人工智能与知识工程知识表示ppt课件.ppt

1,2.1 知识与知识表示的概念2.2 状态空间法2.3 问题规约法2.4 谓词逻辑法2.5 语义网络法2.6 框架表示法2.7 剧本表示法2.8 过程表示法2.9 面向对象表示法2.10 小结,2知识表示方法,2,2.5语义网络法,2.5.1 语义网络的基本概念2.5.2 语义网络的知识表示方法2.5.3 语义网络的推理过程2.5.4 语义网络的特点,3,2.5.1语义网络的基本概念,语义网络是J.R.Quillian 1968年在研究人类联想记忆时提出的一种心理学模型，他认为记忆是由概念间的联系实现的。随后，J.R.Quillian又把它用作知识表示。1972年，西蒙在他的自然语言理解系统中也采用了语义网络表示法。1975年，G .G .Hendrix 又对全称量词的表示提出了语义网络分区技术。目前，语义网络已经成为人工智能中应用较多的一种知识表示方法，尤其是在自然语言处理方面的应用。,4,2.5.1语义网络的基本概念(续),语义网络：是一种用结点和弧来表达实体之间语义关系的有向图，是知识的一种结构化图解表示。其中结点: 实体、事物、概念、属性、事件，情况等弧线用于表示结点间的语义关系 语义网络的组成词法部分：决定表示词汇表中允许哪些符号，这涉及各个节点和弧线。结构部分：叙述符号排列的约束条件，指定各弧线连接的节点对。过程部分：说明访问过程，这些过程能用来建立和修正描述以及回答相关问题。语义部分：确定与描述相关的（联想）意义的方法即确定有关节点的排列及其占有物和对应弧线,5,2.5.1语义网络的基本概念(续),6,2.5.1语义网络的基本概念(续),例：所有的燕子都是鸟。 小燕是一只燕子。 鸟有翅膀。,7,2.5.1语义网络的基本概念(续),语义网络与谓词逻辑有相似的表示能力。（结点1，弧，结点2）（个体1, 个体2）一个语义基元相当于一个二元谓词。谓词逻辑中的个体也就是语义网络中关心的实体。弧及其上的关系相关于谓词的意义。例：以上例子的谓词表示Color (snow, white) Age (Li Lee, 22)ISKINDOF (燕子，鸟) Bird(燕子),8,2.5.1语义网络的基本概念(续),从功能上说，语义网络可以描述任何事物间的任意复杂关系。从一些基本的语义关系组合成任意复杂的语义关系是可行的。 基本的语义关系 类属关系 包含关系 属性关系 位置关系 相近关系 推论关系,9,基本的语义关系,类属关系指具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。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。 A-Kind-of(子集) A-Member-of Is-a,10,基本的语义关系（续）,包含关系（聚类关系）指具有组织中结构特征的“部分与整体”之间的关系。Part-of,11,基本的语义关系（续）,属性关系指事物和其属性之间的关系,如具有某种属性，有某种能力等。Have Can,12,基本的语义关系（续）,时间关系指不同事件在其发生时间方面的先后次序关系。Before After,13,基本的语义关系（续）,位置关系指不同事物在物理位置方面的关系。Located-at Located-on Located-underLocated-inside Located-outside,14,基本的语义关系（续）,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。 Similar-to Near-to,15,基本的语义关系（续）,推论关系指从一个概念推出另一个概念的语义关系。在实际的应用中可选择以上通用的基本语义关系，也可根据具体实体关系来自己定义新的关系。