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1、几种结构化知识表示及其推理2023/4/11第一页，讲稿共五十五页哦第第7 7章章 几种几种结构化知构化知识表示及其推理表示及其推理7.1 框架框架7.2 语义网网络7.3 类与与对象象*2023/4/12第二页，讲稿共五十五页哦7.1 框架框架n19751975年年 MinskyMinsky在在论文中提出了框架理文中提出了框架理论。他从。他从心理学心理学的的证据出据出发，认为人的知人的知识以以框架框架结构构记存存在人在人脑中。当人中。当人们面面临新的情况，或新的情况，或对问题的看法的看法有重要有重要变化化时，总是从自己的是从自己的记忆中找出一个合适中找出一个合适的框架，然后根据的框架，然后根
2、据细节加以修改加以修改补充，从而形成充，从而形成对新新观察到的事物的察到的事物的认识。n人人类对于于一一件件事事的的了了解解，表表现在在对于于这件件事事物物的的诸方方面面，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，知知识表表示示是是从从属属性性描描述述开始的。开始的。2023/4/13第三页，讲稿共五十五页哦7.1 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7.1.4 框架的程序框架的程序语言言实现2023/4/14第四页，讲稿共五十五页哦7.1.1 框架
3、的概念框架的概念|约束：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2023/4/15第五页，讲稿共五十五页哦7.1.1 框架的概念框架的概念-示例示例(1)例例7.1 描述描述“教教师”的框架的框架框架名：框架名：类属属：工作：工作：范范围：（教学，科研）教学，科研）缺省缺省：（教学）教学）性性别：（男，女）（男，女）学学历：（中（中师，高，高师）类型型：（，）|2023/4/16第六页，讲稿共五十五页哦7.1.1 框架的概念框架的概念-示例示例(2)例例7.2 描述描述“大学教大学教师”的框架的框架框架名：框架名：类属
4、属：学学历：（学士、（学士、硕士、博士）士、博士）专业：职称称：（助教、（助教、讲师、副教授、教授）、副教授、教授）外外语：语种种：范范围：（英，法，日，俄，德，（英，法，日，俄，德，）缺省：缺省：英英水平：水平：（优，良，中，差），良，中，差）缺省：缺省：良良|2023/4/17第七页，讲稿共五十五页哦7.1.1 框架的概念框架的概念-示例示例(3)例例7.3 描述一个具体教描述一个具体教师的框架的框架框架名：框架名：类属属：姓名姓名：李明：李明性性别：男男 职业：教：教师职称称：助教助教专业：计算机算机应用用部部门：计算机系算机系软件教研室件教研室工作：工作：参加工作参加工作时间：1995
5、年年8月月工工龄：当前年份参加工作年份当前年份参加工作年份工工资：2023/4/18第八页，讲稿共五十五页哦7.1.1 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有，下位框架从上位框架中继承某些槽承某些槽值或或侧面名。面名。n实例框架：一般描述一个具体事物例框架：一般描述一个具体事物2023/4/19第九页，讲稿共五十五页哦7.1.1 框架的概念框架的概念-框架网框架网络n一个框架的槽一个框架的槽值可以是另一个框架的名，可以是另一个框架的名，这就把有关框架就把
6、有关框架横向横向联系了起来。系了起来。n框架框架间的的“父子父子”关系是框架关系是框架间的一种的一种纵向向联系。系。n某一某一论域的全体框架构成了一个域的全体框架构成了一个框架网框架网络或框架系或框架系统。n框架的槽框架的槽值可以是可以是规则或或逻辑式、运算式、运算式甚至式甚至过程程调用等。用等。2023/4/110第十页，讲稿共五十五页哦7.1.1 框架的概念框架的概念-框架网框架网络（例）（例）师生生员工框架工框架教教职工框架工框架学生框架学生框架教教师框架框架职工框架工框架电子系学生框架子系学生框架管理系学生框架管理系学生框架教教师-1教教师-N本科生本科生硕士生士生2023/4/111
7、第十一页，讲稿共五十五页哦7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力n框架适合表达框架适合表达结构性知构性知识n概念概念对象等知象等知识用框架表示用框架表示n框架的槽是框架的槽是对象的属性或状象的属性或状态n框架的框架的值是属性是属性值或状或状态值n框架网框架网络可以表示可以表示过程性事件或情程性事件或情节2023/4/112第十二页，讲稿共五十五页哦7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-示例示例(1)n例例7.4关于房关于房间的框架（的框架（1）框架名：框架名：墙数数x1：缺省：缺省：x14 条件：条件：x10窗数窗数x2：缺省：缺省：x22 条件：条件：x2=0门数数x3：缺省缺省：x3
8、1 条件条件：x30前前墙：（墙框架（框架（w1,d1）后后墙：（墙框架（框架（w2,d2）2023/4/113第十三页，讲稿共五十五页哦7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-示例示例(2)左左墙：（墙框架（框架（w3,d3）右右墙：（墙框架（框架（w4,d4）天花板天花板：地板地板：门：窗：窗：条件条件：w1w2w3w4x2 d1d2d3d4x3类型型:(，)2023/4/114第十四页，讲稿共五十五页哦7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-示例示例(3)例例7.5 机器人机器人纠纷问题的框架描述的框架描述框架名框架名：动作：作：打打动作作发出者：出者：罗宾动作接受者：作接受者：苏西
