幾種結(jié)構(gòu)化的知識表示及推理

第7章幾種結(jié)構(gòu)化知識表示及其推理7.1框架

7.2語義網(wǎng)絡(luò)

7.1框架把一組有關(guān)的框架連接起來便可形成一個(gè)框架系統(tǒng)框架表示法是在框架理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)化知識表示方法框架表示法框架系統(tǒng)框架顧名思義，框架就是一種結(jié)構(gòu)，一種模式.7.1框架7.2.1框架的概念其一般形式是:<框架名>

<槽名1><槽值1>|<側(cè)面名11><側(cè)面值111，側(cè)面值112，…>

<側(cè)面名12><側(cè)面值121，側(cè)面值122，…><槽名2><槽值2>|<側(cè)面名21><側(cè)面值211，側(cè)面值212，…>

<側(cè)面名22><側(cè)面值221，側(cè)面值222，…>……

…<槽名k><槽值k>|<側(cè)面名k1><側(cè)面值k11，側(cè)面值k12，…>

<側(cè)面名k2><側(cè)面值k21，側(cè)面值k22，…>…即一個(gè)框架一般有假設(shè)干個(gè)槽，一個(gè)槽有一個(gè)槽值或者有假設(shè)干個(gè)側(cè)面，而一個(gè)側(cè)面又有假設(shè)干個(gè)側(cè)面值。其中槽值和側(cè)面值可以是數(shù)值、字符串、布爾值，也可以是一個(gè)動(dòng)作或過程，甚至還可以是另一個(gè)框架的名字。例7.1下面是一個(gè)描述“教師〞的框架：框架名:<教師>類屬:<知識分子>工作:范圍:(教學(xué)，科研)缺省:教學(xué)性別:(男，女)學(xué)歷:(中師，高師)類型:(<小學(xué)教師>，<中學(xué)教師>，<大學(xué)教師>)例7.2下面是一個(gè)描述“大學(xué)教師〞的框架：框架名:<大學(xué)教師>類屬:<教師>學(xué)歷:(學(xué)士，碩士，博士)專業(yè):<學(xué)科專業(yè)>職稱:(助教，講師，副教授，教授)外語:語種:范圍:(英，法，日，俄，德，…)缺省:英 水平:(優(yōu)，良，中，差)缺省:良例7.3下面是描述一個(gè)具體教師的框架:框架名:<教師-1>類屬:<大學(xué)教師>姓名:李明性別:男年齡:25職業(yè):教師職稱:助教專業(yè):計(jì)算機(jī)應(yīng)用部門:計(jì)算機(jī)系軟件教研室工作:參加工作時(shí)間:1995年8月

工齡:當(dāng)前年份-參加工作年份

工資:<工資單>前者描述的是一個(gè)概念，后者描述的那么是一個(gè)具體的事物。二者的關(guān)系是，后者是前者的一個(gè)實(shí)例。因此，后者一般稱為前者的實(shí)例框架。這就是說，這兩個(gè)框架之間存在一種層次關(guān)系。一般稱前者為上位框架〔或父框架〕，后者為下位框架〔或子框架〕。當(dāng)然，上位和下位是相對而言的。例如“大學(xué)教師〞雖然是“教師-1〞的上位框架，但它卻是“教師〞框架的下位框架，而“教師〞又是“知識分子〞的下位框架。7.1.2框架的表達(dá)能力框架適合表達(dá)結(jié)構(gòu)性知識概念、對象等知識最適用于用框架表示框架的槽是對象的屬性或狀態(tài)框架的值是屬性值或狀態(tài)值框架還可以表示行為〔動(dòng)作〕，過程性事件或情節(jié)也可用框架表示例7.4

下面是關(guān)于房間的框架:框架名:<房間>墻數(shù)x1:

缺省:x1=4

條件:x1>0窗數(shù)x2:

缺省:x2=2

條件:x2≥0門數(shù)x3:

