数据挖掘与知识发现(讲稿21-知识表示)

1、装订线PAGE PAGE 30第2章 知识表表示知识表示示是人工工智能研研究中极极为重要要的研究究课题之之一。无无论应用用人工智智能技术术解决什什么问题题，首先先遇到的的就是所所涉及的的各类知知识如何何加以表表示。不不同的知知识有不不同的表表示方法法，研究究知识表表示方法法，不单单是解决决如何将将知识存存储在计计算机中中，更重重要的是是应该能能够方便便和正确确地使用用知识。合理的的知识表表示，可可以使问问题求解解变得容容易，并并且有较较高的求求解效率率。评价一个个好的知知识表示示系统应应具有以以下几点点：具有表示示某个专专门领域域所需要要的知识识能力，并保证证知识库库中的知知识是相相容的；具有

2、从已已知知识识推导出出新知识识的能力力，容易易建立表表达新知知识所需需要的新新结构；便于新知知识的获获取，最最简单的的情况是是能够由由人直接接输入知知识到知知识库中中；便于将启启发式知知识附加加到知识识结构中中，以便便把推理理集中在在最希望望的方向向上。为了实现现上述目目标，人人们至今今已提出出了几十十种甚至至上百种种的知识识表示方方法。但但没有一一种表示示能包打打天下。较为常常见的知知识表示示方法有有：一阶谓词词逻辑表表示 产生式表表示或称称规则表表示 语义网表表示 框架表示示 面象对象象表示过程表示示脚本表示示神经元表表示特性表表表示2.1一一阶谓词词逻辑表表示谓词逻辑辑是一种种形式语语言

3、，也也是目前前能够表表达人类类思维活活动的一一种最精精确的语语言。它它与人类类的自然然语言比比较接近近，即可可方便地地存储到到计算机机中，又又可被计计算机进进行精确确处理。因此，谓词逻逻辑是最最早且最最主要用用于人工工智能知知识描述述的方法法之一。它是一一种基于于数理逻逻辑的知知识表示示方式。而数理理逻辑是是一门研研究推理理的科学学，它作作为人工工智能的的基础，在人工工智能的的发展中中占有重重要地位位。人工工智能中中用到的的逻辑可可分为两两大类：一阶经典典命题逻逻辑和谓谓词逻辑辑除经典以以外的那那些逻辑辑2.1.1一阶阶谓词逻逻辑表示示的逻辑辑基础谓词逻辑辑是在命命题逻辑辑的基础础上发展展起来

4、的的，为此此先讨论论一阶谓谓词逻辑辑知识表表示中所所需要的的一些逻逻辑基础础。如命命题、谓谓词、连连接词、量词、谓词公公式等。 1. 命题和和真值定义2.1：一一个陈述述句称为为一个断断言。凡凡有真假假意义的的断言称称为命题题。（即即可以确确定真假假意义的的陈述句句）注： 命题的的意义通通常称为为真值，它它只有真真（T）假（FF）两种种情况。 在命命题逻辑辑中，命命题通常常用大写写的英文文字母来来表示。一个命命题不能能同时为为真又为为假。 一个个命题可可在一定定条件下下为真，在另一一条件下下为假。如，PP：“北京今今天有雨雨”，需根根据当天天的情况况决定其其真值。 没有有真假意意义的感感叹句、

5、疑问句句等都不不是命题题。如，P：今今天好冷冷呀！；Q：今今天的温温度有多多少度？ 命题题的优点点是简单单、明确确；缺点点是无法法描述客客观事物物的结构构及其逻逻辑特征征，也无无法表示示不同事事物间的的共性。如，“杨青是是教师”和“李文是是教师”这两个个命题，用命题题逻辑表表示时，无法把把两人都都是教师师这一共共同特征征表示出出来。 2. 论域和和谓词论域是由由所讨论论对象之之全体构构成的非非空集合合。论域域中的元元素称为为个体。论域又又称个体体域。在谓词逻逻辑中，命题是是用谓词词表示的的。一个谓词词可分为为：谓词词名和个体两部部分。其其中，个个体是用用来表示示某个独独立存在在的事物物或者某某

6、个抽象象的概念念；谓词词名是用用来表示示个体的的性质、状态或或个体之之间的关关系等。通常，谓谓词名用用大写英英文字母母表示，个体用用小写英英文字母母表示。如：王宏宏是学生生 谓词表表示为：STUUDENNT（WWangghonng） 桂林山山水甲天天下 谓词表表示为：甲天下下（桂林林山水） 桂林在在广西的的北部 谓谓词表示示为：在在（北部部，桂林林，广西西） 广西西师大校校园坐落落在桂林林 谓词表表示为：坐落在在（广西西师大校校园，桂桂林） 全州州是桂林林的县 谓词词表示为为：县（全州，桂林）x6 谓词表表示为：Greeateer(xx,6) 王宏宏的父亲亲是教师师 谓词表表示为：TEAACH

7、EER（ffathher(Wannghoong)） 谓词的的形式定定义如下下：定义2.2 设设D是个个体域，P:是是一个映映射，其其中则称P是是一个nn元谓词词。记为为：，是个体体。注：在谓谓词中，个体可可以是常常量、变变元或函函数。函数的定定义形式式为： 定义2.3 设设D是个个体域，的一个个映射，则称是是D上的的一个nn元函数数。记作作：，是个体体。说明： 谓词词和函数数的定义义形式相相似，但但却是两两个不同同的概念念。 谓词词的真值值是T或或F，而而函数无无真值可可言，其其值是DD中的某某个个体体。谓词实实现的是是从个体体域中的的个体到到T或FF的映射射，而函函数实现现的是同同一个体体域

