人工智能技术导论第6章知识表示课件.ppt

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1、第6章 知识表示,6.1 知识及其表示 6.2 框 架6.3 语义网络6.4 面向对象知识表示,第6章 知识表示 6.1 知识及其表示,6.1 知识及其表示,6.1.1 知识的概念 “知识”是我们熟悉的名词。但究竟什么是知识呢？我们认为，知识就是人们对客观事物（包括自然的和人造的）及其规律的认识，知识还包括人们利用客观规律解决实际问题的方法和策略等。,6.1 知识及其表示 6.1.1 知识的概念,对客观事物及其规律的认识，包括对事物的现象、本质、属性、状态、关系、联系和运动等的认识，即对客观事物的原理的认识。利用客观规律解决实际问题的方法和策略，包括解决问题的步骤、操作、规则、过程、技术、技巧

2、等具体的微观性方法；也包括诸如战术、战略、计谋、策略等宏观性方法。所以，就内容而言，知识可分为（客观）原理性知识和（主观）方法性知识两大类。 就形式而言，知识可分为显式的和隐式的。,对客观事物及其规律的认识，包括对事物,人工智能技术导论第6章知识表示课件,人工智能技术导论第6章知识表示课件,6.1.3 知识表示的语言实现 上面谈的知识表示，仅是指知识的逻辑结构或形式。那么，要把这些外部的逻辑形式转化为机器的内部形式，还需要程序语言的支持。原则上讲，一般的通用程序设计语言都可实现上述的大部分表示方法。但使用专用的面向某一知识表示的语言更为方便和有效。因此，几乎每一种知识表示方法都有其相应的专用实

3、现语言。例如，支持谓词逻辑的语言有PROLOG和LISP，专门支持产生式的语言有OPS5，专门支持框架的语言有FRL，支持面向对象表示的语言有Smalltalk、C+和Java等，支持神经网络表示的语言有AXON。,6.1.3 知识表示的语言实现,6.2 框 架,6.2.1 框架的概念 顾名思义，框架就是一种结构，一种模式，其一般形式是: | ,6.2 框 架 6.2.1 框架的概念,| | ,|侧面值211，侧面值,即一个框架一般有若干个槽，一个槽有一个槽值或者有若干个侧面，而一个侧面又有若干个侧面值。其中槽值和侧面值可以是数值、字符串、布尔值，也可以是一个动作或过程，甚至还可以是另一个框架

4、的名字。,即一个框架一般有若干个槽，一个槽有一,例6.1 下面是一个描述“教师”的框架：框架名:类属:工作:范围:(教学，科研)缺省:教学性别:(男，女)学历:(中师，高师)类型:(，),例6.1 下面是一个描述“教师”的框架：,可以看出，这个框架的名字为“教师”，它含有5个槽，槽名分别是“类属”、“工作”、“性别”、“学历”和“类型”。这些槽名的右面就是其值，如“”、“男”、“女”、“高师”、“中师”等等。其中“”又是一个框架名，“范围”、“缺省”就是侧面名，其后是侧面值，如：“教学”、“科研”等。另外，用括的槽值也是框架名。,可以看出，这个框架的名字为“教师”,例6.2 下面是一个描述“大

5、学教师”的框架：框架名:类属:学历:(学士，硕士，博士)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,例6.2 下面是一个描述“大学教师”的框架：,例6.3 下面是描述一个具体教师的框架:框架名:类属:姓名:李明性别:男年龄:25职业:教师职称:助教专业:计算机应用,例6.3 下面是描述一个具体教师的框架:,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:,部门:计算机系软件教研室,比较例6.2和例6.3中的框架，可以看出，前者描述的是一个概念，后者描述的则是一个具体的事

6、物。二者的关系是，后者是前者的一个实例。因此，后者一般称为前者的实例框架。这就是说，这两个框架之间存在一种层次关系。一般称前者为上位框架（或父框架），后者为下位框架（或子框架）。当然，上位和下位是相对而言的。例如“大学教师”虽然是“教师-1”的上位框架，但它却是“教师”框架的下位框架，而“教师”又是“知识分子”的下位框架。,比较例6.2和例6.3中的框架，可以,6.2.2 框架的表达能力 由框架的形式可以看出，框架适合表达结构性的知识。所以，概念、对象等知识最适于用框架表示。其实，框架的槽就是对象的属性或状态，槽值就是属性值或状态值。不仅如此，框架还可以表示行为（动作），所以，有些过程性事件或

