《知識與知識表》PPT課件.ppt

第二章 知識與知識表示,第一節(jié) 引言 一、知識 知識是信息經過加工整理、解釋、挑選和改造而成的。 二、知識類型 1、事實性知識 一般采用直接表示形式。 注：1）若事實性知識是批量的、有規(guī)律的，則往往以表格、圖冊，甚至數據庫等形式出現； 2）某些事實性知識表現為規(guī)則的形式（盡管有時事實和規(guī)則分開處理）,第二章 知識與知識表示,第一節(jié) 引言 二、知識類型 2、過程性知識 描述做某事的過程，使人或計算機照此去做。 3、行為性知識 不直接給出事實本身，只給出它在某方面的行為。 注：從某種意義上說，行為性知識是描述事物的內涵，而非外延。 4、實例性知識 只給出一些實例，關于事物的知識就隱藏在這些實例中。,第二章 知識與知識表示,第一節(jié) 引言 二、知識類型 4、實例性知識 注：實例性知識和事實性知識的主要區(qū)別是：人們感興趣的一般不是這些實例本身，而是在大批實例后面隱藏的規(guī)律性知識。 5、類比性知識 既不給出外延，也不給出內涵，只給出它與其它事物的某些相似之處。,第二章 知識與知識表示,第一節(jié) 引言 二、知識類型 5、類比性知識 注：類比性知識一般不能完整地刻劃事物，有時會以偏概全，但它可以啟發(fā)人們在不同領域的知識間架起橋梁，利用一個領域的知識去解決另一個領域的問題。 6、元知識 關于知識的知識。 注：元知識經常以控制知識的形式出現。,第二章 知識與知識表示,第一節(jié) 引言 三、知識表示原則 1、表示知識的范圍是否廣泛？ 注：邏輯是一種廣譜的知識表示工具。 2、是否適合于推理？ 注：人工智能主要對適合推理的知識表示感興趣。 3、是否適合于計算機處理？ 4、是否有高效的算法？ 5、能否表示不精確知識？ 注：自然界的信息具有先天的模糊性和不精確性。,第二章 知識與知識表示,第一節(jié) 引言 三、知識表示原則 6、能否模塊化，以便于知識分層？ 7、知識和元知識能否用統一的形式表示？ 8、是否適合于加入啟發(fā)式信息？ 控制知識（元知識）信息啟發(fā)式信息 9、過程性表示還是說明性表示？ 說明性表示：只給出事物本身的屬性及事物之間的相互關系，對問題的解答就隱含在這些知識之中。,第二章 知識與知識表示,第一節(jié) 引言 三、知識表示原則 9、過程性表示還是說明性表示？ 過程性表示：給出解決一個問題的具體過程。 注：說明性表示涉及細節(jié)少，抽象程度高，可靠性較好，修改方便，但執(zhí)行效率較低。 10、表示方式是否自然？,第二章 知識與知識表示,第一節(jié) 引言 四、常見的知識表示形式 1、演繹系統 2、產生式系統 3、框架結構 4、語義網絡 5、過程性知識表示 6、面向對象知識表示 7、基于本體的知識表示法,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 一、謂詞演算 1、命題 陳述 2、謂詞 帶有參數的命題 注：1）謂詞比命題有更強的表達能力，可將知識單元細分； 2）謂詞可代表變化著的情況，謂詞的真假值可因參數而異； 3）可利用謂詞在不同的知識之間建立聯系，使用同名參數。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 一、謂詞演算 3、謂詞解釋 人為地指派給謂詞的含義 注：1）由于解釋的不同，謂詞的真假值也就不同； 2）對于復雜的謂詞公式，研究其不同的解釋具有更大的重要性； 3）對一個謂詞公式可給出多種甚至無窮多種不同的解釋。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 一、謂詞演算 3、謂詞解釋 人為地指派給謂詞的含義 注：4）每種解釋由下列基本部分組成： A）一組基本域Di,i=1n B）每個常量均是某個Di中的一個元素 C）每個變量均在某個Di中取值 D）每個m目函數均是一個映射 Di1Di2 . DimDim+1 （對于jk,可以有Dij=Dik),第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 一、謂詞演算 3、謂詞解釋 人為地指派給謂詞的含義 注：4）每種解釋由下列基本部分組成： E）每個m目謂詞均是一個映射 Di1Di2 . Dim（T，F） （T代表真，F代表假) 5）若一個謂詞公式在所有解釋下均為真，則稱此公式為永真公式。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 一、謂詞演算 3、謂詞解釋 人為地指派給謂詞的含義 注：5）利用謂詞演算進行邏輯推理的核心任務就是判斷一個謂詞公式是否永真。但判斷一個謂詞公式的永真性比較困難，甚至有人證明，根本不存在這樣的算法。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 一、謂詞演算 4、謂詞演算 謂詞及謂詞之間關系的研究 1）符號集 真值常量：T、F 聯結符號：、 運算符：= 量詞：、 常量：函數常量、謂詞常量 變量：函數變量、謂詞變量 注：對于變量，可使用量詞。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 一、謂詞演算 4、謂詞演算 謂詞及謂詞之間關系的研究 2）項 A）常量和變量是項 B）若t1,t2,tn是項，則fn(t1,t2,tn)和Fn(t1,t2,tn)也是項(fn 為n目函數常量， Fn 為n目函數變量)。 3）原子公式和合式公式(wff),第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 一、謂詞演算 5、主要的謂詞演算 命題演算一階謂詞演算二階謂詞演算 其中，最重要的是一階謂詞演算。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 二、自然演繹系統 給定一個有限的或遞歸的公理集，及一個有限推理規(guī)則集，構成一個自然演繹系統。 注：1）若在某個確定的范圍內，任何永真公式均可由一個演繹系統推導出，則稱此演繹系統對于該范圍來說是完備的。 