知识与知识表示

关于知识与知识表示第1页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五2内容提要知识的概念知识的分类知识的表示过程知识的表示方法第2页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五3知识的概念知识（Knowledge）是人们在改造客观世界的实践中形成的对客观事物（包括自然的和人造的）及其规律的认识，包括对事物的现象、本质、状态、关系、联系和运动等的认识。经过人的思维整理过的信息、数据、形象、意象、价值标准以及社会的其他符号产物，不仅包括科学技术知识----知识中最重要的部分，还包括人文社会科学的知识、商业活动、日常生活和工作中的经验和知识，人们获取、运用和创造知识的知识，以及面临问题做出判断和提出解决方法的知识。第3页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五4知识的概念知识是把有关的信息关联在一起，形成的关于客观世界某种规律性认识的动态信息结构。知识=事实+规则+概念

事实就是指人类对客观世界、客观事物的状态、属性、特征的描述，以及对事物之间关系的描述。规则是指能表达在前提和结论之间的因果关系的一种形式；概念主要指事实的含义、规则、语义、说明等。第4页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五5知识的分类

一按知识的作用范围分：

（1）常识性知识：通用性知识，适用于所有领域；如一年有四个季节。（2）领域性知识：面向某个具体领域的知识，是专业性知识，如疾病诊断的知识。第5页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五6知识的分类

2按知识的作用及表示划分：（1）事实性知识：用于描述领域内的有关概念、事实、事物的属性及状态；

如：太阳从东方升起（2）过程性知识：与领域相关的、用于指出如何处理与问题相关的信息以及求得问题的解；

如：如果信道畅通，请发绿色信号（3）控制性知识：又称为深层知识及元知识，是关于如何运用已有的知识进行问题求解的知识，也称为关于知识的知识。

如：问题求解过程中的处理方法、搜索策略、控制结构第6页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五7知识的分类

3按知识的确定性来分：（1）确定性知识：指其逻辑值为真或假的知识，是精确性知识；

如：他是男的（2）不确定性知识：是不精确、不完全、模糊性知识的总称。

如：今天阴天，可能要下雨第7页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五8知识的分类

4按人类的思维及认识方法来分：（1）逻辑性知识：是反映人类逻辑思维过程的知识，一般具有因果关系或难以精确描述的特点，是人类的经验性知识和直观感觉；

如：人的为人处事的经验与风格（2）形象性知识：通过事物的形象建立起来的知识。

如:什么是牛？第8页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五9知识的分类5知识的获取方式来分：（1）显性知识：指可通过文字、语言、图形、声音等形式编码记录和传播的知识；如：教材、音视频光盘。（2）隐性知识：指人们长期实践中积累获得的知识，不易用显性知识表达的知识。

如：每个人都有不同的审美观。第9页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五10知识的分类不管从什么角度去划分知识，要用机器对知识进行处理，都必须以适当的形式对知识进行表示，这就是知识表示技术。在选择知识表示的方法时应考虑几个因素：（1）能否充分表示相关领域的知识；（2）是否有利于对知识的利用；（3）是否便于知识的组织和管理；（4）是否便于理解和实现。第10页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五11人工智能研究学派人工智能研究者根据研究的基础理论和方法不同，分为符号主义（又叫心理学派）、联结主义（又叫生理学派）、行为主义（又叫控制论学派）。（1）符号主义认为人的认知基元是符号，而且认知过程即符号操作过程，人通过自已的眼睛观察客观事物，用符号的形式表示出来，而计算机也是一个对逻辑符号表示的知识进行演绎的物理符号系统。因此可以用计算机自身所具有的符号处理推算能力来模拟人的智能行为。它的主要特征是知识可用符号表示，立足于逻辑运算和符号操作，适合于模拟人的逻辑思维过程，解决需要进行逻辑推理的复杂问题。

第11页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五12人工智能研究学派（2）联结主义又称仿生学，人脑是由大约1011个神经细胞组成，所以认为人的思维基元是神经元，而不是符号处理过程，主张采用模拟人的生理神经网络结构的研究方法。这种方法的特征是实现联想功能，对于带有噪声、缺损、变形的信息进行有效的处理，适合于模拟人类的形象思维过程，求解问题时，可以比较快地求得一个近似解。

