人工智能與專家系統(tǒng)--第2章知識(shí)表示

1、第2章 知識(shí)表示2.1 知識(shí)與知識(shí)表示的概念2.2 一階謂詞邏輯表示法2.3 產(chǎn)生式表示法2.4 語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.5 框架表示法2.6 過程表示法 按照符號(hào)主義的觀點(diǎn)，知識(shí)是一切智能行為的基礎(chǔ)，要使計(jì)算機(jī)具有智能，首先必須使它擁有知識(shí)。 12.1 知識(shí)與知識(shí)表示的概念2.1.1 知識(shí)的概念2.1.2 知識(shí)表示的概念22.1.1 知識(shí)的概念什么是知識(shí)知識(shí)的一般概念 知識(shí)是人們?cè)诟脑炜陀^世界的實(shí)踐中積累起來的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn) 認(rèn)識(shí)：包括對(duì)事物現(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) 經(jīng)驗(yàn)：包括解決問題的微觀方法：如步驟、操作、規(guī)則、過程、技巧等 宏觀方法：如戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、計(jì)謀、策略等知識(shí)的有代表

2、性的定義 （1）Feigenbaum: 知識(shí)是經(jīng)過剪裁、塑造、解釋、選擇和轉(zhuǎn)換了的信息 （2）Bernstein：知識(shí)由特定領(lǐng)域的描述、關(guān)系和過程組成 （3）Heyes-Roth：知識(shí)=事實(shí)+信念+啟發(fā)式知識(shí)、信息、數(shù)據(jù)及其關(guān)系 數(shù)據(jù)是信息的載體，本身無確切含義，其關(guān)聯(lián)構(gòu)成信息 信息是數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，賦予數(shù)據(jù)特定的含義，僅可理解為描述性知識(shí) 知識(shí)可以是對(duì)信息的關(guān)聯(lián)，也可以是對(duì)已有知識(shí)的再認(rèn)識(shí) 常用的關(guān)聯(lián)方式： if then 32.1.1 知識(shí)的概念知識(shí)的類型(1/2)按知識(shí)的性質(zhì) 概念、命題、公理、定理、規(guī)則和方法按知識(shí)的作用域 常識(shí)性知識(shí)：通用通識(shí)的知識(shí)。人們普遍知道的、適應(yīng)所有領(lǐng)域的知識(shí)。

3、領(lǐng)域性知識(shí)：面向某個(gè)具體專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)。例如：專家經(jīng)驗(yàn)。按知識(shí)的作用效果 事實(shí)性知識(shí)：用于描述事物的概念、定義、屬性等； 或用于描述問題的狀態(tài)、環(huán)境、條件等。 過程性知識(shí)：用于問題求解過程的操作、演算和行為的知識(shí)； 用來指出如何使用那些與問題有關(guān)的事實(shí)性知識(shí)的知識(shí)； 表示方式：產(chǎn)生式、謂詞、語義網(wǎng)絡(luò)等。 控制性知識(shí)：(元知識(shí)或超知識(shí)) 是關(guān)于如何使用過程性知識(shí)的知識(shí)； 例如：推理策略、搜索策略、不確定性的傳播策略。 42.1.1 知識(shí)的概念知識(shí)的類型(2/2)按知識(shí)的層次 表層知識(shí)：描述客觀事物的現(xiàn)象的知識(shí)。例如：感性、事實(shí)性知識(shí) 深層知識(shí)：描述客觀事物本質(zhì)、內(nèi)涵等的知識(shí)。例如：理論知識(shí)按知識(shí)

4、的確定性 確定性知識(shí)：可以說明其真值為真或?yàn)榧俚闹R(shí) 不確定性知識(shí)：包括不精確、模糊、不完備知識(shí) 不精確：知識(shí)本身有真假，但由于認(rèn)識(shí)水平限制卻不能肯定其真假 表示：用可信度、概率等描述 模糊：知識(shí)本身的邊界就是不清楚的。例如：大，小等 表示：用可能性、隸屬度來描述 不完備：解決問題時(shí)不具備解決該問題的全部知識(shí)。例如：醫(yī)生看病按知識(shí)的等級(jí) 零級(jí)知識(shí)：敘述性知識(shí) 一級(jí)知識(shí)：過程性知識(shí) 二級(jí)知識(shí)：控制性知識(shí)（元知識(shí)或超知識(shí)）52.1.2 知識(shí)表示的概念知識(shí)表示的含義及要求什么是知識(shí)表示 是對(duì)知識(shí)的描述，即用一組符號(hào)把知識(shí)編碼成計(jì)算機(jī)可以接受的某種結(jié)構(gòu)。其表示方法不唯一。知識(shí)表示的要求 表示能力：能否

5、正確、有效地表示問題。包括： 表范圍的廣泛性 領(lǐng)域知識(shí)表示的高效性 對(duì)非確定性知識(shí)表示的支持程度 可利用性：可利用這些知識(shí)進(jìn)行有效推理。包括： 對(duì)推理的適應(yīng)性：推理是根據(jù)已知事實(shí)利用知識(shí)導(dǎo)出結(jié)果的過程 對(duì)高效算法的支持程度：知識(shí)表示要有較高的處理效率 可實(shí)現(xiàn)性：要便于計(jì)算機(jī)直接對(duì)其進(jìn)行處理 可組織性：可以按某種方式把知識(shí)組織成某種知識(shí)結(jié)構(gòu) 可維護(hù)性：便于對(duì)知識(shí)的增、刪、改等操作 自然性：符合人們的日常習(xí)慣 可理解性：知識(shí)應(yīng)易讀、易懂、易獲取等 62.1.2 知識(shí)表示的概念知識(shí)表示的觀點(diǎn)及方法知識(shí)表示的觀點(diǎn) 陳述性觀點(diǎn)：知識(shí)的存儲(chǔ)與知識(shí)的使用相分離 優(yōu)點(diǎn)：靈活、簡(jiǎn)潔，演繹過程完整、確定，知識(shí)維護(hù)

6、方便 缺點(diǎn)：推理效率低、推理過程不透明 過程性觀點(diǎn)：知識(shí)寓于使用知識(shí)的過程中 優(yōu)點(diǎn)：推理效率高、過程清晰 缺點(diǎn)：靈活性差、知識(shí)維護(hù)不便知識(shí)表示的方法 邏輯表示法：一階謂詞邏輯 產(chǎn)生式表示法：產(chǎn)生式規(guī)則 結(jié)構(gòu)表示法：語義網(wǎng)絡(luò)，框架 過程表示法：7第2章 知識(shí)表示2.1 知識(shí)表示與知識(shí)表示的概念2.2 一階謂詞邏輯表示法2.3 產(chǎn)生式表示法2.4 語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.5 框架表示法2.6 過程表示法82.2 一階謂詞邏輯表示法 主要討論一階謂詞邏輯表示的邏輯學(xué)基礎(chǔ) 命題和真值；論域和謂詞；連詞和量詞； 項(xiàng)與合式公式；自由變?cè)c約束變?cè)^詞邏輯表示方法謂詞邏輯表示的應(yīng)用謂詞邏輯表示的特性 一階謂詞邏輯

7、表示法是一種基于數(shù)理邏輯的表示方法。 數(shù)理邏輯是一門研究推理的學(xué)科?？煞譃椋?一階經(jīng)典邏輯：一階經(jīng)典命題邏輯，一階經(jīng)典謂詞邏輯 非一階經(jīng)典邏輯：指除經(jīng)典邏輯以外的那些邏輯，例如：二階邏輯，多值邏輯，模糊邏輯等。92.2.1一階謂詞邏輯表示的邏輯學(xué)基礎(chǔ)命題與真值命題的定義： 斷言：定義2.1 一個(gè)陳述句稱為一個(gè)斷言. 命題：具有真假意義的斷言稱為命題.命題的真值： T：表示命題的意義為真 F：表示命題的意義為假命題真值的說明 一個(gè)命題不能同時(shí)既為真又為假 一個(gè)命題可在一定條件下為真，而在另一條件下為假102.2.1一階謂詞邏輯表示的邏輯學(xué)基礎(chǔ)論域和謂詞(1/2)論域：由所討論對(duì)象的全體構(gòu)成的集合

