人工智能知识表达胡静演讲稿

第二章知识表达技术

课程的基本内容知识的概念与含义，知识类型和知识模型的变换；重点介绍几种常用的知识表达法——状态空间表示法、与/或图表示法、产生式系统、知识的逻辑表达方法、语义网络、框架表达法、特征表表达法和面向对象的表达法。

课程的基本要求掌握知识表达的基本概念，学会划分知识的类型和理解知识模型变换在解决人工智能问题的过程中的作用与意义；学会如何将一个具体的问题，用所介绍的知识表达方法来表示；初步体会在各种知识表达方法中，其知识机构是如何随知识的运用而变化的。1/22/20231第二章知识表达技术

2．1知识的概念与含义

智能行为——即拥有知识 ——即对知识的获取、表达、搜索、分析、解答等智能能力

人的智能的核心也在于“知识”

感性知识与理性知识，经验知识与理论知识智能表现在：知识的获取能力—通过感知器官获取感性知识知识的处理能力—将感性知识上升为理性知识知识的运用能力—采取行动，发挥知识的效用知识：是人们对自然现象的认识和从中总结出来的规律、经验1/22/20232第二章知识表达技术

2．1知识的概念与含义

知识模式K=F+R+CK表示知识项(Knowledgeitems)F表示事实(Facts)——人类对客观世界、客观事物的状态、属性、特征的描述，以及对事物之间关系的描述

R表示规则(Rules)——能表达在前提与结论之间的因果关系的一种形式C表示概念(Concepts)——事实的含义规则语义说明等1/22/20233第二章知识表达技术

2．2知识表达技术

知识类型叙述型知识——有关系统状态、环境和条件，问题的概念、定义和事实的知识。过程型知识——有关系统状态变化、问题求解过程的操作、演算和行动的知识。控制型知识——有关如何选择相应的操作、演算和行动的比较、判断、管理和决策的知识。例：对于从北京到上海，是乘飞机还是坐火车的问题。叙述型知识：北京、上海、飞机、火车、时间、费用。过程型知识：乘飞机、坐火车。控制型知识：乘飞机较快、较贵；坐火车较慢、较便宜。

1/22/20234知识的表达技术1/22/20235第二章知识表达技术

(一)状态空间表达

状态用来表示系统状态,事实等叙述型知识的一组变量或数组 Q=[q1,q2,…qn]t操作是用来表示引起状态变化的过程型知识的一组关系或函数 F:{f1,f2,…fm}状态空间(StateSpace)是利用状态变量和操作符号，表示系统或问题的有关知识的符号体系，状态空间是一个四元组（S，O，S0，G）：

S—状态集合;O—操作算子集合;S0—初始状态,S0S;G—目的状 态,GS,(G可若干具体状态，也可满足某些性质的路径信息描述)

从S0结点到G结点的路径被称为求解路径。状态空间一解是一有限操作算子序列，它使初始状态转换为目标状态： O1O2O3Ok

S0S1S2……G 其中O1，…，Ok即为状态空间的一个解(解往往不是唯一的)

1/22/20236第二章知识表达技术

2．3状态空间表达

【例2．2】八数码问题的状态空间 在一3×3方格盘，放1到8八个数码，另一格为空。空格四周上下左右数码可移到空格。一布局：23158467

八数码任何一种摆法就是一个状态，所有的摆法为状态集S，构成了一个状态空间，其大小为9！ 相应操作算子是数码移动，其操作算子共有4（方向）×8（数码）=32个。可简化为4个：Up，Left，Down，Right1/22/20237状态图这种描述问题的有向图被称为状态空间图，简称状态图；许多智力问题都可以归结为在某一状态中寻找目标或路径的问题。1/22/20238X1X2X3X８X0X4X7X6X5例3.8八数码难题的状态图表示。我们将棋局

