計算機課件知識與知識表示

全國高中人工智能課程研修班講稿

——知識與知識表示

李鳴華

浙江師范大學教育學院

內容提要

?:?知識的概念

?:?知識的分類

?:?知識的表示過程

?:?知識的表示方法

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知識的概念

?：?知識(Knowledge)是人們在改造客觀世界的實踐中形成的

對客觀事物(包括自然的和人造的)及其規(guī)律的認識，包括

對事物的現(xiàn)象、本質、狀態(tài)、關系、聯(lián)系和運動等的認識。

?經過人的思維整理過的信息、數(shù)據、形象、意象、價值標準

以及社會的其他符號產物，不僅包括科學技術知識一一知識

中最重要的部分，還包括人文社會科學的知識、商業(yè)活動、

日常生活和工作中的經驗和知識，人們獲取、運用和創(chuàng)造知

識的知識，以及面臨問題做出判斷和提出解決方法的知識。

知識的概念

知識是把有關的信息關聯(lián)在一起，形成的關于客觀世界

某種規(guī)律性認識的動態(tài)信息結構。

?知識=事實+規(guī)則+概念

事實就是指人類對客觀世界、客觀事物的狀態(tài)、屬

性、特征的描述，以及對事物之間關系的描述。

規(guī)則是指能表達在前提和結論之間的因果關系的一

種形式；

概念主要指事實的含義、規(guī)則、語義、說明等。

4

知識的分類

-按知識的作用范圍分：

(1)常識性知識：通用性知識，適用于所有領域;

