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1、第二章第二章 知识表示方法知识表示方法2023/5/11内容简介内容简介2.2 2.2 一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法2.3 2.3 产生式表示法产生式表示法2.4 2.4 框架表示法框架表示法2.6 2.6 面向对象表示法面向对象表示法62342.1 2.1 概述概述12.5 2.5 语义网络表示法语义网络表示法52023/5/112.1.1 2.1.1 知识知识知识是智能的基础知识是智能的基础知识是智能的基础知识是智能的基础 智能活动的过程就是获取并应用知识 人工智能对问题的求解是以知识为基础知识获取能力知识处理能力知识应用能力 如何将已有的知识以计算机内部代码的形式进行描述和存储，
2、以便利用知识就是知识表示知识表示需要解决的问题 什么是知识？将数字、字符串等关于客观事物的数量、属性等描述称“数据”；数据不等于数字，姓名、性别也是数据；数据是信息的载体和表示，信息是数据在特定场合下的含义，如“6”个人；知识是数据和信息的结合；2023/5/11知识的定义知识的定义 Feigenbaum Bernstein知识是经过削减、塑造、解释和转换的信息。简单地说，知识是经过加工的信息。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。从知识库的观点看，知识是某领域中所涉及的各有关方面的一种符号表示。总结：知识是把有关信息关联在一起形成的信息结
3、构例如：以如果则关联起来的信息2023/5/11知识要素知识要素 事实事实 规则规则有关问题环境的一些事物的知识，常以“是”的形式出现，表示静态的知识。有关问题中与事物的行动、动作相联系的因果关系知识，是动态的，常以“如果那么”形式出现。控制控制有关问题的求解步骤、技巧性知识，告诉怎么做一件事。元知识元知识有关知识的知识，是知识库中的高层知识。包括怎样使用规则，解释规则、校验规则、解释程序结构等知识。2023/5/11知识的特性知识的特性 相对正确性相对正确性 不确定性不确定性任何知识都只是在一定条件下产生的，只在一定条件下才是正确的：“以胖为美”;1+1=2;知识不只有真和假两种状态，也可能
4、具有很多不确定性的状态，因为信息可能是不精确的。知识的不确定性可能由随机、模糊、不完全性引起的。可表示性可表示性知识可以用适当形式表示出来，如使用语言、文字、图形；2023/5/11知识分类知识分类事实性知识事实性知识过程性知识过程性知识行为性知识行为性知识根据表达内容根据表达内容根据表达内容根据表达内容实例性知识实例性知识类比性知识类比性知识元知识元知识真理、常识性知识真理、常识性知识处理问题的方法，具有一定规律性处理问题的方法，具有一定规律性常表示为某种数学模型常表示为某种数学模型只给出实例，规律隐藏在其中只给出实例，规律隐藏在其中只给相似性的描述，不能完整刻画事物只给相似性的描述，不能完
5、整刻画事物关于知识的知识，用于寻找需要的知识关于知识的知识，用于寻找需要的知识2023/5/112.1.2 2.1.2 知识表示知识表示 知识需要合适的表示方式知识需要合适的表示方式任何国家民族都需要自己的语言文字来交流、记录知识；二进制使得数据可以在计算机中存储；需要研究人类智能在计算机上的表示方式，才能实现人工智能；2023/5/112.1.2 2.1.2 知识表示知识表示分类分类-根据表示与运用的关系划分根据表示与运用的关系划分陈述性知识表示陈述性知识表示：将知识表示与知识的运用分开处理，在表示知识时，并不涉及如何运用知识的问题，是一种静态的描述方法。如：语义网络优点：灵活简洁，只需存储
6、每个事实一次；缺点：工作效率低下，推理过程不透明；过程性知识表示过程性知识表示：将知识表示与知识的运用相结合，知识寓于程序中，是一种动态的描述方法。如：产生式系统 优点：推理过程直接、清晰，易于推理知识；缺点：表示不够严谨，知识交叉重叠，灵活性差；知识表示的定义知识表示的定义可看成是一组事物的约定，以把人类知识表示成机器能处理的数据结构。对知识进行表示的过程就是把知识编码成某种数据结构的过程。需要考虑知识的存储与使用2023/5/11选取知识表示的因素选取知识表示的因素l表示知识的范围是否广泛l是否适于推理l是否适于计算机处理l是否有高效的求解算法l能否表示不精确知识自然界许多知识都是不精确的