用向量

A＝(X0,X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7,X8)表示,Xi为变量,Xi的值就是方格Xi内的数字。于是,向量A就是该问题的状态空间表达式。1/22/20239设初始状态和和目标状态分分别为So＝(0,2,8,3,4,5,6,7,1)Sg＝(0,1,2,3,4,5,6,7,8)易见,数码的的移动规则就就是该问题的的状态变换规规则,即操作作。经分析,该问题共共有24条移码规则,可分为9组。1/7/2023100组规则:1组规则:1/7/2023112组规则:8组规则:于是,八数码问题的的状态空间（（状态图）可可表示为({So},{r1,r2,…,r24},{Sg})1/7/202312当然,上述述24条规规则也也可以以简化化为4条:即即空格格上移移（UP））、下下移移（DOWN））、左左移（（LEFT）、、右移移（RIGHT）。。不过过,这这时状状态(即棋棋局)就需需要用用矩阵阵来表表示。。可以看看出,这个个状态态图中中仅给给出了了初始始节点点和目目标节节点,并并未给给出其其余节节点。。而其其余节节点需需用状状态转转换规规则来来产生生。类类似似于这这样表表示的的状态态图称称为隐隐式状状态图图,或或者者说状状态图图的隐隐式表表示。。1/7/202313状态空间间表示示例2走迷宫宫是人人们熟熟悉的的一种种游戏戏,如如图图3－－1就就是一一个迷迷宫。。如果果我们们把该该迷宫宫的每一个个格子子以及入口和出口都作为为节点点,把把通道作为边边,则则该该迷宫宫可以以由一一个有向图图表示(如图图3-2所所示)。那那么么,走走迷迷宫其其实就就是从从该有有向图图的初初始节节点(入口口)出出发,寻寻找目目标节节点(出口)的问题题,或者是是寻找找通向向目标标节点点(出口)的路径径的问问题。。1/7/202314图3-1迷宫图1/7/202315图3-2迷宫的有向图图表示1/7/202316第二章知识识表达技术（二）与与/或图表达达法超图树图与/或树基于人们在求求解问题时的的两种思维方方法：分解：将复杂大问题题分解为一组组简单小问题题若所有子问题题都解决了，，则总问题也也解决了，这这是“与”的逻辑关系系——“与”树变换：将较难问题变变换为较易等等价/等效问问题若一难问题可可以等价变换换为几个容易易问题，则任任何一个容易易问题解决了了，也就解决决了原有难问问题，这是““或”的逻辑关系系——“或”树兼用“分解””和“变换””方法——“与/或”树树1/7/202317与或图搜索与或图图我们仍仍用例例子引引入与与或图图的概概念。。例如图所所示,设有有四边边形ABCD和A′B′C′D′,要求证证明它它们全全等。。分析：：分别别连接接B、D和B′、D′,则则原原问题题可分分解为为两个个子问问题：：Q1：证明明△ABD≌△A′B′D′Q2：证明明△BCD≌△B′C′D′1/7/202318图3-12四四边形ABCD和A’B’C’’D’1/7/202319于是,原原问题题的解决决可归结结为这两两个子问问题的解解决。换换句话话说,原原问题被被解决当当且仅当当这两个个子问题题都被解解决。进一步,问题Q1还可再被被分解为为Q11：证明AB＝A′B′Q12：证明AD＝A′D′Q13：证明∠∠A＝∠A′或Q11′：证证明AB＝A′B′Q12′：证证明AD＝A′D′Q13′：证明BD＝B′D′1/7/202320问题Q2还可再被分分解为Q21：证明BC＝B′C′Q22：证明CD＝C′D′Q23：证明∠∠C＝∠C′或Q21′：证明BC＝B′C′Q22′：证明CD＝C′D′Q23′：证明BD＝B′D′1/7/202321现在考虑原原问题与这这两组子问问题的关系系,我们们便得到图图3-13。图中的的弧线表示示所连边为为“与”关关系,不带带弧线的边边为或关系系。这个图图中既有与与关系又有有或关系,因此被称称为与或图图。但这个个与或图是是一种特殊殊的与或图图,称为为与或树。。1/7/202322图3-13问题的的分解解与变变换1/7/202323第二章知知识表表达技术术2．4状状态态图、与与/或图图表达法法【例2．．3】猴猴子和香香蕉问题题（两种种方法都都试试））设机器人人“猴子子”位于于a处，，目的物物“香蕉蕉”挂在在c处上上方，猴猴子想吃吃香蕉，，但高度度不够，，拿不着着。在b处有可可移动的的台子，，若猴子子站在台台子上，，就可以以拿到香香蕉。问题是制制定机器器人的行行动计划划，使猴猴子能拿拿到香蕉蕉。香蕉a猴子cb台子子1/7/202324第二章知知识表表达技术术1.状态态空间法法【例2．．3】猴猴子和香香蕉问题题状态空间间法:四四元数组组描述：：S=(w,x,y,z)其中：w：猴子子所处水水平位置置x：台子子所在水水平位置置y：猴子子是否在在台子上上（y=1:在在;y=0:不不在）z：猴子子是否能能拿到香香蕉（z=1:拿到;z=0:没拿拿到）可能出现现的状态如下：S0=(a,b,0,0)S1=(b,b,0,0)S2=(c,c,0,0)S3=(c,c,1,0)S4=(c,c,1,1)其其中S0为初始状状态，S4为目标状状态1/7/202325第二章知识识表达技术2．4与与/或图表达达法【例2．3】】猴子和香蕉蕉问题允许的操作集集为：F={f1,f2,f3,f4}其中：f1(u)为猴子子走到u处(w,x,0,z)(u,x,0,z)f2(v)为猴子子推台子到v处(x,x,0,0)(v,v,0,0)f3为猴子爬上台台子(x,x,0,z)(x,x,1,z)f4为猴子拿到香香蕉(c,c,1,0)(c,c,1,1)1/7/202326第二章章知知识表表达技技术2．4与与/或图图表达达法【例2．3】猴猴子和和香蕉蕉问题题允许的的操作作集为为：F={f1,f2,f3,f4}比较目标状状态（（S4）与初初始状状态（（S0）的差异，来选择主主操作作。