知識(shí)表示方法

知識(shí)表示方法第一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日人工智能問(wèn)題的求解是以知識(shí)為基礎(chǔ)的。如何將已獲得的有關(guān)知識(shí)以計(jì)算機(jī)內(nèi)部代碼形式加以合理地描述、存儲(chǔ)，以使有效地利用這些知識(shí)便是知識(shí)表示。知識(shí)表示方法的提出，常模仿人腦的知識(shí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，心理學(xué)家對(duì)知識(shí)表示方法的研究做出了重要的貢獻(xiàn)。這一章將介紹邏輯的、產(chǎn)生式的、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的和框架的知識(shí)表示方法。第二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.1概述

2.1.1知識(shí)、信息和數(shù)據(jù)2.1.2知識(shí)的特性2.1.3知識(shí)的分類2.1.4知識(shí)的表示注：詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參照P15至P19第三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.2一階謂詞邏輯表示法一階謂詞邏輯表示法是一種重要的知識(shí)表示方法,它以數(shù)理邏輯為基礎(chǔ),是到目前為止能夠表達(dá)人類思維活動(dòng)規(guī)律的一種最精確的形式語(yǔ)言。它與人類的自然語(yǔ)言比較接近，由可方便地存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中去，并被計(jì)算機(jī)做精確處理。因此，它是一種最早應(yīng)用于人工智能中的表示方法。第四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.2一階謂詞邏輯表示法2.2.1知識(shí)的謂詞邏輯表示法用一階謂詞邏輯公式可以表示事物的狀態(tài)、屬性、概念等事實(shí)性知識(shí)，也可以表示事物間具有確定因果關(guān)系的規(guī)則性知識(shí)。第五頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.2一階謂詞邏輯表示法2.2.2用謂詞公式表示知識(shí)的步驟用謂詞公式表示知識(shí)的步驟如下：1、定義用謂詞及個(gè)體，確定每個(gè)謂詞及個(gè)體的確切含義；2、根據(jù)所要表達(dá)的事物或概念，為每個(gè)謂詞中的變?cè)x以特定的值；3、根據(jù)所要表達(dá)的知識(shí)的語(yǔ)義，用適當(dāng)?shù)倪B接符號(hào)將各個(gè)謂詞連接起來(lái)，形成謂詞公式。第六頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.2一階謂詞邏輯表示法2.2.3謂詞公式表示知識(shí)的舉例例1、機(jī)器人搬弄積木塊問(wèn)題表示

設(shè)在一個(gè)房間里，有一個(gè)機(jī)器人ROBOT，一個(gè)壁室ALCOVE，一個(gè)積木塊BOX，兩個(gè)桌子A和B。機(jī)器人可把積木塊BOX從一種狀態(tài)變換成另一種狀態(tài)。解：引入謂詞

TABLE（A）表A是桌子

EMPTYHANDED（ROBOT）表機(jī)器人雙手是空的

AT（ROBOT，A）表機(jī)器人在A旁

HOLDS（ROBOT，BOX）表機(jī)器人拿著積木塊

ON（BOX，A）表積木塊BOX在A上

第七頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日設(shè)定初始狀態(tài)是

AT（ROBOT，ALCOVE）

EMPTYHANDED（ROBOT）

ON（BOX，A）

TABLE（A）

TABLE（B）目標(biāo)狀態(tài)是

AT（ROBOT，ALCOVE）

EMPTYHANDED（ROBOT）

ON（BOX，B）

TABLE（A）

TABLE（B）

問(wèn)題是依機(jī)器人可進(jìn)行的操作，實(shí)現(xiàn)一個(gè)由初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的機(jī)器人操作過(guò)程。

第八頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日機(jī)器人的每個(gè)操作的結(jié)果所引起的狀態(tài)變化，可用對(duì)原狀態(tài)的增添表和刪除表來(lái)表示。如機(jī)器人由初始狀態(tài)把BOX從A桌移到B桌上，然后仍回到壁室，這時(shí)同初始狀態(tài)相比有

增添表ON（BOX，B）

刪除表ON（BOX，A）

又如機(jī)器人由初始狀態(tài)，走近A桌，然后拿起B(yǎng)OX，這時(shí)同初始狀態(tài)相比有

增添表AT（ROBOT，A）

HOLDS（ROBOT，BOX）

刪除表AT（ROBOT，ALCOVE）

EMPTYHANDED（ROBOT）

ON（BOX，A）

進(jìn)一步說(shuō)，機(jī)器人的每一操作還需有先決條件。如機(jī)器人拿起A桌上的BOX這一操作，先決條件是

ON（BOX，A），AT（ROBOT，A）

EMPTYHANDED（ROBOT）

第九頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日而先決條件成立與否的驗(yàn)證可使用歸結(jié)法。如將初始狀態(tài)視作已知條件，而將要驗(yàn)證的先決條件視作結(jié)論，便可使用歸結(jié)法了。有如下歸結(jié)過(guò)程：

