第2章知識(shí)表示

第二章知識(shí)表示人工智能概論目錄產(chǎn)生式表示法一階謂詞邏輯知識(shí)與知識(shí)表示人工智能相關(guān)概念框架表示法知識(shí)與知識(shí)表示知識(shí)一般來說，知識(shí)是信息接收者通過對(duì)信息的提煉和推理而獲得的正確結(jié)論，是人對(duì)自然世界、人類社會(huì)及思維方式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)與掌握，是人的大腦通過思維重新組合和系統(tǒng)化的信息集合。人工智能基礎(chǔ)知識(shí)的特性在知識(shí)表示中，知識(shí)是指以某種結(jié)構(gòu)化的方式表示的概念、事件和過程。知識(shí)的特性包括如下幾方面。①相對(duì)正確性：②不確定性：③可表示性與可利用性：知識(shí)是人類對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)的結(jié)晶，并且受到長期實(shí)踐的檢驗(yàn)。因此任何知識(shí)都是在一定的條件及環(huán)境下產(chǎn)生的，只有在這種特定的條件及環(huán)境下才是正確的。知識(shí)是人類對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)的結(jié)晶，并且受到長期實(shí)踐的檢驗(yàn)。因此任何知識(shí)都是在一定的條件及環(huán)境下產(chǎn)生的，只有在這種特定的條件及環(huán)境下才是正確的。知識(shí)的可表示性指用適當(dāng)?shù)男问剑ㄈ缬谜Z言、文字、圖形、圖像、音頻、視頻、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、概率圖模型等）表示知識(shí)；知識(shí)的可利用性指知識(shí)可以被利用。、知識(shí)表示是指對(duì)知識(shí)的一種描述或一組約定，是一種計(jì)算機(jī)可接受的用于描述知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一般而言，對(duì)知識(shí)表示有如下要求：知識(shí)與知識(shí)表示（1）具有表示能力。能夠?qū)栴}求解所需的知識(shí)正確、有效地表達(dá)出來。（2）可理解。所表達(dá)的知識(shí)簡單明了，易于理解。（3）可訪問。能夠有效地利用所表達(dá)的知識(shí)。知識(shí)表示的方法按其表示的特征可分為敘述性知識(shí)表示和過程性知識(shí)表示敘述性知識(shí)表示方法將知識(shí)的表示和知識(shí)的運(yùn)用分開處理，在表示知識(shí)時(shí)不涉及如何運(yùn)用知識(shí)的問題。過程性知識(shí)表示方法將知識(shí)的表示和知識(shí)的運(yùn)用結(jié)合起來，知識(shí)包含于程序中，如關(guān)于一個(gè)倒置矩陣的程序就隱含了倒置矩陣的知識(shí)，使知識(shí)與應(yīng)用它的程序緊密地融合在一起，難以分離。命題為了使機(jī)器具有邏輯思維能力，就需要使用一種語言將思想或概念形式化表達(dá)。命題邏輯與謂詞邏輯是較先應(yīng)用于人工智能的兩種邏輯，在知識(shí)的形式化表示方面，特別是定理的自動(dòng)證明方面，發(fā)揮了重要作用，在人工智能的發(fā)展史中也占有重要地位。一階謂詞邏輯命題就是具有真假意義的陳述句，如“今天下雨。”命題類型原子命題不能被分解成更為簡單的陳述句，可以理解為不包含任何邏輯聯(lián)結(jié)詞的命題。復(fù)合命題由聯(lián)結(jié)詞、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和原子命題等復(fù)合構(gòu)成的命題。命題的語法一階謂詞邏輯命題邏輯的符號(hào)包括如下幾種：（1）命題常元：True(T)和False(F)。（2）命題符號(hào)：P、Q、R、T等。（3）聯(lián)結(jié)詞：?、∧、∨、→、?。（4）括號(hào)：（）。命題邏輯主要使用上述5個(gè)聯(lián)結(jié)詞，通過這些聯(lián)結(jié)詞，可以由簡單的命題構(gòu)成復(fù)雜的復(fù)合命題。謂詞一階謂詞邏輯謂詞（predicate），指在原子命題中用以描述個(gè)體的性質(zhì)或個(gè)體間關(guān)系的部分。謂詞的一般形式

謂詞語法

謂詞公式一階謂詞邏輯在一階謂詞邏輯中，稱Teacher(father(Wang))中的father(Wang)為項(xiàng)。定義1：項(xiàng)可遞歸定義如下。