由于于S0与S4中的四四个状状态量量都有有差异异，相相应的的操作作为f1,f2,f3和f4，都可可选为为主操操作。。因此此，可可将原原问题题变换换为四四个新新问题题，而而新问问题又又可分分为几几个子子问题题及子子子问问题。。这一一过程程———与/或或树图图1/7/202327第二章知知识表表达技术术2．4与与/或图表表达法【例2．．3】猴猴子和香香蕉问题题与/或树树图1/7/202328第二章知知识表达技技术习题练习（（一）例2.1梵塔问题（（状态空间间法）。设有三根宝宝石杆,在在1号杆上上穿有A、B两个金盘,A小于B，并且A位于B的上面。要求：把这这两个金盘盘全部移到到另一根杆杆上,而且且规定每次次只能移动动一个盘子子,任何时时刻都不能能使B位于A的上面（小小盘永远在在大盘上面面）。1/7/202329图2.1二阶梵塔的的全部状态态1/7/202330第二章知知识表达技技术习题练习（（一）例2.1梵塔问题（（状态空间间法）。设用二元组组(SA,SB)表示问问题的状态态,SA表示小盘盘A所在的杆号号,SB表示大盘盘B所在的杆号号,这样样,全部部可能的状状态有9种种,可表表示如下：：s0(1,1),s1(1,2),s2(1,3)s3(2,1),s4(2,2),s5(2,3)S6(3,1),S7(3,2),S8(3,3)1/7/202331这里的操作算算子就是盘子子的搬动规则则，分别用A(i,j)及B(i,j)表示：A(i,j)表示把A盘（小盘）从从第i号杆移到第j号杆上;B(i,j)表示把B盘（大盘）从从第i号杆移到第j号杆上。经分分析，共有12个操作，，它们分别是是：A(1,2),A(1,3),A(2,1),A(2,3),A(3,1),A(3,2)B(1,2),B(1,3),B(2,1),B(2,3),B(3,1),B(3,2)1/7/202332这样由由题意意,问问题的的初始始状态态为(1,1),目标标状态态为(3,3),则则二阶阶梵塔塔问题题可用用状态图图表示为为({(1,1)},{A(1,2),…,B(3,2)},{(3,3)})从初始始节点点到目目标节节点的的任何何一跳跳通路路都是是一个个解，，其中中的最最短路路径长长度是是3，，它有有三个个算子子组成成：A（1，3）、、B（（1，，2））、A（3，2）。。1/7/202333由本题题可以以得出出结论论（1））首先先必须须定义义状态态的描描述形形式，，通过过使用用这种种描述述形式式可把把问题题的全全部状状态都都表示示出来来。（2））其次次还要要有一一组算算子，，通过过使用用算子子可把把问题题的一一种状状态转转换为为另一一种状状态。。（3））状态态图就就是通通过一一组算算子将将问题题的初初始状状态转转换为为目标标状态态。1/7/202334作业（一一）---传传教士与野人人三个传教士和和三个野人来来到一条河边边。河边只有有一只每次最最多可供两个个人过河的小小船。传教士士如何用这只只小船才能使使河的两边的的野人数目绝绝不会超过传传教士数目的的状态。指定状态描述述格式、开始始状态和目标标状态，并画画出状态图（（只要画出““合法”的状状态，即河两两边的野人数数目没有超过过传教士的数数目）1/7/202335第二章知识识表达技术三、产生生式系统产生式系统(productionsystem)描述若干个不不同的以一个个基本概念为为基础的系统统。这个基本本概念就是产产生式规则（（或产生式条条件）和操作作对的概念。。论域知识分为为两部分：事实表示静态态知识，如事物、事事件和它们之之间的关系产生式规则表表示推理过程程和行为，如动作，算子子，变换等这类系统的知知识库主要用用于存储规则则，因此又把把此类系统称称为基于规则的系系统(rule-basedsystem)1/7/202336第二章知识识表达技术2．5产产生式系统产生式系统的的基本结构一个产生式系系统包含事实实库、规则集集和规则解释释（控制器））三部分1/7/202337第二章知知识表表达技术术2．5产产生生式系统统事实库——当前前已知的的知识信信息数据据，包括括推理过过程中形形成的中间结论论知识，换换句话说说，它用用于存储储有关问问题的状状态、性性质等事事实的叙述型知知识，也称为为综合数数据库或或工作存存储器。。数据是是广义的1/7/202338第二章知知识表表达技术术2．5产产生生式系统统规则集库库——存储储有关问问题的状状态转移移、性质质变化等等规则的的过程型知知识，或称““规则库库”产生式规规则的一一般形式可以表述述为：P1,P2,…,PmC1,C2,…,Cn每条产生生式规则则分为左左部和右右部两个个部分，，左部表表示激活活该产生生式规则则的前提条件件/规则则前件，右部表表示调用用该产生生式规则则后所做做的行为部分分/规则则后件/结论。。可简述成成“条件-动动作”对的形形式。1/7/202339第二章章知知识表表达技技术2．5产产生生式系系统产生式式规则则的形形式与传统统程序序设计计语言言中条件语语句非常相相似，，但实实际上上两者者之间间存在在根本本的区别（（具体体见书书上解解释））1/7/202340第二章章知知识表表达技技术2．5产产生生式系系统规则解解释（（控制制器））——根根据有有关问问题的的控制制型知知识，，选择择控制制策略略，将将规则则与事事实进进行匹匹配，，控制制并利利用知知识进进行推推理并并求解解问题题通常从从选择择规则则到执执行操操作分分3步步：匹配、、冲突突消解解和操操作———由由匹配配器负负责判判断规规则条条件是是否成成立，，冲突突消解解器负负责选选择可可调用用的规规则，，解释释器负负责执执行规规则的的动作作，并并在满满足结结束条条件时时终止止产生生式系系统的的运行行。1/7/202341第二章章知知识表表达技技术2．5产产生生式系系统匹配——当当前事事实库库内容容与规规则条条件部部分匹匹配。。