7、，对确定性方法有时需要加入不确定性度量l能否在同一层次上和不同层次上模块化只具有全局知识库无疑不够灵活l知识和元知识能否用统一的形式表示l是否适合于加入启发信息l过程性表示还是说明性表示l表示方法是否自然自然与效率常是矛盾的，如PROLOG与VC的区别；2023/5/112.2 2.2 一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法一种重要的知识表示方法，它以数理逻辑一种重要的知识表示方法，它以数理逻辑为基础，是到目前为止能够表达人类思维为基础，是到目前为止能够表达人类思维和推理的一种最精确的形式语言。它的表和推理的一种最精确的形式语言。它的表现方式和人类自然语言非常接近，它能够现方式和人类自然语言非常
8、接近，它能够被计算机作精确推理。被计算机作精确推理。一阶谓词逻一阶谓词逻一阶谓词逻一阶谓词逻辑表示法辑表示法辑表示法辑表示法2023/5/112.2.1 2.2.1 知识的谓词逻辑表示法知识的谓词逻辑表示法用谓词公式既可表示事物的状态、属性和概念等事实性的知识，也可表示事物间具有因果关系的规则性知识。用谓词公式用谓词公式表示知识的表示知识的一般步骤一般步骤2.根据所要表达的根据所要表达的事物或概念，为事物或概念，为每个谓词中的变每个谓词中的变元赋以特定的值。元赋以特定的值。1.定义谓词及个体，定义谓词及个体，确定每个谓词及确定每个谓词及个体的确切含义。个体的确切含义。3.根据所要表达的根据所要
9、表达的知识的语义，用知识的语义，用适当的连接符将适当的连接符将各个谓词连接起各个谓词连接起来形成谓词公式。来形成谓词公式。2023/5/11谓词公式谓词公式u连词连词非连词或连词：用连接两个命题称为析取析取。与连词：用连接两个命题称为合取合取。蕴合连词：它表示“如果P，则Q”，其中P称为前件，Q称为后件。量量词词全称量词（x）：表示对个体域 X 中的所有（或任一个）个体 x。存在量词（x）：表示在个体域X中存在个体 x。2023/5/11由下述规则得到的谓词公式称为合式公式合式公式：单个谓词和单个谓词的否定称为原子谓词公式，原子谓词公式是合式公式。若A是合式公式，则A也是合式公式。若A、B都是
10、合式公式，则AB、AB、AB也都是合式公式。若A是合式公式，x 是任一个体变元，则(x)A和(x)A也都是合式公式。在合式公式中，连词的优先级别依序为：，2023/5/11谓词公式的解释在命题逻辑中，对命题公式中各个命题的一次真值指派称为命题公式的一个解释解释。一个谓词公式的解释可能有很多个。对于每一个解释，谓词公式都可求出一个真值（T或F）。2023/5/112.2.2 2.2.2 谓词逻辑表示知识举例谓词逻辑表示知识举例用谓词逻辑表示下列知识：武汉是一个美丽的城市，但她不是一个沿海城市。如果马亮是男孩，张红是女孩，则马亮比张红长得高。例例2.2.12.2.1第一步第一步第二步第二步第三步第
11、三步定义谓词如下：BCity(x)：x是一个美丽的城市 HCity(x)：x是一个沿海城市Boy(x):x是男孩 Girl(x):x是女孩 High(x,y):x比y长得高根据语义，用逻辑连接符连接BCity(wuhan)HCity(wuhan)(Boy(mal)Girl(zhangh)High(mal,zhangh)将个体代入谓词中，得到 BCity(wuhan),HCity(wuhan),Boy(mal),Girl(zhangh),High(mal,zhangh)2023/5/11例：用谓词公式表示下列知识自然数是大于零的整数。所有整数不是偶数就是奇数。偶数除以2是整数。2023/5/11
