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1、几种结构化知识表示及其推理第1页，本讲稿共55页2022/10/221第第7 7章章 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7.1 框架框架7.2 语义网络语义网络7.3 类与对象类与对象*第2页，本讲稿共55页2022/10/2227.1 框架框架n19751975年年 MinskyMinsky在论文中提出了框架理论。他从在论文中提出了框架理论。他从心理心理学学的证据出发，认为人的知识以的证据出发，认为人的知识以框架框架结构记存在结构记存在人脑中。当人们面临新的情况，或对问题的看法人脑中。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有重要变化时，
2、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。成对新观察到的事物的认识。n人人类类对对于于一一件件事事的的了了解解，表表现现在在对对于于这这件件事事物物的的诸诸方方面面，即即属属性性的的了了解解。掌掌握握了了事事物物的的属属性性，也也就就有有了了关关于于事事物物的的知知识识，知知识识表表示示是是从从属属性性描描述述开始的。开始的。第3页，本讲稿共55页2022/10/2237.1 框架框架7.1.1 框架的概念框架的概念7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力7.1.3 基于框架的推理基于框架的推理7.
3、1.4 框架的程序语言实现框架的程序语言实现第4页，本讲稿共55页2022/10/2247.1.1 框架的概念框架的概念|约束：约束：条件条件1 条件条件2 讨论对象讨论对象的属性的属性讨论对象讨论对象的属性的属性可以是数字、字符串、布尔值或动作第5页，本讲稿共55页2022/10/2257.1.1 框架的概念框架的概念-示例示例(1)例例7.1 描述描述“教师教师”的框架的框架框架名：框架名：类属类属 ：工作：工作：范围范围：（教学，科研）教学，科研）缺省缺省：（教学）教学）性别性别 ：（男，女）（男，女）学历学历 ：（中师，高师）（中师，高师）类型类型 ：（，）|第6页，本讲稿共55页20
4、22/10/2267.1.1 框架的概念框架的概念-示例示例(2)例例7.2 描述描述“大学教师大学教师”的框架的框架框架名：框架名：类属类属 ：学历学历 ：（学士、硕士、博士）（学士、硕士、博士）专业专业 ：职称职称 ：（助教、讲师、副教授、教授）（助教、讲师、副教授、教授）外语外语 ：语种语种：范围范围：（英，法，日，俄，德，（英，法，日，俄，德，）缺省：缺省：英英 水平：水平：（优，良，中，差）优，良，中，差）缺省：缺省：良良|第7页，本讲稿共55页2022/10/2277.1.1 框架的概念框架的概念-示例示例(3)例例7.3 描述一个具体教师的框架描述一个具体教师的框架框架名：框架名
5、：1类属类属 ：姓名姓名 ：李明：李明性别性别 ：男男 职业职业 ：教师：教师职称职称 ：助教助教专业：专业：计算机应用计算机应用部门：部门：计算机系软件教研室计算机系软件教研室工作：工作：参加工作时间：参加工作时间：19951995年年8 8月月 工龄：工龄：当前年份参加工作年份当前年份参加工作年份 工资：工资：第8页，本讲稿共55页2022/10/2287.1.1 框架的概念框架的概念n上位框架：一般描述概念上位框架：一般描述概念n下位框架下位框架n上位框架具有的属性，下位框架一定具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有，下位框架从上位框架中继承某些槽值或侧
6、面名。值或侧面名。n实例框架：一般描述一个具体事物实例框架：一般描述一个具体事物第9页，本讲稿共55页2022/10/2297.1.1 框架的概念框架的概念-框架网络框架网络n一个框架的槽值可以是另一个框架的名，一个框架的槽值可以是另一个框架的名，这就把有关框架这就把有关框架横向横向联系了起来。联系了起来。n框架间的框架间的“父子父子”关系是框架间的一种关系是框架间的一种纵纵向向联系。联系。n某一论域的全体框架构成了一个某一论域的全体框架构成了一个框架网框架网络络或框架系统。或框架系统。n框架的槽值可以是规则或逻辑式、运算框架的槽值可以是规则或逻辑式、运算式甚至过程调用等。式甚至过程调用等。第
7、10页，本讲稿共55页2022/10/22107.1.1 框架的概念框架的概念-框架网络（例）框架网络（例）师生员工框架师生员工框架教职工框架教职工框架学生框架学生框架教师框架教师框架职工框架职工框架电子系学生框架电子系学生框架管理系学生框架管理系学生框架教师教师-1-1教师教师-N-N本科生本科生硕士生硕士生第11页，本讲稿共55页2022/10/22117.1.2 框架的表达能力框架的表达能力n框架适合表达结构性知识框架适合表达结构性知识n概念对象等知识用框架表示概念对象等知识用框架表示n框架的槽是对象的属性或状态框架的槽是对象的属性或状态n框架的值是属性值或状态值框架的值是属性值或状态值