如果果两者者完全全匹配配，则则把这这条规规则称称为触发规规则。当按按规则则的操操作部部分去去执行行时，，称这这条规规则为为启用规规则。被触发发的规规则不不一定定总是是启用用规则则，因因为可可能同同时有有几条条规则则的条条件部部分被被满足足，需需解决决冲突突步骤骤中来来解决决。在在复杂杂的情情况下下，在在事实实库和和规则则的条条件部部分之之间可可能要要进行行近似匹匹配2.冲冲突解决——当有一一条以上规规则的条件件部分和当当前事实库库相匹配时时，就需要要决定首先使使用哪一条条规则，这称为冲冲突解决3.操操作——执行规则的操作作部分，经经操作以后后，当前事事实库将被被修改。然然后，其它它的规则有有可能被使使用，即进入下一一循环1/7/202342第二章知知识表达技技术2．5产产生式系系统如：设有以以下两条美美式足球的的规则：规则R1规则R2IFfourthdawnIFfourthdawnshortyardageshortyardageTHENpuntwithin30yards(fromthegoalline)THENfieldgoalR1规则：如进攻方方在前三次次进攻中前前进的距离离少于10码(shortyardage)，那么在在第四次进进攻时(fourthdawn)，，可以踢悬悬空球(punt)R2规则：如进攻方方在前三次次进攻中前前进的距离离少于10码，而进进攻的位置置又在离对对方球门线线30码距距离之内，，那么就可可以射门(fieldgoal)如果当前事事实库包含含事实“fourthdawn”和和“shortyardage”以以及“within30yards”？？？--则上述述两条规则则都被触发发，这就需需要用“冲冲突解决””来解决首首先使用哪哪一条规则则的问题。。1/7/202343第二章知知识表表达技术术2．5产产生生式系统统常见的冲冲突解决决方案：：专一性排排序——如某某一规则则条件部部分规定定的情况况，比另另一规则则条件部部分规定定的情况况更有针针对性，，则这条条规则有有较高的的优先级级规则排序序——如规规则编排排的顺序序就表示示了启用用的优先先级，则则称之为为规则排排序数据排序序——把规规则条件件部分的的所有条条件按优优先级次次序编排排起来，，运行时时首先使使用在条条件部分分包含较较高优先先级数据据的规则则。规模排序序——按规规则的条条件部分分的规模模排列优优先级，，优先使使用被满满足的条条件较多多的规则则就近排序序——把最最近使用用的规则则放在最最优先的的位置。。这和人人类的行行为有相相似之处处上下文限限制——把产产生式规规则按它它们所描描述的上上下文分分组，也也就是说说按上下下文对规规则分组组。在某某种上下下文条件件下，只只能从与与其相对对应的那那组规则则中选择择可应用用的规则则……1/7/202344第二章知识识表达技术2．5产产生式系统【例2．4】】动物识别系系统规则I1到I4这一组规规则可用于把把哺乳动物和鸟类动物区分开：规则I1如果该动物有毛发发，那么它是哺乳动物物规则I2如果该动物能产乳乳，那么它是哺乳动物物规则I3如果该动物有羽毛毛，那么它是鸟类动物物规则I4如果该动物能飞行行，它能生蛋蛋，那么它是鸟类动物物规则I5到I8把哺乳动动物又进一步步分为更细的的类食肉动物和有蹄动物：规则I5如如果该动物是哺乳乳动物，它吃吃肉，那么它是食肉动物物规则I6如如果该动物是哺乳乳动物，它长长有爪子，它它长有利齿，，它眼睛前视，，那么它是食肉动物物规则I7如如果该动物是哺乳乳动物，它长长有蹄，那么它是有蹄动物物规则I8如如果该动物是哺乳乳动物，它反反刍，那么它是有蹄动物物，并且是偶偶蹄动物1/7/202345第二章知识识表达技术2．5产产生式系统【例2．4】】动物识别系系统以下两个规则则对食肉动物进行细分：规则I9如如果该动物是食肉肉动物，它的的颜色是黄褐褐色，它有深深色的斑点那么它是猎豹规则I10如如果该动物是食肉肉动物，它的的颜色是黄褐褐色，它有黑黑色条纹那么它是老虎以下两个规则则对有蹄动物进行细分：规则I11如如果该动物是有蹄蹄动物，它有有长腿，它有有长颈，它的的颜色是黄褐褐色，，它有深色的的斑点，那么它是长颈鹿规则I12如如果该动物是有蹄蹄动物，它的的颜色是白的的，它有黑色色条纹，那么它是斑马1/7/202346第二章知识识表达技术2．5产产生式系统【例2．4】】动物识别系系统以下对鸟类进行分类的规规则：规则I13如如果该动物是鸟类类，它不会飞飞，它有长腿腿，它有长颈颈，它的颜色是黑黑、白色相杂杂，那么它是鸵鸟（规则I13的IF部分分的条件“它它有长腿”和和“它有长颈颈”，也出现现在规则I11的IF部部分。I11是有蹄动物物的，而I13是鸟的分分类，无混淆淆）规则I14如如果该动物是鸟类类，它不能飞飞行，它能游游水，它的颜色是黑黑色和白色，，那么它是企鹅规则I15如如果该动物是鸟类类，它善于飞飞行，那么它是海燕1/7/202347第二章章知知识表表达技技术2．5产产生生式系系统【例2．4】动动物识识别系系统———识别长长颈鹿鹿的过过程开始，，观察察到：：（动物物的颜颜色是是黄褐褐色,深色色斑点点）规则I11还是是规则则I9？再看到到该动动物给给它的的幼兽兽喂奶奶，并并能反反刍，，于是是事实实库内内容增增为：：（动物物的颜颜色是是黄褐褐色,深色色斑点点,能能产乳乳,反反刍））现用规规则集集与事事实库库进行行匹配配，I2首首先可可用，，并更更新事事实库库为：：（哺乳乳动物物,黄黄褐色色,深深色斑斑点,能产产乳,反刍刍）进而I8又又能用用，更更新事事实库库为：：（有蹄蹄动物物,偶偶蹄动动物,哺乳乳动物物,黄黄褐色色,深深色斑斑点,能产产乳,反刍刍）还无法法识别别，而而事实实库也也不能能和其其它规规则的的前提提相匹匹配，，需再再观察察，进进一步步发现现该动动物腿腿和颈颈都很很长，，即得得到事事实库库：（动物物有长长腿,有长长颈,有蹄蹄动物物,偶偶蹄动动物,哺乳乳动物物,黄黄褐色色,深深色斑斑点,能产产乳,反刍刍）规则I11可使使用，，推理理出该该动物物为长颈鹿鹿问题的的求解解过程程可终终止1/7/202348第二章知识识表达技术2．