第一節(jié)知識表示方法

第一節(jié)知識表示方法第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、產(chǎn)生式系統(tǒng)二、謂詞邏輯表示三、狀態(tài)空間法四、問題歸約法五、語義網(wǎng)絡(luò)法六、框架七、面向?qū)ο蟮闹R表示第一節(jié)知識表示方法第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月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，知識還包括人們利用客觀規(guī)律解決實(shí)際問題的方法和策略等。知識表示，是指面向計(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3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月知識表示并不神秘。實(shí)際上，我們已經(jīng)接觸過或使用過。例如，我們通常所說的算法，就是一種知識表示形式。因?yàn)樗虅澚私鉀Q問題的方法和步驟（即它描述的是知識），又可以在計(jì)算機(jī)上用程序?qū)崿F(xiàn)。又如一階謂詞公式，它是一種表達(dá)力很強(qiáng)的形式語言，它也可以用程序語言實(shí)現(xiàn)，所以它也可作為一種知識表示形式。要把外部的邏輯形式的知識轉(zhuǎn)化為機(jī)器的內(nèi)部形式，還需要程序語言的支持。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4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

一產(chǎn)生式系統(tǒng)產(chǎn)生式系統(tǒng)由三部分組成：產(chǎn)生式規(guī)則庫、推理機(jī)（控制系統(tǒng)）和綜合數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生式規(guī)則庫亦稱產(chǎn)生式規(guī)則集，由領(lǐng)域規(guī)則組成，即描述領(lǐng)域的常識和啟發(fā)式知識。推理機(jī)亦稱控制系統(tǒng)，它是一個(gè)程序模塊，負(fù)責(zé)產(chǎn)生式規(guī)則的前提條件測試或匹配，規(guī)則的調(diào)度與選取，規(guī)則體的解釋和執(zhí)行。即推理機(jī)實(shí)施推理，并對推理進(jìn)行控制，它也就是規(guī)則的解釋程序。第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、產(chǎn)生式表示1產(chǎn)生式(規(guī)則)產(chǎn)生式的一般形式為前件→后件即if前件then后件其中，前件就是前提，后件是結(jié)論或動作，前件和后件可以是由邏輯運(yùn)算符AND、OR、NOT組成的表達(dá)式。產(chǎn)生式規(guī)則的語義是:如果前提滿足，則可得結(jié)論或者執(zhí)行相應(yīng)的動作,即后件由前件來觸發(fā)。所以，前件是規(guī)則的執(zhí)行條件，后件是規(guī)則體。第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例：(1)如果銀行存款利率下調(diào)，那么股票價(jià)格上漲。

(2)如果爐溫超過上限，則立即關(guān)閉風(fēng)門?；诋a(chǎn)生式的推理模式：由產(chǎn)生式的涵義可知，利用產(chǎn)生式規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)有前提條件的指令性操作，也可以實(shí)現(xiàn)邏輯推理。實(shí)現(xiàn)操作的方法是當(dāng)測試到一條規(guī)則的前提條件滿足時(shí)，就執(zhí)行其后部的動作。這稱為規(guī)則被觸發(fā)或點(diǎn)燃。利用產(chǎn)生式規(guī)則實(shí)現(xiàn)邏輯推理的方法是當(dāng)有事實(shí)能與某規(guī)則的前提匹配（即規(guī)則的前提成立）時(shí)，就得到該規(guī)則后部的結(jié)論（即結(jié)論也成立）。第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際上，這種基于產(chǎn)生式規(guī)則的邏輯推理模式，就是邏輯上所說的假言推理（對常量規(guī)則而言）和三段論推理（對變量規(guī)則而言），即：

A→BAB

這里的大前提就是一個(gè)產(chǎn)生式規(guī)則，小前提就是證據(jù)事實(shí)。第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月綜合數(shù)據(jù)庫用于存放輸入的關(guān)于求解的問題的事實(shí)或問題的狀態(tài)、以及推理產(chǎn)生的中間結(jié)果和最終結(jié)果。它表現(xiàn)為產(chǎn)生式系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如符號串、數(shù)組、表、樹等。例：事實(shí)“李和張是朋友”用表（friend,li,zhang)來表示。第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3用產(chǎn)生式系統(tǒng)描述AI問題八數(shù)碼問題綜合數(shù)據(jù)庫：用二維數(shù)組表示，例產(chǎn)生式規(guī)則：即走步規(guī)則，使?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化，有四條控制系統(tǒng)：從初始狀態(tài)---->目標(biāo)狀態(tài)137246851238476513724685第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行過程產(chǎn)生式系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，除了需要規(guī)則庫以外，還需要有初始事實(shí)(或數(shù)據(jù))和目標(biāo)條件。

