人工智能知识表示系列课件第二讲知识表示4语义网络过程表示法

人工智能原理 第二讲 知识表示 之 语义网络、过程表示 主讲：王祖喜 华中科技大学图像所 *1 知识的表示方法 n 谓词逻辑法 n 状态空间法 n 问题归约法 n 语义网络法 n 框架表示法 n 面向对象表示 n 剧本(script)表示 n 过程(procedure)表示 n 小结 Date2 知识的语义网络表示方法 *3 1. 概述 n 语义网络1968年由J.R.Quillian提出，开始是作为人类联 想记忆的一个显式心理学模型提出，随后在AI中用于自 然语言理解，表示命题信息（具有逻辑真的事实）。目 前语义网络已广泛应用于人工智能的许多领域，是一种 表达能力强而且灵活的知识表达方式。 语义网络是通过概念及其语义关系来表示知识的一种网络图 ； 从图论的观点看，他们就是一个“带标识的有向图” ； 语义网络由节点和节点间的弧组成； 节点表示各种事物，概念，情况，属性，动作，状况等； 弧表示各种语义联系，指明他所连接的节点间的各种语义联系； 节点和弧都必须带有标识，以便区分各种不同对象以及对象间的各 种不同语义联系； 每个节点可以带有若干属性，一般用框架或元组表示； 节点还可以是一个语义子网络，形成一个多层次的嵌套结构。 知识的语义网络表示方法 Date4 n 一个最简单的语义网络是如下一个三元组： （节点1，弧，节点2） n 它可用图表示，称为一个基本网元。 n 其中，A,B分别代表两个节点；RAB表示A与B之间的语某种语义联系。 例如： n 其中，在猎狗与狗之间的语义关系”是一种”具体的指出了猎狗与 狗的语义关系，即猎狗是狗的一种，两者之间存在类属关系。 n 这里，弧线的方向是有意义的，需要根据事务间的关系确定。例如 在表示类属关系时，箭头所指的节点代表上层概念，而箭尾的节点 代表下层概念。 AB RAB 猎狗狗 是一种 Date5 当把多个基本网元用相应语义联系关联在一起时，就可得到一个语义网络。 例如：由三个基本网元，经合并后可得到一个语义网络。 A B B C A C RAB RBC RAC A B C RAB RBC RAC 语义网络的语义网络的BNFBNF描述：描述： := | Merge (，） := := （，） := : ） := | ） 其中，Merge()是一个合并过程，它把括弧中的所有基本网元关联在一起，即把相 同的节点合并为一个，从而构成一个语义网络。 Date6 2. 知识的语义网络表示 n 语义网络可以表示事实性的知识，也可以表示有关事实性 知识之间的复杂联系。 (1) 用语义网络表示事实 ：表示节点 ：表示狐 ：该节点描述对象的属性 该语义网络表示了猎狗是一种狗，且进一步指出狗是一种动物，并且分 别指出他们所具有的属性。（做这些只要在图中增加一个节点和一条弧，并 对每个节点附上相应的属性就可以了。） 语义网络具有属性继承的特性，即下层概念可以继承上层概念的属性，这 样就可以在下层概念中只列出它独有的属性。 另外下层概念还可以对其上层概念的属性作进一步的细化，补充，变异， 使之能更准确的反映下层概念的特征。 猎狗 狗 动物 吃肉 身上有毛 有生命 能狩猎 有尾巴 能运动 跑得快 会 吃 . 一般表示 Date7 . 表示稍复杂系统： n 在一些稍复杂的事实性知识中，经常会用到像“并且“及“或者“这样的连 接词。（用谓词公式表示时，可用合取符号和析取符号把他们表示出来）， 语义网络可以通过增设合取节点及析取节点来表示。 n 例如：与会者有男，有女，有年老的， 有年青的。 其语义网络为： （其中，A,B,C,D分别 代表四种不同情况的 与会者） 人 与会者 A B C D 与 或或 男 女 年老 年轻 状态 状态 状态 状态 部分 部分部分 部分 是 Date8 . 