人工智能导论-第二章知识和知识表示方法

1、第二章 知识和知识表示方法2.0 基本概念2.1 状态空间法2.2 问题归约法2.3 谓词逻辑法2.4 语义网络法2.5 框架表示法22.0 基本概念什么是知识1.数据与信息人类赖以生存的空间是一个物质的世界，同时又是一个信息的世界信息需要用一定的形式表示才能被记载和传递，尤其使用计算机来做信息存储及处理时更需要用一组符号及其组合进行表示。这样的符号及其组合表示的信息称为数据数据与信息是两个密切相关的概念数据是信息的载体和表示信息是数据的语义32.知识把有关的信息关联在一起的信息结构，就是知识。信息之间有多种关联形式，其中用得最多的一种是用“如果，则”所表示的形式。知识反映了客观世界中事物之间

2、的关系不同事物或者相同事物间的不同关系形成了不同的知识实例知识1：如果大雁向南飞，则冬天就要来临了。知识2：雪是白色的。（事实）知识3：如果头痛且流涕，则有可能患了感冒。（规则）基本概念什么是知识4噪声数据信息知识 元知识人们描述客观世界的数据、信息、知识等具有如下的金字塔型层次结构。 知识层次客观事物的数量、属性、位置及其相互关系等的抽象表示描述数据所表示的含义是一个或多个信息的关联。把有关信息关联在一起所形成的信息结构。反映客观世界中事物的关系，不同事物或者相同事物间的不同关系形成了不同的知识。是有关知识的知识，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

3、。51.相对正确性2.不确定性3.可表示性与可利用性知识的特性61.相对正确性知识是人们对客观世界认识的结晶，并且受到长期实践经验的检验。因此，在一定的条件及环境下，知识一般是正确的，可信任的。应该注意一定的条件及环境的条件约束例如,1+1=2这样常识性的知识，也是在十进制下才是正确的2.不确定性信息与关联是构成知识的两个要素信息可能是精确的，也可能是不精确的、模糊的；关联可能是确定的，也可能是不确定的。知识不总是具有“真”或“假”这两种状态，在真和假之间可能存在许多中间状态，这种特性称为知识的不确定性。知识的特性7知识的特性（续）造成知识不确定性的原因有以下几种：（1）由随机性引起的不确定性

4、（2）由模糊性引起的不确定性（3）由不完全性引起的不确定性（4）由经验性引起的不确定性8知识的特性（续）3.可表示性与可利用性知识是可以用适当的形式表示出来的，如语言、文字、图形、神经元网络等，正是由于知识的这一特性，所以它才能被存储并得以传播它是可利用的，我们每个人天天都在利用自己掌握的知识解决所面临的各种各样问题9知识的分类对知识从不同角度划分，可得到不同的分类方法：1.按作用域划分:常识性知识和领域性知识2.按作用及表示划分：事实性知识，过程性知识，控制性知识3.按确定性划分：确定性知识和不确定性知识4.按结构及表现形式划分：逻辑性知识和形象性知识5.若抛开知识涉及领域的具体特点，从抽象

5、的、整体的观点来划分，知识可分为零级、一级和二级知识。10知识表示所谓知识表示，就是对知识的一种描述，或者说是一种约定，一种计算机可以接受的用于描述知识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知识的表示方法又称为知识表示技术，其表示形式称为知识表示模式11知识表示分类知识表示方法可分为两大类：符号表示法：用各种包含具体含义的符号，以各种不同的方式和次序组合起来表示知识连接机制表示法：用神经网络技术表示知识的一种方法，相对于符号表示法而言是一种隐式表示法12常用知识表示方法状态空间法问题归约法谓词逻辑表示法产生式表示法框架表示法语义网络表示法脚本表示法过程表示法Petri

6、网表示法面向对象的表示法本体表示法13知识的表示（续）几点注意同一个知识有多种表示方法，不同的方法其效果不一样不同领域的知识具有不同的特点各种表示方法各有优缺点，适用的情况不同选择知识表示方法，要因问题而异一般，在选用知识表示方法时，应从以下几个方面考虑1.充分表示领域知识2.有利于知识的利用3.便于知识的组织、维护与管理4.便于理解和实现142.1状态空间法（State Space Representation）问题求解技术主要是两个方面：问题的表示求解的方法状态空间法状态（state）算符（operator）状态空间方法152.1.1问题状态描述定义状态：描述某类不同事物间的差别而引入的一