第12页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五13人工智能研究学派（3）行为主义认为智能取决于感知和行动，不需要知识、不需要表示、不需要推理。认为人的智能行为是在与现实世界的环境交互作用下表现出来的，这种观点的核心是用控制取代知识表示，从而获得概念、模型以及显式表示的知识。这一观点还没有形成完善的理论体系。第13页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五14知识表示入门—用实例说明知识表示的过程

一个老农携带一只狐狸、一头羊羔和一筐白菜，要从南岸过河到北岸。岸边有一条小船，只有老农自己能划船，而且除了老农以外，每次只能再带一样东西过河。在整个渡河过程中，无论什么情况，若老农不在场时，则不允许狐狸和羊羔单独相处，否则羊羔会遭殃；羊羔也不得与白菜放在一起，否则羊羔会吃白菜。请问，老农如何才能把它们全部安全摆渡到北岸？第14页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五15知识表示入门—自然语言描述1）老农携带羊羔过河，把狐狸和白菜留在南岸；2）老农到达北岸，把羊羔留在北岸，并独自回到南岸；3）老农携带狐狸过河，把白菜留在南岸；4）老农到达北岸，把狐狸留下，并带上羊羔回到南岸；5）老农把羊羔留在南岸，携带白菜过河；6）老农到达北岸，把白菜和狐狸留在北岸，独自回到南岸；7）老农最后携带羊羔过河，到达北岸。问题就此解决。第15页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五16知识表示入门—状态和操作用符号表示：M：代表老农(farmer)F：代表狐狸(fox)L：代表羊羔(lamb)C：代表白菜(cabbage)S：表示在南岸N：表示在北岸S-N：表示从南到北N-S：表示从北到南第16页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五17知识表示入门—状态和操作用（M，F，L，C）表示四个对象的一个状态,可有S和N两个值；改变状态的操作，可分别用1，0表示。表示对象“在船上”和“不在船上”两个值。如：初始状态：（S，S，S，S），终止状态：（N，N，N，N），中间状态：S-N（1，1，0，0）第17页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五18知识表示入门—状态约束分析老农和其他三个对象不在同一岸（狐狸要吃羊羔，羊羔要吃白菜）

(S,N,N,N)：老农在南岸，其他三个对象在北岸

(N,S,S,S)：老农在北岸，其他三个对象在南岸

羊羔和白菜在同一岸（羊羔要吃白菜）

(S,S,N,N)：老农和狐狸在南岸，羊羔和白菜在北岸

(N,N,S,S)：老农和狐狸在北岸，羊羔和白菜在南岸

狐狸和羊羔在同一岸（狐狸要吃羊羔）

(S,N,N,S)：老农和白菜在南岸，狐狸和羊羔在北岸

(N,S,S,N)：老农和白菜在北岸，狐狸和羊羔在南岸

因老农、狐狸、羊羔和白菜都有2种状态，即在南岸和北岸，所以4个对象的总状态数为2*2*2*2=16种，按条件要求，有几种状态不能存在，如表所示。所以只有10种可能状态。第18页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五19知识表示入门—操作约束根据题意，在10种可能的安全状态里，只有4种是有可能的操作：1）老农独自过河（包括从南岸到北岸和从北岸到南岸，下同）2）老农携带狐狸过河3）老农携带羊羔过河4）老农携带白菜过河第19页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五20知识表示入门—问题求解过程的表示

N-S（1,1,0,0）第20页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五21知识表示法所谓知识表示（KnowledgeRepresentation）,就是把知识用计算机可接受的符号并以某种形式描述出来。常见的知识表示方式有一阶谓词逻辑、产生式表示、状态空间图表示、与或图表示、语义网络、框架结构表示，还有问题归纳法、面向对象法等。