目標(biāo)條件是系統(tǒng)正常結(jié)束的條件，也是系統(tǒng)的求解目標(biāo)。產(chǎn)生式系統(tǒng)啟動后，推理機(jī)就開始推理，按所給的目標(biāo)進(jìn)行問題求解。一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)生式系統(tǒng)，其目標(biāo)條件一般不會只經(jīng)一步推理就可滿足，往往要經(jīng)過多步推理才能滿足或者證明問題無解第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月從規(guī)則庫中取一個(gè)條規(guī)則，將其前提同當(dāng)前動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)/數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配匹配成功否把該規(guī)則的結(jié)論放入當(dāng)前綜合數(shù)據(jù)庫：或執(zhí)行規(guī)則所規(guī)定的動作NY推理機(jī)的一次推理過程如圖所示：第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月傳教士和野人問題：3個(gè)傳教士和3個(gè)野人，船上最多可坐2人

M：傳教士C：野人B：船綜合數(shù)據(jù)庫：用三元組描述左岸的狀態(tài)，以此推出右岸的情況，初始狀態(tài)為，目標(biāo)狀態(tài)為產(chǎn)生式規(guī)則：即擺渡操作，包括從左岸到右岸和從右岸到左岸，：左→右，：右→左控制系統(tǒng)（搜索策略）：，可用狀態(tài)空間圖來描述搜索過程第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3,3,1)P01,P10,P11,P02,P20(3,2,0)(3,3,1)(2,2,0)(3,1,0)第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5控制策略與常用算法產(chǎn)生式系統(tǒng)的推理可分為正向推理和反向推理兩種基本方式。正向推理將初始事實(shí)置入綜合數(shù)據(jù)庫；用綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)（數(shù)據(jù)），匹配/測試目標(biāo)條件，若目標(biāo)條件滿足，則推理成功，結(jié)束。用規(guī)則庫中各規(guī)則的前提匹配綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)，將匹配成功的規(guī)則組成待用規(guī)則集；若待用規(guī)則集為空，則運(yùn)行失敗，退出。將待用規(guī)則集中各規(guī)則的結(jié)論加入綜合數(shù)據(jù)庫，或者執(zhí)行其動作，轉(zhuǎn)步2；可以看出，隨著推理的進(jìn)行，動態(tài)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容或者狀態(tài)在不斷變化。第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月反向推理將初始事實(shí)（數(shù)據(jù)）置入綜合數(shù)據(jù)庫，將目標(biāo)條件置入目標(biāo)鏈；若目標(biāo)鏈為空，則推理成功，結(jié)束。取出目標(biāo)鏈中第一個(gè)目標(biāo)，用動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)同其匹配，若匹配成功，轉(zhuǎn)步2；用規(guī)則集中的各規(guī)則的結(jié)論同該目標(biāo)匹配，若匹配成功，則將第一個(gè)匹配成功且未用過的規(guī)則的前提作為新的目標(biāo)，并取代原來的父目標(biāo)而加入目標(biāo)鏈，轉(zhuǎn)步3；若該目標(biāo)是初始目標(biāo)，則推理失敗，退出。第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月將該目標(biāo)的父目標(biāo)移回目標(biāo)鏈，取代該目標(biāo)及其兄弟目標(biāo)，轉(zhuǎn)步3；可以看出，上述反向推理算法的推理過程也是一個(gè)圖搜索過程，而且一般是一個(gè)與或樹搜索。第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例：動物分類問題的產(chǎn)生式系統(tǒng)描述及其求解。設(shè)由下列動物識別規(guī)則組成一個(gè)規(guī)則庫，推理機(jī)采用上述正向推理算法，建立一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)。該產(chǎn)生式系統(tǒng)就是一個(gè)小型動物分類知識庫系統(tǒng)。規(guī)則：

r1：若某動物有奶，則它是哺乳動物。

r2：若某動物有毛發(fā)，則它是哺乳動物。

r3：若某動物有羽毛，則它是鳥。

r4：若某動物會飛且生蛋，則它是鳥。

r5：若某動物是哺乳動物且有爪且有犬齒且目盯前方，則它是食肉動物。第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

