几种结构化知识表示及其推理

几种结构化知识表示及其推理2024/12/81第7章几种结构化知识表示及其推理7.1框架7.2语义网络7.3类与对象*2024/12/827.1框架1975年Minsky在论文中提出了框架理论。他从心理学的证据出发，认为人的知识以框架结构记存在人脑中。当人们面临新的情况，或对问题的看法有重要变化时，总是从自己的记忆中找出一个合适的框架，然后根据细节加以修改补充，从而形成对新观察到的事物的认识。人类对于一件事的了解，表现在对于这件事物的诸方面，即属性的了解。掌握了事物的属性，也就有了关于事物的知识，知识表示是从属性描述开始的。2024/12/837.1框架7.1.1框架的概念7.1.2框架的表达能力7.1.3基于框架的推理7.1.4框架的程序语言实现2024/12/847.1.1框架的概念<框架名><槽名1><槽值1>|<侧面名11><侧面值111,侧面值112,…><侧面名12><侧面值121,侧面值122,…>

<槽名2><槽值2>|<侧面名21><侧面值211,侧面值212

，…><侧面名22><侧面值221,侧面值222

，…>

…<槽名k><槽值k>|<侧面名k1><侧面值k11,侧面值k12

，

…><侧面名k2><侧面值k21

，侧面值k22

，…>

约束：条件1

条件2

…………讨论对象的属性讨论对象的属性可以是数字、字符串、布尔值或动作2024/12/857.1.1框架的概念-示例(1)例7.1描述“教师”的框架框架名：<教师>类属：<知识分子>工作：

范围：（教学，科研）缺省：（教学）性别：

（男，女）学历：

（中师，高师）类型：

（<小学教师>，<中学教师>，<大学教师>）<槽名k><槽值k>|<侧面名k1><侧面值k11,…><侧面名k2><侧面值k21,…>2024/12/867.1.1框架的概念-示例(2)例7.2描述“大学教师”的框架框架名：<大学教师>类属：<教师>学历：

（学士、硕士、博士）专业：<学科专业>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<槽名k><槽值k>|<侧面名k1><侧面值k11，…><侧面名k2><侧面值k21，…>2024/12/877.1.1框架的概念-示例(3)例7.3描述一个具体教师的框架框架名：<教师－1>类属：<大学教师>姓名：李明性别：男职业：教师职称：助教专业：计算机应用部门：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：<工资单>2024/12/887.1.1框架的概念上位框架：一般描述概念下位框架上位框架具有的属性，下位框架一定具有，下位框架从上位框架中继承某些槽值或侧面名。实例框架：一般描述一个具体事物2024/12/897.1.1框架的概念-框架网络一个框架的槽值可以是另一个框架的名，这就把有关框架横向联系了起来。框架间的“父子”关系是框架间的一种纵向联系。某一论域的全体框架构成了一个框架网络或框架系统。框架的槽值可以是规则或逻辑式、运算式甚至过程调用等。2024/12/8107.1.1框架的概念-框架网络（例）师生员工框架教职工框架学生框架教师框架职工框架电子系学生框架管理系学生框架教师-1教师-N本科生硕士生2024/12/8117.1.2框架的表达能力框架适合表达结构性知识概念对象等知识用框架表示框架的槽是对象的属性或状态框架的值是属性值或状态值框架网络可以表示过程性事件或情节2024/12/8127.1.2框架的表达能力-示例(1)例7.4关于房间的框架（1）框架名：<房间>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））2024/12/8137.1.2框架的表达能力-示例(2)左墙：