,16,2.5.2语义网络的知识表示方法,一元关系的语义网络表示是指用一元谓词P (x)表示的关系二元关系的语义网络表示是指用二元谓词P (x, y)表示的关系多元关系的语义网络表示是指用多元谓词P (x1, x2, )表示的关系,17,一元关系的语义网络表示,一元关系：实体的性质、属性等STUDENT(Li Ming) FLY(Bird) SHINE(sun)表示方法：用结点1表示实体，用结点2表示实体的性质或属性等，用弧表示结点1和结点2之间的语义关系。,18,二元关系的语义网络表示,19,二元关系的语义网络表示（续）,例：我椅子的颜色是咖啡色的；椅子包套是皮革；椅子是一种家具；椅子的所有者是；X是个人。,20,多元关系的语义网络表示,多元关系1. 常河给了江涛一张磁盘GIVE (常河, 江涛, 一张磁盘)2. 北京大学和清华大学两校篮球队在北大进行的一场比赛的比分是85比89。GAME (北京大学,清华大学,北京大学, 85:89)3. 小燕子这只燕子从春天到秋天占有一个巢OCCUPATION (小燕子,春天,秋天,巢),21,多元关系的语义网络表示（续）,表示方法：通过增加关系结点、动作结点、事件结点或情况结点等的方法把多元关系转化为多个二元关系。例：常河给了江涛一张磁盘GIVE (常河, 江涛, 一张磁盘)常河、江涛、一张磁盘之间找不到一个可以把三者都联系起来的关系或实体。考虑增加结点使得各实体与此结点都能建立联系，形成网络：动作结点（给）或事件结点（给予事件）,22,多元关系的语义网络表示（续）,带动作结点的语义网络表示方法,23,多元关系的语义网络表示（续）,带事件结点的语义网络表示方法,24,多元关系的语义网络表示（续）,北京大学和清华大学两校篮球队在北大进行的一场比赛的比分是85比89。添加事件结点BGTB表示这场特定的比赛，将有关比赛的信息联系起来,25,多元关系的语义网络表示（续）,小燕子这只燕子从春天到秋天占有一个巢OCCUPATION (小燕子,燕子,春天,秋天,巢),26,多元关系的语义网络表示（续）,例：海浪把战舰轻轻的摇。,27,多元关系的语义网络表示（续）,28,多元关系的语义网络表示（续）,同一命题可以按知识的详细程度及范围选择不同的结点类型和个数，构成不同的语义网络结构。在选择结点时，要弄清结点是用于表示基本的物体或概念的，或是用于其它目的的动作、情况、事件等用于联系或扩大知识范围的结点。适当的选用能够合并多个子网，扩大知识范围的结点，使问题简化。,29,多元关系的语义网络表示（续）,例：我的汽车是红色的。李华的汽车是绿色的。,30,2.5.3语义网络的推理过程,符号规定:值结点: 链尾部的节点称为值结点。槽: 将结点的链称为槽.语义网络的推理过程是通过继承和匹配实现的，问题求解时，先构造由语义网络组成的知识库和语义网络推理机，再根据待求问题的要求构造一个网络片断，然后依此网络片断到知识库找可匹配的网络，如果匹配，所匹配的事实就是问题的解。继承：是指把对事物的描述从概念结点或类结点传递到实例结点。匹配：就是在知识库的语义网络中寻找与待求解问题相符的语义网络模式。,31,继承,例：已知事实：李华的汽车是红色的。通过结点关系可知，李华的汽车继承了所有汽车具有的属性。,32,继承（续）,三种继承过程:(1) 值继承: ISA链, A-Kind-Of链(2) “如果需要”继承: 在不知道槽值时, 可以利用已知信息计算例: 根据体积和物质的密度计算积木的重量。(3) “缺省”继承: 当对事物所作的假设不是十分有把握时, 最好对所作的假设加上“可能”这样的字眼。宝石可能是很昂贵的，但不一定是。把这种具有相当程度的真实性，但又不能十分肯定的值称为“缺省”值。,33,匹配,对于针对语义网中的某个或某些概念提出的问题，通过语义网络的匹配来回答。何时，何地，做什么，谁做，x是什么，什么是x，x的原因，x的目的， 求证等。