人工智能 知识表示方法

第二章

知识表示方法2023/9/12内容简介2.2一阶谓词逻辑表示法2.3产生式表示法2.4框架表示法2.6面向对象表示法62342.1概述12.5语义网络表示法52023/9/122.1.1知识知识是智能的基础

智能活动的过程就是获取并应用知识

人工智能对问题的求解是以知识为基础知识获取能力知识处理能力知识应用能力

如何将已有的知识以计算机内部代码的形式进行描述和存储，以便利用知识就是知识表示需要解决的问题

什么是知识？将数字、字符串等关于客观事物的数量、属性等描述称“数据”；数据不等于数字，姓名、性别也是数据；数据是信息的载体和表示，信息是数据在特定场合下的含义，如“6”个人；知识是数据和信息的结合；2023/9/12知识的定义

Feigenbaum

Bernstein知识是经过削减、塑造、解释和转换的信息。简单地说，知识是经过加工的信息。知识是由特定领域的描述、关系和过程组成的。

Hayes-Roth知识是事实、信念和启发式规则。从知识库的观点看，知识是某领域中所涉及的各有关方面的一种符号表示。总结：知识是把有关信息关联在一起形成的信息结构例如：以如果……则……关联起来的信息2023/9/12知识要素事实规则有关问题环境的一些事物的知识，常以“…是…”的形式出现，表示静态的知识。有关问题中与事物的行动、动作相联系的因果关系知识，是动态的，常以“如果…那么…”形式出现。控制有关问题的求解步骤、技巧性知识，告诉怎么做一件事。元知识有关知识的知识，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。2023/9/12知识的特性相对正确性不确定性任何知识都只是在一定条件下产生的，只在一定条件下才是正确的：“以胖为美”;1+1=2;知识不只有真和假两种状态，也可能具有很多不确定性的状态，因为信息可能是不精确的。知识的不确定性可能由随机、模糊、不完全性引起的。可表示性知识可以用适当形式表示出来，如使用语言、文字、图形；2023/9/12知识分类事实性知识过程性知识行为性知识根据表达内容实例性知识类比性知识元知识真理、常识性知识处理问题的方法，具有一定规律性常表示为某种数学模型只给出实例，规律隐藏在其中只给相似性的描述，不能完整刻画事物关于知识的知识，用于寻找需要的知识2023/9/122.1.2知识表示知识需要合适的表示方式任何国家民族都需要自己的语言文字来交流、记录知识；二进制使得数据可以在计算机中存储；需要研究人类智能在计算机上的表示方式，才能实现人工智能；2023/9/122.1.2知识表示分类----根据表示与运用的关系划分陈述性知识表示：将知识表示与知识的运用分开处理，在表示知识时，并不涉及如何运用知识的问题，是一种静态的描述方法。如：语义网络优点：灵活简洁，只需存储每个事实一次；缺点：工作效率低下，推理过程不透明；过程性知识表示：将知识表示与知识的运用相结合，知识寓于程序中，是一种动态的描述方法。如：产生式系统优点：推理过程直接、清晰，易于推理知识；缺点：表示不够严谨，知识交叉重叠，灵活性差；知识表示的定义可看成是一组事物的约定，以把人类知识表示成机器能处理的数据结构。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。需要考虑知识的存储与使用2023/9/12选取知识表示的因素表示知识的范围是否广泛是否适于推理是否适于计算机处理是否有高效的求解算法能否表示不精确知识自然界许多知识都是不精确的，对确定性方法有时需要加入不确定性度量能否在同一层次上和不同层次上模块化只具有全局知识库无疑不够灵活知识和元知识能否用统一的形式表示是否适合于加入启发信息过程性表示还是说明性表示表示方法是否自然自然与效率常是矛盾的，如PROLOG与VC的区别；2023/9/122.2一阶谓词逻辑表示法一种重要的知识表示方法，它以数理逻辑为基础，是到目前为止能够表达人类思维和推理的一种最精确的形式语言。它的表现方式和人类自然语言非常接近，它能够被计算机作精确推理。一阶谓词逻辑表示法2023/9/122.2.1知识的谓词逻辑表示法用谓词公式既可表示事物的状态、属性和概念等事实性的知识，也可表示事物间具有因果关系的规则性知识。用谓词公式表示知识的一般步骤2.根据所要表达的事物或概念，为每个谓词中的变元赋以特定的值。1.定义谓词及个体，确定每个谓词及个体的确切含义。3.根据所要表达的知识的语义，用适当的连接符将各个谓词连接起来形成谓词公式。2023/9/12谓词公式连词非连词﹁或连词∨：用∨连接两个命题称为析取。与连词∧：用∧连接两个命题称为合取。蕴合连词→：它表示“如果P，则Q”，其中P称为前件，Q称为后件。量词全称量词（