7、组最少变量q0，q1，qn的有序集合。算符：使问题从一种状态变化为另一种状态的手段称为操作符或算符。问题的状态空间：是一个表示该问题全部可能状态及其关系的图，它包含三种说明的集合，即三元状态（S，F，G） （问题初始状态集合S，操作符集合F，目标状态集合G）。16对一个问题的状态描述，必须确定三件事：1.该状态描述方式，特别是初始状态描述；2.操作符集合及其对状态描述的作用；3.目标状态描述的特性。OriginalStateMiddleStateGoalState算符算符状态空间法解释：从某个初始状态开始，每次加一个操作符，递增的建立起操作符的实验序列，直到达到目标状态止。如下棋、迷宫及各种游

8、戏。17例:三数码难题（3 puzzle problem）123123123312312312初始棋局目标棋局18有向图 一对节点用弧线连接起来，从一个节点指向另一个节点这种图叫做有向图。路径 某个节点序列（ni1，ni2，nik）当 j = 2，3，k时，如果对于每一个ni，j-1都有一个后继节点ni，j存在，那么就把这个节点序列叫做从节点ni1至节点nik的长度为k的路径代价 用c（ni，nj）来表示从节点ni指向节点nj的那段弧线的代价。两点间路径的代价等于连接该路径上各节点的所有弧线代价之和.状态图示法AB19图的显示说明 对于显式说明，各节点及其具有代价的弧线由一张表明确给出。此表可

9、能列出该图中的每一节点、它的后继节点以及连接弧线的代价(举例：邻接表，邻接矩阵)图的隐示说明 说明节点的无限集合si作为起始节点是已知的。后继节点算符（gamma）也是已知的，它能作用于任一节点以产生该节点的全部后继节点和各连接弧线的代价。（举例：棋局）表示方法的多样性 如十五数码难题中规则1：移动数码（15X4条规则）规则2：移动空格（4条规则）20产生式系统搜索过程描述产生式系统（production system）一个总数据库：它含有与具体任务有关的信息随着应用情况的不同，这些数据库可能简单，或许复杂。一套规则：它对数据库进行操作运算。每条规则由左部鉴别规则的适用性或先决条件以及右部描述

10、规则应用时所完成的动作。一个控制策略：它确定应该采用哪一条适用规则，而且当数据库的终止条件满足时，就停止计算。21状态空间表示举例例：猴子和香蕉问题22解题过程用一个四元表列（W，x，Y，z）来表示这个问题状态.W 猴子的水平位置X 当猴子在箱子顶上时取x = 1;否则取 x = 0Y 箱子的水平位置z 当猴子摘到香蕉时取 z=1；否则取 z=0这个问题的操作（算符）如下：goto（U）表示猴子走到水平位置U或者用产生式规则表示为（W，0，Y，z）goto（U）（U，0，Y，z）23pushbox（V）猴子把箱子推到水平位置V，即有（W，0，W，z）pushbox（V）（V，0，V，z）cli

11、mbbox猴子爬上箱顶，即有（W，0，W，z）climbbox （W，1，W，z） 应当注意的是，要应用算符pushbox（V），就要求产生式规则的左边，猴子与箱子必须在同一位置上，并且，猴子不是箱子顶上。这种强加于操作的适用性条件，叫做产生式规则的先决条件24grasp猴子摘到香蕉，即有（c，1，c，0）grasp （c，1，c，1） 令初始状态为(a，0，b，0)。这时，goto(U)是唯一适用的操作，并导致下一状态(U，0，b,0)。现在有3个适用的操作，即goto(U)，pushbox(V)和climbbox(若U=b)。把所有适用的操作继续应用于每个状态，我们就能够得到状态空间图，如

12、下图所示。25(b，1，b，0)（U，0，b，0）（V，0，V，0）（c，1，c，0）（U，0，V，0）（c，1，c，1）（a，0，b，0）目标状态goto（U）goto（U）U=b，climbboxgoto（U）U=bpushbox（V）goto（U）U=V猴子和香蕉问题的状态空间图从图不难看出，把该初始状态变换为目标状态的操作序列为 goto(b),push box(c),climbbox,grasp26猴子和香蕉问题自动演示猴子香蕉箱子猴子香蕉箱子Ha!Ha!27状态空间表示实例推销员旅行问题(TSP问题)问题描述： 一个推销员计划出访推销产品。他从一个城市( 如 A) 出发 , 访问每