匹配主要过程为：根据问题的要求构造网络片断，该网络片断中有些结点或弧为空，标记待求解的问题；根据该语义片断在知识库中寻找相应的信息；当待求解的语义网络片断和知识库中的语义网络片断相匹配时，则与询问处（也就是待求解的地方）相匹配的事实就是问题的解。,34,匹配（续）,例：海浪把战舰轻轻地摇海浪在轻轻摇什么？怎么摇动？摇动是什么意思？,35,匹配（续）,例：海浪在轻轻摇什么？ 问题语义网络表示：,36,匹配（续）,匹配的语义网络片段,37,2.5.4语义网络的特点,(1) 能把实体的结构、属性与实体间的因果关系显式地和简明地表达出来，与实体相关的事实、特征和关系可以通过相应的节点弧线推导出来。这样便以联想方式实现对系统的解释。(2) 由于与概念相关的属性和联系被组织在一个相应的节点中，因而使概念易于受访和学习。(3) 表现问题更加直观，更易于理解，适于知识工程师与领域专家沟通。(4) 语义网络结构的语义解释依赖于该结构的推理过程而没有结构的约定，因而得到的推理不能保证像谓词逻辑法那样有效。(5) 节点间的联系可能是线状、树状或网状的，甚至是递归状的结构，使相应的知识存储和检索可能需要比较复杂的过程。,38,2.6框架表示法,2.6.1 框架理论2.6.2 框架和实例框架2.6.3 框架系统2.6.4 框架系统的问题求解过程,39,2.6.1框架理论,1975年，Minsky根据人们在理解情景、故事时提出的心理学模型，在论文“A Framework for representing knowledge”中提出了框架理论，尽管只是思想方法而非具体实现，但还是引起了学术界的重视。框架理论：人们对现实世界各种事物的认识都是以一种类似于框架的结构存储在记忆中的。当遇到新事物时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据新的情况对其加以修改、补充，从而形成对这个新事物的认识，称为实例框架框架是知识的基本单位，一组相关框架连接起来便可形成一个框架系统。,40,2.6.2框架和实例框架,框架是由若干结点和关系（统称为槽）构成的网络，是语义网络一般化的形式，与后者没有本质的差别。它是表示某一类情景的结构化的一种数据结构，框架的最顶层是固定的一类事物，基于概念的抽象程度表现出自上而下的分层结构。框架由框架名和一些槽组成，每个槽可以拥有若干个侧面，而每个侧面又可以拥有若干个值 。框架的基本结构 约束：约束条件1 约束条件2 约束条件n,41,2.6.2框架和实例框架（续）,框架名：公修课：专业课：学术活动：时间安排：单位（学期号） 活动形式：范围（参加会议，学术考察） 默认：参加会议 获学分C3：单位（整型数） 默认：C3=0教学实践：时间安排：单位（学期号） 实践形式：范围(讲课，辅导) 默认：辅导条件：C=C1+C2+C3+=35,42,2.6.2框架和实例框架（续）,实例框架：把具体信息填入其槽或侧面。框架名：公修课：专业课：学术活动：时间安排：7活动形式：参加会议获学分C3：2教学实践：时间安排：8实践形式：辅导,43,2.6.3框架系统,框架系统：多个相互联系的框架组织起来就形成了框架系统。基本结构：横向或纵向联系横向联系：一个框架的槽值或侧面值是另外一个框架的名字，即对另一个框架的调用。纵向联系：具有继承关系的框架之间构成纵向联系。,44,2.6.3框架系统（续）,框架名：姓名：单位（姓，名）性别：范围（男，女）默认：男年龄：单位（岁）住址：单位（楼号，房间号）电话：单位（区号），话机号）入学时间：单位（年，月）学制：单位（年）,45,2.6.3框架系统（续）,框架名：继承：学籍：研究方向：单位（方向名）导师姓名：单位（姓，名）参加课题：范围（国家级,省部级,其它）默认：国家级学位论文：单位（论文题目）默认：题目未定,46,2.6.4框架系统的问题求解过程,继承通过继承关系求得新事物的其它属性。