人工智能 第6章 知识表示.ppt

第6章知识表示 6 1知识及其表示6 2框架6 3语义网络6 4面向对象知识表示 6 1知识及其表示 6 1 1知识的概念究竟什么是知识呢 我们认为 知识就是人们对客观事物 包括自然的和人造的 及其规律的认识 知识还包括利用客观规律解决实际问题的方法和策略 对客观事物及其规律的认识 包括对事物的现象 本质 属性 状态 关系 联系和运动等的认识 即对客观事物的原理的认识 利用客观规律解决实际问题的方法和策略 包括解决问题的步骤 操作 规则 过程 技术 技巧等具体的微观性方法 也包括诸如战术 战略 计谋 策略等宏观性方法 所以 就内容而言 知识可分为 客观 原理性知识和 主观 方法性知识两大类 就形式而言 知识可分为显式的和隐式的 6 1 2知识表示面向计算机的知识描述或表达形式和方法 面向人的知识表示可以是语言 文字 数字 符号 公式 图表 图形 图像等多种形式 这些表示形式是人所能接受 理解和处理的形式 但面向人的这些知识表示形式 目前还不能完全直接用于计算机 因此就需要研究适于计算机的知识表示模式 具体来讲 就是要用某种约定的 外部 形式结构来描述知识 而且这种形式结构还要能够转换为机器的内部形式 使得计算机能方便地存储 处理和利用 6 1 3知识表示的语言实现上面谈的知识表示仅指知识的逻辑结构或形式 要把这些外部的逻辑形式转化为机器的内部形式 还需要程序语言支持 原则上讲 一般的通用程序设计语言都可实现上述的大部分表示方法 但使用专用的面向某一知识表示的语言更为方便和有效 因此 几乎每一种知识表示方法都有其相应的专用实现语言 例如 支持谓词逻辑的语言有PROLOG和LISP 专门支持产生式的语言有OPS5 专门支持框架的语言有FRL 支持面向对象表示的语言有Smalltalk C 和Java等 支持神经网络表示的语言有AXON 6 2框架 6 2 1框架的概念框架是一种结构模式 其一般形式是 其中槽值和侧面值可以是数值 字符串 布尔值 也可以是一个动作或过程 甚至还可以是另一个框架的名字 例6 1一个描述 教师 的框架 框架名 类属 工作 范围 教学 科研 缺省 教学 性别 男 女 学历 中师 高师 类型 可以看出 这个框架的名字为 教师 它含有5个槽 槽名分别是 类属 工作 性别 学历 和 类型 这些槽名的右面就是其值 如 男 女 高师 中师 等等 其中 又是一个框架名 范围 缺省 就是侧面名 其后是侧面值 如 教学 科研 等 用括的槽值也是框架名 例6 2一个描述 大学教师 的框架 框架名 类属 学历 学士 硕士 博士 专业 职称 助教 讲师 副教授 教授 外语 语种 范围 英 法 日 俄 德 缺省 英水平 优 良 中 差 缺省 良 描述一个具体教师的框架 框架名 类属 姓名 李明性别 男年龄 25学历 博士职称 助教专业 计算机应用外语 英水平 良部门 计算机系软件教研室工作 参加工作时间 1995年8月工龄 当前年份 参加工作年份工资 可以看出 两个框架之间存在一种层次关系 一般称前者为上位框架 或父框架 后者为下位框架 或子框架 当然 上位和下位是相对而言的 6 2 2框架的表达能力由框架的形式可以看出 框架适合表达结构性的知识 所以 概念 对象等知识最适于用框架表示 其实 框架的槽就是对象的属性或状态 槽值就是属性值或状态值 框架还可以表示行为 动作 所以 有些过程性事件或情节也可用框架网络来表示 例6 4关于房间的框架 框架名 墙数x1 缺省 x1 4条件 x1 0窗数x2 缺省 x2 2条件 x2 0门数x3 缺省 x3 1条件 x3 0 前墙 墙框架 w1 d1 后墙 墙框架 w2 d2 左墙 墙框架 w3 d3 右墙 墙框架 w4 d4 天花板 地板 门 窗 条件 w1 w2 w3 w4 x2d1 d2 d3 d4 x3类型 例6 5机器人纠纷问题的框架描述 图6 1机器人纠纷问题 产生式规则也可用框架表示 例 产生式如果头痛且发烧 则患感冒 用框架表示可为 框架名 前提 条件1 头痛条件2 发烧结论 患感冒 6 2 3基于框架的推理基于框架的推理方法是继承 子框架可以拥有其父框架的槽及其槽值 实现继承的操作有匹配 搜索和填槽 匹配 问题框架同知识库中的框架模式匹配 所谓问题框架 就是要求解某个问题时 先把问题用一个框架表示出来 然后与知识库中的已有框架进行匹配 