（墙框架（w3,d3））右墙：

（墙框架（w4,d4））天花板：<天花板框架>地板：<地板框架>门：<门框架>窗：<窗框架>条件：w1＋w2＋w3＋w4＝x2

d1＋d2＋d3＋d4＝x3类型:(<办公室>，<教室>，<会客室>，<卧室>，

<厨房>，<仓库>…)2024/12/8147.1.2框架的表达能力-示例(3)例7.5机器人纠纷问题的框架描述框架名：<打人－1>动作：打动作发出者：罗宾动作接受者：苏西后果：（<打人－2><哭－1>）框架名：<打人－2>动作：打动作发出者：苏西动作接受者：罗宾后果：（<打人－1><哭－2>）框架名：<哭－1>动作：哭动作发出者：苏西后果：（得意，懊悔）框架名：<哭－2>动作：哭动作发出者：罗宾后果：心理平衡2024/12/8157.1.2框架的表达能力-示例(4)例：某次关于地震的报道：“今天一次强度为里氏8.5级的强烈地震袭击了下斯洛文尼亚（LowSlabovia）地区，造成25人死亡和5亿美元的财产损失。下斯洛文尼亚的主席说：多年来，靠近SadieHawkins断层的重灾区一直是一个危险的地区。”2024/12/8167.1.2框架的表达能力-与语义网络结合灾害事件地震地震-1今天25500,000,0008.5SadieHawkins洪水飓风Low-Slabovia时间地点死亡损失震级断层ISAAKOAKOAKO2024/12/8177.1.2框架的表达能力产生式规则也可以用框架表示如果头疼且发烧，则患感冒。

框架名：<诊断1>

前提：条件1：头痛

条件2：发烧

结论：患感冒2024/12/8187.1.3基于框架的推理(1)基于框架的推理方法是继承。就是子框架可以拥有其父框架的槽及槽值。实现继承的操作有：匹配将问题框架同知识库中的框架的模式匹配。搜索沿着框架间的纵向和横向联系，在框架网络中进行查找。填槽问题框架同某一框架匹配时，可以通过它的父框架来将它的空槽值填上。2024/12/8197.1.3基于框架的推理(2)例：关于教师－1外语水平的推理（1）构造问题框架，与知识库匹配（2）搜索（3）填槽框架名：<教师－1>姓名：李明性别：男年龄：25职称：助教专业：计算机应用部门：计算机系软件教研室外语水平：2024/12/820组装关系下层概念是上层概念的一部分。4语义网络的程序语言实现属性关系对象的属性及其属性值。语义网络对含有全称量词和存在量词的谓词的表示缺省：英2语义网络的表达能力（3）<槽名1><槽值1>|<侧面名11><侧面值111,侧面值112,…>（1）构造问题框架，与知识库匹配PROSPECTOR的推理网络reco_of_f_s("中师"，"高师")，没有明确的推理机制保证问题求解的可行性他从心理学的证据出发，认为人的知识以框架结构记存在人脑中。x(student(x)Read(x,三国演义))type("<小学教师>","<中学教师>","<大学教师>")).1框架的概念-示例(3)7.1.4框架的程序语言实现（1）FRL程序设计语言PROLOG语言2024/12/821例:frame(name("教师")，