5产产生式系统产生式系统的的问题求解过程程的步骤：①事实库初始化②若存在未用规规则前提能与与事实库相匹配则转③，否则则转⑤③使用规则则，更新事实实库，并标记记所用规则④事实库是否包含解。若是，则终止求解过程程，否则转②⑤要求更多的关关于问题的信信息，若不能能提供所要信信息，则求解失败，否则更新事事实库并转②②1/7/202349图6-2推理机的一次次推理过程1/7/202350一个实实际的的产生生式系系统,其其目标标条件件一般般不会会只经经一步步推理理就可可满足足,往往往往要经经过多多步推推理才才能满满足或或者证证明问问题无无解。。所所以,产产生式式系统统的运运行过过程,就是是推理理机不不断运运用规规则库库中的的规则则,作作用用于动动态数数据库库,不不断断进行行推理理并不不断检检测目目标条条件是是否满满足的的过程程。当当推理理到某某一步步,目目标标条件件被满满足,则则推理理成功功,于于是是系统统运行行结束束；或或者再再无规规则可可用,但目标标条件件仍未未满足足,则推理理失败败,当然系系统也也运行行结束束。1/7/202351控制策略与与常用算法法产生式系统统的推理可可分为正向向推理和反反向推理两两种基本方方式。简单单来讲,正向推理就是从初始始事实数据据出发,正正向使用用规则进行行推理(即即用规则前前提与动态态数据库中中的事实匹匹配,或或用动态数数据库中的的数据测试试规则的前前提条件,然后产产生结论或或执行动作作),朝目目标方向前前进；反向推理就是从目标标出发,反反向使用用规则进行行推理(即即用规则结结论与目标标匹配,又又产生新新的目标,然后对对新目标再再作同样的的处理),朝初始事事实或数据据方向前进进。下面我我们给出产产生式系统统正向推理理和反向推推理的例子子：1/7/202352例动物分分类问问题的的产生生式系系统描描述及及其求求解。。设由下下列动动物识识别规规则组组成一一个规规则库库,推推理理机采采用上上述正向推推理算法,建建立一一个产产生式式系统统。该该产生生式系系统就就是一一个小小型动动物分分类知知识库库系统统。规则集集：r1：若若某动动物有有奶,则则它是是哺乳乳动物物。r2：若若某动动物有有毛发发,则则它它是哺哺乳动动物。。r3：若若某动动物有有羽毛毛,则则它它是鸟鸟。r4：若某动动物会会飞且且生蛋蛋,则它是是鸟。。1/7/202353r5：若某某动物是是哺乳动动物且有有爪且有有犬齿且且目盯前前方,则则它是是食肉动动物。r6：若某某动物是是哺乳动动物且吃吃肉,则则它是是食肉动动物。r7：若某某动物是是哺乳动动物且有有蹄,则则它是是有蹄动动物。r8：若某某动物是是有蹄动动物且反反刍（chu））食物,则它它是偶蹄蹄动物。。r9：若某某动物是是食肉动动物且黄黄褐色且且有黑色色条纹,则它它是老虎虎。r10：若某某动物是是食肉动动物且黄黄褐色且且有黑色色斑点,则它它是金钱钱豹。1/7/202354r11：若某某动物是是有蹄动动物且长长腿且长长脖子且且黄褐色色且有暗暗斑点,则它它是长颈颈鹿。r12：若某动动物是有有蹄动物物且白色色且有黑黑色条纹纹,则则它是斑斑马。r13：若某某动物是是鸟且不不会飞且且长腿且且长脖子子且黑白白色,则则它是是驼鸟。。r14：若某某动物是是鸟且不不会飞且且会游泳泳且黑白白色,则则它是是企鹅。。r15：若某动物物是鸟且且善飞且且不怕风风浪,则它是海海燕。1/7/202355图6-4规则集形形成的部部分推理理网络1/7/202356再给出初初始事实实：f1：某动物物有毛发发。f2：吃肉。。f3：黄褐色色。f4：有黑色条条纹。目标条件件为：该该动物物是什么么？易见,该该系统统的运行行结果为为：该该动物是是老虎。。其推理理树如图图6-5所示。1/7/202357图6-5关于“老老虎”的的正向推推理树1/7/202358作业（二二）---针对猴子子摘香蕉蕉问题，，请给出出产生式式系统描描述。定义一个个五元组组：（M，B，，Box，On，H））M—猴子子的位置置；On=0—猴猴子在地地板上B—香蕉蕉的位置置；On=1——猴子在在箱子上上Box——箱子的的位置；；H=0—猴子子没有抓抓到香蕉蕉H=1——猴子抓抓到香蕉蕉1/7/202359作业（二二）---请补补充下列列的规则则集规则集：：R1：IF（x，y，，z，0，0））THEN（（w，y，z，，0，0）-----代表猴猴子从x处走到到w处R2：R3：R4：1/7/202360第二章知知识表表达技术术2．6知知识识的逻辑辑表达方方法逻辑的描描述是人们思思维活动动规律的的反映和和抽象表达人类类思维和和推理的的最精确确和最成成功的方方法通过计算算机可作作精确处处理与自然语语言又非非常接近近1/7/202361数理逻辑辑（符号逻逻辑）是是用数学学方法研研究形式式逻辑的的一个分分支。它通过符号号系统来来表达客客观对象象以及相相关的逻逻辑推理理。常用用的是命题逻辑辑和谓词逻辑辑1/7/2023621命题逻辑辑的简述述命题是能够判判断真或或假的陈述句通常用大大写字母母来表示示，如A,B,P,Q等命题的真真假值一一般用T或F来表示1/7/202363例：雪是白的的。（陈陈述句，，T）雪是红的的。（陈陈述句，，F）雪是黑的的。（陈陈述句，，F）他是工人人。（陈陈述句，，他泛指指，无法法判断真真假）你今天上上课没有有？（疑疑问句））请坐公共共汽车！！（祈使使句）1/7/202364命题逻辑是研究命题及及命题之间关关系的符号逻逻辑系统。在命题逻辑中中，表示单一一意义的命题题，称之为原子命题。