、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，而且這種形式結(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、處理和利用。第四頁，共42頁。6.1.3知識表示的語言實(shí)現(xiàn)上面談的知識表示僅指知識的邏輯結(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，還需要程序語言支持。原則上講，一般的通用程序設(shè)計(jì)語言都可實(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(shí)現(xiàn)語言。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….第五頁，共42頁。6.2框架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:<框架名><槽名1><槽值1>|<側(cè)面名11><側(cè)面值111，側(cè)面值112，…><側(cè)面名12><側(cè)面值121，側(cè)面值122，…><槽名2><槽值2>|<側(cè)面名21><側(cè)面值211，側(cè)面值212，…><側(cè)面名22><側(cè)面值221，側(cè)面值222，…>

…<槽名k><槽值k>|<側(cè)面名k1><側(cè)面值k11，側(cè)面值k12，…><側(cè)面名k2><側(cè)面值k21，側(cè)面值k22，…>

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。第六頁，共42頁。例6.1一個描述“教師”的框架：框架名:<教師>類屬:<知識分子>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:(<小學(xué)教師>，<中學(xué)教師>，<大學(xué)教師>)

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(xué)歷”和“類型”。這些槽名的右面就是其值，如“<知識分子>”、“男”、“女”、“高師”、“中師”等等。其中“<知識分子>”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(xué)”、“科研”等。用<>括的槽值也是框架名。第七頁，共42頁。例6.2一個描述“大學(xué)教師”的框架：框架名:<大學(xué)教師>類屬:<教師>學(xué)歷:(學(xué)士，碩士，博士)專業(yè):<學(xué)科專業(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:良描述一個具體教師的框架:框架名:<教師-1>類屬:<大學(xué)教師>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：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:1995年8月工齡:當(dāng)前年份-參加工作年份工資:<工資單>

可以看出，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(dāng)然，上位和下位是相對而言的。第八頁，共42頁。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。所以，概念、對象等知識最適于用框架表示。其實(shí)，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?？蚣苓€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。第九頁，共42頁。例6.4關(guān)于房間的框架:框架名:<房間>墻數(shù)x1:

缺省:x1=4

條件:x1>0窗數(shù)x2:

缺省:x2=2

條件:x2≥0門數(shù)x3:

缺省:x3=1

條件:x3>0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:<天花板框架>地板:<地板框架>門:<門框架>窗:<窗框架>條件:w1+w2+w3+w4=x2d1+d2+d3+d4=x3類型:(<辦公室>，<教室>，<會客室>，<臥室>，<廚房>，<倉庫>，…)第十頁，共42頁。

例6.5機(jī)器人糾紛問題的框架描述。圖6―1機(jī)器人糾紛問題

第十一頁，共42頁。

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：<診斷1>

前提：條件1:頭痛條件2:發(fā)燒結(jié)論:患感冒第十二頁，共42頁。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:問題框架同知識庫中的框架模式匹配。所謂問題框架，就是要求解某個問題時(shí)，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(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。第十三頁，共42頁。6.2.4框架的程序語言實(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。例如，前面的“教師”框架用PROLOG可表示如下:frame(name("教師")，

kind_of("<知識分子>")，

work(scope("教學(xué)"，"科研")，default("教學(xué)"))，

sex("男"，"女")，

reco_of_f_s("中師"，"高師")，

type(“<小學(xué)教師>”，“<中學(xué)教師>”，“<大學(xué)教師>”)).

第十四頁，共42頁。

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。

domainsname=name(string)body=body(subtreelist)subtreelist=subtree*subtree=st(string，subtreelist)databaseframe(name，body)clausesframe(name(“教師”)，

body(［st(“類屬”，［st(“<知識分子>”，［］)］)，

st(“工作”，［st(“范圍”，［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("<小學(xué)教師>"，［］)，st("<中學(xué)教師>"，［］)，

st("<大學(xué)教師>"［］)］)］))第十五頁，共42頁。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(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。例如圖是一個語義網(wǎng)絡(luò)。其中，邊上的標(biāo)記是邊的語義。圖6―2蘋果的語義網(wǎng)絡(luò)

第十六頁，共42頁。

語義網(wǎng)絡(luò)的概念最先由Quillian提出來的(1968年,博士論文):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)。語義網(wǎng)絡(luò)可以劃分為五個級別：執(zhí)行級、邏輯級、認(rèn)識論級、概念級和語言學(xué)級。七種類型：

(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)：描述客觀事物的結(jié)構(gòu)，常見于模式識別和機(jī)器學(xué)習(xí)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)合的第十七頁，共42頁。6.3.2語義網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力語義網(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。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。

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第十八頁，共42頁。1.實(shí)例關(guān)系實(shí)例關(guān)系表示類與其實(shí)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(xué)生”就可表示為圖6―4。其中，關(guān)系“是一個”一般標(biāo)識為“is-a”，或ISA。小華大學(xué)生ISA第十九頁，共42頁。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6―5就是一個描述分類關(guān)系的語義網(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(biāo)識為“akindof”或AKO。第二十頁，共42頁。3.組裝關(guān)系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6―6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(biāo)識為“apartof”。桌子桌腿桌面一部分apartof第二十一頁，共42頁。4.屬性關(guān)系屬性關(guān)系表示對象的屬性及其屬性值。如圖表示simon是一個人，男性，40歲，職業(yè)是教師。第二十二頁，共42頁。張三計(jì)算機(jī)學(xué)會是成員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)會會員”。其中，關(guān)系“是成員”一般標(biāo)識為“a-member-of”。第二十三頁，共42頁。第二十四頁，共42頁。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6―9所示的語義網(wǎng)絡(luò)就是一個邏輯關(guān)系。雨天外出ANDOR帶雨披帶雨傘則第二十五頁，共42頁。7.方位關(guān)系在描述一個事物時(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)屬于年齡第二十六頁，共42頁。8.所屬關(guān)系所屬關(guān)系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”圖6―11表示所屬關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)狗尾巴have第二十七頁，共42頁。

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(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，還可對帶有全稱量詞和存在量詞的謂詞公式的語義加以表示。語義網(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。第二十八頁，共42頁。

還可以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)可表示如圖，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。

送書小王小李書giverrecipientSobject第二十九頁，共42頁。語義網(wǎng)絡(luò)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(xué)生讀過《三國演義》”，其語義網(wǎng)絡(luò)表示為：第三十頁，共42頁。

分塊語義網(wǎng)絡(luò)“每個學(xué)生都讀過《三國演義》”：其語義網(wǎng)絡(luò)表示為：第三十一頁，共42頁。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(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(dāng)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(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

語義網(wǎng)絡(luò)片段第三十二頁，共42頁。6.3.4語義網(wǎng)絡(luò)的程序語言實(shí)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(shí)現(xiàn)語義網(wǎng)絡(luò)知識表示。例如，圖6―1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").第三十三頁，共42頁。a--kind--of("秦冠"，"蘋果").produ--in("秦冠"，"陜西").is--located--at("陜西"，"中國西部").a--part--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").第三十四頁，共42頁。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").………

也可以將一個網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)片段組織在一個事實(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")).第三十五頁，共42頁。6.4面向?qū)ο笾R表示

近年來，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(shí)例。通常，在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言中，只給出類的定義，其對象由類生成。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(jìn)行定義，以供全體對象共享。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)成了一個具體的對象。第三十六頁，共42頁。

例C++中一個雇員類和經(jīng)理類的定義。

classEmployee{privite:char*Name;intAge;intSalary;public:Employee(char*name，intage，int