kind_of("<知识分子>")，

work(scope("教学"，"科研"),default("教学"))，

sex("男"，"女")，

reco_of_f_s("中师"，"高师")，

type("<小学教师>","<中学教师>","<大学教师>")).7.1.4框架的程序语言实现（2）2024/12/822如何建立某个事物的框架（1）框架知识学习对当前事物或对象进行观察与分析，把要认识的对象与选定的框架知识表示进行比对，完成相关对象属性及其知识的了解与学习。（2）建立框架模式与概念（3）框架的资料数值填写2024/12/823框架-小结结构化知识表示方式框架理论可作为人类理解视觉、自然语言及其他复杂行为的基础。-Minsky缺点没有明确的推理机制保证问题求解的可行性框架子系统中各子框架的数据结构不一致，会影响系统的清晰性，造成推理困难。2024/12/8247.2语义网络1968年Quillian的博士论文建议用一种语义网络来描述人对事物的认知，实际上是对人脑功能的模拟。语义网络是人类联想记忆的一个心理学模型。也是一种知识表示方法。语义网络同一阶逻辑有相同的能力。多用于专家系统和自然语言处理领域。普林斯顿大学开发的电子英语词典WordNet，根据语义网络、以同义词集为基础结点，通过上下文结点，整体与部分的关系构成网络。2024/12/8257.2语义网络7.2.1语义网络的概念7.2.2语义网络的表达能力7.2.3基于语义网络的推理7.2.4语义网络的程序实现2024/12/8267.2.1语义网络的概念(1)语义网络由节点和有向边组成的有向图。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。语义网络的级别划分执行级逻辑级认识论级概念级语言学级节点1节点2语义关系基本语义网络单元结构2024/12/8277.2.1语义网络的概念-示例水果甜北方苹果日本富士秦冠陕西国家脆甜高产中国西部营养味道富有引进于是一个特点特点位于产于是一种是一种产于是一种苹果的语义网络2024/12/8287.2.1语义网络的类型语义网络类型命题语义网（分块联想网络）数据语义网：以数据为中心的语义网络语言语义网：用于自然语言分析和理解结构语义网：描述客观事物的结构分类语义网：描述抽象概念及层次推理语义网：命题网框架语义网：与框架相结合的语义网。2024/12/829补充知识表示（分类语义网络）图中的四种弧线表示:N1N2：表示N2是N1的子集。N1N2：表示N2是N1的子集，和其他用ds的子集不相交。N1N2：表示N2是N1的元素。N1N2：表示N2是N1的元素，和其他用de的元素不相交。SdsedePROSPECTOR的分类语义网络2024/12/830<槽名2><槽值2>|<侧面名21><侧面值211,侧面值212，…>填槽问题框架同某一框架匹配时，可以通过它的父框架来将它的空槽值填上。条件2：发烧语言语义网：用于自然语言分析和理解1语义网络的概念-示例他从心理学的证据出发，认为人的知识以框架结构记存在人脑中。语义子空间中的每个节点都应该是全称变量节点或依赖于全称变量节点。前墙：（墙框架（w1,d1））●语义网络是一个二元关系图4语义网络的程序实现他从心理学的证据出发，认为人的知识以框架结构记存在人脑中。net1(a_kind_of(“苹果”，“水果”)，集合与成员关系表示成员与集合之间的关系。2语义网络的表达能力（13）语义网络由节点和有向边组成的有向图。补充知识表示（推理语义网）PROSPECTOR的推理网络2024/12/8317.2.2语义网络的表达能力（1）语义网络可以表示事物之间的联系和关系.语义网络对事件的表示语义网络对含有全称量词和存在量词的谓词的表示2024/12/8327.2.2语义网络的表达能力（2）实例关系表示类与实例之间的关系。（isa,ISA）小华大学生是一个ISA2024/12/8337.2.2语义网络的表达能力（3）分类（从属、泛化）关系指事物之间的类属关系。（akindof，AKO）动物水羽毛鱼鸟草鱼鲨鱼鹦鹉鸵鸟飞水草AKOAKOAKOAKOAKOAKO不会吃有生活于2024/12/8347.2.2语义网络的表达能力（4）组装关系下层概念是上层概念的一部分。（apartof,APO）桌子桌腿桌面一部分一部分2024/12/8357.2.2语义网络的表达能力（5）属性关系对象的属性及其属性值。SimonteachermalesexageISAPerson40profession2024/12/836条件2：发烧………后果：（<打人－2><哭－1>）PROSPECTOR的推理网络把事物之间的属性以及事物间的各种语义联系显式表现出来，下层节点可继承、新增、变异上层节点的属性，从而实现信息共享。框架的槽是对象的属性或状态普林斯顿大学开发的电子英语词典WordNet，根据语义网络、以同义词集为基础结点，通过上下文结点，整体与部分的关系构成网络。普林斯顿大学开发的电子英语词典WordNet，根据语义网络、以同义词集为基础结点，通过上下文结点，整体与部分的关系构成网络。补充知识表示（推理语义网）（1）构造问题框架，与知识库匹配在一场足球比赛中，AC米兰主场以0：1的比分输给国际米兰<侧面名k2><侧面值k21，侧面值k22，…>组装关系下层概念是上层概念的一部分。net1(a_kind_of(“苹果”，“水果”)，7.2.2语义网络的表达能力（6）集合与成员关系表示成员与集合之间的关系。（amemberof，AMO）张三计算机学会AMO2024/12/8377.2.2语义网络的表达能力（7）逻辑关系一个概念可由另一个概念推出，存在因果关系。外出雨天则ANDOR带雨披带雨伞2024/12/8387.2.2语义网络的表达能力（8）方位关系事实：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。电子二路石油学院年龄张宏助教25岁西安市区职称工作于位于属于2024/12/8397.2.2语义网络的表达能力（9）所属关系表示具有的意思，描述事物与属性之间的关系。(have)狗尾巴have2024/12/8407.2.2语义网络的表达能力（9）所属关系表示“能”和会，表示上层节点能够执行下层节点所描述的功能(can)鸟飞can2024/12/8417.2.2语义网络的表达能力（10）事件的语义网络