匹配将待求解问题表示成框架，待求解答案的槽值或侧面值为空。在框架系统中寻找与求解问题框架匹配的框架。通过匹配框架的槽值或侧面值推出问题答案。,47,2.6.4框架系统的问题求解过程（续）,例：从学生的框架系统中找出一个满足条件的硕士生条件：女性，年龄25岁以下，专业为计算机应用技术，研究方向为人工智能。框架名：姓名：年龄：25性别：女专业：计算机应用技术研究方向：人工智能,48,2.6.4框架系统的问题求解过程（续）,框架系统中的框架：框架名：继承：姓名：柳青性别：女年龄：23研究方向：人工智能,问题框架：框架名：姓名：年龄：25性别：女专业：计算机应用技术研究方向：人工智能,49,学生框架系统,50,2.6.4框架系统的问题求解过程（续）,框架名：继承：专业：范围（计算机应用技术，计算机软件及理论）默认：计算机应用技术使用计算机：单位（计算机型号）,51,2.6.4框架系统的问题求解过程（续）,继承性是框架最重要的特性。为了很好的表达这个特性，一个框架系统常常被表达为树形结构。树的每个结点也是一个框架结构，子结点和父结点之间通过Isa关系或AKindOf关系连接。当子结点的某些槽值或侧面没有被直接记录时，可以从父结点继承这些值。这样表达的另一个好处就是，相同的信息不必重复存储，节省了空间。,52,2.7剧本表示法,2.7.1 剧本基本概念2.7.2 剧本的结构2.7.3 剧本的推理2.7.4 剧本表示法的特点,53,2.7.1剧本的概念,剧本表示法是Schank基于概念依赖理论在1975年提出来的，是框架的一种特殊形式，它由一组槽组成，用来描述特定范围内的一些事件的发生序列，就像剧本中的事件序列一样，故成为“剧本”或“脚本”。,54,2.7.2剧本的结构,进入条件：给出在剧本中所描述事件的前提条件；角色：是一些用来表示在剧本所描述事件中可能出现的有关人物的槽；道具：是一些用来表示在剧本所描述事件中可能出现的有关物体的槽；场景：用来描述事件发生的真实顺序；结果：给出在剧本所描述事件发生以后所产生的结果。,55,2.7.2剧本的结构（续）,例1：餐厅剧本：（1）进入条件 顾客饿了，需要进餐 顾客有足够的钱（2）角色顾客，服务员，厨师，老板。（3）道具食品，桌子，菜单，钱。,（4）场景场景1：进入 顾客进入餐厅； 寻找桌子； 在桌子旁坐下。场景2：点菜 服务员给顾客菜单； 顾客点菜； 顾客把菜单还给服务员 顾客等待服务员送菜,56,2.7.2剧本的结构（续）,场景3：等待服务员告诉厨师顾客所点的菜；厨师做菜，顾客等待。场景4：吃厨师把做好的菜给服务员服务员把菜送给顾客；顾客吃菜。,场景5：离开 服务员拿来账单； 顾客付钱给服务员； 顾客离开餐厅。（5）结果 顾客吃了饭，不饿了； 顾客花了钱； 老板赚了钱； 餐厅食品少了。,57,2.7.3剧本的推理,预测推理：建立剧本后，对于给定的事件，通过剧本可以对事件没有明显给出的信息进行预测，对于在事件中提到的各个子事件，通过剧本可以给出它们之间的联系。例2：有情节：“昨晚，何雨到了餐厅，他订了鱼香肉丝、大米。当他要付款时发现没钱了。因为开始下雨了，所以他赶快回家了。”问：“昨晚，何雨吃饭了吗？”答：吃了！,58,2.7.3剧本的推理（续）,推理的依据：剧本所描述的事件是一个因果链。当初始条件满足时，剧本中的事件才能开始，剧本中的事件序列是依次发生的，因而，如果可以通过不相邻的两个事件的发生预测它们之间可能发生的事件。例3：进了餐厅订了鱼香肉丝、大米付款,59,2.7.3剧本的推理（续）,一旦一个典型的事件被中断，也就是给定情节中的某个事件与剧本中的事件不能对应时，则剧本便不能预测被中断以后的事件了。 例4：“何雨进了餐厅，他被带到餐桌旁，订了一大盘鱼香肉丝和大米之后，他坐在那里等了许久。