人工智能第五讲.ppt

1、卢锦玲 Email: ,人工智能及其在电力系统中的应用,第五章知识的表示和获取 1.介绍 2.知识表示的基本概念 3.产生式表示法（Production Rule） 4.谓词逻辑表示法 5.框架表示法 6.知识地获取,知识的表示和获取简介,人工智能是研究如何使机器具有人类智能的学科。人之所以具有智能，是因为人拥有知识。人从出生到长大，通过不断的（包括各种方式的学习），积累了大量的知识，积累的知识越多就越聪明。一个人没有知识就不可能有智能。同样，要使机器具有智能，就必须使它拥有知识，拥有的知识越多，其智能就越高。但人类的知识大多是很抽象的，而且我们习惯于用自然语言表达，那么如何机器具有人类的知识

2、，这就是知识的表示和获取。,第一节 知识表示的基本概念,知识表示方法的重要性 知识的分类 知识表示方法的衡量标准 知识模型变换,知识表示方法的重要性 所谓知识表示，就是研究在机器中如何用最合适的形式时知识进行描述，使知识形式化、模型化，以便在机器中存储和使用知识。对于人们习惯的知识表示形式（如自然语言表示），机器不一定能接受，所以必须把人类知识变换成一定形式的机器内部的知识模型，为机器所接受，并以数据结构形式存储知识。 知识表示方法的研究与AI研究目标是一致的、统一的，即应从人类思维规律或心理学为依据去研究知识的表示。由于对人类大脑中知识形成和知识结构的机制还没有完全研究清楚，因此尚没有通用的

3、知识表示形式，或由机器自动的对不同的知识表示法择优表示，或自动编辑知识。目前，人们针对不同的问题不同领域，研究出多种知识表示方法，他们主要基于两种观点：,一种是从思维规律出发，认为形式逻辑是一切推理活动的源泉，用逻辑来处理知识表示问题，如谓词逻辑表示法。 另一种是从认知心理学出发，认为认知是过程性的，从感性知识到理性知识，学习形成概念，积累知识和经验知识等，即根据客观事务一些规律，建立联想记忆的心理学模型来处理知识表示问题。如语义网络表示法。基于上述两种观点形成的知识表示方法在问题的知识处理中，各有优点和不足。 对于一个具体问题，可有不同的表示方法，采用不同的表示方法，问题求解的难易程度是不一

4、样的。选择一个合适的知识表示方法，有利于知识的存放和利用，使问题求解变得容易。因此，知识表示方法对问题求解是至关重要的，甚至在有些问题中，智能主要表现在寻找适当的知识表示上，一旦找到了适当的知识表示方法，问题也就基本解决了。,知识的分类 按知识性质分： （1） 叙述型知识：表示问题的状态、概念、条件、事实的知识。（数据库）（静态知识） （2） 过程型知识：表示问题求解过程中决定选用各种操作、演算和行动的知识（动态知识）（知识库） （3） 控制型知识：表示问题求解过程中用到的哪种操作、演算和行动的判断或决策的知识（推理机） 例：叙述型知识：北京、上海、飞机、火车、时间、费用。 过程型知识：乘飞机

5、、坐火车。 控制型知识：乘飞机较快、较贵；坐火车较慢、较便宜。,按知识源分（1）共性知识：是指问题域内有关事物、属性、概念、定义、定理、原理、理论算法等知识，它们来自教科书和刊物，并已被领域专业人员承认和接受。它描述问题的细节，确保问题解的精确性，属深层知识。（2）个性认识：来自现场有经验的专业人员，包括大量的经验知识或启发式知识。它描述问题的轮廓，知识严格性差，属浅层知识或启发式知识。,按知识的层次分 （1）零级知识：最基本层的知识，包括问题域内的事实、属性、定理定义等，属问题求解的常识性和原理性知识。 （2）一级知识：第二层知识，启发式认识。可弥补零级知识的不足，提高求解效率。 （3）二级

