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1、第四章 知识表示,概述表示方法,概述,人工智能研究中最基本的问题之一在知识处理中总要问到：“如何表示知识？”，“知识是用什么来表示的?”。怎样使机器能懂，能对之进行处理，并能以一种人类能理解的方式将处理结果告诉人们。在AI系统中，给出一个清晰简洁的描述是很困难的。有研究报道认为。严格地说AI对知识表示的认真、系统的研究才刚刚开始。,概述,知识的定义（难以给出明确的定义只能从不同侧面加以理解）Feigenbaum：知识是经过消减、塑造、解释和转换 的信息。Bernstein：知识是由特定领域的描述、关系和过程 组成的。Hayes-roth：知识是事实、信念和启发式规则。知识库的观点：知识是某领域
2、中所涉及的各有关方 面的一种符号表示。,概述,知识的种类事实性知识：采用直接表示的形式如：凡是猴子都有尾巴过程性知识：描述做某件事的过程如：电视维修法元知识：有关知识的知识。最重要的元知识是如何使用知识的知识，如何从知识库中找到想要的知识。,概述,知识的要素事实：事物的分类、属性、事物间关系、科学事实、客观事实等。（最低层的知识）规则：事物的行动、动作和联系的因果关系知识。（启发式规则）。控制：当有多个动作同时被激活时，选择哪一个动作来执行的知识。（技巧性）元知识：高层知识。怎样实用规则、解释规则、校验规则、解释程序结构等知识。,概述,知识表示的定义知识表示研究用机器表示知识的可行性、有效性的
3、一般方法。,概述,选取知识表示的因素表示范围是否广泛是否适于推理是否适于计算机处理是否有高效的算法能否表示不精确知识能否模块化总之,知识和元知识能否用统一 的形式表示是否加入启发信息过程性表示还是说明性表示表示方法是否自然,概述,选取知识表示的因素.总之，人工智能问题的求解是以知识表示为基础的。如何将已获得的有关知识以计算机内部代码形式加以合理地描述、存储、有效地利用便是表示应解决的问题。,概述,知识表示研究的特点智能行为特有的灵活性。“常识问题”不能概括为一类简洁的理论，是大量小理论的集合。AI的任务受到计算装置的约束。这导致了所采用的“表示”必须同时满足“刻画智能现象”与“计算装置可以接受
4、”，这两个有时是矛盾的条件。,表示方法 概述,表示方法,直接表示,局部表示,分布表示,陈述性表示,过程性表示,语义网络表示,产生式表示,逻辑表示,框架表示,脚本表示,替代表示,表示方法产生式规则表示法,美国数学家Post，1943年提出了一种计算形式体系里所使用的术语。主要是使用类似文法的规则，对符号串做替换运算。这就是最早的一个产生式系统。到了60年代，产生式系统成为认知心理学研究人类心理活动中信息加工过程的基础，由此心理学家认为，人脑对知识的存储就是产生式形式。因此，用它来建立人类认知模型。到目前为止，产生式系统已发展成为人工智能系统中最典型最普遍的一种结构。产生式表示方法是专家系统的第一
5、选择的知识表达方式。,表示方法产生式规则表示法,表示形式事实的表示：可看成是断言一个语言变量的值或是多个语言变量间的关系的陈述句，语言变量的值或语言变量间的关系可以是一个词，不一定是数字。例1：香蕉是黄色的。语言变量香蕉，值黄色的 例2：小李喜欢小莉。语言变量小李、小莉，关系值喜欢 一般用三元组（对象，属性，值）或（关系，对象1，对象2）例：（Li,Age,25）,(Friend,Li,Chang),表示方法产生式规则表示法,产生式系统的基本特征：一组规则，即产生式本身。每个规则分左边右边。如：天上下雨 地上湿 中国的首都是北京一般左边表示情况，即什么条件。发生时产生式被调用。通常用匹配方法和
6、式情况。匹配成功时，执行右边规定的动作。,表示方法产生式规则表示法,产生式系统的基本特征：数据库存放的数据是构成产生式的基本元素，又是产生式作用的对象。这里的数据是广义的常量、变量、多元组谓词、表、图像等。往往事实或断言知识元 一个解释程序从匹配成功的规则（可能不止一个）中选出一个加以执行。,表示方法产生式规则表示法,产生式系统基本结构,产生式系统结构图,表示方法产生式规则表示法,产生式系统基本结构工作存储器(数据库)：存放当前已知的数据，包括推理过程中形成的中间结论。数据是广义的，可以是常量、多元数组、谓词、表示结构等。产生式规则：每条产生式规则分为左右两个部分。左部表示激活该产生式规则的条
