知識(shí)表示-框架表示法

1、框架表示法2010年11月4日星期四主要內(nèi)容 框架與框架網(wǎng)絡(luò) 框架推理的基本過(guò)程及形式 框架的不確定性匹配 框架的推理步驟 框架表示法的特點(diǎn)21 簡(jiǎn)介框架表示法理論是由美國(guó)的人工智能學(xué)者明斯基在1975年首先提出來(lái)的。該理論認(rèn)為人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的認(rèn)識(shí)都是以一種類(lèi)似于框架的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在記憶中，當(dāng)面臨一個(gè)新事物時(shí)，就從記憶中找出一個(gè)合適的框架，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其細(xì)節(jié)加以修改、補(bǔ)充，從而形成對(duì)當(dāng)前事物的認(rèn)識(shí)。也就是說(shuō)框架表示法表示的是一種經(jīng)驗(yàn)性的知識(shí)。32 框架與框架網(wǎng)絡(luò)2.1 概述框架是描述對(duì)象(事物，事件或概念)屬性的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？蚣芫W(wǎng)絡(luò)是由不同的框架通過(guò)屬性之間的關(guān)系而建立起來(lái)的聯(lián)系，

2、從而構(gòu)成了框架網(wǎng)絡(luò)。框架網(wǎng)絡(luò)能夠充分表達(dá)相關(guān)對(duì)象之間的各種關(guān)系。42 框架與框架網(wǎng)絡(luò)2.2 框架的基本形式一個(gè)框架由若干個(gè)被稱(chēng)為“槽”的結(jié)構(gòu)組成，每一個(gè)槽又可根據(jù)實(shí)際需要分為若干個(gè)“側(cè)面”。槽用于描述對(duì)象的某一方面的屬性。側(cè)面用于描述相應(yīng)屬性的一個(gè)方面。槽和側(cè)面所具有的屬性值分別稱(chēng)為槽值和側(cè)面值.52 框架與框架網(wǎng)絡(luò)槽名1：側(cè)面名11:側(cè)面值11側(cè)面名12:側(cè)面值12側(cè)面名1n:側(cè)面值1n槽名k:62 框架與框架網(wǎng)絡(luò)2.3 框架的BNF描述:=:=框架名:=,:=約束,:=|(,)72 框架與框架網(wǎng)絡(luò):=|:=|:=|:=, :=:=|:=|82 框架與框架網(wǎng)絡(luò):=|:=|,:=幾點(diǎn)說(shuō)明:(1

3、)框架名的值允許帶有用符號(hào)名表示的參數(shù).當(dāng)一個(gè)框架A調(diào)用另一個(gè)帶有符號(hào)名參數(shù)的框架B時(shí)A需要為B提供相應(yīng)的參數(shù).(2)當(dāng)槽值或側(cè)面值是一個(gè)過(guò)程時(shí),它既可以是一個(gè)動(dòng)作串又可以是對(duì)某個(gè)過(guò)程的調(diào)用.92 框架與框架網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有側(cè)面的框架可以簡(jiǎn)化為:槽名1：-值1槽名2：-值2槽名n：-值n某些槽的值可缺省.槽值可以有如下幾種類(lèi)型:具體值,默認(rèn)值,過(guò)程值,另一框架名,空102 框架與框架網(wǎng)絡(luò)例 2.1 房間框架框架:房間墻數(shù):a=4窗數(shù):b=2門(mén)數(shù):c=1墻:墻框架調(diào)用(b,c)門(mén):門(mén)框架調(diào)用天花板:天花板框架調(diào)用地板:地板框架調(diào)用窗:窗框架調(diào)用框架:墻(w,d)墻面材料:白灰(或墻紙)顏色:白窗數(shù):w門(mén)