8、中从从一个个个体到另另一个个个体的映映射。 在谓谓词逻辑辑中，函函数本身身不能单单独使用用，它必必须嵌入入到谓词词中。 如果果中的个体体都是常常量、变变元或函函数，则则称其为为一阶谓谓词。若若某个本本身又是是另一个个一阶谓谓词，则则称它为为二阶谓谓词。3. 连连接词和和量词连接词是是用来连连接简单单命题，并由简简单命题题构成复复合命题题的逻辑辑运算符符号。在一阶谓谓词逻辑辑中，有有5个连连接词和和2个量量词。由由于命题题逻辑可可看作谓谓词逻辑辑的一种种特殊形形式，因因此5个个连接词词同样适适应于命命题逻辑辑，但22个量词词仅适应应在于谓谓词逻辑辑。：称为“非”。它表表示其后后命题的的否定：称为

9、“析取”。它表表示所连连接的两两个命题题之间具具有“或”的关系系：称为“合取”。它表表示所连连接的两两个命题题之间具具有“与”的关系系：称为“条件”或“蕴含”。它表表示“若则”的语语义。如如，表示示“P蕴含含Q”，读作作：“如果PP，则QQ”，其中中P称为为条件的的前件，Q称为为条件的的后件。：称为“双条件件”。它表表示“当且仅仅当”的语义义。如，表示PP当且仅仅当Q，即读作作“P当且且仅当QQ”。谓词逻辑辑真值表表PQTTFTTTTTFFTFFFFTTTFTFFFTFFTT在一阶谓谓词逻辑辑中，引引入了22个量词词符号：全程量量词符号号和存在在量词符符号。所所有的，任一个个至至少有一一个，存

10、存在有量词是由由量词符符号和被被其量化化的变元元所组成成的表达达式，是是用来对对谓词中中的个体体作出量量的规定定。如，“对对论域中中的所有有个体”，表示示为；“对论域域中的某某个个体体”，表示示为。命题为真真，当且且仅当论论域中的的所有，都有为为真命题为真真，当且且仅当论论域中至至少存在在一个，使得为为真 4. 项与合合式公式式在一阶谓谓词逻辑辑中，合合法的表表达式称称为合式式公式（即谓词词公式）。定义2.4 项项满足如如下规则则：单独一个个个体词词是项；若是项，是n元元函数，则是项项；由（1）、（22）生成成的表达达式是项项。可见，项项是把个个体常量量、个体体变量和和函数统统一起来来的概念念

11、。定义2.5 原原子谓词词公式的的含义为为： 若是是项，PP是谓词词符号，则称PP()为为原子谓谓词公式式。定义2.6 满满足如下下规则的的谓词演演算可得得到合式式公式：单个原子子谓词公公式是合合式公式式；若A是合合式公式式，则也也是合式式公式；若A、BB是合式式公式，则也都都是合式式公式；若A是合合式公式式，是项项，则和和也都是是合式公公式。注：在合合式公式式中，连连接词之之间的优优先级顺顺序为： 5. 自由变变元和约约束变元元当一个谓谓词公式式含有量量词时，通常把把位于量量词后面面的单个个谓词或或者用括括弧括起起来的合合式公式式称为该该量词的的辖域。辖域内内与量词词中同名名的变元元称为约约

12、束变元元，不受受约束的的变元称称为自由由变元。如这里，是是的辖域域，其中中的是的约束束变元；中的是自自由变元元。公式式中所有有的都是是自由变变元。注：在谓谓词公式式中，变变元的名名字是无无关紧要要的，可可以把一一个名字字换成别别的名字字。换名时注注意两点点：当对量量词辖域域内的约约束变元元更名时时，必须须把同名名的约束束变元都都统一换换成另外外一个相相同的名名字，且且不能与与辖域内内的自由由变元同同名；当对辖辖域内自自由变元元更名时时，不能能改成与与约束变变元同名名。如上上例可表表示为：命题公式式是谓词词公式的的一种特特殊情况况，也可可用连接接词把单单个命题题连接起起来构成成合式公公式。如如，

13、都是是命题公公式。2.1.2谓词词逻辑的的知识表表示方法法谓词逻辑辑不仅可可以用来来表示事事物的状状态、属属性、概概念等事事实性知知识，也也可以用用来表示示事物的的因果关关系。对事实性性知识，常用符符号连接接起来的的谓词公公式表示示。对事物间间的因果果关系，通常用用蕴含式式表示。如，对对“如果则”可表示示为“”当用谓词词逻辑表表示知识识时，先先要根据据所表示示的知识识定义谓谓词，然然后再用用连接词词或者量量词把这这些词连连接起来来，形成成一个谓谓词公式式。例1 用谓谓词逻辑辑表示知知识“每个人人都有一一个父亲亲”。谓词： PEERSOON（xx）：表表示x是人 HAASFAATHEER（xx,

14、y）：表表示x有父亲亲y则该知识识可用谓谓词表示示为：例2 用谓谓词逻辑辑表示知知识“所有教教师都有有自己的的学生”。谓词： TEEACHHER（x）：表表示x是教师师 STTUDEENT（y）：表表示y是学生生 TEEACHHERSS（x,y）：表表示x是y的老师师则该知识识可用谓谓词表示示为：例3 用谓谓词逻辑辑表示知知识“所有的的整数不不是偶数数就是奇奇数”。谓词： II(x): x是整数数 EE(x):x是偶数数 OO(x):x是奇数数 则该知识识可用谓谓词表示示为：例4 用谓谓词逻辑辑表示知知识：王宏是计计算机系系的一名名学生。李明是王王宏的同同班同学学。凡是计算算机系的的学生都都喜