表示某一情况，某一事件或者某个动作： n 上述例子中的节点都是用来表示一个事物或是一个具体概念的，其 实，节点还可以表示某一情况，某一事件或者某个动作。此时，节 点可以有一组向外的弧，用于指出不同的情况，例如当用节点表示 某一动作时，向外的弧可用来指出动作的主体及客体。 n 例1： 有如下事实： 张山给肖红一本书(可把张山给肖红一本书作 为一个事件，并在语义网络中增设一个“事件”节点) 一本书 给予事件 张山 肖红 给 客体2 客体1 动作 主体 Date9 小信使鸽子鸟 占有窝鸟窝 春天时间 秋天 情况 是一只 占有者 是一种 是一种占有物 开始于 结束于 是 是 n 其中，“占有” 为一个动作节点，通过它，不仅可以描述占有“窝”， 还可描述占有“窝”的时间。 例2：有下述事实： “小信使”这只鸽子从春天到秋天占有一个窝。 Date10 (2) 用语义网络表示有关事实间的关系 n 语义网络可以描述事物间多种复杂的语义关系，下面是常 用的几种： . 分类关系：指事物间的类属关系。如“是一种”等。 动物 鱼 八哥 鸵鸟鲨鱼草鱼 鸟 会学人语 善鸣 不会飞 善奔走 有牙 吃肉 是一种 是一种 是一种 是一种 是一种 是一种 吃 生活在水中 会游泳 能运动会吃 会飞 有羽毛 下层概念节点除了可继承，细化，补充上层概念节点的属性外，还出 现了变异的情况：鸟是鸵鸟的上层概念节点，其属性是有羽毛，会飞，但 鸵鸟只是继承了有羽毛这一属性，把鸟的会飞变异为不会飞，善奔走。 Date11 . 聚集关系：如果下层概念是其上层概念的一方面或者一个部分，则称它们 是聚集关系。 教学 教师课程学生 部分 部分 部分 . 推论关系：如果一个概念可由另一个概念推出，则称它们之间存在推论关系。 需进食饥饿 推出 . 时间、位置关系： 思远公司朱雀大街 位于 Date12 . 多元关系： 在语义网络中，一条弧只能从一个节点指向 另一个节点，适合于表示一个二元关系。但在许多情况 下需要用一种关系把几个事物联系起来。例如对于如下 事实： 郑州位于西安和北京之间。 n 为了在语义网络中描述多元关系，可以用节点来表示关 系。 位置关系 郑州北京西安 居 中 边界_1边界_2 Date13 (3) 用语义网络表示比较复杂的知识 n 设有如下两个事实： 张三的自行车是飞鸽牌，黑色，28型 李四的自行车是金狮牌，红色，26型 n 将其用语义网络描述出来。 n 分析 如写成两个网络，很容易，但对知识的利用带来不便，如何写成一个呢 ？ 分析事实发现，它们都是关于自行车的，因此只要把自行车作为一个通 用概念用一个节点表示，而把张三李四的自行车作为他们的实例。这样 ，就很容易用一个语义网络把它们表示出来，当要寻找有关自行车的信 息时，只要首先找到自行车这个节点就可以了。 Date14 28型 飞鸽 自行车1黑色 自行车交通工具 自行车2红色 26型 金狮 张三 李四 人 是 是 所有者 所有者 车型 车型 车名 车名 颜色 颜色 是一种 是 是 Date15 n 用语义网络表示较复杂的知识时，往往牵涉到对量化变量的处理。 对于存在量词：可以直接用“是一个”、“是一种”等这样的语义联 系起来。 对全称量词： 则需用网络分区技术才能实现。网络分区技术是 G.G.Hendrix在1975年提出的，其基本思想是： n 把一个表示复杂知识的命题划分为若干子命题，每一个子命题用一 个较简单的语义网络表示，称为一个子空间，多个子空间构成一个 大空间。每个子空间可以看作是大空间中的一个节点 ，称为超节点 。空间可以逐层嵌套，子空间之间用弧互相连接。 n 例：每个学生都背诵了一首唐诗 Date16 n s全称变量，表示任一个学生； n r存在变量，表示某一次背诵； n p也是存在变量，表示某一首唐诗； n s,r,p及其语义联系构成一个子网，是一个子空间，表示对每一个学 生s，都存在一个背诵事件r和一首唐诗p; n 节点g是这个子空间的代表，由弧F指出它所代表的子空间是什么及 其具体形式；弧指出s是一个全称变量。 