人工智能第三章 知识与知识表示

1、第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 人类的智能活动过程主要是一个获得并运用知识人类的智能活动过程主要是一个获得并运用知识的过程，知识是智能的基础。为了使计算机具有的过程，知识是智能的基础。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。问题就成为人工智能中一个十分重要的研究课题。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示主

2、要的知识表示方法：主要的知识表示方法：u一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法u产生式表示法产生式表示法u框架表示法框架表示法u语义网络表示法语义网络表示法u脚本表示法脚本表示法u过程表示法过程表示法u面向对象表示法面向对象表示法uPetriPetri网表示法网表示法第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示一一、什么是知识、什么是知识1 数据与信息数据与信息 数据和信息这两个概念是不可以分开的，它们是有关数据和信息这两个概念是不可以分开的，它们是有关联的。联的。 数据：用一组符号及其组合表示的信息称为数据，泛数据：用一组符号及其组合表示的信息称为数据，泛指对客观事物的数量、属性、位置及其相互

3、关系的抽指对客观事物的数量、属性、位置及其相互关系的抽象表示。象表示。 例：例：27.6 53 ABCD 27.6 53 ABCD 黎明黎明3.1 3.1 基本概念基本概念数据和信息之间，我们说它们不能分开，它俩有数据和信息之间，我们说它们不能分开，它俩有关系，那么，它们俩有什么关系呢？关系，那么，它们俩有什么关系呢？第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示u数据是信息的载体和表示，信息是数据在特定场合下数据是信息的载体和表示，信息是数据在特定场合下的具体含义，即信息是数据的语义。的具体含义，即信息是数据的语义。 两者只有密切结合，才能实现世界中某一具体事物的两者只有密切结合，才能实现世界

4、中某一具体事物的描述。描述。u如：如：6 6个人（个人（6 6是个数据，人是一种信息）是个数据，人是一种信息） 6 6本书（本书（6 6是个数据，书是一种信息）是个数据，书是一种信息）u对同一个数据，它在某一场合下可能表示这样一个信对同一个数据，它在某一场合下可能表示这样一个信息，但在另一场合下却表示另一个信息。息，但在另一场合下却表示另一个信息。 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 2、知识、知识 知识：是把有关信息关联在一起所形成的信息结构称为知识。知识：是把有关信息关联在一起所形成的信息结构称为知识。 知识是人们在长期的生活及社会实践中、科学研究及实验中积累知识是人们在长期的生

5、活及社会实践中、科学研究及实验中积累起来的对客观世界的认识与经验，人们把实践中获得的信息关联起来的对客观世界的认识与经验，人们把实践中获得的信息关联在一起，就获得了知识。信息之间有多种关联形式，其中用得最在一起，就获得了知识。信息之间有多种关联形式，其中用得最多的一种是用：多的一种是用：“如果如果 ，则，则 “ “所表示的关联形式，它所表示的关联形式，它反映了信息间的某种因果关系。例如把反映了信息间的某种因果关系。例如把“大雁向南飞大雁向南飞”与与“冬天冬天就要来临了就要来临了”这两个信息关联在一起，就得到了如下一条知识：这两个信息关联在一起，就得到了如下一条知识：如果大雁向南飞，则冬天就要来

6、临了。如果大雁向南飞，则冬天就要来临了。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示不同事物或者相同事物间的不同关系形成了不不同事物或者相同事物间的不同关系形成了不同的知识。同的知识。例如，例如，“雪是白色的雪是白色的”是一条知识，它反映了是一条知识，它反映了“雪雪”与与“颜色颜色”之间的一种关系。又如之间的一种关系。又如“如果头痛且流涕，则有如果头痛且流涕，则有可能患了感冒可能患了感冒”是一条知识，它反映了是一条知识，它反映了“头痛且流涕头痛且流涕”与与“可能患了感冒可能患了感冒”之间的一种因果关系。之间的一种因果关系。 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示二、知识的特性二、知识的特

7、性1 1、相对正确性、相对正确性知识是否正确是有前提条件的知识是否正确是有前提条件的 如：如：1+1=21+1=22 2、不确定性、不确定性造成知识具有不确定性的原因有哪些：造成知识具有不确定性的原因有哪些：u由随机性引起的不确定性由随机性引起的不确定性 ( (也就是说，这件事是随机发生的，比如说，抛硬币，是正面也就是说，这件事是随机发生的，比如说，抛硬币，是正面朝上还是反面朝上，不确定。随机事件只有发生的时候我们才朝上还是反面朝上，不确定。随机事件只有发生的时候我们才知道。知道。) )第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示u 由模糊性引起的不确定性由模糊性引起的不确定性 由模糊概念、模

8、糊关系所形成的知识是不确定的。由模糊概念、模糊关系所形成的知识是不确定的。（知识是有关信息关联在一起形成的（知识是有关信息关联在一起形成的信息结构，信息结构，“信息信息”与与“关联关联”是构成知识的两个要素。由于现实世界的复杂性，信息可能是构成知识的两个要素。由于现实世界的复杂性，信息可能是精确的，也可能是不精确的、模糊的；关联可能是确定的，也可能是不确定的。）是精确的，也可能是不精确的、模糊的；关联可能是确定的，也可能是不确定的。） （比如说：人的个子高与个子矮，分界线是模糊的）（比如说：人的个子高与个子矮，分界线是模糊的）u 由不完全性引起的不确定性由不完全性引起的不确定性 （就是说，有些