（灯关着，天天在下雨）原子命题通过过“联结词”构成复合命题。P¬Q：如果天在下下雨，则天不不晴1/7/202365五个联结词：①“～”或““⌐”表示“非非”复合命题⌐P为真，当且仅仅当P为假。②“∧”表示示“合取””复合命题“P∧Q”为真，当且仅仅当P和Q都为真。1/7/202366④“”表示““蕴含”复合命题“PQ”为假，当且仅仅当P为真且Q为假。③“∨”表示示“析取””复合命题“P∨Q”为真，当且且仅当P、Q两者之一为真真。1/7/202367⑤“”表示““等价”复合命题“PQ”为真，当且且仅当P、Q同时为真、或或者同时为假假。联接词的优先顺序：非～、合取∧、析取∨、蕴含、等价注：可以用括号号表示优先级级1/7/202368命题变元：用符号P、Q等表示的不具具有固定、具具体含义的命命题。它可以以表示具有““真”、“假假”含义的各各种命题。命题变元可以以利用联结词词构成所谓的的合适公式。1/7/202369合适公式的定定义①若P为原子子命题，则P为合适公式式，称为原子子公式。②若P是合适适公式，则～～P也是一个个合适公式。。1/7/202370③若P和Q是合合适公公式，，则P∧Q、P∨∨Q、、PQ、、PQ都是是合适适公式式。④经过过有限限次使使用规规则1、2、3，得得到的的由原原子公公式、、联结结词和和园括括号所所组成成的符符号串串，也也是合合适公公式。。1/7/202371对于合适适公式，，规定下下列运算优先先级：①逻逻辑联结结词的运运算优先先次序为为：～、∧、、∨、、、②同级级联结词词按出现现顺序优优先运算算1/7/202372在命题逻逻辑中，，主要研研究推理理的有效效性。即：能否否根据一一些合适适公式（（前提））推导出出新的合合适公式式（结论论）。一些合适适公式（前提条条件）合适公式式（结论））？1/7/202373在命题逻逻辑中，，最基本本的单元元是命题题，它是是作为一一个不可可分割的的整体。。例如：雪是黑的的命题逻辑辑具有较较大的局局限性，，不合适适于表达达比较复复杂的问问题。1/7/202374例：所有科学都是是有用的（假假设1）。数理逻辑是科科学（假设2）。所以，数理逻逻辑是有用的的（结论）。。很明显，我们们无法用两个假设推断出结论。1/7/202375谓词逻辑是命命题逻辑的扩扩充和发展。。它将一个原子子命题分解成成客体和谓词词两个组成部部分。例如：雪是黑的客体谓谓词词本课程首先介介绍一阶谓词词逻辑。1/7/2023762谓词语法与与语义义谓词逻逻辑的的基本本组成成部分分谓词变量函数常量园括号号、方括括号、、花括括号和和逗号号1/7/202377例“机器器人（（Robot））在第第一个个房间间（Room1）内内”，，可以以表示示为：：INROOM（（ROBOT，，R1）其中INROOM是谓词词ROBOT和R1是常量量1/7/202378谓词是指个体体（客客体））所具具有的的性质质或者者若干干个体体之间间的关关系。。用大写写字母母来表表示。。个体是可以以具体体的（（如，，小张张、3、5）也可可以是是抽象象的（（如，，x,y）。1/7/202379例：小明是学生生，A表示示是“是学学生”，x表示“小小明”，记记作A(x)。---性质x大于y，G表示“大于于”，记作作G（x,y）。--关关系1/7/202380客体变元：定义在某某一个客体体域（由个体组成成的集合）上的变量量（抽象的的）。用x,y,z来来表示。函数：以个体为为变量，以以个体为值值的函数。。一般用小小写字母来来表示，例例如f(x),f(x,a)。1/7/202381如果谓词有有n个客体变元元，称之为为n元谓词，并并约定0元谓词词就是命题题（谓词的的特例）。。可以用客体体域中任一一个客体取取代命题函函数中的客客体变元，，从而给相相应的谓词词公式赋予予真、假值值。1/7/202382谓词公式的定义：①原子谓词公公式—由原子子命题组成，，如：Human（x））②复合谓词公公式—由原子子谓词公式通通过联接词词构成。1/7/202383(2)、连词和量词词联结词（连词词）就是命题逻辑辑中的五个，，它们的含义义也是一样的的。1/7/202384两个量词：①全称量词，记作“x”,含义是“对对每一个x”或“对一一切x”。②存在量词，记作“x”，含义是““存在某个个x”、“有一一个x”或者““某些x”。1/7/202385例1：““所有的的机器人人都是灰灰色的””，用谓谓词逻辑辑可以表表示成：：（x）[ROBOT(x)COLOR(x，gray)]1/7/202386例2：：““一号号房间间里有有一个个物体体”，，可以以表示示成（x）INROOM（x,r1）1/7/202387一阶谓谓词：只允允许对对客体变变元施加量词，不允允许对对谓词词施加加量词词。1/7/2023883谓谓词公式式(1)、谓词公公式的定定义利用连词词和量词词可以将将原子（（谓词））公式组组成复合合谓词公公式，称称之为谓词公式式。1/7/202389例：任何何整数或或者为正正或者为为负。数学表达达：对于所所有的x，如果果x是整整数，则则x或者者为正、、或者为为负。记作：I(x)：：“x是是整数””。（原原子谓词词公式））P(x)：“x是正数数”。（（同上））N(x)：“x是负数数”。（（同上上）谓词公式式：（x）（I(x)(P(x)∨N(x))）1/7/202390第二章知知识表表达技术术总结谓词逻辑辑——命题题逻辑的的扩充和和发展原子命题题=客体体+谓词词谓词公式式、原子子谓词公公式、复复合谓词词公式客体变元元；客体体域；n元谓词词；x：全称称量词；；x：存在在量词一阶谓词词逻辑——谓词词逻辑中中最直观观的一种种逻辑所有罗马马人或忠忠于或仇仇恨恺撒撒:xRoman(x)loyalto(x,Caesar)hate(x,Caesar)1/7/202391第二章章知知识表表达技技术2．