4、數(shù):d窗:窗框架調(diào)用門(mén):門(mén)框架調(diào)用|112 框架與框架網(wǎng)絡(luò)2.4 框架的知識(shí)表示步驟框架是一種描述對(duì)象屬性并反映相關(guān)個(gè)對(duì)象間的各種關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并且可以把它視作知識(shí)單位.對(duì)于要表達(dá)的知識(shí),其中可能包含著許多對(duì)象,各個(gè)對(duì)象之間有著各種各樣的聯(lián)系,將這些有關(guān)系的對(duì)象的框架聯(lián)結(jié)起來(lái)便形成了要表達(dá)知識(shí)的框架系統(tǒng).框架表示知識(shí)的具體步驟:1)分析代表的知識(shí)對(duì)象及其屬性,對(duì)框架中的槽進(jìn)行合理設(shè)置.122 框架與框架網(wǎng)絡(luò)在槽及側(cè)面的設(shè)置上要考慮兩方面的因素:要符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),凡是系統(tǒng)目標(biāo)中所要求的屬性或是問(wèn)題求解過(guò)程中可能用到的屬性都要設(shè)置相應(yīng)的槽.不能盲目的把所有的甚至無(wú)用的屬性都用槽表示出來(lái).2)

5、對(duì)各對(duì)象間的各種聯(lián)系進(jìn)行考察.使用一些常用的或根據(jù)具體需要定義一些表達(dá)聯(lián)系的槽名,來(lái)描述上下層框架間的聯(lián)系.在框架系統(tǒng)中,對(duì)象間的聯(lián)系是通過(guò)各個(gè)槽的132 框架與框架網(wǎng)絡(luò)槽名來(lái)表述的.通常在框架系統(tǒng)中定義一些公用,常用且標(biāo)準(zhǔn)的槽名,并把這些槽名稱(chēng)為系統(tǒng)預(yù)定義槽名.易于理解.比如常見(jiàn)的有:ISA,AKO和Instance等例 2.2 用分層的框架網(wǎng)絡(luò)表示1976年3月18日,一次強(qiáng)度為里氏8.5級(jí)的地震發(fā)生在下斯洛文尼亞地區(qū),造成25人死亡和5億美元的損失.多年來(lái)靠近薩迪豪金斯斷層的地區(qū)一直是一個(gè)地震多發(fā)區(qū).解:由于地震可看成是一種災(zāi)害事件,除地震以外,還有火災(zāi),洪水,颶風(fēng)等災(zāi)害事件,因此可以組

6、成一個(gè)描述災(zāi)害事件的框架系統(tǒng).142 框架與框架網(wǎng)絡(luò)框架名:地點(diǎn):字符串日期:單位(年,月,日)死亡人數(shù):單位(人)財(cái)產(chǎn)損失:單位(億美元)框架名:ISA:強(qiáng)度:單位(里氏級(jí))斷層:字符串框架名:|地點(diǎn):Low Slabovia日期:1976,3,18死亡人數(shù):25財(cái)產(chǎn)損失:5強(qiáng)度8.5斷層:Sadie Hawkins152 框架與框架網(wǎng)絡(luò)3) 對(duì)各層對(duì)象的”槽”及”側(cè)面”進(jìn)行合理的組織和安排,避免信息描述的重復(fù).在框架的表示中,ISA、AKO和Instance槽等所聯(lián)系的上下框架間具有繼承性,這就要求把同一層中不同框架間所具有的相同的槽名作為這些框架所表示的對(duì)象的共同屬性抽取出來(lái),放入他們上

7、層框架中.162 框架與框架網(wǎng)絡(luò)例 2.3 建立一個(gè)分層的框架網(wǎng)絡(luò)從高層框架至最底層框架名依次為,并為相應(yīng)的框架設(shè)置繼承槽來(lái)避免重復(fù)描述.解:框架定義如下:師生員工框架.框架名:姓名:單位(姓,名)年齡:單位(歲)172 框架與框架網(wǎng)絡(luò)性別:單位(男,女)缺省:男健康狀況:范圍(健康,一般,差)缺省:一般住房:教職工框架.框架名:繼承:工作類(lèi)別:范圍(教師,干部,工人)缺省:教師182 框架與框架網(wǎng)絡(luò)學(xué)歷:范圍(中專(zhuān),大專(zhuān),本科,研究生)缺省:本科參加工作時(shí)間:單位(年,月)教師框架.框架名:繼承:部門(mén):單位(系,教研室)語(yǔ)種:范圍(英語(yǔ),法語(yǔ),德語(yǔ),日語(yǔ),俄語(yǔ))缺省:英語(yǔ)職稱(chēng):范圍(教授,副