7、件，右部表示调用该产生式规则后所作的动作。条件是一组复杂的模式，规则之间的控制也不是语句的传递，而且满足条件的规则被激活但不一定立即执行，取决于产生式系统的冲突消解策略。.,表示方法产生式规则表示法,产生式系统基本结构.规则解释程序匹配器：判断规则条件是否成立。冲突消解器：选择可调用的规则。解释器：执行规则的动作。并且在满足结束条件时终止产生式系统运行。,表示方法产生式规则表示法,推理方法：正向、反向、双向，与或树。例：,表示方法产生式规则表示法,正向推理方法：从已知事实出发，逐步推导出最后结论。其推理过程大致是：用工作存储器中的事实与产生式规则的前提条件进行匹配。按冲突消解策略从匹配的规则中
8、选择一条规则。执行选中规则的动作（依次）。修改工作存储器。用更新后的工作存储器，重复上述工作，直到得出结论或工作存储器不再发生变化为止。,表示方法产生式规则表示法,反向推理方法：首先提出假设，然后验证这些假设的真假性，找到假设成立的所有证据或事实。其推理过程大致是：看假设是否存在于工作存储器中，若在，则假设成立，推理结束。找出结论与此假设匹配的规则。按冲突消解策略从匹配的规则实例中选择一条规则。将选中的规则的前提条件作为新的假设，重复上述工作，直到假设的真假性被验证或不存在激活的规则。,表示方法产生式规则表示法,双向推理方法：即自顶向下、又自底向上作双向推理，直至某个中间界面上两方向结果相符便
9、成功结束。该方法较正向或反向推理所形成的推理网络小，从而推理效果更高。,与或树,表示方法产生式规则表示法,推理方法的选择推理方法的选择取决于推理的目标和搜索空间的形状。如果目标是从一组给定事实出发，找出所有可能的结论，那么，通常使用正向推理。如果目标是证实或否定某一特定结论，那么，通常使用反向推理，否则，从一组初始事实出发盲目地正向推理，可能得出许多和所要证实的结论无关的结论。,表示方法产生式规则表示法,特点用产生式系统结构求解问题的过程和人类求解问题时的思维很相像。因而可以用它来模拟人类求解问题的思维过程。可以把产生式系统作为人工智能系统的基本结构单元或基本模型看待。就好像是积木世界中的积木
10、块一样。因而研究产生式系统的基本问题就具有一般意义。表示的格式固定、形式单一、规则间相互独立,所以建立容易；推理方式单纯、知识库与推理机分离，修改方便、容易理解。,表示方法产生式规则表示法,优点模块性。规则与规则之间相互独立灵活性。知识库易于增加、修改、删除自然性。方便地表示专家的启发性知识与经验透明性。易于保留动作所产生的变化、轨迹,表示方法产生式规则表示法,缺点：知识库维护难。效率低。为了模块一致性。理解难。由于规则一致性彼此之间不能调用。应用实例：用于化工工业测定分子结构的DENDRAL用于诊断脑膜炎和血液病毒感染的MYCIN估计矿藏的PROSPECTOR,表示方法语义网络表示法,概述1
11、968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。逻辑和产生式表示方法常用于表示有关领域中各个不同状态间的关系。然而用于表示一个事物同其各个部分间的分类知识就不方便了。槽和填槽表示方法便于表示这种分类知识。这种表示方法包括语义网络、框架、概念从属和脚本。语义网络方法的特点就在于提出了槽和填槽的结构。语义网络同一阶逻辑有相同的能力。多用于自然语言处理。,表示方法语义网络表示法,表示形式 每一个要表达的事实用一个“结点”表示，而事实之间的关系用“弧线”表示。即，有向图表示的三元组，（结点1，弧，结点2）连接而成。,表示方法语义网络表示法,类属关系类
12、属关系是指具体有共同属性的不同事物间的分类关系、成员关系或实例关系。注：它体现的是“具体与抽象”、“个体与集体”的概念。类属关系的一个最主要特征是属性的继承性，处在具体层的结点可以继承抽象层结点的所有属性。常用的属性有：A-Kind-of:表示一个事物是另一个事物的一种类型A-Member-of:表示一个事物是另一个事物的成员Is-a:表示一个事物是另一个事物的实例类属关系实例注：在类属关系中，具体层的结点除了具有抽象层结点的所有属性外，还可以增加一些自己的个性。,表示方法语义网络表示法,包含关系包含关系也称为聚类关系，是指具有组织或结构特征的“部分与整体”之间的关系。注：它和类属关系的最主要