13、个城市一次 , 且最多一次 , 然后 返回城市 A 。要求寻找最短路线 。ABDE28为了确定这个问题 , 作如下规定 :(1) 总数据库是到目前为止所访问过的城市表 .初始数据库被描述为表 (A) 。不允许目录表中任一城市出现多于一次 , 只有城市 A 例外 , 但也只有当所有其他城市均已出现之后 , 才能再次出现 A 。(2) 规则对应于决策：即下一步走向城市 A; 下一步走向城市 B; ; 下一步走向城市E 。一条规则除非能够把某个数据库变为一个合法数据库 , 否则就不适用于这个数据库。例如, 应用“下一步走向城市 A”这条规则就不适用于尚未出现所有其他城市的任一数据库。(3) 任一以

14、A 为起点和终点,并出现所有其他城市的总数据库,都满足终止条件。可以使用下图的距离图表来计算任一旅程的总距离。提出作为解答的任一旅程,必须是具有最短距离的旅程。29(ACDEBA)推销员旅行问题状态空间图(A)起始节点ABDE302.2 问题归约法（Problem Reduction Representation）问题归约法思想 先把问题分解为子问题及子-子问题，然后解决较小的问题。对该问题的某个具体子集的解答就意味着对原始问题的一个解答子问题1子问题n原始问题子问题集本原问题31问题归约表示的组成部分：一个初始问题描述；一套把问题变换为子问题的操作符；一套本原问题描述。问题归约的实质：从目标

15、(要解决的问题)出发逆向推理，建立子问题以及子问题的子问题，直至最后把初始问题归约为一个平凡的本原问题集合。322.2.1 问题归约描述（Problem Reduction Description）梵塔难题123CBA思考：用状态空间法有多少个节点？为什么？33解题过程（3个圆盘问题）12312312312312312312312334梵塔问题归约图（113）（123）（111）（113）（123）（122）（111）（333）（122）（322）（111）（122）（322）（333）（321）（331）（322）（321）（331）（333）35问题归约的描述问题归约方法应用算符把问题描述

16、转化为子问题描述，可以采用各种数据结构：表列、树、字符串、矢量、数组等；例如梵塔问题的表示：包含两个数列的表列：(113),(333)也可以用状态空间表示法的三元组（S，F，G）表示；其子问题描述规定了最后解答路径将要通过的中间状态；可以把问题归约发看成比状态空间法更通用的问题求解方法；其核心实现是不断简化问题，直至问题成为本原问题（已知问题、易解问题）；362.2.2 与或图表示1.与图、或图、与或图ABCD与图ABC或图37BCDEFGAHMBCDEFGAN增加附加节点后的规范化与或图表示：38t1t2t4t5不可解节点端节点:没有子节点的节点终止节点:本原问题所对应的节点可解节点:1）它

17、是一个终止节点2）它是一个“或”节点，且其子节点至少有一个是可解节点3）它是一个“与”节点，且其子节点全部是可解节点不可解节点:关于可解节点的三个条件全部不满足的节点称为不可解节点终止节点端节点可解节点初始节点或节点与节点2. 术语39tttt有解节点无解节点终止节点解树:可解节点所构成的，并且由这些可解节点可推出初始节点（它对应于原始问题）为可解节点的子树402.3 谓词逻辑法逻辑语句：一种形式语言，它能够把逻辑论证符号化，并用于证明定理，求解问题。形式语言：严格地按照相关领域的特定规则，以数学符号（符号串）形式描述该领域有关客体的表达式2.3.1 谓词演算 1. 语法和语义基本符号谓词符号

18、、变量符号、函数符号、常量符号、括号和逗号谓词演算的解释：谓词符号对应关系，常量符号论域实体，函数符号对应函数；41原子公式：由若干谓词符号和项组成的谓词演算。原子公式是谓词演算基本积木块。项包括常量符号、变量符号、函数符号等。定义原子公式为真值或假值就表示了某种语义。无变量的原子公式取值确定，包含变量的原子公式取值不定。例如：INROOM（ROBOT，r1） 为真INROOM（ROBOT，r2）为假MARRIEDfather(wang),mother(wang)42连词和量词(Connective &Quantifiers)连词与、合取（conjunction)：用连词把几个公式连接起来而构