8、教授,講師,助教)192 框架與框架網(wǎng)絡(luò)缺省:講師某個(gè)教師的實(shí)例框架.框架名:繼承:姓名:王林年齡:36健康狀況:健康參加工作時(shí)間:1982,9部門(mén):計(jì)算機(jī)系軟件教研室職稱(chēng):副教授203 框架推理的基本過(guò)程及形式 框架表示知識(shí)的系統(tǒng)主要由兩部分組成:一.由框架網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的知識(shí)庫(kù).二.由一組程序組成的框架推理機(jī).3.1 框架推理的基本過(guò)程在用框架表示知識(shí)的系統(tǒng)中,推理主要是通過(guò)框架匹配與填槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的.首先把要求解的問(wèn)題用一個(gè)稱(chēng)為問(wèn)題框架的框架表示出來(lái),然后把初始問(wèn)題框架與知識(shí)庫(kù)中的框架進(jìn)行匹配.213 框架推理的基本過(guò)程及形式 比較原則是如果兩個(gè)框架對(duì)應(yīng)的槽沒(méi)有沖突或滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的某些條件就可以認(rèn)為兩

9、個(gè)框架匹配成功.例 3.1 推理的例子假設(shè)例2.3提出的關(guān)于師生員工的框架網(wǎng)絡(luò)已建立在知識(shí)庫(kù)中,當(dāng)前要求解決的問(wèn)題是從知識(shí)庫(kù)中找出一個(gè)滿(mǎn)足如下條件的教師:男性,年齡在40歲一下的副教授,身體健康,會(huì)英語(yǔ).求解問(wèn)題可表示成如下初始問(wèn)題框架:223 框架推理的基本過(guò)程及形式 框架名:姓名:年齡:40性別:男健康狀況:健康職稱(chēng):副教授語(yǔ)種:英語(yǔ)用此問(wèn)題框架與知識(shí)庫(kù)中的框架進(jìn)行匹配,顯然可以與之匹配.233 框架推理的基本過(guò)程及形式 3.2 框架推理形式框架鏈?zhǔn)且环N復(fù)雜的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò).語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中的推理在框架中同樣可以進(jìn)行,但對(duì)框架最主要的推理形式為填充槽值.填充槽值有幾種辦法實(shí)現(xiàn),主要有兩種:匹配和繼承.

10、1)匹配框架是一類(lèi)事物的完整描述,因此框架匹配只能做到部分匹配.例 3.2 王強(qiáng)的行動(dòng)和音量想消防車(chē),找出王強(qiáng)的行動(dòng)和音量像什么243 框架推理的基本過(guò)程及形式 框架1：是:人性別:男行動(dòng):音量:進(jìn)取心:中等框架2：是:車(chē)輛顏色:紅行動(dòng):快音量:極高載物:水匹配這兩個(gè)框架的槽:行動(dòng)和音量.框架1沒(méi)有此值,框架2有.匹配結(jié)果是填充框架1的兩個(gè)槽值-王強(qiáng)行動(dòng)是快的,音量是極高的.253 框架推理的基本過(guò)程及形式 2) 繼承繼承有兩種:直接繼承和復(fù)雜繼承直接繼承:下層框架直接從上層框架中繼承所有的屬性值和條件.復(fù)雜繼承:以時(shí)序繼承為例,即有條件的繼承.例 3.3 框架名:政體:資產(chǎn)階級(jí)專(zhuān)政面積:96

11、0萬(wàn)平方公里人口:4.5億領(lǐng)導(dǎo)黨派:國(guó)民黨框架名:政體:人民民主專(zhuān)政面積:960萬(wàn)平方公里人口:4.5億(1949年)領(lǐng)導(dǎo)黨派:共產(chǎn)黨264 框架的不確定性匹配 4.1 定義若兩個(gè)框架的對(duì)應(yīng)的槽的值完全一致,則稱(chēng)這兩個(gè)框架是完全匹配,或稱(chēng)確定性匹配.若兩個(gè)框架雖然不能使對(duì)應(yīng)槽完全一致,卻滿(mǎn)足預(yù)先指定的條件,則稱(chēng)這兩個(gè)框架是不完全匹配,或稱(chēng)為不確定性匹配.274 框架的不確定性匹配 4.2 主要的匹配方法1)匹配度方法匹配度是指當(dāng)前看框架所描述的屬性與已知框架可匹配的程度.匹配度方法的基本思想首先求出兩個(gè)框架匹配的匹配度,然后根據(jù)該匹配度與預(yù)先給定的框架匹配閥值進(jìn)行比較.最簡(jiǎn)單的匹配方法給各個(gè)屬