9、事我们还不是很清楚，所以不能确定。如：很多年以前的肺结核，（就是说，有些事我们还不是很清楚，所以不能确定。如：很多年以前的肺结核，今天的癌症）今天的癌症）u 由经验性引起的不确定性由经验性引起的不确定性 （在人工智能的重要研究领域专家系统中，知识都是由领域专家提供的，这种知识大都是在人工智能的重要研究领域专家系统中，知识都是由领域专家提供的，这种知识大都是领域专家在长期的实践及研究中积累起来的经验性知识。尽管领域专家能够得心应手地领域专家在长期的实践及研究中积累起来的经验性知识。尽管领域专家能够得心应手地运用这些知识，正确地解决领域内的有关问题，但若让他们精确地表述出来却是相当困运用这些知识，

10、正确地解决领域内的有关问题，但若让他们精确地表述出来却是相当困难的，这是引起知识不确定性的一个原因。另外，由于经验性自身就蕴含着不精确性及难的，这是引起知识不确定性的一个原因。另外，由于经验性自身就蕴含着不精确性及模糊性，这就形成了知识不确定性的另一个原因。因此，在专家系统中大部分知识都具模糊性，这就形成了知识不确定性的另一个原因。因此，在专家系统中大部分知识都具有不确定性这一特性。）有不确定性这一特性。）第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示3 3、可表示性与可利用性可表示性与可利用性u表示：表示：( (如我们可以用语言来表达知识、用文字来表达如我们可以用语言来表达知识、用文字来表达知

11、识、还可以用图形来描述、在计算机中还可以用神经知识、还可以用图形来描述、在计算机中还可以用神经元网络来表示知识。元网络来表示知识。) )u利用：用知识解决所面临的各种各样的问题。利用：用知识解决所面临的各种各样的问题。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示三、知识的分类：三、知识的分类：1 1、从作用范围来划分：、从作用范围来划分：常识性知识常识性知识：是人们普遍知道的知识，适用于所有领域。是人们普遍知道的知识，适用于所有领域。领域性知识领域性知识：是面向某个具体领域的知识，是专业性的知识，只有相应是面向某个具体领域的知识，是专业性的知识，只有相应专业的人员才能掌握并用来求解领域内的有关

12、问题。专业的人员才能掌握并用来求解领域内的有关问题。2 2、从知识的作用划分、从知识的作用划分事实性知识事实性知识：（就是真理）：（就是真理）用于描述领域内有关概念、事实、事物的属用于描述领域内有关概念、事实、事物的属性及状态等。性及状态等。如：糖是甜的如：糖是甜的 大同是个古城大同是个古城 一年有春夏秋冬四个季节。一年有春夏秋冬四个季节。事实性知识一般采用直接表达的形式，如用谓词公式表示等。事实性知识一般采用直接表达的形式，如用谓词公式表示等。 过程性知识过程性知识：是与领域相关的知识，用于指出如何处理与问题相关的信是与领域相关的知识，用于指出如何处理与问题相关的信息，以求得问题的解。息，以

13、求得问题的解。一般用产生式规则、语义网络求解。一般用产生式规则、语义网络求解。控制性知识控制性知识：又称为深层知识、元知识。用已有的知识进行问题求解的又称为深层知识、元知识。用已有的知识进行问题求解的知识，即关于知识的知识。例如问题求解中的推理策略（正向推理及逆知识，即关于知识的知识。例如问题求解中的推理策略（正向推理及逆向推理）；信息传播策略（如不确定性的传递算法）；搜索策略（广度向推理）；信息传播策略（如不确定性的传递算法）；搜索策略（广度优先、深度优先、启发式搜索等）；求解策略（求第一个解、全部解、优先、深度优先、启发式搜索等）；求解策略（求第一个解、全部解、严格解、最优解等）；限制策略

14、（规定推理的限度）等等。严格解、最优解等）；限制策略（规定推理的限度）等等。 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示3 3、从确定性划分：、从确定性划分： 确定性知识：确定性知识：可指出其值为真或假的知识。可指出其值为真或假的知识。 不确定性知识不确定性知识：它是不精确的、不完全的、模糊的知识。它是不精确的、不完全的、模糊的知识。4 4、从知识结构及表现形式来划分、从知识结构及表现形式来划分: : 逻辑性知识逻辑性知识：反映人类逻辑思维过程的知识，反映人类逻辑思维过程的知识，一般具有因一般具有因果关系，具有难以精确描述的特点。它们通常是基于专家的果关系，具有难以精确描述的特点。它们通常是

15、基于专家的经验，以及对一些事物的直观感觉。一阶谓词逻辑表示法、经验，以及对一些事物的直观感觉。一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法用来表达这种知识。产生式表示法用来表达这种知识。 形象性知识形象性知识：通过事物的形象建立起来的知识称为形象性通过事物的形象建立起来的知识称为形象性知识。知识。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示5 5、从抽象的、整体的观点来划分从抽象的、整体的观点来划分，知识可分为：，知识可分为：零级知识，一零级知识，一级知识，二级知识。级知识，二级知识。 这种关于知识的层次划分还可以继续下去，每一级知识都对这种关于知识的层次划分还可以继续下去，每一级知识都对其低一层的知识有