8、n框架网络可以表示过程性事件或情节框架网络可以表示过程性事件或情节第12页，本讲稿共55页2022/10/22127.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-示例示例(1)n例例7.4关于房间的框架（关于房间的框架（1）框架名：框架名：墙数墙数x1x1 ：缺省：缺省：x1x14 4 条件：条件：x10 x10窗数窗数x2x2 ：缺省：缺省：x2x22 2 条件：条件：x2=0 x2=0门数门数x3x3 ：缺省缺省：x3x31 1 条件条件：x30 x30前墙前墙：（墙框架（墙框架（w1,d1w1,d1）后墙后墙：（墙框架（墙框架（w2,d2w2,d2）第13页，本讲稿共55页2022/10/22
9、137.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-示例示例(2)左墙左墙：（墙框架（墙框架（w3,d3w3,d3）右墙右墙：（墙框架（墙框架（w4,d4w4,d4）天花板天花板 ：地板地板 ：门门 ：窗：窗：条件条件：w1w1w2w2w3w3w4w4x2x2 d1d1d2d2d3d3d4d4x3x3类型类型:(，)第14页，本讲稿共55页2022/10/22147.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-示例示例(3)例例7.5 机器人纠纷问题的框架描述机器人纠纷问题的框架描述框架名框架名：1动作：动作：打打动作发出者：动作发出者：罗宾罗宾动作接受者：动作接受者：苏西苏西后果：后果：（1）框架名框架
10、名：2动作：动作：打打动作发出者：动作发出者：苏西苏西动作接受者：动作接受者：罗宾罗宾后果：后果：（2）框架名框架名：1动作：动作：哭哭动作发出者：动作发出者：苏西苏西后果：后果：（得意，懊悔）（得意，懊悔）框架名框架名：2动作：动作：哭哭动作发出者：动作发出者：罗宾罗宾后果：后果：心理平衡心理平衡第15页，本讲稿共55页2022/10/22157.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-示例示例(4)例：某次关于地震的报道：例：某次关于地震的报道：“今天一次强今天一次强度为里氏度为里氏8.5级的强烈地震袭击了下斯洛级的强烈地震袭击了下斯洛文尼亚（文尼亚（Low Slabovia）地区，造成）地
11、区，造成25人死亡和人死亡和5亿美元的财产损失。下斯洛文亿美元的财产损失。下斯洛文尼亚的主席说：多年来，靠近尼亚的主席说：多年来，靠近Sadie Hawkins断层的重灾区一直是一个危险断层的重灾区一直是一个危险的地区。的地区。”第16页，本讲稿共55页2022/10/22167.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-与语义网络结合与语义网络结合灾害事件地震地震-1今天25500,000,0008.5Sadie Hawkins洪水飓风Low-Slabovia时间地点死亡损失震级断层ISAAKOAKOAKO第17页，本讲稿共55页2022/10/22177.1.2 框架的表达能力框架的表达能力n
12、产生式规则也可以用框架表示产生式规则也可以用框架表示 如果头疼且发烧，则患感冒。如果头疼且发烧，则患感冒。框架名框架名：1 前提：前提：条件条件1 1：头痛头痛 条件条件2 2：发烧发烧 结论：结论：患感冒患感冒第18页，本讲稿共55页2022/10/22187.1.3 基于框架的推理基于框架的推理(1)n基于框架的推理方法是基于框架的推理方法是继承继承。就是子框。就是子框架可以拥有其父框架的槽及槽值。架可以拥有其父框架的槽及槽值。n实现继承的操作有：实现继承的操作有：n匹配匹配 将问题框架同知识库中的框架的模式将问题框架同知识库中的框架的模式匹配。匹配。n搜索搜索 沿着框架间的纵向和横向联系
13、，在框沿着框架间的纵向和横向联系，在框架网络中进行查找。架网络中进行查找。n填槽填槽 问题框架同某一框架匹配时，可以通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。过它的父框架来将它的空槽值填上。第19页，本讲稿共55页2022/10/22197.1.3 基于框架的推理基于框架的推理(2)例：关于教师例：关于教师1外语水平的推理外语水平的推理（1）构造问题框架，与知识库匹配）构造问题框架，与知识库匹配（2）搜索）搜索（3）填槽）填槽框架名：框架名：1姓名姓名 ：李明李明性别性别 ：男男 年龄年龄 ：2525职称职称 ：助教助教专业：专业：计算机应用计算机应用部门：部门：计算机
14、系软件教研室计算机系软件教研室外语水平：外语水平：第20页，本讲稿共55页2022/10/22207.1.4 框架的程序语言实现（框架的程序语言实现（1）nFRL程序设计语言程序设计语言nPROLOG语言语言第21页，本讲稿共55页2022/10/2221例例:frame(name(教师教师)，kind_of()，work(scope(教学教学，科研科研),default(教学教学)，sex(男男，女女)，reco_of_f_s(中师中师，高师高师)，type(,).7.1.4 框架的程序语言实现（框架的程序语言实现（2）第22页，本讲稿共55页2022/10/2222如何建立某个事物的框架如