如果匹配成功 就可获得有关信息 搜索就是沿着框架间的纵向和横向联系 在框架网络中进行查找 搜索的目的是为了获得有关信息 6 2 4框架的程序语言实现PROLOG可方便地实现框架 用PROLOG实现框架表示 一般采用含结构或表的谓词来实现 因为框架实际上就是树 而PROLOG的结构也是树 表的元素个数和层数都不限定 可动态变化 因此 更适于表示一般的框架 例如 前面的 教师 框架用PROLOG可表示如下 frame name 教师 kind of work scope 教学 科研 default 教学 sex 男 女 reco of f s 中师 高师 type 框架的通用表示形式参考 其中的subtreelist是递归定义的 按此定义所有框架都取统一的表示形式 domainsname name string body body subtreelist subtreelist subtree subtree st string subtreelist databaseframe name body clausesframe name 教师 body st 类属 st st 工作 st 范围 st 教学 st 科研 st 缺省 st 教学 st 性别 st 男 st 女 st 学历 st 中师 st 高师 st 类型 st st st 6 3语义网络 6 3 1语义网络的概念语义网络是由节点和边 也称有向弧 组成的一种有向图 其中节点表示事物 对象 概念 行为 性质 状态等 有向边表示节点之间的某种联系或关系 例如图是一个语义网络 其中 边上的标记是边的语义 图6 2苹果的语义网络 语义网络的概念最先由Quillian提出来的 1968年 博士论文 把语义网络作为人类联想记忆的一个显式心理模型 所以 语义网络也称联想网络 语义网络可以划分为五个级别 执行级 逻辑级 认识论级 概念级和语言学级 七种类型 1 命题语义网 包括分块联想网络 2 数据语义网 以数据为中心的语义网络 3 语言语义网 用于自然语言的分析和理解 4 结构语义网 描述客观事物的结构 常见于模式识别和机器学习等领域 5 分类语义网 描述抽象概念及其层次 6 推理语义网 是一种命题网 但它已在某种程度上规范化 更适于推理 7 框架语义网 与框架相结合的 6 3 2语义网络的表达能力语义网络不仅可以表示事物的属性 状态 行为等 而且更适合于表示事物之间的关系和联系 而表示一个事物的层次 状态 行为的语义网络 也可以看作是该事物与其属性 状态或行为的一种关系 抽象地说 语义网络可表示事物之间的关系 因此 关系 或联系 型的知识和能化为关系型的知识都可以用语义网络来表示 1 实例关系实例关系表示类与其实例 个体 之间的关系 这是最常见的一种语义关系 例如 小华是一个大学生 就可表示为图6 4 其中 关系 是一个 一般标识为 is a 或ISA 2 分类 或从属 泛化 关系分类关系是指事物间的类属关系 图6 5就是一个描述分类关系的语义网络 其中下层概念节点除了可继承 细化 补充上层概念节点的属性外 还出现了变异的情况 鸟是鸵鸟的上层概念节点 其属性是 有羽毛 会飞 但鸵鸟的属性只是继承了 有羽毛 这一属性 而把鸟的 会飞 变异为 不会飞 其中 关系 是一种 一般标识为 akindof 或AKO 3 组装关系如果下层概念是上层概念的一个方面或者一部分 则称它们的关系是组装关系 例如图6 6所示的语义网络就是一种聚集关系 其中 关系 一部分 一般标识为 apartof 桌子 桌腿 桌面 一部分 apartof 4 属性关系属性关系表示对象的属性及其属性值 如图表示simon是一个人 男性 40岁 职业是教师 张三 计算机学会 是成员 5 集合与成员关系意思是 是 的成员 它表示成员 或元素 与集合之间的关系 例如 张三是计算机学会会员 其中 关系 是成员 一般标识为 a member of 6 逻辑关系如果一个概念可由另一个概念推出 两个概念间存在因果关系 则称它们之间是逻辑关系 图6 9所示的语义网络就是一个逻辑关系 7 方位关系在描述一个事物时 经常需要指出它发生的时间 位置 或者指出它的组成 形状等等 此时可用相应的方位关系语义网络表示 例如事实 张宏是石油学院的一名助教 石油学院位于西安市电子二路 张宏今年25岁 8 所属关系所属关系表示 具有 