16、指导意义。其中，其低一层的知识有指导意义。其中，零级知识零级知识是指问题领域内是指问题领域内的事实、定理、方程、实验对象和操作等常识性知识及原理性的事实、定理、方程、实验对象和操作等常识性知识及原理性知识；知识；一级知识一级知识是指具有经验性、启发性的知识，例如经验性是指具有经验性、启发性的知识，例如经验性规则、含义模糊的建议、不确切的判断标准等；规则、含义模糊的建议、不确切的判断标准等；二级知识二级知识是指是指如何运用上述两级知识的知识。如何运用上述两级知识的知识。 在实际应用中，通常把零级知识与一级知识统称为领域知识，在实际应用中，通常把零级知识与一级知识统称为领域知识，而把二级以上的知识

17、统称为元知识。而把二级以上的知识统称为元知识。 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示四、知识的表示四、知识的表示 所谓所谓知识表示知识表示实际上就是对知识的一种描述，或者说是实际上就是对知识的一种描述，或者说是一组约定，一种计算机可以接受的用于描述知识的数据一组约定，一种计算机可以接受的用于描述知识的数据结构。结构。对知识进行表示的过程就是把知识编码成某种数对知识进行表示的过程就是把知识编码成某种数据结构的过程。据结构的过程。知识表示方法又称为知识表示技术，其表示形式称为知知识表示方法又称为知识表示技术，其表示形式称为知识表示模式。目前用得较多的知识表示方法主要有：一识表示模式。目前用

18、得较多的知识表示方法主要有：一阶谓词逻辑表示法，产生式表示法，框架表示法，语义阶谓词逻辑表示法，产生式表示法，框架表示法，语义网络表示法，脚本表示法，过程表示法，网络表示法，脚本表示法，过程表示法，Petri Petri 网表示法，网表示法，面向对象表示法。面向对象表示法。 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示一般来说，在选择知识表示方法时，应从以下几个方面进行考虑：一般来说，在选择知识表示方法时，应从以下几个方面进行考虑：1 1 充分表示领域知识充分表示领域知识确定一个知识表示模式时，首先应该考虑的是它能否充分地表示确定一个知识表示模式时，首先应该考虑的是它能否充分地表示我们所要解决

19、的问题所在领域的知识。为此，需要深入地了解领我们所要解决的问题所在领域的知识。为此，需要深入地了解领域知识的特点以及每一种表示模式的特征，以便做到域知识的特点以及每一种表示模式的特征，以便做到“对症下对症下药药”。例如，在医疗诊断领域中，其知识一般具有经验性、因果。例如，在医疗诊断领域中，其知识一般具有经验性、因果性的特点，适合于用产生式表示法进行表示；而在设计类（如机性的特点，适合于用产生式表示法进行表示；而在设计类（如机械产品设计）领域中，由于一个部件一般由多个子部件组成，部械产品设计）领域中，由于一个部件一般由多个子部件组成，部件与子部件既有相同的属性又有不同的属性，即它们既有共性又件与

20、子部件既有相同的属性又有不同的属性，即它们既有共性又有个性，因而在进行知识表示时，应该把这个特点反映出来，此有个性，因而在进行知识表示时，应该把这个特点反映出来，此时单用产生式模式来表示就不能反映出知识间的这种结构关系，时单用产生式模式来表示就不能反映出知识间的这种结构关系，这就需要把框架表示法与产生式表示法结合起来。这就需要把框架表示法与产生式表示法结合起来。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示2 2 有利于对知识的利用有利于对知识的利用知识的表示与利用是密切相关的两个方面。知识的表示与利用是密切相关的两个方面。“表示表示”的作用是把的作用是把领域内的相关知识形式化并用适当的内部形式

21、存储到计算机中去，领域内的相关知识形式化并用适当的内部形式存储到计算机中去，而而“利用利用”是使用这些知识进行推理，求解现实问题。是使用这些知识进行推理，求解现实问题。 “ “表示表示”的目的是为了的目的是为了“利用利用”，而，而“利用利用”的基础是的基础是“表示表示”。 3 3 便于对知识的获取、组织、维护与管理便于对知识的获取、组织、维护与管理 组织：依赖于知识的表示方法。组织：依赖于知识的表示方法。 维护：知识的质量、数量、性能方面补充、修改、删除。维护：知识的质量、数量、性能方面补充、修改、删除。 管理：保证知识的一致性、完整性。管理：保证知识的一致性、完整性。 4 4 便于理解和实现

22、便于理解和实现第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示3.2 3.2 一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法一、表示知识的方法一、表示知识的方法谓词逻辑是一种形式语言，也是到目前为止能够表达人类思维活动规谓词逻辑是一种形式语言，也是到目前为止能够表达人类思维活动规律的一种最精确的语言。律的一种最精确的语言。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示行动规则：行动规则：第第3

23、 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示二、一阶谓词逻辑表示法的特点二、一阶谓词逻辑表示法的特点第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示3.33.3产生式表示法产生式表示法“ 产 生 式产 生 式 ” 这 一 术 语 是 由 美 国 数 学 家 波 斯 特这 一 术 语 是 由 美 国 数 学 家 波 斯 特（E.POSTE.POST）在）在19431943年首先提出来的，他根据串代替年首先提出来的，他根据串代替规则提