8、。亦稱為個(gè)體域個(gè)體：論域中的元素謂詞：在謂詞邏輯中命題是用形如P(x1,x2,xn)的謂詞來表示的 謂詞名：是命題的謂語，表示個(gè)體的性質(zhì)、狀態(tài)或個(gè)體之間的關(guān)系 個(gè)體：是命題的主語，表示獨(dú)立存在的事物或概念 定義2.2 設(shè)D是個(gè)體域，P：DnT，F(xiàn)是一個(gè)映射，其中 則稱P是一個(gè)n元謂詞，記為P(x1,x2,xn)，其中，x1,x2,xn為個(gè)體，可以是個(gè)體常量、變?cè)秃瘮?shù)。 例如：GREATER(x,6) x大于6 TEACHER(father(Wang Hong) 王宏的父親是一位教師 112.2.1一階謂詞邏輯表示的邏輯學(xué)基礎(chǔ)論域和謂詞(2/2)函數(shù)： 定義2-3 設(shè)D是個(gè)體域，f：DnD是一

9、個(gè)映射，其中則稱f是D上的一個(gè)n元函數(shù)，記作 f(x1,x2,xn) 謂詞與函數(shù)的區(qū)別： 謂詞是D到T，F(xiàn)的映射，函數(shù)是D到D的映射 謂詞的真值是T和F，函數(shù)的值（無真值）是D中的元素 謂詞可獨(dú)立存在，函數(shù)只能作為謂詞的個(gè)體122.2.1一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)連詞連詞： ： “非”或者“否定”。表示對(duì)其后面的命題的否定 ：“析取”。表示所連結(jié)的兩個(gè)命題之間具有“或”的關(guān)系：“合取”。 表示所連結(jié)的兩個(gè)命題之間具有“與”的關(guān)系。 ： “條件”或“蘊(yùn)含”。表示“若則”的語義。讀作“如果P，則Q” 其中，P稱為條件的前件，Q稱為條件的后件。 ：稱為“雙條件”。它表示“當(dāng)且僅當(dāng)”的語義。即讀作“P

10、當(dāng)且僅當(dāng)Q”。 例如，對(duì)命題P和Q，PQ表示“P當(dāng)且僅當(dāng)Q”，PQPPQPQPQPQTTFTTTTTFFTFFFFTTTFTFFFTFFTT132.2.1一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)量詞量詞： ：全稱量詞，意思是“所有的”、“任一個(gè)” 命題( x)P(x)為真，當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)論域中的所有x，都有P(x)為真 命題( x)P(x)為假，當(dāng)且僅當(dāng)至少存在一個(gè)xi D，使得P(xi)為假 ：存在量詞，意思是“至少有一個(gè)”、“存在有” 命題( x)P(x)為真，當(dāng)且僅當(dāng)至少存在一個(gè)xi D，使得P(xi)為真 命題( x)P(x)為假，當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)論域中的所有x，都有P(x)為假 142.2.1一階謂詞邏輯表

11、示的邏輯基礎(chǔ)項(xiàng)與合式公式項(xiàng) 定義2-4 項(xiàng)滿足如下規(guī)則： (1) 單獨(dú)一個(gè)個(gè)體詞是項(xiàng)； (2) 若t1,t2,tn是項(xiàng)，f是n元函數(shù)，則f(t1,t2,tn)是項(xiàng)； (3) 由(1)、(2)生成的表達(dá)式是項(xiàng)。 項(xiàng)是把個(gè)體常量、個(gè)體變量和函數(shù)統(tǒng)一起來的一念。原子謂詞公式 定義2-5 原子謂詞公式的含義為： 若t1,t2,tn是項(xiàng)，P是謂詞，則稱P(t1,t2,tn)為原子謂詞公式。合式公式 定義2-6 滿足如下規(guī)則的謂詞演算可得到合式公式： (1) 單個(gè)原子謂詞公式是合式公式； (2) 若A是合式公式，則A也是合式公式； (3) 若A,B是合式公式，則AB，AB，AB，AB也都是合式公式； (4

12、) 若A是合式公式，x是項(xiàng)，則( x)A(x)和( x)A(x)都是合式公式。 例如，P(x,y)Q(y)，( x)(A(x)B(x)，都是合式公式。連詞的優(yōu)先級(jí) ,152.2.1一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)自由變?cè)c約束變?cè)犛颍褐肝挥诹吭~后面的單個(gè)謂詞或者用括弧括起來的合式公式約束變?cè)狠犛騼?nèi)與量詞中同名的變?cè)Q為約束變?cè)杂勺冊(cè)翰皇芗s束的變?cè)Q為自由變?cè)?例子：( x)(P(x，y)Q(x，y)R(x，y) 其中，(P(x，y)Q(x，y)是( x)的轄域 轄域內(nèi)的變?cè)獂是受( x)約束的變?cè)?R(x，y)中的x和所有的y都是自由變?cè)冊(cè)膿Q名： 謂詞公式中的變?cè)梢該Q名。但需注意： 第

13、一：對(duì)約束變?cè)仨毎淹募s束變?cè)冀y(tǒng)一換成另外一個(gè)相同的名字，且不能與轄域內(nèi)的自由變?cè)?例，對(duì)( x)P(x，y)，可把約束變?cè)獂換成z，得到公式( z)P(z，y)。 第二：對(duì)轄域內(nèi)的自由變?cè)?，不能改成與約束變?cè)嗤拿帧?例，對(duì)( x)P(x，y)，可把y換成t，得到( x)P(x，t) ，但不能換成x 。162.2.2 謂詞邏輯表示方法(1/2)表示步驟： (1)先根據(jù)要表示的知識(shí)定義謂詞 (2) 再用連詞、量詞把這些謂詞連接起來例2.1 表示知識(shí)“所有教師都有自己的學(xué)生”。 定義謂詞：T (x)：表示x 是教師。 S (y)：表示y是學(xué)生。 TS(x, y)：表示x是y的老

14、師。 表示知識(shí)： ( x)( y)(T (x) TS(x, y) S (y) 可讀作：對(duì)所有x，如果x是一個(gè)教師，那么一定存在一個(gè)個(gè)體y，y的老師是x，且y是一個(gè)學(xué)生。172.2.2 謂詞邏輯表示方法(2/2)例2.2 表示知識(shí)“所有的整數(shù)不是偶數(shù)就是奇數(shù)”。 定義謂詞：I(x)：x是整數(shù)，E(x)：x是偶數(shù)， O(x)：x是奇數(shù) 表示知識(shí)：( x)(I(x) E(x)O(x) 例2.3 表示如下知識(shí)： 王宏是計(jì)算機(jī)系的一名學(xué)生。 王宏和李明是同班同學(xué)。 凡是計(jì)算機(jī)系的學(xué)生都喜歡編程序。 定義謂詞： COMPUTER(x)：表示x是計(jì)算機(jī)系的學(xué)生。 CLASSMATE(x,y)：表示x和y是同

15、班同學(xué)。 LIKE(x,y)：表示x喜歡y。 表示知識(shí)： COMPUTER(Wang Hong) CLASSMATE(Wang Hong, Li Ming) ( x)(COMPUTER(x) LIKE(x, programming)182.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用機(jī)器人移盒子問題(1/6)分別定義描述狀態(tài)和動(dòng)作的謂詞描述狀態(tài)的謂詞： TABLE(x)：x是桌子 EMPTY(y)：y手中是空的 AT(y, z)：y在z處 HOLDS(y, w)：y拿著w ON(w, x)：w在x桌面上 變?cè)膫€(gè)體域： x的個(gè)體域是a, b y的個(gè)體域是robot z的個(gè)體域是a, b, c w的個(gè)體域是box

