第二章知識表示

1、第二章 知識表示和組織n知識基本內(nèi)容n知識表達方法n知識的組織與管理2.1 知識及其特性數(shù)據(jù)和信息、知識數(shù)據(jù)：包括事實和數(shù)字，未經(jīng)加工的事實和符號。信息：從數(shù)據(jù)中提煉出來的有關(guān)信息，經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)形成信息。數(shù)據(jù)是信息的載體和表示，信息是數(shù)據(jù)在特定場合下的具體含義。知識：Fischer(1987): 知識是稱為模型的存儲信息，被人們用于解釋、預(yù)測，并對外部作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)；Pasaye、Chignell(1988)：允許人們進行決策的，有關(guān)外部的信息；另： 是有關(guān)信息關(guān)聯(lián)在一起所形成的信息結(jié)構(gòu)，反映客觀世界中事物之間的關(guān)系。數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)（ 分分 析析 ）信信 息息（ 綜綜 合合 ）知知 識識數(shù)據(jù)

2、、信息和知識的層次關(guān)系數(shù)據(jù)、信息和知識的層次關(guān)系知識的特性客觀性；相對正確性：一定條件、時間、環(huán)境；進化性；依附性：離開載體的知識是沒有的；不確定性：信息和關(guān)聯(lián)的隨機性、模糊性、不完全性、經(jīng)驗性；可表示性；可利用性；可重用性；共享性。知識的層次對不同的知識學(xué)習(xí)和解釋的難易程度不同：1 事實：知識的最底層，對象、符號和事件之間的各種關(guān)系； 2 概念：關(guān)于具有共同屬性的一組對象、事件和符號的知識； 3 規(guī)則：一組操作和步驟，被用于完成某一目標(biāo)，解決某一問題或產(chǎn)生某種結(jié)果； 4 啟發(fā)式知識：是知識的最高層，是關(guān)于規(guī)則的知識，是事實、概念和規(guī)則的綜合。知識的分類 1 作用范圍：常識性知識、領(lǐng)域性知識；

3、 2 作用及表示：事實性知識過程性知識控制性知識3 確定性：確定性知識、不確定性知識4 結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)形式：邏輯性知識、形象性知識5 其他：領(lǐng)域知識、元知識知識的表示方法1 知識表示的定義：知識表示研究用機器表示知識的可行性、有效性的一般方法； 知識表示是理智推理的部分理論；知識表示是有效計算的載體；知識表示是交流的媒介（如語義網(wǎng)絡(luò)）；知識表示是對知識的一種描述，是一種機器可以接受的用于描述知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； n總之：知識表示是如何將已獲得的有關(guān)知識以計算機內(nèi)部代碼形式加以合理地描述、存儲、有效地利用。 2 選擇考慮因素：充分表示領(lǐng)域知識；有利于對知識的利用；便于對知識的組織、管理與維護；便于理解和

4、實現(xiàn)是否加入啟發(fā)信息是否有高效的算法。3 基本方法產(chǎn)生式規(guī)則、語義網(wǎng)絡(luò)、框架、謂詞邏輯、Petri網(wǎng)等表示方法分布表示局部表示直接表示陳述性表示語義網(wǎng)絡(luò)表示產(chǎn)生式表示邏輯表示框架表示腳本表示替代表示過程性表示n基于邏輯的知識的表達：一階謂詞，非經(jīng)典邏輯（模態(tài)邏輯、模糊邏輯、時序邏輯、非單調(diào)邏輯）；n面向?qū)ο蟮闹R表示：對象、框架、語義網(wǎng)；Agent;n基于規(guī)則的知識表達：產(chǎn)生式系統(tǒng)；n基于模型的知識表示：2.2 狀態(tài)空間表示一 概念1 方法：利用狀態(tài)變量和操作符號，表示系統(tǒng)和問題的有關(guān)知識的符號體系。三元組：（S，F(xiàn)，G）S = S1，S2，SnT ，表示初始狀態(tài)；F = f1, f2, fn

5、，表示操作，表示引起狀態(tài)變化的過程性知識的一組關(guān)系和函數(shù)，使問題從一種狀態(tài)變化到另一種狀態(tài)的手段。 G = G1，G2，GnT ，表示目標(biāo)狀態(tài)；例：十五碼棋123456789101112131415115141321211103987456SGfi1：第i個棋子向左移動；fi2：第i個棋子向右移動；fi3：第i個棋子向上移動；fi4：第i個棋子向下移動；（S，F(xiàn)，G）從初始狀態(tài)出發(fā)，每次增加一個操作符，改變狀態(tài)，建立操作序列，直到目標(biāo)狀態(tài)。2 圖示圖：節(jié)點、弧線節(jié)點：對應(yīng)相應(yīng)的狀態(tài)描述；弧線：旁邊標(biāo)明算子表明操作及狀態(tài)的變化；尋找操作序列等價于尋求圖的某一路徑；最佳路徑：兩節(jié)點間具有最小代價；

