人工智能第6章知識(shí)表示

1、第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.1 知識(shí)及其表示知識(shí)及其表示 6.2 框框 架架6.3 語義網(wǎng)絡(luò)語義網(wǎng)絡(luò)6.4 面向?qū)ο笾R(shí)表示面向?qū)ο笾R(shí)表示第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.1 知識(shí)及其表示知識(shí)及其表示 6.1.1 知識(shí)的概念 究竟什么是知識(shí)呢？我們認(rèn)為: 知識(shí)就是人們對(duì)客觀事物（包括自然的和人造的）及其規(guī)律的認(rèn)識(shí)，知識(shí)還包括利用客觀規(guī)律解決實(shí)際問題的方法和策略。 對(duì)客觀事物及其規(guī)律的認(rèn)識(shí)，包括對(duì)事物的現(xiàn)象、本質(zhì)、屬性、狀態(tài)、關(guān)系、聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)等的認(rèn)識(shí)，即對(duì)客觀事物的原理的認(rèn)識(shí)。 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)

2、、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(shí)可分為（客觀）原理性知識(shí)和（主觀）方法性知識(shí)兩大類。 就形式而言，知識(shí)可分為顯式的和隱式的。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.1.2 知識(shí)表示 面向計(jì)算機(jī)的知識(shí)描述或表達(dá)形式和方法。 面向人的知識(shí)表示可以是語言、文字、數(shù)字、符號(hào)、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(shí)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(shí)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(shí)，而且這種形式結(jié)構(gòu)還要能夠轉(zhuǎn)換為機(jī)器的內(nèi)

3、部形式，使得計(jì)算機(jī)能方便地存儲(chǔ)、處理和利用。第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.1.3 知識(shí)表示的語言實(shí)現(xiàn) 上面談的知識(shí)表示僅指知識(shí)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(shí)表示的語言更為方便和有效。因此，幾乎每一種知識(shí)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.第第6章章

4、知識(shí)表示知識(shí)表示 6.2 框框 架架 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: | | | 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(dòng)作或過程，甚至還可以是另一個(gè)框架的名字。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例6.1 一個(gè)描述“教師”的框架：框架名:類屬: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:(，) 可以看出，這個(gè)框架的名字為“教師”，它含有5個(gè)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“”、“男”、“女”、“高師”、“中師”等等。其中“”又是一個(gè)框架名，“范圍”、“缺省”

5、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。第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例6.2 一個(gè)描述“大學(xué)教師”的框架：框架名:類屬:學(xué)歷:(學(xué)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:良描述一個(gè)具體教師的框架:框架名:類屬: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: 可以看出，兩個(gè)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

6、下位框架（或子框架）。當(dāng)然，上位和下位是相對(duì)而言的。第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(shí)。所以，概念、對(duì)象等知識(shí)最適于用框架表示。其實(shí)，框架的槽就是對(duì)象的屬性或狀態(tài)，槽值就是屬性值或狀態(tài)值。 框架還可以表示行為（動(dòng)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。第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例6.4 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前墻:(墻框架(w1，d1)后墻:(墻框架(w2，d2)左墻:(墻框架(w3，d

7、3)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:(，)第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例6.5 機(jī)器人糾紛問題的框架描述。 圖61 機(jī)器人糾紛問題 框架名： 打人 -1動(dòng)作：打動(dòng)作發(fā)出者：羅賓動(dòng)作接受者：蘇西后果：（打人- 2，哭泣- 1）框架名： 打人 -2動(dòng)作：打動(dòng)作發(fā)出者：蘇西動(dòng)作接受者：羅賓后果：(打人- 1，哭泣- 2)框架名： 哭 -1動(dòng)作：哭動(dòng)作發(fā)出者：蘇西后果：（得意,懊悔 ）框架名： 哭 -2動(dòng)作：哭動(dòng)作發(fā)出者：羅賓后果：心里平衡第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 產(chǎn)生式規(guī)則也可用框架表示。 例: 產(chǎn)生式 如果

8、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:患感冒第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(shí)庫中的框架模式匹配。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(shí)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。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.2.4 框架的程序語言實(shí)現(xiàn) PROLOG可方便地

9、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(gè)數(shù)和層數(shù)都不限定，可動(dòng)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()， work(scope(教學(xué)，科研)，default(教學(xué))， sex(男，女)， reco_of_f_s(中師，高師)， type(“”，“”，“”). 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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。 domains n

10、ame=name(string) body=body(subtreelist) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtreelist)database frame(name，body)clauses frame(name(“教師”)， body(st(“類屬”，st(“”，)， 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(，)，st(，)， st() 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.3