例句：小王送给小李一本书。小王giver送书小李recipient书objectS2024/12/8427.2.2语义网络的表达能力（11）谓词公式的语义网络表示（1）苹果是一种水果小李和小王是朋友FRUIT(apple)苹果水果AKO谓词逻辑的一元关系转化为语义网络FRIEND(li,wang)liwangfriend谓词逻辑的二元关系转化为语义网络2024/12/843填槽问题框架同某一框架匹配时，可以通过它的父框架来将它的空槽值填上。所属关系表示具有的意思，描述事物与属性之间的关系。匹配将问题框架同知识库中的框架的模式匹配。语义网络可以表示事物之间的联系和关系.水平：（优，良，中，差）reco_of_f_s("中师"，"高师")，PROSPECTOR的推理网络2框架的表达能力-示例(1)x(student(x)Read(x,三国演义))填槽问题框架同某一框架匹配时，可以通过它的父框架来将它的空槽值填上。3描述一个具体教师的框架框架的槽值可以是规则或逻辑式、运算式甚至过程调用等。1框架的概念-框架网络（例）7.2.2语义网络的表达能力（12）谓词公式的语义网络表示（2）在一场足球比赛中，AC米兰主场以0：1的比分输给国际米兰SCORE(AC-ML,INTER-ML,0:1)G220：1Score谓词逻辑的多元关系转化为语义网络INTER-MLAC-MLSoccergameISAHostGuest2024/12/8447.2.2语义网络的表达能力（13）谓词公式的语义网络表示（3）

x(student(x)

Read(x,三国演义))

某个学生读过《三国演义》。studentreadISAbook三国演义read1xobjectsubjectISAISA2024/12/8457.2.2语义网络的表达能力（14）谓词公式的语义网络表示（3）

x(student(x)Read(x,三国演义))

每个学生读过《三国演义》。studentreadISAbook三国演义read1xobjectsubjectISAISARGSF

ISA分块语义网络全称量化的命题类节点读关系全称变量2024/12/8467.2.2语义网络的表达能力（15）分块语义网络的基本思想把整个网络划分成若干个块，每一块（叫做一个语义空间）表示一句完整的叙述。=>

将复杂命题拆成多个子命题，每个子命题又可以拆成更小的子命题，若一个子命题已经易于用语义网络来表示时，则将它表示出来，相应的可以给出一个节点来代表该网络。分块语义网络的要求语义子空间中的每个节点都应该是全称变量节点或依赖于全称变量节点。2024/12/847知识表示（分块语义网络）角闪石部分地转化为黑云母2024/12/848补充练习：AllroadsleadtoRome.Everydoghasbitteneverypostman.2024/12/8497.2.3基于语义的推理基于语义网络的推理也是继承，继承通过匹配、搜索实现。推理步骤首先根据待求问题要求构造一个网络片断在知识库中查找与之匹配的语