6知知识识的逻逻辑表表达方方法谓词逻逻辑表表达法法的特特性优点严格性性:保证其其演绎绎推理理结果果的正确性性，较精确确地表达达知识识通用性性:拥有通通用的的逻辑辑演算算的方法和和推理理的规规则三段论论法等等自然性性:一种接近于于自然然语言言的形式语语言。模块性性:便便于用用计算算机实实现逻辑推推理的机械械化、、自动动化缺点效率低低:抛弃语语义信信息，，使推推理过过程冗长，，效率率低，出现现“组组合爆爆炸””。灵活性性差:不便于于表达达和加加入启发性性知识识及元元知识识。1/7/202392第二章章知知识表表达技技术2．6知知识识的逻逻辑表表达方方法谓词逻逻辑表表达法法的应应用自动问问答系系统——Green的QA-3为一通用系系统，推理理采用用归结法法，控制制采用用启发式式，无约约束的的归结结是完备的机器人人行动动规划划系统统——Fikes等设设计的的STRIPS含两类过过程：：问题题应答答过程程、规规划和和解决决问题题的过过程。。前者者采用用的是归结法法，后者采采用是是手段-目标标分析析法机器博博弈系系统——Filman等等设计计的FOL系统统是一一证明系系统。证明明采用一阶谓谓词逻逻辑说明，，演绎绎采用用Prawitz的的自然演演绎系系统，逻辑辑精确性性，过程程控制制形式化化问题求求解系系统——Kowalski等等设计计的PS系系统，，直接接用逻辑子子句表示知知识，，简易方方便1/7/202393作业（（三））--用一一阶谓谓词表表示下下面的的句子子1）我我们都都生活活在一一个黄黄色的的房子子里；；2）所所有选选修人人工智智能的的学生生都喜喜欢玩玩游戏戏；3）并并不是是所有有的学学生都都选修修了历历史和和生物物；4）有有个理理发师师为城城中所所有不不为自自己理理发的的男人人理发发（选选做））1/7/202394第二章章知知识表表达技技术5、语语义义网络络1968Quillian提出出概念念；1970Simmon用于自然语语言理理解的的研究究概念语义网网络是一种种采用用网络络形式式表示示人类类知识识的方方法形式上上，一个语语义网网络为为一个个带标标识的的有向向图内容组组织上上，4个相相关部部分组组成①词法部部分：决定定表示示词汇汇表中中允许许有哪哪些符符号，，它涉涉及各各个结结点和和弧线线②结构部部分：叙述述符号号排列列的约约束条条件，，指定定各弧弧线连连接的的结点点对③过程部部分：说明明访问问过程程，能能用于于建立立和修修正描描述，，以及及回答答相关关问题题④语义部部分：确定定与描描述相相关的的（联联想））意义义的方方法，，即确确定有有关结结点的的排列列及其其占有有物和和对应应弧线线1/7/202395图7―2苹苹果的语义网网络1/7/202396语义网络的概概念语义网络是由由节点和边（（也称有向弧弧）组成的一一种有向图。。其中节点表表示事物、对对象、概念、、行为、性质质、状态等；；有向边表示示节点之间的的某种联系或或关系。例如如图7―2就就是一个语义义网络。其中中，边上的标标记就是边的的语义。1/7/202397第二章知识识表达技术2．7语语义网络特性①显式/简明明表达实体结结构、属性与与实体间因果果关系利于以联想方方式对系统的的解释②与概念相关关的属性和联联系被组织在在一结点中易于被访问和和学习③更加直观，，更易于理解解（继承方式））符合人类思思维习惯④语义解释依依赖于结构的的推理过程（无结构约定定）推理不很很有效⑤结点联系有有线状/树状状/网状/递递归状知识存储/检检索需较复杂杂的过程1/7/202398第二章知知识表达技技术2．7语语义网络络语义网络表表达法的优点自然性——直接而而明确地表表达概念之之间的语义义关系，接接近于人类类的语义记记忆方式联想性——着重于于表达语义义关系知识识，体现了了联想思维维过程，如如通过正例例、反例的的比较，进进行学习的的过程效率较高——可通过过语义关系系检索和推推理，较快快导出与问问题有关的的概念和事事实，不必必历遍整个个知识库语义网络表表达法的缺点不能象逻辑方法法那样保证证推理的严严格性和有有效性不便于表达判断性性知识不便于表达深层知知识，如与与时间因素素有关的动动态知识1/7/202399语义网络的的表达能力力由语义网络络的结构特特点可以看看出，语义义网络不仅仅可以表示示事物的属属性、状态态、行为等等，而且更更适合于表表示事物之之间的关系系和联系。。而表示一一个事物的的层次、状状态、行为为的语义网网络，也可可以看作是是该事物与与其属性、、状态或行行为的一种种关系。如如图7―3所示的语语义网络，，就表示了了专家系统统这个事物物（的内涵涵），同时时也可以看看作是表示示了专家系系统与“智智能系统””、“专家家知识”、、“专家思思维”及““困难问题题”这几个个事物之间间的关系或或联系。所所以，抽象象地说，语语义网络可可表示事物物之间的关关系。因此此，关系（（或联系））型的知识识和能化为为关系型的的知识都可可以用语义义网络来表表示。1/7/2023100图7―3专专家系统统的语义网网络1/7/2023101第二章知知识表达技技术2．7语语义网络络语义网络的的知识表示示基本命题的的语义网络络表示（以以个体为中心心）1）实例联联系ISA实例关系表表示类与其其实例（个个体）之间间的关系。。这是最常常见的一种种语义关系系。例如，，“小华是是一个大学学生”就可可表示为图图7―4。。其中，关关系“是一一个”一般般标识为““is-a”，或ISA。小华大学生是一个1/7/2023102第二章知知识表达技技术2．7语语义网络络语义网络的的知识表示示基本命题的的语义网络络表示（以以个体为中心心）2）泛化联联系AKO(AKindOf)1/7/2023103图7―5表表示分类关系系的语义网络络泛化联系是指指事物间的类类属关系1/7/2023104第二章知知识表表达技术术2．