2）（Godel）對于一階謂詞演算，存在著完備的演繹系統，對于二階謂詞演算，不存在著完備的演繹系統。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 二、自然演繹系統 注：3）在實際應用中，僅推演永真式是不夠的，任何有意義的知識推理系統均需處理非永真公式，它的謂詞被指派以某種解釋，即語義。我們應該使用含有語義的演繹系統。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 三、與或句演繹系統 1、與或句 只有與符號()、或符號()、謂詞(也稱原子)和前有非符號的謂詞(也稱負原子，正負原子統稱句節(jié))以及看不見的全稱量詞的合式公式稱為與或句。 2、與或句的生成步驟 1）化成前束范式，使所有量詞均在合式公式的最前面，且每個量詞的轄域均是整個公式。 2）消去存在量詞，只剩下全稱量詞。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 三、與或句演繹系統 3、置換規(guī)則 左部只能有一個句節(jié)，右部可以是任意的與或句。 注：1）與或句演繹系統的推理方法是將已知條件變成與或句，然后根據置換規(guī)則將已知條件按句節(jié)逐步置換 2）與或句演繹系統可以用于求證某個目標推理，也可以進行反向推理。當用作反向推理時，比較實用。,第二章 知識與知識表示,第二節(jié) 演繹系統 四、子句演繹系統 1、子句 只有或符號和非符號的合式謂詞公式稱為子句，用或符號連接多個句節(jié)而成。 2、子句演繹方法 消解法Robinson 基于Horn子句邏輯 3、消解法基本思想 把已知條件表示成一組子句，把求證目標先表示成子句，后在前面加非符號，把加了非符號的目標子句和條件子句組合，若通過消解推出空子句，則目標得以證明。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 一、基本概念 1、產生式 在自然界的各種知識單元之間存在著大量的因果關系。這是前提和結論之間的關系，可用產生式（或稱規(guī)則）來表示。 產生式（規(guī)則）：前提和結論之間的關系式。 表示形式：前提結論 2、事實 無需前提條件的產生式，可用于表示已知的事實。 表示形式： 事實,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 一、基本概念 3、產生式系統 將一組產生式放在一起，讓它們互相配合、協調作用，一個產生式生成的結論可供另一個產生式作為前提使用。以這種方式求得問題的解決的系統，稱為產生式系統。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 1、產生式系統構成 a)一組規(guī)則(即產生式本身) 每個規(guī)則分為左部(LHS)和右部(RHS)。 一般說來，左部表示情形，即什么條件發(fā)生時此產生式應該被調用。右部表示動作，即此產生式被調用后所做的事情。 在核實左部情形時，通常采用匹配的方法，即查看當前數據基中是否存在規(guī)則左部所指示的情形。若存在，則認為匹配成功，否則認為匹配不成功。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 1、產生式系統構成 a)一組規(guī)則(即產生式本身) 匹配成功時，執(zhí)行右部規(guī)定的動作。這種動作一般是對數據基中的數據作某種處理。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 1、產生式系統構成 b)數據基 每個產生式系統均有一個數據基，其中存放的數據既是構成產生式的基本元素，又是產生式作用的對象。 注：數據基不同于數據庫。數據基中的數據是廣義的，可以是常量、變量、多元組、謂詞、表結構、圖象等等。其意義往往指一個事實或斷言，可看成一個知識元。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 1、產生式系統構成 c)一個解釋程序 負責整個產生式系統的運行，包括規(guī)則左部和數據基的匹配、從匹配成功的規(guī)則（可能不止一個）中選出一個加以執(zhí)行、解釋執(zhí)行規(guī)則右部的動作，并掌握時機結束產生式系統的運行等等。 注：其中每一步均可有不同的含義。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 2、產生式系統特點 a)相對固定的格式 任何產生式均由LHS和RHS組成，左部匹配，右部動作。 匹配提供的信息只有兩種：成功或失敗。 匹配過程中不允許產生副作用。規(guī)則匹配失敗時，對數據基無影響。 匹配一般無遞歸，無復雜的計算。右部的動作一般是最基本的，無復雜的控制。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 2、產生式系統特點 b)知識的模塊化 在每個具體的產生式系統所適用的專門領域知識被分成許多知識元，存于數據基中。而每個規(guī)則指明了有關知識元之間的關系及其使用方法。 規(guī)則本身也可看成是知識元，這種知識元不同于通常數據基中存放的知識元，因為它是指示如何使用數據基中存放的知識元，因此，也稱為元知識，即關于知識的知識。由此可見，元知識也是模塊化的。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 2、產生式系統特點 b)知識的模塊化 此外，還有如何使用這些規(guī)則的知識，包括規(guī)則匹配的次序、匹配沖突的解決等解釋系統中所包含的功能。這種有關元知識的知識稱為高階元知識。它們也可模塊化并寫成規(guī)則的形式。不過，只有少數系統能做到，而大部分系統是將高階元知識不明確地寫成規(guī)則的形式，不以任何明確的形式顯示出來，規(guī)則使用方法隱含在系統本身的定義中。這是模塊化不徹底的表現，可擴展性差。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 2、產生式系統特點 b)知識的模塊化 注：知識的模塊化使得知識基（包括數據基和規(guī)則基）的補充和修改變得非常容易。