（1）AT（ROBOT，A）

（2）EMPTYHANDED（ROBOT）

（3）ON（BOX,A）

（4）TABLE（A）

（5）TABLE（B）

（6）～ON(BOX,A)∨～AT(ROBOT,A)∨～EMPTYHANDED(ROBOT)(先決條件的否定)

（7）～AT(ROBOT,A)∨～EMPTYHANDED(ROBOT)(3,6)

（8）～EMPTYHANDED(ROBOT)(1,7)

（9）□(2,8)

于是驗(yàn)證了這一先決條件成立。

從初始狀態(tài)出發(fā)，每實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的一個(gè)操作都驗(yàn)證先決條件，并建立相應(yīng)的增添表和刪除表，便可逐步達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。這里僅是說(shuō)明邏輯法可以描述這類問(wèn)題。1972年FIKS建立的STRIPS機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)就是使用的邏輯法表示的。

第十頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日例2、Honil塔問(wèn)題表示

已知三個(gè)柱子1,2，3和三個(gè)盤子A，B,C(A比B小，B比C小)。初始狀態(tài)下，A，B，C依次放在1柱上。目標(biāo)狀態(tài)是A，B，C依次放在柱子3上。條件是每次可移動(dòng)一個(gè)盤子，盤子上方是空頂方可移動(dòng)，而任何時(shí)候都不允許大盤在小盤之上。

解：這個(gè)問(wèn)題，使用邏輯法可作如下描述。

（1）常量A,B,C,1,2,3而S表狀態(tài)。

（2）謂詞Disk(A)表A是盤子

PEE（1）表1是柱子

Smaller(A,B)表A比B小

Free(x,s)表狀態(tài)S下，X空頂

Legal(x,y,s)表狀態(tài)S下，x可向y上移動(dòng)

ON（A，B，S）表狀態(tài)S下A在B上

（3）函數(shù)move(A,B,S)表狀態(tài)S下，A移到B上所得的新?tīng)顟B(tài)

第十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4）謂詞和函數(shù)間的關(guān)系

(x)(y)(z)(Smaller(x,y)∧Smaller(y,z)→Smaller(x,z))

盤大小關(guān)系的傳遞性(x)(s)(Free(x,s)→～(y)ON(x,y,s))

s下，x是空頂必知s下無(wú)y在x上。(x)(y)(s)(Legal(x,y,s)←→Free(x,s)∧Free(y,s)∧Disk(x)∧Smaller(x,y))

x可向y上移動(dòng)是合法的，當(dāng)且僅當(dāng)x,y空頂且x比y小，x是盤。(x)(y)(s)(s')(s'=move(x,y,s)→ON(x,y,s')∧(z1)(z2)((～(z1=x)∧～(z2=y))→(ON(z1,z2,s)=ON(z1,z2,s'))∧(z)(ON(x,z,s)→Free(z,s'))))

新?tīng)顟B(tài)s下，x移動(dòng)到y(tǒng)上得新?tīng)顟B(tài)S'，那么沒(méi)移動(dòng)的盤ON關(guān)系沒(méi)變動(dòng)。而x下面的盤是空頂了。

有了這些關(guān)系，再給出初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的謂詞公式，便可使用歸結(jié)法建立求解過(guò)程。

第十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.2一階謂詞邏輯表示法2.2.4一階謂詞邏輯表示法的特點(diǎn)一階謂詞邏輯表示法的特點(diǎn)如下：(1)自然性(2)適宜于精確性知識(shí)的表示，而不適宜于不確定性知識(shí)的表示(3)易實(shí)現(xiàn)(4)與一階謂詞邏輯表示法相對(duì)應(yīng)的表示法。第十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.3產(chǎn)生式表示法

1943年美國(guó)數(shù)學(xué)家Post首先建立了一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)，是作為組合問(wèn)題的形式化變換理論提出來(lái)的，其中產(chǎn)生式指符號(hào)的變換規(guī)則A→aA。產(chǎn)生式是一種知識(shí)表達(dá)方法，具有和Turing機(jī)一樣的表達(dá)能力，有的心理學(xué)家認(rèn)為人對(duì)知識(shí)的存儲(chǔ)就是產(chǎn)生式形式。

