知识表达方法课件.ppt
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1、高级人工智能,1,概述,人类智能的表现之一:知识知识工程 (Knowledge Engineering)Knowledge RepresentationKnowledge AcquisitionKnowledge InferenceKnowledge Application知识表示(前提,重要性)按一定模式,用一些约定的符号编码知识,构造机器可接受的数据结构。,高级人工智能,2,知识对客观事物(自然的、人造的)及其规律的认识对客观事物原理的认识现象、本质、属性、状态、关系、联系、运动等利用客观规律解决实际问题的方法和策略步骤、操作、规则、过程、技术、技巧、等微观方法战术、战略、计谋、策略等宏观
2、方法即:原理性知识、方法性知识。事务数据信息知识智慧,收集 处理 加工 升华,高级人工智能,3,知识是经过消减、塑造、解释、选择、和转换的信息Feigenbaum知识是由特定领域的描述、关系和过程组成的Bernstein知识事实信息启发式Roth,高级人工智能,4,知识属性,真假性不确定性不完备、不确定、模糊性矛盾性、相容性相容、一致:单调推理不相容、矛盾知识:非单调推理可表示性可利用性,高级人工智能,5,表达方法的衡量,表达能力正确有效地将问题求解所需知识表示出来。范围、高效性、精细程度、对不确定性知识的支持可利用性推理的适应性、高效算法的支持可维护性自然性可实现性,高级人工智能,6,知识构
3、成:事实、规则、控制、元知识,事实有关问题环境的一些事物的知识,形如“x是y”如事物分类、属性、事物间关系、客观事实等静态的、共享的、可公开获得的、公认的知识如:雪是白的;鸟有翅膀;规则与事物的行动、动作、相联系的因果关系知识形如“如果那么”是动态的。如启发式规则。,高级人工智能,7,控制知识有关问题的求解步骤、技巧性知识当有多个动作时应选择哪一个的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、解释、校验规则,解释程序结构等知识。与控制知识有重叠。元知识存于知识库中控制知识与程序结合在一起。,高级人工智能,8,知识表示模型,知识表示的两层模型:逻辑层与实现层逻辑层不同表达模式逻
4、辑表示法、产生式系统、语义网络、框架实现层实现技术、环境、语言面向对象、XML、关系模型,高级人工智能,9,逻辑表示法,将以自然语言描述的知识,通过引入谓词、函数来加以描述,得到相关逻辑表达式,进而以机器内部代码表示。逻辑表示法下,可以采用归结法进行推理。一阶逻辑的表达能力有限。如具有归纳结构的知识,多层次的知识类型都难以用一阶逻辑描述。例。机器人积木块问题房间内有机器人Robot,一个壁龛Alcove,一个积木Box, 两个桌子A、B。机器人把Box从一个状态变成另一状态,高级人工智能,10,引入谓词Table(A), EmptyHanded(robot), At(robot, A)Hold
5、s(robot, box), On(Box, A)初始状态:Table(A), Table(B) At(robot, alcove), EmptyHanded(robot), On(box, A)目标状态Table(A), Table(B)At(robot, alcove), EmptyHanded(robot), On(Box, B),高级人工智能,11,问题归纳为:从初始状态到目标状态的操作过程机器人的每个操作结果所引起的状态变化,可用对原状态的增添表和删除表来表示。如机器人由初始状态把积木从A移到B,然后返回到alcove,同初始状态相比,有增添表 ON(Box, B)删除表 ON(Bo
6、x, A)又如,机器人由初始状态走近A桌,然后拿起积木。与初始状态比,有增添表: AT(robot, A), Holds(robot, A)删除表: AT(robot, Alcove), Emptyhanded(robot), ON(box, A),高级人工智能,12,进一步,机器人的每一步操作需要满足先决条件。如robot拿起A上的box,先决条件是 ON(box, A), AT(robot, A), Emptyhanded(robot)而先决条件成立与否的验证可使用归结法。如初始条件为已知条件,待验证的先决条件视作结论,便可使用归结法。从初始状态出发,每实现机器人的一个操作都先验证先决条件
7、,并建立相应的增添表和删除表,便可逐步达到目标状态。,高级人工智能,13,谓词逻辑表达的特点自然明确精确灵活模块化,表示能力差库管理困难组合爆炸效率低,高级人工智能,14,产生式系统,Production 产生式。美国数学家 E. Post提出根据替换规则提出一种计算模型“波斯特机”模型中的每一条规则被称为一个产生式。产生式的一般形式 前件后件前件即前提,后件是结论或动作。前件和后件可以是由逻辑运算符AND、OR、NOT连接组成的表达式,高级人工智能,15,产生式规则的语义如果前提满足,则可得结论或者执行相应的动作。即后件由前件触发。前件是规则的执行条件,后件是规则体。如如果速度超限,则关小油