15、欢编编程序。谓词： CCOMPPUTEER(xx): 表示xx是计算算系的学学生 CCLASSSMAATE(x,y): 表示xx是y的同班班同学 LLIKEE(x,y): 表示xx喜欢y则上述知知识表示示为： CCOMPPUTEER(WWangghonng) CCLASSSMAATE(Limmingg,Waanghhongg)2.1.3谓词词逻辑表表示的应应用 示例例1 机器人人移盒子子问题设在一房房间里，c处有有一个机机器，aa和b处处各有一一张桌子子，分别别称为aa桌和bb桌，aa桌上有有一盒子子，如图图所示。要求机机器人从从c处出出发把盒盒子从aa桌拿到到b桌子子上，然然后再回回到c处处

16、。试用用谓词逻逻辑来描描述机器器人的行行动过程程。分析：此此例中的的谓词公公式，不不仅要用用来描述述事物的的状态、位置，而且还还要用来来表示动动作。定义的谓谓词：TTABLLE(xx)：xx是桌子子 EEMPTTY(yy)：yy手中是是空中 AAT(yy,z): yy在z的的附近 HHOLDDS(yy,w): yy拿着ww OON(ww,x)：w在在x桌面面上由此知，问题的的初始状状态是： 问问题的目目标状态态： ATT(roobott,c) ATT(roobott,c) EMPPTY(robbot) EMMPTYY(roobott) ONN(boox,aa) ON(boxx,b)TABLLE

17、(aa) TABBLE(a)TABLLE(bb) TABBLE(b)显然，机机器人行行动的目目标是把把问题的的初始状状态转换换为目标标状态。而要实实现问题题的状态态转换，则需要要完成一一系列的的操作。对于每每个操作作，一般般都可分分为条件件和动作作部分。条件部部分用来来说明执执行该操操作必须须具备的的先决条条件，动动作部分分给出了了该操作作对问题题状态的的改变情情况。条条件部分分可用谓谓词公式式来表示示，动作作部分则则是通过过在执行行该操作作前的问问题状态态中删去去和增加加相应的的谓词来来实现。本例中，机器人人需要执执行的操操作： GGotoo(x,y): 从xx处走到到y处 Picckupp

18、(x): 在在x处拿拿起盒子子 Settdowwn(xx): 在x处处放下盒盒子其对应的的条件和和动作如如下： Gooto(x,yy) 条条件：AAT(rroboot,xx) 动动作：删删除表: ATT(roobott,x) 添添加表:AT(robbot,y)Pickkup(x) 条条件：OON(bbox,x),TABBLE(x),AT(robbot,x),EMPPTY(robbot) 动动作：删删除表: EMMPTYY(roobott), ON(boxx,x) 添添加表: HOOLDSS(robbot,boxx)Setddownn(x) 条条件：AAT(rroboot,xx ),TABBLE

19、(x),HOLLDS(robbot,boxx) 动动作：删删除表: HOOLDSS(roobott,boox) 添添加表: EMMPTYY(roobott), ON(boxx,x)由此得出出，机器器人行动动规划问问题的求求解过程程为： 示例例2 机器人人摞积木木问题 设机器器人有一一只机械械手，要要处理的的世界有有一张桌桌子，桌桌子可堆堆放若干干相同的的积木块块。机械械手有44个操作作积木的的典型动动作：从从桌面上上拣起一一块积木木；将手手中的积积木放到到桌面上上；在积积木上再再摞上一一块积木木；从积积木上面面拣起一一块积木木。积木木世界的的布如图图所示。分析：定定义的谓谓词：CLEAAR(x

20、x)：积积木x上是空空的 OON(xx,y)：积积木x在积木木y的上面面 OONTAABLEE(x): 积木xx在桌面面上 HHOLDDINGG(x): 机械手手抓住xx HHANDDEMPPTY：机械手手是空的的由此知，问题的的初始状状态是： 问问题的目目标状态态： CLLEARR(B) ONN(B,C) ONN(C,A) OON(AA,B) CLLEARR(C) ONNTABBLE(B) ONNTABBLE(A)HANDDEMPPTY本例中，机械手手需要执执行4个个操作： PPickkup(x): 从桌桌面上拣拣起一块块积木xx PPutddownn(x): 将将手中的的积木放放到桌面面上

21、 Staack(x,yy): 在积木木x上再再摞上一一块积木木y Unsstacck(xx,y): 从从积木xx上面拣拣起一块块积木yy其对应的的条件和和动作如如下： Piickuup(xx) 条件件： OONTAABLEE(x)，CCLEAAR(xx), HANNDEMMPTYY 动作： 删除除表ONNTABBLE(x)，HHANDDEMPPTY 添加加表HOOLDIING(x)Putddownn(x) 条条件：HHOLDDINGG(x) 动作作：删除除表HOOLDIING(x) 添加加表HAANDEEMPTTY，OONTAABLEE(x)，CCLEAAR(xx)Stacck(xx,y) 条

22、件：HOLLDINNG(xx)，CCLEAAR(yy) 动作作：删除除表HOOLDIING(x)，CCLEAAR(yy) 添加加表HAANDEEMPTTY，OON(xx,y)，CCLEAAR(xx)Unsttackk(x,y) 条件：，HAANDEEMPTTY,CCLEAAR(yy) 动作：删除表表HANNDEMMPTYY，ONN(y,x) 添加表表CLEEAR(x),HOLLDINNG(yy) 示例例3 猴子摘摘香蕉问问题设房间里里有一只只猴子（即机器器人），位于aa处。CC处上方方的天花花板上有有一串香香蕉，猴猴子想吃吃，但摸摸不着。房间bb处还有有一个箱箱子，如如果猴子子站到箱箱子上就就

23、可以摸摸着天花花板。用用谓词逻逻辑描述述猴子得得到香蕉蕉的行动动规划。分析：定定义谓词词： AAT(xx,y): 表表示x在在y处 OONBOOX:表表示猴子子在箱子子上面 BBH:猴猴子得到到香蕉由此知，问题的的初始状状态是： 问问题的目目标状态态： ATT(Moonkeey,aa) ATT(Moonkeey,cc) ATT(Boox,bb) ATT(Boox,cc) OONBOOX ONNBOXX HHB HB本例中，猴子需需要执行行的操作作为： GGotoo(u,v): 表示示猴子从从u处走走到v处处 PPushhboxx(v,w): 表示示猴子推推着箱子子从v处处移到ww处 Cliim