第十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.3產(chǎn)生式表示法2.3.1產(chǎn)生式可以表示的知識(shí)種類及其基本形式表示

1、可表示知識(shí)的種類產(chǎn)生式表示方法容易描述事實(shí)，規(guī)則以及它們的不確定性度量。

2、產(chǎn)生式的基本形式

P→Q或IFPTHENQ3、產(chǎn)生式與謂詞邏輯中蘊(yùn)涵式的區(qū)別產(chǎn)生式可以表示精確與不精確知識(shí)，蘊(yùn)涵式只能表示精確知識(shí)；產(chǎn)生式?jīng)]有真值，蘊(yùn)涵式有真值。第十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.3產(chǎn)生式表示法2.3.2知識(shí)的表示方法

事實(shí)可看成是斷言一個(gè)語(yǔ)言變量的值或是多個(gè)語(yǔ)言變量間的關(guān)系的陳述句，語(yǔ)言變量的值或語(yǔ)言變量間的關(guān)系可以是一個(gè)詞，不一定是數(shù)字。如雪是白色的，其中雪是語(yǔ)言變量，其值是白色的。約翰喜歡瑪麗，其中約翰、瑪麗是兩個(gè)語(yǔ)言變量，兩者的關(guān)系值是喜歡。

一般使用三個(gè)元組（對(duì)象，屬性，值）或（關(guān)系，對(duì)象1，對(duì)象2）來(lái)表示事實(shí)，其中對(duì)象就是語(yǔ)言變量，若考慮不確定性就成四元組表示了。這種表示的機(jī)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就是一個(gè)表。如事實(shí)老李年齡是35歲，便寫成

（LeeAge35）

而老李、老張是朋友，可寫成

（FriendLeeChang）

為求解過(guò)程查找的方便，在知識(shí)庫(kù)中可將某類有關(guān)事實(shí)以網(wǎng)狀、樹狀結(jié)構(gòu)組織連在一起。第十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.3產(chǎn)生式表示法2.3.3產(chǎn)生式的組成多數(shù)較為簡(jiǎn)單的專家系統(tǒng)都是以產(chǎn)生式表示知識(shí)的，相應(yīng)的系統(tǒng)稱作產(chǎn)生式系統(tǒng)。

產(chǎn)生式系統(tǒng)，由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)兩部分組成，其中知識(shí)庫(kù)由規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。規(guī)則庫(kù)是產(chǎn)生式規(guī)則的集合，數(shù)據(jù)庫(kù)是事實(shí)的集合。

規(guī)則庫(kù)是某領(lǐng)域知識(shí)（規(guī)則）的存儲(chǔ)器，規(guī)則是以產(chǎn)生式表示的，規(guī)則集蘊(yùn)涵著將問(wèn)題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換解狀態(tài)的那些變換規(guī)則，規(guī)則庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心。規(guī)則可表成與或樹形式，基于數(shù)據(jù)庫(kù)中事實(shí)對(duì)這與或樹的求值過(guò)程就是推理。

數(shù)據(jù)庫(kù)存放輸入的事實(shí)、外部數(shù)據(jù)庫(kù)輸入的事實(shí)以及中間結(jié)果（事實(shí)）和最后結(jié)果的工作區(qū)。

推理機(jī)是一個(gè)程序，控制協(xié)調(diào)規(guī)則庫(kù)與數(shù)據(jù)的運(yùn)行，包含了推理方式和控制策略第十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.3產(chǎn)生式表示法2.3.4產(chǎn)生式系統(tǒng)的推理方法

產(chǎn)生式系統(tǒng)推理機(jī)的推理方式有正向推理、反向推理和雙向推理三種。

正向推理是從已知事實(shí)出發(fā)，通過(guò)規(guī)則求得結(jié)論?；蚍Q數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式也稱作自底向上的方式。推理過(guò)程是重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至達(dá)到目標(biāo)。

具體說(shuō)如數(shù)據(jù)庫(kù)中含有事實(shí)A，而規(guī)則庫(kù)中有規(guī)則A→B，那么這條規(guī)則便是匹配規(guī)則，進(jìn)而將后件B送入數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣可不斷擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫(kù)直至包含目標(biāo)便成功結(jié)束。如有多條匹配規(guī)則需從中選一條作為使用規(guī)則，不同的選擇方法直接影響著求解效率，選規(guī)則的問(wèn)題稱作控制策略。正向推理會(huì)得出一些與目標(biāo)無(wú)直接關(guān)系的事實(shí)，是有浪費(fèi)的。

