2.4-語義網絡表示法

2.4

語義網絡表示法

第2章知識表示

2.1概述2.2謂詞邏輯表示法2.3產生式表示法5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

語義網絡是J.R.Quillian1968年在研究人類聯(lián)想記憶時提出的一種心理學模型，他認為記憶是由概念間的聯(lián)系實現(xiàn)的。隨后在他設計的可教式語言理解器（TeachableLanguageComprehendent）中又把它用作為知識表示方法。1972年，西蒙(Simon)在他的自然語言理解系統(tǒng)中也采用了語義網絡知識表示法。1975年，亨德里克(G.G.Hendrix)又對全稱量詞的表示提出了語義網絡分區(qū)技術。目前，語義網絡已經成為人工智能中應用較多的一種知識表示方法，尤其是在自然語言處理方面的應用。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

語義網絡是一種通過概念及其語義聯(lián)系（或語義關系）來表示知識的有向圖，節(jié)點和弧必須帶有標注。其中有向圖的各節(jié)點用來表示各種事物、概念、情況、屬性、狀態(tài)、事件和動作等，節(jié)點上的標注用來區(qū)分各節(jié)點所表示的不同對象，每個各節(jié)點可以帶有多個屬性，以表征其所代表的對象的特性。在語義網絡中，節(jié)點還可以是一個語義子網絡；弧是有方向的、有標注的，方向表示節(jié)點間的主次關系且方向不能隨意調換。標注用來表示各種語義聯(lián)系，指明它所連接的節(jié)點間的某種語義關系。2.4.1語義網絡的概念及結構5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

當把多個語義基元用相應的語義聯(lián)系關聯(lián)在一起的時候，就形成了一個語義網絡。如圖2.4所示。

ABR圖2.3語義基元結構ABCDR3R1R2R4R5圖2.4語義網絡結構可用如圖2.3所示的有向圖來表示。其中A和B分別代表節(jié)點，而R則表示A和B之間的某種語義聯(lián)系。

從結構上來看，語義網絡一般由一些最基本的語義單元組成。這些最基本的語義單元被稱為語義基元，可用如下三元組來表示為（節(jié)點1，弧，節(jié)點2）5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

語義網絡除了可以描述事物本身之外，還可以描述事物之間的錯綜復雜的關系?；菊Z義聯(lián)系是構成復雜語義聯(lián)系的基本單元，也是語義網絡表示知識的基礎，因此從一些基本的語義聯(lián)系組合成任意復雜的語義聯(lián)系是可以實現(xiàn)的。這里只給出一些經常使用的最基本語義關系。

2.4.2語義網絡的基本語義聯(lián)系5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

類屬關系是指具體有共同屬性的不同事物間的分類關系、成員關系或實例關系，它體現(xiàn)的是“具體與抽象”、“個體與集體”的層次分類。其直觀意義是“是一個”，“是一種”，“是一只”……。在類屬關系中，其一個最主要特征是屬性的繼承性，處在具體層的結點可以繼承抽象層結點的所有屬性。常用的類屬關系有：AKO(A-Kind-of):表示一個事物是另一個事物的一種類型。AMO(A-Member-of):表示一個事物是另一個事物的成員。ISA(Is-a):表示一個事物是另一個事物的實例。1.類屬關系5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

包含關系也稱為聚集關系，是指具有組織或結構特征的“部分與整體”之間的關系，它和類屬關系的最主要的區(qū)別就是包含關系一般不具備屬性的繼承性。常用的包含關系的有：Part-of,Member-of,含義為一部分,表示一個事物是另一個事物的一部分，或說是部分與整體的關系。用它連接的上下層節(jié)點的屬性很可能是很不相同的，即Part_of聯(lián)系不具備屬性的繼承性。例如，“輪胎是汽車的一部分”其語義網絡表示如圖2.7所示。圖2.7包含關系實例汽車輪胎Part_of2.包含關系5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

屬性關系是指事物和其屬性之間的關系。常用的屬性關系有:Have：表示一個結點具有另一個結點所描述的屬性。Can：表示一個結點能做另一個結點的事情。例如，“鳥有翅膀”，“電視機可以放電視節(jié)目”。其對應的語義網絡表示如圖2.8所示。

圖2.8屬性關系實例翅膀鳥Have電視節(jié)目電視機Can3.屬性關系5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

時間關系是指不同事件在其發(fā)生時間方面的先后關系，節(jié)點間的不具備屬性繼承性。常用的時間關系有：

Before：表示一個事件在一個事件之前發(fā)生。

After：表示一個事件在一個事件之后發(fā)生。例如，“香港回歸之后，澳門也會回歸了”，“王芳在黎明之前畢業(yè)”。其對應的語義網絡表示如圖2.9所示王芳畢業(yè)圖2.9時間關系實例黎明畢業(yè)Before香港回歸澳門回歸After4.時間關系5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

5.