24、出了一种称为波斯特机的计算机模型，模型中规则提出了一种称为波斯特机的计算机模型，模型中的每条规则称为一个产生式。的每条规则称为一个产生式。19721972年纽厄尔和西蒙在研究人类知识模型中开发了基年纽厄尔和西蒙在研究人类知识模型中开发了基于规则的产生式系统。于规则的产生式系统。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示一、产生式的基本形式一、产生式的基本形式 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（1 1）谓词逻辑中的）谓词逻辑中的PQPQ这个合式公式，只能表示精确的知识，产生式可以表这个合式公式，只能表示精确的知识，产生式可以表示精确与不精确知识。（谓词逻辑只表示精确的知识，要么成立

25、，要么不成示精确与不精确知识。（谓词逻辑只表示精确的知识，要么成立，要么不成立。也就是说，只取真、假。比如说：在谓词逻辑中，立。也就是说，只取真、假。比如说：在谓词逻辑中，PQPQ，若，若P P为：天在下为：天在下雨，雨，Q Q为天不晴。这时为天不晴。这时PQPQ为真。但如果：为：为真。但如果：为：P P：天在下雨，：天在下雨，Q Q为天晴。这时为天晴。这时PQPQ为假。也就是只取真值和假值。而产生式，不仅可以取真假，还可以取为假。也就是只取真值和假值。而产生式，不仅可以取真假，还可以取真假以外的情况，也就是模糊的情况。）真假以外的情况，也就是模糊的情况。）（2 2）谓词逻辑中）谓词逻辑中PQ

26、PQ这个合式公式，条件要求精确匹配，产生式中条件可精这个合式公式，条件要求精确匹配，产生式中条件可精确或模糊匹配。确或模糊匹配。（也就是说，谓词逻辑与产生式的第一个区别是：在值上，一个是精确的，（也就是说，谓词逻辑与产生式的第一个区别是：在值上，一个是精确的，一个是不精确的。第二个区别是：前者在匹配上，是精确的匹配；后者可以一个是不精确的。第二个区别是：前者在匹配上，是精确的匹配；后者可以精确匹配也可以精确匹配也可以模糊匹配。）精确匹配也可以精确匹配也可以模糊匹配。） 谓词逻辑中的蕴含式与产生式的区别。基本形式有相同的形式，其实蕴含式只是产生式的一种特殊情况：基本形式有相同的形式，其实蕴含式只

27、是产生式的一种特殊情况：第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示二、产生式系统的含义二、产生式系统的含义把一组产生式放在一起，让它们互相配合，协同作用，一把一组产生式放在一起，让它们互相配合，协同作用，一个产生式生成的结论个产生式生成的结论(Qi)可以供另一个产生式作为已知事实可以供另一个产生式作为已知事实(Pj)使用，以求得问题的解决，这样的系统称为产生式系统。使用，以求得问题的解决，这样的系统称为产生式系统。(Pi Qi Pj Qj)一个产生式系统由三个部分组成：规则库、综合数据库一个产生式系统由三个部分组成：规则库、综合数据库（事实库）、控制系统。（事实库）、控制系统。第第3 3章章

28、 知识与知识表示知识与知识表示规则库：规则库：用于描述相应领域内知识的产生式集合称为规则库。用于描述相应领域内知识的产生式集合称为规则库。显然，规则库是产生式系统赖以进行问题求解的基础，其显然，规则库是产生式系统赖以进行问题求解的基础，其知识是否完整、一致，表达是否准确、灵活，对知识的组知识是否完整、一致，表达是否准确、灵活，对知识的组织是否合理等，不仅将直接影响到系统的性能，而且还会织是否合理等，不仅将直接影响到系统的性能，而且还会影响到系统的运行效率，因此对规则库的设计与组织应给影响到系统的运行效率，因此对规则库的设计与组织应给予足够的重视。予足够的重视。第第3 3章章 知识与知识表示知识

29、与知识表示一 般 来 说 ， 在 建 立 规 则 库 时 应 注 意 以 下 问 题 ：一 般 来 说 ， 在 建 立 规 则 库 时 应 注 意 以 下 问 题 ：( 1 ( 1 ）有效地表达领域内的过程性知识）有效地表达领域内的过程性知识 ( (过程性知识过程性知识：是与领域相关的知识，用于指出如何处理与问题相：是与领域相关的知识，用于指出如何处理与问题相关的信息，以求得问题的解。关的信息，以求得问题的解。 )。规则库中存放的主要是过程性知。规则库中存放的主要是过程性知识，用于实现对问题的求解。为了使系统具有较强的问题求解能识，用于实现对问题的求解。为了使系统具有较强的问题求解能力，除了需

30、要获取足够的知识外，还需要对知识进行有效的表达。力，除了需要获取足够的知识外，还需要对知识进行有效的表达。 ( 2 ( 2 ）对知识进行合理的组织与管理。）对知识进行合理的组织与管理。 对规则库中的知识进行适当的组织，采用合理的结构形式，可使对规则库中的知识进行适当的组织，采用合理的结构形式，可使推理避免访问那些与当前问题求解无关的知识，从而提高求解问推理避免访问那些与当前问题求解无关的知识，从而提高求解问题的效率。另外，对规则库进行合适的管理，可以检测并排除那题的效率。另外，对规则库进行合适的管理，可以检测并排除那些冗余及矛盾的知识，保持知识的一致性，提高规则库的质量。些冗余及矛盾的知识，保