但要注意任何修改和擴充必須保持知識基的無矛盾性和一致性。這種一致性檢驗最好由系統自動執(zhí)行，至少檢驗到一定程度。因為從理論上，在某些情形下徹底的一致性檢驗是不現實的。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 2、產生式系統特點 c)相互影響的間接性 產生式系統一般是“數據驅動”，看不見控制流。 一個產生式的調用對其它產生式的影響不是直接傳送過去，而是通過修改數據基來間接實現（當其它產生式的左部與數據基匹配時，發(fā)現數據基內容已變，從而，各產生式執(zhí)行效果也就跟著發(fā)生變化）。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 2、產生式系統特點 c)相互影響的間接性 注：這個特點有利于知識模塊性，但使產生式系統的效率受到影響。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 2、產生式系統特點 d)機器可讀性 包括機器識別產生式、語法檢查和某種程度上的語義檢查。 語法檢查包括無矛盾性檢驗和冗余檢查。 語義檢查涉及知識的具體領域，如通常數據庫中的一致性檢驗。 可讀性的另一含義是對產生式作出解釋，是對產生式系統為解決某一問題所給答案的解釋，即，對推理過程作出解釋。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 二、基本特征 2、產生式系統特點 注：產生式系統對某些領域的應用是很有效的，如醫(yī)療診斷，而對另一些領域不那么適用，如數學。其關鍵在于知識能否模塊化。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 三、產生式的知識元形式 1、常量字符串 是知識元的最簡單形式。 匹配有精確匹配、不完全匹配(只要求LHS中的知識元是當前數據基中某個知識元的子串即可)。 匹配成功后，RHS的動作是把數據基內該知識元中所含的子串換成在RHS中出現的子串。 注：這種產生式系統稱為置換系統。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 三、產生式的知識元形式 2、變量 若產生式的左部均只有一個符號，則這些符號也稱為變量。 注：引進變量的一個效果是把命題化為謂詞，引進變量后，可構造由謂詞構成的產生式系統，它的表達能力要強得多。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 三、產生式的知識元形式 3、元組 在許多專家系統中，經常以（對象,屬性,值）的三元組形式作為產生式系統的知識元。 4、樹和圖,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 三、產生式的知識元形式 注：1)知識元可涉及復雜的計算，如exist(x,D) 2)一般地，變量的作用域僅限于它所在的產生式。若在匹配過程中，某規(guī)則中的一個變量被約束為某個值，則同一規(guī)則中所有同名變量必須約束為同一個值，但對其它規(guī)則中的同名變量無任何影響。同時，不論是規(guī)則匹配失敗或成功地結束，被約束的變量均要恢復原狀，即只起一種形式參數的作用。但是也有例外，如在許多語法置換系統中，同一字符串中的幾個同名變量可被置換為不同的子串。另一例外是作用域的放大。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 1、最基本推理方式 a)向前推理：數據驅動推理。 b)向后推理：目標驅動推理。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 2、向前推理基本原理 每個產生式的左部有一組條件，右部有一組動作。每當數據基的當前狀態(tài)符合某一產生式左部的所有條件時，相應產生式被激發(fā)，并執(zhí)行其右部的動作。這些動作一般要修改數據基的內容，動作執(zhí)行完畢，數據基的狀態(tài)可能已經發(fā)生改變。此時，再找一個產生式，如此循環(huán)反復。,S1,.,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 2、向前推理基本原理 注：1)在大部分向前推理的產生式系統中，每個條件用一個謂詞來表示，產生式的左部是一串謂詞，產生式的右部也是一串謂詞。產生式的左部與當前數據基匹配成功的含義是：對產生式左部所有謂詞中出現的變量可以實行一種統一的置換，使得置換后的謂詞均是當前數據基中某個謂詞的樣品。執(zhí)行產生式右部動作的含義是：把左部匹配成功時實行的那個變量置換傳播到右部來，使右部謂詞中出現的變量按同一方式實行置換。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 2、向前推理基本原理 注：2)向前推理可形成一片森林。 3)對于產生式的激發(fā)還應加一個條件：當執(zhí)行一個產生式右部的動作不能改變數據基的狀態(tài)時，即使產生式左部能與數據基匹配，也不應當激發(fā)該產生式。即，當產生式的右部不能為數據基增添新的謂詞時，就不應激發(fā)此產生式，否則會產生許多無用的空轉，可能使產生式系統的運行不能停止。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 2、向前推理基本原理 注：4)在一般情況下，運行產生式系統應有一個目標。每執(zhí)行一次向前推理，就要將當前數據基狀態(tài)與目標狀態(tài)比較一下，若已達到目標，則停止運行。 5)有時，無目標的向前推理也是需要的。這往往是為了推出所需要的全部結果。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 3、向后推理 a)基本原理 設目標狀態(tài)為S1,則首先查看數據基的當前狀態(tài)是否已是S1。若是，則不必做任何工作，問題已解決，否則，查看有無這樣的規(guī)則R1，可把狀態(tài)S2轉換為S1。