24、bbbox: 表示示猴子爬爬上箱子子 Graasp: 表示示猴子摘摘取香蕉蕉其对应的的条件和和动作如如下：Gotoo(u,v) 条件：AT(Monnkeyy,u),OONBOOX 动动作：删删除表AAT(MMonkkey,u) 添添加表AAT(MMonkkey,v) Pusshboox(vv,w) 条件件：OONBOOX，AAT(MMonkkey,v)，AT(BOXX,v) 动作：删除表表AT(Monnkeyy,v)，ATT(BOOX,vv) 添加表表AT(Monnkeyy,w), AAT(BBOX,w)Climmbboox 条条件：ONBBOX，AT(Monnkeyy,c), AAT(BBO

25、X,c) 动动作：删删除表ONBBOX 添加表表ONBBOX Graasp 条件：HBB，ONNBOXX，ATT(BOOX,cc) 动作：删除表表HBB 添加表表HB2.1.4谓词词逻辑表表示的特特性逻辑表示示法的主主要特点点是建立立在某种种形式逻逻辑基础础上的，并利用用了逻辑辑方法研研究推理理规律，即条件件与结论论之间的的蕴含关关系。逻辑表示示法的主主要优点点：符号简单单，描述述易于理理解；自然、严严密、灵灵活、模模块化；具有严格格的形式式定义；每项事实实仅需表表示一次次；具有证明明过程中中所使用用的推理理规则；利用定理理证明技技术可双双从老的的事实推推出新的的事实。逻辑表示示法主要要缺点：

26、知识表示示能力差差难于表示示过程式式和启发发式知识识；由于缺乏乏组织原原则，利利用该方方法表示示知识库库难于管管理；由于弱证证明过程程，当事事实的数数目增大大时，易易产生组组合爆炸炸。系统效率率低2.2 产生式式表示法法“产生式式”这一术术语，是是由美国国数学家家、逻辑辑学家波波斯特（E.PPostt）19943年年提出的的。他在在研究一一种称为为波斯特特机的计计算模型型时首次次使用这这一术语语。波斯斯特机的的目的在在于证明明它和“图灵机机”具有相相同的计计算能力力。在该该模型中中，Poost主主要用类类似于文文法的规规则对符符号串做做替换运运算，并并把其中中的每一一条符号号变换规规则称为为一

27、个产产生式。后在660年代代由Neewelll（纽纽厄尔）和Siimonn（西蒙蒙）等人人做了进进一步的的研究和和发展，并将该该方法用用于斯坦坦福大学学建立的的第一个个专家系系统DEENDRRAL中中。19972年年，Neewelll和SSimoon在研研究人类类的认知知模型中中又开发发了基于于规则的的产生式式系统。（所以以，产生生式表示示法又称称为产生生式规则则表示法法）目前，产产生式表表示法已已成为AAI中应应用最多多的一种种知识表表示模式式，尤其其在专家家系统方方面，许许多成功功的专家家系统都都采用产产生式知知识表示示方式。2.2.1 产产生式表表示法的的基本方方法产生式表表示法可可很容

28、易易地描述述事实、规则以以及它们们的不确确定性度度量。1. 事事实的表表示事实可看看作是断断言一个个语言变变量的值值或断言言多个变变量之间间关系的的陈述句句。其中中，语言言变量的的值或语语言变量量之间的的关系可可以是数数字，也也可以是是一个词词等。如如雪是白的的 （“雪”是语言言变量；“白的”为语言言变量的的值）王峰热爱爱祖国 （“王峰”、“祖国”是语言言变量；“热爱”为语言言变量之之间的关关系）在产生式式表示法法中，对对确定性性知识，一个事事实可用用一个三三元组表表示： （对象，属性，值） or （关系系，对象象1，对对象2）对不确定定性知识识，一个个事实可可用一个个四元组组表示： （对象，

29、属性，值，可可信度因因子）其中，“对象”就是语语言变量量；“可信度度因子”是指该该事实为为真的相相信程度度，可用用01之之间的数数来表示示。事实的表表示，在在机器内内部可用用一个表表来实现现。如（Snoow,CColoor,WWhitte）或或（雪，颜色，白的）（Lovve,WWanggfenng,CCounntryy）或（热爱，王峰，祖国）2. 规规则的表表示规则描述述的是事事物间的的因果关关系。规规则的产产生式表表示常称称为产生生式规则则，简称称产生式式或规则则。其基基本形式式为： 或者者 IFF THHEN 含义是：如果前前提P满满足，则则可推出出结论QQ或执行行Q所规规定的操操作。这这

30、里，PP是产生生式的前前提（或或前件），它给给出了该该产生式式可否使使用的先先决条件件，由事事实的逻逻辑组合合来构成成；Q是是一组结结论（或或操作、或后件件），它它指出当当前提PP满足时时，应该该推出的的结论或或应该执执行的操操作。例如： IF 动物有有犬齿 ANDD 有爪爪 ANND 眼眼盯前方方 THHEN 该动物物是肉食食动物3. 产产生式与与蕴含式式的区别别蕴含式只只能表示示确定性性知识，其真值值只能取取真或假假；而产产生式既既可表示示确定性性知识，又可表表示非确确定性知知识；如如，在专专家系统统MYCCIN中中有如下下产生式式 IFF 本生生物的染染色斑是是革兰氏氏阴性， 本微微生物

