人工智能导论-第二章 002-2014

第二章知识表示方法2.1知识和知识表示2.2状态空间表示2.3问题归约表示2.4谓词逻辑表示2.5语义网络表示2.6产生式表示2.7框架表示2.8面向对象表示2023/2/2人工智能导论-刘珊1产生式产生式通常用于表示事实、规则以及它们的不确定性度量，适合于表示事实性知识和规则性知识。事实断言一个语言变量的值或断言多个语言变量之间关系的陈述句。规则领域知识2023/2/2人工智能导论-刘珊22.6产生式表示

四元组表示：（对象，属性，值，置信度）

或者：（关系，对象1，对象2，置信度）例：老李年龄很可能是40岁:(Li，age，40，0.8)老李和老王不大可能是朋友:(friend，Li，Wang，0.1)产生式表示2023/2/2人工智能导论-刘珊31.确定性事实性知识的产生式表示2.不确定性事实性知识的产生式表示

三元组表示：（对象，属性，值）

或者：（关系，对象1，对象2）例：老李年龄是40岁：（Li，age，40）

老李和老王是朋友：（friend，Li，Wang）2.6产生式表示产生式表示2023/2/2人工智能导论-刘珊43.确定性规则知识的产生式表示4.

不确定性规则知识的产生式表示

基本形式：IFPTHENQ

或者：PQ例如：

r4：IF动物会飞

AND

会下蛋

THEN该动物是鸟

基本形式：IFPTHENQ

（置信度）或者：PQ（置信度）

例如：IF发烧THEN感冒（0.6）2.6产生式表示产生式与蕴含式区别1除逻辑蕴含外，产生式还包括各种操作、规则、变换、算子、函数等。区别2蕴含式只能表示精确知识，而产生式不仅可以表示精确的知识，还可以表示不精确知识。蕴含式的匹配总要求是精确的。产生式匹配可以是精确的，也可以是不精确的，只要按某种算法求出的相似度落在预先指定的范围内就认为是可匹配的。2023/2/2人工智能导论-刘珊52.6产生式表示产生式的形式描述及语义

——巴科斯范式BNF2023/2/2人工智能导论-刘珊6<产生式>::=<前提><结论><前提>::=<简单条件>|<复合条件><结论>::=<事实>|<操作><复合条件>::=<简单条件>AND<简单条件>[AND<简单

条件>…)]|<简单条件>OR<简单条件>[OR<

简单条件>…)]<操作>::=<操作名>[(<变元>,…)]符号“::=”表示“定义为”；符号“|”表示“或者是”；符号“[]”表示“可缺省”。

2.6产生式表示产生式系统的基本结构2023/2/2人工智能导论-刘珊7控制规则库推理机综合数据库2.6产生式表示8产生式系统的组成综合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。规则库用于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规则应用时所完成的动作。控制、推理机确定应该采用哪一条适用规则，当数据库的终止条件满足时，停止计算。2023/2/2人工智能导论-刘珊2.6产生式表示控制和推理机的工作从规则库中选择与综合数据库中的已知事实进行匹配。匹配成功的规则可能不止一条，进行冲突消解。执行某一规则时，如果其右部是一个或多个结论，则把这些结论加入到综合数据库中：如果其右部是一个或多个操作，则执行这些操作。对于不确定性知识，在执行每一条规则时还要按一定的算法计算结论的不确定性。检查综合数据库中是否包含了最终结论，决定是否停止系统的运行。2023/2/2人工智能导论-刘珊92.6产生式表示简单的动物识别例：设有以下两条规则r3：IF动物有羽毛THEN动物是鸟r15：IF动物是鸟AND动物善飞THEN动物是信天翁其中，r3和r15是上述两条规则在动物识别系统中的规则编号。假设已知有以下事实：动物有羽毛，动物善飞，求满足以上事实的动物是何种动物？2023/2/2人工智能导论-刘珊102.6产生式表示动物识别系统例：识别虎、金钱豹、斑马、长颈鹿、鸵鸟、企鹅、信天翁的产生式系统2023/2/2人工智能导论-刘珊112.6产生式表示规则库2023/2/2人工智能导论-刘珊12r1：