16、abc192.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用機(jī)器人移盒子問題(2/6)問題的初始狀態(tài)： AT(robot, c) EMPTY(robot) ON(box, a) TABLE(a) TABLE(b) 問題的目標(biāo)狀態(tài)： AT(robot, c) EMPTY(robot) ON(box, b) TABLE(a) TABLE(b) 機(jī)器人行動(dòng)的目標(biāo)把問題的初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)狀態(tài)，而要實(shí)現(xiàn)問題狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要完成一系列的操作202.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用機(jī)器人移盒子問題(3/6)描述操作的謂詞 條件部分：用來說明執(zhí)行該操作必須具備的先決條件 可用謂詞公式來表示 動(dòng)作部分：給出了該操作對(duì)問題狀態(tài)的改變情況

17、通過在執(zhí)行該操作前的問題狀態(tài)中刪去和增加相應(yīng)的謂詞來實(shí)現(xiàn) 需要定義的操作： Goto(x, y)：從x處走到y(tǒng)處。 Pickup(x)：在x處拿起盒子。 Setdown(y)：在x處放下盒子。212.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用機(jī)器人移盒子問題(4/6)各操作的條件和動(dòng)作： Goto(x，y) 條件：AT(robot，x) 動(dòng)作：刪除表：AT(robot，x) 添加表：AT(robot，y) Pickup(x) 條件：ON(box，x)，TABLE(x)，AT(robot，x)，EMPTY(robot) 動(dòng)作：刪除表：EMPTY(robot)，ON(box，x) 添加表：HOLDS(robot，

18、box) Setdown(x) 條件：AT(robot，x)，TABLE(x)，HOLDS(robot，box) 動(dòng)作：刪除表：HOLDS(robot，box) 添加表：EMPTY(robot)，ON(box，x) 機(jī)器人每執(zhí)行一操作前，都要檢查該操作的先決條件是否可以滿足。如果滿足，就執(zhí)行相應(yīng)的操作；否則再檢查下一個(gè)操作。 222.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用機(jī)器人移盒子問題(5/6)這個(gè)機(jī)器人行動(dòng)規(guī)劃問題的求解過程如下： 狀態(tài)1(初始狀態(tài)) AT(robot, c) 開始 EMPTY(robot) = ON(box, a) TABLE(a) TABLE(b) 狀態(tài)2 AT(robot, a)

19、 Goto(c, a) EMPTY(robot) = ON(box, a) TABLE(a) TABLE(b) 狀態(tài)3 AT(robot, a) Pickup(a) HOLDS(robot,box) = TABLE(a) TABLE(b) 232.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用機(jī)器人移盒子問題(6/6) 狀態(tài)4 AT(robot, b) Goto(a, b) HOLDS(robot,box) = TABLE(a) TABLE(b) 狀態(tài)5 AT(robot, b) Setdown(b) EMPTY(robot) = ON(box, b) TABLE(a) TABLE(b) 狀態(tài)6(目標(biāo)狀態(tài)) AT

20、(robot, c) Goto(b, c) EMPTY(robot) = ON(box, b) TABLE(a) TABLE(b)242.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用猴子摘香蕉問題(1/3)描述狀態(tài)的謂詞： AT(x, y)：x在y處 ONBOX：猴子在箱子上 HB：猴子得到香蕉 個(gè)體域： x ：monkey, box, banana Y：a, b, c 問題的初始狀態(tài) AT(monkey, a) AT(box, b) ONBOX ， HB 問題的目標(biāo)狀態(tài) AT(monkey, c) ，AT(box, c) ONBOX ， HBabc252.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用猴子摘香蕉問題(2/3)描述

21、操作的謂詞 Goto(u, v)：猴子從u處走到v處 Pushbox(v, w)：猴子推著箱子從v處移到w處 Climbbox：猴子爬上箱子 Grasp：猴子摘取香蕉 各操作的條件和動(dòng)作 Goto(u, v) 條件：ONBOX ，AT(monkey, u)， 動(dòng)作：刪除表：AT(monkey, u) 添加表：AT(monkey, v) Pushbox(v, w) 條件： ONBOX ，AT(monkey, v)，AT(box, v) 動(dòng)作：刪除表：AT(monkey, v)，AT(box, v) 添加表：AT(monkey, w)，AT(box,w)262.2.3 謂詞邏輯表示的應(yīng)用猴子摘香蕉

22、問題(3/3) Climbbox 條件： ONBOX ，AT(monkey, w)，AT(box,w) 動(dòng)作：刪除表： ONBOX 添加表：ONBOX Grasp 條件：ONBOX，AT(box, c) 動(dòng)作：刪除表： HB 添加表：HB272.2.4 謂詞邏輯表示的特征主要優(yōu)點(diǎn) 自然：一階謂詞邏輯是一種接近于自然語言的形式語言系統(tǒng)，謂詞邏輯表示法接近于人們對(duì)問題的直觀理解 明確：有一種標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)解釋方法，因此用這種方法表示的知識(shí)明確、易于理解 精確：謂詞邏輯的真值只有“真”與“假”，其表示、推理都是精確的 靈活：知識(shí)和處理知識(shí)的程序是分開的，無須考慮處理知識(shí)的細(xì)節(jié) 模塊化：知識(shí)之間相對(duì)獨(dú)立，

23、這種模塊性使得添加、刪除、修改知識(shí)比較容易進(jìn)行主要缺點(diǎn) 知識(shí)表示能力差：只能表示確定性知識(shí)，而不能表示非確定性知識(shí)、過程性知識(shí)和啟發(fā)式知識(shí) 知識(shí)庫管理困難：缺乏知識(shí)的組織原則，知識(shí)庫管理比較困難 存在組合爆炸：由于難以表示啟發(fā)式知識(shí)，因此只能盲目地使用推理規(guī)則，這樣當(dāng)系統(tǒng)知識(shí)量較大時(shí)，容易發(fā)生組合爆炸 系統(tǒng)效率低：它把推理演算與知識(shí)含義截然分開，拋棄了表達(dá)內(nèi)容中所含有的語義信息，往往使推理過程冗長(zhǎng)，降低了系統(tǒng)效率28第2章 知識(shí)表示2.1 知識(shí)表示與知識(shí)表示的概念2.2 一階謂詞邏輯表示法2.3 產(chǎn)生式表示法2.4 語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.5 框架表示法2.6 過程表示法292.3 產(chǎn)生式表示法 產(chǎn)

24、生式（Production）是目前人工智能中使用最多的一種知識(shí)表示方法 2.3.1 產(chǎn)生式表示的基本方法 事實(shí)的表示 規(guī)則的表示 產(chǎn)生式與蘊(yùn)含式的區(qū)別 產(chǎn)生式與條件語句的區(qū)別 2.3.2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 2.3.3 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本過程 2.3.4 產(chǎn)生式系統(tǒng)的控制策略 2.3.5 產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型 2.3.6 產(chǎn)生式系統(tǒng)的特性302.3.1 產(chǎn)生式表示的基本方法事實(shí)的表示事實(shí)的定義 事實(shí)是斷言一個(gè)語言變量的值或斷言多個(gè)語言變量之間關(guān)系的陳述句 語言變量的值或語言變量之間的關(guān)系可以是數(shù)字、詞等 例如：“雪是白的”，其中“雪”是語言變量，“白的”是語言變量的值 “王峰熱愛祖國”，其中，“王