19、成的公式。合取项是合取式的每个组成部分。 例:(我喜爱音乐和绘画) LIKE(I，MUSIC)LIKE(I，PAINTING) 或、析取（disjunction）：用连词把几个公式连接起来而构成的公式。析取项是析取式的每个组成部分 例：PLAYS(LILI，BASKETBALL)PLAYS(LILI，FOOTBALL) （李力打篮球或踢足球。）蕴涵(Implication):“”表示“如果那么”（IFTHEN）关系，其所构成的公式叫做蕴涵。非（Not）表示否定，、均可表示量词全称量词（Universal Quantifiers)存在量词 (Existential Quantifiers)432

20、.3.2 谓词公式原子公式的的定义：用P(x1，x2，xn)表示一个n元谓词公式，其中P为n元谓词，x1,x2,，xn为客体变量或变元。通常把P(x1,x2,xn)叫做谓词演算的原子公式，或原子谓词公式。分子谓词公式可以用连词把原子谓词公式组成复合谓词公式，并把它叫做分子谓词公式。44合式公式（WFF，well-formed formulas）合式公式的递归定义(1)原子谓词公式是合式公式。(2)若A为合式公式，则A也是一个合式公式。(3)若A和B都是合式公式，则(AB)，(AB)，(AB)和(AB)也都是合式公式。(4)若A是合式公式，x为A中的自由变元，则(x)A和(x)A都是合式公式。(

21、5)只有按上述规则(1)至(4)求得的那些公式，才是合式公式。45合式公式的性质合式公式的真值等价（Equivalence) 如果两个合式公式，无论如何解释，其真值表都是相同的，那么我们就称此两合式公式是等价的。T F T F F F表2-1 真值表P Q PQ P Q PQ PT T T T T FF T T F T TF F F F T T46等价关系(1 否定之否定(P) 等价于 P(2)P Q 等价于 P Q(3) 狄摩根定律(P Q) 等价于 P Q(P Q) 等价于 P Q(4 分配律P (Q R) 等价于 (P Q) (P R)P (Q R) 等价于 (P Q) (P R)(5)

22、 交换律P Q 等价于 Q PP Q 等价于 Q P 47(6) 结合律(P Q) R 等价于 P (Q R)(P Q) R 等价于 P (Q R)(7) 逆否律P Q 等价于 Q P(8)( x)P(x) 等价于 ( x)P (x) ( x)P(x) 等价于 ( x)P (x) (9)( x)P(x) Q(x) 等价于 ( x)P(x) ( x)Q(x) ( x)P(x) Q(x) 等价于 ( x)P(x) ( x)Q(x) (10 ( x)P(x)等价于 ( y)P(y)( x)P(x)等价于(y)P(y) 482.3.3 置换与合一置换假元推理：就是由合式公式W1和W1W2产生合式公式W

23、2的运算。全称化推理：是由合式公式（x）W（x）产生合式公式W（A），其中A为任意常量符号。综合推理：同时应用上述二者。定义就是在该表达式中用置换项置换变量性质可结合的不可交换的49合一（Unification)合一：寻找项对变量的置换，以使两表达式一致。可合一：如果一个置换s作用于表达式集Ei的每个元素，则用Ei s来表示置换例的集。称表达式集Ei是可合一的。501）令k=0，Fk=F，k=。这里，F是欲求其最一般合一的公式集，是空代换，它表示不做代换2）若Fk只含一个表达式，则算法停止,k就是最一般合一3）找出Fk的差异集Dk。4）若Dk中存在元素xk和tk，其中xk是变元,tk是项，且x

24、k不在tk中出现，则置： k+1= k 。tk/ xk Fk+1 = Fk tk/ xk， k=k+1 然后转2）。5）算法终止，F的最一般合一不存在。求最一般合一的算法 51例 设有公式集 F=P(a,x,f(g(y),P(z,f(z),f(u)求其最一般合一。解： 1）令0=，F0=F,因 F0 中有两个表达式，所以0不是最一般合一 2）差异集D0 =a,z 3）1=0a/z=a/z, F1=F0a/z= P(a,x,f(g,y),P(a,f(a),f(u) 4） D1 =x,f(a) 5）2= 1 f(a)/x=a/z,f(a)/x F2=F1f(a)/x=P(a,f(a),f(g(y)