7、情节也可用框架网络来表示。,6.2.2 框架的表达能力,例6.4 下面是关于房间的框架:框架名:墙数x1: 缺省:x1=4 条件:x10窗数x2: 缺省:x2=2 条件:x20门数x3: 缺省:x3=1 条件:x30,例6.4 下面是关于房间的框架:,前墙:(墙框架(w1，d1)后墙:(墙框架(w2，d2)左墙:(墙框架(w3，d3)右墙:(墙框架(w4，d4)天花板:地板:门:窗:条件:w1+w2+w3+w4=x2d1+d2+d3+d4=x3类型:(，),前墙:(墙框架(w1，d1),例6.5 机器人纠纷问题的框架描述如图6-1所示。,图61 机器人纠纷问题,例6.5 机器人纠纷问题的框架描

8、述如图6-1所,还需指出的是，产生式规则也可用框架表示。 例如，产生式 如果头痛且发烧，则患感冒。 用框架表示可为： 框架名： 前提：条件1:头痛 条件2:发烧 结论:患感冒,还需指出的是，产生式规则也可用框,6.2.3 基于框架的推理 基于框架的推理方法是继承。所谓继承，就是子框架可以拥有其父框架的槽及其槽值。实现继承的操作有匹配、搜索和填槽。 匹配就是问题框架同知识库中的框架的模式匹配。所谓问题框架，就是要求解某个问题时，先把问题用一个框架表示出来，然后与知识库中的已有框架进行匹配。如果匹配成功，就可获得有关信息。搜索就是沿着框架间的纵向和横向联系，在框架网络中进行查找。搜索的目的是为了获

9、得有关信息。,6.2.3 基于框架的推理,6.2.4 框架的程序语言实现 有一种名为FRL(Frame Representation Language)的程序设计语言，就是专门基于框架的程序设计语言。用它就可以方便地实现框架知识表示。不过，用PROLOG也可方便地实现框架表示。用PROLOG实现框架表示，一般采用含结构或表的谓词来实现。因为框架实际上就是树，而PROLOG的结构也是树，表又是特殊的结构，它的元素个数和层数都不限定，可动态变化，因此，更适于表示一般的框架。,6.2.4 框架的程序语言实现,例如，前面的“教师”框架用PROLOG可表示如下: frame(name(教师)， kind

10、-of()， work(scope(教学，科研)，default(教学)， sex(男，女)， reco-of-f-s(中师，高师)， type(“”，“”，“”). 如果要给出框架的一个通用表示形式，则下面的表示方式可供参考。,例如，前面的“教师”框架用PROLOG可表示如下:,frame(name(教师)，body(st(类属，st(，)，st(工作，st(范围，st(教学，)，=st(科研，)，st(缺省，st(教学，)，st(性别，st(男，)，st(女，)，st(学历，st(中师，)，st(高师，)，st(类型，st(，)，st(，)，=st(),frame(name(教师)，,这是

11、一个PROLOG的“事实”，其谓词及领域说明如下: domains name=name(string) body=body(subtree list) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtreelist)database frame(name，body) 其中的subtreelist是递归定义的。按此定义所有框架都取统一的表示形式。,这是一个PROLOG的“事实”，其谓词及领域说明如下:,6.3 语义网络,6.3.1 语义网络的概念 语义网络是由节点和边（也称有向弧）组成的一种有向图。其中节点表示事物、对象、概念、行为、性质、状态等；有向边表示

12、节点之间的某种联系或关系。例如图62就是一个语义网络。其中，边上的标记就是边的语义。,6.3 语义网络 6.3.1 语义网络的概念,图62 苹果的语义网络,图62 苹果的语义网络,语义网络的概念最先是由Quillian提出来的，他于1968年在他的博士论文中，把语义网络作为人类联想记忆的一个显式心理模型。所以，语义网络也称联想网络。 现在，语义网络的理论已经有了长足的发展。有人把它划分为五个级别：执行级、逻辑级、认识论级、概念级和语言学级。并分为七种类型：,语义网络的概念最先是由Quilli,(1)命题语义网（包括分块联想网络）； (2)数据语义网：以数据为中心的语义网络； (3)语言语义网：

13、用于自然语言的分析和理解； (4)结构语义网：描述客观事物的结构，常见于模式识别和机器学习等领域； (5)分类语义网：描述抽象概念及其层次； (6)推理语义网：是一种命题网，但它已在某种程度上规范化，更适于推理； (7)框架语义网：与框架相结合的语义网。,(1)命题语义网（包括分块联想网络）；,6.3.2 语义网络的表达能力 由语义网络的结构特点可以看出，语义网络不仅可以表示事物的属性、状态、行为等，而且更适合于表示事物之间的关系和联系。而表示一个事物的层次、状态、行为的语义网络，也可以看作是该事物与其属性、状态或行为的一种关系。,6.3.2 语义网络的表达能力,如图63所示的语义网络，就表示