12、性確定一個(gè)重要性284 框架的不確定性匹配 2) 充分條件與必要條件方法將框架中的某些槽分別設(shè)定為”充分條件”槽和”必要條件”槽, 如果充分條件可以得到滿(mǎn)足,就可以認(rèn)為相應(yīng)的兩個(gè)框架可以匹配,如果充分條件不滿(mǎn)足,兒必要條件滿(mǎn)足,就認(rèn)為需要進(jìn)一步搜集信息后在進(jìn)行匹配,如果必要條件不滿(mǎn)足就認(rèn)為兩個(gè)框架不可匹配.這種方法不僅較好的解決了框架匹配問(wèn)題,而且在框架推理中可把框架分為確認(rèn),激活與沉睡3種狀態(tài),有利于確定推理和搜索方向.294 框架的不確定性匹配 3) 規(guī)定屬性值變化范圍方法對(duì)某些事物的某些屬性,可通過(guò)規(guī)定對(duì)其值規(guī)定一個(gè)變化范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)屬性的不確定性匹配.例如,可規(guī)定教室的門(mén)的數(shù)量為13扇,椅

13、子的腿數(shù)為14條等.只要一個(gè)具體的事物的屬性落在規(guī)定的值得范圍內(nèi),就認(rèn)為這個(gè)屬性是匹配的.304 框架的不確定性匹配 4) 功能屬性描述法對(duì)某些事物除了給出有關(guān)外形的屬性描述外,還可以給出功能其功能屬性描述,而且功能屬性描述應(yīng)該高于外形描述,這有利于實(shí)現(xiàn)框架的確定性描述.例如,如果能在的框架中給出其功能屬性,那么即便對(duì)只有一條腿的椅子,只要它具有椅子的功能,仍然可以認(rèn)為它是椅子.小結(jié)實(shí)際應(yīng)用中可以將幾種情況組合起來(lái)使用.315 框架推理步驟在用框架表示知識(shí)的系統(tǒng)中,通過(guò)框架中的AKO槽和Instance槽把框架連接起來(lái),構(gòu)成的框架網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)層次結(jié)構(gòu).框架推理就是以此層次結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),按照一定的搜

14、索策略,不斷尋找可匹配的框架進(jìn)行填槽過(guò)程.此過(guò)程有可能找到合適的框架,得到問(wèn)題的解而成功結(jié)束,也有可能因?yàn)檎也坏胶线m的框架而被迫終止.325 框架推理步驟5.1 主要推理步驟1)把問(wèn)題要求解的問(wèn)題形成一個(gè)初始問(wèn)題框架,并將已知知識(shí)填入相應(yīng)的槽去.2)從根框架進(jìn)行搜索推理.把問(wèn)題框架與當(dāng)前框架進(jìn)行匹配,若滿(mǎn)足匹配條件轉(zhuǎn)3)進(jìn)行填槽,否則轉(zhuǎn)4)搜索下一個(gè)框架.3)把當(dāng)前框架中相應(yīng)的槽值填入問(wèn)題框架對(duì)應(yīng)的槽中,判斷當(dāng)前問(wèn)題框架中是否包含了問(wèn)題的解,若已包含轉(zhuǎn)6;否則轉(zhuǎn)4)。335 框架推理步驟4) 按當(dāng)前框架的Instance槽的槽值找一個(gè)尚未進(jìn)行過(guò)匹配操作的子框架,有這樣的子框架則把此框架作為當(dāng)前框架轉(zhuǎn)步驟2)否則轉(zhuǎn)5)進(jìn)行回溯 5) 由當(dāng)前框架的AKO槽的槽值找到它的父框架.若該父框架不是根框架,則把該父框架作為當(dāng)前