6、顯式說明：所有節(jié)點和操作都明確給出；隱式說明：引入后繼算符，逐步生成后繼節(jié)點，擴大狀態(tài)空間。二 例1 錢幣翻轉(zhuǎn)設(shè)有三錢幣，其初始狀態(tài)為（反，正，反），每次翻轉(zhuǎn)一個，連翻三次，問是否可達到（正，正，正）或（反，反，反）。解：引入三維狀態(tài)變量Q=q1,q2,q3,分別表示三錢幣的狀態(tài)，q=0表示正，q=1表示反；S=1，0，1 ， G=0，0，0，1，1，1引入三元操作算子：f1:把q1翻一面； f2:把q2翻一面； f3:把q3翻一面；（S，f1,f2,f3, G)0 0 01 0 00 0 11 0 11 1 10 1 11 1 00 1 0f1f1f2f3f1f2f1f3f2f2f3f3從初

7、始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)尋找長度為3的路徑SG1G2S到G1無；S到G2共七種；cba2 在狀態(tài)描述中應(yīng)用變量猴子、香蕉問題引入四維變量（w,x,y,z)w:表示猴子所處的水平位置；x:猴子是否在臺子上（x=1在，x=0不在）；y:箱子所處的水平位置；z:猴子是否拿到香蕉（z=1拿到，z=0沒有拿到）；引入操作集：goto(u): (w,0,y,z) (u,0,y,z)pushbox(v): (w,0,w,z) (v,0,v,z)climbbox: (w,0,w,z) (w,1,w,z)grasp: (c,1,c,0) (c,1,c,1)(a,0,b,0)(u,0,b,0)(v,0,v,0)(b,1,

8、b,0)(c,1,c,0)(u,0,v,0)(c,1,c,1)goto(u)goto(u)goto(u)goto(u)u=bpushbox(v)u=b,climbboxpushbox(c)climbboxu=vgrasp操作序列：2.3 與或樹表示問題歸約法方法：已知問題描述，通過一系列變換把問題最終變?yōu)橐粋€子問題集合，并可以直接求解，解決初始問題。構(gòu)成： （1）初始問題描述；（2）分解/轉(zhuǎn)換的規(guī)則/操作符；（3）本原問題描述：具有明顯解答，已解決的問題等。二 與或圖用類似圖的結(jié)構(gòu)來表示把問題歸約為后繼問題的替換集合。與圖：將復(fù)雜的大問題分解為一組簡單的小問題；或圖：將復(fù)雜的大問題變換為等價或

9、等效的問題；ABCDABCD3 構(gòu)成：初始節(jié)點：原始問題終葉節(jié)點：本原問題，無后裔與節(jié)點：子問題對應(yīng)的節(jié)點為與邏輯或節(jié)點：子問題對應(yīng)的節(jié)點為或邏輯4 可解節(jié)點：（1）終葉節(jié)點為可解節(jié)點；（2）非終葉節(jié)點為或節(jié)點，后繼節(jié)點中至少有一個為可解節(jié)點；（3）非終葉節(jié)點為與節(jié)點，后繼節(jié)點全部為可解節(jié)點；不可解節(jié)點（1）沒有后繼的非終葉節(jié)點；（2）或節(jié)點其后繼節(jié)點全部為不可解節(jié)點；（3）與節(jié)點其后繼至少有一個為不可解節(jié)點；123ABC123ABC123ABC三 例梵塔問題（111）（333）（111）（322）（322）（333）（111）（122）（122）（322） （322）（321） （321）（