25、峰”和“祖國”是兩個(gè)語言變量, “熱愛”是語言變量之間的關(guān)系事實(shí)的表示 確定性知識(shí)，事實(shí)可用如下三元組表示： （對(duì)象，屬性，值）或（關(guān)系，對(duì)象1，對(duì)象2）其中，對(duì)象就是語言變量。例如： (snow, color, white) 或（雪，顏色，白） (love, Wang Feng, country) 或（熱愛，王峰，祖國） 非確定性知識(shí)，事實(shí)可用如下四元組表示： （對(duì)象，屬性，值，可信度因子）其中，“可信度因子”是指該事實(shí)為真的相信程度?？捎?,1之間的一個(gè)實(shí)數(shù)來表示。 312.3.1 產(chǎn)生式表示的基本方法規(guī)則的表示規(guī)則的作用 描述事物之間的因果關(guān)系。 規(guī)則的產(chǎn)生式表示形式常稱為產(chǎn)生式規(guī)則，簡(jiǎn)

26、稱為產(chǎn)生式或規(guī)則。產(chǎn)生式的基本形式 PQ 或者 IF P THEN Q P是產(chǎn)生式的前提，也稱為前件，它給出了該產(chǎn)生式可否使用的先決條件，由事實(shí)的邏輯組合來構(gòu)成； Q是一組結(jié)論或操作，也稱為產(chǎn)生式的后件，它指出當(dāng)前題P滿足時(shí)，應(yīng)該推出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作。產(chǎn)生式的含義 如果前提P滿足，則可推出結(jié)論Q或執(zhí)行Q所規(guī)定的操作產(chǎn)生式規(guī)則的例子 r6: IF 動(dòng)物有犬齒 AND 有爪 AND 眼盯前方 THEN 該動(dòng)物是食肉動(dòng)物 其中，r6是該產(chǎn)生式的編號(hào)；“動(dòng)物有犬齒 AND 有爪 AND 眼盯前方”是產(chǎn)生式的前提P；“該動(dòng)物是食肉動(dòng)物”是產(chǎn)生式的結(jié)論Q。322.3.1 產(chǎn)生式表示的基本方法產(chǎn)生式與

27、蘊(yùn)涵式、條件語句的區(qū)別與蘊(yùn)涵式的主要區(qū)別： (1) 蘊(yùn)涵式表示的知識(shí)只能是精確的，產(chǎn)生式表示的知識(shí)可以是不確定的 原因是蘊(yùn)涵式是一個(gè)邏輯表達(dá)式，其邏輯值只有真和假。 (2) 蘊(yùn)含式的匹配一定要求是精確的，而產(chǎn)生式的匹配可以是不確定的 原因是產(chǎn)生式的前提條件和結(jié)論都可以是不確定的，因此其匹配也可以是不確定的。與條件語句的主要區(qū)別： (1) 前件結(jié)構(gòu)不同 產(chǎn)生式的前件可以是一個(gè)復(fù)雜的的結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語言中的左部?jī)H僅是一個(gè)布爾表達(dá)式 (2) 控制流程不同 產(chǎn)生式系統(tǒng)中滿足前提條件的規(guī)則被激活后，不一定被立即執(zhí)行，能否執(zhí)行將取決于沖突消解策略 傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語言中是嚴(yán)格地從一個(gè)條件語句向其下一個(gè)條件

28、語句傳遞。332.3.2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其說明(1/2)綜合數(shù)據(jù)庫DB(Data Base) 存放求解問題的各種當(dāng)前信息 如：?jiǎn)栴}的初始狀態(tài) 輸入的事實(shí) 中間結(jié)論及最終結(jié)論等 用于推理過程的規(guī)則匹配 推理過程中，當(dāng)規(guī)則庫中某條規(guī)則的前提可以和綜合數(shù)據(jù)庫的已知事實(shí)匹配時(shí)，該規(guī)則被激活，由它推出的結(jié)論將被作為新的事實(shí)放入綜合數(shù)據(jù)庫，成為后面推理的已知事實(shí)。 規(guī)則庫RB(Rule Base) 也稱知識(shí)庫KB(Knowledge Base) ,用于存放與求解問題有關(guān)的所有規(guī)則的集合 作用：是產(chǎn)生式系統(tǒng)問題求解的基礎(chǔ) 要求：知識(shí)的完整性、一致性、準(zhǔn)確性、靈活性和知識(shí)組織的合理性控 制 系

29、 統(tǒng)規(guī) 則 庫綜合數(shù)據(jù)庫342.3.2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其說明(2/2)控制系統(tǒng)(Control system) 控制系統(tǒng)的主要作用 亦稱推理機(jī)，用于控制整個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行，決定問題求解過程的推理線路。 控制系統(tǒng)的主要任務(wù) 選擇匹配：按一定策略從規(guī)則庫種選擇規(guī)則與綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實(shí)進(jìn)行匹配。匹配是指把所選規(guī)則的前提與綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實(shí)進(jìn)行比較，若事實(shí)庫中存的事實(shí)與所選規(guī)則前提一致，則稱匹配成功，該規(guī)則為可用；否則，稱匹配失敗，該規(guī)則不可用。 沖突消解：對(duì)匹配成功的規(guī)則，按照某種策略從中選出一條規(guī)則執(zhí)行。 執(zhí)行操作：對(duì)所執(zhí)行的規(guī)則，若其后件為一個(gè)或多個(gè)結(jié)論，則把這些結(jié)論加

30、入綜合數(shù)據(jù)庫；若其后件為一個(gè)或多個(gè)操作時(shí)，執(zhí)行這些操作。 終止推理：檢查綜合數(shù)據(jù)庫中是否包含有目標(biāo)，若有，則停止推理。 路徑解釋：在問題求解過程中，記住應(yīng)用過的規(guī)則序列，以便最終能夠給出問題的解的路徑。352.3.2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子(1/4)動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng) 該系統(tǒng)可以識(shí)別老虎、金錢豹、斑馬、長(zhǎng)頸鹿、企鵝、信天翁這6種動(dòng)物。其規(guī)則庫包含如下15條規(guī)則：r1 IF 該動(dòng)物有毛發(fā) THEN 該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物 r2 IF 該動(dòng)物有奶 THEN 該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物r3 IF 該動(dòng)物有羽毛 THEN 該動(dòng)物是鳥r4 IF 該動(dòng)物會(huì)飛 AND 會(huì)下蛋 THEN 該動(dòng)物是鳥r5 IF 該動(dòng)物

31、吃肉 THEN 該動(dòng)物是食肉動(dòng)物r6 IF 該動(dòng)物有犬齒 AND 有爪 AND 眼盯前方 THEN 該動(dòng)物是食肉動(dòng)物r7 IF 該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物 AND 有蹄 THEN 該動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物r8 IF 該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物 AND 是嚼反芻動(dòng)物 THEN 該動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物r9 IF 該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物 AND 是食肉動(dòng)物 AND 是黃褐色 AND 身上有暗斑點(diǎn) THEN 該動(dòng)物是金錢豹362.3.2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子(2/4)r10 IF 該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物 AND 是食肉動(dòng)物 AND 是黃褐色 AND 身上有黑色條紋 THEN 該動(dòng)物是虎r11 IF 該動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物 AND

32、有長(zhǎng)脖子 AND 有長(zhǎng)腿 AND 身上有暗斑點(diǎn) THEN 該動(dòng)物是長(zhǎng)頸鹿r12 IF 動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物 AND 身上有黑色條紋 THEN 該動(dòng)物是斑馬r13 IF 該動(dòng)物是鳥 AND 有長(zhǎng)脖子 AND 有長(zhǎng)腿 AND 不會(huì)飛 AND 有黑白二色 THEN 該動(dòng)物是鴕鳥r14 IF 該動(dòng)物是鳥 AND 會(huì)游泳 AND 不會(huì)飛 AND 有黑白二色 THEN 該動(dòng)物是企鵝r15 IF 該動(dòng)物是鳥 AND 善飛 THEN 該動(dòng)物是信天翁 其中，ri(i=1,2,.,15)是規(guī)則的編號(hào) 初始綜合數(shù)據(jù)庫包含的事實(shí)有： 動(dòng)物有暗斑點(diǎn)，有長(zhǎng)脖子，有長(zhǎng)腿，有奶，有蹄 該例子的部分推理網(wǎng)絡(luò)如下： 372.3.2