x）：表示对个体域

X

中的所有（或任一个）个体x。存在量词（

x）：表示在个体域X中存在个体x。2023/9/12由下述规则得到的谓词公式称为合式公式：单个谓词和单个谓词的否定称为原子谓词公式，原子谓词公式是合式公式。若A是合式公式，则﹁A也是合式公式。若A、B都是合式公式，则A∨B、A∧B、A→B也都是合式公式。若A是合式公式，x是任一个体变元，则(

x)A和(

x)A也都是合式公式。在合式公式中，连词的优先级别依序为：

﹁，∧，∨，→2023/9/12谓词公式的解释在命题逻辑中，对命题公式中各个命题的一次真值指派称为命题公式的一个解释。一个谓词公式的解释可能有很多个。对于每一个解释，谓词公式都可求出一个真值（T或F）。2023/9/122.2.2谓词逻辑表示知识举例用谓词逻辑表示下列知识：武汉是一个美丽的城市，但她不是一个沿海城市。如果马亮是男孩，张红是女孩，则马亮比张红长得高。例2.2.1第一步第二步第三步定义谓词如下：BCity(x)：x是一个美丽的城市HCity(x)：x是一个沿海城市Boy(x):x是男孩Girl(x):x是女孩High(x,y):x比y长得高根据语义，用逻辑连接符连接BCity(wuhan)∧~HCity(wuhan)(Boy(mal)∧Girl(zhangh))→High(mal,zhangh)将个体代入谓词中，得到

BCity(wuhan),HCity(wuhan),Boy(mal),Girl(zhangh),High(mal,zhangh)2023/9/12例：用谓词公式表示下列知识自然数是大于零的整数。所有整数不是偶数就是奇数。偶数除以2是整数。2023/9/12（1）定义谓词

N(x) 表示x是自然数

I(x) 表示x是整数

E(x) 表示x是偶数

O(x) 表示x是奇数

GZ(x) 表示x大于零

S(x) 表示x

除以2 （2）谓词公式知识表示 (

x)(N(x)→GZ(x)∧I(x))

自然数是大于零的整数

(

x)(I(x)→E(x)∨O(x))

所有整数不是偶数就是奇数

(

x)(E(x)→I(S(x)))

偶数除以2是整数2023/9/122.2.3一阶谓词逻辑表示法特点优点缺点严密性易于实现知识易表达通用性自然性效率低灵活性差组合爆炸返回只能表达确定的知识2023/9/122.3产生式表示法

1943年E.Post第一次提出称为“Post机”的计算模型（《计算理论》）一种描述形式语言的语法又称为产生式规则表示法，它和图灵机有相同的计算能力。目前产生式表示法已成为人工智能中应用最多的一种知识表示方法。产生式知识表示方法1972年纽厄尔和西蒙在研究人类知识模型开发了基于规则的产生式系统。2023/9/122.3.1产生式的基本形式产生式通常用于表示具有因果关系的知识，其基本形式是P→Q

或IFPTHENQ其中，P是产生式的前提或条件，用于指出该产生式是否是可用的条件；Q是一组结论或动作，用于指出该产生式的前提条件P被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。P和Q都可以是一个或一组数学表达式或自然语言。谓词逻辑中的蕴含式与产生式的差别：①蕴含式只能表示精确知识；产生式可以表示精确知识，也可以表示不精确知识。②蕴含式要求匹配是精确的；产生式匹配可以是精确的，也可以是不精确的；可以按某种确信度进行匹配。可以把蕴含式看出产生式的一个特例2023/9/122.3.2产生式表示知识方法确定性和不确定性规则知识的产生式表示确定性规则知识可用前面介绍的产生式的基本形式表示即可。不确定性规则知识用如下形式表示