9、西后果：后果：（）框架名框架名：动作：作：打打动作作发出者：出者：苏西西动作接受者：作接受者：罗宾后果：后果：（）框架名框架名：动作：作：哭哭动作作发出者：出者：苏西西后果：后果：（得意，懊悔）（得意，懊悔）框架名框架名：动作：作：哭哭动作作发出者：出者：罗宾后果：后果：心理平衡心理平衡2023/4/115第十五页，讲稿共五十五页哦7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-示例示例(4)例：某次关于地震的例：某次关于地震的报道：道：“今天一次今天一次强度度为里氏里氏8.5级的的强烈地震烈地震袭击了下斯洛了下斯洛文尼文尼亚（Low Slabovia）地区，造成）地区，造成25人死亡和人死亡和5亿
10、美元的美元的财产损失。下斯洛文失。下斯洛文尼尼亚的主席的主席说：多年来，靠近：多年来，靠近Sadie Hawkins断断层的重灾区一直是一个危的重灾区一直是一个危险的地区。的地区。”2023/4/116第十六页，讲稿共五十五页哦7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力-与与语义网网络结合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ISAAKOAKOAKO2023/4/117第十七页，讲稿共五十五页哦7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力n产生式生式规则也可以用框架表示也可以用框架表示 如果如果头疼
11、且疼且发烧，则患感冒。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2023/4/118第十八页，讲稿共五十五页哦7.1.3 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承。就是子框。就是子框架可以架可以拥有其父框架的槽及槽有其父框架的槽及槽值。n实现继承的操作有：承的操作有：n匹配匹配 将将问题框架同知框架同知识库中的框架的模式中的框架的模式匹配。匹配。n搜索搜索 沿着框架沿着框架间的的纵向和横向向和横向联系，在框系，在框架网架网络中中进行行查找。找。n填槽填槽 问题框架同某一框架匹配框架
12、同某一框架匹配时，可以通，可以通过它的父框架来将它的空槽它的父框架来将它的空槽值填上。填上。2023/4/119第十九页，讲稿共五十五页哦7.1.3 基于框架的推理基于框架的推理(2)例：关于教例：关于教师1外外语水平的推理水平的推理（1）构造）构造问题框架，与知框架，与知识库匹配匹配（2）搜索）搜索（3）填槽）填槽框架名：框架名：姓名姓名：李明李明性性别：男男 年年龄：25职称称：助教助教专业：计算机算机应用用部部门：计算机系算机系软件教研室件教研室外外语水平：水平：2023/4/120第二十页，讲稿共五十五页哦7.1.4 框架的程序框架的程序语言言实现（1）nFRL程序程序设计语言言nPR
13、OLOG语言言2023/4/121第二十一页，讲稿共五十五页哦例例:frame(name(教教师)，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(中中师，高高师)，type(,).7.1.4 框架的程序框架的程序语言言实现（2）2023/4/122第二十二页，讲稿共五十五页哦如何建立某个事物的框架如何建立某个事物的框架（1）框架知）框架知识学学习对当前事物或当前事物或对象象进行行观察与察与分析，把要分析，把要认识的的对象与象与选定的框架知定的框架知识表示表示进行比行比对，完成相关，完成相关对象属性及其知
14、象属性及其知识的了解与学的了解与学习。（2）建立框架模式与概念）建立框架模式与概念（3）框架的）框架的资料数料数值填写填写2023/4/123第二十三页，讲稿共五十五页哦框架框架-小小结n结构化知构化知识表示方式表示方式n框架理框架理论可作可作为人人类理解理解视觉、自然、自然语言及其他复言及其他复杂行行为的基的基础。-Minskyn缺点缺点n没有明确的推理机制保没有明确的推理机制保证问题求解的可行性求解的可行性n框架子系框架子系统中各子框架的数据中各子框架的数据结构不一致，构不一致，会影响系会影响系统的清晰性，造成推理困的清晰性，造成推理困难。2023/4/124第二十四页，讲稿共五十五页哦7
15、.2 语义网网络n19681968年年QuillianQuillian的博士的博士论文建文建议用一种用一种语义网网络来来描述人描述人对事物的事物的认知，知，实际上是上是对人人脑功能功能的模的模拟。n语义网网络是人是人类联想想记忆的一个心理学模型。也是的一个心理学模型。也是一种知一种知识表示方法。表示方法。n语义网网络同一同一阶逻辑有相同的能力。多用于有相同的能力。多用于专家家系系统和自然和自然语言言处理理领域。域。n普林斯普林斯顿大学开大学开发的的电子英子英语词典典WordNet，根据，根据语义网网络、以同、以同义词集集为基基础结点，通点，通过上下文上下文结点，整体与部分的点，整体与部分的关系