31、持知识的一致性，提高规则库的质量。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示综合数据库：综合数据库：（综合数据库和我们平时说的普通的数据库不同，我们说的普通的数（综合数据库和我们平时说的普通的数据库不同，我们说的普通的数据库里可能有一些数据字段，这些字段可能是数值型的、可能是字符据库里可能有一些数据字段，这些字段可能是数值型的、可能是字符型的、可能是日期型的，还可能是其它型的。那么我们所说的这个综型的、可能是日期型的，还可能是其它型的。那么我们所说的这个综合数据库又指什么呢？）合数据库又指什么呢？） 综合数据库综合数据库又称为事实库、上下文、黑板等。它是一个又称为事实库、上下文、黑板等。它是

32、一个用于存放问题求解过程中各种当前信息的数据结构，例如用于存放问题求解过程中各种当前信息的数据结构，例如问题的初始状态、原始证据、推理中得到的中间结论及最问题的初始状态、原始证据、推理中得到的中间结论及最终结论。终结论。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示综合数据库的特点： 当规则库中某条产生式的前提可与综合数据库中的某些已知事实匹配时，该产生式就被激活，并把用它推出的结论放入综合数据库中，作为后面推理的已知事实。（这句话的意思是：我们在规则库中先找一个Pi，然后，看它是否与综合数据库里的某个或某些事实相匹配，如果匹配，我们会得到Qi，我们把得到的Qi放到综合数据库里去，作为一种新的事

33、实存在。） （因此，我们说）综合数据库的内容是在不断变化、是动态的，正是由于它内容的不断变化，才构成了由原始数据到结论的变化过程。（那么，综合数据库里的事实我们一般用什么进行描述？）综合数据库中的已知事实，常用字符串、向量、矩阵、表等数据结构表示。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示控制系统控制系统（按书（按书P107） ： 是规则库与综合数据库连接的桥梁。又称推理机构，由一是规则库与综合数据库连接的桥梁。又称推理机构，由一组程序组成，负责整个产生式系统的运行，实现对问题的组程序组成，负责整个产生式系统的运行，实现对问题的求解。求解。 主要完成以下工作：主要完成以下工作： 按一定的策略

34、从规则库选择规则与综合数据库中已知事实按一定的策略从规则库选择规则与综合数据库中已知事实进行匹配。进行匹配。 匹配成功的规则可能不止一条，称为发生冲突。推理机构匹配成功的规则可能不止一条，称为发生冲突。推理机构必须调用相应的解决冲突策略进行消解，以便从中选出一必须调用相应的解决冲突策略进行消解，以便从中选出一条执行。条执行。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示u 在执行某一条规则时，如果该规则右部是一个或多个结在执行某一条规则时，如果该规则右部是一个或多个结论，则把这些结论加入到综合数据库中；如果规则的右论，则把这些结论加入到综合数据库中；如果规则的右部是一个或多个操作，则执行这些操作

35、。部是一个或多个操作，则执行这些操作。u 对于不确定性知识，在执行每一条规则时还要按一定算对于不确定性知识，在执行每一条规则时还要按一定算法计算结论的不确定性。法计算结论的不确定性。 （也就是说，要算一下，这个结论的可信度有多高。也就（也就是说，要算一下，这个结论的可信度有多高。也就是说，当知识不确定时，每执行一条，要计算一下，这是说，当知识不确定时，每执行一条，要计算一下，这个结论的可信度。）个结论的可信度。）u 随时掌握结束产生式系统运行的时机，以便在适当的时随时掌握结束产生式系统运行的时机，以便在适当的时候停止系统的运行。候停止系统的运行。 （是否已找到了目标）（是否已找到了目标）第第3

36、 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示产生式系统求解问题的一般步骤：产生式系统求解问题的一般步骤：第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示三、产生式系统的推理过程三、产生式系统的推理过程产生式系统问题的求解过程是一个不断的从规则库产生式系统问题的求解过程是一个不断的从规则库中选取可用规则与综合数据库中的已知事实进行匹中选取可用规则

37、与综合数据库中的已知事实进行匹配的过程，规则的每一次成功匹配都使综合数据库配的过程，规则的每一次成功匹配都使综合数据库增加了新的内容，并朝着问题的解决方向前进了一增加了新的内容，并朝着问题的解决方向前进了一步，这一过程称为步，这一过程称为推理推理。根据推理过程进行的方向推理可分为根据推理过程进行的方向推理可分为正向推理、反正向推理、反向推理、混合推理向推理、混合推理。（书。（书P109）第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示四、产生式系统的分类四、产生式系统的分类按推理方向划分为：前向、后向、双向产生式系统。按推理方向划分为：前向、后向、双向产生式系统。按表示知识的确定性分为：确定性及不

38、确定性产生式按表示知识的确定性分为：确定性及不确定性产生式系统。系统。按规则库及综合数据库的性质及结构特征分类：按规则库及综合数据库的性质及结构特征分类：可交换的产生式系统、可分解的产生式系统、可恢复的可交换的产生式系统、可分解的产生式系统、可恢复的产生式系统产生式系统第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（1） 可交换的产生式系统：可交换的产生式系统： 产生式系统求解问题的过程是一个反复从规则库中选产生式系统求解问题的过程是一个反复从规则库中选用合适规则并执行规则的过程。在执行中，不同的控制用合适规则并执行规则的过程。在执行中，不同的控制策略将会得到不同的规则执行次序，有不同的求解效率

