人工智能基础-高济-25282AI-9本

人工智能基础,浙江大学计算机学院高济,3.3.结构化表示,需求：世界是复杂的充满万物，事物间存在着千丝万缕的联系,一阶谓词逻辑离散地表示事物和事物间的关系表示法效用低,结构化的手段高效和集中地描述特定的事物和事物间的关系.内容：语义网络框架表示法面向对象的表示法3.3.1.语义网络奎廉（Qquillian），1968,描述人类联想记忆的一种心理学模型,主要应用于自然语言理解系统中，表示事物之间的关系,强大和直观的表示能力，广泛应用。,3.3.1.语义网络1语义网络的一般概念,语义网络表示为描述事物间关系的有向图（图3.7）：节点事物：概念或个体；有向弧关系弧，节点间的连接；弧标签指示节点间关系：Ako超类-子类关系，Isa类-个体关系，其它任意关系Sex：性别，Register：课程的注册；关系弧只能表示二元关系；多元关系转变为多个2元关系的合取（图3.8）。Give(John,Mary,Gift),1语义网络的一般概念,表示关于事物和事物之间关系的一般性描述引入变量和量词量词的隐含表示（图3.9）：变量隐含地受全称量词的约束，存在量词约束的变量用Sklem函数或常量取代。例：John给每个人一个礼物：,1语义网络的一般概念,量词的显式表示显示全称量词及其辖域（图3.10和图3.11）：以节点GS指示所有一般性描述的集合，一般性描述的实例，以包含一常量（例如G）的节点指示，从实例节点（例如G）引出二种关系弧：带标签Form的弧指向全称量词的辖域以虚线框围出的子网，带标签的弧（可以有多个）指向全称量词的约束变量。辖域内其它变量隐含受存在量词的约束（不必Sklem化）。,图3.10“John给每个人一个礼物”的另一种语义网络表示,图3.11包含多个全称量词约束变量的语义网络表示（相应语句为“Everydoghasbitteneverypostman”）,2逻辑关系的表示,表示约定：与、或、非、蕴涵等逻辑关系；用虚线框将具有某种逻辑关系的关系弧围起来所有二元关系均用关系弧指示；附加一些特殊的标记来指示逻辑关系。逻辑“与”关系弧指示的二元关系之间隐含逻辑“与”关系；逻辑“或”虚线框上加标记DIS（disjunction）；Color(Book-1,Blue)Color(Book-1,Green)逻辑“非”虚线框上加标记NEG(negtive)；Own(Liming,Book-1)Color(Book-1,Blue),图3.12.语义网络表示逻辑“或”,图3.13语义网络表示逻辑“非”,2逻辑关系的表示,嵌套在“或”关系内的“与”关系虚线框上加标记CONJ(conjunction)：John给Mary一本书或Mary给John一件礼物。逻辑“蕴涵”用虚线连接的两个虚线框分别加标记ANTE(antecedent)和CONSE(consequent)：李明的父亲给李明的每个朋友一个礼物。,3语义网络的存储表示,分为二类：节点集，节点集加关系弧集。节点可表示为具有若干槽（slot）的数据结构：:=（Node：+）槽对应节点向外发出的关系弧，槽就取名为这些关系弧的标签，槽内容即语义网络中关系弧指向的节点。节点G1就可表示为：（NodeG1Isa:Giving-EventGiver:JohnReceiver:MaryThing:Gift）语义网络简单地就表示为这些数据结构的集合。逻辑关系的表示：逻辑关系均视为事件间的逻辑关系，每个具体的逻辑关系视为一般逻辑关系（如DIS）的实例。,4基于语义网络的推理,主要推理方式以关系弧为索引，在网络中快速搜索所需的信息。支持搜索的重要技术：层次分类：世界万物都遵从层次分类法则。Ako通过超类-子类关系，建立面向层次分类的语义网络。Isa通过类-个体关系，把个体事物关联到概念节点（视类名为概念）。优点大幅度压缩信息的重复存储，紧凑一致，易于维护节点间关系弧指示事物的属性（特性）；把个体事物的公共属性值和典型属性值存放于个体事物所属的类或超类节点中；个体事物节点本身只存放其特有的信息。特性继承支持层次分类网络的实用化：当取用不记载于个体事物节点的公共或典型特性值时，可以沿Isa和Ako关系弧（也称为链）追溯到存放这些特性值的类或超类节点。缺省推理继承缺省值（即公共或典型值）、操作功能。,4基于语义网络的推理,逻辑推理基于逻辑关系的表示；不如直接用谓词逻辑和产生式表示法来得直观和有效；综合应用不同的表示方式：以语义网络支持结构化信息的存取，谓词逻辑或产生式表示法则用于支持逻辑推理。