人工智能第二章_知识表示.ppt

2020/6/10,1,第2章知识表示,如何表示知识是人工智能研究的一个重要议题知识表示以形式化方式表示知识；供计算机自动处理；【本章内容】2.1概述基本的知识表示方式2.2谓词逻辑表示法2.3产生式表示法2.4语义网络表示法2.5框架表示法2.6脚本2.7状态空间表示法2.8面向对象的知识表示,2020/6/10,2,2.1概述,知识表示是智能系统的重要基础，是人工智能中最活跃的研究部分之一。为了使计算机具有智能，使它能模拟人类的智能行为，就必须使它具有知识。但知识是需要用适当的模式表示出来才能存储到计算机中去的，因此关于知识的表示问题就成为人工智能中一个十分重要的研究课题。,2020/6/10,3,知识的概念知识就是人类认识自然界（包括社会和人）的精神产物，是人类进行智能活动的基础。知识按其作用可大致分为三类描述性知识。表示对象及概念的特征及其相互关系的知识，以及问题求解状况的知识，也称为事实性知识。判断性知识。表示与领域有关的问题求解知识如推理规则等，也称为启发性知识过程性知识。表示问题求解的控制策略，即如何应用判断性知识进行推理的知识。,2020/6/10,4,按照作用的层次，知识还可以分成以下两类对象级知识，直接描述有关领域对象的知识，或称为领域相关的知识。元级知识，描述对象级知识的知识，如关于领域知识的内容、特征、应用范围、可信程度的知识以及如何运用这些知识的知识，也称为关于知识的知识,2020/6/10,5,知识是人通过实践，认识到的客观世界的规律性的东西。知识在信息的基础上增加了上下文信息，提供了更多的意义，因此也就更加有用和有价值。知识是随着时间的变化而动态变化的，新的知识可以根据规则和已有的知识推导出来。,注意,2020/6/10,6,知识是经过加工的信息，它包括事实、信念和启发式规则。,事实：是关于对象和物体的知识。规则：是有关问题中与事物的行动、动作相联系的因果关系的知识。,2020/6/10,7,知识表示在人工智能体的建造中起到关键作用以适当方式表示知识，才导致智能体展示出智能行为知识表示是数据结构及其处理机制的综合知识表示=符号（结构）+处理机制，其中恰当的符号（结构）用于存储要解决的问题、可能的中间解答和最终解答以及解决问题涉及的知识；配套的处理机制仅有符号（结构）不能体现出系统具有知识；只有对其作适当的处理才构成意义。,2020/6/10,8,AI对知识表示方法的要求,(1)表示能力，要求能够正确、有效地将问题求解所需要的各类知识都表示出来。(2)可理解性，所表示的知识应易懂、易读。(3)便于知识的获取，使得智能系统能够渐进地增加知识，逐步进化。(4)便于搜索，表示知识的符号结构和推理机制应支持对知识库的高效搜索，使得智能系统能够迅速地感知事物之间的关系和变化；同时很快地从知识库中找到有关的知识。(5)便于推理，要能够从己有的知识中推出需要的答案和结论。,2020/6/10,9,2.2谓词逻辑表示法用形式逻辑（尤其是一阶谓词逻辑）表示知识是AI研究中提出使用的一种普遍方法。1.命题逻辑和谓词逻辑命题逻辑和谓词逻辑是最先应用于人工智能的两种逻辑，谓词逻辑是在命题逻辑基础上发展起来的，命题逻辑可以看作是谓词逻辑的一种特殊形式。,2020/6/10,10,(1)命题定义1命题是具有真假意义的语句。命题代表人们进行思维时的一种判断，或者是肯定，或者是否定，只有这两种情况。若命题的意义为真，则称它的真值为真。记作T；若命题的意义为假，则称它的真值为假，记作F。一个命题不能同时既为真又为假，但可以在一定条件下为真，在另一条件下为假。例如：“北京是中华人民共和国的首都”，“30)(煤气罐数Value:1)(煤气灶框架:煤气灶)(煤气罐框架:煤气罐)(Frame公用厨房(AkoValue:厨房)(转入条件:煤气罐数1)(煤气罐数Value:2),厨房,公用厨房,房间,墙,地板,家具,天花板,物,窗,门,煤气罐数0,煤气罐数1,访问属性“墙”,Ako,Ako,2020/6/10,143,、基于框架系统的推理设计框架系统的目的：支持结构化信息的存取；其他推理技术（如，产生式系统）从框架系统中取出信息去进行推理。