8、门如果胶卷感光度为200,光线条件晴天,目标距离5米以内,则快门速度取250,光圈大小取f16产生式与逻辑蕴涵式相似,但不相等。产生式包括逻辑蕴涵式,此外还有各种操作、规则、变换、算子、函数等,高级人工智能,16,产生式描述了事物之间的一种对应关系(因果关系和蕴涵关系),其外延十分广泛。状态转换规则、程序设计语言的文法规则逻辑蕴涵式和等价式数学中的微分和积分公式规章制度等一个产生式规则就是一条知识。不仅可进行推理,还可以实现操作很好的一种知识表示形式,高级人工智能,17,产生式规则,事实:陈述句,断言一个语言变量的值或多个语言变量的关系。可用谓词逻辑描述。产生式规则:前件后件实现有前提条件的逻
9、辑操作当一条规则的前提条件满足,该规则被触发,执行其后件规定的动作实现逻辑推理当有事实能与某规则的前提匹配(即规则的前提成立)时,就得到该规则后件的结论(即结论也成立)。,高级人工智能,18,产生式系统,产生式系统的组成产生式规则库推理机:控制执行机构一个程序模块规则的前提条件测试匹配,规则的调度与选取规则体的解释和执行动态数据库全局数据库、综合数据库、工作存储器、上下文、黑板,等等动态数据结构,存放初始事实数据、中间结果、最后结果,高级人工智能,19,产生式系统的控制策略,正向推理从初始事实出发,正向使用规则进行推理规则前提与GDB中的事实匹配,或用GDB中的数据测试规则的前提条件,然后产生
10、结论或执行动作朝目标方向前进数据驱动反向推理(目标驱动)从目标出发,反向使用规则进行推理用规则结论与目标匹配,产生新的目标,对目标做同样处理朝初始事实方向,或数据方向前进,高级人工智能,20,正向推理算法,Step 1. 将初始事实置入GDBStep 2. 用GDB中的事实,匹配目标,若满足,成功,结束Step 3. 用RB中的各规则前提匹配GDB中的事实,将匹配成功的规则组成候用规则集Step 4. 若候用规则集为空,则失败,退出。Step 5. 在候用规则集中选择一条规则,作为执行规则Step 6. 将执行规则的结论加入GDB,或执行其动作Step 7. 转Step 2.,高级人工智能,2
11、1,讨论,随着推理的进行,GDB中的内容在不断变化。若GDB的每一个状态作为一个节点,则推理过程就是一个从初始状态到目标状态的状态图搜索过程。若把GDB中每一个事实作为一个节点,则推理过程就是一个反向(自底向上)的与或树搜索过程。算法中未记录GDB的状态变化历史,只保持当前的一个状态,并始终基于当前数据库进行推理,高级人工智能,22,例:动物分类知识库系统,规则库R1: 若某动物有奶,则它是哺乳动物R2: 若某动物有毛发,则它是哺乳动物R3: 若某动物有羽毛,则它是鸟R4: 若某动物会飞且生蛋,则它是鸟R5: 若某动物是哺乳动物且有爪且有犬齿且目盯前方,则它是肉食类动物R6: 若某动物是哺乳动
12、物且吃肉,则它是肉食类动物R7: 若某动物是哺乳动物且有蹄,则它是有蹄类动物R8: 若某动物是有蹄类动物且反刍,则它是偶蹄类动物R9:若某动物是肉食类动物且黄褐色且有黑色条纹,则它是老虎,高级人工智能,23,例:动物分类知识库系统,规则库R10: 肉食类动物,黄褐色,有黑色斑点,则它是金钱豹R11: 有蹄类,长腿,长脖,黄褐色,有暗斑点,则它是长颈鹿R12: 有蹄类动物,白色,有黑色条纹,则它是斑马R13: 鸟,不会飞,长腿,长脖,黑白色,则它是鸵鸟R14: 鸟,不会飞,会游泳,黑白色,则它是企鹅R15: 鸟,善飞,不怕风浪,则它是海燕初始事实f1: 某动物有毛发 f2: 吃肉f3: 黄褐色
13、f4: 有黑色条纹目标条件:该动物是什么,高级人工智能,24,例:动物分类知识库系统,推理树,高级人工智能,25,反向推理算法,Step 1. 将初始事实置入GDB,将目标条件置入目标链Step 2. 若目标链为空,则推理成功,结束Step 3. 取出目标链中的第一个目标,用GDB中的事实与其匹配。若匹配成功,转Step 2Step 4. 用规则集中的各规则的结论同该目标匹配,若匹配成功,则将第一个匹配成功且未用过的规则的前提作为新目标,取代原来的父目标而加入目标链,转Step 3Step 5. 若该目标是初始目标,则失败,退出。Step 6. 将该目标的父目标移回目标链,取代该目标及其兄弟目
14、标,转Step 3,高级人工智能,26,双向推理同时从初始数据和目标条件出发进行推理,如果在中间某处相逢,则推理搜索成功。 冲突消解策略从候选规则集中选取其中一条规则优先级法;可信度法;代价法等搜索策略启发式盲目碰撞搜索,高级人工智能,27,语义网络表示法,Quillian作为人类联想记忆的一个显式心理学模型,提出语义网络概念(1968)Simmon将语义网络用在自然语言理解的研究(70s)划分为5个级别执行级逻辑级认识论级概念级语言学级,高级人工智能,28,七种类型命题语义网(包括分块联想网络)数据语义网:以数据为中心的语义网络语言语义网:用于自然语言的分析和理解结构语义网:描述客观事物的结