若有，則查看當前數據基的狀態(tài)是否是S2，若是，則只要執(zhí)行R1，即可達到狀態(tài)S1，問題也可解決。若當前數據基的狀態(tài)不是S2，則進一步查看有無這樣的規(guī)則R2，可把狀態(tài)S3轉換為S2，若有，則查看當前數據基的狀態(tài)是否是S3,，如此反復，得到一條向后推理鏈。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 3、向后推理 a)基本原理,S1,S3,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 3、向后推理 b)實現方式 對于這類產生式系統，推理目標也可取一個謂詞的形態(tài)，稱為目標謂詞。 推理步驟是：以目標謂詞為樹根，首先查看當前數據基中是否有這樣的謂詞存在，它們與目標謂詞存在最廣通代。若有n個這樣的謂詞，則從樹根生出n枝“或枝”，每枝或叉的終點是上述數據基謂詞經過最廣通代之后的一個樣品；然后，再查看有無這樣的規(guī)則，它們的右部謂詞與目標謂詞之間存在最廣通代，若有m個這樣的規(guī)則，,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 3、向后推理 b)實現方式 (推理步驟)：則從樹根再生出m枝“或叉”，每枝或叉的終點是上述規(guī)則的右部謂詞經過最廣通代之后的樣品。若和某個右部謂詞相對應的左部有k個謂詞，則從相應或叉的終點又生出k枝“與叉”，每枝與叉的終點對應于一個左部謂詞，其中的所有變元均已按照右部謂詞所作的最廣通代作了相應的置換。 在上述過程中，或叉的起點稱為或結點，其終點稱為與結點；與叉的起點稱為與結點，其終點稱為或結點。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 3、向后推理 b)實現方式 (推理步驟)：由上可知：或結點和與結點互為因果。按此辦法不斷進行下去，可使與叉和或叉，與結點和或結點循環(huán)輪回，生成一棵樹，稱為與或樹。它可以是有窮的，也可是無窮的。 若從一個或結點生出的所有或叉中，有一枝或叉的終點是當前數據基中某個謂詞的一個樣品，則稱此或結點成功，它的子與結點(即上述謂詞樣品)自然也成功，并且是與或樹的一個葉結點。若從一個或結點不能生出任何或叉，則稱此或結點失敗，它也與或樹的一個葉結點。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 3、向后推理 b)實現方式 (推理步驟)：若一個或結點的所有子與結點皆失敗，則該父或結點也失敗。若一個與結點成功，則它的父或結點也成功。若一個父與結點的所有子或結點皆成功，則該父與結點也成功。 若由于某些葉結點的成功，使得根結點(它一定是或節(jié)點)成功，則整個推理成功。若到某個時刻，由于某些葉結點的失敗而使得推理不再能進行，則整個推理失敗，否則，與或樹有可能無窮地生長下去。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 四、推理方向 3、向后推理 c)最廣通代定義 定義1通代 若有一組謂詞W=1,2, n，又有一個代換，使 1=2=n，則稱為謂詞組W的通代。 定義2廣通代 若1和2均是謂詞組W的通代，另有一個代換3，使得：W13=W2 ，則稱通代1較通代2為廣。 定義3最廣通代 設是謂詞組W的一個通代,若對任意其它通代，均比廣，則稱為W的一個最廣通代。 注：最廣通代可不唯一。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 五、框架問題 1、框架問題 一般，每個謂詞只有已知其真假和還未知道其真假的區(qū)別，不會原先是真的，后來變假了，或反過來，原先是假的，后來變真了。即，真的假不了，假的真不了。 但對于一些系統，謂詞的真假值會在推理過程中發(fā)生變化，且數據基的狀態(tài)每次只改變一些。而其余部分則沒有變化。這就是框架問題。 注：具有框架問題的系統主要是用于描述客觀世界中狀態(tài)變遷的系統。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 五、框架問題 2、處理方法 a)直接指明法 在每個產生式中直接指明增加哪些謂詞，刪去哪些謂詞。 b)引入狀態(tài)參數法 在每個謂詞中增加一個狀態(tài)參數，以使得一個謂詞在不同狀態(tài)可取不同值。 注：具有不同狀態(tài)參數的同一謂詞是不同的謂詞樣品，從而完全可有不同的值。 c)謂詞函數化(高階邏輯法) 所用的謂詞全部寫成函數的形式，這樣謂詞樣品就是項。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 六、非確定性匹配 不要求產生式的左部能與數據基中的數據完全匹配，往往只需要部分的匹配(主要是由于已有的信息不是十完備)，就可推出某些結論性的信息。 注：可采用權、可信度來表示和確定事實與規(guī)則的匹配程度,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 七、匹配沖突的解決 1、匹配沖突 在向前推理時，有n個產生式(n1)的左部均能與當前數據基中的數據匹配成功，或有m組不同數據(m1)均能和同一產生式的左部匹配成功，或兩種情況的組合。 在向后推理時，有n個產生式(n1)的右部均能和同一子目標匹配成功，或有m組不同數據(m1)均能和同一子目標匹配成功，或有l(wèi)個子目標(l1)均能找到相應的數據或產生式右部并匹配成功，或三種情況的復合。 這就形成了匹配沖突。,第二章 知識與知識表示,第三節(jié) 產生式系統 七、匹配沖突的解決 1、匹配沖突 注：產生式系統中的解釋執(zhí)行系統必須具有某種選擇功能，以便排除上面列舉的二義性。這是在設計產生式系統時應該考慮的一個策略問題，這就是解決匹配沖突的策略。 