结构化信息存取的主要技术：特性继承相容匹配,2020/6/10,144,特性继承（超类-子类、类-个体）,VolumeUnit:cm3If-added:Classify,RadiusUnit:cmIf-added:Evaluate-VolumnSurfaceUnit:cm2If-Needed:Evaluate-SurfaceColorValue:White,Ako,RadiusValue:10ColorValue:RedVolumeValue:4190,RadiusValue:10VolumeValue:4190000,Isa,Isa,2020/6/10,145,特性继承（超类-子类、类-个体）由概念框架提供的3类侧面组合实现：(FrameSphere(RadiusUnit:cmIf-added:Evaluate-Volumn)(SurfaceUnit:cm2If-Needed:Evaluate-Surface)(ColorValue:White)Value类的个体相应属性的缺省值；If-Needed没有缺省值Value时，提供计算函数或推理知识产生个体相应属性的值，称为执行了If-Needed操作；If-Added给类的某个体的属性赋值或修改时，提供计算函数或推理知识作后继处理，称为执行了If-Added操作。,2020/6/10,146,、基于框架系统的推理特性继承（超类-子类、类-个体）由概念框架提供的3类侧面组合实现：特性继承的实现过程由对个体框架槽的操作来激活：查询个体属性值（槽），但个体未提供Isa和Ako链（槽）追溯到具有同名槽的类或超类；Value侧面值作为槽值；否则，执行If-Needed操作，产生槽值；赋值或修改个体属性值（槽）Isa和Ako链（槽）追溯到具有同名槽的类或超类；执行If-Added操作，作后继处理。,2020/6/10,147,VolumeUnit:cm3If-added:Classify,RadiusUnit:cmIf-added:Evaluate-VolumnSurfaceUnit:cm2If-Needed:Evaluate-SurfaceColorValue:White,Ako,RadiusValue:10ColorValue:RedVolumeValue:4190,RadiusValue:10VolumeValue:4190000,Isa,Isa,问题1：Sphere1的颜色？,Red,2020/6/10,148,VolumeUnit:cm3If-added:Classify,RadiusUnit:cmIf-added:Evaluate-VolumnSurfaceUnit:cm2If-Needed:Evaluate-SurfaceColorValue:White,Ako,RadiusValue:10ColorValue:RedVolumeValue:4190,RadiusValue:10VolumeValue:4190000,Isa,Isa,问题2：Sphere2的颜色？,White,查询个体属性值，但个体未提供,Isa和Ako链（槽）追溯到具有同名槽的类或超类,Value侧面值作为槽值,2020/6/10,149,VolumeUnit:cm3If-added:Classify,RadiusUnit:cmIf-added:Evaluate-VolumnSurfaceUnit:cm2If-Needed:Evaluate-SurfaceColorValue:White,Ako,RadiusValue:10ColorValue:RedVolumeValue:4190,RadiusValue:10VolumeValue:4190000,Isa,Isa,问题3：Sphere1的表面积？,1256cm2,查询个体属性值，但个体未提供,Isa和Ako链（槽）追溯到具有同名槽的类或超类,执行If-Needed操作，产生槽值,2020/6/10,150,VolumeUnit:cm3If-added:Classify,RadiusUnit:cmIf-added:Evaluate-VolumnSurfaceUnit:cm2If-Needed:Evaluate-SurfaceColorValue:White,Ako,RadiusValue:10ColorValue:RedVolumeValue:4190,RadiusValue:10VolumeValue:4190000,Isa,Isa,问题4：Sphere2的半径改为50？