几种结构化的知识表示及推理讲稿.ppt

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1、几种结构化的知识表几种结构化的知识表示及推理示及推理第一页，讲稿共六十一页哦7.1 框框 架架7.2.1 框架的概念框架的概念 顾名思义，框架就是一种结构，一种模式，其一般形式是:|第二页，讲稿共六十一页哦|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的名字。第三页，讲稿共六十一页哦例例7.1 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:(，)第四页，讲稿共六十一页哦 可以看出，这个框

2、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。第五页，讲稿共六十一页哦例例7.2 下面是一个描述“大学教师”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:良第六页，讲稿共六十一页哦例7.3 下面是描述一个具体教师的框架:框架名:类属:姓

3、名:李明性别:男年龄:25职业:教师职称:助教专业:计算机应用第七页，讲稿共六十一页哦部门: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:第八页，讲稿共六十一页哦 比较例7.2和例7.3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

4、分子”的下位框架。第九页，讲稿共六十一页哦7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力 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，有些过程性事件或情节也可用框架网络来表示。第十页，讲稿共六十一页哦例例7.4 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第十一页，讲稿共六十一页哦前墙:(墙框架(w1，d1)后墙:(墙框架(w2，d2)左墙:(墙框架(w3

5、，d3)右墙:(墙框架(w4，d4)天花板:地板:门:窗:条件:w1+w2+w3+w4=x2 d1+d2+d3+d4=x3类型:(，)第十二页，讲稿共六十一页哦例7.5 机器人纠纷问题的框架描述如图7-1所示。图71 机器人纠纷问题第十三页，讲稿共六十一页哦 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:患感冒第十四页，讲稿共六十一页哦7.1.3 基于框架的推理基于框架的推理 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

6、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得有关信息。第十五页，讲稿共六十一页哦框架名: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：显然,原框架“教师-1”中无“外语水平”槽,但它的父框架是“大学教师”,该框架内有“外语水平”槽,并且侧面“语种”(“范围”)缺省值是“英”,侧面“水平”的缺省值是“良”。于是通过继承,便知道了“教师-1”懂英语,且水平

7、还良好。那么,这两个值也就可以填到“教师-1”的槽中。第十六页，讲稿共六十一页哦7.1.4 框架的程序语言实现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。第十七页，讲稿共六十一页哦 例如，前面的“教师”框架用PROLOG可表

8、示如下:frame(name(教师)，kind-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。第十八页，讲稿共六十一页哦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()第十九页，讲稿共六十一页哦这是

9、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。第二十页，讲稿共六十一页哦7.2 语义网络语义网络7.2.1 语义网络的概念语义网络的概念 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；有向边表示节点之间的某种联系或关

10、系。例如图72就是一个语义网络。其中，边上的标记就是边的语义。还需指出的是,上述关于框架的推理方法,实际仅适于装载着概念和实体对象的框架,而对于装载着规则的框架,其推理就要用基于规则的演绎推理方法。第二十一页，讲稿共六十一页哦 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：(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；第二十二页，讲

11、稿共六十一页哦(3)语言语义网：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。第二十三页，讲稿共六十一页哦图72苹果的语义网络第二十四页，讲稿共六十一页哦6.3.2 语义网络的表达能力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

12、的一种关系。如图73所示的语义网络，就表示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。第二十五页，讲稿共六十一页哦图73 专家系统的语义网络 第二十六页，讲稿共六十一页哦1.实例关系实例关系 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74。其中，关系“是一个”一般标识为“is-a”，或ISA

13、。第二十七页，讲稿共六十一页哦图74 表示实例关系的语义网络 小华大学生是一个第二十八页，讲稿共六十一页哦 2.分类（或从属、泛化）关系分类（或从属、泛化）关系 分类关系是指事物间的类属关系，图75就是一个描述分类关系的语义网络。在图75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。第二十九页，讲稿共六十一页哦图75 表示分类关系的语义网络 第三十页，讲稿共六十一页哦3.组装

14、关系组装关系 如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76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“a-part-of”。第三十一页，讲稿共六十一页哦桌子桌腿桌面一部分一部分图76 表示组装关系的语义网络 第三十二页，讲稿共六十一页哦4.属性关系属性关系 属性关系表示对象的属性及其属性值。例如，图77表示simon是一个人，男性，40岁，职业是教师。第三十三页，讲稿共六十一页哦图77 表示属性关系的语义网络第三十四页，讲稿共六十一页哦 5.集合与成员关系集合与成员关系 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

15、三是计算机学会会员”可表示为图78。其中，关系“是成员”一般标识为“a-member-of”。第三十五页，讲稿共六十一页哦图78 表示集合成员关系的语义网络 张三计算机学会是成员第三十六页，讲稿共六十一页哦6.逻辑关系逻辑关系 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79所示的语义网络就是一个逻辑关系。第三十七页，讲稿共六十一页哦图79 表示逻辑关系的语义网络 雨天外出ANDOR带雨披带雨伞则第三十八页，讲稿共六十一页哦7.方位关系方位关系 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