33、產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子(3/4)圖中最上層的結(jié)點(diǎn)稱為“假設(shè)”或“結(jié)論”中間結(jié)點(diǎn)稱為“中間假設(shè)”；終結(jié)點(diǎn)稱為“證據(jù)”或“事實(shí)”；每個(gè)“結(jié)論”都是本問題的一個(gè)目標(biāo)，所有“假設(shè)”構(gòu)成了本問題的目標(biāo)集合長(zhǎng)頸鹿斑馬長(zhǎng)脖子長(zhǎng)腿暗斑點(diǎn)有蹄類黑條紋有蹄哺乳動(dòng)物嚼反芻動(dòng)物有毛r2r7r8r11r12有奶r1382.3.2 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子(4/4)系統(tǒng)的推理過程 (1) 先從規(guī)則庫中取出第一條規(guī)則r1，檢查其前提是否可與綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實(shí)相匹配。 r1的前提是“有毛發(fā)”，但事實(shí)庫中無此事實(shí)，故匹配失敗。然后取r2，該前提可與已知事實(shí)“有奶”相匹配，r2被執(zhí)行，并將其結(jié)論“該

34、動(dòng)物是哺乳動(dòng)物”作為新的事實(shí)加入到綜合數(shù)據(jù)庫中。此時(shí)，綜合數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容變?yōu)椋?動(dòng)物有暗斑，有長(zhǎng)脖子，有長(zhǎng)腿，有奶，有蹄，是哺乳動(dòng)物 (2) 再從規(guī)則庫中取r3，r4，r5，r6進(jìn)行匹配，均失敗。接著取r7，該前提與已知事實(shí)“是哺乳動(dòng)物”相匹配，r7被執(zhí)行，并將其結(jié)論“該動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物” 作為新的事實(shí)加入到綜合數(shù)據(jù)庫中。此時(shí)，綜合數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容變?yōu)椋?動(dòng)物有暗斑，有長(zhǎng)脖子，有長(zhǎng)腿，有奶，有蹄，是哺乳動(dòng)物，是有蹄類動(dòng)物 (3) 此后，r8，r9，r10均匹配失敗。接著取r11，該前提 “該動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物 AND 有長(zhǎng)脖子 AND 有長(zhǎng)腿 AND 身上有暗斑” 與已知事實(shí)相匹配，r11被執(zhí)行，并推

35、出“該動(dòng)物是長(zhǎng)頸鹿”。由于“長(zhǎng)頸鹿”已是目標(biāo)集合中的一個(gè)結(jié)論，即已推出最終結(jié)果，故問題求解過程結(jié)束。說明：上述規(guī)則僅是一種直接表示方式，用三元組表示r15如下： r15：IF（動(dòng)物，類別，鳥）AND（動(dòng)物，本領(lǐng)，善飛） THEN（動(dòng)物，名稱，信天翁）392.3.3 產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本過程基本過程 (1) 初始化綜合數(shù)據(jù)庫，即把欲解決問題的已知事實(shí)送入綜合數(shù)據(jù)庫中； (2) 檢查規(guī)則庫中是否有未使用過的規(guī)則，若無轉(zhuǎn) (7)； (3) 檢查規(guī)則庫的未使用規(guī)則中是否有其前提可與綜合數(shù)據(jù)庫中已知事實(shí)相匹配的規(guī)則，若有，形成當(dāng)前可用規(guī)則集；否則轉(zhuǎn)(6)； (4) 按照沖突消解策略，從當(dāng)前可用規(guī)則集中選擇一

36、個(gè)規(guī)則執(zhí)行，并對(duì)該規(guī)則作上標(biāo)記。把執(zhí)行該規(guī)則后所得到的結(jié)論作為新的事實(shí)放入綜合數(shù)據(jù)庫；如果該規(guī)則的結(jié)論是一些操作，則執(zhí)行這些操作； (5) 檢查綜合數(shù)據(jù)庫中是否包含了該問題的解，若已包含，說明解已求出，問題求解過程結(jié)束；否則，轉(zhuǎn)(2)； (6) 當(dāng)規(guī)則庫中還有未使用規(guī)則，但均不能與綜合數(shù)據(jù)庫中的已有事實(shí)相匹配時(shí)，要求用戶進(jìn)一步提供關(guān)于該問題的已知事實(shí)，若能提供，則轉(zhuǎn)(2)；否則，執(zhí)行下一步； (7) 若知識(shí)庫中不再有未使用規(guī)則，也說明該問題無解，終止問題求解過程。 說明：從第(3)步到第(5)步的循環(huán)過程實(shí)際上就是一個(gè)搜索過程 402.3.4 產(chǎn)生式系統(tǒng)的控制策略總體上可分為以下兩種方式1.

37、不可撤回方式 是一種“一直往前走”不回頭的方式，類似于中國象棋中過河的卒子 它即根據(jù)當(dāng)前已知的局部知識(shí)選取一條規(guī)則作用于當(dāng)前綜合數(shù)據(jù)庫，接著再根據(jù)新狀態(tài)繼續(xù)選取規(guī)則，如此進(jìn)行下去，不考慮撤回用過的規(guī)則。 不理想規(guī)則的應(yīng)用會(huì)降低效率，但不影響可解性。 優(yōu)點(diǎn)是控制過程簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是當(dāng)問題有多個(gè)解時(shí)不一定能找到最優(yōu)解2. 試探性方式 又可分為以兩種下方式： 回溯方式 是一種碰壁回頭的方式。即在問題求解過程中，允許先試一試某條規(guī)則，如果以后發(fā)現(xiàn)這條規(guī)則不合適，則允許退回去，再另選一條規(guī)則來試。 需要解決的主要問題：一是如何確定回溯條件，二是如何減少回溯次數(shù) 是一種完備而有效的策略，它容易實(shí)現(xiàn)且占內(nèi)存容量

38、較小。 圖搜索方式 圖搜索方式是一種用圖或樹把全部求解過程記錄下來的方式。由于它記錄了已試過的所有路徑，因此便于從中選取最優(yōu)路徑。 主要區(qū)別 回溯方式抹去了所有引起失敗的試探路徑，而圖搜索方式則記住了已試過的所有路徑。412.3.5 產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型按推理方向正向推理產(chǎn)生式系統(tǒng) 也稱數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，它是從初始狀態(tài)出發(fā)，朝著目標(biāo)狀態(tài)前進(jìn)，正向使用規(guī)則的一種推理方法。 所謂正向使用規(guī)則，是指以問題的初始狀態(tài)作為初始綜合數(shù)據(jù)庫，僅當(dāng)綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)滿足某條規(guī)則的前提時(shí)，該規(guī)則才被使用。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單明了，且能求出所有解 缺點(diǎn)：執(zhí)行效率較低，原因是使用規(guī)則具有一定的盲目性。逆向推理產(chǎn)生式系統(tǒng) 也稱目標(biāo)驅(qū)