一階謂詞邏輯定義3：一階謂詞邏輯合式公式（可簡稱公式）可遞歸定義如下。

一階謂詞邏輯一階謂詞邏輯知識(shí)表示方法一階謂詞邏輯表示法在形式上和人類自然語言非常接近，表達(dá)較為精確且自然，但表示能力差，只能表達(dá)確定性知識(shí)，對(duì)于過程性和非確定性知識(shí)的表達(dá)有限。另外，知識(shí)之間是相互獨(dú)立的，知識(shí)與知識(shí)之間缺乏關(guān)聯(lián)，使得實(shí)施知識(shí)管理相對(duì)困難。一階謂詞邏輯表示法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）嚴(yán)密：可以保證演繹推理結(jié)果的正確性，可以較精確地表達(dá)知識(shí)。（2）自然：表現(xiàn)方式和人類自然語言非常接近。（3）通用：擁有通用的邏輯演算方法和推理規(guī)則。（4）知識(shí)易于表達(dá)：對(duì)邏輯的某些外延進(jìn)行擴(kuò)展后，可以把大部分確定性知識(shí)表達(dá)成一階謂詞邏輯的形式。（5）易于實(shí)現(xiàn)：表示的知識(shí)易于模塊化，便于知識(shí)的增加、刪除及修改，便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：（1）效率低：一方面，由于推理是根據(jù)形式邏輯進(jìn)行的，把推理演算和知識(shí)含義截然分開，拋棄了表達(dá)內(nèi)容所含的語義信息，往往會(huì)造成推理過程太冗長，降低系統(tǒng)效率；另一方面，謂詞表示越細(xì)，表達(dá)越清楚，推理越慢，效率越低。（2）靈活性差：不便于表達(dá)和加入啟發(fā)性知識(shí)和元知識(shí)，不便于表達(dá)不確定性知識(shí)。（3）組合爆炸：在推理過程中，隨著事實(shí)數(shù)目的增大及盲目地使用推理規(guī)則，有可能產(chǎn)生組合爆炸。產(chǎn)生式表示法