12、（1）定义谓词 N(x)表示 x 是自然数 I(x)表示 x 是整数 E(x)表示 x 是偶数 O(x)表示 x 是奇数 GZ(x)表示 x 大于零 S(x)表示 x 除以2（2）谓词公式知识表示 (x)(N(x)GZ(x)I(x)自然数是大于零的整数 (x)(I(x)E(x)O(x)所有整数不是偶数就是奇数 (x)(E(x)I(S(x)偶数除以2是整数2023/5/112.2.32.2.3一阶谓词逻辑表示法特点一阶谓词逻辑表示法特点优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点严密性严密性易于实现易于实现知识易表达知识易表达通用性通用性自然性自然性效率低效率低灵活性差灵活性差组合爆炸组合爆炸返回返回只能表
13、达确定的知识只能表达确定的知识2023/5/112.3 2.3 产生式表示法产生式表示法 1943年年E.Post第一次提出称为第一次提出称为“Post机机”的计算的计算模型（模型（计算理论计算理论）一种描述形式语言的语法又称为产生式规则一种描述形式语言的语法又称为产生式规则表示法，它和图灵机有相同的计算能力。目表示法，它和图灵机有相同的计算能力。目前产生式表示法已成为人工智能中应用最多前产生式表示法已成为人工智能中应用最多的一种知识表示方法。的一种知识表示方法。产生式知识产生式知识产生式知识产生式知识表示方法表示方法表示方法表示方法19721972年纽厄尔和西蒙在研究人类知识模型开发年纽厄尔
14、和西蒙在研究人类知识模型开发了基于规则的产生式系统。了基于规则的产生式系统。2023/5/112.3.1 2.3.1 产生式的基本形式产生式的基本形式产生式通常用于表示具有因果关系的知识，其基本形式是产生式通常用于表示具有因果关系的知识，其基本形式是PQ 或或 IF P THEN Q其中，其中，P是产生式的前提或条件，用于指出该产生式是否是是产生式的前提或条件，用于指出该产生式是否是可用的条件；可用的条件；Q是一组结论或动作，用于指出该产生式的前是一组结论或动作，用于指出该产生式的前提条件提条件P P被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。P和和Q都
15、可以是一个或一组数学表达式或自然语言。都可以是一个或一组数学表达式或自然语言。谓词逻辑中的蕴含式与产生式的差别：谓词逻辑中的蕴含式与产生式的差别：蕴含式只能表示精确知识；产生式可以表示精确知识，也可以表蕴含式只能表示精确知识；产生式可以表示精确知识，也可以表示不精确知识。示不精确知识。蕴含式要求匹配是精确的；产生式匹配可以是精确的，也可以是蕴含式要求匹配是精确的；产生式匹配可以是精确的，也可以是不精确的；可以按某种确信度进行匹配。不精确的；可以按某种确信度进行匹配。可以把蕴含式看出产生式的一个特例可以把蕴含式看出产生式的一个特例2023/5/112.3.2 2.3.2 产生式表示知识方法产生式
16、表示知识方法确定性和不确定性规则知识的产生式表示确定性和不确定性规则知识的产生式表示确定性和不确定性规则知识的产生式表示确定性和不确定性规则知识的产生式表示确定性规则知识确定性规则知识 可用前面介绍的产生式的基本形式表示即可。不确定性规则知识不确定性规则知识 用如下形式表示 PQ（可信度）或者 IF P THEN Q （可信度）其中，P是产生式的前提或条件，用于指出该产生式是否是可用的条件；Q是一组结论或动作，用于指出该产生式的前提条件P被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。2023/5/112.3.2 2.3.2 产生式表示知识方法产生式表示知识方法确定性和不确定性事实性知识的产生式表示
17、确定性和不确定性事实性知识的产生式表示确定性和不确定性事实性知识的产生式表示确定性和不确定性事实性知识的产生式表示 确定性事实性知识确定性事实性知识 一般使用三元组的形式表示如下（对象，属性，值）或（关系，对象1，对象2）例如：（Lee，Age，35）；(Friend,Lee,Zhang)不确定性不确定性事实性知识事实性知识 一般用四元组的形式表示如下（对象，属性，值，不确定度量值）或（关系，对象1，对象2，不确定度量值）例如：（Lee，Age，35,0.9）；(Friend,Lee,Zhang,0.2)2023/5/112.3.32.3.3产生式系统的组成产生式系统的组成产生式系统通常由规则