39、動(dòng)方式，它是從目標(biāo)（作為假設(shè)）狀態(tài)出發(fā)，朝著初始狀態(tài)前進(jìn)，反向使用規(guī)則的一種推理方法。 所謂逆向使用規(guī)則，是指以問題的目標(biāo)狀態(tài)作為初始綜合數(shù)據(jù)庫，僅當(dāng)綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)滿足某條規(guī)則的后件時(shí)，該規(guī)則才被使用。 優(yōu)點(diǎn)：不使用與問題無關(guān)的規(guī)則。因此，對(duì)那些目標(biāo)明確的問題，使用反向推理方式是一種最佳選擇。雙向推理產(chǎn)生式系統(tǒng) 雙向推理是把正向推理和反向推理結(jié)合起來使用的一種推理方式 它需要把問題的初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)合并到一起構(gòu)成綜合數(shù)據(jù)庫422.3.5 產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型按規(guī)則庫的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)(1/5)可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng) 是一種對(duì)規(guī)則的使用次序無關(guān)的產(chǎn)生式系統(tǒng)，即任意交換規(guī)則的使用次序都不會(huì)影響對(duì)問題的求解

40、 假設(shè)DB是綜合數(shù)據(jù)庫，RB是規(guī)則庫，DBi (i=1,2,)是第i次使用規(guī)則后得到的新的綜合數(shù)據(jù)庫，RS RB是一個(gè)可作用于DBi的規(guī)則集合。若一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)可交換，則其RB和每一個(gè)DBi都應(yīng)具有如下性質(zhì)： 對(duì)任一規(guī)則rj RS (j=1,2,)，它作用于DBi得到新的綜合數(shù)據(jù)庫DBi+1，RS仍然是DBi+1的可用規(guī)則集。 如果DBi滿足目標(biāo)條件，則用RS中的任一規(guī)則rj作用于DBi，得到的DBi+1仍然滿足目標(biāo)條件。 若對(duì)DBi使用某一規(guī)則序列r1,r2,rk得到一個(gè)新的綜合數(shù)據(jù)庫DBk，則當(dāng)改變這些規(guī)則的使用次序后，仍然可得到DBk。 可見，其綜合數(shù)據(jù)庫是遞增的，即對(duì)任何序列r1,r2

41、,rg，其作用于DB 后所得到的DB1，DB2，DBg之間存在如下關(guān)系： DB1 DB2 DBg 這說明在可交換產(chǎn)生式系統(tǒng)中，其規(guī)則的結(jié)論部分總是包含著新的內(nèi)容，一旦執(zhí)行該規(guī)則就會(huì)把這些新的內(nèi)容添加到綜合數(shù)據(jù)庫中。 432.3.5 產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型按規(guī)則庫的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)(2/5) 例2.6 設(shè)給定一個(gè)整數(shù)集合a，b，c，可通過把集合中任意一對(duì)元素的乘積作為新元素添加到集合中的辦法來擴(kuò)大該整數(shù)集，要求通過若干次操作后能生成所需的整數(shù)集合。 綜合數(shù)據(jù)庫DB可用集合來表示 初始狀態(tài)為a，b，c 目標(biāo)狀態(tài)為a，b，c，ab，bc，ac 規(guī)則庫RB中包含的規(guī)則有： r1: IF a，b，c THEN a，

42、b，c，ab r2: IF a，b，c THEN a，b，c，bc r3: IF a，b，c THEN a，b，c，ac 顯然，無論先使用哪一條規(guī)則都可由初始狀態(tài)達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。因此，上述由DB和RB所構(gòu)造的產(chǎn)生式系統(tǒng)是一個(gè)可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)，并具有可交換產(chǎn)生式系統(tǒng)三個(gè)性質(zhì)。 可交換產(chǎn)生式系統(tǒng)的可交換性，使得其求解過程只需要搜索其中的任意一條路經(jīng)，就能達(dá)到目標(biāo)，而不必進(jìn)行回溯。 這種系統(tǒng)的求解過程可采用不可撤回的控制方式。 442.3.5 產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型按規(guī)則庫的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)(3/5)可分解的產(chǎn)生式系統(tǒng) 它是把一個(gè)整體問題分解成若干個(gè)子問題，然后再通過對(duì)這些子問題的求解來得到整個(gè)問題解的一種產(chǎn)生

43、式系統(tǒng)。 例2.7 設(shè)綜合數(shù)據(jù)庫的初始狀態(tài)為C，B，Z，目標(biāo)狀態(tài)為 M，M，M ，規(guī)則庫中有如下重寫規(guī)則： r1：CD，L r2：CB，M r3：BM，M r4：ZB，B，M 解決該問題時(shí)，可先把初始綜合數(shù)據(jù)庫分為三個(gè)子庫，然后對(duì)這三個(gè)子庫分別應(yīng)用規(guī)則庫中的相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行求解。其求解過程如下圖所示。452.3.5 產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型按規(guī)則庫的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)(4/5)C,B,ZCBZD,LB,MM,MB,B,MDLBMMMBMBM,MMMM,MM,MMMMMr1r2r3r4r3r3r3462.3.5 產(chǎn)生式系統(tǒng)的類型按規(guī)則庫的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)(5/5)可恢復(fù)的產(chǎn)生式系統(tǒng) 是指那種采用回溯控制方式的產(chǎn)生式系統(tǒng)

44、其求解問題的方法是：當(dāng)執(zhí)行某條規(guī)則后，如果發(fā)現(xiàn)所得到的新的綜合數(shù)據(jù)庫不可能求出問題的解，就立即撤消由該規(guī)則所產(chǎn)生的結(jié)果，使綜合數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到先前的狀態(tài)，然后再另選別的規(guī)則繼續(xù)求解。 它既可以向綜合數(shù)據(jù)庫中添加新的內(nèi)容，又可以從綜合數(shù)據(jù)庫中刪除或修改老的內(nèi)容。這種求解問題的方法，更符合人們的一般習(xí)慣。472.3.6 產(chǎn)生式系統(tǒng)的特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn) 自然性：采用“如果，則”的形式，人類的判斷性知識(shí)基本一致。 模塊性：規(guī)則是規(guī)則庫中最基本的知識(shí)單元，各規(guī)則之間只能通過綜合數(shù)據(jù)庫發(fā)生聯(lián)系，而不能相互調(diào)用，從而增加了規(guī)則的模塊性。 有效性：產(chǎn)生式知識(shí)表示法既可以表示確定性知識(shí)，又可以表示不確定性知識(shí)，既有利于表

45、示啟發(fā)性知識(shí)，又有利于表示過程性知識(shí)。 一致性：規(guī)則庫中的所有規(guī)則都具有相同的格式，并且綜合數(shù)據(jù)庫可被所有規(guī)則訪問，因此規(guī)則庫中的規(guī)則可以統(tǒng)一處理。 主要缺點(diǎn) 效率較低：各規(guī)則之間的聯(lián)系必須以綜合數(shù)據(jù)庫為媒介。并且，其求解過程是一種反復(fù)進(jìn)行的“匹配沖突消解執(zhí)行”過程。這樣的執(zhí)行方式將導(dǎo)致執(zhí)行的低效率。 不便于表示結(jié)構(gòu)性知識(shí)：由于產(chǎn)生式表示中的知識(shí)具有一致格式，且規(guī)則之間不能相互調(diào)用，因此那種具有結(jié)構(gòu)關(guān)系或?qū)哟侮P(guān)系的知識(shí)則很難以自然的方式來表示。48第2章 知識(shí)表示2.1 知識(shí)表示與知識(shí)表示的概念2.2 一階謂詞邏輯表示法2.3 產(chǎn)生式表示法2.4 語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.5 框架表示法2.6 過程表