IF该动物有毛发

THEN该动物是哺乳动物r2：

IF该动物胎生

THEN该动物是哺乳动物r3：

IF该动物有羽毛

THEN该动物是鸟r4：

IF该动物会飞

AND会下蛋

THEN该动物是鸟r5：

IF该动物吃肉

THEN该动物是食肉动物r6：

IF该动物有犬齿

AND有爪

AND眼盯前方

THEN该动物是食肉动物r7：IF该动物是哺乳动物AND有蹄

THEN该动物是有蹄类动物r8：IF该动物是哺乳动物AND是反刍动物

THEN该动物是有蹄类动物2.6产生式表示r9：IF该动物是哺乳动物AND是食肉动物AND是黄褐色

AND身上有暗斑点THEN该动物是金钱豹

r10：IF该动物是哺乳动物AND是食肉动物AND是黄褐色

AND身上有黑色条纹THEN该动物是虎

r11：IF该动物是有蹄类动物AND有长脖子AND有长腿

AND身上有暗斑点THEN该动物是长颈鹿

r12：IF该动物有蹄类动物AND身上有黑色条纹

THEN该动物是斑马r13：IF该动物是鸟AND有长脖子AND有长腿AND不会飞

AND有黑白二色THEN该动物是鸵鸟r14：IF该动物是鸟AND会游泳AND不会飞

AND有黑白二色THEN该动物是企鹅

r15：IF该动物是鸟AND善飞THEN该动物是信天翁规则库2023/2/2人工智能导论-刘珊132.6产生式表示动物识别系统已知该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，胎生，蹄，判断它是什么动物。2023/2/2人工智能导论-刘珊14解：该已知事实存放在综合数据库中，根据规则库进行推理：（1）从规则库中取出r1，检查其前提是否可与综合数据库中的已知事实匹配。匹配失败，则r1不能被用于推理。然后取r2进行同样的工作。匹配成功，则r2被执行。综合数据库更新为：该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，胎生，蹄，哺乳动物2.6产生式表示动物识别系统（2）分别用r3，r4，r5，r6综合数据库中的已知事实进行匹配，均不成功。r7匹配成功，执行r72023/2/2人工智能导论-刘珊15（3）r11匹配成功，推出“该动物是长颈鹿”。综合数据库更新为：该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，胎生，蹄，哺乳动物，有蹄类动物2.6产生式表示动物识别系统2023/2/2人工智能导论-刘珊162.6产生式表示产生式表示的特点主要优点自然性：与人类的判断性知识基本一致。模块性有效性：可以表示多种知识主要缺点效率较低不便于表示结构性知识2023/2/2人工智能导论-刘珊172.6产生式表示适合产生式表示的知识（1）领域知识间关系不密切，不存在结构关系。（2）领域问题的求解过程可被表示为一系列相对独立的操作，且每个操作可被表示为一条或多条产生式规则。（3）经验性及不确定性的知识，且相关领域中对这些知识没有严格、统一的理论。2023/2/2人工智能导论-刘珊182.6产生式表示第二章知识表示方法2.1知识和知识表示2.2状态空间表示2.3问题归约表示2.4谓词逻辑表示2.5语义网络表示2.6产生式表示2.7框架表示2.8面向对象表示2023/2/2人工智能导论-刘珊19定义框架一种描述所论对象（事物、事件或概念）属性的数据结构。一个框架由若干个被称为“槽”的结构组成，每一个槽又可根据实际情况划分为若干个“侧面”。一个槽用于描述所论对象某一方面的属性。一个侧面用于描述相应属性的一个方面。槽和侧面所具有的属性值分别被称为槽值和侧面值。2023/2/2人工智能导论-刘珊202.7框架表示框架的BNF描述2023/2/2人工智能导论-刘珊21<框架>::=<框架头><槽部分>[<约束部分>]<框架头>::=框架名<框架名的值><槽部分>::=<槽>，[<槽>]<约束部分>::=约束<约束条件>，[<约束条件>]<框架名的值>::=<符号名>|<符号名>（<参数>，[<参数>]）<槽>::=<槽名><槽值>|<侧面部分><槽名>::=<系统预定义槽名>|<用户自定义槽名><槽值>::=<静态描述>|<过程>|<谓词>|<框架名的值>|<空><侧面部分>::=<侧面>，[<侧面>]<侧面>::=<侧面名><侧面值><侧面名>::=<系统预定义侧面名>|<用户自定义侧面名><侧面值>::=<静态描述>|<过程>|<谓词>|<侧面名的值>|<空><静态描述>::=<数值>|<字符串>|<布尔值>|<其它值><过程>::=<动作>|<动作>，[<动作>]<参数>::=<符号名>2.7框架表示