15、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，）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。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）建立框架模式与概念（3）框架的资料数值填写）框架的资料数值填写第23页，本讲稿共55页2022/10/2223框架框架-小结小结n结构化知识表示方式结构化知识表示方式n框架理论可作为人类理解视觉、自然语言及其他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。复杂行为的基础。-Mins
16、kyn缺点缺点n没有明确的推理机制保证问题求解的可行性没有明确的推理机制保证问题求解的可行性n框架子系统中各子框架的数据结构不一致，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。会影响系统的清晰性，造成推理困难。第24页，本讲稿共55页2022/10/22247.2 语义网络语义网络n19681968年年QuillianQuillian的博士论文建议用一种语义网络来的博士论文建议用一种语义网络来描述人对事物的认知，实际上是对描述人对事物的认知，实际上是对人脑功能人脑功能的模的模拟。拟。n语义网络是人类联想记忆的一个心理学模型。也是一语义网络是人类联想记忆的一个心理学模
17、型。也是一种知识表示方法。种知识表示方法。n语义网络同一阶逻辑有相同的能力。多用于专家系统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。和自然语言处理领域。n普林斯顿大学开发的电子英语词典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，根据语义网络、以同义词集为基础结点，通过上下文结点，整体与部分的基础结点，通过上下文结点，整体与部分的关系构成网络。关系构成网络。第25页，本讲稿共55页2022/10/22257.2 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7.2.2 语义网络的表达能力语义网络的表达能力7.2.3 基于语义网络的推
18、理基于语义网络的推理7.2.4 语义网络的程序实现语义网络的程序实现第26页，本讲稿共55页2022/10/22267.2.1 语义网络的概念语义网络的概念(1)n语义网络由节点和有向边组成的有向图。语义网络由节点和有向边组成的有向图。n节点表示事物、对象、概念、行为、性质、状态等。节点表示事物、对象、概念、行为、性质、状态等。n有向边表示节点之间的某种联系或关系。有向边表示节点之间的某种联系或关系。n语义网络的级别划分语义网络的级别划分n执行级执行级n逻辑级逻辑级n认识论级认识论级n概念级概念级n语言学级语言学级节点节点1节点节点2语义关系基本语义网络单元结构基本语义网络单元结构第27页，本
19、讲稿共55页2022/10/22277.2.1 语义网络的概念语义网络的概念-示例示例水果水果甜甜北方北方苹果苹果日本日本富士富士秦冠秦冠陕西陕西国家国家脆甜脆甜高产高产中国西部中国西部营养营养味道味道富有富有引进于引进于是一个是一个特点特点特点特点位于位于产于产于是一种是一种是一种是一种产于产于是一种是一种苹果的语义网络苹果的语义网络第28页，本讲稿共55页2022/10/22287.2.1 语义网络的类型语义网络的类型n语义网络类型语义网络类型n命题语义网命题语义网（分块联想网络）（分块联想网络）n数据语义网：以数据为中心的语义网络数据语义网：以数据为中心的语义网络n语言语义网：用于自然语
20、言分析和理解语言语义网：用于自然语言分析和理解n结构语义网：描述客观事物的结构结构语义网：描述客观事物的结构n分类语义网分类语义网：描述抽象概念及层次：描述抽象概念及层次n推理语义网推理语义网：命题网：命题网n框架语义网：与框架相结合的语义网。框架语义网：与框架相结合的语义网。第29页，本讲稿共55页2022/10/2229补充知识表示（分类语义网络）补充知识表示（分类语义网络）图中的四种弧线表示图中的四种弧线表示:N1 N2：表示：表示N2是是N1的子集。的子集。N1 N2：表示：表示N2是是N1的子集，的子集，和其他用和其他用ds的子集不相交。的子集不相交。N1 N2：表示：表示N2是是N
21、1的元素。的元素。N1 N2：表示：表示N2是是N1的元素，的元素，和其他用和其他用de的元素不相交。的元素不相交。SdsedePROSPECTOR的分类语义网络的分类语义网络 第30页，本讲稿共55页2022/10/2230补充知识表示（推理语义网）补充知识表示（推理语义网）PROSPECTOR的推理网络的推理网络 第31页，本讲稿共55页2022/10/22317.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（1）n语义网络可以表示事物之间的联系和关语义网络可以表示事物之间的联系和关系系.n语义网络对事件的表示语义网络对事件的表示n语义网络对含有全称量词和存在量词的语义网络对含有全称量词