13、的区别就是包含关系一般不具备属性的继承性。常用的包含关系的有：Part_of:表示一个事物是另一个事物的一部分 包含关系实例,表示方法语义网络表示法,属性关系属性关系是指事物和其属性之间的关系。常用的属性的关系有：Have：表示一个结点具有另一个结点所描述的属性Can：表示一个结点能做另一个结点的事情例：鸟有翅膀 属性关系实例,表示方法语义网络表示法,位置关系位置关系是指不同事物在位置方面的关系。常用的位置关系：Located-on:一物在另一物之上Located-at:一物在何位置Located-under:一物在另一物之下Located-inside:一物在另一物之中Located-out
14、side:一物在另一物之外,表示方法语义网络表示法,相近关系相近关系是指不同事物在形状、内容等方面相似和接近。常用的相近关系：Similar-to:相似Near-to:接近,表示方法语义网络表示法,时间关系是指不同事件在其发生时间方面的先后关系。常用的时间关系有：Before：表示一个事件在一个事件之前发生After：表示一个事件在一个事件之后发生。例如：香港回归之后，澳门也会回归了。,表示方法语义网络表示法,多元逻辑关系例如AC米兰队和国际米兰队在一场足球比赛中的成绩为0：1，逻辑表示法为SCORE(AC-MILAN,INTER-MILAN,0:1),可以通过加入附加结点的办法将其改成语义网
15、络表示法，其根本方法是将多元关系表示成二元关系的组合或合取。本例通过加入附加结点G22。多元逻辑关系语义网络实例从图中可以看出，原来的多元关系都变成了G22结点属性。,例,Micheal is an employee and Jack is his boss.Someday Micheal kicked his boss.语义描述,表示方法语义网络表示法,推理方法网络匹配：结构上的匹配，包括结点和弧的匹配继承推理：利用如：成员联系、特征联系、相互作用联系、集合联系、合成联系、因果联系、活动方式联式、活动目标联系、蕴含联系等具有继承性质的语义联系建立一些并不一定显示存在于网络知识库中的网络结构。
16、语义网络上的推理：网络上的搜索过程，正向、逆向、双向。,表示方法语义网络表示法,继承的一般规则：IF X(AKO)Y and Y(AKO)Z then X(AKO)ZIF X(ISA)Y and Y(AKO)Z then X(ISA)ZIF X(AKO)Y and Y(属性)Z then X(属性)ZIF X(ISA)Y and Y(属性)Z then X(属性)ZIF X(属性)Y and Y(AKO)Z then X(属性)ZIF X(属性)Y and Y(ISA)Z then X(属性)Z,表示方法语义网络表示法,推理特点不十分明了，有继承规则。可以用关系如：成员联系、特征联系、相互作用
17、联系、集合联系、合成联系、因果联系、活动方式联式、活动目标联系、蕴含联系等。还可以将语义网络引入逻辑含义。表示，关系。用归结推理法。,表示方法语义网络表示法,结论语义网络图的好处是直观、清晰缺点是表达范围有限。如，一旦有十个结点，而且各结点之间又有联系，则这个网络就很难辨请了。,表示方法框架表示法,概述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，表现在对于这件实物的诸方
18、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。,表示方法框架表示法,定义框架是由若干个结点和关系（统称为槽）构成的网络。是语义网络的一般化形式的一种结构。同语义网络没有本质的区别。如书上的所示如将语音网络结点间弧上的标注也放到槽内就成了框架表示形式。表示形式：由框架名、槽名、侧面、值组成推理方法：没有固定的推理机理。但和语义网络一样遵循匹配和继承的原理。,表示方法框架表示法,性质对事物进行描述。而且对其中某些细节做进一步描述。则可将其扩充为另外一些框架。如：汽车载货或人可以通过它对一些从感官中没有直接得到的信息进行预测，对于人来说这种功能是很强的。如：