缺省:x3=1

條件:x3>0前墻:(墻框架(w1，d1))后墻:(墻框架(w2，d2))左墻:(墻框架(w3，d3))右墻:(墻框架(w4，d4))天花板:<天花板框架>地板:<地板框架>門:<門框架>窗:<窗框架>條件:w1+w2+w3+w4=x2

d1+d2+d3+d4=x3類型:(<辦公室>，<教室>，<會(huì)客室>，<臥室>，<廚房>，<倉庫>，…)例7.5機(jī)器人糾紛問題的框架描述如圖7-1所示。圖7―1機(jī)器人糾紛問題還需指出的是，產(chǎn)生式規(guī)那么也可用框架表示。例如，產(chǎn)生式如果頭痛且發(fā)燒，那么患感冒。用框架表示可為：框架名：<診斷1>前提：條件1:頭痛條件2:發(fā)燒結(jié)論:患感冒例1：試實(shí)現(xiàn)一個(gè)“大學(xué)教師〞的框架，大學(xué)教師類屬于教師，包括以下屬性：學(xué)歷〔學(xué)士、碩士、博士〕、專業(yè)〔計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、……〕、職稱〔助教、講師、副教授、教授〕解：框架名：<大學(xué)教師>

類屬：<教師>

學(xué)歷：(學(xué)士、碩士、博士)

專業(yè)：(計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、…..)

職稱：(助教、講師、副教授、教授)

例2：【虛擬新華社3月16日電】昨日，沙塵暴襲擊韓國漢城，機(jī)場與高速公路被迫關(guān)閉，造成的損失不詳。韓國官方示，如果需要直接損失情況，可待一周后的官方公布的字。此次沙塵暴起因中日韓專家認(rèn)為是由于中國內(nèi)蒙古區(qū)過分墾牧破壞植被所致。解：框架名：<沙塵暴>

時(shí)間：3月15日

地點(diǎn)：韓國漢城

損失：不詳

起因：中國內(nèi)蒙古區(qū)例3：假設(shè)有以下一段天氣預(yù)報(bào)：“北京地區(qū)今天白天晴，偏北風(fēng)3級，最高氣溫12o，最低氣溫-2o，降水概率15%。〞請用框架表示這一知識。解：Frame<天氣預(yù)報(bào)>

地域：北京時(shí)段：今天白天天氣：晴風(fēng)向：偏北風(fēng)力：3級氣溫：最高：12度

最低：-2度降水概率：15%

由一組程序構(gòu)成由框架網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成知識庫框架推理機(jī)用框架表示的知識系統(tǒng)7.1.3基于框架的推理

7.1.3基于框架的推理

基于框架的推理方法是繼承。就是子框架可以擁有其父框架的槽及槽值。實(shí)現(xiàn)繼承的操作有：匹配將問題框架同知識庫中的框架的模式匹配。搜索沿著框架間的縱向和橫向聯(lián)系，在框架網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行查找。填槽問題框架同某一框架匹配時(shí)，可以通過它的父框架來將它的空槽值填上?？蚣苊?〈教師-1〉姓名:李明性別:男年齡:25職稱:助教專業(yè):計(jì)算機(jī)應(yīng)用部門:計(jì)算機(jī)系軟件教研室外語水平：