r6：若某動物是哺乳動物且吃肉，則它是食肉動物。

r7：若某動物是哺乳動物且有蹄，則它是有蹄動物。

r8：若某動物是有蹄動物且反芻食物，則它是偶蹄動物。

r9：若某動物是食肉動物且黃褐色且有黑色條紋，則它是老虎。

r10：若某動物是食肉動物且黃褐色且有黑色斑點(diǎn)，則它是金錢豹。

r11：若某動物是有蹄動物且長腿且長脖子且黃褐色且有暗斑點(diǎn)，則它是長頸鹿。第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

r12：若某動物是有蹄動物且白色且有黑色條紋，則它是斑馬。

r13：若某動物是鳥且不會飛且長腿且長脖子且黑白色，則它是駝鳥。

r14：若某動物是鳥且不會飛且會游泳且黑白色，則它是企鵝。

r15：若某動物是鳥且善飛且不怕風(fēng)浪，則它是海燕。第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月再給出初始事實(shí)：f1：某動物有毛發(fā)。f2：吃肉。f3：黃褐色。f4：有黑色條紋。目標(biāo)條件為：該動物是什么？易見，該系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果為：該動物是老虎。其正向推理樹：第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月老虎食肉動物哺乳動物有毛發(fā)吃肉黃褐色有黑色條紋正向推理樹r2r6r9r2：若某動物有毛發(fā)，則它是哺乳動物。r6：若某動物是哺乳動物且吃肉，則它是食肉動物。r9：若某動物是食肉動物且黃褐色且有黑色條紋，則它是老虎。第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月反向推理樹r9r6r5：若某動物是哺乳動物且有爪且有犬齒且目盯前方，則它是食肉動物。r1：若某動物有奶，則它是哺乳動物。r5r2r1第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、謂詞邏輯表示用符號化的形式語言表達(dá)復(fù)雜的問題，并能實(shí)現(xiàn)邏輯推理謂詞邏輯的基本組成謂詞符號：表示對象的性質(zhì)、狀態(tài)或?qū)ο箝g的關(guān)系連詞：量詞：變量符號：用小寫字母表示常量符號：用大寫字母表示函數(shù)符號：第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例：機(jī)器人在房間里某物品在房間里李喜歡音樂和繪畫如果A跑得最快則他是冠軍機(jī)器人不在房間里第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月房間里有個(gè)東西所有的機(jī)器人都是灰色的一班的學(xué)生和二班的學(xué)生比賽A或者在打籃球或者在踢足球采用謂詞邏輯的推理過程第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、語義網(wǎng)絡(luò)法用圖來表示復(fù)雜的概念、事物及其語義聯(lián)系圖：包括節(jié)點(diǎn)、線，節(jié)點(diǎn)表示實(shí)體、概念、事物，線表示節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系（語義聯(lián)系）第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月智能系統(tǒng)專家思維專家知識困難問題專家系統(tǒng)種一是能解決具有能模擬專家系統(tǒng)的語義網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)是一個(gè)能解決困難問題的智能系統(tǒng)，它具有專家知識、能模擬專家的思維第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ISAsexagePersonsimon男40教師professionsimon是一個(gè)人，男性，40歲，職業(yè)是教師第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月屬于年齡電子2路石油學(xué)院張宏助教西安市區(qū)25歲位置工作在職務(wù)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。第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月由語義網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)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。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。語義網(wǎng)絡(luò)也稱聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)。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(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31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月基于語義網(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(gè)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)Akindof語義網(wǎng)絡(luò)片段x富士工作于x特點(diǎn)第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月四、框架框架是一種結(jié)構(gòu)，一種模式，一個(gè)框架一般有若干個(gè)槽，一個(gè)槽有一個(gè)槽值或者有若干個(gè)側(cè)面，而一個(gè)側(cè)面又有若干個(gè)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(gè)動作或過程，甚至還可以是另一個(gè)框架的名字。第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一般形式是:<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，…>第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例：描述“教師”的框架（描述的是一個(gè)概念）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>)槽名分別是：“類屬”、“工作”、“性別”、“學(xué)歷”和“類型”。槽名的右面就是其值。其中“<知識分子>”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。第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月例：描述一個(gè)具體教師的框架（描述一個(gè)具體的實(shí)例）框架名:<教師-1>類屬:<大學(xué)教師>姓名:李明性別:男年齡:25職業(yè):教師職稱:助教專業(yè):計(jì)算機(jī)應(yīng)用部門: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>第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月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。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。第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)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(gè)問題時(shí)，先把問題用一個(gè)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38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月五、面向?qū)ο蟮闹R表示面向?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(gè)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(gè)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(gè)具體的對象。第39頁，課件