39、。策略将会得到不同的规则执行次序，有不同的求解效率。 如果一个产生式系统对规则的使用次序是可交换的，如果一个产生式系统对规则的使用次序是可交换的，无论先使用哪一条规则都可以达到目的，即规则的使用无论先使用哪一条规则都可以达到目的，即规则的使用次序是无关紧要的，称这样的产生式系统为次序是无关紧要的，称这样的产生式系统为可交换的产可交换的产生式系统生式系统。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示例例 设综合数据库设综合数据库DBDB的初始状态是的初始状态是aa，b b，c c，其中，其中a a，b b，c c均为整数，设规则库均为整数，设规则库RBRB有下述规则：有下述规则：R1:IF aR

40、1:IF a，b b，c THEN ac THEN a，b b，c c，a abbR2:IF aR2:IF a，b b，c THEN ac THEN a，b b，c c，b bc cR3:IF aR3:IF a，b b，c THEN ac THEN a，b b，c c，a ac c 执行完规则后，综合数据库执行完规则后，综合数据库DBDB为为aa，b b，c c，a ab b，b bc c，a ac c，与，与R1R1、R2R2和和R3R3执行的顺序无关。无论执行的顺序无关。无论先使用哪一条规则，都可达到目的，由先使用哪一条规则，都可达到目的，由RBRB和和DBDB构成构成的产生式系统是一个可

41、交换的产生式系统。的产生式系统是一个可交换的产生式系统。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（2 2）可分解的产生式系统：）可分解的产生式系统：第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示用括弧连接起来的子节点间是用括弧连接起来的子节点间是“与与”关系，不关系，不用括弧连接的子节点是用括弧连接的子节点是“或或”关系。显然，用关系。显然，用图表示可分解产生式系统求解问题的过程时，图表示可分解产生式系统求解问题的过程时，得到的是一棵与或树。得到的是一棵与或树。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（3 3）可恢复的产生式系统）可恢复的产生式

42、系统在问题的求解过程中既可以对综合数据库添加内在问题的求解过程中既可以对综合数据库添加内容，又可删除或修改老内容的产生式系统为容，又可删除或修改老内容的产生式系统为可恢可恢复的产生式系统复的产生式系统。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示五、产生式表示法的特点五、产生式表示法的特点第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 产生式表示法适合于表示具有下列特点的领域知识：产生式表示法适合于表示具有下列特点的领域知识： ( l ( l ）由许多相对独立的知识元组成的领域知识，彼此间关系不）由许多相对独

43、立的知识元组成的领域知识，彼此间关系不密切，不存在结构关系。例如化学反应方面的知识。密切，不存在结构关系。例如化学反应方面的知识。 ( 2 ( 2 ）具有经验性及不确定性的知识，而且相关领域中对这些知）具有经验性及不确定性的知识，而且相关领域中对这些知识没有严格、统一的理论。例如医疗诊断、故障诊断等方面的识没有严格、统一的理论。例如医疗诊断、故障诊断等方面的知识。知识。( 3 ( 3 ）领域问题的求解过程可被表示为一系列相对独立的操作，）领域问题的求解过程可被表示为一系列相对独立的操作，而且每个操作可被表示为一条或多条产生式规则。而且每个操作可被表示为一条或多条产生式规则。第第3 3章章 知识

44、与知识表示知识与知识表示一、框架理论一、框架理论 3.43.4框架表示法框架表示法第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示二、框架二、框架 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 框架的一般表示形式框架的一般表示形式 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 由上述表示形式可以看出，一个框架可以有任意有由上述表示形式可以看出，一个框架可以有任意有限数目的槽，一个槽可以有任意有限数目的侧面，限数目的槽，一个槽可以有任意有限数目的侧面，一个侧面又可以有任意有限数目的侧面值。一个槽一个侧面又可以有任意有限数目的侧面值。一个槽可以分为若干个侧面，也可不分侧面，视其描述的可以分为若干个侧面

45、，也可不分侧面，视其描述的属性而定。另外，槽值或侧面值既可以是数值、字属性而定。另外，槽值或侧面值既可以是数值、字符串、布尔值，也可以是一个在满足某个给定条件符串、布尔值，也可以是一个在满足某个给定条件时要执行的动作或过程，特别是它还可以是另一个时要执行的动作或过程，特别是它还可以是另一个框架的名字，从而实现一个框架对另一个框架的调框架的名字，从而实现一个框架对另一个框架的调用，表示出框架之间的横向联系。用，表示出框架之间的横向联系。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示例例（结合书上例子讲）（结合书上例子讲）：第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 该框架共有九个槽，分别描述了该

46、框架共有九个槽，分别描述了“教师教师”九个方面的情况，九个方面的情况，或者说是关于或者说是关于“教师教师”的九个属性，在每个槽里都指出了的九个属性，在每个槽里都指出了一些说明性的信息，用于对槽的填值给出某些限制。其中，一些说明性的信息，用于对槽的填值给出某些限制。其中， “单位单位”用来说明填充槽值时的格式限制；用来说明填充槽值时的格式限制；“范围范围”指出指出槽的值只能在指定的范围内挑选，例如对槽的值只能在指定的范围内挑选，例如对“职称职称”槽，其槽，其槽值只能是槽值只能是“教授教授”、“副教授副教授”、“讲师讲师”、“助教助教”中的某一个，不能是别的，如中的某一个，不能是别的，如“工程师工