Frame<框架名>槽名1：侧面名11侧面值111，…，侧面值11P1

┊┊

侧面名1m

侧面值1m1，…，侧面值1mPm

槽名n：侧面名n1侧面值n11，…，侧面值n1P1┊

侧面名nm侧面值nm1，…，侧面值nmPm一般结构2023/2/2人工智能导论-刘珊222.7框架表示“缺省”值：当缺少有关事物的信息，同时又无直接反面证据时，就假设按惯例或者一般情况下的填充值。

“如果需要”值：过程信息。“如果加入”值：应该做什么的信息。

框架的一般结构2023/2/2人工智能导论-刘珊23

Slot（槽）VALUE（值侧面）

DEFAULT（缺省值侧面）

IF-NEEDED（如果需要值侧面）

IF-ADDED（如果加入值侧面）2.7框架表示实例2023/2/2人工智能导论-刘珊24例：

一个描述硕士生有关情况的框架Frame<MASTER>Name：Unit（Last-name，First-name）

Sex：Area（male，female）

Default：maleAge：Unit（Years）

Major：Unit（Major）

Field：Unit（Field）

Advisor：Unit（Last-name，First-name）

Project：Area（National，Provincial，Other）

Default：NationalPaper：Area（SCI，EI，Core，General）

Default：CoreAddress：<S-Address>Telephone：HomeUnit（Number）

MobileUnit（Number）2.7框架表示实例框架2023/2/2人工智能导论-刘珊25硕士生-1框架：

Frame<Master-1>ISA：<Master>//是一个

Name：YangYeSex：femaleMajor：ComputerField：Web-Intelligence//方向Web智能

Advisor：LinHai//导师林海

Project：Provincial

//项目省部级2.7框架表示框架表示2023/2/2人工智能导论-刘珊26学生框架Frame<Student>Name：Unit（Last-name，First-name）

Sex：Area（male，female）

Default：male//缺省

Age：Unit（Years）

If-Needed：Ask-Age//询问赋值

Address：<S-Address>Telephone：HomeUnit（Number）

MobileUnit（Number）

If-Needed：Ask-Telephone//询问赋值2.7框架表示定义实例框架当人们把观察或认识到的具体细节填入一个框架后得到的该框架的一个具体实例。框架系统把一组有关的框架连结起来可形成一个框架系统。框架系统推理由框架之间的协调来完成2023/2/2人工智能导论-刘珊272.7框架表示框架表示2023/2/2人工智能导论-刘珊28硕士生框架Frame<Master>AKO：<Student>//预定义槽名

Major：Unit（Major）

//专业

If-Needed：Ask-Major//询问赋值

If-Added：Check-Major//后继处理

Field：Unit（Direction-Name）

//方向

If-Needed：Ask–Field//询问赋值

Advisor：Unit（Last-name，First-name）

//导师

If-Needed：Ask-Visor//询问赋值

Project：Area（National，Provincial，Other）//项目

Default：National//缺省

Paper：Area（SCI，EI，Core，General）//论文

Default：Core//缺省2.7框架表示框架系统的基本结构框架系统的基本结构通过诸框架之间的横向或纵向联系来实现。框架之间的横向联系一个框架的槽值或侧面值可以是另外一个框架的名字框架之间的纵向联系用框架表示具有演绎关系的知识结构时，下层框架与上层框架之间所具有的一种继承关系具有横向联系及纵向联系的一组框架称为框架网络2023/2/2人工智能导论-刘珊292.7框架表示框架网络2023/2/2人工智能导论-刘珊30StudentCollegianMasterDoctorMaster-1Master-2S-AddressISAISAAKOAddressAKOAKO2.7框架表示框架的继承特性的继承通过ISA、AKO链来实现。继承技术，通常由框架中设置的3个侧面：Default、If-Needed、If-Added所提供的缺省推理功能来组合实现如果该槽提供有Default侧面值，就继承该默认值作为查询结果返回。如果该槽提供有If-Needed侧面供继承，则执行If-Needed操作，去产生一个值作为查询结果。如果对某个事物的某一属性进行了赋值或修改操作，则系统会自动沿ISA和AKO链追溯到具有相应的类或超类框架，去执行If-Added操作，作相应的后继处理。2023/2/2人工智能导论-刘珊312.7框架表示If-Needed与If-Added的区别主要区别在于激活时机和操作目的不同。If-Needed操作是在系统试图查询某个事物框架中未记载的属性值时激活，并根据查询需求，被动地即时产生所需要的属性值；If-Added操作是在系统对某个事务框架的属性作赋值或修改工作后激活，目的在于通过这些后继处理，主动做好配套操作，以消除可能存在的不一致。2023/2/2人工智能导论-刘珊322.7框架表示继承实例2023/2/2人工智能导论-刘珊33硕士生-2框架：