18、库、数据库和推理机这产生式系统通常由规则库、数据库和推理机这3 3个个基本部分组成。基本部分组成。推理机推理机推理机推理机规则库规则库规则库规则库数据库数据库数据库数据库产生式系统的基本结构产生式系统的基本结构一组产生式在一起互相配合，协同作用，一个产一组产生式在一起互相配合，协同作用，一个产生式生成的结论可以作为另一个产生式的前提，生式生成的结论可以作为另一个产生式的前提，以获得问题的解决，这样的系统为产生式系统。以获得问题的解决，这样的系统为产生式系统。2023/5/112.3.32.3.3产生式系统的组成产生式系统的组成产生式系统产生式系统用于描述某领域内知识的用于描述某领域内知识的产生
19、式集合，是某领域知产生式集合，是某领域知识（规则）的存储器。识（规则）的存储器。用来存放输入事实、用来存放输入事实、外部数据库输入的外部数据库输入的事实以及中间结果事实以及中间结果和最后结果。和最后结果。由一组程序组成，由一组程序组成，用来控制协调规则用来控制协调规则库与数据库的运行，库与数据库的运行，包含了推理方式和包含了推理方式和控制策略。控制策略。规则库规则库数据库数据库推理机推理机当某个事实符合当某个事实符合规则库中规则的规则库中规则的前提，该规则被前提，该规则被激活，相应的结激活，相应的结论放在数据库中论放在数据库中2023/5/11规则库：产生式的集合是产生式系统的基础包含的知识要
20、完整、一直，表达灵活准确；构建规则库时，应对知识进行合理组织管理；数据库：包含已知事实包含的知识是动态变化的；已知事实常用字符串、向量、矩阵等数据结构表示；2023/5/11推理机的工作：（1）按一定的策略从规则库中选择规则选择规则，并与综合数据库中的已知事实进行匹配进行匹配。（2）当发生冲突冲突（即匹配成功的规则不止一条）时，调用相应的冲突解决策略予以消解。（3）在执行某条规则时，若该规则的右部是一个或多个结论，则把这些结论加到综合数据库中把这些结论加到综合数据库中；若规则的右部是一个或多个操作，则执行这些操作执行这些操作。（4）对于不确定性知识不确定性知识，在执行每一条规则时，还要按一定的
21、算法计算结论的可信度。（5）随时掌握结束产生式系统运行的时机，以便在在适当的时候停止系统的运行适当的时候停止系统的运行。2023/5/11动物识别系统动物识别系统 该系统可以识别老虎、金钱豹、斑马、长颈鹿、企鹅、信天翁这该系统可以识别老虎、金钱豹、斑马、长颈鹿、企鹅、信天翁这6种动物。种动物。其规则库包含如下其规则库包含如下15条规则：条规则：r1 IF 该动物有毛发该动物有毛发 THEN 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 r2 IF 该动物有奶该动物有奶 THEN 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物r3 IF 该动物有羽毛该动物有羽毛 THEN 该动物是鸟该动物是鸟r4 IF 该动物会飞该动物
22、会飞 AND 会下蛋会下蛋 THEN 该动物是鸟该动物是鸟r5 IF 该动物吃肉该动物吃肉 THEN 该动物是食肉动物该动物是食肉动物r6 IF 该动物有犬齿该动物有犬齿 AND 有爪有爪 AND 眼盯前方眼盯前方 THEN 该动物是食肉动物该动物是食肉动物r7 IF 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 AND 有蹄有蹄 THEN 该动物是有蹄类动物该动物是有蹄类动物r8 IF 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 AND 是嚼反刍动物是嚼反刍动物 THEN 该动物是有蹄类动物该动物是有蹄类动物r9 IF 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 AND 是食肉动物是食肉动物 AND 是黄褐色是黄褐色 AN