如一年有四個季節(jié)。

(2)領域性知識：面向某個具體領域的知識，是

專業(yè)性知識，如疾病診斷的知識。

5

知識的分類

2按知識的作用及表示劃分：

(1)事實性知識：用于描述領域內的有關概念、

事實、事物的屬性及狀態(tài)；

如：太陽從東方升起

(2)過程性知識：與領域相關的、用于指出如何

處理與問題相關的信息以及求得問題的解；

如：如果信道暢通，請發(fā)綠色信號

(3)控制性知識：又稱為深層知識及元知識，是

關于如何運用已有的知識進行問題求解的知識,

也稱為關于知識的知識。

如：問題求解過程中的處理方法、搜索策略、

控制結構

知識的分類

3按知識的確定性來分：

(1)確定性知識：指其邏輯值為真或假的知識，是精

確性知識；

如：他是男的

(2)不確定性知識：是不精確、不完全、模糊性知識

的總稱。

如：今天陰天，可能要下雨

7

知識的分類

4按人類的思維及認識方法來分：

(1)邏輯性知識：是反映人類邏輯思維過程的知識，一般具有

因果關系或難以精確描述的特點，是人類的經驗性知識和直

觀感覺；

如：人的為人處事的經驗與風格

(2)形象性知識：通過事物的形象建立起來的知識。

如:什么是牛？

知識的分類筆］

5知識的獲取方式來分：

(1)顯性知識：指可通過文字、語言、圖形、聲音等形式編

碼記錄和傳播的知識；

如：教材、音視頻光盤。

(2)隱性知識：指人們長期實踐中積累獲得的知識，不易用

顯性知識表達的知識。

如：每個人都有不同的審美觀。

9

知識的分類

不管從什么角度去劃分知識，要用機器對知識進行處理,

都必須以適當?shù)男问綄χR進行表示，這就是知識表示技術。

在選擇知識表示的方法時應考慮幾個因素：

(1)能否充分表示相關領域的知識；

(2)是否有利于對知識的利用；

(3)是否便于知識的組織和管理；

(4)是否便于理解和實現(xiàn)。

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人工智能研究學派

人工智能研究者根據研究的基礎理論和方法不同，

分為符號主義（又叫心理學派）、聯(lián)結主義（又叫生

理學派）、行為主義（又叫控制論學派）。

（1）符號主義認為人的認知基元是符號，而且認知過程即符

號操作過程，人通過自已的眼睛觀察客觀事物，用符號的形式表

示出來，而計算機也是一個對邏輯符號表示的知識進行演繹的物

理符號系統(tǒng)。因此可以用計算機自身所具有的符號處理推算能力

來模擬人的智能行為。它的主要特征是知識可用符號表示，立足

于邏輯運算和符號操作，適合于模擬人的邏輯思維過程，解決需

要進行邏輯推理的復雜問題。

11

人工智能研究學派

(2)聯(lián)結主義又稱仿生學，人腦是由大約IO11個神經細

胞組成，所以認為人的思維基元是神經元，而不是符號處理

過程，主張采用模擬人的生理神經網絡結構的研究方法。這

種方法的特征是實現(xiàn)聯(lián)想功能，對于帶有噪聲、缺損、變形

的信息進行有效的處理，適合于模擬人類的形象思維過程，

求解問題時，可以比較快地求得一個近似解。

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人工智能研究學派

(3)行為主義認為智能取決于感知和行動，不需要知識、

不需要表示、不需要推理。認為人的智能行為是在與現(xiàn)實世界

的環(huán)境交互作用下表現(xiàn)出來的，這種觀點的核心是用控制取代

知識表示，從而獲得概念、模型以及顯式表示的知識。這一觀

點還沒有形成完善的理論體系。

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知識表示入門——用實例說明知識表示的過程4工

一個老農攜帶一只狐貍、一頭羊羔和一筐白菜，要

從南岸過河到北岸。岸邊有一條小船，只有老農自己能劃

船，而且除了老農以外，每次只能再帶一樣東西過河。在

整個渡河過程中，無論什么情況，若老農不在場時，則不

允許狐貍和羊羔單獨相處，否則羊羔會遭殃；羊羔也不得

與白菜放在一起，否則羊羔會吃白菜。

請問，老農如何才能把它們全部安全擺渡到

北岸？

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知識表示入門——自然語言描述

1）老農攜帶羊羔過河，把狐貍和白菜留在南岸；

2）老農到達北岸，把羊羔留在北岸，并獨自回到南岸；

3）老農攜帶狐貍過河，把白菜留在南岸；

4）老農到達北岸，把狐貍留下，并帶上羊羔回到南岸；

5）老農把羊羔留在南岸，攜帶白菜過河；

6）老農到達北岸，把白菜和狐貍留在北岸，獨自回到南岸;

7）老農最后攜帶羊羔過河，到達北岸。問題就此解決。

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知識表示入門——狀態(tài)和操作

用符號表示：

M:代表老農(farmer)

F:代表狐貍(fox)

L:代表羊羔(1amb)

C:代表白菜(cabbage)

S:表示在南岸

N:表示在北岸

S-N:表示從南到北

N-S:表示從北到南

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知識表示入門——狀態(tài)和操作

用(M,F,L,C)表示四個對象的一個狀態(tài)，可有S

和N兩個值；

改變狀態(tài)的操作，可分別用1,0表示。表示對象

“在船上”和“不在船上”兩個值。

如：初始狀態(tài)：(S,S,S,S),終止狀態(tài)：(N,

N,N,N),中間狀態(tài)：S-N(1,1,0,0)

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知識表示入門——狀態(tài)約束分析

因老農、狐貍、羊羔和白菜都有2種狀態(tài)，即在南岸和北岸，所

以4個對象的總狀態(tài)數(shù)為2*2*2*2=16種，按條件要求，有幾種狀

態(tài)不能存在，如表所示。所以只有10種可能狀態(tài)。

老農和其他三個對象不(S,N,N,N):老農在南岸，其他三個對象在北岸

在同一岸(狐貍要吃羊

羔，羊羔要吃白菜)(N,S,S,S):老農在北岸，其他三個對象在南岸

(S,S,N,N):老農和狐貍在南岸，羊羔和白菜在北岸

羊羔和白菜在同一岸

(羊羔要吃白菜)(N,N,S,S):老農和狐貍在北岸，羊羔和白菜在南岸

狐貍和羊羔在同一岸(S,N,N,S):老農和白菜在南岸，狐貍和羊羔在北岸

(狐貍要吃羊羔)

(N,S,S,N):老農和白菜在北岸，狐貍和羊羔在南岸

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知識表示入門——操作約束

根據題意，在10種可能的安全狀態(tài)里，只有

4種是有可能的操作：

1）老農獨自過河（包括從南岸到北岸和從北岸到南

岸，下同）

2）老農攜帶狐貍過河

3）老農攜帶羊羔過河

4）老農攜帶白菜過河

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知識表示入門——問題求解過程的表示

1S—N(l,0,1,0)

(N,S,N,S)

N—S(l,0,0,0)

▼

(S,S,N,S)

S—N(l,1,A-N(l,0,0,1)

(N.N,N,S)/(N,

S,N,N)A

N—S(1,O,1,；/\1\N-S(I,0,1,0)

(S.N.S.S)N-S(1,1,0,0)(S.S,S,N)