14、了专家系统这个事物（的内涵），同时也可以看作是表示了专家系统与“智能系统”、“专家知识”、“专家思维”及“困难问题”这几个事物之间的关系或联系。所以，抽象地说，语义网络可表示事物之间的关系。因此，关系（或联系）型的知识和能化为关系型的知识都可以用语义网络来表示。下面我们就给出常见的几种。,如图63所示的语义网络，就表示了专,1.实例关系 实例关系表示类与其实例（个体）之间的关系。这是最常见的一种语义关系。例如，“小华是一个大学生”就可表示为图64。其中，关系“是一个”一般标识为“is-a”，或ISA。,1.实例关系,图63 专家系统的语义网络,图63 专家系统的语义网络 智能系统专家思维专家知

15、识困难问,图64 表示实例关系的语义网络,小华,大学生,是一个,图64 表示实例关系的语义网络 小华大学生是一个,2.分类（或从属、泛化）关系 分类关系是指事物间的类属关系，图65就是一个描述分类关系的语义网络。在图65中，下层概念节点除了可继承、细化、补充上层概念节点的属性外，还出现了变异的情况：鸟是鸵鸟的上层概念节点，其属性是“有羽毛”、“会飞”，但鸵鸟的属性只是继承了“有羽毛”这一属性，而把鸟的“会飞”变异为“不会飞”。其中，关系“是一种”一般标识为“akindof”或AKO。,2.分类（或从属、泛化）关系,图65 表示分类关系的语义网络,图65 表示分类关系的语义网络,3.组装关系 如

16、果下层概念是上层概念的一个方面或者一部分，则称它们的关系是组装关系。例如图66所示的语义网络就是一种聚集关系。其中，关系“一部分”一般标识为“apartof”。,3.组装关系,桌子,桌腿,桌面,一部分,一部分,图66 表示组装关系的语义网络,桌子桌腿桌面一部分一部分图66 表示组装关系的语义网络,4.属性关系 属性关系表示对象的属性及其属性值。例如，图67表示simon是一个人，男性，40岁，职业是教师。 5.集合与成员关系 意思是“是的成员”，它表示成员（或元素）与集合之间的关系。例如，“张三是计算机学会会员”可表示为图68。其中，关系“是成员”一般标识为“a-member-of”。,4.属

17、性关系,图67 表示属性关系的语义网络,图67 表示属性关系的语义网络,图68 表示集合成员关系的语义网络,张三,计算机学会,是成员,图68 表示集合成员关系的语义网络 张三计算机学会是成,6.逻辑关系 如果一个概念可由另一个概念推出，两个概念间存在因果关系，则称它们之间是逻辑关系。图69所示的语义网络就是一个逻辑关系。,6.逻辑关系,图69 表示逻辑关系的语义网络,图69 表示逻辑关系的语义网络 雨天外出ANDOR带雨披,7.方位关系 在描述一个事物时，经常需要指出它发生的时间、位置，或者指出它的组成、形状等等，此时可用相应的方位关系语义网络表示。例如事实： 张宏是石油学院的一名助教； 石油

18、学院位于西安市电子二路； 张宏今年25岁。 可用图610所示的语义网络表示。,7.方位关系,图610 表示方位关系的语义网络,图610 表示方位关系的语义网络 电子2路石油学院张宏助,8.所属关系 所属关系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示为图611。,图611 表示所属关系的语义网络,狗,尾巴,have,8.所属关系图611 表示所属关,语义网络中的语义关系是多种多样的，一般根据实际关系定义。如常见的还有before、after、at等表示时间次序关系和located-on、located-under等表示位置关系。进一步，还可对带有全称量词和存在量词的谓词公式的语义加以表示。 由上

19、所述可以看出，语义网络实际上是一种复合的二元关系图。网络中的一条边就是一个二元关系，而整个网络可以看作是由这些二元关系拼接而成。,语义网络中的语义关系是多种多样的，一,上面我们是从关系角度考察语义网的表达力的。下面我们从语句角度来考察语义网。 例如，对于如下的语句(或事件)： 小王送给小李一本书。 用语义网络可表示为图612，其中S代表整个语句。这种表示被称为是自然语言语句的深层结构表示。 语义网络也能表示用谓词公式表示的形式语言语句。例如： x(student(x)read(x，三国演义) 即“某个学生读过三国演义”，其语义网络表示为图613。,上面我们是从关系角度考察语义网的,图612 语