位置關系位置關系是指不同事物在位置方面的關系。節(jié)點間的不具備屬性繼承性。常用的位置關系有：Located-on:表示一物體在另一物體之上。Located-at:表示一物體在某一位置。Located-under:表示一物體在另一物體之下。Located-inside:表示一物體在另一物體之中。Located-outside:表示一物體在另一物體之外。例如，“華中師范大學坐落于桂子山上”，其對應的語義網絡表示如圖2.10所示。圖2.10位置關系實例桂子山華中師范大學Located-at5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

6.

相近關系相近關系,又稱相似關系,是指不同事物在形狀、內容等方面相似和接近。常用的相近關系有：

Similar-to:表示一事物與另一事物相似。

Near-to:表示一事物與另一事物接近。例如，“狗長得像狼”其對應的語義網絡表示如圖2.11所示。圖2.11相近關系實例狼狗Similar-to5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

7.

因果關系因果關系是指由于某一事件的發(fā)生而導致另一事物的發(fā)生，適合表示規(guī)則性知識。通常用If-then聯(lián)系表示兩個節(jié)點之間的因果關系，其含義是“如果……，那么……”。例如，“如果天晴，小明騎自行車上班”，其對應的語義網絡如圖2.12所示。圖2.12因果關系實例小明騎自行車上班天晴If-then5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

8.

組成關系組成關系一種一對多的聯(lián)系，用于表示某一事物由其它一些事物構成，通常用Compsoed-of聯(lián)系表示。Compsoed-of聯(lián)系所連接的節(jié)點間不具備屬性繼承性。例如，“整數(shù)由正整數(shù)、負整數(shù)和零組成”可用圖2.13表示。整數(shù)與正整數(shù)零負整數(shù)Compsoed-of圖2.13組成關系實例5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

2.4.3語義網絡表示知識的方法及步驟1．事實性知識的表示對于一些簡單的事實，例如“鳥有翅膀”，“輪胎是汽車的一部分”，這里要描述這些事實需要兩個節(jié)點，用前面給出的基本語義聯(lián)系或自定義的基本語義聯(lián)系就可以表示了。對于稍微復雜一點的事實，比如在一個事實中涉及到多個事物時，如果語義網絡只被用來表示一個特定的事物或概念，那么當有更多的實例時，就需要更多的語義網絡，這樣就使問題復雜化了。通常把有關一個事物或一組相關事物的知識用一個語義網絡來表示。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

蘋果樹果樹樹根葉AKOAKOHAVEHAVE圖2.14

有關蘋果樹的語義網絡例如，用一個語義網絡來表示事實“蘋果樹是一種果樹，果樹又是樹的一種，樹有根、有葉而且樹是一種植物”。這一事實涉及“蘋果樹”、“果樹”和“樹”這3個對象，樹兩個屬性“有根”、“有葉”。首先建立“蘋果樹”節(jié)點，為了進一步說明蘋果樹是一種果樹，增加一個“果樹”節(jié)點，并用AKO聯(lián)系連接著兩個節(jié)點。為了說明果樹是樹的一種，增加一個“樹”節(jié)點，并用AKO聯(lián)系連接著兩個節(jié)點。為了進一步描述樹“有根”、“有葉”的屬性，引入兩個“根”節(jié)點和“葉”節(jié)點，并分別用HAVE聯(lián)系與“樹”節(jié)點連接。這個事實可用如圖2.14所示的語義網絡表示。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

2.情況、動作和事件的表示為了描述那些復雜的知識，在語義網絡的知識表示法中，通常采用引進附加節(jié)點的方法來解決。西蒙（Simon）在提出的表示方法中增加了情況節(jié)點、動作節(jié)點和事件節(jié)點，允許用一個節(jié)點來表示情況、動作和事件。

（1）情況的表示在用語義網絡表示那些不及物動詞表示的語句或沒有間接賓語的及物動詞表示的語句時，如果該語句的動作表示了一些其它情況，如動作作用的時間等，則需要增加一個情況節(jié)點用于指出各種不同的情況。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

例如，用語義網絡表示知識“請在2006年6月前歸還圖書”。這條知識只涉及到一個對象就是“圖書”，它表示了在2006年6月前“歸還”圖書這一種情況。為了表示歸還的時間，可以增加一個“歸還”節(jié)點和一個情況節(jié)點，這樣不僅說明了歸還的對象是圖書，而且很好地表示了歸還圖書的時間。其語義網絡表示如圖2.15所示。歸還圖書情況2006年6月AKO,Object,Before,圖2.15為帶有情況節(jié)點的語義網絡:歸還圖書情況2006年6月AKOObjectBefore圖2.15帶有情況節(jié)點的語義網絡5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