19、一想到桌子就可以想到它腿的形状与位置。可以在它基础上进行判断推理。可通过它来认识某一类事物。可以通过一系列实例来修正框架对某些事物的不完整描述。（填充空的框架，修改默认值）,表示方法框架表示法,表示方法框架表示法,简单框架的例子：MichealGender：manProfession:singerHeight:185cmWeight:79kgAge:27,表示方法框架表示法（附加过程）,例如，要确定一个人的性别，已匹配的知识库中的框架为【槽名Gender NILIf needed ASKIf added CHECK】启动过程如下：1）如果没有默认值，if needed条件满足2）启动ASK，向
20、用户查询并等待输入 3）若有输入（if added），执行CHECK，检查输入的合法性 若有默认值而无输入，则不执行CHECK,表示方法框架表示法,框架之间的关系框架也分为类框架和实例框架。通过引入类-超类（AKO）及实例-类（ISA）关系来表示框架之间的包含关系和属于关系。框架理论将知识看成相互关系的成块组织。推理方法：匹配：和语义网络一样遵循匹配原理。槽计算：继承（属性值、属性、限制），附加过程，即附加在数据结构上，启动时 计算槽值。,框架名：类 属：类 型：范围：（综合性大学，专科性大学）专 业：默认值：综合学 院 数：教 学 楼：教工人数：职工人数：学生人数：位 置：（省（直辖市），市
21、）面 积：单位（平方米）,框架名：类 属：类 型：范围：（大学，中学，小学）位 置：（省（直辖市），市）面 积：单位（平方米）教工人数：学生人数：,框架名：类 属：姓 名：中华医学大学 专 业：医学学 院 数：13教 学 楼：20办 公 楼：40学生宿舍：20教工宿舍：60教工人数：4000职工人数：5000学生人数：20000位 置：北京市面 积：10000（平方米）创建时间：2002年4月,框架系统结构,表示方法框架表示法,性质对事物进行描述。而且对其中某些细节做进一步描述。则可将其扩充为另外一些框架。如：汽车载货或人可以通过它对一些从感官中没有直接得到的信息进行预测，对于人来说这种功能是
22、很强的。如：一想到桌子就可以想到它腿的形状与位置。可以在它基础上进行判断推理。可通过它来认识某一类事物。可以通过一系列实例来修正框架对某些事物的不完整描述。（填充空的框架，修改默认值）,表示方法脚本表示法,脚本方式是采用一个专用的框架，用来表示特定领域的知识。脚本通过一些元语作为槽名来表代要表示的对象的基本行为。有些象电影剧本。,开场条件1 病人有病。2 病人的病需要找医生诊治。3 病人有钱。4 病人能够去医院。角色 病人、医生、护士。道具 医院、挂号室、椅子、桌子、药方、药房、钱、药。,场景 场景1 进入医院（1）人走进医院（2）病人挂号（3）病人在椅子上坐下等待看病 场景2 看病（1）病人
23、进入医生的办公室（2）病人向医生所说病状（3）医生向病人解释病情（4）医生给病人开药方 场景3 交费（1）病人到交费处（2）病人递交药方（3）病人交钱（4）病人取回药方及收据 场景4 取药（1）病人到药房（2）病人递交药方（3）病人取药 场景5 离开（1）病人离开医院,结果 1病人看病了，明白了 自己的病是怎么回事。2病人花了钱，买了药。3医生付出了劳动。4医院的药品少了.,表示方法脚本表示法（推理）,脚本表使得知识有强烈的因果结构，系统对事件的处理必须是一个动作完成后才能完成另一个。整个过程的启动取决于开场条件，满足脚本的开场条件，脚本中的事件才有可能发生。而脚本的结果就是动作完成后的系统结
24、果。由于脚本是以非常固定的形式描述的，在预言一些没有直接提到的事件方面特别有用。如已知某一脚本适用于所给定的情形，一旦脚本被起用，则可以应用它按照事件发生的顺序推理。如果其中的某一个情景的描述发生了跳跃，可以根据脚本的故事情节推断出整个事件正常进行时所得出的结论。但是如果事件被强行中断，也就是给定的情节中的某个时间与脚本中的事件不能对应时，则脚本便不能预测被中断以后的事件。如，上例中，如果医生说病人没病，病人就回家了。那么，对于病人所发生的变化；医院的药所发生的变化都不能作出推断。,表示方法过程表示法,前面的几种知识表示方法均是知识和事实的一种静止的表示方法。我们称这类知识表示方式为陈述式表达