6、知识：第三层知识，控制性知识，对低层知识起知道作用，组织和有效运用零级和一级知识。 （4）高层次知识：如回忆、综合、概括、抽象等，它们反映人的心理特征，目前尚难于用计算机表示。 领域知识（问题领域内知识）：包括零级知识和一级知识。 元知识（知识的知识）：二级以上的知识。高级的本源的知识。,知识模型变换,同构和同态的概念 设有两个问题：P=和P= 其中：Q表示与问题P有关的事实的集合，即Q=q1,q2, F表示Q中事实之间的某种二元关系的集合，即F=(qi,qj),i,j=1,2, 同样：Q表示与问题P有关的事实的集合，即=q1,q2, F表示Q中事实之间的某种二元关系的集合，即F=(qi,qj

7、),i,j=1,2, 如果存在一个满映射h即q=h(q),记作h:QQ,使得对F集合中的任何序偶(qi,qj)有（h(qi),h(qj)）F,即F与F之间也存在一个满映射：h:FF,则称P是P的同态问题，而称h是从P到P的同态映射，记作PP。 如果h是一个双映射，即对应集合中每一个元素的映射关系是互相一一对应的，则称P到P的同构问题，h则称为同构映射，记作PP同构映射是同态映射的特例。,1知识模型变换,由于同构映射满足等价关系，同态映射满足蕴含关系，因此我们可以利用同构和同态的概念对知识模型进行变换和简化，将原始问题化为其同构和同态问题，以便更明确、更简洁地表达知识，易于问题求解。 通过同构或

8、同态变换，将原始问题化为其同构或同态问题。 同构问题地解含等价于原始问题地解答，即同构问题有解等价于原始问题有解。原始问题有解蕴含着同态问题有解，同态问题无解，则原始问题无解。,方棋盘分割问题,原始问题：在2n2n的方格棋盘中，去掉对顶角上二个小方格后，如图2.2（a）所示，问能否将它分割为若干12的小长方块？ 求解原始问题是很困难的，因为对n的数值未加限制，可以是任意大的正整数。直接求解要考察2种可能的分割方案，随着n的增大，存在“组合爆炸”问题。,同构问题,将棋盘中小方格相间地着色，化为其同构问题，如图2.2（b），由此可见，无论n为何值，对角顶上二个小方格是同色地，去掉它们后的图2.2（

9、b）中，小白格与小黑格的数目之间差值为2。由于每个（12）长方块只能包括一个小白格和一个小黑格，因此，无论如何分割，最后剩下的是同色的二个小方格，无法分割成小长方块。因此，同构问题无解，所以，等价的原始问题也无解。,同态问题,为了使问题更为简明，进行同态交换，引入序对，用以表示待分割的棋盘的状态，化为同态问题，如图2.2（c）所示。 初始状态,目标状态：。 分割操作：每次操作，分割一个小长方块，割去一个小白格和一个小黑格，使状态变量都减去1，即：如每一次分割，使初始状态变为一次状态。 显然，经过2n-2次操作后，状态变为：， 不可能达到所求目标状态。 因此，同态问题无解， 蕴含着其原始问题也无

10、解,产生式表示法（Production Rule）,产生式规则 产生式规则表示方法 产生式系统,产生式规则 产生式规则是根据客观世界中各客体之间存在依赖关系的实质而提出的。 在客观世界中，各客体之间具有互相存在的因果关系，如： 如果现在下雨，就穿雨衣。 如果是运算放大器，就可进行信号运算。 如果差动保护正确动作，则是变压器内部故障。 这些句子表示的是状态动作对，或前提（条件）结论（行动）对，可以用产生式规则表示。产生式规则的格式为 如果（IF），则（THEN）； 或前提（条件），结论（行动）。 其中，前提可以是一个，也可以是几个，而结论一般只有一个。,产生式规则表示方法,用产生式规则形式表示知

11、识的方法叫知识的产生式规则表示方法。如前面的句子可表示成： clothed (rain_proof) :- it_is (raining). operate (signals) :- amplifier_is (operated). transformer (internal_fault) :- action (differntial_protection).,产生式系统,用产生式规则表示知识所构成的系统称产生式系统，或称基于规则的系统。产生式系统的概念最早是由美国数学家Post于1943年提出的。 产生式系统求解问题的基本方法 产生式系统的组成 产生式规则的优点 产生式系统的缺点,产生式系统