（2）動作的表示有些表示知識的語句既有發(fā)出動作的主體，又有接受動作的客體。在用語義網絡表示這樣的知識時，可以增加一個動作節(jié)點用于指出動作的主體和客體。例如：用語義網絡表示知識“校長送給李老師一本書”。這條知識只涉及到兩個對象就是“書”和“校長”，為了表示這個事實，增加一個“送給”節(jié)點。其語義網絡表示如圖2.16所示。送給書校長李老師主體客體2客體1圖2.16帶有動作節(jié)點的語義網絡5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

（3）事件的表示如果要表示的知識可以看成是發(fā)生的一個事件，那么可以增加一個事件節(jié)點來描述這條知識。例如：用語義網絡表示知識“中國隊與日本隊兩國的國家足球隊在中國進行一場比賽，結局的比分是3:2”。其語義網絡表示如圖2.17所示。足球賽體育比賽中國國家足球隊3：2主隊AKO結局圖2.17帶有事件節(jié)點的語義網絡日本國家足球隊客隊5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

3．連詞和量詞的表示在稍微復雜一點的知識中，經常用到象“并且”、“或者”、“所有的”、“有一些”等這樣的聯(lián)結詞或量詞，在謂詞邏輯表示法中，很容易就可以表示這類知識。而謂詞邏輯中的連詞和量詞可以用語義網絡來表示。因此，語義網絡也能表示這類知識。（1）合取與析取的表示當用語義網絡來表示知識時，為了能表示知識中體現(xiàn)出來的“合取與析取”的語義聯(lián)系，可通過增加合取節(jié)點與析取節(jié)點來表示。只是在使用時要注意其語義，不應出現(xiàn)不合理的組合情況。

例如，對事實“參觀者有男有女，有年老的，有年輕的”?？捎脠D2.18所示的語義網絡表示。其中，A、B、C、D分別代表4種情況的參觀者。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

參觀者人ISA部分部分部分部分與或或男女年老年輕ABCD狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)圖2.18具有合取與析取關系的語義網絡5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

在用語義網絡表示知識時，對存在量詞可以直接用“是一種”、“是一個”等語義關系來表示。對全稱量詞可以采用亨德里克(G.G.Hendrix)提出的語義網絡分區(qū)技術來表示，也稱為分塊語義網絡(PartitionedSemanticNet)，以解決量詞的表示問題。該技術的基本思想是：把一個復雜的命題劃分成若干個子命題，每一個子命題用一個簡單的語義網絡來表示，稱為一個子空間，多個子空間構成一個大空間。每個子空間看作是大空間中的一個節(jié)點，稱為超節(jié)點?？臻g可以逐層嵌套，子空間之間用弧相互連接。（2）存在量詞與全稱量詞的表示5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

例如，對事實“每個學生都學習了一門外語”，可用圖2.19所示的語義網絡表示。GS學生學習外語G是一個是一種是一種主體客體是一個F圖2.19具有全稱變量的語義網絡(分塊語義網絡)SRP其中G代表整個陳述句，它是一般陳述句GS的一個實例。G中的每一個元素至少有兩個特性:Form(F),即句中的關系和全稱量詞()。在這個例子中只有一個變量S具有全稱量詞，F(xiàn)orm中其余兩個變量R,P看成具有存在量詞。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

另一個例子，對事實“每個學生都學習了每門外語”，只需對圖2.19作簡單的修改，唯一要做的是用鏈與節(jié)點P相連，如圖2.20所示的語義網絡表示。GS學生學習外語G是一個是一種是一種主體客體是一個F圖2.20全稱變量在語義網絡中的表示SRP5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

4.用語義網絡表示知識的步驟如下：（1）確定問題總所有對象和個對象的屬性。（2）確定所討論對象間的關系。（3）根據(jù)語義網絡中所涉及的關系，對語義網絡中的節(jié)點及弧進行整理，包括增加節(jié)點、弧和歸并節(jié)點等。①

在語義網絡中，如果節(jié)點中的聯(lián)系是ISA、AKO、AMO等類屬關系，則下層節(jié)點對上層節(jié)電具有屬性繼承性。整理同一層節(jié)點的共同屬性，并抽出這些屬性，加入上層節(jié)點中，以免造成信息冗余。②

如果要表示的知識中含有因果關系，則增加情況節(jié)點，并從該節(jié)點引出多條弧將原因節(jié)點和結果節(jié)點連接起來。③

如果要表示的知識中含有動作關系，則增加動作節(jié)點，并從該節(jié)點引出多條弧將動作的主體節(jié)點和客體節(jié)點連接起來。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