2、解決沖突的策略 a)按事先排好的固定順序 b)按通用性和針對性排序 c)按數據的新鮮性排序 d)按子目標的新鮮性排序 e)按使用產生式和數據的公平性排序 f)按匹配程度排序,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 一、事物的屬性 1、屬性 用于描述事物特性的項 注：1)掌握了事物的屬性，就有關于事物的知識 2)屬性一般具有屬性名和相應值 3)屬性是描述事物的最小元素 2、屬性表 將同一事物的各方面屬性列成一張表，構成該事物的屬性表 注：1)屬性表是屬性的集合，用于描述事物的整體特性 2)屬性表中的屬性之間可存在依賴關系,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 一、事物的屬性 3、屬性框架 對于具有同樣一些屬性的事物,可將這些屬性確定為屬性框架 注：1)只要在此框架內對諸屬性賦以不同的值,就可得到對同一類事物不同個體的描述 2)屬性框架與數據庫中關系表的定義非常相似，但屬性框架中的某些屬性可被看作事物而擁有自己的屬性表，從而可形成層次式的嵌套結構 3)在對事物進行推理的過程中，事物的屬性有時也要一起參加推理，推理可包含對有關屬性的運算，運算結果組成推理結果的一部分,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 一、事物的屬性 3、屬性框架 對于具有同樣一些屬性的事物,可將這些屬性確定為屬性框架 注：4)屬性框架內的屬性之間可存在橫向關系和縱向關系，且縱向關系更能深刻地反映客觀世界中各事物之間的關系 5)在事物子類的屬性和事物母類的屬性之間存在一種繼承和發(fā)展的關系。繼承可以是直接繼承，也可是經過計算以新的值繼承；可以是全盤繼承，也可是有選擇的繼承 6)將事物及其屬性分類-分層加以描述的方法是框架理論的基礎,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 二、框架 1、概念 用于表示事物各方面的屬性、事物之間的類屬關系及事物的特征和變異等的概念 2、基本思想 使用“套套”事物狀態(tài)、屬性、發(fā)展過程和相互關系的規(guī)律,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 二、框架 3、框架的主要特征 a)有一個框架名（可帶有參數） b)有一組屬性，每個屬性稱為一個槽，里面可存放屬性值 c)每個屬性對值有要求，不同屬性的類型可不同 d)有些屬性值可為子框架調用（可帶參數） e)有些屬性值是預先確定，有些屬性值需在生成實例時代入 f)有些屬性值在代入時需滿足一定條件，有時，在不同屬性的屬性值之間還有一些條件需要滿足,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 二、框架 4、框架系統應具備的功能 a)描述 通過工具建立和管理（查閱、修改、推理、）對某類客觀事物的一個描述。 注：1)描述可由一組相互聯系、互相支持的框架組成 2)在建立單個框架時，可根據需要設置一組槽，規(guī)定每個槽的性質，及槽之間的關系 3)每個槽在框架中被認為無內部結構的，但當需要時，它本身又可擴充為一個有內部結構的框架,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 二、框架 4、框架系統應具備的功能 b)子類 將復雜的事物分為子類,再將子類分成更小的子類,定義更小的框架。 c)實例 注：子類的最低層是實例,它已不是一個類,而只是一個個體的描述,它是框架體系樹的樹葉,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 二、框架 4、框架系統應具備的功能 d)匹配 注：1)框架匹配一般是部分匹配，完全匹配是特殊情形 2)框架不完全符合實際事物的可能性有：規(guī)定的屬性不存在、規(guī)定的屬性值不符、屬性的缺省值和被匹配事物相應屬性值不符、為某個屬性的值規(guī)定的類型或條件不成立 3)可通過規(guī)定必要條件、規(guī)定允許誤差范圍、規(guī)定計算偏差度、規(guī)定屬性加權、設置一組判定產生式、既規(guī)定充分因子又規(guī)定必要因子、不局限于絕對成功的匹配來確定匹配成功條件,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 二、框架 4、框架系統應具備的功能 e)預測 根據框架對客觀事物進行預測 注：1)預測實際上是一種框架內部的推理 2)預測的用途有：指導進一步的觀察、假定還未觀察到的或難以觀察到的事物,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 二、框架 4、框架系統應具備的功能 f)繼承 注：繼承除了子類繼承，還可有如下情形的繼承：有限制地繼承和排斥屬性、有限制地繼承和排斥屬性值、有限制地繼承和排斥條件、給出屬性值的映射函數、指明屬性的分裂等,第二章 知識與知識表示,第四節(jié) 框架結構 二、框架 4、框架系統應具備的功能 g)變異 用于處理實際事物與框架很不一致的反常現象 注：變異的概念使框架匹配的定義進一步精確化。 h)更新 注：在發(fā)生變異的情形下需更新 i)修改 對老框架進行修改，以符合變異要求 j)查找 注：查找時，可能需要回溯,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 一、基本思想 1、用一個有向圖表示概念和概念之間的關系，其中節(jié)點代表概念，節(jié)點之間的連接弧(也稱聯想弧)代表概念之間的關系 2、尋找兩個概念之間關系的方法是：從此兩個概念出發(fā)，分別以廣度優(yōu)先的方法沿著連接弧向前搜索，這兩個搜索圈逐漸擴大，若某個時刻兩者碰上，即形成一條連接兩個概念的通路，則認為是找到了兩個概念之間的聯系,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 二、 常見的語義網絡形式 1、命題語義網絡 2、數據語義網絡 E-R圖（實體-關系圖） 3、語言語義網絡,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 1、簡單命題語義網絡 a)基本思想 