16、。例如事实：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。可用图710所示的语义网络表示。第三十九页，讲稿共六十一页哦图710 表示方位关系的语义网络 电子2路石油学院张宏助教西安市区25岁味道工作在职务属于年龄第四十页，讲稿共六十一页哦图711 表示所属关系的语义网络狗尾巴have 8.所属关系所属关系 所属关系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示为图711。第四十一页，讲稿共六十一页哦 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

17、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。第四十二页，讲稿共六十一页哦 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712，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713

18、。第四十三页，讲稿共六十一页哦图712 语句(事件)的语义网络 第四十四页，讲稿共六十一页哦图713 谓词公式的语义网络 第四十五页，讲稿共六十一页哦图714 分块语义网络 又如：x(student(x)read(x,三国演义)即“每个学生读过三国演义”,其语义网络表示为图 7-14。第四十六页，讲稿共六十一页哦7.2.3 基于语义网络的推理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

19、。我们要通过图7-1所示的语义网络(假设它已存入知识库),查询富士苹果有什么特点。那么,我们可先构造如图7-15所示的一个网络片段。然后,使其与知识库中的语义网络进行匹配。匹配后X的值应为“脆甜”。当然,这是一个简单问题。如果问题复杂,也可能不能通过直接匹配得到结果,那么还需要沿着有关边进行搜索,通过继承来获得结果。例如要问：吃富士苹果对人的健康有何意义？那么,通过上述网络片断不能直接获得答案,这时,就需沿着边“AKO”一直搜索到节点“水果”,由水果的“富营养”性,通过特性继承便得到富士苹果也富营养。第四十七页，讲稿共六十一页哦图715 语义网络片段 苹果x富士 特点AKO第四十八页，讲稿共六

20、十一页哦 7.2.4 语义网络的程序语言实现语义网络的程序语言实现 由 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71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).第四十九页，讲稿共六十一页哦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-o

21、f，苹果，水果).arc(taste，苹果，甜).arc(a-kind-of，富士，苹果).arc(intro-from，富士，日本).arc(is-a，日本，亚洲国家).第五十页，讲稿共六十一页哦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).第

22、五十一页，讲稿共六十一页哦7.3 面向对象知识表示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。第五十二页，讲稿共六十一页哦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

23、当给类中的特征变量赋予一组值时，则这组值连同类中的方法，就构成了一个具体的对象。第五十三页，讲稿共六十一页哦 例例7.6 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();第五十四页，讲稿共六十一页哦;EmployeeEmployee(char*name，int age，int salary)Name=newcharstrlen(name);strcpy(Name，na

24、me);Age=age;Salary=salary;=EmployeeEmployee()Delete Name;=Void EmployeeChange(int age，int salary)第五十五页，讲稿共六十一页哦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)第五十六页，讲稿共六十一页哦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 Em

25、ployeeInt Level;public:Manager(char*name，int age，int salary，int level);Manager();Void Change Level(int n);第五十七页，讲稿共六十一页哦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

26、，这种方法特别适合于大型知识库的开发和维护。第五十八页，讲稿共六十一页哦习习 题题 七七 1.什么是知识？它有哪些特性？有哪几种分类方法？2.在选择知识表示模式时,应该考虑哪些主要的因素？3.试比较框架与语义网络区别及关系。4.请把下列命题表示的事实用一个语义网络表示出来,并用PROLOG语言实现之。(1)树和草都是植物。(2)树和草都是有根有叶的。(3)水草是草,且长在水中。(4)果树是树,且会结果。(5)樱桃树是一种果树,它结樱桃。第五十九页，讲稿共六十一页哦 5.把下列语句用语义网络表示。(1)海浪把军舰轻轻地摇。(2)李老师从第一周到第十周给计算机班上人工智能课。(3)每一个大学生都学过一门程序设计语言。6.试写出“学生框架”的描述,并用PROLOG语言实现之。7.试述语义网络表示法和框架表示法求解问题的过程,并对它们进行比较。8.面向对象知识表示有什么特点？它与框架有什么区别？第六十页，讲稿共六十一页哦9.用面向对象程序设计语言(如C+)描述如下概念及其他们之间的关系。(1)水果、苹果、红富士苹果、香蕉。(2)人、职员、研究生、在职研究生。10.用面向对象程序设计语言(如C+)分别实现计算机和交通工具的类层次结构。11.用面向对象程序设计语言(如C+)定义“规则类”。提示：规则类至少应有“前提”和“结论”两个成员。第六十一页，讲稿共六十一页哦