第21页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五22知识表示法—一阶谓词逻辑（1）命题逻辑“命题逻辑”是“谓词逻辑”的基础。在现实世界中，有些陈述语句在特定情况下都具有“真”或“假”的含义，在逻辑上称这些语句为“命题”。如：A。天在下雨。B。天晴C。人是会死的D。他在哭表达单一意义的命题称为“原子命题”。命题逻辑就是研究命题和命题之间关系的符号逻辑系统。第22页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五23知识表示法—一阶谓词逻辑（2）命题逻辑的联结词原子命题可通过“联结词”构成“复合命题”，联结词有5种，定义为：1）¬表示否定，复合命题“¬Q”即“非Q”2）∧表示合取，复合命题“P∧Q”表示“P与Q”3）∨表示析取，复合命题“P∨Q”表示“P或Q”4）→表示条件，复合命题“P→Q”表示“如果P，那么Q”5）表示双条件，复合命题“PQ”即表示“P当且仅当Q”第23页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五24知识表示法—一阶谓词逻辑（3）命题逻辑的蕴含式表示蕴含，如果P→Q恒为真，则称“PQ”为“P永真蕴含Q”如：如果天下大雨，则停止足球赛；（P→Q）天正在下大雨；（P）所以停止足球赛。（Q）可以表示为：P，P→QQ

例：如果是鸟，那么就会飞。（P→Q）驼鸟是鸟（P）所以驼鸟就会飞（Q）这个推理就不正确，原因是P→Q不是永真的。第24页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五25知识表示法—一阶谓词逻辑谓词逻辑是命题逻辑的扩充和发展，它将一个原子命题分解成客体和谓词两个组成部分。在谓词公式P（x）中，P称为谓词，x称为个体变元，若x是一元的，称为一元谓词，P（x,y）称为二元谓词。在谓词中，个体可以为常量，变量，函数。若谓词中的个体都为常量，变量或函数，则称它为一阶谓词，如果个体本身是谓词，称为二阶谓词，依次类推。谓词公式也有原子谓词公式、复合谓词公式等概念，利用命题逻辑的联结词将原子逻辑化式组合为复合谓词公式。第25页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五26知识表示法—一阶谓词逻辑（4）谓词逻辑的量词(Quantifiers)量词表示了个体与个体域之间的包含关系，谓词逻辑中有两个量词：1）全称量词（UniversalQuantifiers）用字符“”表示。表示了该量词作用的辖域为个体域中“所有的个体x”或“每一个个体都”要遵从所约定的谓词关系。例：（x）(现代理工科大学生)（x）→学习计算机应用基础（x）),其含义是所有现代理工科大学生x，都必须学习计算机应用基础。2）存在量词（ExistentialQuantifier）用符号“”表示。表示了该量词要求“存在于个体域中的某些个体x”或“某个个体x”要服从所约定的谓词关系。第26页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五27知识表示法—一阶谓词逻辑（5）一阶谓词逻辑表达方法如：诸葛亮是人。表示为：Human(Zhugeliang)马科斯是男人。表示为：Man(Marcs)张三是李四的老师表示为：Teacher(张三，李四)所有庞贝人都是罗马人。表示为：x(Pompeian(x)→Roman(x))恺撒是一位统治者。表示为：ruler(Caesar)第27页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五28知识表示法—一阶谓词逻辑例：机器人世界示例。设机器人处在凹室（alcove），A，B为两张桌子，桌子A上放一个盒子box，让机器人把盒子从A放到B上，然后回到原处。试描述问题的初始状态和目标状态。首先定义下列谓词：TABLE(x):x是桌子；EMPTY(y):y手中是空的；AT(y,z):y在z旁边；HOLD(y，w)：y手中拿着w;ON(w,x):w放在x上。其中变量的取值范围是：x{A,B},z{A,B,alcove},w{box},y={robot}boxAB∈∈∈第28页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五29知识表示法—一阶谓词逻辑初始状态的谓词逻辑的合取表示为：AT(robot,alcove)EMPTY(robot)ON(box,A)TABLE(A)TABLE(B)目标状态的谓词逻辑的合取表示为：AT(robot,alcove)EMPTY(robot)ON(box,B)TABLE(A)TABLE(B)第29页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五30知识表示法—产生式规则表示产生式规则表示通常用于描述事物之间的一种因果关系。其基本形式为：IF<P>THEN<Q>或直接表达为P→Q其中，P是产生式的前提，用于指出该产生式是否可用的条件，也可称为前件；Q是产生式的结论或操作，用于指出当前提P被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作，也可称为后件。第30页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五31知识表示法—产生式规则表示在自然语言表达中，人们广泛使用的各种“原因→结果”，“条件→结论”，“前提→操作”，“事实→进展”，“情况→行为”等结构，都可归结为产生式的知识表达形式。例如，天下雨，地上湿；“原因→结果”如果把水加热到00以上，冰就会溶化为水；“条件→结论”夜来风雨声，花落知多少；“事实→进展”若能找到一根合适的杠杆，就能撬起那座大山；“前提→操作”才饮长沙水，又食武昌鱼；“事实→进展”刚才开机了，意味着发出了捕获目标图像的信号。“情况→行为”