11、 語義網(wǎng)絡(luò)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(duì)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(gè)語義網(wǎng)絡(luò)。其中，邊上的標(biāo)記是邊的語義。圖62 蘋果的語義網(wǎng)絡(luò) 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(gè)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(gè)級(jí)別：執(zhí)行級(jí)、邏輯級(jí)、認(rèn)識(shí)論級(jí)、概念級(jí)和語言學(xué)級(jí)。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)；

12、 (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(shí)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)合的第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(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。 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(shí)和能化為關(guān)系型的知識(shí)都可

13、以用語義網(wǎng)絡(luò)來表示。 智能系統(tǒng)專家思維專家知識(shí)困難問題專家系統(tǒng)是一種能解決具有能模擬第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 1.實(shí)例關(guān)系 實(shí)例關(guān)系表示類與其實(shí)例（個(gè)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(gè)大學(xué)生”就可表示為圖64。其中，關(guān)系“是一個(gè)”一般標(biāo)識(shí)為“is-a”，或ISA。小華大學(xué)生ISA第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(gè)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(huì)飛”，但鴕鳥的屬性只是繼承了“有羽

14、毛”這一屬性，而把鳥的“會(huì)飛”變異為“不會(huì)飛”。其中，關(guān)系“是一種”一般標(biāo)識(shí)為“a kind of”或AKO。第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 3.組裝關(guān)系 如果下層概念是上層概念的一個(gè)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(biāo)識(shí)為“a part of”。桌子桌腿桌面一部分a part of第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 4.屬性關(guān)系 屬性關(guān)系表示對(duì)象的屬性及其屬性值。如圖表示simon是一個(gè)人，男性，40歲，職業(yè)是教師。 PersonsumonISA男40教師sexageprofession第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 張三計(jì)算機(jī)

15、學(xué)會(huì)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(huì)會(huì)員” 。其中，關(guān)系“是成員”一般標(biāo)識(shí)為“a-member-of”。 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.邏輯關(guān)系 如果一個(gè)概念可由另一個(gè)概念推出，兩個(gè)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(gè)邏輯關(guān)系。 雨天外出ANDOR帶雨披帶雨傘則第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 7.方位關(guān)系 在描述一個(gè)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

16、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)屬于年齡第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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611 表示所屬關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò) 狗尾巴have第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(duì)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(gè)二元關(guān)系，而整

17、個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看作是由這些二元關(guān)系拼接而成。第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 還可以從語句角度來考察語義網(wǎng)。 例如，對(duì)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(gè)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第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(guó)演義) 即“某個(gè)學(xué)生讀過三國(guó)演義”，其語義網(wǎng)絡(luò)表示為：studentISA三國(guó)演義readbookxread1ISAISAsubjectobject第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示

18、 分塊語義網(wǎng)絡(luò) studentISA三國(guó)演義readbookxread1ISAISAsubjectobjectRGSISAFA“每個(gè)學(xué)生都讀過三國(guó)演義”：其語義網(wǎng)絡(luò)表示為：) ,()(三國(guó)演義xreadxstudentx第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 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(gè)網(wǎng)絡(luò)片斷，然后在知識(shí)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(shí)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 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.3.4

19、 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(gè) 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(shí)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(guó)家). 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 a-kind-of(秦冠，蘋果). produ-in(秦冠，陜西). is-located-at(陜西，中國(guó)西部). a-part-of(中國(guó)西部，中國(guó)). 也可以表示為 arc(a-kind-of，蘋果，水果

20、). 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(guó)家). 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 arc(a-kind-of，秦冠，蘋果). arc(produ-in，秦冠，陜西). arc(is-located-at，陜西，中國(guó)西部). arc(a-part-of，中國(guó)西部，中國(guó)). 也可以將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)片段組織在一個(gè)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).

21、 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 6.4 面向?qū)ο笾R(shí)表示面向?qū)ο笾R(shí)表示 近年來，在知識(shí)表示領(lǐng)域則出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮闹R(shí)表示方法。 面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的核心概念是對(duì)象和類。對(duì)象可以泛指一切事物，類則是一類對(duì)象的抽象模型。反之，一個(gè)對(duì)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(duì)象由類生成。 類的定義中就說明了所轄對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)象。第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 例 C+中一個(gè)雇員類和經(jīng)理類的定義。 class Employee privite: char *Name; int Age; int Salary; public: Employee(char*name，int age，int salary); Employee(); void Change(int age,int salary); void Retire(); 第第6章章 知識(shí)表示知識(shí)表示 Em