22、和存在量词的谓词的表示谓词的表示第32页，本讲稿共55页2022/10/22327.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（2）n实例关系实例关系 表示类与实例之间的关系。表示类与实例之间的关系。（is a,ISA）小华大学生是一个ISA第33页，本讲稿共55页2022/10/22337.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（3）n分类分类（从属、泛化）关系（从属、泛化）关系 指事物之间的指事物之间的类属关系。（类属关系。（a kind of，AKO）动物水羽毛鱼鸟草鱼鲨鱼鹦鹉鸵鸟飞水草AKOAKOAKOAKOAKOAKO不会吃有生活于第34页，本讲稿共55页2022/10/
23、22347.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（4）n组装组装关系关系 下层概念是上层概念的一部分。下层概念是上层概念的一部分。（a part of,APO）桌子桌腿桌面一部分一部分第35页，本讲稿共55页2022/10/22357.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（5）n属性属性关系关系 对象的属性及其属性值。对象的属性及其属性值。SimonteachermalesexageISAPerson40profession第36页，本讲稿共55页2022/10/22367.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（6）n集合与成员集合与成员关系关系 表示成员与集合之
24、间的表示成员与集合之间的关系。（关系。（a member of，AMO）张三计算机学会AMO第37页，本讲稿共55页2022/10/22377.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（7）n逻辑逻辑关系关系 一个概念可由另一个概念推出，一个概念可由另一个概念推出，存在因果关系。存在因果关系。外出雨天则ANDOR带雨披带雨伞第38页，本讲稿共55页2022/10/22387.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（8）n方位方位关系关系事实：张宏是石油学院的一名助教；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；石油学院位于西安市电子二路；张宏今年张宏今年25岁。岁
25、。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位于属于第39页，本讲稿共55页2022/10/22397.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（9）n所属所属关系关系 表示具有的意思，描述事物与表示具有的意思，描述事物与属性之间的关系。属性之间的关系。(have)狗尾巴have第40页，本讲稿共55页2022/10/22407.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（9）n所属所属关系关系 表示表示“能能”和会，表示上层节和会，表示上层节点能够执行下层节点所描述的功能点能够执行下层节点所描述的功能(can)鸟飞can第41页，本讲稿共55页2022/10/2241
26、7.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（10）n事件事件的语义网络的语义网络 例句：小王送给小李一本书。例句：小王送给小李一本书。小王giver送书小李recipient书objectS第42页，本讲稿共55页2022/10/22427.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（11）n谓词公式谓词公式的语义网络表示（的语义网络表示（1）n苹果是一种水果苹果是一种水果n小李和小王是朋友小李和小王是朋友FRUIT(apple)苹果苹果水果水果AKO谓词逻辑的一元关系转化为语义网络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
27、关系转化为语义网络谓词逻辑的二元关系转化为语义网络第43页，本讲稿共55页2022/10/22437.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（12）n谓词公式谓词公式的语义网络表示（的语义网络表示（2）n在一场足球比赛中，在一场足球比赛中，AC米兰主场以米兰主场以0：1的的比分输给国际米兰比分输给国际米兰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谓词逻辑的多元关系转化为语义网络INTER-MLAC-MLSoccer gameISAHostGuest第44页，本讲稿共55页2022/10/22447.2.2 语义网络的表达能力