第31页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五32知识表示法—产生式规则表示例如：IF某动物吃肉THEN它是食肉动物IF动物有毛发，THEN动物为哺乳类IF炉温超过上限THEN立即关闭风门有时为了解决问题的需要，前件和后件可以是由逻辑运算符AND（且）、OR（或）、NOT（非）组成的表达式。例如：IF某动物是哺乳动物AND有蹄THEN它是有蹄动物IF携带危险物品OR易燃易爆物品THEN不允许登上火车IFNOT下雨THEN外出郊游第32页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五33知识表示法—状态空间图状态空间图是知识表示中一种常用的方法，它就是由节点及节点间的连线所构成的图。节点对应问题的具体状态，如初始状态、目标状态和中间状态。连线通常是有向线，称为弧线，对应状态转换操作。弧线具有方向性，箭头表示其转换方向，表示可从一种状态转换为另一种状态。问题的解就是从对应于初始状态的节点连接到一个对应于目标状态的节点间形成的路径。第33页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五34知识表示法—状态空间图对某个问题或事实进行状态空间描述，必须考虑三个问题：1）

该状态描述方式，特别是初始状态描述；2）

操作符集合及对状态描述的作用；3）

目标状态描述的特性。第34页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五35知识表示法—状态空间图二阶汉诺塔问题的状态空间图

第35页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五36知识表示法—状态空间图S1S2S3S4S5S6S7S8S9SiS0迷宫图：从Si到S0的路径第36页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五37知识表示法—状态空间图猴子摘香蕉的状态空间图：a,0,b,0U,0,b,0b,1,b,0V,0,V,0U,0,V,0c,1,c,0c,1,c,1Goto(U)U=b,climbboxGoto(U)graspV=c,climbboxGoto(U)Pushbox(v)U=bGoto(U)U=V四元表列（W,x,y,z）W=猴子的水平位置X=猴子是否在台上Y=箱子的水平位置Z=猴子是否摘到香蕉第37页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五38知识表示法—与或图与或图表示法就是一种把一个复杂问题通过分解为若干个简单子问题来寻求问题的解的表示形式，同状态空间图一样，它也是用来描述一类问题的求解过程。

第38页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五39知识表示法—与或图“与”指的是当一个问题P可以分解为一组子问题P1，P2，P3，…Pn时，只有当所有的子问题都有解时，原问题P才有解，任何一个子问题无解都会导致原问题P无解，这样原问题P与其所有的子问题P1，P2，P3，…Pn之间的关系可以用一棵“与树”来表示，见图所示。第39页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五40知识表示法—与或图“或”指的是当一个问题P分解为一组子问题P1，P2，P3，…Pn时，只要任意一个子问题有解，则原问题就有解。只有当所有的子问题都无解时，原问题才无解。这样原问题P与子问题P1，P2，P3，…Pn之间的关系可以用一棵“或树”来表示，见图所示。