的意思 例如 狗有尾巴 图6 11表示所属关系的语义网络 狗 尾巴 have 语义网络中的语义关系是多种多样的 一般根据实际关系定义 如常见的还有before after at等表示时间次序关系和located on located under等表示位置关系 进一步 还可对带有全称量词和存在量词的谓词公式的语义加以表示 语义网络实际上是一种复合的二元关系图 网络中的一条边就是一个二元关系 而整个网络可以看作是由这些二元关系拼接而成 还可以从语句角度来考察语义网 例如 对于如下的语句 或事件 小王送给小李一本书 用语义网络可表示如图 其中S代表整个语句 这种表示被称为是自然语言语句的深层结构表示 语义网络表示用谓词公式表示的形式语言语句 例如 x student x read x 三国演义 即 某个学生读过 三国演义 其语义网络表示为 分块语义网络 每个学生都读过 三国演义 其语义网络表示为 6 3 3基于语义网络的推理基于语义网络的推理也是继承 继承也是通过匹配 搜索实现的 问题求解时 首先根据待求问题的要求构造一个网络片断 然后在知识库中查找可与之匹配的语义网络 当网络片断中的询问部分与知识库中的某网络结构匹配时 则与询问处匹配的事实 就是问题的解 语义网络片段 6 3 4语义网络的程序语言实现由于语义网络是一个二元关系图 所以用PROLOG可方便地实现语义网络知识表示 例如 图6 1所示的语义网络用PROLOG可表示如下 a kind of 苹果 水果 taste 苹果 甜 a kind of 富士 苹果 intro from 富士 日本 is a 日本 亚洲国家 a kind of 秦冠 苹果 produ in 秦冠 陕西 is located at 陕西 中国西部 a part of 中国西部 中国 也可以表示为arc a kind of 苹果 水果 arc taste 苹果 甜 arc a kind of 富士 苹果 arc intro from 富士 日本 arc is a 日本 亚洲国家 arc a kind of 秦冠 苹果 arc produ in 秦冠 陕西 arc is located at 陕西 中国西部 arc a part of 中国西部 中国 也可以将一个网络或网络片段组织在一个事实中 例如 net1 a kind of 苹果 水果 taste 苹果 甜 a kind of 秦冠 苹果 produ in 秦冠 陕西 6 4面向对象知识表示 近年来 在知识表示领域则出现了面向对象的知识表示方法 面向对象技术中的核心概念是对象和类 对象可以泛指一切事物 类则是一类对象的抽象模型 反之 一个对象是其所属类的实例 通常 在面向对象的程序设计语言中 只给出类的定义 其对象由类生成 类的定义中就说明了所辖对象的共同特征 属性 状态等 和行为 特征用变量表示 行为则是作用于这些特征和作用于对象的一组操作 如函数 过程等 这些操作一般称为方法 这样 一个类将其对象所具有的共同特征和操作组织在一起 统一进行定义 以供全体对象共享 即当给类中的特征变量赋予一组值时 则这组值连同类中的方法 就构成了一个具体的对象 例C 中一个雇员类和经理类的定义 classEmployee privite char Name intAge intSalary public Employee char name intage intsalary Employee voidChange intage intsalary voidRetire Employee Employee char name intage intsalary Name newchar strlen name strcpy Name name Age age Salary salary Employee Employee deleteName VoidEmployee Change intage intsalary Age age Salary salary VoidEmployee Retire if Age 60 deletethis 以上是雇员类的定义 用此定义就可生成一个雇员类的实例 即雇员对象 例如下面的语句Employeee1 李明 30 生成一个名为李明 年龄为30岁的雇员 经理类的定义 ClassManager publicEmployee I