31、的的形状呈呈杆状， 病人人是中间间宿主 THHEN 该微生生物是绿绿脓杆菌菌，置信信度为00.6在产生式式表示中中，决定定一个产产生式是是否可用用是检查查已知事事实与前前提中所所规定的的条件相相匹配来来实现的的，并且且匹配可可以精确确，也可可不精确确；而谓谓词逻辑辑中的蕴蕴含式，其匹配配则要求求一定是是精确的的。2.2.2产生生式系统统的基本本结构把用产生生式知识识表示方方法构造造的智能能系统称称为产生生式系统统。一个个产生式式系统的的基本结结构包括括：综合合数据库库、规则则库和控控制系统统三个主主要部分分。其关关系如图图所示。1. 综综合数据据库综合数据据库也称称事实库库，是一一个用来来存放

32、与与求解问问题有关关的各种种当前信信息的数数据结构构。如，问题的的初始状状态、输输入的事事实、推推理得到到的中间间结论及及最终结结构等。 2. 规则库库规则库是是一个用用来存放放与求解解问题有有关的所所有规则则的集合合。它包包含了将将问题从从初始状状态转换换成目标标状态所所需要的的所有变变换规则则。在推理过过程中，当规则则库中某某条规则则的前提提可以和和综合数数据库中中的已知知事实相相匹配时时，该规规则被激激活，由由它推出出的结论论将被作作为新的的事实放放入综合合数据库库，成为为后面推推理的已已知事实实。 3. 控制系系统控制系统统也称推推理机构构，它由由一组程程序组成成，用来来控制整整个产生

33、生式系统统的运行行，决定定问题求求解过程程的推理理线路，实现对对问题的的求解。其主要要工作如如下：按一定策策略从规规则库中中选择规规则与综综合数据据库中的的已知事事实进行行匹配。若匹配配成功，该规则则被激活活；否则则，匹配配失败，该规则则不可用用于当前前推理。当匹配成成功的规规则多于于一条时时，推理理机构应应该能够够按照某某种策略略从中选选出一条条规则去去执行；对要执行行的规则则，如果果该规则则的后件件不是问问题的目目标，则则当其为为一个或或多个结结论时，把这些些结论加加入到综综合数据据库中；当其为为一个或或多个操操作时，执行这这些操作作；对要执行行的规则则，如果果该规则则的后件件满足问问题的

34、结结束条件件，则停停止推理理；在问题求求解过程程中，记记住应用用过的规规则序列列，以便便最终能能够给出出问题的的解路径径。示例一个用用于识别别老虎、金钱豹豹、斑马马、长颈颈鹿、企企鹅、信信天翁这这6种动动物的产产生式系系统。其其规则库库包含115条规规则： IFF 该动动物有毛毛发 TTHENN 该该动物是是哺乳动动物 IFF 该动动物有奶奶 THEEN 该动物物是哺乳乳动物 IFF 该动动物有羽羽毛 TTHENN 该该动物是是鸟 IFF 该动动物会飞飞 ANDD 会会下蛋 THHEN 该动动物是鸟鸟 IFF 该动动物吃肉肉 THEEN 该动物物是肉食食动物 IFF 该动动物有犬犬齿 AAND

35、有有爪 AAND 眼盯前前方 TTHENN 该动动物是肉肉食动物物 IFF该动物物是哺乳乳动物 ANDD 有蹄蹄 TTHENN 该该动物是是有蹄类类动物 IFF该动物物是哺乳乳动物 ANDD 有嚼嚼反刍动动物 THEEN该动动物是有有蹄类动动物 IFF该动物物是哺乳乳动物 ANDD 是肉肉食动物物 AAND 是黄褐褐色 ANDD 身上上有暗斑斑点 THENN 该动动物是金金钱豹 IF 该动物物是哺乳乳动物 ANDD是肉食食动物 ANND 是是黄褐色色 AAND 身上有有黑色条条纹THENN 该动动物是虎虎 IF该该动物是是有蹄类类动物 ANDD 有长长脖子 ANDD 有长长腿 AAND 身上有

36、有暗斑点点 THENN 该动动物是长长颈鹿 IF该该动物是是有蹄类类动物 ANDD身上有有黑色条条纹 TTHENN 该动动物是斑斑马 IF该该动物是是鸟 AAND有有长脖子子 ANND 有有长腿 ANDD 不会会飞场TTHENN 该动动物是驼驼鸟 IF 该动物物是鸟 ANDD 会游游泳 AAND 不会飞飞 ANND 有有黑白二二色 TTHENN 该动动物是个个鹅 IF该该动物是是鸟 AAND 善飞 THHEN 该动物物是信天天翁其综合数数据库中中存放如如下事实实：动物物有暗斑斑，有长长脖，有有长腿，有奶，有蹄推理过程程为：（1）先先从规则则库中取取出第一一条规则则，检查查其前提提是否与与综合数

37、数据库中中的已知知事实相相匹配。的前提提是“有毛发发”，但事事实库中中没有这这一事实实，故匹匹配失败败。然后后取，该该前提提提可与事事实库中中的已知知事实“有奶”本匹配配，被执执行，并并将其结结论“该动物物是哺乳乳动物”作为新新的事实实加到综综合数据据库中。此时，综合数数据库的的内容变变为： 动物有有暗斑，有长脖脖，有长长腿，有有奶，有有蹄，是是哺乳动动物（2）再再从规则则库中取取进行匹匹配，结结果均失失败。接接着取匹匹配，并并将其结结论加综综合数据据库中，此时，综合数数据库的的内容变变为： 动物有有暗斑，有长脖脖，有长长腿，有有奶，有有蹄，是是哺乳动动物，是是有蹄类类动物（3）同同上方法法知