用節(jié)點表示命題，弧表示命題關系,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 1、簡單命題語義網絡 b)舉例 例1：她身穿大紅襖，頭戴一枝花,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 1、簡單命題語義網絡 b)舉例 例2：他用激光打印機打印了這份文件,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 a)基本思想 使用網絡分塊化技術：將復雜命題拆成許多子命題，每個子命題用一個小的語義網絡表示，稱為一個空間，復雜命題構成大空間，子命題構成子空間，它本身又可看作大空間中的一個節(jié)點，子空間可層層嵌套，也可用弧互相連接,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 b)舉例 例1： 每個學生都讀過一本書 xy(學生(x)書(y) 讀過(x,y),第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 b)舉例 例2：每個學生都讀過所有的書 x y(學生(x)書(y) 讀過(x,y),第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 b)舉例 例3：每個學生都讀過一本所有作家都喜歡的書 x (學生(x)y(書(y) 讀過(x,y) z(作家(z) 喜歡(z,y),第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 b)舉例 例3：每個學生都讀過一本所有作家都喜歡的書,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 c)子空間(塊)偏序排序規(guī)則 1)若從子空間S1內的某個節(jié)點有弧通向子空間S2中的某個節(jié)點(或S2完全包含S1)，則稱S2在S1之上，或S1在S2之下。 2)若S2在S1之上，S3又在S2之上，則S3也在S1之上（滿足傳遞性） 注：1)這里，各子空間的節(jié)點之間不允許形成循環(huán)，它們形成一個偏序，一般說來還構成一個半格 2)在語義網絡的推理和實現技術上，偏序有其特殊的意義，可將偏序解釋為“可見”,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 c)子空間(塊)偏序排序規(guī)則 注：3)可見的定義為：若子空間S2在S1之上，則S1對于S1來說，是可見的。顯然，可見關系具有自反和傳遞兩種性質，但沒有對稱性。事實上，它是反對稱的(因不允許循環(huán)) 4)子空間偏序相當于傳統程序設計語言中的嵌套結構 5)利用“可見性”，能使系統提高系統的運行效率，因為在一個子空間中進行操作時，只需考慮相關可見空間，這樣可減少搜索和推理范圍,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 d)間接和嵌套命題的表示 例：李平說他想看紅樓夢 三個命題： 1)李平說. 2)他想. 3)他看紅樓夢,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 三、命題語義網絡 2、一般謂詞語義網絡 d)間接和嵌套命題的表示 例：李平說他想看紅樓夢,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 1、基本概念 以數據為中心的語義網絡。 2、導因 利用數據時，需要數據的語義和數據間的關系，以向用戶提供數據的有關知識，包括支持用戶對數據實行推理的功能 3、作用 用于知識型數據庫的一種知識表示方法,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 4、主要形式 a)DBTG模型 系二級樹 b)E-R模型,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 4、主要形式 c)Su-Lo語義聯系模型 以實體之間的聯系為中心,使用九種基本聯系模型,以確切地表達各種數據之間的關系 1)成員聯系 表示由屬于同一概念的一組原子元素或下層概念構成的一個集合,稱作CC(概念類)節(jié)點,CC,CC,CC,學校,院系,部處,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 4、主要形式 c)Su-Lo語義聯系模型 2)特征聯系 由一組特征構成某一實體的完整描述，有兩類節(jié)點：DE(表示一組特征刻劃了一個可獨立存在的實體)、CE (表示一組特征刻劃了一個不可獨立存在的實體) 注：CE的存在依賴于由某個DE聯系表達的獨立存在的實體,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 4、主要形式 c)Su-Lo語義聯系模型 3)相互作用聯系 用EI節(jié)點表示，用以描述兩個實體之間的相互作用，其聯系的實體中必須包含兩個分量：AG(動作主體)、DO(動作對象)。另外，可包含對相互作用加以修飾的成分(用MD表示) 注：AG,DO,MD標記在弧上,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 4、主要形式 c)Su-Lo語義聯系模型 4)集合關系聯系 用SR節(jié)點表示 (1)子集關系 母集用ST弧聯系，子集用SB弧連接 (2)互斥關系 均用SX弧連接 (3)相交關系 均用SI弧連接,(4)對應關系 均用SE弧連接,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 4、主要形式 c)Su-Lo語義聯系模型 5)合成聯系 用CP節(jié)點表示，分概念本身用COP弧連接 6)因果聯系 用CF節(jié)點表示，用于建立原因(一般以相互作用節(jié)點表示)與結果(相互作用節(jié)點或其它概念節(jié)點)之間的聯系，用CA和EF分別標記連接原因和結果的弧,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 4、主要形式 c)Su-Lo語義聯系模型 7)活動方式聯系 用AM節(jié)點表示，聯系的一方是一個活動(用相互作用聯系表示)，另一方是一些此活動的實體或聯系。