/-N(1,0,1,0,0)\^

(N,N,S,N)

^N—S(l,

0,0,0)

(S.N,S,N)

Is—Nd,0,1,0)

(N,N,N,N)

20

知識表示法

所謂知識表示(KnowledgeRepresentation),

就是把知識用計算機可接受的符號并以某種形式描

述出來。

常見的知識表示方式有一階謂詞邏輯、產生式

表示、狀態(tài)空間圖表示、與或圖表示、語義網絡、

框架結構表示，還有問題歸納法、面向對象法等。

21

知識表示法階謂詞邏輯

(1)命題邏輯

“命題邏輯”是“謂詞邏輯”的基礎。在現(xiàn)實世

界中，有些陳述語句在特定情況下都具有“真”或

“假”的含義，在邏輯上稱這些語句為“命題”。

如：

Ao天在下雨。

Bo天晴

Co人是會死的

Do他在哭

表達單一意義的命題稱為“原子命題”。

命題邏輯就是研究命題和命題之間關系的符號邏

輯系統(tǒng)。

22

知識表示法階謂詞邏輯

（2）命題邏輯的聯(lián)結詞

原子命題可通過“聯(lián)結詞”構成“復合命題”，聯(lián)結詞有5

種，定義為：

1)「表不否定,復合命題“「Q”即“非Q”

2)A表示合取,復合命題“P/XQ”表示“P與Q”

3)V表示析取,復合命題“PVQ”表示“P或Q”

4)一表示條件,復合命題"P=命表示“如果P,那么Q”

5）一表示雙條件，復合命題“<P>Q”即表示“P當且僅當Q”

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知識表示法階謂詞邏輯

（3）命題邏輯的蘊含式

表示蘊含，如果P-Q恒為真，則稱Q”為P永真蘊含Q”

如：

如果天下大雨，則停止足球賽；（P-Q）

天正在下大雨；（P）

所以停止足球賽。（Q）

可以表示為：P,PfQ=>Q

例：如果是鳥，那么就會飛。（P-Q）

駝鳥是鳥（P）

所以駝鳥就會飛（Q）

這個推理就不正確，原因是P-Q不是永真的

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知識表示法階謂詞邏輯

謂詞邏輯是命題邏輯的擴充和發(fā)展，它將一

個原子命題分解成客體和謂詞兩個組成部分。

在謂詞公式P(X)中，P稱為謂詞，X稱為個

體變元，若X是一元的，稱為一元謂詞，P(x,y)

稱為二元謂詞。

在謂詞中，個體可以為常量，變量，函數(shù)。

若謂詞中的個體都為常量，變量或函數(shù)，則

稱它為一階謂詞，如果個體本身是謂詞，稱為二

階謂詞，依次類推。

謂詞公式也有原子謂詞公式、復合謂詞公式

等概念，利用命題邏輯的聯(lián)結詞將原子邏輯化式

組合為復合謂詞公式。

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知識表示法一一階謂詞邏輯

（4）謂詞邏輯的量詞（Quantifiers）

量詞表示了個體與個體域之間的包含關系，謂詞邏輯中有兩

個量詞：

1）全稱量詞（llniversaIQuantifiers）

用字符號”表示。表示了該量詞作用的轄域為個體域中

“所有的個體x”或“每一個個體都”要遵從所約定的謂詞關系。

例:W（x）（現(xiàn)代理工科大學生）（X）一學習計算機應用基礎

V

（X）），其含義是所有現(xiàn)代理工科大學生X,都必須學習計算機應

用基礎。

2）存在量詞（ExistentiaIQuantifier）

用符號芻”表示。表示了該量詞要求“存在于個體域中的

某些個體x”或“某個個體x”要服從所約定的謂詞關系。

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知識表示法一一階謂詞邏輯

(5)一階謂詞邏輯表達方法

如：諸葛亮是人。表示為：Human(Zhugeliang)

馬科斯是男人。表示為：Man(Marcs)

張三是李四的老師表示為：Teacher(張三，李四)

所有龐貝人都是羅馬人。表示為:\/x(Pompeian(x)-Roman(x))

愷撒是一位統(tǒng)治者。表示為：ruler(Caesar)

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知識表示法一一階謂詞邏輯

例：機器人世界示例。設機器人處在凹室(alcove),A,B為兩張桌子，桌

子A上放一個盒子box,讓機器人把盒子從A放到B上，然后回到原處。試

描述問題的初始狀態(tài)和目標狀態(tài)。

首先定義下列謂詞：

TABLE(x):x是桌子；

EMPTY(y):y手中是空的；

AT(y,z):y在z旁邊;