38、匹配配，并推推出“该动物物是长颈颈鹿”。由于于“长颈鹿鹿”已是目目标集中中的一个个结论，故障问问题求解解到此结结束。注：上述述规则库库中的规规则是一一种直接接表示方方式，也也可用三三元组来来表示前前提中的的事实和和后件中中的假设设。如上上例中可可表示为为： IIF （动物，类别，鸟） ANDD （动动物，本本领，善善飞） THHEN （动物物，名称称，信天天翁）2.2.3 产产生式系系统的基基本过程程 产生式式系统求求解问题题的过程程是一个个反复从从规则库库中选用用合适的的规则并并执行规规则的过过程。在在此过程程中，规规则的选选用策略略将直接接影响到到问题的的求解。问题的的求解效效率取决决于搜

39、索索策略和和产生式式系统的的知识结结构。 初始始化综合合数据库库，把欲欲解决问问题的已已知事实实送入综综合数据据库中； 检查查规则库库中是否否存在尚尚未使用用过的规规则，若若有则执执行；否则则转；检查规则则库的未未使用规规则中是是否存在在有其前前提可与与综合数数据库中中已知事事实相匹匹配的规规则，若若有则从从中选择择一个；否则转转；执行当前前选中规规则，并并对该规规则作上上标记，把执行行该规则则后所得得到的结结论作为为新的事事实放入入综合数数据库；如果该该规则的的结论是是一些操操作，则则执行这这些操作作；检查综合合数据库库中是否否包含了了该问题题的解，若已包包含，则则说明已已求出解解，问题题求

40、解过过程结束束；否则则转；当规则库库中还有有未使用用的规则则，但均均不能与与综合数数据库中中的已有有事实相相匹配时时，要求求用户进进一步提提供关于于该问题题的已知知事实，若能提提供，则则转；否则则，说明明该问题题无解，终止问问题求解解过程；若知识库库中不再再有未使使用的规规则，也也说明该该问题无无解，终终止问题题求解过过程。2.2.4 产产生式系系统的控控制策略略在产生式式问题求求解过程程中，当当有多条条规则可可用时，如何从从中选择择一条作作用于当当前综合合数据库库，是一一个控制制策略问问题（也也称冲突突消解问问题）。产生式系系统的控控制策略略总体上上可分两两类：不不可撤回回方式和和试探性性方

41、式(回溯方方式、图图搜索方方式)。 不可撤回回方式是是一直往往前走方方式。试探性方方式：回溯方式式是一种种碰壁回回头方式式。抹去去过去所所引起失失败的试试探路径径。图搜索方方式是一一种用图图或树把把全部求求解过程程记录下下来的方方式。记记住已试试探过的的所有路路径。2.2.5 产产生式系系统的类类型 1. 按推理理方向分分类（1）正正向推理理产生式式系统 正向推推理也称称为数据据驱动方方式，它它是从初初始状态态出发，朝着目目标状态态前进，正向使使用规则则的一种种推理方方法。所谓正向向使用规规则，是是指以问问题的初初始状态态作为初初始综合合数据库库，仅当当综合数数据库中中的事实实满足某某条件规规

42、则的前前提时，该规则则才被使使用。优点：简简单明了了且能求求出所有有解缺点：执执行效率率低（2）逆逆向推理理产生式式系统 逆向推推理也称称目标驱驱动方式式，它是是从目标标状态出出发，朝朝着初始始状态前前进，逆逆向使用用规则的的一种推推理方法法。所谓逆向向使用规规则，是是指以问问题的目目标状态态作为初初始综合合数据库库，仅当当综合数数据库中中的事实实满足某某条件规规则的后后件时，该规则则才被使使用。优点：不不寻找无无用数据据，不使使用与问问题无关关的规则则。（3）双双向推理理产生式式系统双向推理理是把正正向推理理和逆向向推理结结合起来来使用的的一种推推理方式式。采用用这种方方式需要要把问题题的初

43、始始状态和和目标状状态合并并在一起起构成综综合数据据库。 2. 按规则则库的性性质及结结构分类类（1）可可交换的的产生式式系统如果一个个产生式式系统对对规则的的使用次次序是无无关的，则称该该产生式式系统为为可交换换的产生生式系统统。所谓谓可交换换性是指指这些规规则可以以任意交交换次序序而不影影响对问问题的求求解。设DB是是综合数数据库，RB是是规则库库，（）是第第次使用用规则后后得到的的新的综综合数据据库，是是一个可可作用于于的规则则集合。所谓产产生式系系统是可可交换的的，是指指其RBB和每一一个都具具有如下下性质：对任一规规则，它它作用于于得到新新的综合合数据库库，仍然是是的可用用规则集集；

44、如果满足足目标条条件，则则用RSS中的任任一规则则作用于于，得到到的仍然然满足目目标条件件；若对使用用某一规规则序列列得到一一个新的的综合数数据库，则当改改变这些些规则的的使用次次序后，仍然可可得到。从上述性性质知，其综合合数据库库的内容容是递增增的。即即对任何何规则序序列，作作用于DDB后所所得到的的综合数数据库之之间有如如下关系系：示例 设给给定一个个整数集集合，可可通过把把集合中中任意一一对元素素的乘积积作为新新元素添添加到集集合中的的办法来来扩大该该整数集集，要求求通过若若干次操操作后能能生成所所需的整整数集合合a,b,c,。规规则库中中包含的的规则有有： IIF a,b,c THHE

45、N IIF a,b,c THHEN IIF a,b,c THHEN 显然，用用产生式式求解这这个问题题时，综综合数据据库DBB可用集集合来表表示，其其初始状状态为 a,b,c ，目标状状态为a,b,c,。无无论先用用哪条规规则，都都可由初初始状态态达到目目标状态态。可交换的的产生式式系统的的可交换换性，使使得其求求解过程程只需要要搜索其其中的任任意一条条路径，就能达达到目标标，而不不必进行行回溯。因此，该系统统求解过过程可采采用不可可撤回的的控制方方式。它它无需记记录可用用规则的的作用序序列，可可节省求求解问题题的时间间，提高高求解问问题的效效率。（2）可可分解的的产生式式系统该法是把把一个较