顯然,原框架“教師-1〞中無“外語水平〞槽,但它的父框架是“大學(xué)教師〞,該框架內(nèi)有“外語水平〞槽,并且側(cè)面“語種〞(“范圍〞)缺省值是“英〞,側(cè)面“水平〞的缺省值是“良〞。于是通過繼承,便知道了“教師-1〞懂英語,且水平還良好。那么,這兩個(gè)值也就可以填到“教師-1〞的槽中。語義網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)和有向邊組成的有向圖。節(jié)點(diǎn)表示事物、對象、概念、行為、性質(zhì)、狀態(tài)等。有向邊表示節(jié)點(diǎn)之間的某種聯(lián)系或關(guān)系。語義網(wǎng)絡(luò)的級別劃分為五個(gè)級別：執(zhí)行級、邏輯級、認(rèn)識論級、概念級和語言學(xué)級。并分為七種類型：(1)命題語義網(wǎng)〔包括分塊聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)〕；(2)數(shù)據(jù)語義網(wǎng)：以數(shù)據(jù)為中心的語義網(wǎng)絡(luò)；(3)語言語義網(wǎng)：用于自然語言的分析和理解；(4)結(jié)構(gòu)語義網(wǎng)：描述客觀事物的結(jié)構(gòu)，常見于模式識別和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域；(5)分類語義網(wǎng)：描述抽象概念及其層次；(6)推理語義網(wǎng)：是一種命題網(wǎng)，但它已在某種程度上標(biāo)準(zhǔn)化，更適于推理；(7)框架語義網(wǎng)：與框架相結(jié)合的語義網(wǎng)。7.2語義網(wǎng)絡(luò)圖7―2蘋果的語義網(wǎng)絡(luò)水果甜北方蘋果日本富士秦冠陜西國家脆甜高產(chǎn)中國西部營養(yǎng)味道富有引進(jìn)于是一個(gè)特點(diǎn)特點(diǎn)位于產(chǎn)于是一種是一種產(chǎn)于是一種圖7―3專家系統(tǒng)的語義網(wǎng)絡(luò)所以，抽象地說，語義網(wǎng)絡(luò)可表示事物之間的關(guān)系。因此，關(guān)系〔或聯(lián)系〕型的知識和能化為關(guān)系型的知識都可以用語義網(wǎng)絡(luò)來表示。7.2.2語義網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力由語義網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，語義網(wǎng)絡(luò)不僅可以表示事物的屬性、狀態(tài)、行為等，而且更適合于表示事物之間的關(guān)系和聯(lián)系。1.實(shí)例關(guān)系實(shí)例關(guān)系表示類與其實(shí)例〔個(gè)體〕之間的關(guān)系。其中，關(guān)系“是一個(gè)〞一般標(biāo)識為“is-a〞，或ISA。小華大學(xué)生是一個(gè)ISA2.分類〔或附屬、泛化〕關(guān)系分類關(guān)系是指事物間的類屬關(guān)系。其中，關(guān)系“是一種〞一般標(biāo)識為“akindof〞或AKO。動(dòng)物水羽毛魚鳥草魚鯊魚鸚鵡鴕鳥飛水草AKOAKOAKOAKOAKOAKO不會(huì)吃有生活于3.組裝關(guān)系如果下層概念是上層概念的一個(gè)方面或者一局部，那么稱它們的關(guān)系是組裝關(guān)系。其中，關(guān)系“一局部〞一般標(biāo)識為“a-part-of〞。桌子桌腿桌面一局部一局部

4.屬性關(guān)系

屬性關(guān)系表示對象的屬性及其屬性值。例如，圖7―7表示simon是一個(gè)人，男性，40歲，職業(yè)是教師。5.集合與成員關(guān)系意思是“是……的成員〞，它表示成員〔或元素〕與集合之間的關(guān)系。例如，“張三是計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)員〞可表示為以下圖。其中，關(guān)系“是成員〞一般標(biāo)識為“a-member-of〞。張三計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)是成員6.邏輯關(guān)系如果一個(gè)概念可由另一個(gè)概念推出，兩個(gè)概念間存在因果關(guān)系，那么稱它們之間是邏輯關(guān)系。雨天外出ANDOR帶雨披帶雨傘則

7.方位關(guān)系在描述一個(gè)事物時(shí)，經(jīng)常需要指出它發(fā)生的時(shí)間、位置，或者指出它的組成、形狀等等，此時(shí)可用相應(yīng)的方位關(guān)系語義網(wǎng)絡(luò)表示。例如事實(shí)：張宏是石油學(xué)院的一名助教；石油學(xué)院位于西安市電子二路；張宏今年25歲。電子2路石油學(xué)院張宏助教西安市區(qū)25歲位于工作在職務(wù)屬于年齡狗尾巴have8.所屬關(guān)系所屬關(guān)系表示“具有〞的意思。例如“狗有尾巴〞可表示為以下圖。例如，對于如下的語句(或事件)：小王送給小李一本書。用語義網(wǎng)絡(luò)可表示為以下圖，其中S代表整個(gè)語句。這種表示被稱為是自然語言語句的深層結(jié)構(gòu)表示。

語義網(wǎng)絡(luò)也能表示用謂詞公式表示的形式語言語句。例如：x(student(x)∧read(x，三國演義))即“某個(gè)學(xué)生讀過《三國演義》〞，其語義網(wǎng)絡(luò)表示為以下圖。又如：

x(student(x)→read(x,三國演義))