25、,P(a,f(a),f(u) 6） D2 =g(y),u 7）3= 2g(y)/u=a/z,f(a)/x,g(y)/u 8） F3= F2g(y)/u=P(a,f(a),f(g(y) 因为F3只含一个表达式，所以3 就是最一般合一， 即是最一般合一为：a/z,f(a)/x,g(y)/u举 例1.试用相应的谓词公式分别表示下列语句。(1)有的人喜欢梅花，有的人喜欢菊花，有的人既喜欢梅花又喜欢菊花。(2)新型计算机速度又快，存储容量又大。(3)不是每个计算机系的学生都喜欢在计算机上编程序。52(1)有的人喜欢梅花，有的人喜欢菊花，有的人既喜欢梅花又喜欢菊花。解：定义谓词：P(x):x是人L(x,y

26、):x喜欢y其中，y的个体域是梅花，菊花将知识用谓词表示为：( x)(P(x) L (x,梅花) L (x,菊花) L (x,梅花)L (x,菊花) 53(2)新型计算机速度又快，存储容量又大。解：定义谓词：NC(x):x是新型计算机F(x):x速度快B(x):x容量大将知识用谓词表示为：( x)(NC(x)F(x) B(x)54(3)不是每个计算机系的学生都喜欢在计算机上编程序。解：定义谓词：S(x):x是计算机系学生L(x,programming):x喜欢编程序U(x,computer):x使用计算机将知识用谓词表示为：( x)(S(x) L(x,programming) U(x,comp

27、uter)5556谓词逻辑表示方法的特点主要优点 符号简单，描述易于理解。 自然、严密、灵活、模块化。 具有严格的形式定义。 每项事实仅需表示一次。 具有证明过程中所使用的推理规则。 利用定理证明技术可从旧事实推出新事实。主要缺点： 难于表示过程式和启发式知识。 由于缺乏组织原则，利用该方法表示的知识库难于管理。 由于是弱证明过程，当事实的数目增大时，在证明过程中决定使用哪条规则时可能产生组合爆炸。 不具有表示不精确和不确定知识的能力。572.4 语义网络法（Semantic Network Representation）语义网络的结构定义组成部分语义网络是奎廉（J.R.Quillian）于1

28、968年提出的,作为描述 人类联想记忆的一种心理学模型。1972年，西蒙将语义网络用于自然语言理解。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一个语义网络是一个带标识的有向图，其中：节点：表示各种事物、概念、属性、动作、状态有向弧：表示它所连接的节点间的某种语义联系58组成部分词法:决定表示词汇表中允许有哪些符号,它涉及各个节点和弧线。 结构:叙述符号排列的约束条件,指定各弧线连 接的节点对。 过程: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: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。 59ACBDEFGRABRADRB

29、ERFERCFRACRCGRDG语义网络结构示例60表示占有关系和其它情况例：燕子是鸟；2.4. 1 二元语义网络的表示SwallowBirdISA61狗吃肉狗的语义网络能运动是一种是一种动物身上有毛能狩猎有尾巴有生命会吃跑得快猎狗“猎狗是一种狗”这一简单事实的语义网络短线与相应的节点相连的部分是该节点所描述的属性1.用语义网络表示事实62占有鸽子窝春天秋天鸟鸟窝时间情况小信使小信使鸽子窝鸟鸟窝是一只占有物开始于结束于是一种是是是一种是一种是一种是一只占有物（a）（b）是一种占有者指出了“小信使这只鸽子占有一个窝”，而且还指出了占有的起止时间将“占有”作为一个语义关系用一条有向弧表示事实：“小

30、信使”这只鸽子从春天到秋天占有一个窝632. 用语义网络表示事物间的关系几种常用的关系（1）分类关系 分类关系是指事物之间的类属关系（2）聚集关系 如果下层概念是上层概念的一个方面或者一个部分，则称它们的关系是聚集关系教学学生教师课程部分部分部分猎狗狗是一种分类关系聚集关系64饥饿需进食推出（3）推论关系一个概念可由另一个概念推出（4）时间、位置关系描述一个事物时，常常需要指出它发生的时间、位置等65（5）多元关系 二元关系：在语义网络中，一条有向弧从一个节点指向另一个节点，表示这两个节点的一种语义关系。多元关系：用一种关系把几个节点联系起来，通过一个节点和多条有向弧来表示。例如“小信使语义网