15、构常见于模式识别和机器学习等领域分类语义网:描述抽象概念及其层次推理语义网:命题网。在某种程度上规范化以利于推理框架语义网:与框架相结合的语义网,高级人工智能,29,语义网概念,由一些以有向图表示的三元组(节点1,弧,节点2)连接而成。节点:表示事物、对象、概念、事件、行为、状态、断言边(link):表示两节点的关系例,高级人工智能,30,常见关系、联系实例关系 (is a)小华 是一个 大学生分类(从属、泛化)关系(a kind of, AKO)下层概念可继承、细化、补充上层概念节点的属性,也可变异鸵鸟 是一种 鸟组装关系(a part of,APO)下层概念是上层概念的一个方面或一部分桌子
16、 部分是 桌面;桌子 部分是 桌腿属性关系对象的属性及其属性值,高级人工智能,31,常见关系、联系集合与成员关系 (a member of, AMO)小华 是成员 ACM逻辑关系一个概念可由另一个概念推出,因果关系雨天 则 带伞方位关系时间、位置、组成、形状等所属关系狗 具有 尾巴,高级人工智能,32,基于语义网络的推理,属性、性质继承操作:匹配、搜索根据待求问题的要求,构造一个网络片段,然后在知识库中与之匹配的语义网络当网络片段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,高级人工智能,33,Semantic Web,知识表示中的语义网络:Semantic Ne
17、twork语义互联网:Semantic Web语义Web是现在Web的一个延伸,而非独立的另一个Web在语义Web中,信息被赋予完整而明确的含义,即语义。机器可以识别并理解这种语义,从而对Web中的信息实现自动化采集、分割、组合乃至逻辑推理。,高级人工智能,34,WWW:一种Media,传输信息供人阅读,而非机器自动处理。语义Web是在Web基础上,在信息中加入语义,从而使得在Web世界中流动的不再是单纯的数据流而是机器可以理解的语义信息。利用这些语义,信息之间的交换就可以建立在语义的层面而非文字层面,从而可以使机器精确的理解、采集和组合信息。提供包含数字图书馆、电子商务、医疗保健等各种类型的
18、自动化服务。,高级人工智能,35,挑战:提供一种语言,能够同时描述数据以及根据数据进行推理的规则,并且允许现存知识标识系统中的规则都能输出到Web上,由此在Web上增加逻辑性,即使用规则进行推理、选择行为并解答问题的方法。重要技术:XML、RDFXML:提供灵活、通用、丰富的结构化信息表示方式RDF:提供语义信息和推理规则的表达方式。,高级人工智能,36,Web创始人Tim Berners-Lee在1998年提出了Semantic Web的概念 标准化:W3C Semantic Web工作组http:/www.w3.org/2001/swThe Semantic Web is an exten
19、sion of the current web in which information is given well-defined meaning, better enabling computers and people to work in cooperation. - Tim Berners-Lee, James Hendler, Ora Lassila, The Semantic Web, Scientific American, May 2001,高级人工智能,37,The Semantic Web provides a common framework that allows d
20、ata to be shared and reused across application, enterprise, and community boundaries. It is a collaborative effort led by W3C with participation from a large number of researchers and industrial partners. It is based on the Resource Description Framework (RDF), which integrates a variety of applicat
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- 知识 表达 方法 课件
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