HOLD(y,w)：y手中拿著w;

ON(w,x):w放在x上。

其中變量的取值范圍是：

xe{A,B},ze{A,B,aIcove},

w&box},y={robot}

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知識表示法階謂詞邏輯

初始狀態(tài)的謂詞邏輯的合取表示為:

AT(robot,alcove)

EMPTY(robot)

ON(box,A)

TABLE(A)

TABLE(B)

目標狀態(tài)的謂詞邏輯的合取表示為:

AT(robot,alcove)

EMPTY(robot)

ON(box,B)

TABLE(A)

TABLE(B)

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知識表示法-一產生式規(guī)則表示

產生式規(guī)則表示通常用于描述事物之間的一種

因果關系。其基本形式為：

IF<P>THEN<Q>或直接表達為P-Q

其中，P是產生式的前提，用于指出該產生式是

否可用的條件，也可稱為前件；Q是產生式的結論或

操作，用于指出當前提P被滿足時，應該得出的結論

或應該執(zhí)行的操作，也可稱為后件。

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知識表示法-一產生式規(guī)則表示

在自然語言表達中，人們廣泛使用的各種“原因一結

果”，“條件一結論”，“前提一操作”，“事實一進

展”，“情況一行為”等結構，都可歸結為產生式的知

識表達形式。

例如,

天下雨，地上濕；”原因一結果”

如果把水加熱到0。以上，冰就會溶化為水；”條件一結論”

夜來風雨聲，花落知多少；“事實一進展”

若能找到一根合適的杠桿，就能撬起那座大山；“前提一操作”

才飲長沙水，又食武昌魚；“事實f進展”

剛才開機了，意味著發(fā)出了捕獲目標圖像的信號?！扒闆rf行為”

31

知識表示法-一產生式規(guī)則表示

例如：

IF某動物吃肉THEN它是食肉動物

IF動物有毛發(fā)，THEN動物為哺乳類

IF爐溫超過上限THEN立即關閉風門

有時為了解決問題的需要，前件和后件可以是由

邏輯運算符AND（且）、OR（或）、NOT（非）組成的

表達式。

例如：

IF某動物是哺乳動物AND有蹄THEN它是有蹄動物

IF攜帶危險物品OR易燃易爆物品THEN不允許登上火車

IFNOT下雨THEN外出郊游

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知識表示法一狀態(tài)空間圖

狀態(tài)空間圖是知識表示中一種常用的方法，它

就是由節(jié)點及節(jié)點間的連線所構成的圖。節(jié)點對應

問題的具體狀態(tài)，如初始狀態(tài)、目標狀態(tài)和中間狀

態(tài)。連線通常是有向線，稱為弧線，對應狀態(tài)轉換

操作?；【€具有方向性，箭頭表示其轉換方向，表

示可從一種狀態(tài)轉換為另一種狀態(tài)。問題的解就是

從對應于初始狀態(tài)的節(jié)點連接到一個對應于目標狀

態(tài)的節(jié)點間形成的路徑。

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知識表示法一狀態(tài)空間圖

對某個問題或事實進行狀態(tài)空間描述，必須考

慮三個問題：

1）該狀態(tài)描述方式，特別是初始狀態(tài)描述;

2）操作符集合及對狀態(tài)描述的作用；

3）目標狀態(tài)描述的特性。

34

知識表示法一狀態(tài)空間圖

35

知識表示法一狀態(tài)空間圖

S1-----?S2-----?S3

Si-----?S4——?S5——?S6

迷宮圖:從Si到SO的路徑

36

知識表示法一狀態(tài)空間圖

猴子摘香蕉的狀態(tài)空間圖:

四元表列（W,x,y,z）

W二猴子的水平位置

X二猴子是否在臺上

Y二箱子的水平位置

Z二猴子是否摘到香蕉

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知識表不法一與或圖

與或圖表示法就是一種把一個復雜問題通過

分解為若干個簡單子問題來尋求問題的解的表示

形式，同狀態(tài)空間圖一樣，它也是用來描述一類

問題的求解過程。

知識表不法一與或圖

“與”指的是當一個問題P可以分解為一組子問

題P1,P2,P3,…Pn時，只有當所有的子問題都有

解時，原問題P才有解，任何一個子問題無解都會

導致原問題P無解，這樣原問題P與其所有的子問題

P1,P2,P3,...Pn之間的關系可以用一棵“與樹”