47、程师”等；等；“缺省缺省”表表示当相应槽不填入槽值时，就以缺省值作为槽值，这样可示当相应槽不填入槽值时，就以缺省值作为槽值，这样可以节省一些填槽的工作。例如对以节省一些填槽的工作。例如对“性别性别”槽，当不填入槽，当不填入“男男”或或“女女”时，就默认它是时，就默认它是“男男”，这样对男性教师，这样对男性教师就可以不填这个槽的槽值。就可以不填这个槽的槽值。 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 当把具体的信息填入槽或侧面后，就得到了相应框架的一当把具体的信息填入槽或侧面后，就得到了相应框架的一个事例框架。例如把某教师的一组信息填入个事例框架。例如把某教师的一组信息填入“教师教师”框架框

48、架的各个槽，就可得到：的各个槽，就可得到：第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示三、框架网络三、框架网络 一般来说，单个框架只能表示简单对象的知识，在实际应用时，当对象比较复杂时，往往需要把多个相互联系的框架组织起来进行表示。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（1）横向联系：横向联系： 由于框架中的槽值或侧面值都可以是另一个框架的名字，由于框架中的槽值或侧面值都可以是另一个框架的名字，这就在框架之间建立起来了联系，通过一个框架可以找这就在框架之间建立起来了联系，通过一个框架可以找到另一个框架。如在上例关于夏冰的框架中，到另一个框架。如在上例关于夏冰的框架中，“住址住址”槽的槽值

49、是槽的槽值是“adr1”，而它是一个地址框架的名字，这，而它是一个地址框架的名字，这就在就在“教师教师-1”与与“adr-1”这两个框架间建立了联系。当这两个框架间建立了联系。当某人希望了解夏冰的情况时，不仅可以直接在某人希望了解夏冰的情况时，不仅可以直接在“教师教师-1”框架中了解到有关她的框架中了解到有关她的“年龄年龄”、“职称职称”等情况，还等情况，还可通过可通过“住址住址”槽找到她的住址框架，从而得知她的详槽找到她的住址框架，从而得知她的详细住址。细住址。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（2 2）纵向联系：纵向联系： 以学校里以学校里“师生员工师生员工”框架、框架、“教职工

50、教职工”框架及框架及“教师教师”框架框架为例，说明如何在它们之间建立起纵向联系。我们知道，无论为例，说明如何在它们之间建立起纵向联系。我们知道，无论是教师，还是学生以及在学校工作的其他人员，如干部、实验是教师，还是学生以及在学校工作的其他人员，如干部、实验员、工人等，尽管他们所担负的任务不同，但由于他们都共处员、工人等，尽管他们所担负的任务不同，但由于他们都共处于学校这个环境中，必然会有一些共同的属性，因此在对他们于学校这个环境中，必然会有一些共同的属性，因此在对他们进行描述时，可以把他们具有的共同属性抽取出来，构成一个进行描述时，可以把他们具有的共同属性抽取出来，构成一个上层框架，然后再对各

51、类人员独有的属性分别构成下层框架，上层框架，然后再对各类人员独有的属性分别构成下层框架，为了指明框架间的这种上、下关系，可在下层框架中设立一个为了指明框架间的这种上、下关系，可在下层框架中设立一个专用的槽（一般称为专用的槽（一般称为“继承继承”槽），用以指出它的上层框架是槽），用以指出它的上层框架是哪一个。哪一个。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 这样不仅在框架间建立了纵向联系，而且通过这样不仅在框架间建立了纵向联系，而且通过这种联系，下层框架还可以继承上层框架的属这种联系，下层框架还可以继承上层框架的属性及值，避免了重复描述，节约了时间和空间性及值，避免了重复描述，节约了时间和空

52、间的开销。的开销。 继承性继承性是框架表示法的一个重要特性，它不仅是框架表示法的一个重要特性，它不仅可以在两层框架之间实现继承关系，而且可以可以在两层框架之间实现继承关系，而且可以通过两两的继承关系，从最低层追溯到最高层，通过两两的继承关系，从最低层追溯到最高层，使高层的信息逐层向低层传递。使高层的信息逐层向低层传递。 第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（3 3）框架网络：用框架名作为槽值时所建立起来的框）框架网络：用框架名作为槽值时所建立起来的框架间的横向联系，用架间的横向联系，用“继承继承”槽建立起来的框架间的纵槽建立起来的框架间的纵向联系，像这样具有横向联系及纵向联系的一组框架

53、称向联系，像这样具有横向联系及纵向联系的一组框架称为为框架网络框架网络。下图是一个关于师生员工的框架网络。下图是一个关于师生员工的框架网络。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 在如图所示的框架网络中，在如图所示的框架网络中，“师生员工师生员工”框架用于描框架用于描述师、生、员、工们的共同属性，例如述师、生、员、工们的共同属性，例如“姓名姓名”、“性别性别”、“年龄年龄”等；等；“教职工教职工”框架用于描述教框架用于描述教师、干部、工人的共同属性，但凡是在师、干部、工人的共同属性，但凡是在“师生员工师生员工”框架中已经指出的属性在这里就可以不再指出；框架中已经指出的属性在这里就可以不再