46、示法492.4 語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念2.4.2 事務(wù)和概念的語義網(wǎng)絡(luò)表示2.4.3 情況和動(dòng)作的語義網(wǎng)絡(luò)表示2.4.4 邏輯關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)表示2.4.5 語義網(wǎng)絡(luò)的求解過程2.4.6 語義網(wǎng)絡(luò)表示法的特征 語義網(wǎng)絡(luò)是奎廉(J.R.Quillian) 1968年在研究人類聯(lián)想記憶時(shí)提出的一種心理學(xué)模型，認(rèn)為記憶是由概念間的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)的。隨后，奎廉又把它用作知識(shí)表示。1972年，西蒙在他的自然語言理解系統(tǒng)中也采用了語義網(wǎng)絡(luò)表示法。1975年，亨德里克(G.G.Hendrix)又對(duì)全稱量詞的表示提出了語義網(wǎng)絡(luò)分區(qū)技術(shù)。502.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念什么是語義網(wǎng)絡(luò)(1/2)什

47、么是語義網(wǎng)絡(luò) 語義網(wǎng)絡(luò)是一種用實(shí)體及其語義關(guān)系來表達(dá)知識(shí)的有向圖。 結(jié)點(diǎn)代表實(shí)體，表示各種事物、概念、情況、屬性、狀態(tài)、事件、動(dòng)作等； 弧代表語義關(guān)系，表示它所連結(jié)的兩個(gè)實(shí)體之間的語義聯(lián)系，它必須帶有標(biāo)識(shí)。語義基元 語義網(wǎng)絡(luò)中最基本的語義單元稱為語義基元，可用三元組表示為： （結(jié)點(diǎn)1，弧，結(jié)點(diǎn)2）基本網(wǎng)元 指一個(gè)語義基元對(duì)應(yīng)的有向圖 例如：若有語義基元（A, R, B），其中，A、B分別表示兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，R表示A與B之間的某種語義聯(lián)系，則它所對(duì)應(yīng)的基本網(wǎng)元如下圖所示： ABR512.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念什么是語義網(wǎng)絡(luò)(2/2)語義網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單例子 例2.7 用于一網(wǎng)絡(luò)表示“鴕鳥是一種鳥”語義網(wǎng)

48、絡(luò)與產(chǎn)生式對(duì)應(yīng)的表示能力 事實(shí)的表示： 例：“雪的顏色是白的” 規(guī)則的表示： 例：規(guī)則R的含義是“如果 A 則 B ”鴕鳥鳥是一種雪白顏色ABR522.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念基本的語義關(guān)系(1/6)實(shí)例關(guān)系： ISA 體現(xiàn)的是“具體與抽象”的概念，含義為“是一個(gè)”，表示一個(gè)事物是另一個(gè)事物的一個(gè)實(shí)例。例分類關(guān)系： AKO 亦稱泛化關(guān)系，體現(xiàn)的是“子類與超類”的概念，含義為“是一種”，表示一個(gè)事物是另一個(gè)事物的一種類型。例成員關(guān)系： A-Member-of 體現(xiàn)的是“個(gè)體與集體”的關(guān)系，含義為“是一員”，表示一個(gè)事物是另一個(gè)事物的一個(gè)成員。例上述關(guān)系的主要特征 最主要特征是屬性的繼承性，處在

49、具體層的結(jié)點(diǎn)可以繼承抽象層結(jié)點(diǎn)的所有屬性。如以上例子鳥動(dòng)物AKO張強(qiáng)共青團(tuán)員A-Member-of人李剛ISA532.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念基本的語義關(guān)系(2/6)屬性關(guān)系 指事物和其屬性之間的關(guān)系。常用的屬性關(guān)系有： Have：含義為“有”，表示一個(gè)結(jié)點(diǎn)具有另一個(gè)結(jié)點(diǎn)所描述的屬性 Can：含義為 “能”、“會(huì)”，表示一個(gè)結(jié)點(diǎn)能做另一個(gè)結(jié)點(diǎn)的事情 例如：“鳥有翅膀” Age: 含義為 “年齡” ，表示一個(gè)結(jié)點(diǎn)是另一個(gè)結(jié)點(diǎn)在年齡方面的屬性 例如：“張強(qiáng)18歲”鳥翅膀Have張強(qiáng)18Age542.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念基本的語義關(guān)系(3/6)聚類關(guān)系 亦稱包含關(guān)系。指具有組織或結(jié)構(gòu)特征的“

50、部分與整體”之間的關(guān)系。常用的包含關(guān)系是： Part-of ：含義為“是一部分”，表示一個(gè)事物是另一個(gè)事物的一部分。 例如，“大腦是人體的一部分” 再如，“黑板是墻體的一部分”聚類關(guān)系與實(shí)例、分類、成員關(guān)系的主要區(qū)別 聚類關(guān)系一般不具備屬性的繼承性。 如上兩個(gè)例子，大腦不一定具有人的各種屬性 黑板也不具有墻的各種屬性。大腦人體Part-of黑板墻體Part-of552.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念基本的語義關(guān)系(4/6)時(shí)間關(guān)系 指不同事件在其發(fā)生時(shí)間方面的先后次序關(guān)系。 常用的時(shí)間關(guān)系有： Before：含義為“在前”，表示一個(gè)事件在另一個(gè)事件之前發(fā)生 After: 含義為“在后”，表示一個(gè)事

51、件在另一個(gè)事件之后發(fā)生 例如：“北京奧運(yùn)會(huì)在悉尼奧運(yùn)會(huì)之后”北京奧運(yùn)會(huì)悉尼奧運(yùn)會(huì)After562.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念基本的語義關(guān)系(5/6)位置關(guān)系 指不同事物在位置方面的關(guān)系。常用的位置關(guān)系有： Located-on：含義為“在上”，表示某一物體在另一物體之上 Located-at：含義為“在”，表示某一物體所在的位置 Located-under：含義為“在下”，表示某一物體在另一物體之下 Located-inside：含義為“在內(nèi)”，表示某一物體在另一物體之內(nèi)； Located-outside：含義為“在外”，表示某一物體在另一物體之外。 例如，“書在桌子上”書桌子Located-

52、on572.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)的基本概念基本的語義關(guān)系(6/6)相近關(guān)系 指不同事物在形狀、內(nèi)容等方面相似或接近。常用的相近關(guān)系有： Similar-to：含義為“相似”，表示某一事物與另一事物相似 Near-to：含義為“接近”，表示某一事物與另一事物接近 例如，“貓似虎” 虎貓Similar-to582.4.2 事物和概念的表示表示一元關(guān)系一元關(guān)系 指可以用一元謂詞P(x)表示的關(guān)系。謂詞P說明實(shí)體的性質(zhì)、屬性等。 描述的是一些最簡(jiǎn)單、最直觀的事物或概念， 常用：“是”、“有”、“會(huì)”、“能”等語義關(guān)系來說明。如，“雪是白的” 。一元關(guān)系的描述 應(yīng)該說，語義網(wǎng)絡(luò)表示的是二元關(guān)系。如何用它來描

53、述一元關(guān)系？ 結(jié)點(diǎn)1表示實(shí)體，結(jié)點(diǎn)2表示實(shí)體的性質(zhì)或?qū)傩缘龋”硎菊Z義關(guān)系。 例如，“李剛是一個(gè)人”為一元關(guān)系，其語義網(wǎng)絡(luò)如前所示。 例2.8 用語義網(wǎng)絡(luò)表示“動(dòng)物能運(yùn)動(dòng)、會(huì)吃” 。運(yùn)動(dòng)吃動(dòng)物CanCan592.4.2 事物和概念的表示表示二元關(guān)系(1/4)二元關(guān)系 可用二元謂詞P(x,y)表示的關(guān)系。其中，x,y為實(shí)體，P為實(shí)體之間的關(guān)系。 單個(gè)二元關(guān)系可直接用一個(gè)基本網(wǎng)元來表示，如前介紹的一些常用的二元關(guān)系及其表示。 對(duì)復(fù)雜關(guān)系，可通過一些相對(duì)獨(dú)立的二元或一元關(guān)系的組合來實(shí)現(xiàn)。 例2-9 用語義網(wǎng)絡(luò)表示： 動(dòng)物能運(yùn)動(dòng)、會(huì)吃。 鳥是一種動(dòng)物，鳥有翅膀、會(huì)飛。 魚是一種動(dòng)物，魚生活在水中、會(huì)游