12、求解问题的基本方法 产生式系统（或基于规则的系统）是用规则序列的形式来描述问题的思维过程，形成求解问题的知识模型。模型中的每一条规则称为一个产生式，规则用字符串表示。问题的求解过程是根据初始数据，在上下文（或称当前数据库）中，搜索可匹配的产生式，并将结论写入上下文；再根据改变后的上下文，重新搜索匹配，最终求得问题的解。 在产生式系统的知识规则中，一个或多个前提条件表示的状态，是调用产生式规则之前早已准备好的事实，是为产生结论而提供的。产生式规则调用所形成的结论又继续引导作为另一个产生式规则的前提使用。一个规则集中要求一个以上的事实，这些事实可看作是产生式规则的特殊形式，即是无条件的产生式规则，

13、如 it_is (raining). 在产生式系统中，这些事实构成数据库。,产生式系统的组成 产生式系统由数据库、知识库和推理机三部分组成。 l 数据库：用于存放用户提供的初始状态、问题域内对象的性质和属性等事实及求解过程中产生的中间结果数据。 l 知识库：用于存放问题域内的知识，所有知识用产生式规则表示。 l 推理机：又称控制系统或控制策略器。负责如何来运用规则库中的规则与事实匹配，当求解过程中出现多个结论或找不到满意结论时，如何为解决冲突问题提供控制策略。,产生式规则的优点,自然性 产生式规则结构接近于人的思维和自然推理形式，易于理解。 能有效表达启发式（浅层）知识：可根据人的经验程度、数

14、据可靠程度，给出可信度因子，便于实现不精确推理。 模块性强 规则库对推理机具有相对独立性，产生式规则间的联系一般是通过上下文的数据结构，而不是规则的互相直接调用。因此规则库中规则的增删、修改，不会对知识库维护产生大的影响。 清晰性 规则库规则格式单一，层次清晰，便于知识正确性和一致性检查，推理机设计也易于实现。,产生式系统的缺点,透明度差 虽然其局部每一规则易理解，但因其独立性，因此难于作完整的原理性解释。 表达能力受限 由于规则格式单一，对复杂知识、不确定推理的表达显得能力不足和呆板不灵活。 大型AI系统有效性降低 产生式系统的强模块性，使得规则间信息传递依赖于上下文的数据，而不能直接调用其

15、他规则，因此求解陷于大量的规则检索、匹配和操作，不能对执行优化序列或优化回溯控制作出明显反应。 基于产生式规则表示方法的特点，它适用于领域知识可分解表示为一系列不相关的求解操作，如经典的分类学。也适用于依赖大量经验知识、知识较杂且缺乏深层知识的系统。,谓词逻辑表示法,逻辑是人们思维活动规律的反映和抽象。数理逻辑是用数学方法研究形式逻辑的一个分支，又称为符号逻辑。在数理逻辑中，通过符号系统来表达客观对象以及有关的逻辑推理。谓词逻辑是数理逻辑的基本形式，是基于谓词分析的一种形式化语言。知识的逻辑表达通常指用一阶谓词逻辑描述人工智能的问题求解,谓词逻辑的概念,1谓词和个体变量 谓词逻辑是一种用句子的

16、内部结构（主语、谓语）为基本符号来研究人的思维规律的数理逻辑。 如“张比王小”，用谓词表示为：LITTLE（Zhang，Wang） 其中大写英文词LITTLE（也可以用一个字母）表示谓词比小； 括弧及里面的字（Zhang，Wang）表示主语（次序不能颠倒）。 谓词逻辑的一般形式为，i=1，2，n 式中P称为谓词，用来刻划个体的性质或关系， 称为个体变量（又称变元），它表示独立存在的事物，可以是一个抽象的概念，也可以是一个具体的事物。 个体域：个体变元的变化范围，可以是有限的，也可以是无限的。 谓词的元数：个体变元的数目。如一元谓词，多元谓词。 谓词赋值：将P赋予确定的含义，代表确定的个体。 谓

17、词的真值：当谓词被赋值后就有了真值，“真”或“假”。,联结词,谓词只能表示简单陈述句，对思维过程中的大量复合句还要用联结词将它们组合成谓词合式公式。常用的联结词有： (1) 否定联结词：用来否定原来的谓词。如： LIKE(I, Music) 否定后变成 LIKE(I, Music) (2) 合取联结词：用来表示并列的复合句子。如： LIKE(I, Music) LIKE(I, Dance) (3) 合取联结词：用来表示可兼有的或。如： CHAMPION(Liming, 100m) CHAMPION(Liming, 400m) (4) 合取联结词：用来表示“如果那么”的句子。左侧叫前提（前件），