28、（语义网络的表达能力（13）n谓词公式的语义网络表示（谓词公式的语义网络表示（3）x(student(x)Read(x,三国演义三国演义)某个学生读过某个学生读过三国演义三国演义。studentreadISAbook三国演义read1xobjectsubjectISAISA第45页，本讲稿共55页2022/10/22457.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（14）n谓词公式的语义网络表示（谓词公式的语义网络表示（3）x(student(x)Read(x,三国演义三国演义)每个学生读过每个学生读过三国演义三国演义。studentreadISAbook三国演义read1xobject
29、subjectISAISARGSF ISA分块语义网络全称量化的命题类节点全称量化的命题类节点读关系读关系全称变量全称变量第46页，本讲稿共55页2022/10/22467.2.2 语义网络的表达能力（语义网络的表达能力（15）n分块语义网络的基本思想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。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，则将它表示出题，若一个
30、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。来，相应的可以给出一个节点来代表该网络。n分块语义网络的要求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。于全称变量节点。第47页，本讲稿共55页2022/10/2247知识表示（分块语义网络）知识表示（分块语义网络）角闪石部分地转化为黑云母第48页，本讲稿共55页2022/10/2248补充练习：补充练习：nAll roads lead to Rome.nEvery dog has bitten every postman
31、.第49页，本讲稿共55页2022/10/22497.2.3 基于语义的推理基于语义的推理n基于语义网络的推理也是继承，继承通基于语义网络的推理也是继承，继承通过匹配、搜索实现。过匹配、搜索实现。n推理步骤推理步骤n首先根据待求问题要求构造一个网络片断首先根据待求问题要求构造一个网络片断n在知识库中查找与之匹配的语义网络，当网在知识库中查找与之匹配的语义网络，当网络片断中询问部分与知识库中某网络结构匹络片断中询问部分与知识库中某网络结构匹配时，则与询问处匹配的事实就是问题的解。配时，则与询问处匹配的事实就是问题的解。n匹配的结果不一定是完全匹配，需考虑匹配匹配的结果不一定是完全匹配，需考虑匹配
32、的程度。的程度。第50页，本讲稿共55页2022/10/2250 语义网络是一个二元关系图语义网络是一个二元关系图 例：例：a a_ _kindkind_ _of(of(苹果苹果，水果水果).).taste(taste(苹果苹果，甜甜).).a a_ _kindkind_ _of(of(富士富士，苹果苹果).).introintro_ _from(from(富士富士，日本日本).).isis_ _a(a(日本日本，亚洲国家亚洲国家).).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第51页，本讲稿共55页2022/10/2251也可以表示为也可以表示为 arc(a_kind_ofa
33、rc(a_kind_of，苹果苹果，水果水果).).arc(taste arc(taste，苹果苹果，甜甜).).arc(a_kind_of arc(a_kind_of，富士富士，苹果苹果).).arc(intro_from arc(intro_from，富士富士，日本日本).).arc(is_a arc(is_a，日本日本，亚洲国家亚洲国家).).或者或者 net1(a_kind_of(“net1(a_kind_of(“苹果苹果”，“水果水果”)，taste(“taste(“苹果苹果”，“甜甜”)，a_kind_of(“a_kind_of(“秦冠秦冠”，“苹果苹果”)，produ_in(pr
34、odu_in(秦冠秦冠，陕西陕西).).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第52页，本讲稿共55页2022/10/2252语义网络小结语义网络小结n一种结构化的知识表示法一种结构化的知识表示法n把事物之间的属性以及事物间的各种语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，下层节点可义联系显式表现出来，下层节点可继承、继承、新增、变异新增、变异上层节点的属性，从而实现上层节点的属性，从而实现信息共享。信息共享。n缺点：推理规则不明了。缺点：推理规则不明了。第53页，本讲稿共55页2022/10/22537.3 类与对象类与对象n结构化的表示方法，类似于框架。结构化的表示方法，类似于框架。n具有封装性，使知识表示更加模块化。具有封装性，使知识表示更加模块化。第54页，本讲稿共55页2022/10/2254The End！第55页，本讲稿共55页2022/10/2255