31、络”中，表示一个占有关系占有窝春天秋天情况小信使占有物开始于结束于是一种占有者66用语义网络表示复杂知识时，常涉及到对量词及量化变元的表示对于存在量词直接用“是一个”、“是一种”等语义联系表示。对于全称量词需要用网络分区技术处理。网络分区技术由享得里克（G.G.Hendrix）在1975年提出的。网络分区技术的思想： 把一个表示复杂知识的命题划分为若干子命题，每一个子命题有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，子空间之间用有向弧连接。空间可以逐层嵌套3. 变元与量词在语义网络中的表示67例，对于如下事实：每个学生

32、都背诵了一首唐诗。学生背诵唐诗srp是是是主体客体GSgF 其中，s是全称量词，表示任一个学生，r是存在量词，表示某一次背诵，p是存在量词，表示某一首唐诗。用节点g表示这个子空间，用有向弧F指明节点g表示的是一个什么样的子空间。有向弧指出子空间g中的全称量词变元是s。节点GS表示整个空间。注意：一个子空间中的所有非全称量词变元节点都应是全称量词变元的函数，否则，就放在子空间的外面超结点68学生背诵sr是是是主体客体GSgF静夜思唐诗例如，对如下事实：每个学生都背诵了“静夜思”这首诗。因为“静夜思”是一个常量，不是全称量词s的函数，应放在子空间之外694. 常用的语义联系语义联系反映了节点之间的

33、语义关系在框架表示法中的系统定义的槽名（ISA、Subclass、Part-of、Infer等）可以作为语义网络知识表示中的系统预定义的语义联系70常用的语义联系李明XX学会A-Member-of 它表示个体与集体（类或集体）之间的关系。由它联系的个体对集体有属性继承性 和属性更改权。例，“李明是学会会员”的语义网络。（1）A-Member-of联系 （2）Compose-of 联系它表示“构成”联系，是一种一对多的联系。有它联系节点一般不具有属性继承性，一般需要引入一个节点。正整数与整数Compose-of零负整数例，“整数由正整数,负整数与零组成”。71（3）Have联系李 明计算机Hav

34、e它表示事物对属性的“拥有”关系或事物之间的“占有”关系 例如，“李明有计算机”（4）Before、After、At联系开学9月At用来表示事件发生的时间关系，Before表示一个事件发生在另一个事件之前，After表示一个事件发生在另一个事件之后，At表示事件发生的时间例，“9月份开学”72（5）Located-on(-at,-under,-inside,-outside等) 联系计算机桌子Located-on表示事物之间的位置关系 例如，“计算机放在桌子上”（6）Similar-to、Near-to联系方凳方桌Similar-to表示事物之间的相似和接近关系 例，“方凳相似于方桌”73例2

35、.9 由给出的系统预定义语义联系画出下述知识的语义网络：每位住在金山公寓3号楼的人都是金山公司的程序员.解：先用谓词公式表示出来，然后用语义网络表示。定义谓词： Person(x) : 表示x是人 Address(x,y): 表示x住在y Occupation(x,y):表示x的职业是y Member(x,y): 表示x是y的成员谓词公式表示： (x)(Person(x)Address(x,金山公寓3号楼) (Occupation(x,程序员) Member(x,金山公司)74说明：（1）引入两个超节点A和B分别代表两个子空间（2）其中， X 是全称量词，表示任一个人，add是存在量词，表示某

36、一住地，OC是存在量词，表示某一职业。用有向弧F指明节点A和B分别表示的是一个什么样的子空间。有向弧指出子空间A和B中的全称量词变元是X。（3）还用到语义联系：ISA、Infer、Have、Member-of、Loca-inside等金山公司addxABOCoccupationaddress金山公寓3号楼程序员ISAPersonISAISAISAISAMember-ofHaveLoca-insideFInferF752.4.3语义网络的推理及其特点语义网络系统： 用语义网络表示知识的问题求解系统语义网络系统的组成：由语义网络表示的知识库利用语义网络求解问题的程序，称为语义网络推理机76 语义网