第40页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五41知识表示法—与或图例子：猴子摘香蕉abc第41页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五42知识表示法—与或图设系统的状态用四元数组描述为S=（w,x,y,z）,其中，w表示猴子所处水平位置，x表示台子所在水平位置，y表示猴子是否在台上，z表示猴子是否拿到香蕉。可能出现的状态是：S0=(a,b,0,0)S1=(b,b,0,0)S2=(c,c,0,0)S3=(c,c,1,0)S4=(c,c,1,1)第42页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五43知识表示法—与或图允许的操作为：F={f1，f2，f3，f4},其中，f1猴子走到u处，（w,x,0,z）→(u,x,0,z)f2猴子推台子到v处，(x,x,0,0)→(v,v,0,0)f3猴子爬上台子，(x,x,0,z)→(x,x,1,z)f4猴子摘到香蕉，(c,c,1,0)→(c,c,1,1)第43页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五44知识表示法—与或图S0→S4f1f2f3f4S0→S2S2→S3S3→S4S0→S1S1→S2f1f2f3f4f1,f2第44页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五45知识表示法—框架框架表示法是一种关于事物内部结构化描述的表示法。每个框架都有框架名，代表某一类对象，一个框架由若干个槽（项目）组成，用于表示对象的某个方面的属性，有时一个属性还要从不同的侧面来描述，每个侧面可具有一个或多个值。一个框架的一般形式为：<框架名><槽名1>：<侧面名11><侧面值11>…<侧面名12><侧面值12>…

…<槽名2>：<侧面名21><侧面值21>…<侧面名22><侧面值22>……<项目n>：<子项n1><值n1>…<子项n2><值n2>…第45页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五46知识表示法—框架例1：描述“教师”的框架：框架名：<教师>类属：<知识分子>/框架调用/工作：范围：（教学，科研）默认：教学性别：（男，女）学历：（中专，大学）类型：（<小学教师>，<中学教师>，<大学教师>）第46页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五47知识表示法—框架例2：大学教师的框架框架名：<大学教师>

类属：<教师>

学位：(学士，硕士，博士)

专业：<学科专业>

职称：（助教，讲师，副教授，教授）外语语种：范围：（英，法，日，俄，德）默认：英水平：（优，良，中，差）默认：良第47页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五48知识表示法—框架例3：描述一个具体教师的框架框架名：<教师-1>

类属：<大学教师>

姓名：张三性别：男年龄：25

职业：教师职称：助教专业：计算机科学与技术部门：计算机系参加时间：1996年9月工资：<工资单>

工龄：3第48页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五49知识表示法—框架例4：一般来讲，教师的工作态度是认真的，但行为举止有些随便，自动化系教师一般来讲性格内向，喜欢操作计算机。方园是自动化系教师，他性格内向，但工作不刻苦。问他的兴趣和举止如何？框图架表示为：框架名：<教师>类属：<职业>态度：认真举止：随便

框架名：<自动化系教师>

类属：<教师>

性格：内向兴趣：操作计算机框架名：<方园>

类属：<自动化系教师>

性格：开朗态度：不刻苦兴趣：举止：第49页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五50知识表示法—语义网络语义网络是通过概念及其语义来表示知识的一种网络图，由结点及结点间带标记的连接弧组成的有向图。网络的结点表示事物、对象、状态、概念、属性、情况、动作等；连接弧表示结点间的语义关系。节点和孤都必须带有标识。

第50页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五51知识表示法—语义网络（1）类属关系

类属关系通常指具有共同属性的不同事物之间的实例关系、成员关系或分类关系。常有的类属关系有：Is-a(是一个)、A-member-of（是一员）、A-kind-of（是一种）。如:张宁是一个学生。张宁学生Is-a第51页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五52知识表示法—语义网络（2）聚集关系如果一个事物是另一事物的组成部分或某个方面，则它们之间的关系就是聚集关系。常用的聚集关系有：A-part-of（是一部分）。例如:手是人体的一部分。手人体A-part-of第52页，共61页，2022年，5月20日，13点47分，星期五53知识表示法—语义网络（3）属性关系属性关系表示了对象和