、產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成把一組產(chǎn)生式放在一起，讓它們互相配合，協(xié)同作用，一個(gè)產(chǎn)生式生成的結(jié)論可以供另一個(gè)產(chǎn)生式作為已知事實(shí)使用，以求得問題的解，這樣的系統(tǒng)稱為產(chǎn)生式系統(tǒng)。一般來說，一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)由規(guī)則庫、綜合數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)3部分組成。規(guī)則庫用于描述相應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的產(chǎn)生式集合稱為規(guī)則庫。綜合數(shù)據(jù)庫綜合數(shù)據(jù)庫又稱為事實(shí)庫、上下文、黑板等，它是用于存放問題求解過程中各種當(dāng)前信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)又稱為推理機(jī)。它由一組程序組成，負(fù)責(zé)整個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)問題的求解。產(chǎn)生式表示法產(chǎn)生式表示法的優(yōu)點(diǎn)（1）自然性。產(chǎn)生式表示法用“IF……，THEN……”的形式表示知識(shí)，這是人們常用的一種表達(dá)因果關(guān)系的知識(shí)表示形式，既直觀、自然，又便于進(jìn)行推理。產(chǎn)生式表示法才成為人工智能中最重要且應(yīng)用最廣的一種知識(shí)表示方法。（2）模塊性。產(chǎn)生式是規(guī)則庫中最基本的知識(shí)單元，它們同控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，而且每條規(guī)則都具有相同的形式。這樣就便于對(duì)其進(jìn)行模塊化處理，為知識(shí)的增、刪、改帶來了方便，為規(guī)則庫的建立和擴(kuò)展提供了可管理性。（3）有效性。產(chǎn)生式表示法既可表示確定性知識(shí)，又可表示不確定性知識(shí)；既有利于表示啟發(fā)式知識(shí)，又可方便地表示過程性知識(shí)。目前已建造成功的專家系統(tǒng)大部分用產(chǎn)生式來表達(dá)其過程性知識(shí)。（4）清晰性。產(chǎn)生式有固定的格式。每一條產(chǎn)生式規(guī)則都由前提與結(jié)論（操作）兩部分組成，而且每一部分所含的知識(shí)量都比較少。這樣既便于對(duì)規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，又易于對(duì)規(guī)則庫中知識(shí)的一致性及完整性進(jìn)行檢測。產(chǎn)生式表示法的缺點(diǎn)（1）工作效率不高。產(chǎn)生式系統(tǒng)求解問題的過程是反復(fù)進(jìn)行“匹配—沖突消解—執(zhí)行”的過程。由于規(guī)則庫一般都比較龐大，而匹配又是一件十分費(fèi)時(shí)的工作，因此其工作效率不高。而且，大量的產(chǎn)生式規(guī)則容易引起組合爆炸。（2）不能表達(dá)具有結(jié)構(gòu)性的知識(shí)。產(chǎn)生式適合表達(dá)具有因果關(guān)系的過程性知識(shí)，是一種非結(jié)構(gòu)化的知識(shí)表示方法，所以對(duì)具有結(jié)構(gòu)關(guān)系的知識(shí)無能為力，不能把具有結(jié)構(gòu)關(guān)系的事物間的區(qū)別與聯(lián)系表示出來。產(chǎn)生式表示法適合表示的知識(shí)（1）由許多相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)元組成的領(lǐng)域知識(shí)，各知識(shí)元彼此關(guān)系不密切，不存在結(jié)構(gòu)關(guān)系。例如化學(xué)反應(yīng)方面的知識(shí)。（2）具有經(jīng)驗(yàn)性及不確定性的知識(shí)，而且相關(guān)領(lǐng)域中對(duì)這些知識(shí)沒有嚴(yán)格、統(tǒng)一的理論。例如醫(yī)療診斷、故障診斷等方面的知識(shí)。（3）一個(gè)領(lǐng)域問題的求解過程可表示為一系列相對(duì)獨(dú)立的操作，而且每個(gè)操作可表示為一條或多條產(chǎn)生式規(guī)則。產(chǎn)生式表示法框架表示法人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的認(rèn)識(shí)都是以一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在記憶中的。當(dāng)面對(duì)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)?？蚣鼙硎痉ㄊ且环N結(jié)構(gòu)化的知識(shí)表示方法，現(xiàn)已在多種系統(tǒng)中得到應(yīng)用。框架的一般結(jié)構(gòu)：框架是一種表示某一類情景的結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？蚣苡擅枋鍪挛锏母鱾€(gè)方面的槽組成，每個(gè)槽可有若干個(gè)側(cè)面。一個(gè)槽用于描述所討論對(duì)象的某一方面的屬性，一個(gè)側(cè)面用于描述相應(yīng)屬性的一個(gè)方面。槽和側(cè)面所具有的值分別稱為槽值和側(cè)面值。槽值可以是邏輯的、數(shù)字的，可以是程序、條件、默認(rèn)值或一個(gè)子框架。槽值含有如何使用框架信息、下一步可能發(fā)生的事的信息、預(yù)計(jì)未實(shí)現(xiàn)時(shí)該如何做的信息等。一個(gè)框架通常由框架名、槽名、側(cè)面和值4個(gè)部分組成。一個(gè)框架可以有多個(gè)槽；一個(gè)槽可以有多個(gè)側(cè)面；一個(gè)側(cè)面可以有多個(gè)側(cè)面值。人工智能基礎(chǔ)框架表示法框架表示法的推理形式：在使用框架表示法的知識(shí)庫中，主要有兩種活動(dòng)：一是“填槽”，即框架中包含未知內(nèi)容的槽需要填寫；二是“匹配”，根據(jù)已知事件尋找合適的框架，并將該內(nèi)容填入槽中。1、默認(rèn)推理在框架網(wǎng)絡(luò)中，各框架之間通過ISA鏈（槽）Is-aSubsumptionAssociationChain，一種包含關(guān)子鏈構(gòu)成半序的繼承關(guān)系。在填槽過程中，如果沒有特別說明，子框架的槽值將繼承父框架相應(yīng)的槽值，這稱為默認(rèn)推理。2、匹配根據(jù)已知的信息，通過與知識(shí)庫中預(yù)先存儲(chǔ)的框架進(jìn)行匹配，找出一個(gè)或幾個(gè)與該信息所提供的情況最適合的預(yù)選框架，形成初步假設(shè)，即由輸入信息激活相應(yīng)的框架；再在該框架引導(dǎo)下，進(jìn)一步收集信息；在此之后按某種評(píng)價(jià)原則，對(duì)預(yù)選的框架進(jìn)行評(píng)價(jià)，決定最后接受還是放棄預(yù)選的框架，以完成在框架引導(dǎo)下的推理。