④

如果要表示的知識中含有“與”和“或”關系時，可在語義網絡中增加“與”節(jié)點和“或”節(jié)點，并用弧將這些“與”、“或”與其它節(jié)點連接起來表示知識中的語義關系。⑤

如果要表示的知識是含有全稱量詞和存在量詞的復雜問題，則采用前面介紹的亨德里克(G.G.Hendrix)提出的語義網絡分區(qū)技術來表示。⑥

如果要表示的知識是規(guī)則性的知識，則應仔細分析問題中的條件與結論，并將它們作為語義網絡中的兩個節(jié)點，然后用IF-THEN弧將它們連接起來。（4）將各對象作為語義網絡的一個節(jié)點，而各對象間的關系作為網絡中各節(jié)點的弧，連接形成語義網絡。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

例2.4.1把下列命題用一個語義網絡表示出來:（1）豬和羊都是動物；（2）豬和羊都是哺乳動物；（3）野豬是豬，但生長在森林中；（4）山羊是羊，頭上長著角；（5）綿羊是一種羊，它能生產羊毛。解題分析問題涉及的對象有豬、羊都、動物、哺乳動物、野豬、山羊、綿羊、森林、羊毛、角等。然后分析它們之間的語義關系，“動物”和“哺乳動物”、“哺乳動物”和“豬”、“哺乳動物”和“羊”、“羊”和“山羊”及“綿羊”、“野豬”和“豬”之間的關系是“是一種”的關系，可用AKO來表示?！吧窖颉焙汀邦^上有角”之間是一種屬性關系，可用IS來描述；“綿羊”和“羊毛”之間是一種屬性關系，可用HAVE來描述；“野豬”和“森林”之間是位置關系，可用Locate-at來表示。其語義網絡如圖2.21所示。2.4.4語義網絡知識表示舉例5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

AKOAKOISHAVELocate-at山羊動物羊豬綿羊野豬哺乳動物頭上有角羊毛森林AKOAKOAKOAKO圖2.21有關豬和羊的語義網絡5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

解題分析:本質是涉及的對象包括：教師、張明、學生、計算機應用、人工智能、本年度第二學期等。然后確定各對象間的關系?！皬埫鳌迸c“教師”之間是一種類屬關系，可用ISA表示；“學生”和“計算機應用”間的關系是一種屬性關系可以用Major表示?！皬埫鳌?、“學生”和“人工智能”則是通過“講課”這一動作聯(lián)系在一起。從上面的分析可知，必須增加一個動作節(jié)點“講課”，“張明”是這一動作的主體，而“學生”和“人工智能”是這一動作的兩個客體?！氨灸甓鹊诙W期”則是這個動作的作用時間，屬于一種時間關系。因此，通過增加這個動作節(jié)點“講課”將網絡中的各節(jié)點聯(lián)系起來了。由“講課”節(jié)點引出的弧不僅指出了講課的主體和客體，還指出了講課的時間。

例2.4.2用語義網絡表示下列知識：教師張明在本年度第二學期給計算機應用專業(yè)的學生講授“人工智能”這一門課程。5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

通過分析可得其對應的語義網絡如圖2.22所示。教師張明講課學生計算機應用人工智能本年度第二學期時間主體客體1客體2MajorISADuringAKO圖2.22

有關講課的語義網絡5/20/2023人工智能丁世飛2.4

語義網絡表示法

用語義網絡表示知識的問題求解系統(tǒng)主要有兩大部分組成，一部分是由語義網絡構成的知識庫，另一部分是用于問題求解的推理機。語義網絡的推理過程主要有兩種，一種是繼承，另一種是匹配。

1．繼承推理繼承是指把對事物的描述從抽象結點傳遞到具體結點。通過繼承可以得到所需結點的一些屬性值，它通常是沿著ISA、AKO、AMO等繼承弧進行的。繼承的一般過程為：（1）建立結點表，存放待求結點和所有以ISA、AKO、AMO等繼承弧與此結點相連的那些結點。初始情況下，只有待求解的結點（2）檢查表中的第一個是否有繼承弧。如果有，就從該弧所指的所有結點放入結點表的末尾，記錄這些結點的所有屬性，并從結點表中刪除第一個結點。如果沒有，僅從結點表中刪除第一個結點。（3）重復檢查表中的第一個是否有繼承弧，直到結點表為空。記錄下來的屬性就是待求結點的所有屬性。2.4.5語義網絡的推理過程5/20/2023人工智能丁世飛2.4語義網絡表示法

2．匹配推理語義網絡問題的求解一般是通過匹配來實現(xiàn)的。所謂匹配就是在知識庫的語義網絡中尋找與待求問題相符的語義網絡模式。其主要過程為：（1）