46、较大或较较复杂的的问题分分解成若若干个较较小或较较简单的的问题，然后通通过对这这些较小小或较简简单问题题的求解解来得到到整个问问题的解解。可分分解的产产生式系系统是把把一个整整体问题题分解成成若干子子问题，然后再再通过对对这些子子问题的的求解来来得到整整个问题题解的一一种产生生式系统统。示例 设综综合数据据库的初初始状态态为CC，B，Z，目标状状态为M，MM，M，规则则库中有有如下重重写规则则：解决该问问题时，可先把把初始综综合数据据库分为为三个子子库，然然后对这这三个子子库分别别应用规规则库中中的相应应规则进进行求解解。其求求解过程程如图所所示。（3）可可恢复的的产生式式系统可恢复的的产生式

47、式系统是是指那种种采用回回溯控制制方式的的产生式式系统。其求解解问题的的方法是是：当执执行某条条规则后后，如果果发现所所得到的的新的综综合数据据库不可可能求出出问题的的解，就就立即撤撤消由该该规则所所产生的的结果，使综合合数据库库恢复到到先前的的状态，然后再再另选别别的继续续求解。它既可可向综合合数据库库中添加加新的内内容，又又可从综综合数据据库中删删除或修修改老的的内容。这种可可解方法法，更符符合人们们的一般般习惯。2.2.6 产产生式系系统的特特点优点：自自然性、模块性性、有效效性、一一致性。缺点：效效率低、不能表表示结构构性知识识2.3 语义网网络表示示法语义网络络是奎廉廉（J.R.QQ

48、uillliaan）119688年在研研究人类类联想记记忆时提提出的一一种心理理学模型型，他认认为记忆忆是由概概念间的的联系实实现的。随后，奎廉又又把它用用作知识识表示。19772年，西蒙在在他的自自然语言言理解系系统中也也采用了了语义网网络表示示法。119755年，享享德里克克（G.G.HHenddrixx）又对对全称量量词的表表示提出出了语义义网络分分区技术术。目前前，语义义网络已已成为AAI中应应用较多多的一种种知识表表示方法法。2.3.1 语语义网络络的基本本概念1. 什什么是语语义网络络？语义网络络是一种种用实体体及语义关关系来表表达知识识的有向向图。其其中，结结点代表表实体，表示各

49、各种事物物、概念念、情况况、属性性、状态态、事件件、动作作等；弧弧代表语语义关系系，表示示它所连连接的两两个实体体之间的的语义联联系。在语义网网络中，每个结结点和弧弧都必须须带有标标识，这这些标识识用来说说明它所所代表的的实体或或语义。从结构上上看，语语义网络络一般是是由一些些最基本本的语义义单元构构成的，这种最最基本的的语义单单元被称称为语义义基元。一个语语义基元元可用如如下三元元组来表表示：（结点11，弧，结点22）例 用语义义基元描描述“舵鸟是是一种鸟鸟”这一事事实。当把多个个语义基基元用相相应的语语义联系系关联在在一起时时，形成成了一个个语义网网络。2. 基基本的语语义关系系从功能上上

50、讲，语语义网络络可以描描述任何何事物间间的任意意复杂关关系。但但是，这这种描述述是通过过把许多多基本的的语义关关系关联联到一起起来实现现的。基基本语义义关系是是构成复复杂语义义关系的的基石，也是语语义网络络知识的的基础。作为参参考，这这里给出出一些常常用的基基本语义义关系：（1）类类属关系系类属关系系是指具具有共同同属性的的不同事事物间的的分类关关系、成成员关系系或实例例关系。它体现现的是“具体与与抽象”、“个体与与集体”的概念念。类属属关系的的一个最最主要特特征是属属性的继继承性。处在具具体层的的结点可可以继承承抽象层层结点的的所有属属性。常常用的类类属关系系有：A-Kiind-of: 含义

51、义为“是一种种”，表示示一个事事物是另另一个事事物的一一种类型型；A-Meembeer-oof: 含义为为“是一员员”，表示示一个事事物是另另一个事事物的一一个成员员；Is-aa: 含含义为“是一个个”，表示示一个事事物是另另一个事事物的一一个实例例。（2）包包含关系系包含关系系也称聚聚类关系系，是指指具有组组织或结结构特征征的“部分与与整体”之间的的关系。它和类类属关系系的最主主要区别别是包含含关系一一般不具具备属性性的继承承性。常常用的包包含关系系有：Partt-off: 含含义为“是一部部分”，表示示一个事事物是另另一个事事物的一一部分。如 ， （3）属属性关系系属性关系系是指事事物和其

52、其属性之之间的关关系。常常用的属属性关系系有：Havee: 含含义为“有”，表示示一个结结点具有有另一个个结点所所描述的的属性。Can：含义为为“能”、“会”，表示示一个结结点能做做另一结结点的事事情。如，“鸟鸟有翅膀膀”的语义义网络为为（4）时时间关系系时间关系系是指不不同事件件在其发发生时间间方面的的先后次次序。常常用的时时间关系系有：Befoore: 含义义为“在前”，表示示一个事事件在另另一个事事件之前前发生。Afteer: 含义为为“在后”，表示示一个事事件在另另一个事事件之后后发生。如，“澳澳门回归归要香港港回归之之后”的语义义网络为为（5）位位置关系系位置关系系是指不不同事物物在