,RadiusValue:50VolumeValue:523999,RadiusValue:50VolumeValue:523999ClassValue:Middle,赋值或修改个体属性值（槽）,Isa和Ako链（槽）追溯到具有同名槽的类或超类,执行If-Added操作，做后继处理,2020/6/10,151,、基于框架系统的推理特性继承If-Needed操作和If-Added操作的区别：激活的时机If-Needed操作查询属性时，被动激活；If-Added操作赋值和修改属性时，主动激活；操作目的If-Needed操作即时产生所需属性值；If-Added操作做好配套操作和消除可能的不良影响（如不一致问题）；,2020/6/10,152,、基于框架系统的推理相容匹配两个框架的匹配检查非严格意义上的相等比较；相容匹配；相容匹配方法：检查二个框架是否存在祖先-子孙关系沿Isa和Ako链（槽），从一个框架追溯到另一个框架；将两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(Always)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，按非关键属性，挑选最相容,2020/6/10,153,StreetNoiseValue:High,Ako,WallColorValue:WhiteFloor-SurfaceValue:wood,Isa,Isa,StreetNoiseValue:AlwaysLow,Ako,WallColorValue:White,A1和B1不相容,2020/6/10,154,习题,1、某超市公告商品月购买额1000元以上的顾客将给以奖励，王平本月购买额为1300元，王平可得奖励吗？请设计由顾客和王平二个框架（其余框架略）组成的框架系统;并通过设置IF-Needed侧面来让系统能基于特性继承功能回答此询问？(Frame顾客(购买奖If-Needed:Fun-A)(Frame王平(IsaValue:顾客)(购买额Value:1300元),2020/6/10,155,购买奖If-Needed:Fun-A(购买额1000，可得奖),购买额Value:1300元,Isa,问题：王平可得奖励吗？,王平可得奖励,取得“购物奖”属性的值,购买额Value:1300元购物奖：Value:是,2020/6/10,156,习题,2、该超市又规定累计商品购买额超万元者为特惠顾客。请修改上题中的顾客框架，使其能在王平购买额累计达1万元（另设一个槽记载累计购买额）时，自动给王平框架增加一个指示王平为特惠顾客的槽；而缺省情况下，王平隐含为非特惠顾客。(Frame顾客(购买奖If-Needed:Fun-A)(累计购买额If-Added:Fun-B)(特惠顾客Value:否)(Frame王平(IsaValue:顾客)(购买额Value:1300元)(累计购买额Value:8000元),2020/6/10,157,购买奖If-Needed:Fun-A累计购买额If-Added:Fun-B特惠顾客Value:否,购买额Value:1300元累计购买额Value:8000元,Isa,王平累计购买额增加到10000后,购买额Value:1300元累计购买额Value:10000元,购买额Value:1300元累计购买额Value:10000元特惠顾客Value:是,2020/6/10,158,习题,3、一求职框架系统包含以下框架请问李明有资格申请销售经理职位吗？为什么？,学位Value:硕士以上,年龄Value:40岁公关能力Value:高,Isa,年龄Value:Always30岁以下学位Value：Always学士以上,公关能力Value:高,Isa,李明无资格，因为其年龄不满足,2020/6/10,159,2.6脚本,脚本是框架的一种特殊形式，他用一组槽来描述某些时间的发生序列，就像脚本中的事件序列一样。,2020/6/10,160,脚本的构成,开场条件：在脚本描述的事件被激活必须满足的条件。结果（结局）：事件执行完以后产生的结果。角色（支撑物）：脚本描述的事物发生的背景或场所。道具（线索）：脚本描述的事物发生的背景或场所。场景（场次）：构成脚本事件的各动作或行为的事件序列与出现次序。,2020/6/10,161,脚本的推理,脚本中所描述的事件形成一个巨大的因果链，这个链的起点是一组开场条件，满足了这些开场条件事件才能发生。链的终点是一组结果，有了这组结果，以后的事件或事件序列（可能用其他脚本来描述）才能发生。一个脚本在使用之前，根据其重要程度将其激活，激活脚本有两种方法。,2020/6/10,162,脚本表示,例1.餐厅脚本及其相关推理过程例2.