3.3.2.框架表示法强调事物内部的结构化描述，明斯基，1975，作为理解视觉、自然语言和其它复杂行为的一种基础。较好地反映人观察事物的思维方式，表示人头脑中形成的对于熟悉事物的抽象模型。,3.3.2.框架表示法1框架的一般表示结构,由描述事物各个方面的槽（slot）组成，多侧面（aspect），多值；BNF定义如下：:=(Frame+):=(：*)与语义网络节点的表示结构相比较：表示结构接近，但更丰富，更强调表示事物的内部结构（利用框架的丰富表示结构），语义网络更强调表示事物间的关系。复杂的概念简单的个体事物的抽象模型可以通过表示概念的框架来加以定义，侧面Value、Unit、If-Added和If-Neede，个体框架的表示结构已蜕化成为一个数据库记录。,2框架系统,多个框架联合起来构成框架系统，框架的某些槽的侧面值可以是其它框架，建立起节点是框架的网络。框架系统分类：事物组成描述复杂事物的层次组成，组件间的约束和配合关系，参见图3.18；层次分类体系,参见图3.19。,3基于框架系统的推理,主要目的支持结构化信息的存取：特性继承，相容匹配。特性继承通过槽的多个侧面提供功能强大的特性继承技术：Value记载类的个体相应属性的公共值或典型值，作为缺省值；If-Needed在不可能提供统一缺省值的情况下，提供计算函数或推理知识去产生相应属性的一个值，简称执行了If-Needed操作；If-Added当给类的某个体的一个属性赋值或修改时，提供计算函数或推理知识去作必要的后继处理，包括对其它相关槽的赋值和修改处理，以及任何需要的附加处理；简称执行了If-Added操作。特性继承的实现过程由对个体框架槽的操作来激活：查询Isa和Ako链（槽），Value侧面值，If-Needed操作；赋值或修改Isa和Ako链，If-Added操作。,3基于框架系统的推理,特性继承例：If-Needed操作和If-Added操作的区别：激活的时机查询，被动；赋值和修改，主动；操作目的即时产生所需属性值；做好配套操作和消除可能的不良影响（如不一致问题）。,相容匹配框架系统作为结构化的综合数据库支持规则演绎推理、产生式系统的推理。两个框架的匹配检查往往非严格意义上的相等比较，层次分类体系和特性继承；相容匹配的方法：检查二个框架是否存在祖先-子孙关系，Isa和Ako链；分别将这二个框架各自直接记载的属性值和可继承到的缺省值都取到，属性区分为关键和非关键二类，只有关键属性都匹配的二个框架才是相容的；若搜索到多个相容的框架，非关键属性，最相容。,3.3.3面向对象的表示法,施乐（Xerox）公司，70年代，SMALLTALK；推动各种不同风格和用途的面向对象语言的研究和相继问世，C+；面向对象的技术应用于计算机科学和工程的多个领域：面向对象的编程方法学、面向对象的数据库、面向对象的软件开发环境。与框架表示法有许多相似之处，如层次分类体系和特性继承机制等。应用目标不同，实现和使用方式有较大的差别：框架表示法旨在支持知识的陈述性表示，强调事物的结构化描述和对人思维方式的模拟，注重清晰、灵活地表示事物；面向对象的表示法则强调信息（数据）的结构化处理，强调信息和信息处理的封装和程序设计的模块化，注重安全有效的信息处理和程序的易维护性。,3.4知识表示的实用化问题,从实用化的角度，知识表示的设计需权衡处理二个重要问题：知识表示的程序性和陈述性，表示能力与推理效率之间的制约关系(略)。3.4.1.程序性和陈述性知识智能体拥有的知识可以按存储方式区分为两大类；程序性知识隐含于使用它的计算机程序中，这种知识与应用它的程序紧密地融合在一起，难以分离；倒置矩阵。陈述性知识独立于应用它的程序而清晰地存储；为处理它，须另外设计专门的处理程序；工资表：修改程序、打印程序、查询程序。智能体中的陈述性知识相互独立的陈述语句形式：谓词公式、语义网络节点、框架，受限的自然语言语句。人工智能系统强调陈述性知识的表示有程序性知识无法比拟的优点：易于修改各陈述性语句相互独立，对于知识的修改不会产生副作用；而程序性知识的修改直接涉及程序的变动，显然困难得多；可应用于多重目标；易于扩展；支持自我意识。,3.4.1.程序性和陈述性知识,付出的代价导致计算开销的增大和效率的降低：解释性执行，编译执行。陈述性知识是以牺牲效率来换取灵活性。两种知识在人工智能系统中的地位，70年代，美国，大争论；两者都很重要，各有优缺点，应在实用中加以权衡。