53、位置置方面的的关系。常用的的有：Locaatedd-onn: 含含义为“在上”，表示示某一物物体在另另一物体体之上。Locaatedd-att: 含含义为“在”，表示示某一物物体所在在的位置置。Locaatedd-unnderr: 含含义为“在下”，表示示某一物物体在另另一物体体之下。Locaatedd-innsidde: 含义为为“在内”，表示示某一物物体在另另一物体体之内。Locaatedd-ouutsiide: 含义义为“在外”，表示示某一物物体在另另一物体体之外。（6）相相近关系系相近关系系是指不不同事物物在形状状、内容容等方面面相似或或接近。常用的的有：Simiilarr-too:

54、含含义为“相似”，表示示某一事事物与另另一事物物相似；Nearr-too: 含含义为“接近”，表示示某一事事物与另另一事物物接近；（7）推推论关系系推论关系系是指从从一个概概念推出出另一个个概念的的语义关关系。如如，“由成绩绩好推出出学习努努力”的网络络语义为为3. 事事物和概概念的表表示 （1）用语义义网络表表示一元元关系所谓一元元关系是是指可以以用一元元谓词PP(x)表示示的关系系。其中中，个体体x为实体体，谓词词P说明明实体的的性质、属性等等。一无无关系描描述的是是一些最最简单、最直观观的事物物或概念念，常用用：“是”、“有”、“会”、“能”等语义义关系来来说明。如，“雪雪是白的的”就是

55、一一元关系系，whhitee(snnow)但语义网网络通常常描述的的是两个个结点之之间的二二元关系系。那么么如何用用它来描描述一元元关系呢呢？常用用的做法法是：用用结点11表示实实体，用用结点22表示实实体的性性质或属属性等。如，“李刚是是人” （2）用语义义网络表表示二元元关系所谓二元元关系是是指可用用二元谓谓词P(x,yy)表示示的关系系。其中中，个体体x,yy为实体体，谓词词P说明明两个实实体之间间的关系系。二元元关系可可以很方方便地用用语义网网络来表表示。例1 用语语义网络络表示：动物能运运动、会会吃。鸟是一种种动物，鸟有翅翅膀、会会飞。鱼是一种种动物，鱼生活活在水中中、会游游泳。 （

56、3）用语义义网络表表示多元元关系所谓多元元关系是是指可用用多元谓谓词表示示的关系系。其中中，个体体为实体体，谓词词P说明明这些实实体之间间的关系系。在现现实世界界中，往往往需用用通过某某种关系系把多种种事物联联系起来来，这就就构成了了一种多多元关系系。但当当用语义义网络表表示多元元关系时时，一般般采用增增加关系系结点实实现。如如：北京京位于沈沈阳和郑郑州之间间。4. 情情况和动动作的表表示为了描述述那些复复杂的情情况和动动作，SSimoon在他他提出的的表示方方法中增增加了情情况结点点和动作作结点，允许用用一个结结点来表表示情况况或动作作。（1）情情况的表表示用语义网网络表示示情况时时，需要要

57、设立一一个情况况结点。该结点点有一组组向外引引出的弧弧，用于于指出各各种不同同的情况况。示例小燕子子这只燕燕子从春春天到秋秋天占有有一个巢巢。图：带有有情况结结点的小小燕子的的语义网网络 （2）事件或或动作的的表示用语义网网络表示示事件或或动作时时，也需需要设立立一个事事件结点点。事件件结点也也有一些些向外引引出的弧弧，用于于指出动动作的主主体与客客体。示例 常河河给江涛涛一张磁磁盘。带有动作作结点的的语义网网络 带有有事件结结点的语语义网络络示例 神州州大学和和东方大大学两校校篮球队队在东方方大学进进行一场场比赛，结局的的比分是是85：89。5. 逻逻辑关系系的表示示 （1）合取与与析取的的

58、表示 （2）存在量量词和全全称量词词的表示示（P511-522 略）2.4 框架表表示法框架表示示法是在在框架理理论基础础上发展展起来的的一种结结构化知知识表示示方法。目前，已成为为一种被被广泛使使用的知知识表示示方法。框架理论论是19975年年，美国国著名学学者Miinskky提出出的一种种知识表表示方法法。框架架理论认认为，人人们对客客观世界界的认识识都是以以一种类类似于框框架的结结构存储储在记忆忆中的。当遇到到一个新新事物时时，就从从记忆中中找出一一个合适适的框架架，并根根据新的的情况对对细节加加以修改改、补充充，从而而形成对对这个新新事物的的认识。对于一个个框架，当人们们把观察察或认识

59、识到的具具体细节节填入后后，就得得到了该该框架的的一个具具体实例例，框架架的这种种具体实实例被称称为实例例框架。在框架理理论中，框架是是知识的的基本单单位，把把一组有有关的框框架连接接起来便便可形成成一个框框架系统统。在框框架系统统中，系系统的行行为由该该系统内内框架的的变化来来实现，系统的的推理过过程由框框架之间间的协调调来完成成。2.4.1 框框架和实实例框架架 1. 框架的的基本结结构框架是一一种描述述某种形形态的数数据结构构，它由由一组槽槽所组成成。每一一个槽又又可以根根据实际际情况拥拥有若干干个侧面面，每个个侧面也也可以拥拥有若干干个侧面面值。在一个框框架系统统中，一一般含有有多个框

60、框架，为为了区别别这些不不同的框框架，需需要分别别给他们们赋予不不同的名名字，称称为框架架名。同同样，对对不同的的槽和侧侧面也需需要给予予相应的的槽名和和侧面名名。一般般框架可可形式地地表示为为：:FFramme-nnamee槽名1: 侧面面名 值，值值 （SSlott-naame-1: Asppectt-,vvaluue-,vallue-） 侧面面名 值，值值槽名2: 侧面面名 值，值值 侧面面名 值，值值槽名n: 侧面面名 值，值值 侧面面名 值，值值 侧面面名 值，值值约束: 约束束条件11 约束条条件2 约束条条件k其中，约约束条件件是为了了给框架架、槽或或侧面附附加说明明信息。这些说