來表示，見圖所示。

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知識表不法一與或圖

“或”指的是當一個問題P分解為一組子問題P1,

P2,P3,...Pn時，只要任意一個子問題有解，則原

問題就有解。只有當所有的子問題都無解時，原問

題才無解。這樣原問題P與子問題P1,P2,P3,...Pn

之間的關系可以用一棵“或樹”來表示，見圖所示。

40

知識表不法一與或圖

例子：猴子摘香蕉

acb

41

知識表不法一與或圖

設系統(tǒng)的狀態(tài)用四元數(shù)組描述為S=(w,x,y,z),其中，w

表示猴子所處水平位置，x表示臺子所在水平位置，y表示猴子

是否在臺上，z表示猴子是否拿到香蕉。

可能出現(xiàn)的狀態(tài)是：

S0=(a,b,0,0)

Sl=(b,b,0,0)

S2=(c,c,0,0)

S3=(c,c,1,0)

S4=(c,c,1,1)

42

知識表不法一與或圖

允許的操作為:F={fl,f2,f3,f4},其中,

fl猴子走到u處，(w,x,0,z)f(u,x,0,z)

f2猴子推臺子到v處,(x,x,0,0)f(v,v,0,0)

f3猴子爬上臺子，(x,x,0,z)一(x,x,1,z)

f4猴子摘到香蕉，(c,c,1,0)f(c,c,1,1)

43

44

知識表示法一框架

框架表示法是一種關于事物內部結構化描述的表示法。

每個框架都有框架名，代表某一類對象，一個框架由若干

個槽（項目）組成，用于表示對象的某個方面的屬性，有時一個

屬性還要從不同的側面來描述，每個側面可具有一個或多個值。

一個框架的一般形式為：

〈框架名〉

〈槽名1〉:〈側面名11>〈側面值n〉…

〈側面名12〉〈側面值12〉…

〈槽名2〉:〈側面名21〉〈側面值21〉…

〈側面名22>〈側面值22〉…

〈項目n>:〈子項nl〉〈值nl〉…

〈子項n2〉<值n2>…

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知識表示法一框架

例1:描述“教師”的框架:

框架名：〈教師〉

類屬：〈知識分子〉/框架調用/

工作：范圍：（教學，科研）

默認：教學

性別：（男，女）

學歷：（中專，大學）

類型：（〈小學教師〉，〈中學教師〉，〈大學教師〉）

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知識表示法一框架

例2:大學教師的框架

框架名：〈大學教師》

類屬：〈教師》

學位：（學士，碩士，博士）

專業(yè)：〈學科專業(yè)〉

職稱：（助教，講師，副教授，教授）

外語語種：范圍：（英，法，日，俄，德）

默認：英

水平：（優(yōu)，良，中，差）

默認：良

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知識表示法一框架

例3:描述一個具體教師的框架

框架名：〈教師-1>

類屬：〈大學教師》

姓名：張三

，性別：男

年齡：25

職業(yè)：教師

職稱：助教

專業(yè)：計算機科學與技術

部門：計算機系

參加時間：1996年9月

工資：〈工資單〉

工齡：3

知識表示法一框架

例4:一般來講，教師的工作態(tài)度是認真的，但行為舉止有些隨便，

自動化系教師一般來講性格內向，喜歡操作計算機。方園是自動

化系教師，他性格內向，但工作不刻苦。問他的興趣和舉止如何?

框圖架表示為：

框架名：〈教師〉

類屬：〈職業(yè)》

態(tài)度：認真

舉止：隨便

框架名：〈自動化系教師》

類屬：〈教師》

性格：內向

興趣：操作計算機框架名：〈方園》

態(tài)

屬:〈自動化系教師〉

性

格

:開朗

態(tài)

度

:不刻苦

趣

興

止

舉

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知識表示法一語義網絡

語義網絡是通過概念及其語義來表示知識的一

種網絡圖，由結點及結點間帶標記的連接弧組成的

有向圖。

網絡的結點表示事物、對象、狀態(tài)、概念、屬

性、情況、動作等；

連接弧表示結點間的語義關系。

節(jié)點和孤都必須帶有標識。

50

知識表示法一語義網絡

（1）類屬關系

類屬關系通常指具有共同屬性的不同事物之間的

實例關系、成員關系或分類關系。

常有的類屬關系有：ls-a（是一個）、A-member-of

（是一員）、A-kind-of（是一種）。

如：張寧是一個學生。

張寧Is-a學生