10、333）（C,B,A)（111）（113） （113）（123） （123）（122）2.4 產(chǎn)生式規(guī)則表示法一 概念1產(chǎn)生式規(guī)則也稱基于規(guī)則的知識表示，1943年由Post提出，為目前應(yīng)用最為廣泛的方法之一。2 結(jié)構(gòu)：產(chǎn)生式規(guī)則的基本結(jié)構(gòu)分：前提狀態(tài) 結(jié)論動作IF 前提 THEN 動作/結(jié)論例：RIF 動物是鳥 AND 會游泳 AND 不會飛 AND 有黑白兩色THEN 該動物是企鵝二 基于規(guī)則的系統(tǒng)基于規(guī)則的系統(tǒng)的三個主要模塊：知識庫：存儲大量規(guī)則；數(shù)據(jù)庫：問題的事實和從規(guī)則出發(fā)推出的事實，中間結(jié)果；推理機：將關(guān)于問題的事實與知識庫中的規(guī)則相匹配，求解。知識庫規(guī)則數(shù)據(jù)庫事實推理機結(jié)論事實三

11、 特點1 優(yōu)點：（1）善于表達領(lǐng)域知識（2）控制和知識相分離（3）知識的模塊性強（4）便于實現(xiàn)解釋推理（5）便于使用啟發(fā)性知識2 缺點：（1）單條規(guī)則容易解釋，但規(guī)則之間的邏輯關(guān)系難以確定（2）規(guī)則數(shù)太大時（萬數(shù)量級），知識庫的一致性難以維護（3）某些類型的知識難以表示，如結(jié)構(gòu)性的知識。2.5 謂詞表示法命題邏輯、謂詞邏輯：人工智能應(yīng)用中的兩種邏輯。一 概念1 命題：具有真假意義的語句，大寫英文字母表示。 無法描述客觀事物的結(jié)構(gòu)、邏輯特征、不同事物之間的共同特征；例下一頁2 謂詞：由謂詞名和個體/客體變元/變元構(gòu)成；個體表示某個獨立存在的事物或抽象的概念；謂詞名用于刻畫個體的性質(zhì)、狀態(tài)或個體間

12、的關(guān)系。P（x1,x2, , xn) n元一階謂詞、二階謂詞返回（1） P：所有的研究生都很努力；Q：張紅是一名研究生；張紅學(xué)習(xí)很努力？（2）P1：張紅是一名研究生；P2：王東是一名研究生； 。謂詞公式 連接詞：將簡單命題連接起來構(gòu)成一個復(fù)合命題，表示復(fù)雜的含義。 x x 謂詞公式：謂詞演算的合式公式。（1）單個謂詞是合式公式，原子謂詞公式；（2）加上連接詞 后是合式公式；（3）加上連接詞 后是合式公式；（4）加上量詞 x x后是合式公式；P( “李”) P( “王” )兩個謂詞公式等價：P、Q為兩個謂詞公式，D為其共同個體域，對D上的任何一個解釋，P、Q都有相同的真值，稱為等價。謂詞公式表示

13、知識：（1）定義謂詞，指出每個謂詞的確切含義；（2）用連接詞將相關(guān)謂詞連接起來，用公式表達完成意義。例： （1）我喜歡音樂和繪畫：LIKE(x, y ) LIKE(I, music ) LIKE(I, painting ) （2）李明打籃球或踢足球： PLAY(x, y ) PLAY(李明, basketball ) PLAY(李明, football ) ( 3) 所有的機器人都是灰色的：3 xROBOTS(x) COLOR(x,GRAY) n謂詞邏輯中的蘊涵式和產(chǎn)生式規(guī)則的基本形式相同，是其特殊情況：（1）謂詞邏輯表示精確的知識，而產(chǎn)生式規(guī)則不僅可以表示精確知識，也可表示不精確的，例后跟可

14、信度；（2）在推理匹配過程中，產(chǎn)生式規(guī)則可進行不精確匹配。2.6 語義網(wǎng)絡(luò)法一 概念n語義網(wǎng)絡(luò)是用圖來表示知識，表示事物概念及語義關(guān)系。 節(jié)點：表示概念、實體、事物、事件等； 弧線或鏈線：表示關(guān)系。二 表示1. 基本單元： 網(wǎng)絡(luò)：組合2.表示基本事物和概念：獵狗吃肉狗動物跑得快能狩獵身上有毛有尾巴有生命能運動是一種是一種表示情況、動作、事件：用一節(jié)點表示，擁有一組向外的弧，表示不同的情況。例：小燕這只燕子從春天到秋天占有一個窩：小燕燕子鳥是一種是一種占有-1窩鳥窩占有物是一種春天時間是占有情況/事件是一種秋天是是一種開始于結(jié)束于占有者4. 連接詞邏輯關(guān)系增設(shè)合取、析取節(jié)點；增設(shè)標(biāo)注。例： 與會