n 节点GS代表整个空间。 GS学生背诵唐诗 g srp 是 主体 客体 是 是F Date17 3.常用的语义联系 n 语义联系反映了节点间的语义关系。下面列出一些常用的语义 联系，用作参考： 1A-Member-of联系 n 它表示个体与集体之间的关系，它们之间有属性继承权和属性 更改权。 n 例如：张三是工会会员。 张三工会 A-Member-of 2Composed of联系 它表示构成联系，是一种一对多的联系，被它连接的节点不具有属性继承 性。 例如：整数由正整数、负整数及零组成。 整数与 正整数 零 负整数 Composedof Date18 3.have 联系 它表示属性或事物的占有关系。鸟翅膀 have 4.Before, after, at 联系 它们是用来表示事件之间的时间先后关系，其中,before表示一个事件在 另一个事件之前发生，after表示一个事件在另一个事件之后发生， at表示某一事件发生的时间 唐朝宋朝 before 5.located-on 联系 这些联系用来表示事物间的位置关系。 6.similar-to，near-to 联系 这些语义联系用来表示事物间的相似和接近的联系。 书宋朝 located-on 猫虎 similar-to 此外，ISA、AKO、Infer灯也可用作语义网络 。 Date19 4. 语义网络系统中求解问题的基本过程 n 语义网络系统由两部分组成： 由语义网络组成的知识库； 用于求解问题的解释程序，称为语义网络推理机。 n 在语义网络中，问题的求解一般是通过匹配实现的，主要过程为： (1)根据求解问题的要求构造一个网络片断，其中有些节点或弧的标识 是空的，反映待求解的问题。 (2)依此网络片断到知识库中去寻找可匹配的网络，以找出所需要的信 息。当然这种匹配一般是不完全的，具有不确定性，因此需要解决 不确定性匹配问题。 (3)当问题的语义网络片断与知识库中的某些语义网络片断匹配时，则 与询问处匹配的就是问题的解。 Date20 例：设有如下事实： 赵云是一个学生； 她在东方大学主修计算机课程； 她入校的时间是1990年。 求解问题： 赵云主修什么课程？ 解： 1. 将事实用下列语义网络表示出来放在知识库中。 学生赵云 教育 教育1计算机科学 大学东方大学1990时间 ISA ISA ISA ISA ISA AgentBegin Recipient Major Date21 2. 将待求解问题构造一个语义片段： 赵云 教育 教育1？ ISAMajor Recipient 3. 将其与知识库中的知识网络进行匹配，由 Major 弧所指节点可知赵云的主修课程是计算机。 Date22 5. 语义网络的特点 n 结构性。与框架法一样，语义网络也是一种结构化的知 识表示方法。 n 联想性。 n 自然性。 n 非严格性。 n 处理上的复杂性。 Date23 知识的过程表示法 *24 知识的过程表示法 1. 概述 n 在人工智能的发展史中，关于知识的表示方法曾存在两 种不同的观点。 n 一种观点认为知识主要是陈述性的，其表示方法应着重 将其静态特性，即事物的属性以及事物间的关系表示出 来，称以这种观点表示知识的方法为陈述式或说明性表 示方法； 说明性表示方法是一种静态表示方法，其主要特征是把领域内 的 过程性知识与控制性知识（即问题求解策略）分离开来。 Date25 n 另一种观点认为知识主要是过程性的，其表示方法应 将知识及如何使用这些知识的控制策略均表示为求解 问题的过程，称以这种观点表示知识的方法为过程性 表示法，或过程表示法。 过程性表示方法着重于对知识的利用，它把与问题有关的知 识以及如何运用这些知识求解问题的控制策略都表述为一个 或多个求解问题的过程，每一个过程一段程序，用于完成对 一个具体时间或情况的处理。