20、句(事件)的语义网络,图612 语句(事件)的语义网络 送书小王小李书giv,图613 谓词公式的语义网络,图613 谓词公式的语义网络,图614 分块语义网络,图614 分块语义网络,6.3.3 基于语义网络的推理 基于语义网络的推理也是继承。继承也是通过匹配、搜索实现的。问题求解时，首先根据待求问题的要求构造一个网络片断，然后在知识库中查找可与之匹配的语义网络，当网络片断中的询问部分与知识库中的某网络结构匹配时，则与询问处匹配的事实，就是问题的解。,6.3.3 基于语义网络的推理,图615 语义网络片段,图615 语义网络片段 苹果x富士 特点AKO,6.3.4 语义网络的程序语言实现 由

21、于语义网络是一个二元关系图，所以用PROLOG可方便地实现语义网络知识表示。 例如，图61所示的语义网络用PROLOG可表示如下: a-kind-of(苹果，水果). taste(苹果，甜). a-kind-of(富士，苹果). intro-from(富士，日本). is-a(日本，亚洲国家).,6.3.4 语义网络的程序语言实现,a-kind-of(秦冠，苹果). produ-in(秦冠，陕西). is-located-at(陕西，中国西部). a-part-of(中国西部，中国). 也可以表示为 arc(a-kind-of，苹果，水果). arc(taste，苹果，甜). arc(a-ki

22、nd-of，富士，苹果). arc(intro-from，富士，日本). arc(is-a，日本，亚洲国家).,a-kind-of(秦冠，苹果).,arc(a-kind-of，秦冠，苹果). arc(produ-in，秦冠，陕西). arc(is-located-at，陕西，中国西部). arc(a-part-of，中国西部，中国). 当然，我们也可以将一个网络或网络片段组织在一个事实中。例如： net1( a-kind-of(“苹果”，“水果”)， taste(“苹果”，“甜”)， a-kind-of(“秦冠”，“苹果”)， produ-in(秦冠，陕西).,arc(a-kind-of，秦冠

23、，苹果).,6.4 面向对象知识表示,近年来，面向对象技术蓬勃兴起。在知识表示领域则出现了面向对象的知识表示方法。 面向对象技术中的核心概念是对象和类。对象可以泛指一切事物，类则是一类对象的抽象模型。反之，一个对象是其所属类的实例。通常，在面向对象的程序设计语言中，只给出类的定义，其对象由类生成。,6.4 面向对象知识表示 近年来,类的定义中就说明了所辖对象的共同特征（属性、状态等）和行为。特征用变量表示，行为则是作用于这些特征和作用于对象的一组操作，如函数、过程等。这些操作一般称为方法。这样，一个类将其对象所具有的共同特征和操作组织在一起，统一进行定义，以供全体对象共享。即当给类中的特征变量

24、赋予一组值时，则这组值连同类中的方法，就构成了一个具体的对象。,类的定义中就说明了所辖对象的共同特,例6.6 下面是面向对象程序设计语言C+中一个雇员类和经理类的定义。 class Employee privite: char*Name; int Age; int Salary;= public: Employee(char*name，int age，int salary); Employee();,例6.6 下面是面向对象程序设,;EmployeeEmployee(char*name，int age，int salary)Name=newcharstrlen(name);strcpy(Nam

25、e，name);Age=age;Salary=salary;= = EmployeeEmployee() Delete Name;= Void EmployeeChange(int age，int salary),;,Age=age;Salary=salary;Void EmployeeRetire()if(Age60)Delete this;以上是雇员类的定义，用此定义就可生成一个雇员类的实例，即雇员对象。例如下面的语句 Employeee1(李明，30),Age=age;,就生成一个名为李明，年龄为30岁的雇员。下面是经理类的定义。 Class Manager:public Employe

26、eInt Level;public:Manager(char*name，int age，int salary，int level);Manager();Void Change Level(int n);,就生成一个名为李明，年龄为30岁的雇员。,由于经理类是雇员类的一个子类，所以，经理类就继承了雇员类的全部属性和行为。这两个类之间也就构成了一种层次关系。 一般认为，面向对象知识表示是最结构化的知识表示方法。面向对象知识表示很类似于框架，知识可以使用类按一定层次形式来组织。由于面向对象知识表示还具有封装特性，从而使知识更加模块化。所以，用面向对象方法表示的知识相当结构化和模块化，而且容易理解和管理。因此，这种方法特别适合于大型知识库的开发和维护。,由于经理类是雇员类的一个子类，所以，,