7语语义义网络语义网络络的知识识表示基本命题题的语义义网络表表示（以以个体为中中心）3）聚集集联系part-of桌子桌腿桌面Part-ofPart-of1/7/2023105第二章知知识表表达技术术2．7语语义义网络语义网络络的知识识表示基本命题题的语义义网络表表示（以以个体为中中心）4)属性性联系1/7/2023106第二章章知知识表表达技技术2．7语语义义网络络语义网网络的的知识识表示示基本命命题的的语义义网络络表示示（以以谓词或或关系系为中中心）设有n元谓谓词或或关系系R(arg1,…,argn),arg1取值值为a1,…,argn取值值为an,R的的等价价一组组二元元关系系如下下：arg1(R,a1)arg2(R,a2)……argn(R,an)对应的的语义义网络络：1/7/2023107第二章章知知识表表达技技术2．7语语义义网络络语义网网络的的知识识表示示连接词在语语义网络中中的表示方方法合取give(John,Mary,“战战争与和平平”)read(Mary,“战争争与和平””)对应的语义义网络：1/7/2023108第二章知识识表达技术2．7语语义网络语义网络的知知识表示连接词在语义义网络中的表表示方法析取JohnisaprogrammerorMaryisalawyer对应的语义网网络：1/7/2023109第二章知识识表达技术2．7语语义网络语义网络的知知识表示连接词在语义义网络中的表表示方法否定¬ISA，¬AKO及¬part-of的有向弧弧¬give(John,Mary,““战争与和平平”)read(Mary,““战争与和平平”)对应的语义网网络：1/7/2023110第二章知识识表达技术2．7语语义网络语义网络的知知识表示连接词在语义义网络中的表表示方法蕴含一弧：命题前前提条件ANTE，另一一弧：规则结结论CONSE如果车库起火火，那么用CO2或沙来灭对应的语义网网络：1/7/2023111第二章知识识表达技术2．7语语义网络语义网络的知知识表示变元和量词在在语义网络中中的表示方法法存在量词直接用ISA弧全称量词分块方法存在量词：Thedogbitthepostman1/7/2023112第二章知知识表表达技术术2．7语语义义网络语义网络络的知识识表示变元和量量词在语语义网络络中的表表示方法法存在量词词直接用ISA弧弧全称量词词分块方法法全称量词词：Everydoghasbittenapostman(x)DOG(x)(y)[POSTMAN(y)BITE(x,y)]1/7/2023113第二章知知识表表达技术术2．7语语义义网络语义网络络的知识识表示变元和量量词在语语义网络络中的表表示方法法存在量词词直接用ISA弧弧全称量词词分块方法法全称量词词：Everydoghasbitteneverypostman用弧与结点点P相连连1/7/2023114基于语义义网络的的推理基于语义义网络的的推理也也是继承。继承也也是通过过匹配、、搜索实实现的。。问题求求解时，，首先根根据待求求问题的的要求构构造一个个网络片片断，然然后在知知识库中中查找可可与之匹匹配的语语义网络络，当网网络片断断中的询询问部分分与知识识库中的的某网络络结构匹匹配时，，则与询询问处匹匹配的事事实，就就是问题题的解。。1/7/2023115基于语语义网网络的的推理理我们要要通过过图7-1所示示的语语义网网络(假设设它已已存入入知识识库),查查询询富士士苹果果有什什么特特点。。那么么,我我们们可先先构造造如图图7-15所示示的一一个网网络片片段。。然后后,使使其其与知知识库库中的的语义义网络络进行行匹配配。匹匹配配后X的值应应为““脆甜甜”。。当然然,这这是是一个个简单单问题题。1/7/2023116图7――15语语义网网络片片段苹果x富士特点AKO1/7/2023117基于语义义网络的的推理如果问题题复杂,也可可能不能能通过直直接匹配配得到结结果,那那么还还需要沿沿着有关关边进行行搜索,通过过继承来来获得结结果。例例如要问问：吃富富士苹果果对人的的健康有有何意义义？那那么,通通过上上述网络络片断不不能直接接获得答答案,这这时,就需需沿着边边“AKO”一一直搜索索到节点点“水果果”,由由水果果的“富富营养””性,通通过特特性继承承便得到到富士苹苹果也富富营养。。1/7/2023118第二章知知识表表达技术术2．8框框架表表达法一个通用用的数据据结构的的形式存存储以往往的经验验——数据结构构框框架框架一个结构构一一种组织织结构或组组织新资料可可用从经经验中得得到的概概念来分分析/解解释框架表示示法一结构化化表示方方法框架语义网络络的结点点-槽-值表示示结构框架——一组语义网网络的结点点和槽，这这组结点和和槽可以描描述格式固固定的事物物、行动和和事件语义网络可可看作结点点和弧线的的集合1/7/2023119第二章知知识表达技技术2．8框框架表达法法框架结构框架(Frame)是一种组组织和表示示知识的数数据结构框架名槽槽(Slot)槽槽名槽槽值/填填充值（任意数目目）FRAME<框架架名>槽名1：侧侧面名11：侧面面值11侧面名12：侧面值值12侧面名1m：侧面值值1m槽名n：侧侧面名n1：侧面面值n1侧面名n2：侧面值值n2侧面名nm：侧面值值nm1/7/2023120第二章知识识表达技术2．8框架架表达法各种属属性的的槽或侧面缺省值值（DEFAULT）侧侧面——用于说说明该该侧面面的典典型取取值一鸟类类框架架，鸟鸟是否否会飞飞属性性槽可可填““会飞飞”缺缺省值值附加过过程侧侧面——说说明槽槽值的的计算算过程程和填填槽时时要做做的动动作一组子子程序序槽或侧侧面的的取值值类型数值型型——整整型数数（INTEGERS））浮浮点数数（FLOATS））地震框框架中中强度度槽和和财产产损失失槽的的取值值字符串串（STRINGS）——如如地震震框架架中地地点槽槽和断断层槽槽取值值约束类类型——可可以通通过上上面给给出的的基本本类型型