在问题求解过程中，当需要使 用某个过程时就调用相应的程序并执行。 Date26 2. 知识表示方法 n把与问题有关的知识以及如何运用这些知识求解问题的控制策略都表述为一个或多个 求解问题的过程。 n例如，有如下知识： 如果 x 与 y 是兄弟，且 x 是 z 的父亲， 则 y 是 z 的叔父。 若用产生式规则（说明性知识表示法）表示： if brother( x, y) and father(x, z) then uncle(y, z) 用过程性知识（过程表示法有多种表示形式，在此选用过程规则表示）： BR(Uncle ? y ? z ) GOAL( brother ? x y ) GOAL( father x z ) INSERT(Uncle y z) RETURN Date27 n 其中， BR 是后向推理的标志； GOAL 表示求解子目标，即进行过程调用； INSTER 表示对数据库实施插入操作； RETURN 表示该过程规则结束。 带?号的变量表示其值将在该过程中求得。 n 上述过程规则的含义： n 按后向推理方式进行推理，为了求解（Uncle ? y ? z )，首先 应通过过程 调用求解（Brother ? x y )，得到 x 的值，然后将得到的 x 值传递给（ Father x z )，并求解它，如果这些都成功，就将（ Uncle y z )插入到 数据库中，并将控制权返回给调用者。 n 一般来说，一个过程规则包括四个部分 ： (1) 激发条件： 由两部分组成，即推理方向和调用模式。 推理方向指出其推理是前向推理（FR）还是后向推理（BR）。 若为前向推理，则只有当数据库中有已知事实可与其“调用模式”匹配 时， 该过程规则才能被激活；若为后向推理，则只有当“调用模式”与查询目 标或子目标匹配时才能将该过程规则激活。 Date28 (2) 演绎操作： n演绎操作由一系列的子目标构成，当上面的激发条件被满足时，将执行这里列出的演 绎操作，如 GOAL( brother ? x y ) ， GOAL( father x z )。 (3) 状态转换： n状态转换操作用于 对数据库进行增、删、改， 分别用 INSTER、 DELETE、 MODIFY 语句实现。 (4) 返回： n过程规则的最后一个语 句是 RETURN ，用于将控 制权返回到调用该过程规则 的上级过程规则那里去。 推理方向 调用模式 子目标序列 数据库刷新 RETURN 激发条件 演绎操作 状态转换 返回 过程规则的结构 Date29 3.求解问题的基本过程 每当有一个新的目标时，就从可用的过程规则中选择一个（设为R），并执 行过程规则R； 在R的执行过程中可能又将产生新的目标，此时调用相应的过程规则并执行； 反复进行上述过程，直到执行到RETURN，这是就将控制权返回给调用当 前过程规则的商机过程规则； 在这一过程中，如果某过程规则运行失败，就选择另一同层的可用过程规则 执行；如果不存在这样的过程规则，则返回失败标志并将执行的控制权移交 给上级过程规则。 例：设数据库中有以下已知事实： (Brother 刘海 刘杨) (Father 刘海 刘小海) 需要求解的问题是：找出两个人u及v,其中u是v的叔父。 该问题可表示为：GOAL(Uncle ? u ? v ) Date30 规则库中的规则： BR(Uncle ? y ? z ) GOAL( brother ? x y ) GOAL( father x z ) INSERT(Uncle y z) RETURN 求解该问题的过程是： (1) 在过程规则库中找出对于问题GOAL(Uncle ?u ?v)其激发条件可被满足的过程规则 。显然，BR(Uncle ? y ?z)经如下变量代换：u/y, v/z 后可以匹配