即“每個(gè)學(xué)生讀過《三國演義》〞,其語義網(wǎng)絡(luò)表示為圖7-14。〔1〕樹和草都是植物〔2〕樹和草都有葉和根〔3〕胡途是思源公司的經(jīng)理，他35歲，住在飛天胡同68號〔4〕清華大學(xué)與北京大學(xué)進(jìn)行藍(lán)球比賽，最后以89：102的比分結(jié)束〔5〕畫出以下知識的語義網(wǎng)絡(luò)：“籍貫為湖南的張山在信息學(xué)院讀書，該學(xué)校位于健翔橋附近，該校由計(jì)算機(jī)系、信息系和通信系組成。〞練習(xí)：習(xí)題七P150.4練習(xí)：習(xí)題七5(1):海浪把軍艦輕輕地?fù)u5(2):李老師從第一周到第十周給計(jì)算機(jī)1班上人工智能課。7.2.3基于語義網(wǎng)絡(luò)的推理基于語義網(wǎng)絡(luò)的推理也是繼承。繼承也是通過匹配、搜索實(shí)現(xiàn)的。問題求解時(shí)：1.根據(jù)待求問題的要求構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)片斷；2.在知識庫中查找可與之匹配的語義網(wǎng)絡(luò)；3.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)片斷中的詢問局部與知識庫中的某網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)匹配時(shí)，那么與詢問處相匹配的事實(shí)，就是問題的解。圖7―15語義網(wǎng)絡(luò)片段蘋果x富士

特點(diǎn)AKO7.2.4語義網(wǎng)絡(luò)的程序語言實(shí)現(xiàn)由于語義網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)二元關(guān)系圖，所以用PROLOG可方便地實(shí)現(xiàn)語義網(wǎng)絡(luò)知識表示。例如，圖7―1所示的語義網(wǎng)絡(luò)用PROLOG可表示如下:

a--kind--of("蘋果"，"水果").

taste("蘋果"，"甜").

a--kind--of("富士"，"蘋果").

intro--from("富士"，"日本").

is--a("日本"，"亞洲國家").a--kind--of("秦冠"，"蘋果").produ--in("秦冠"，"陜西").is--located--at("陜西"，"中國西部").a--part--of("中國西部"，"中國").………

也可以表示為arc(a--kind--of，"蘋果"，"水果").arc(taste，"蘋果"，"甜").arc(a--kind--of，"富士"，"蘋果").arc(intro--from，"富士"，"日本").arc(is--a，"日本"，"亞洲國家").arc(a--kind--of，"秦冠"，"蘋果").arc(produ--in，"秦冠"，"陜西").arc(is--located--at，"陜西"，"中國西部").arc(a--part--of，"中國西部"，"中國").………當(dāng)然，我們也可以將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)片段組織在一個(gè)事實(shí)中。例如：net1(a--kind--of(“蘋果〞，“水果〞)，taste(“蘋果〞，“甜〞)，a--kind--of(“秦冠〞，“蘋果〞)，produ--in("秦冠"，"陜西")).7.3面向?qū)ο笾R表示近年來，面向?qū)ο蠹夹g(shù)蓬勃興起。在知識表示領(lǐng)域那么出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮闹R表示方法。面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的核心概念是對象和類。對象可以泛指一切事物，類那么是一類對象的抽象模型。反之，一個(gè)對象是其所屬類的實(shí)例。通常，在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言中，只給出類的定義，其對象由類生成。類的定義中就說明了所轄對象的共同特征〔屬性、狀態(tài)等〕和行為。特征用變量表示，行為那么是作用于這些特征和作用于對象的一組操作，如函數(shù)、過程等。這些操作一般稱為方法。這樣，一個(gè)類將其對象所具有的共同特征和操作組織在一起，統(tǒng)一進(jìn)行定義，以供全體對象共享。即當(dāng)給類中的特征變量賦予一組值時(shí)，那么這組值連同類中的方法，就構(gòu)成了一個(gè)具體的對象。

例7.6

下面是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言C++中一個(gè)雇員類和經(jīng)理類的定義。

classEmployee{privite:char*Name;intAge;intSalary;=public:Employee(char*name，intage，intsalary);~Employee();};Employee∷Employee(ch