23、D 身上有暗斑点身上有暗斑点 THEN 该动物是金钱豹该动物是金钱豹2023/5/11r10 IF 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 AND 是食肉动物是食肉动物 AND 是黄褐色是黄褐色 AND 身上有黑色条纹身上有黑色条纹 THEN 该动物是虎该动物是虎r11 IF 该动物是有蹄类动物该动物是有蹄类动物 AND 有长脖子有长脖子 AND 有长腿有长腿 AND 身上有暗斑点身上有暗斑点 THEN 该动物是长颈鹿该动物是长颈鹿r12 IF 动物是有蹄类动物动物是有蹄类动物 AND 身上有黑色条纹身上有黑色条纹 THEN 该动物是斑马该动物是斑马r13 IF 该动物是鸟该动物是鸟 AND 有长脖
24、子有长脖子 AND 有长腿有长腿 AND 不会飞不会飞 AND 有黑白二色有黑白二色 THEN 该动物是鸵鸟该动物是鸵鸟r14 IF 该动物是鸟该动物是鸟 AND 会游泳会游泳 AND 不会飞不会飞 AND 有黑白二色有黑白二色 THEN 该动物是企鹅该动物是企鹅r15 IF 该动物是鸟该动物是鸟 AND 善飞善飞 THEN 该动物是信天翁该动物是信天翁 其中，其中，ri(i=1,2,.,15)是规则的编号是规则的编号 初始综合数据库包含的事实有：初始综合数据库包含的事实有：动物有暗斑点，有长脖子，有长腿，有奶，有蹄动物有暗斑点，有长脖子，有长腿，有奶，有蹄 2023/5/11图中最上层的结点
25、称为图中最上层的结点称为“假设假设”或或“结论结论”中间结点称为中间结点称为“中间假设中间假设”；终结点称为终结点称为“证据证据”或或“事实事实”；每个每个“结论结论”都是本问题的一个目标，所有都是本问题的一个目标，所有“假设假设”构成了本问题的目标构成了本问题的目标集合集合长颈鹿长颈鹿斑马斑马长脖子长脖子长腿长腿暗斑点暗斑点有蹄类有蹄类黑条纹黑条纹有蹄有蹄哺乳动物哺乳动物嚼反刍动物嚼反刍动物有毛有毛r2r7r8r11r12有奶有奶r1该例子的部分推理网络如下：该例子的部分推理网络如下：2023/5/11系统的推理过程系统的推理过程 (1)先从规则库中取出第一条规则先从规则库中取出第一条规则r
26、1，检查其前提是否可与综合数据库中的已知事实，检查其前提是否可与综合数据库中的已知事实相匹配。相匹配。r1的前提是的前提是“有毛发有毛发”，但事实库中无此事实，故匹配失败。然后取，但事实库中无此事实，故匹配失败。然后取r2，该前提可与已知事实该前提可与已知事实“有奶有奶”相匹配，相匹配，r2被执行，并将其结论被执行，并将其结论“该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物”作为新的事实加入到数据库中。此时，数据库的内容变为：作为新的事实加入到数据库中。此时，数据库的内容变为：动物有暗斑，有长脖子，有长腿，有奶，有蹄，动物有暗斑，有长脖子，有长腿，有奶，有蹄，是哺乳动物是哺乳动物 (2)再从规则库中取再从规
27、则库中取r3，r4，r5，r6进行匹配，均失败。接着取进行匹配，均失败。接着取r7，该前提与已知事实，该前提与已知事实“是哺乳动物是哺乳动物”相匹配，相匹配，r7被执行，并将其结论被执行，并将其结论“该动物是有蹄类动物该动物是有蹄类动物”作为新的作为新的事实加入到数据库中。此时，数据库的内容变为：事实加入到数据库中。此时，数据库的内容变为：动物有暗斑，有长脖子，有长腿，有奶，有蹄，动物有暗斑，有长脖子，有长腿，有奶，有蹄，是哺乳动物，是有蹄类动物是哺乳动物，是有蹄类动物 (3)此后，此后，r8，r9，r10均匹配失败。接着取均匹配失败。接着取r11，该前提，该前提“该动物是有蹄类动物该动物是有
28、蹄类动物 AND 有长脖子有长脖子 AND 有长腿有长腿 AND 身上有暗斑身上有暗斑”与已知事实相匹配，与已知事实相匹配，r11被执行，并推被执行，并推出出“该动物是长颈鹿该动物是长颈鹿”。由于。由于“长颈鹿长颈鹿”已是目标集合中的一个结论，即已推出最已是目标集合中的一个结论，即已推出最终结果，故问题求解过程结束。终结果，故问题求解过程结束。说明：上述规则仅是一种直接表示方式，用三元组表示说明：上述规则仅是一种直接表示方式，用三元组表示r15如下：如下：r15：IF（动物，类别，鸟）（动物，类别，鸟）AND（动物，本领，善飞）（动物，本领，善飞）THEN（动物，名称，信天翁）（动物，名称，信天翁）初始综合数据库包含的事实有：动物有暗斑点，有长脖子，初始综合数据库包含的事实有：动物有暗斑点，有长脖子，有长腿，有奶，有蹄有长腿，有奶，有蹄2023/5/11