Frame<Master-2>ISA：<Master>Name：LiuQingAge：22Major：ComputerAdvisor：LinHaiPaper：EI硕士生框架Frame<Master>AKO：<Student>

Major：Unit（Major）

If-Needed：Ask-Major

If-Added：Check-Major

Field：Unit（Direction-Name）

If-Needed：Ask–Field

Advisor：Unit（Last-name，First-name）

If-Needed：Ask-Visor

Project：Area（National，Provincial，Other）

Default：National

Paper：Area（SCI，EI，Core，General）

Default：Core学生框架2.7框架表示框架表示2023/2/2人工智能导论-刘珊34机器人纠纷问题的框架描述2.7框架表示框架的推理框架没有固定的推理机理框架系统的推理和语义网络一样遵循匹配和继承原则。框架的匹配实际上是通过对相应槽的槽名和槽值逐个进行比较，并利用继承关系来实现的。2023/2/2人工智能导论-刘珊352.7框架表示推理实例2023/2/2人工智能导论-刘珊36例：假设前面讨论的学生框架系统已建立在知识库中，若要求从知识库中找出一个满足如下条件的硕士生：

male，Age<25，

Major：Computer，Project：National解：1、用框架表示这些条件，可得到初始问题框架

Frame：Master-xName：

Sex:male

Age：Years<25Major：ComputerProject：National

2、用此框架和知识库中的框架匹配2.7框架表示框架表示的特点优点结构性深层性继承性自然性缺点缺乏框架的形式理论缺乏过程性知识表示难以保证清晰些2023/2/2人工智能导论-刘珊372.7框架表示框架的程序语言实现FRL（FrameRepresentationLanguage）PROLOG例：“教师”框架用PROLOG表示

2023/2/2人工智能导论-刘珊38框架名:<教师>类属:<知识分子>工作范围:(教学，科研)缺省:教学性别:(男，女)学历:(中师，高师)类型:(<小学教师>，<中学教师>，<大学教师>)frame(name("教师")，

kind--of("<知识分子>")，

work(scope(“教学”，“科研”)，

default("教学"))，

sex("男"，"女")，

reco--of--f--s("中师"，"高师")，

type(“<小学教师>”，“<中学教师>”，“<大学教师>”)).2.7框架表示剧本表示剧本是框架的一种特殊形式，用一组槽来描述某些时间的发生序列。剧本的组成(1)开场条件：给出在剧本中描述的事件发生的前提条件。(2)角色（支撑物）：用来表示在剧本所描述的事件中可能出现的有关人物的一些槽。(3)道具（线索）：用来表示在剧本所描述的事件中可能出现的有关物体的一些槽。(4)场景（场次）：描述事件发生的真实顺序，可以由多个场景组成，每个场景又可以是其它的剧本。(5)结果（结局）：给出在剧本所描述的事件发生以后通常所产生的结果。2023/2/2人工智能导论-刘珊392.7框架表示40餐厅剧本（1）开场条件

（a）顾客饿了，需要进餐厅（b）顾客有足够的钱（2）角色

顾客、服务员、厨师、老板（3）道具

食品、桌子、菜单、钱（4）场景

场景1

进入餐厅

（a）顾客走入餐厅（b）寻找桌子（c）在桌子旁坐下场景2

点菜

（a）服务员给顾客菜单（b）顾客点菜（c）顾客把菜单还给服务员（d）顾客等待服务员送菜场景3