前者用AC弧連接,后者用MAC弧連接 8)活動目的聯系 用AP節(jié)點表示，聯系的一方是活動(可用EI或DE等節(jié)點表示)，另一方是活動的目的，也可用同類節(jié)點表示。前者用AC弧連接,后者用PR弧連接,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 四、數據語義網絡 4、主要形式 c)Su-Lo語義聯系模型 9)蘊涵聯系 用LRI節(jié)點表示，聯系的一方是前提 (可用EI或DE等節(jié)點表示)，另一方是結論。前者用IF弧連接,后者用THEN弧連接 注：Su-Lo語義聯系模型要用大量的附加一致性規(guī)則，即語義過程，去補充，從而使得語義過程不是網絡的一個組成部分，使得由網絡表示的知識很不完整，也不直觀。,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 五、語言語義網絡 1、基本思想 在分析語句時，以動詞為中心，而將所有其它成分都看作是對動詞(動作)的修飾。每一種修飾稱為一個格，不同形式的格是對句子理解的重要支柱。其結構包括兩個部分：一部分為純語法性質，以為代表，另一部分是語義性質，稱為格結構。一個格結構由許多格變元組成，每個格變元從語法上講是一個名詞短語，從語義上講分別屬于五種格關系(動作主體、主題、地點、源泉、目標),第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 五、語言語義網絡 2、舉例 例：豬八戒背媳婦,背,現在時說明式肯定式,豬八戒,媳婦,語態(tài),格一,格二,地點,主題,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 六、幾種特殊的語義網絡 1、結構網絡 用于描述客觀事物結構 注：結構網絡常見于模式識別，機器學習等應用領域中 2、分類網絡 用于描述抽象的概念，對它們按層次進行分類，每個概念用一個節(jié)點代表，節(jié)點之間的關系只有兩種：子集關系和個體關系。子集關系聯接中間節(jié)點，個體關系聯接葉節(jié)點。整個網絡結構一般呈樹形。 注：1)分類網絡是理解客觀事物的重要工具，常見于專家系統應用中,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 六、幾種特殊的語義網絡 2、分類網絡 注：2)若令分類網絡為嚴格的樹形結構，并且在每條弧上標出循這條弧往下走的條件，則分類網絡就成了一種判定樹，在專家系統中有廣泛的應用，許多專家系統都是基于分類的專家系統,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 六、幾種特殊的語義網絡 3、推理網絡 本質上是一種已規(guī)范化的命題網絡，其基本節(jié)點是事實或概念，而節(jié)點間的關系則表示推理規(guī)則 注：1)推理網絡較適合于專家系統中的推理 2)有的推理網絡將每個判斷中的謂詞部分和變元部分分開，以得到更深入的推理關系和更模塊化的推理規(guī)則表示 3)推理網絡表示的推理可以是不精確的,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 六、幾種特殊的語義網絡 4、框架網絡 是語義網絡和框架的聯合使用，其中，網絡中的節(jié)點是框架，相當于基本事實或假設，利用節(jié)點之間的關系可由某些框架推論出另一些框架；或者，網絡中的節(jié)點既可代表框架，也可代表框架中的槽，每條弧的一頭連著某個框架的一個槽，另一頭連著另一個框架，其意義是，后面的框架是前面的槽所代表的子框架，以此實現框架的任意深度的嵌套調用。,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 七、語義網絡上的推理 1、推理種類 a)閉式推理 b)開式推理,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 七、語義網絡上的推理 2、閉式推理 a)作用 主要用于尋找?guī)讉€概念之間的內在聯系。 b)基本思想 1)將語義網絡中的每個概念節(jié)點看成一個有限自動機。這個有限自動機從任何一個輸入弧上接受信號后就開始工作，并將輸出信息沿各個輸出弧發(fā)送出去。所有這些自動機的工作都是獨立進行的。,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 七、語義網絡上的推理 2、閉式推理 b)基本思想 2)若尋找兩個概念C1與C2之間的聯系，則啟動相應節(jié)點n1與n2對應的自動機，使它們發(fā)出信息，啟動鄰近自動機，進一步啟動其它自動機。繼續(xù)這個過程，使產生的信息沿著以n1和n2為中心的波浪形的大圈向外擴散。若這兩個大圈在某處會合，則會合點就是C1和C2兩個概念的共同點，從C1經過會合點到達C2的路徑就是這兩個概念相互聯系的方式。,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 七、語義網絡上的推理 3、開式推理 a)作用 針對語義網絡中的某個或某些概念提出問題，并通過語義網上的推理來回答問題 b)工作原理 從被提問的概念出發(fā)，順著網中的通路進行搜索，直到找到能回答這個問題的概念節(jié)點為止,第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 七、語義網絡上的推理 3、開式推理 c)實現方式 1)建立一套有關弧的推理體系 首先確定一組基本元素，然后給出它們的推理關系，此時可把每個基本元素看成一個謂詞，并用產生規(guī)則來表達這種關系。 