音乐会脚本及其相关推理过程,2020/6/10,163,餐厅脚本及其推理,（1）开场条件（a）顾客饿了，需要进餐厅（b）顾客有足够的钱（2）角色顾客、服务员、厨师、老板（3）道具食品、桌子、菜单、钱（4）场景,2020/6/10,164,餐厅脚本及其推理,场景1进入餐厅（a）顾客走入餐厅（b）寻找桌子（c）在桌子旁坐下场景2点菜（a）服务员给顾客菜单（b）顾客点菜（c）顾客把菜单还给服务员（d）顾客等待服务员送菜,场景3等待（a）服务员把顾客所点的菜告诉厨师（b）厨师做菜,2020/6/10,165,餐厅脚本及其推理,场景4吃菜（a）厨师把做好的菜给服务员（b）服务员给顾客送菜（c）顾客吃菜场景5离开（a）服务员拿来账单（b）顾客付钱给服务员（c）顾客离开餐厅,2020/6/10,166,餐厅脚本及其推理,（5）结果（a）顾客吃了饭，不饿了（b）顾客花了钱（c）老板挣了钱（d）餐厅食品少了,2020/6/10,167,音乐会脚本及其推理,（1）开场条件A想听音乐会E主办音乐会A有钱（2）角色A为听众、B为售票员、C为收票员、D为乐队、E为主办者（3）道具入场券、乐器、钱币、听众席、售票处、演奏厅（4）场景,2020/6/10,168,音乐会脚本及其推理,场景2入场A给C入场券A进入演奏厅A注意到听众席A看往哪坐A朝自己的听众席走去A坐下,场景1购票A注意到售票处A朝售票处走去A向B说：“我要入场券”。A给B钱B给A入场券,2020/6/10,169,音乐会脚本及其推理,场景3听演出乐队演奏乐器A听音乐场景4离开A站起来A离开座位A离开音乐厅,2020/6/10,170,激活脚本,激活脚本有两种方法：(1)对于不属于事件核心部分的脚本，只需设置指向该脚本的指针，以便当它成为核心时能够启用。(2)对于符合事件核心部分的脚本，则应使用在当前事件中涉及到的具体对象和人物去填写脚本的槽。脚本的前提、道具、角色和事件等常起到启用脚本的指示器的作用。,2020/6/10,171,激活脚本,一旦脚本被启用，则可以应用它来推理，其中最重要的是运用脚本可以预测没有明显提及的事件的发生。,如对于以下情节：“昨晚，约翰到了餐厅，他订了牛排，当他要付款时发现钱已用光。因为开始下雨了，所以他赶紧回家了”。有人问：“昨晚，约翰吃饭了吗？”。又如，“约翰走进餐厅，他被带到餐桌旁，订了一大块牛排之后，他坐在那儿等了许久。于是，他生气地走了。”根据脚本，可以得出结论。,2020/6/10,172,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。,2.8.面向对象的表示法,2020/6/10,173,补充：知识表示的实用化问题,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知识可以按存储方式区分为两大类：程序性知识陈述性知识表示能力与推理效率之间的制约关系衡量知识表示的性能表示的充分性是否有足够的表达能力；表示法效用表示的知识能否有效地用于推理；设计知识表示系统时，应该权衡这两方面的利弊；,2020/6/10,174,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；与计算机程序紧密地融合在一起，难以分离；如，倒置矩阵知识隐含于倒置矩阵程序；耦合高陈述性知识独立于应用它的程序而清晰地存储；“职工工资表”单独存储；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、查询程序等；耦合低特点：清晰的存储于独立定义的符号结构中；由应用该知识的程序存取；,2020/6/10,175,人工智能系统具有表示这两种知识的能力：程序性知识搜索算法控制策略；隐含于推理机中；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；,2020/6/10,176,陈述性知识优点：易于修改陈述性知识相互独立，对于知识的修改不会产生副作用；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MYCIN知识库中的内科疾病诊断和治疗知识：推理；推理结果的解释；教学程序；程序性知识的隐含于特定程序中，为该程序专用；程序性知识用于其他目标，重复表示；易于扩展支持自我意识,2020/6/10,177,陈述性知识优点：易于修改可应用于多重目标易于扩展静态扩展；动态吸收推理过程中衍生的附加知识；支持智能系统的自适应学习；支持自我意识知识独立于程序存储；设计内省程序查询系统接受的问题是否超越了拥有知识的范围；表现出自我意识；,2020/6/10,178,两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：人工智能的研究注重陈述性知识的开发陈述性知识反复用于一个目的时，应嵌入实现该目的的程序；程序性知识的陈述化表示启发式知识是程序性知识；从推理机中分离出来，表示成规则，作解释执行，具有陈述性特特点；有利于推理和控制的透明化、维护；,2020/6/10,179,两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