反向推理是從目標(biāo)（作為假設(shè)）出發(fā)，反向使用規(guī)則，求得已知事實(shí)，或稱目標(biāo)驅(qū)動(dòng)方式也稱自頂向下的方式，推理過(guò)程是

重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至各子目標(biāo)均為已知事實(shí)成功結(jié)束。

如果目標(biāo)明確，使用反向推理方式效率較高，所以常為人們所使用。

雙向推理既自頂向下、又自底向上作雙向推理，直至某個(gè)中間界面上兩方向結(jié)果相符便成功結(jié)束。不難想像這種雙向推理較正向或反向推理所形成的推理網(wǎng)絡(luò)來(lái)得小，從而推理效率更高。

第十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.3產(chǎn)生式表示法2.3.5產(chǎn)生式表示的特點(diǎn)

產(chǎn)生式表示格式固定，形式單一，規(guī)則（知識(shí)單位）間相互較為獨(dú)立，沒(méi)有直接關(guān)系使知識(shí)庫(kù)的建立較為容易，處理較為簡(jiǎn)單的問(wèn)題是可取的。另外推理方式單純，也沒(méi)有復(fù)雜計(jì)算。特別是知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)是分離的，這種結(jié)構(gòu)給知識(shí)庫(kù)的修改帶來(lái)方便，無(wú)需修改程序，對(duì)系統(tǒng)的推理路徑也容易作出解釋?；谶@些說(shuō)明，產(chǎn)生式表示知識(shí)常作為建造專家系統(tǒng)的第一選擇的知識(shí)表示方法。

第十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.4語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是1968年Quillian在研究人類聯(lián)想記憶時(shí)提出的心理學(xué)模型，認(rèn)為記憶是由概含間的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)的。1972年Simmous首先將語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法用于自然語(yǔ)言理解系統(tǒng)。第二十頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.4語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是對(duì)知識(shí)的有幾圖表示方法。一個(gè)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是由一些以有幾圖表示的三元組

（結(jié)點(diǎn)1，弧，結(jié)點(diǎn)2）

連結(jié)而成。

結(jié)點(diǎn)表示概念、事物、事件、情況等。

弧是有方向的有標(biāo)注的。方向體現(xiàn)主次，結(jié)點(diǎn)1為主，結(jié)點(diǎn)2為輔。弧上的標(biāo)注表示結(jié)點(diǎn)1的屬性或結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。

這三元組的圖表示為2.4.1語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的概念及結(jié)構(gòu)

這樣一個(gè)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的表示為：概念：通過(guò)概念及其語(yǔ)義關(guān)系來(lái)表示知識(shí)的一種網(wǎng)絡(luò)圖。第二十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.4語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法2.4.2語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中常用的語(yǔ)義聯(lián)系：（1）類屬關(guān)系用來(lái)表示具體抽象關(guān)系，或說(shuō)表示一種隸屬關(guān)系，體現(xiàn)某種層次分類。特點(diǎn)是具體層結(jié)點(diǎn)可繼承抽象層結(jié)點(diǎn)的屬性。如鳥類是動(dòng)物，可表成

如動(dòng)物具有吃食物、需要呼吸等屬性，鳥類是一類具體的動(dòng)物，從而鳥類也吃食物、需要呼吸。反過(guò)來(lái)鳥類會(huì)飛、有羽毛，而有的動(dòng)物就不具有這種屬性。

同樣，顧員是人，可表成

第二十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.4語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法（2）包含關(guān)系：

Part-of鏈用來(lái)表示部分——全體關(guān)系，或說(shuō)表示包含關(guān)系。特點(diǎn)是Part-of關(guān)系下各層結(jié)點(diǎn)的屬性可能是很不相同的。如兩只手是人體的一部分，可表成

其中兩只手不一定具有人體的某些屬性。

如在教室里，正面墻上有黑板，可表示成

但黑板的屬性幾乎與墻的屬性毫無(wú)共同之處。

2.4.2語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中常用的語(yǔ)義聯(lián)系：第二十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.4語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法2.4.2語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中常用的語(yǔ)義聯(lián)系：其它語(yǔ)義聯(lián)系如下語(yǔ)義聯(lián)系：3、占有關(guān)系4、時(shí)間關(guān)系5、位置關(guān)系6、相近關(guān)系7、推論關(guān)系8、因果關(guān)系9、組成關(guān)系10、屬性關(guān)系

第二十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.4語(yǔ)