37、络的推理主要包括：网络匹配：寻找与网络片断的语义网络模式继承推理：使用节点的继承关系进行推理网络演绎 ：使用节点间的推论关系确定不同结构网络片断间的语义等价关系1.语义网络系统的推理77 语义网络求解问题的基本过程：1)把待求解的问题构造为一个问题网络片段，其中有些节点或者有向弧的标识是空的，反映待求解问题2)在语义网络知识库中搜寻可与问题网络片段匹配的网络片段。搜寻中，可能需要进行继承推理和网络演绎3)当问题网络片段与知识库中的某语义网络片段匹配时，则由此可匹配的语义网络片段得到问题的解78（1）网络匹配例设事实： 赵云是一个学生。赵云在东方大学主修计算机课程。赵云入校的时间是1990年。用

38、语义网络表示上述事实，并求解问题：赵云修什么课？ 解：（1）给出事实的语义网络教育学生赵云大学东方大学教育1科学计算机 1990时间ISAISAISAISAISAAgentBeginRecipientMajor赵云受教育情况的语义网络79X教育赵云RecipientMajorISA待求解问题语义片段（3）将二图进行匹配，可以知道赵云主修课程是计算机。 (说明：语义网络匹配建立在精确匹配的基础上，包含节点和有向弧的匹配。)（2）根据事实构造语义网络根据求解问题构造问题网络片段80继承推理指推理机利用ISA和AKO等具有继承性的语义联系对网络片段中并不显示存在的结构进行匹配，即网络片段的继承匹配如

39、果在下层网络片段中没有找到问题网络片段需要匹配的有向弧和节点，可沿该下层节点的ISA有向弧找到上层节点。只要上层节点的属性描述中有可匹配的有向弧和节点，问题网络片段就完成了继承匹配（2）继承推理81小米谷物麻雀麻雀1鸟动物翅膀飞行工具AKOAKOAKOISAISA说明：可以从图看出麻雀是鸟的一个下层结点。鸟有一个属性结点是翅膀，说明鸟是有翅膀的，并且通过AKO链传递给下层结点麻雀，可以通过语义网络推导知道，麻雀是有翅膀的82推理网络指带有逻辑语义关系的语义网络若两节点A和B，由有向弧Infer连接A至B，则A是规则的前提条件，B是规则的结论；若由有向弧Possible-Reason连接A至B，

40、则A是规则的结论，B是A成立的原因。（3）语义网络演绎83语义网络表示法的特点（1）结构性 语义网络表示法是一种结构化的知识表示方法。语义网络具有更大灵活性 ，用其他方法表示的知识几乎都可以用语义网络表示（2）自然性 语义网络实际上是一个带有标识的有向图，可直观的把事物的属性及事物间的语义联系表示出来，便于理解84语义网络表示法的主要局限性(1)非严格性 与谓词相比，语义网络没有公认的形式化表示体系(2)复杂性 语义网络表示方法具有表示知识的灵活性，但是，也由于它表示知识的非严格性，一旦结点个数太多，网络结构复杂，推理就难以进行852.5 框架表示法1975年，美国的人工智能学者明斯基根据人们

41、在理解情景、故事时的思维过程提出的心理学模型在论文“A Framework for Representing Knowledge”中提出了框架理论框架理论的思想：认为人们对现实世界中各种事物的认识都是一种类似于框架的结构存储在记忆里，当面临一个新事物时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据实际情况对其细节加以修改、补充，从而形成对当前事物的认识。框架表示法就是用来表示这种经验性知识的一种知识表示方法。86框架的形式表示： 框架名 槽名1： 侧面名11： 侧面值11 侧面名12： 侧面值12 侧面名1n： 侧面值1n 槽名k： 侧面名k1： 侧面值k1 侧面名k2： 侧面值k2 侧面名km： 侧

42、面值km约束条件：约束条件1约束条件2约束条件3为了给框架、槽、侧面附加说明信息2.5.1 框架的构成框架通常由描述事务的各个方面的槽组成，每个槽可以拥有若干个侧面，而每个侧面可以拥有若干个值。87框架网络建立框架之间的联系： 由于框架中的槽值或侧面值都可以是另一个框架的名，建立框架之间的联系，通过一个框架可以找到另一个框架上层框架：处于某种环境中若干对象必然会有某些共同的属性，提取它们的共同属性，构成上层框架下层框架：对各类对象独有的属性分别构成若干个下层框架“继承”槽：指明框架之间的上下关系继承性：下层框架可以继承上层框架的属性和值继承性的优点：通过继承性，在框架网络中，避免了相关对象的重