如：動作對象(x,y)個體(x,z) t(個體(t,z) 動作對象(t,y),第二章 知識與知識表示,第五節(jié) 語義網絡 七、語義網絡上的推理 3、開式推理 c)實現方式 2)直接將推理規(guī)則編入語義網絡中 注：這種類型的語義網絡把語義的重點不放在弧上而放在節(jié)點中，這是因為幾乎所有的弧表示同一含義，即前提和推論的連接,第二章 知識與知識表示,第六節(jié) 過程性知識表示 一、知識的過程性含義 1、把解決一個問題的過程描述出來，即，解題知識的過程性表示 2、把客觀事物的發(fā)展過程用某種方式表示出來，即，故事知識的過程性表示 注：1)在某些情況下，這兩種含義很難絕然分開 2)第二種含義往往用于理解用自然語言寫的故事，主要是故事知識的過程性表示 3)最典型的過程性知識表示當然是通常的計算機高級語言,第二章 知識與知識表示,第六節(jié) 過程性知識表示 二、常見的過程性知識表示法 1、狀態(tài)空間 所有可能狀態(tài)的全體，構成狀態(tài)空間。對問題的求解就是從初始狀態(tài)到目標狀態(tài)的遍歷。 注：在狀態(tài)空間中，求解路徑不一定唯一，即使最短路徑也不一定唯一 2、時序框架 將框架中的各個槽賦以隱含的時間先后次序，或使框架語句的次序具有時序的意義 注：框架語句一般包括該框架的知識元(一般是故事中的一個情節(jié))和元知識(用于協調各情節(jié)之間關系的控制性知識),第二章 知識與知識表示,第六節(jié) 過程性知識表示 二、常見的過程性知識表示法 3、概念依賴理論 a)基本思想 1)將基本概念抽出來，成為一組原子概念 2)確定原子概念之間的相互依賴關系 3)將所有的故事情節(jié)都用這組原子概念及其依賴關系表示出來 注：1)由于人們的觀點不同，考察問題的角度和表示事物的方法也不同，所以，抽象出來的原子概念也不盡一樣。 2)對原子概念的要求是：無二義性、表示唯一性、正交性(表達范圍不應重復)、原子性、概括性,第二章 知識與知識表示,第六節(jié) 過程性知識表示 二、常見的過程性知識表示法 3、概念依賴理論 b)Schank的概念依賴理論 1)將概念分為七個范疇：PP(概念名詞)、PA(對象屬性)、ACT(動作)、LOC(位置)、TIME、AA(動作屬性)、VAL(各類屬性的值) 2)用“概念體(conceptualization)” 表示概念之間的關系,第二章 知識與知識表示,第六節(jié) 過程性知識表示 二、常見的過程性知識表示法 4、腳本,第二章 知識與知識表示,第七節(jié) 常識性知識表示 一、常識定義 常識是人類社會中經過長期驗證使用，眾所周知、不言自明的知識。 注：1)從人與自然的關系來說，常識應是那些經過人類社會千百年實踐檢驗固定下來的，對于大多數情況而言正確地反映了對客觀世界規(guī)律的認識 2)常識有可能有例外，但在沒有跡象表明當前情況屬于例外時，按常識處理，一般應合理、正確。 3)從人與人的關系來說，常識應是一種公共性的、約定性的知識，一種由于其“眾所周知”而無需在每次交往中顯式說明的知識。因此，常識使人際交往更簡便、經濟。,第二章 知識與知識表示,第七節(jié) 常識性知識表示 一、常識定義 常識是人類社會中經過長期驗證使用，眾所周知、不言自明的知識。 注：4)為了使人與計算機的交互盡可能地像人際交往一樣簡便、經濟，為了使計算機求解問題的知識環(huán)境更有利于問題的求解，必須考慮使計算機具有常識，包括常識內容和常識機制。 5)常識對人類想要做的許多事情是足夠的。隨著人類對客觀世界描述希望更精確時，科學知識會漸漸地與常識相分離,第二章 知識與知識表示,第七節(jié) 常識性知識表示 二、常識表示的難點 1、數量巨大 注：一個專家系統的專業(yè)知識一般可用幾百條或幾千條事實和規(guī)則來表示，但常識難以收集 2、關聯復雜 注：1)對常識，難以定義其邊界。 2)對常識進行描述時，會涉及多個實體、函數和關系，從而會使描述非常復雜，產生混淆。 3、對某些主題的常識難以用描述性知識表示方法來描述 4、不確定性、近似性、模糊性、時變性,第二章 知識與知識表示,第七節(jié) 常識性知識表示 三、常識的重要性 1、具有常識的系統會有商業(yè)應用價值 如，家庭機器人 2、具有常識處理功能的專家系統會更有用 a)識別何時需要外部的知識 b)擴展專家系統的知識 如，采用類比、比喻方法擴展 3、理解自然語言,第二章 知識與知識表示,第七節(jié) 常識性知識表示 四、常識處理方法 1、非單調推理 2、CYC工程 將最起碼的常識裝進計算機并使之發(fā)揮作用 五、常識表示 1、邏輯公式表示 2、自然語言 六、常識推理 有關常識內容和常識機制的研究 注：1)常識內容和常識機制是一個統一體 2)常識推理不僅涉及規(guī)則的層次，也涉及控制的層次,第八節(jié) 基于本體的知識表示法,一、 語義Web與本體 二、描述邏輯,第二章 知識與知識表示,目前的網絡,資源通過極有限的語義相互鏈接（如：具有一定表達意義的文件名） 一個資源所在的系統無法自動判定其它系統中的資源含義（如：圖中資源D通過href與資源A和C建立了鏈接， 但是無法知道A和C的含義）,C,A,B,D,語義Web,每個資源有清晰的定義，如軟件，文件，人，地點 概念之間的關系有清晰的定義，如軟件產生文件，軟件依賴于軟件，文件的版本，文件具有主題，人所在地點,來源：Berners-Lee， 2002,產生,依賴于,依賴于,是的版本,主題,作者,位于,語義Web的目標,讓計算機能夠“理解”分布在網上的信息和知識，并在“理解”的前提下更好地處理、利用這些信息和知識，使Web成為支持全球化知識共享的智能信息服務平臺，為人們提供優(yōu)質的服務,What is the Semantics?,Semantics Frege(1848-1925): Reference and Sense Syntax, Semantics, Pragmatics (語用) Denotational Semantics vs. Operational Semantics Main features 指稱性 (Denotation) 唯一性(Uniqueness) 相關性(Relatedness),Semantic Web - Principles,Principle 1: Everything can be identified by URIs Principle 2: Res