16、构成网关系构成网络。2023/4/125第二十五页，讲稿共五十五页哦7.2 语义网网络7.2.1 语义网网络的概念的概念7.2.2 语义网网络的表达能力的表达能力7.2.3 基于基于语义网网络的推理的推理7.2.4 语义网网络的程序的程序实现2023/4/126第二十六页，讲稿共五十五页哦7.2.1 语义网网络的概念的概念(1)n语义网网络由由节点和有向点和有向边组成的有向成的有向图。n节点表示事物、点表示事物、对象、概念、行象、概念、行为、性、性质、状、状态等。等。n有向有向边表示表示节点之点之间的某种的某种联系或关系。系或关系。n语义网网络的的级别划分划分n执行行级n逻辑级n认识论级n概念
17、概念级n语言学言学级节点节点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2023/4/127第二十七页，讲稿共五十五页哦7.2.1 语义网网络的概念的概念-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西国家国家脆甜脆甜高高产中国西部中国西部营养养味道味道富有富有引引进于于是一个是一个特点特点特点特点位于位于产于于是一种是一种是一种是一种产于于是一种是一种苹果的语义网络苹果的语义网络2023/4/128第二十八页，讲稿共五十五页哦7.2.1 语义网网络的的类型型n语义网网络类型型n命命题语义网网（分（分块联想网想网络）n数据数据语义网：以数据网：以数据为中心的
18、中心的语义网网络n语言言语义网：用于自然网：用于自然语言分析和理解言分析和理解n结构构语义网：描述客网：描述客观事物的事物的结构构n分分类语义网网：描述抽象概念及：描述抽象概念及层次次n推理推理语义网网：命：命题网网n框架框架语义网：与框架相网：与框架相结合的合的语义网。网。2023/4/129第二十九页，讲稿共五十五页哦补充知充知识表示（分表示（分类语义网网络）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N1的元素。的元素
19、。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 2023/4/130第三十页，讲稿共五十五页哦补充知充知识表示（推理表示（推理语义网）网）PROSPECTOR的推理网络的推理网络 2023/4/131第三十一页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（1）n语义网网络可以表示事物之可以表示事物之间的的联系和关系和关系系.n语义网网络对事件的表示事件的表示n语义网网络对含有全称量含有全称量词和存在量和存在量词的的谓词的表示的表示2023/4/132第三十二页，讲
20、稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（2）n实例关系例关系 表示表示类与与实例之例之间的关系。的关系。（is a,ISA）小华大学生是一个ISA2023/4/133第三十三页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（3）n分分类（从属、泛化）关系（从属、泛化）关系 指事物之指事物之间的的类属关系。（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2023/4/134第三十四页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（4）n组装装关系关系 下下层概念是上概
21、念是上层概念的一部分。概念的一部分。（a part of,APO）桌子桌腿桌面一部分一部分2023/4/135第三十五页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（5）n属性属性关系关系 对象的属性及其属性象的属性及其属性值。SimonteachermalesexageISAPerson40profession2023/4/136第三十六页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（6）n集合与成集合与成员关系关系 表示成表示成员与集合之与集合之间的的关系。（关系。（a member of，AMO）张三计算机学会AMO2023/4/137第三十七页，讲稿
22、共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（7）n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2023/4/138第三十八页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（8）n方位方位关系关系事事实：张宏是石油学院的一名助教；宏是石油学院的一名助教；石油学院位于西安市石油学院位于西安市电子二路；子二路；张宏今年宏今年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位于属于2023/4/139第三十九页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力
23、（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，描述事物与属性之属性之间的关系。的关系。(have)狗尾巴have2023/4/140第四十页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（9）n所属所属关系关系 表示表示“能能”和会，表示上和会，表示上层节点能点能够执行下行下层节点所描述的功能点所描述的功能(can)鸟飞can2023/4/141第四十一页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（10）n事件事件的的语义网网络 例句：小王送例句：小王送给小李一本小李一本书。小王giver送书小李recipient书objectS202