15、者有男有女，有年老的，有年輕的。人與會者是ABCD與或或男女老少是是是是狀態(tài)5.量化（部分網(wǎng)絡(luò)）：網(wǎng)絡(luò)分區(qū)+全稱鏈將復(fù)雜命題分成若干子命題，每一命題用一簡單的語義網(wǎng)絡(luò)表示，稱為一個子空間，多個子空間構(gòu)成一個大空間。例：每個學(xué)生都會背一首唐詩。 SRP主體客體學(xué)生背誦唐詩是是是GGSF6. 多元網(wǎng)絡(luò)：一個節(jié)點有多個向外的弧。例：北郵和清華舉行了一場足球比賽，比分是2：1。7. 常見語義聯(lián)系：A member of 個體和集體Composed of 構(gòu)成have 占有、擁有Before, After ,At 時間Located_on 事物間位置關(guān)系Similar to 比較A Kind of 分類

16、Part 聚集、從屬5周三 求解1. 繼承推理：語義聯(lián)系上有繼承含義，能有屬性的繼承。2. 匹配：構(gòu)造問題的語義網(wǎng)絡(luò)片段；與存儲的語義知識網(wǎng)絡(luò)進行匹配求解。例： 趙云是一個學(xué)生，在東方大學(xué)主修計算機專業(yè)，入校時間是2000年。問題： 趙云主修什么專業(yè)？問題網(wǎng)絡(luò)：教育教育？是主修專業(yè)是趙云接受者教育教育-1計算機是主修專業(yè)是學(xué)生趙云是接受者2000時間是大學(xué)東方大學(xué)是地點開始于知識庫四 特點1. 優(yōu)點：聯(lián)想性，體現(xiàn)聯(lián)想思維過程；自然性，表現(xiàn)問題直觀，易于理解；結(jié)構(gòu)性，結(jié)構(gòu)化的知識表示方式。2. 缺點：非嚴格性，無統(tǒng)一公認的形式表示體系；處理復(fù)雜性；對于判斷性知識、深層知識或與時間因素相關(guān)的動態(tài)知

17、識不善于表達。2.7 框架表示法一 構(gòu)成1. 框架提供一種結(jié)構(gòu)和組織，描述一種格式相對固定的語義網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和槽。以框架作為一基礎(chǔ)單位，語義網(wǎng)絡(luò)可看作框架集合。2. 構(gòu)成：框架名槽側(cè)面值約束條件槽1 ： 側(cè)面11 值111，值112，.，值11n 側(cè)面12 值121，值122，.，值12n 側(cè)面1n 值1n1，值1n2，.，值1nn槽n ： 側(cè)面n1 值n11，值112，.，值11n 側(cè)面n2 值n21，值122，.，值12n . . 側(cè)面nn 值nn1，值1n2，.，值1nn約束： 約束條件1 約束條件2 . 約束條件n表示1 基本描述例：假冒偽劣商品的描述：框架名：商品名稱：生產(chǎn)廠家：出售商

18、店：處罰： 處理方式： 處罰依據(jù)： 處罰時間： 年 月 日 經(jīng)辦部門： 填值：對于定義的框架填入具體的信息和值，得到相應(yīng)框架的事例框架。槽側(cè)面表示及值的說明：（1） 框架名的值允許帶參數(shù)，被調(diào)用時需要提供；（2） 槽值和側(cè)面值可以是過程調(diào)用、謂詞表達等；（3） 槽值和側(cè)面值可以定義某些約束和限定條件，例如范圍、缺省值等等；（4）約束部分為可選部分。 2 框架網(wǎng)絡(luò)（1）橫向聯(lián)系：框架中的槽值和側(cè)面值是另一個框架的名字，例如教師框架、住址框架、工資框架等之間的調(diào)用；（2）縱向聯(lián)系： 用繼承槽來建立縱向聯(lián)系，下層框架可以繼承上層框架的值，例如教職工框架和教師框架之間。3 槽、側(cè)面的設(shè)置和組織（1）充

19、分表達各方面的屬性（2）充分表達相關(guān)事物之間的關(guān)系。常見槽：ISA ：概念類屬關(guān)系，是一個、一類、一種；AKO：具體類屬關(guān)系，是一種；Subclass:子類、子集；Instance：AKO的逆關(guān)系，指出其下層框架；Part of：部分與全部的關(guān)系；Infer：表示兩框架之間的邏輯關(guān)系，蘊涵，條件與結(jié)論；（3）對槽和側(cè)面進行合理組織共性抽取，選擇合適的槽（4）有利于進行求解和推理如果咳嗽、發(fā)燒且流涕,則八成是患了感冒,需要服用感冒清,一日三次, 每次23粒,多喝開水?？蚣苊?癥狀1：咳嗽癥狀2：發(fā)燒癥狀3：流涕Infer：可信度：0.8框架名： 病名：感冒治療方法：服用感冒清,一日三次, 每次