43、复描写，节约时间和空间88例 建立分层框架网络说明：框架网络从最高层框架到最底层框架的框架名依次为：, , , ,并为相应框架设置继承槽来避免重复描述。 师生员工框架为： 框架名： 姓名：单位（姓，名） 年龄：单位（岁） 性别：范围（男，女） 缺省：男 健康状况：范围（健康,一般,差） 缺省：一般 住房：住房 教职工框架为： 框架名：教职工 继承：师生员工工作类型：范围（教师，干部，工人） 缺省：教师 学历：范围（中专，大专，本科，研究生） 缺省：本科 参加工作时间：单位（年，月）89教师框架为： 框架名：教师 继承：教职工 部门：单位（系，教研室） 语种：范围（英语，法语，德语，日语，俄语）

44、 缺省：英语 职称：范围（教授，副教授，讲师，助教） 缺省：讲师 某个教师的实例框架为： 框架名：教师1 继承：教师 姓名：王林 年龄：36 健康状况：健康 参加工作时间：1982，9 部门：计算机系软件教研室 职称：副教授90从上述描述可以看出：1）在框架网络中，既有用“继承”槽指出上、下层框架之间的纵向关系，也有以框架名作为槽值指出框架之间的横向关系。2）实例框架中的每一个槽都应给出槽值，并可以继承上层框架槽的槽值，从而获得实例框架中没有直接给出的知识。3）以框架作为知识表示模式时，知识是通过属性值表示的91系统预定义的槽名在框架表示法中，对于一些常用且可公用的槽名给出了标准槽名及其定义，

45、称这些槽名为系统预定义槽名（1）ISA槽用于指出事物之间抽象概念上的类属关系，其含义是“是一个”、“是一种”、“是一只”等当用ISA作为某下层框架的槽时，表示该框架所描述的事物是其上层框架的一个特例，上层框架是比下层框架更一般或更抽象的概念。或者说，框架可以用一个ISA槽指出它的父框架槽值是它父框架的框架名说明：用“ISA”槽所指出的联系都具有继承性 ，即下层框架可继承上层框架所描述的属性及其属性值92（2）AKO槽用于具体地指出事物间的类属关系，其含义是“是一种”。当用它作为某下层框架的槽时，就明确的指出该下层框架所描述的事物是其上层父框架所描述的事物中的一种槽值是它上一层框架的框架名 （3

46、）Subclass槽用于指出子类与父类（或子类与超类）之间的类属关系。当用它作为某下层框架的槽时，表示该下层框架是其上层父框架的一个子类（或子子类）槽值是它父框架的框架名（4）Instance槽用来建立AKO槽的逆关系。当它作为某上层框架的槽时，用来指出它的下一层子框架是哪一些框架槽值是它下一层框架的框架名93（5）Part-of槽用于指出“部分”与“整体”的关系当它用作某下层框架时，它指出该下层框架所描述的事物只是其上层框架所描述事物的一部分。Part-of槽不具有继承性：Part-of槽只是指出下层框架是上层框架的一个子结构，两者一般不具有共同的特性，不能继承上层框架所描述的属性和值（6）

47、Infer槽用来指出两个框架所描述事物间的逻辑关系，可以用来表示产生式规则（7）Possible-Reason槽与Infer槽的作用相反,它用来把某个结论与可能的原因联系起来942.5.2 框架的推理及其特点用框架表示知识的系统组成：有框架网络构成的知识库；由一组程序构成的框架推理机。说明：知识库作用：提供求解问题所需要的知识推理机作用：针对用户提的问题，运用知识库中的知识完成问题求解推理机理知识库向特定框架发送消息，启动相应的附加过程根据返回值，评价决定下一步的附加过程框架推理过程95框架推理的基本过程在框架表示知识的系统中，推理过程是主要通过框架匹配与填槽来实现：（1）把要求解的问题用一个称为问题框架表示出来（2）把初始问题框架与知识库已有的框架进行匹配96例题: 假设上例提出的关于师生员工的框架网络已建立在知识库中，当前要求解的问题是从知识库中