24、3/4/142第四十二页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（11）n谓词公式公式的的语义网网络表示（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2023/4/143第四十三页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（12）n谓词公式公式的的语义网网络表示（表示（2）n在一在一场足球比足球比赛
25、中，中，AC米米兰主主场以以0：1的的比分比分输给国国际米米兰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 gameISAHostGuest2023/4/144第四十四页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（13）n谓词公式的公式的语义网网络表示（表示（3）x(student(x)Read(x,三国演三国演义)某个学生某个学生读过三国演三国演义。studentreadISAbook三国演义read1xobjectsubjectISAISA2
26、023/4/145第四十五页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（14）n谓词公式的公式的语义网网络表示（表示（3）x(student(x)Read(x,三国演三国演义)每个学生每个学生读过三国演三国演义。studentreadISAbook三国演义read1xobjectsubjectISAISARGSF ISA分块语义网络全称量化的命题类节点全称量化的命题类节点读关系读关系全称变量全称变量2023/4/146第四十六页，讲稿共五十五页哦7.2.2 语义网网络的表达能力（的表达能力（15）n分分块语义网网络的基本思想的基本思想 把整个网把整个网络划分成若干个划分成若
27、干个块，每一，每一块（叫做一个（叫做一个语义空空间）表示一句完整的叙述。表示一句完整的叙述。=将复将复杂命命题拆成多个子命拆成多个子命题，每个子命，每个子命题又可以拆成更小的子命又可以拆成更小的子命题，若一个子命，若一个子命题已已经易于用易于用语义网网络来表示来表示时，则将它表示出将它表示出来，相来，相应的可以的可以给出一个出一个节点来代表点来代表该网网络。n分分块语义网网络的要求的要求 语义子空子空间中的每个中的每个节点都点都应该是全称是全称变量量节点或依点或依赖于全称于全称变量量节点。点。2023/4/147第四十七页，讲稿共五十五页哦知知识表示（分表示（分块语义网网络）角闪石部分地转化为
28、黑云母2023/4/148第四十八页，讲稿共五十五页哦补充充练习：nAll roads lead to Rome.nEvery dog has bitten every postman.2023/4/149第四十九页，讲稿共五十五页哦7.2.3 基于基于语义的推理的推理n基于基于语义网网络的推理也是的推理也是继承，承，继承通承通过匹配、搜索匹配、搜索实现。n推理步推理步骤n首先根据待求首先根据待求问题要求构造一个网要求构造一个网络片断片断n在知在知识库中中查找与之匹配的找与之匹配的语义网网络，当网，当网络片断中片断中询问部分与知部分与知识库中某网中某网络结构匹构匹配配时，则与与询问处匹配的事匹
29、配的事实就是就是问题的解。的解。n匹配的匹配的结果不一定是完全匹配，需考果不一定是完全匹配，需考虑匹配匹配的程度。的程度。2023/4/150第五十页，讲稿共五十五页哦 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_kind_of(苹果苹果，水果水果).taste(苹果苹果，甜甜).a_kind_of(富士富士，苹果苹果).intro_from(富士富士，日本日本).is_a(日本日本，亚洲国家洲国家).7.2.4 语义网网络的程序的程序语言言实现2023/4/151第五十一页，讲稿共五十五页哦也可以表示也可以表示为 arc(a_kind_of，苹果苹果，水果水果).arc(t
30、aste，苹果苹果，甜甜).arc(a_kind_of，富士富士，苹果苹果).arc(intro_from，富士富士，日本日本).arc(is_a，日本日本，亚洲国家洲国家).或者或者net1(a_kind_of(“苹果苹果”，“水果水果”)，taste(“苹果苹果”，“甜甜”)，a_kind_of(“秦冠秦冠”，“苹果苹果”)，produ_in(秦冠秦冠，陕西西).7.2.4 语义网网络的程序的程序语言言实现2023/4/152第五十二页，讲稿共五十五页哦语义网网络小小结n一种一种结构化的知构化的知识表示法表示法n把事物之把事物之间的属性以及事物的属性以及事物间的各种的各种语义联系系显式表式表现出来，下出来，下层节点可点可继承、承、新增、新增、变异异上上层节点的属性，从而点的属性，从而实现信息共享。信息共享。n缺点：推理缺点：推理规则不明了。不明了。2023/4/153第五十三页，讲稿共五十五页哦7.3 类与与对象象n结构化的表示方法，构化的表示方法，类似于框架。似于框架。n具有封装性，使知具有封装性，使知识表示更加模表示更加模块化。化。2023/4/154第五十四页，讲稿共五十五页哦The End！2023/4/155第五十五页，讲稿共五十五页哦