P→Q

（可信度）或者IFPTHENQ

（可信度）其中，P是产生式的前提或条件，用于指出该产生式是否是可用的条件；Q是一组结论或动作，用于指出该产生式的前提条件P被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。2023/9/122.3.2产生式表示知识方法确定性和不确定性事实性知识的产生式表示

确定性事实性知识一般使用三元组的形式表示如下（对象，属性，值）或（关系，对象1，对象2）例如：（Lee，Age，35）；(Friend,Lee,Zhang)不确定性事实性知识一般用四元组的形式表示如下（对象，属性，值，不确定度量值）或（关系，对象1，对象2，不确定度量值）例如：（Lee，Age，35,0.9）；(Friend,Lee,Zhang,0.2)2023/9/122.3.3产生式系统的组成产生式系统通常由规则库、数据库和推理机这3个基本部分组成。推理机规则库数据库产生式系统的基本结构一组产生式在一起互相配合，协同作用，一个产生式生成的结论可以作为另一个产生式的前提，以获得问题的解决，这样的系统为产生式系统。2023/9/122.3.3产生式系统的组成产生式系统用于描述某领域内知识的产生式集合，是某领域知识（规则）的存储器。用来存放输入事实、外部数据库输入的事实以及中间结果和最后结果。由一组程序组成，用来控制协调规则库与数据库的运行，包含了推理方式和控制策略。规则库数据库推理机当某个事实符合规则库中规则的前提，该规则被激活，相应的结论放在数据库中2023/9/12规则库：产生式的集合是产生式系统的基础包含的知识要完整、一直，表达灵活准确；构建规则库时，应对知识进行合理组织管理；数据库：包含已知事实包含的知识是动态变化的；已知事实常用字符串、向量、矩阵等数据结构表示；2023/9/12推理机的工作：（1）按一定的策略从规则库中选择规则，并与综合数据库中的已知事实进行匹配。（2）当发生冲突（即匹配成功的规则不止一条）时，调用相应的冲突解决策略予以消解。（3）在执行某条规则时，若该规则的右部是一个或多个结论，则把这些结论加到综合数据库中；若规则的右部是一个或多个操作，则执行这些操作。（4）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可信度。（5）随时掌握结束产生式系统运行的时机，以便在适当的时候停止系统的运行。2023/9/12动物识别系统该系统可以识别老虎、金钱豹、斑马、长颈鹿、企鹅、信天翁这6种动物。其规则库包含如下15条规则：r1IF该动物有毛发THEN该动物是哺乳动物r2IF该动物有奶THEN该动物是哺乳动物r3IF该动物有羽毛THEN该动物是鸟r4IF该动物会飞AND会下蛋THEN该动物是鸟r5IF该动物吃肉THEN该动物是食肉动物r6IF该动物有犬齿AND有爪AND眼盯前方

THEN该动物是食肉动物r7IF该动物是哺乳动物AND有蹄THEN该动物是有蹄类动物r8IF该动物是哺乳动物AND是嚼反刍动物THEN该动物是有蹄类动物r9IF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2023/9/12r10IF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r11IF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r12IF动物是有蹄类动物AND身上有黑色条纹THEN该动物是斑马r13IF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r14IF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r15IF该动物是鸟AND善飞THEN该动物是信天翁其中，ri(i=1,2,…….,15)是规则的编号初始综合数据库包含的事实有：动物有暗斑点，有长脖子，有长腿，有奶，有蹄

2023/9/12图中最上层的结点称为“假设”或“结论”中间结点称为“中间假设”；终结点称为“证据”或“事实”；每个“结论”都是本问题的一个目标，所有“假设”构成了本问题的目标集合长颈鹿斑马长脖子长腿暗斑点有蹄类黑条纹有蹄哺乳动物嚼反刍动物有毛r2r7r8r11r12有奶r1该例子的部分推理网络如下：202