25、。它所强调的是事物所涉及的对象是什么，是对事物有关知识的静态描述，是知识的一种显式、说明性知识表达形式。说明性表示知识给出事物本身的属性及事物之间的相互关系。对问题的解答就隐含在这些知识之中。而过程性知识则给出解决一个问题的具体过程。,表示方法过程表示法,说明性知识和过程性知识相比：说明性知识比较简要、清晰、可靠、便于修改。但往往效率低。过程性知识比较直截了当，效率高。但由于详细地给出了解决过程，使这种知识表示显得复杂、不直观、容易出错、不便于修改。实际上，说明性表示和过程性表示实际上没有绝对的分界线。因此，任何说明性知识如果要被实际使用，必须有一个相应的过程去解释执行它。对于一个以使用说明性
26、表示为主的系统来说，这种过程往往是隐含在系统之中，而不是面向用户。,表示方法过程表示法,知识过程性的两个含义：含义1：把解决一个问题的过程描述出来。可以称它为解题知识的过程表示。含义2：把客观事物的发展过程用某种方式表示出来。在某些情况下，这两种含义是很难决然分开的。如，任何一个解题系统的基本构成都是一个数据集，一组运算符和一个解释程序。过程性知识使用状态来表示，在状态空间运作。,表示方法过程表示法,过程式表示定义：过程式表示就是将有关某一问题领域的知识连同如何使用这些知识的方法均隐式地表达为一个求解过程。它所给出的是事物的一些客观规律，表达的是如何求解问题，知识的描述形式就是程序。所有信息均
27、隐含在程序中效率高、没有固定形式。如何描述知识完全取决定于具体的问题。,实际上的系统都是陈述与过程观点的结合。陈述之中多少包含了过程方法。,表示方法混合型知识表示法,上述的知识表示虽各有特点，而且适用的领域也不同。如：谓词逻辑方法只适用于确定性、陈述性、静态性知识，而对动态的、变化性、模糊性知识则很难表示。产生式规则方法推理方法太单一，如果前提条件太多，或规则条数太多，则推理的速度将慢得惊人。语义网络方法表达的知识面比较窄。框架方法表示的知识横向关系不太明确。（纵向从属继承关系很明确）对于复杂的、深层次的知识，就很难用一种知识表示来解决问题。,表示方法混合型知识表示法,根据需要表示的知识的特征
28、来决定用二、三种方式联合表示。逻辑与框架：框架里的槽值可以对应与谓词项。语义网络与框架：结点对应与框架，结点的参数就是框架的槽值。产生式与框架：框架的槽值对应于一条产生式规则。逻辑、产生式和过程式：产生式两端以谓词形式出现“活动”是个过程。与神经网络结合,表示方法混合型知识表示法,框架与产生式在产生式系统中，随着产生是规则数量的增加，系统设计着难以理解规则之间的相互作用。原因是每条规则的自含性使得知识表示的粒度过于细致。因此，需要对规则的适当划分，将其组织易于管理的功能模块。框架系统具有组织成块知识的良好特性。两者的有机结合，有利于系统的开发、调试和管理。框架的表示机制可以用作产生式语言和推理
29、机制设计的一个重要构件。框架可以直接用于表示规则（每个规则作为一个框架，一组规则组成一类）例：P186人工智能与专家系统吴泉源，国防科大,表示方法面向对象的知识表示法,面向对象表示法中的对象指物体，消息指物体间的联系，通过发送消息使对象间相互作用来求得所需的结果。任何事物都是对象，对象按照“类”、“子类“进行分类。特点：有属性继承、特征描述结构化等优点。,表示方法news,Corpus-Based Knowledge Representation Key Advantage:Avoid the laborious process of building a(often brittle)know
30、ledge base.“We emphasize the corpus-based representation is not a replacement for traditional knowledge representation.There are many tasks in which very finely tuned reasoning is required,and such reasoning can only be done with a very well designed knowledge base(e.g.,medical diagnosis,monitoring spacecraft,and making sense of tax law).”,第四章 知识表示方法,结论：本章介绍了若干种知识表达方式，绝大多数在应用中得到了很好的验证。但实际工作中，如果要建立一个人工智能系统、专家系统时，可能还是要根据具体情况提出一个混合性的知识表达方式。,