这两种知识应用的倾向如下：注重陈述性知识的开发；程序性知识的陈述化表示，规则表示的启发式知识，程序性知识；程序性知识和陈述性知识的综合，框架表示法：陈述性地表示对象的属性和对象间的关系，以附加程序（If-Needed，If-Added等）表示程序性知识。,3.5基于本体的语义知识表示,动机快速发展的因特网已经形成了支持信息和计算资源共享的全球化网络（Web）。然而，因特网上流通的大量信息是未经处理的原始数据和以自然语言表述的文档，只能供人阅读，计算机难以理解和处理。于是，语义Web技术应运而生，旨在给通过Web交换的信息内容提供语义清晰和精确的定义。这些定义形成应用域多方赞同一致的语义描述规范，并便于机器理解和操作，使得遵从语义描述规范的应用系统不需对交换的信息内容语义作特别的预先约定，就可有效实现互操作。共享本体（Ontology）关于信息内容的语义描述规范西方哲学的一个术语关于自然存在的理论人工智能研究领域对于应用域概念化的清晰说明本体是关于内容语义描述的理论（与面向句法结构的知识表示理论不同）注重概念（对象类）、概念的特性以及概念间关系（包含、约束等）的说明，这些说明构成了描述信息内容语义的术语集。,3.5.1语义知识表示和共享本体,为实现Web上信息和计算资源的共享，首先应从满足用户需求的角度描述资源的可用性；还必须制定统一的表示规范。建立表示规范的有效方式就是制定共享本体共享本体不仅规定表示的句法结构，更重要的是对句法结构的所有成分都清晰地赋予应用域赞同一致的语义；从而使可用性信息和通信内容能为应用系统正确无误地理解和处理。原则上讲，本体仅是关于信息内容语义的理论，可视为信息内容的语义知识，并不在乎表示的形式（句法）；但应用统一的语言加以表示，可以显著促进本体的制定、使用和维护。,3.5.1语义知识表示和共享本体,本体应该是对于一个共享的概念化所作的形式和清晰的说明概念化通过鉴别相关概念而形成的对于世界中某个现象的一个抽象模型，清晰这些概念及其应用约束（概念的特性和与其它概念的关系）应被显式定义，共享要求本体俘获的语义知识必须是应用域赞同一致的。本体提供了应用域信息建模所需的关于术语和关系的词汇。依据支持信息建模的通用程度，可以区分3种类型的本体：领域本体普通（常识）本体表示本体,3.5.2本体表示语言的研究,为实现对于应用域的概念化清晰说明，本体表示语言应该具有丰富而直观的表达能力，并能方便地被计算机理解。同时，本体表示语言又应满足语义Web对因特网信息交换格式（结构模式）的需求，可以归纳为以下3点：普适的表达力由于不可能预测所有潜在的应用，Web上的交换格式必须能表示任何形式的数据；句法上的互操作意指面向这种交换格式的句法分析器和API应能重用于各种不同的应用系统，以便读取交换的数据和加以利用；语义上的互操作旨在让Web上交换的数据能被接收方理解（这是对交换格式的最重要需求）；与句法互操作注重数据结构的分析不同，语义互操作强调通过定义术语（用于描述交换的数据）间的映射关系，去实现内容分析。,3.5.2本体表示语言的研究,早期的研究主要基于框架模型和谓词逻辑，现在的研究则基于图结构和采用XML语法，并逐渐收敛到RDF、DAML+OIL、OWL系列。该系列的研究依赖于自底向上的3层技术：XML（eXtensibleMarkupLanguage）其作为结构化文档描述语言，是实现语义Web的基础，并为信息内容（基于上2层技术）的网上传送提供序列化表示手段。RDF（ResourceDescriptionFramework）其作为定义和应用元数据（Metadata）的标准,提供对象属性值（Object-Attribute-Value）结构作为表示语义的基本单元。共享本体（SharedOntology）其提供对于应用域概念化的清晰说明，作为表示、理解和处理信息内容语义的公共基础。,3.5.3Web本体语言OWL,OWL（WebOntologyLanquage）建立在本体表示语言DAML+OIL基础上。于2002年推出，并在2004年成为W3C的技术标准。OWL直接建立在RDF/RDFSchema之上，与DAML+OIL兼容，逻辑结构和抽象句法也很相似，但消除了DAML+OIL存在的缺点，成为表示效益（易用、易理解）更好的流线型语言，并具有更强的推理能力。OWL将对象类（Class）和特性（Property）作为表示本体的主要成分。类通过类描述和类公理来定