于是生气地走了。”问：“何雨吃没吃饭？”问：“何雨看了菜单没？”进了餐厅订了鱼香肉丝、大米,60,2.7.4剧本表示法的特点,呆板，不利于表达多样性知识知识表示的范围比较窄利于表达预先构思好的特定知识主要应用在自然语言理解方面,61,2.8过程表示法,2.8.1 表示知识的方法2.8.2 过程表示的问题求解过程2.8.3 过程表示的特性,62,2.8.1 表示知识的方法,陈述性知识表示:谓词逻辑、产生式、语义网络、框架、剧本知识是静态的，显式描述知识和知识的运用是分离的知识库和控制策略及推理机制过程性知识表示：知识和使用知识的方法均隐含在问题的求解过程中。以程序来表示知识，把知识寓于程序之中；知识库即是一组程序的集合。表现为问题求解的具体过程。知识表示和知识的运用结合起来。知识的描述形式取决于具体问题，没有固定的形式。,63,2.8.2 过程表示的问题求解过程,例：八数码问题，给出一种求解该问题的过程式描述。用一个33的方格阵来表示该问题的一个状态，为叙述上的方便，用ai来标记这9个方格,64,2.8.2 过程表示的问题求解过程（续）,当任意给定一初始状态后，求解该问题的过程如下：(1) 首先移动棋牌，使得棋子1和空格均不在位置c上。(2) 依次移动棋牌，使得空格位置沿图(a)所示的箭头方向移动，直到棋子1位于a为止。(3) 依次移动将牌，使得空格位置沿图(b)所示的箭头方向移动，直到数码2位于b为止。若这时刚好数码3在位置c，则转(6)。,65,2.8.2 过程表示的问题求解过程（续）,(4) 依次移动将牌，使得空格位置沿图 (c)所示的箭头方向移动，直到数码3位于e为止。这时空格刚好在位置d。经过以上4步，得到的状态如左图(a)所示。其中“”表示除空格以外的任何将牌。(5) 依次移动将牌，使得空格位置沿图 (d)所示的箭头方向移动，直到空格又回到了d为止。此时状态左图(b)所示。(6) 依次移动将牌，使得空格位置沿图 (e)所示的箭头方向移动，直到数码4在位置f为止。若这时刚好数码5在位置i则转(9)。,66,2.8.2 过程表示的问题求解过程（续）,(7) 依次移动将牌，使得空格位置沿图 (f)所示的箭头方向移动，直到数码5位于e为止。这时空格刚好在位置d。(8) 依次移动将牌，使得空格位置沿图 (g) 所示的箭头方向移动，直到空格又回到位置d为止。(9) 依次移动将牌，使得空格位置沿图(h)所示的箭头方向移动，直到数码6在位置h为止，若这时数码7、8分别在位置g和d，则问题得解，否则，说明由所给初始状态达不到所要求的目标状态。,67,八数码问题实例,可以看出，这样得到的解路显然不是最佳的，但是按这样的一种过程编写的计算机程序具有非常高的求解效率。知识的修改就是对程序的修改，也是对求解过程的修改。如变为四阶的问题。缺点是不易添加新知识，对一个过程的修改可能会波及另一个过程，给系统的维护带来不便。,68,2.8.3 过程表示的特性,优点：表示效率高：利于问题解决控制系统容易实现缺点：缺点是不易添加新知识，对一个过程的修改可能会波及另一个过程，给系统的维护带来不便。,69,2.9面向对象表示法,Prolog（PROgramming in LOGic）采用的是用逻辑方法作程序设计的思想，它把一阶谓词演算中的说明性命题赋予过程性的解释，从而使说明性的命题变成可执行的过程。SMALLTALK是面向对象的程序设计语言中的主要代表。它由Alan Kay设计出来。整个系统包含四个组成部分：语言核心，编程风范，编程系统和界面模型。SmallTalk程序以面向对象为基础，对象组织成类，凡是能被计算机处理的数据都可以定义为对象。类构成继承的层次体系，每个类可以包含一些方法，这些方法可以被子类继承也可以不被继承，类之间的操作通过传递消息实现。