54、指出；“学学生生”框架用于描述学生的共同属性，已在框架用于描述学生的共同属性，已在“师生员工师生员工”框架中指出的属性在这里也可不再重复描述。以此类框架中指出的属性在这里也可不再重复描述。以此类推可知，在推可知，在“教师教师”框架、框架、“工人工人”框架、框架、“电子系电子系学生学生”框架等中也只需描述只有他们自己具有的属性。框架等中也只需描述只有他们自己具有的属性。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 但是，但是，如果一个在上层框架中描述的属性在下层框架需作进如果一个在上层框架中描述的属性在下层框架需作进一步说明时，则需要在下层框架中再次给出描述。一步说明时，则需要在下层框架中再次给

55、出描述。例如，例如，设在设在“师生员工师生员工”框架中对框架中对“年龄年龄”槽的描述是：年龄：槽的描述是：年龄：单位（岁）单位（岁）由于学生一般都是在七岁开始上学的，因此学生的年龄可由于学生一般都是在七岁开始上学的，因此学生的年龄可由年龄由年龄=学龄学龄7 7 得到，所以在得到，所以在“学生学生”框架中仍可设置框架中仍可设置“年龄年龄”槽，并在该槽的描述中给出计算年龄的过程。如槽，并在该槽的描述中给出计算年龄的过程。如果在下层框架中对某些槽没有作特别的声明，那么它将自果在下层框架中对某些槽没有作特别的声明，那么它将自动继承上层框架相应槽的槽值。动继承上层框架相应槽的槽值。第第3 3章章 知识与

56、知识表示知识与知识表示下面具体地给出上述几个框架的描述：师生员工框架为：第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 由上述框架描述可以看出：由上述框架描述可以看出：(1(1）在框架网络中，既有用）在框架网络中，既有用“继承继承”槽指出的上、槽指出的上、下层框架间的纵向联系，也有以框架名作为槽值下层框架间的纵向联系，也有以框架名作为槽值指出的框架间的横向联系，因此框架网络是一个指出的框架间的横向联系，因此框架网络是一个纵、横交错的复杂的框架体系结构。纵、横交错的复杂的框架体系结构。(2(2）原则上说，事例框架中的每一个槽都应给出槽）原则上说，事例框架

57、中的每一个槽都应给出槽值，但对可以继承上层框架槽值的槽，其槽值可值，但对可以继承上层框架槽值的槽，其槽值可不给出。例如在上面的不给出。例如在上面的“教师一教师一1”1”框架中，虽框架中，虽然没有给出然没有给出“性别性别”、“职称职称”槽及其槽值，但槽及其槽值，但由继承性可知孙林的性别为由继承性可知孙林的性别为“男男”，职称为，职称为“讲讲师师”。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（1 1）充分表达事物各有关方面的属性）充分表达事物各有关方面的属性 在以框架作为知识表示模式的系统中，知识是通过事物的属性来在以框架作为知识表示模式的系统中，知识是通过事物的属性来表示的。这里所说的表示的。

58、这里所说的“各有关方面的属性各有关方面的属性”有两方面的含义：一是有两方面的含义：一是要与系统的设计目标相一致，凡是系统设计目标所要求的属性，或要与系统的设计目标相一致，凡是系统设计目标所要求的属性，或者问题求解中有可能要用到的属性都应该用相应的槽把它们表示出者问题求解中有可能要用到的属性都应该用相应的槽把它们表示出来；另一是仅仅需要对有关的属性设立槽，不可面面俱到，以免浪来；另一是仅仅需要对有关的属性设立槽，不可面面俱到，以免浪费空间和降低系统的运行效率。在选择把哪些属性作为槽的描述对费空间和降低系统的运行效率。在选择把哪些属性作为槽的描述对象时，首先要对系统的设计目标及应用范围进行认真的分

59、析，并依象时，首先要对系统的设计目标及应用范围进行认真的分析，并依此对事物的属性进行筛选，仅把那些需要的属性找出来，并为它们此对事物的属性进行筛选，仅把那些需要的属性找出来，并为它们建立相应的槽。建立相应的槽。四、框架中槽的设置与组织四、框架中槽的设置与组织第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示（2 2）充分表达相关事物间的各种关系）充分表达相关事物间的各种关系u在框架系统中，事物之间的联系是通过在槽中填入相应的在框架系统中，事物之间的联系是通过在槽中填入相应的框架名来实现的，至于它们之间究竟是一种什么关系，则框架名来实现的，至于它们之间究竟是一种什么关系，则是由槽名来指明的。是由槽名来

60、指明的。u为了提供一些常用且可公用的槽名，在框架表示系统中通为了提供一些常用且可公用的槽名，在框架表示系统中通常定义一些标准槽名，应用时不用说明就可直接使用，称常定义一些标准槽名，应用时不用说明就可直接使用，称这些槽名为系统预定义槽名。下面列出其中用得较多的几这些槽名为系统预定义槽名。下面列出其中用得较多的几个。个。第第3 3章章 知识与知识表示知识与知识表示 (a) (a) ISAISA槽。槽。ISAISA槽用于指出事物间抽象概念上的类属关系。槽用于指出事物间抽象概念上的类属关系。其直观含义是其直观含义是“是一个是一个”，“是一种是一种”，“是一只是一只”，。当用它作为某下层框架的槽时，表示