54、泳。 對(duì)于這個(gè)問題，各種動(dòng)物的屬性按屬性關(guān)系描述，動(dòng)物之間的分類關(guān)系用類屬關(guān)系描述。 602.4.2 事物和概念的表示表示二元關(guān)系(2/4)動(dòng)物吃運(yùn)動(dòng)翅膀水中鳥魚飛游泳CanCanAKOLiveHaveCanAKOCan612.4.2 事物和概念的表示表示二元關(guān)系(3/4) 例2-10 用語義網(wǎng)絡(luò)表示： 王強(qiáng)是理想公司的經(jīng)理； 理想公司在中關(guān)村； 王強(qiáng)28歲。 中關(guān)村理想公司王強(qiáng)經(jīng)理28歲Located-at-Work-forHeadshipAge622.4.2 事物和概念的表示表示二元關(guān)系(4/4) 例2-11：李新的汽車的款式是“捷達(dá)”、銀灰色。 王紅的汽車的款式是“凱越”、紅色。 李新和

55、王紅的汽車均屬于具體概念,可增加“汽車” 這個(gè)抽象概念。捷達(dá)李新汽車1銀灰色人汽車交通工具王紅汽車2紅色凱越BrandOwnerColorISAISAAKOColorOwnerBrandISAISA632.4.2 事物和概念的表示表示多元關(guān)系多元關(guān)系 可用多元謂詞P(x1，x2，)表示的關(guān)系。其中，個(gè)體x1，x2，為實(shí)體，謂詞P說明這些實(shí)體之間的關(guān)系。 用語義網(wǎng)絡(luò)表示多元關(guān)系時(shí)，可把它轉(zhuǎn)化為一個(gè)或多個(gè)二員關(guān)系的組合，然后再利用下一節(jié)討論的合取關(guān)系的表示方法，把這種多元關(guān)系表示出來。 642.4.3 情況和動(dòng)作的表示情況的表示(1/2)表示方法：西蒙提出了增加情況和動(dòng)作結(jié)點(diǎn)的描述方法 例2-12

56、： 用語義網(wǎng)絡(luò)表示： “小燕子這只燕子從春天到秋天占有一個(gè)巢”需要設(shè)立一個(gè)占有權(quán)結(jié)點(diǎn)，表示占有物和占有時(shí)間等。 小燕子燕子鳥巢鳥窩春天時(shí)間秋天情況占有權(quán)占有資格ISAAKOOwneeStarAKOAKOEndAKOAKOOwnerAKO652.4.3 情況和動(dòng)作的表示情況的表示(2/2) 對(duì)上述問題，也可以把占有作為一種關(guān)系，并用一條弧來表示，但在這種表示方法下，占有關(guān)系就無法表示了 小燕子燕子鳥巢鳥窩ISAAKOOwnsAKO662.4.3 情況和動(dòng)作的表示事件和動(dòng)作的表示用語義網(wǎng)絡(luò)表示事件或動(dòng)作時(shí)，需要設(shè)立一個(gè)事件或動(dòng)作結(jié)點(diǎn)動(dòng)作結(jié)點(diǎn)：由一些向外引出的弧來指出動(dòng)作的主體與客體。 例2-13

57、用于語義網(wǎng)絡(luò)表示： “常河給江濤一張磁盤”事件結(jié)點(diǎn)：如上例用一個(gè)事件結(jié)點(diǎn)描述一張磁盤常河給江濤GiftReceiverGiver一張磁盤給予事件給常河江濤GiftReceiverGiverAction672.4.4 邏輯關(guān)系的表示合取和析取的表示表示方法：可通過增加合取結(jié)點(diǎn)和析取結(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn) 例2-14 :用語義網(wǎng)絡(luò)表示如下事實(shí)： “參賽者有教師、有學(xué)生、有高、有低” 首先需要分析參賽者的不同情況，可得到以下四種情況： A 教師、高； B 教師、低 C 學(xué)生、高； D 學(xué)生、低 然后在按照他們的邏輯關(guān)系用語義網(wǎng)絡(luò)表示出來。人參賽者ABCD或或教師學(xué)生高低與IsPartPartPartPartSt

58、ateStateStateState682.4.4 邏輯關(guān)系的表示否定的表示(1/2)可分為基本語義關(guān)系的否定和一般語義關(guān)系的否定基本語義關(guān)系的否定的表示 可通過在有向弧上直接標(biāo)注該基本語義關(guān)系的否定的方法來解決。 例2-15: 用語義網(wǎng)絡(luò)表示：書不在桌子上 采用在有向弧上直接標(biāo)注該基本語義關(guān)系的否定的方法，該語義網(wǎng)絡(luò)為 書桌子Located-on692.4.4 邏輯關(guān)系的表示否定的表示(2/2)一般語義關(guān)系的否定的表示對(duì)一般語義關(guān)系的否定，通常需要引進(jìn)“非”節(jié)點(diǎn)來表示。例2-16： 用語義網(wǎng)絡(luò)表示： 常河沒有給江濤一張磁盤采用引進(jìn)“非”節(jié)點(diǎn)的方法，其語義網(wǎng)絡(luò)如下圖一張磁盤 給 非常河江濤Gi

59、ftGiverReceiver702.4.4 邏輯關(guān)系的表示蘊(yùn)含的表示通過增加蘊(yùn)含關(guān)系節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn) 在蘊(yùn)含關(guān)系中，有兩條指向蘊(yùn)含節(jié)點(diǎn)的弧，一條代表前提條件，標(biāo)記為ANTE；另一條代表結(jié)論，標(biāo)記為CONSE。 例2-18： 用語義網(wǎng)絡(luò)表示如下知識(shí)： “如果學(xué)校組織大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)，那么李強(qiáng)就參加比賽”該蘊(yùn)含關(guān)系的語義網(wǎng)絡(luò)如下圖。其中，在前提條件中，機(jī)器人競(jìng)賽的組織者是學(xué)校，參賽對(duì)象是學(xué)生操縱的機(jī)器人，而機(jī)器人只不過是一種智能機(jī)器。學(xué)校比賽活動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人競(jìng)賽蘊(yùn)含參加比賽學(xué)生智能機(jī)器李強(qiáng)人RacerAKOConstitutionManipulatorANTECONSEISAAKOAKOJoine

60、r712.4.4 邏輯關(guān)系的表示存在和全稱量詞的表示(1/4)存在量詞：可直接用“ISA”、“AKO”等這樣的語義關(guān)系來表示全稱量詞：可采用亨德里克提出的網(wǎng)絡(luò)分區(qū)技術(shù) 基本思想：把一個(gè)復(fù)雜命題劃分為若干個(gè)子命題，每個(gè)子命題用一個(gè)較簡(jiǎn)單的語義網(wǎng)絡(luò)表示，稱為一個(gè)子空間，多個(gè)子空間構(gòu)成一個(gè)大空間。每個(gè)子空間看作是大空間中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，稱作超結(jié)點(diǎn)?？臻g可逐層嵌套，子空間之間用弧互相連結(jié)。 例2-19 用語義網(wǎng)絡(luò)表示如下事實(shí)： “每個(gè)學(xué)生都學(xué)習(xí)了一門程序設(shè)計(jì)語言” 其語義網(wǎng)絡(luò)如下圖。在該圖中： GS是一個(gè)概念結(jié)點(diǎn)，它表示具有全稱量化的一般事件。 g是一個(gè)實(shí)例結(jié)點(diǎn)，代表GS中的一個(gè)具體例子，如上所提到的事實(shí)