,70,2.9面向对象表示法（续）,面向对象方法强调客观世界中事物与事物之间的关系，因此采用面向对象的知识表示方法比较接近人类的思维方式。基本原则： 一切事物都是对象；任何系统都是由对象构成的，系统本身也是对象；系统的发展和进化过程都是由系统的内部对象和外部对象之间（也包括内部对象与内部对象之间）的相互作用完成的。,71,2.9面向对象表示法（续）,对象是由一组数据和与该组数据相关的操作构成的实体。在面向对象表示中类和类继承是一组重要概念。类由一组变量和一组操作组成，它描述了一组具有相同属性和操作的对象。每一个对象都属于某一类，每个对象都可由相关的类生成，换言之，对象是类的实例。一个类可以通过继承拥有另一类的全部变量和操作，继承是面向对象表示法的主要推理形式。由于一个事物的描述都集中在一个类中，又体现了类的封装性。继承和封装是面向对象的两大特点。,72,2.9面向对象表示法（续）,与语义网络、框架表示法的比较语义网络、框架和面向对象的方法都是结构化的知识表示方法，而面向对象 表示是其中最结构化的知识表示方法。语义网络的主要优点是灵活性，网络中的节点和有向弧可以按规定不加限制的定义，这种灵活性在面向对象的方法中不仅存在，而且可以动态建立。（动态语义网络）语义网络的缺点是难于系统的开发和维护，节点增加、管理复杂。面向对象方法的封装性克服了这一点。结构上适合大型知识系统的开发和维护。,73,2.10小结,状态空间法是一种基于解答空间的问题表示和求解方法，它是以状态和操作符为基础的。在利用状态空间图表示时，从某个初始状态开始，每次加一个操作符，递增地建立起操作符的试验序列，直到达到目标状态为止。由于状态空间法需要扩展过多的节点，容易出现“组合爆炸”，因而只适用于表示比较简单的问题。问题归约法从目标(要解决的问题)出发，逆向推理，通过一系列变换把初始问题变换为子问题集合和子子问题集合，直至最后归约为一个平凡的本原问题集合。这些本原问题的解可以直接得到从而解决了初始问题，用与或图来有效地说明问题归约法的求解途径。问题归约法能够比状态空间法更有效地表示问题。状态空间法是问题归约法的一种特例。在问题归约法的与或图中，包含有与节点和或节点，而在状态空间法中只含有或节点。谓词逻辑法采用谓词合式公式和一阶谓词演算把要解决的问题变为一个有待证明的问题，然后采用消解定理和消解反演来证明一个新语句是从已知的正确语句导出的，从而证明这个新语句也是正确的。谓词逻辑是一种形式语言，能够把数学中的逻辑论证符号化。谓词逻辑法常与其它表示方法混合使用，灵活方便，可以表示比较复杂的问题。,74,2.10小结（续）,语义网络是一种结构化表示方法，它由节点和弧线或链线组成。节点用于表示物体、概念和状态，弧线用于表示节点间的关系。语义网络的解答是一个经过推理和匹配而得到的具有明确结果的新的语义网络。语义网络可用于表示多元关系，扩展后可以表示更复杂的问题。框架是一种结构化表示方法。框架通常由指定事物各个方面的槽组成，每个槽拥有若干个侧面，而每个侧面又可拥有若干个值。大多数实用系统必须同时使用许多框架，并可把它们联成一个框架系统。框架表示已获广泛应用，然而并非所有问题都可以用框架表示。剧本是框架的一种特殊形式，它使用一组槽来描述事件的发生序列。剧本表示特别适用于描述顺序性动作或事件，但使用不如框架灵活，因此应用范围也不如框架那么广泛。过程是一种知识的过程式表示，它将某一有关问题领域知识同这些使用方法一起，隐式地表示为一个问题求解过程。过程表示用程序来描述问题，具有很高的问题求解效率。由于知识隐含在程序中难以操作，所以适用范围较窄。,75,2.10小结（续）,知识表示方法的选择对于特定的问题并不是所有的方法都可行，具体问题具体分析。在表示和求解比较复杂的问题时，采用单一的知识表示方法是远远不够的。往往必须采用多种方法混合表示。还要考虑所使用的程序设计语言所提供的功能和特点，以便能够更好的描述这些表示方法。,