计算机课件知识与知识表示

全国高中人工智能课程研修班讲稿

——知识与知识表示

李鸣华

浙江师范大学教育学院

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

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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一一知识

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。

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。

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知识的分类

-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。

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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

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

7

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？

知识的分类笔］

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。

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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。

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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。

11

人工智能研究学派

(2)联结主义又称仿生学，人脑是由大约IO11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。

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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。

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知识表示入门——用实例说明知识表示的过程4工

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？

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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。

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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(1amb)

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

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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)

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知识表示入门——状态约束分析

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。

老农和其他三个对象不(S,N,N,N):老农在南岸，其他三个对象在北岸

在同一岸(狐狸要吃羊

羔，羊羔要吃白菜)(N,S,S,S):老农在北岸，其他三个对象在南岸

(S,S,N,N):老农和狐狸在南岸，羊羔和白菜在北岸

羊羔和白菜在同一岸

(羊羔要吃白菜)(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(S,N,N,S):老农和白菜在南岸，狐狸和羊羔在北岸

(狐狸要吃羊羔)

(N,S,S,N):老农和白菜在北岸，狐狸和羊羔在南岸

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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

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知识表示入门——问题求解过程的表示

1S—N(l,0,1,0)

(N,S,N,S)

N—S(l,0,0,0)

▼

(S,S,N,S)

S—N(l,1,A-N(l,0,0,1)

(N.N,N,S)/(N,

S,N,N)A

N—S(1,O,1,；/\1\N-S(I,0,1,0)

(S.N.S.S)N-S(1,1,0,0)(S.S,S,N)

/-N(1,0,1,0,0)\^

(N,N,S,N)

^N—S(l,

0,0,0)

(S.N,S,N)

Is—Nd,0,1,0)

(N,N,N,N)

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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。

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知识表示法阶谓词逻辑

(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：

Ao天在下雨。

Bo天晴

Co人是会死的

Do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。

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知识表示法阶谓词逻辑

（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)「表不否定,复合命题“「Q”即“非Q”

2)A表示合取,复合命题“P/XQ”表示“P与Q”

3)V表示析取,复合命题“PVQ”表示“P或Q”

4)一表示条件,复合命题"P=命表示“如果P,那么Q”

5）一表示双条件，复合命题“<P>Q”即表示“P当且仅当Q”

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知识表示法阶谓词逻辑

（3）命题逻辑的蕴含式

表示蕴含，如果P-Q恒为真，则称Q”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,PfQ=>Q

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

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知识表示法阶谓词逻辑

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。

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知识表示法一一阶谓词逻辑

（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（llniversaIQuantifiers）

用字符号”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:W（x）（现代理工科大学生）（X）一学习计算机应用基础

V

（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（ExistentiaIQuantifier）

用符号刍”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。

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知识表示法一一阶谓词逻辑

(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)

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知识表示法一一阶谓词逻辑

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：

xe{A,B},ze{A,B,aIcove},

w&box},y={robot}

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知识表示法阶谓词逻辑

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)

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知识表示法-一产生式规则表示

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。

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知识表示法-一产生式规则表示

在自然语言表达中，人们广泛使用的各种“原因一结

果”，“条件一结论”，“前提一操作”，“事实一进

展”，“情况一行为”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；”原因一结果”

如果把水加热到0。以上，冰就会溶化为水；”条件一结论”

夜来风雨声，花落知多少；“事实一进展”

若能找到一根合适的杠杆，就能撬起那座大山；“前提一操作”

才饮长沙水，又食武昌鱼；“事实f进展”

刚才开机了，意味着发出了捕获目标图像的信号。“情况f行为”

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知识表示法-一产生式规则表示

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

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知识表示法一状态空间图

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。

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知识表示法一状态空间图

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。

34

知识表示法一状态空间图

35

知识表示法一状态空间图

S1-----►S2-----►S3

Si-----►S4——►S5——►S6

迷宫图:从Si到SO的路径

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知识表示法一状态空间图

猴子摘香蕉的状态空间图:

四元表列（W,x,y,z）

W二猴子的水平位置

X二猴子是否在台上

Y二箱子的水平位置

Z二猴子是否摘到香蕉

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知识表不法一与或图

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。

知识表不法一与或图

“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。

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知识表不法一与或图

“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。

40

知识表不法一与或图

例子：猴子摘香蕉

acb

41

知识表不法一与或图

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)

Sl=(b,b,0,0)

S2=(c,c,0,0)

S3=(c,c,1,0)

S4=(c,c,1,1)

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知识表不法一与或图

允许的操作为:F={fl,f2,f3,f4},其中,

fl猴子走到u处，(w,x,0,z)f(u,x,0,z)

f2猴子推台子到v处,(x,x,0,0)f(v,v,0,0)

f3猴子爬上台子，(x,x,0,z)一(x,x,1,z)

f4猴子摘到香蕉，(c,c,1,0)f(c,c,1,1)

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知识表示法一框架

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n〉…

〈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nl〉〈值nl〉…

〈子项n2〉<值n2>…

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知识表示法一框架

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〉）

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知识表示法一框架

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

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知识表示法一框架

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

知识表示法一框架

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》

态

属:〈自动化系教师〉

性

格

:开朗

态

度

:不刻苦

趣

兴

止

举

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知识表示法一语义网络

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。

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知识表示法一语义网络

（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：ls-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Is-a学生