20、23粒注意事項：多喝開水預(yù)后：良好三 求解1 默認推理，繼承推理例： 框架名 姓名：（姓，名）年齡：性別：范圍（男，女） 缺?。耗薪】禒顩r：住址：工作類別：（教師，干部，工人）開始工作時間：截止工作時間：缺?。含F(xiàn)在離退休狀況：框架名ISA：部門：（系，教研室）語種：缺?。河⒄Z外語水平：職稱：缺?。褐v師研究方向：框架名：AKO：姓名：孫林年齡：28健康狀況：健康部門：計算機應(yīng)用教研室語種：德語開始工作時間：1987.問題：查詢30歲以下，身體健康的男教師。構(gòu)造問題框架；匹配，推理，求解?？蚣苊盒彰耗挲g：30性別：男健康狀況：健康職稱：講師2 相似網(wǎng)絡(luò)：候選框架不能滿足項目匹配，尋找其它可選擇

21、的網(wǎng)絡(luò)，建立一種框架的相似網(wǎng)絡(luò)。特點 結(jié)構(gòu)性，嵌套式結(jié)構(gòu)，深入表達；自然性；繼承性；不善于表達過程性的知識。2.8 劇本表示法一 概念1 可視為框架的一種特殊形式，用一組槽來描述事件的發(fā)生序列。70年代，夏克（R.C.Schank)概念依賴理論，用一組原子概念來描述生活中的故事、事件、情節(jié)。例其對動作的抽象，11種原子動作（PROPEL，GRASP，MOVE，ATRANS，PTRANS，ATTEND，INGEST，EXPEL，SPEAK，MTRANS，MBUILD）2 構(gòu)成由以下幾部分構(gòu)成：（1）開場條件：前提條件（2）角色：人物（3）道具：與事件相關(guān)的物體等（4）場景：事件發(fā)生的情景，因果鏈

22、，順序（5）結(jié)果：事件發(fā)生后的情況二 推理準(zhǔn)備好劇本，根據(jù)所給的條件和事件進行推理，預(yù)測未發(fā)生或未提及的事件。描述缺陷：呆板、局限開場條件開場條件1 病人有病。2 病人的病需要找醫(yī)生診治。3 病人有錢。4 病人能夠去醫(yī)院。角色角色 病人、醫(yī)生、護士。道具道具 醫(yī)院、掛號室、椅子、 桌子、藥方、藥房、 錢、藥。場景場景 場景1 進入醫(yī)院 （1） 人走進醫(yī)院 （2） 病人掛號 （3） 病人在椅子上坐下等待看病 場景2 看病 （1） 病人進入醫(yī)生的辦公室 （2） 病人向醫(yī)生所說病狀 （3） 醫(yī)生向病人解釋病情 （4） 醫(yī)生給病人開藥方 場景3 交費 （1） 病人到交費處 （2） 病人遞交藥方 （3）

23、 病人交錢 （4） 病人取回藥方及收據(jù) 場景4 取藥 （1） 病人到藥房 （2） 病人遞交藥方 （3） 病人取藥 場景5 離開 （1） 病人離開醫(yī)院結(jié)果結(jié)果 1病人看病了，明白了 自己的病是怎么回事。 2病人花了錢，買了藥。 3醫(yī)生付出了勞動。 4醫(yī)院的藥品少了.2.9 面向?qū)ο蟮谋硎痉ㄒ?以面向?qū)ο蟮挠^點進行描述。研究領(lǐng)域和世界由各種對象構(gòu)成，對象又可被劃分成對象類。二 表示面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)的觀點，對象的形式定義為：對象 := ，其中：ID為對象標(biāo)識名；DS描述對象當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)和所具有的靜態(tài)屬性；MS說明對象所具有的內(nèi)部處理方法或?qū)κ芾硐⒌牟僮鬟^程；MI為對象接收外部信息和驅(qū)動內(nèi)部方法的對外接口。例：定義轎車對象類Class car: motorized vehicle AttributeNumber of the doors;Color;Power;Air Condition;Produced by; MethodMove(direction,speed);Stop; 例示：建立其一個或幾個實例三 繼承性單繼承性：每一對象類只有唯一的父類；多繼承性：允許對象類從一