18、右侧叫结论（后件），它表示善意的推定，即只有在前件P为T，后件Q为F时，PQ的真值为F，否则PQ的真值为T。 (5) 双条件联结词：只有P和Q的真值相同时，PQ的真值为T，否则PQ的真值为F。,常用谓词联结词的定义如下：,P,Q,量词,谓词叫原子谓词公式（简称原子公式），用表示。 有些原子公式对个体域中所有个体变元都具有T值，但有些则不然。在数理逻辑中用量词来表示这个特点。 (1) 全称量词“（x）”，读作“对于所有的x”。 (x)表示“对于个体域中所有的个体x，谓词均为T”。 (2) 存在量词“（ x）”，读作“存在x”。 ( x)表示“在个体域中存在某些个体，使谓词为T”。,谓词合式公式（

19、又称谓词公式）,原子公式和联结词及量词一起可以组成谓词合式公式。定义如下： （1） 原子公式是合式公式。 （2） 若A是合式公式，则A是合式公式。 （3 若A和B都是合式公式，则（AB）,(AB),(AB)和（A B）都是合式公式。 （4） 如果A是合式公式，x是A中出现的任何变元，则（ x）A和（ x）A都是合式公式。 （5只有经过有限次的应用规则（1）（4）所得到的公式是合式公式。 由此可见，谓词合式公式是由原子谓词公式、联结词、量词以及圆括号按照上述规则组成一个符号串。 例如：“所有发电机的母线电压大于、等于1.05时，应减少发电机励磁”可改写成：“对于所有发电机，如果其母线电压1.05

20、，则减少发电机励磁”。其谓词公式是： ( x)(UOLTAGE(x,bus)(GE)(V,1.05)DECREASED(x,excitation),式中个体变元x表示发电机；V表示电压。,谓词演算的等价式和蕴含式,等价：两个谓词公式P、Q在其共同的个体域上，P Q是永真式。记作P Q。 蕴含：两个谓词公式P、Q在其共同的个体域上，PQ是永真式。记作P Q。 在谓词公式的演算过程中，常用的一批等价式和蕴含式参见教材P8688。,谓词逻辑表示法的应用举例,用谓词逻辑表示状态 问题的状态往往是一个或一批事实，它可以用一个或一组语句来描述，因此可用一个或几个谓词公式的合取来表示。 例5用谓词公式表示变

21、电所中负荷的供电状况。 分析：只有在母线带电，断路器、隔离开关1、2均在合位时，负荷才能供电。 谓词公式：LINK(breaker,switch1) LINK(switch1,bus) LINK(switch2, breaker) LIVE(bus) CLOSE(breaker) CLOSE(switch1) CLOSE(switch2),用谓词逻辑表示操作 操作由条件和动作两部分组成。用谓词逻辑表示操作时，条件可以写成若干语句的合取。当状态的事实使它们都为真时，该操作可以被选用。动作则表示操作。例 用谓词公式表示拉开刀闸1的操作。 操作：OPEN(SWITCH) 条件：LINK(breake

22、r,switch1) LINK(switch1,bus) OPEN(BREAK) OPEN(SWITCH1),谓词逻辑表示法的特点,谓词逻辑表示法的优点 l 严格性：可以保证其演绎推理结果的正确性，可以较精确地表达知识。 l通用性：拥有通用的逻辑演算的方法和推理的规则。 l自然性：谓词逻辑是一种接近于自然语言的形式语言。 l 模块性：便于用计算机实现逻辑推理的机械化、自动化。 谓词逻辑表示法的缺点 l 效率低：由于推理是根据形式逻辑进行的，把推理演算与知识含义截然分开，抛弃了表达内容中所含有的语义信息，往往使推理过程太冗长，效率低，出现“组合爆炸”。 l 灵活性差：不便于表达和加入启发性知识及

23、元知识。,谓词逻辑表示法的应用,（1） 自动问答系统 （2） 机器人行动规划系统 （3） 机器博弈系统 （4） 问题求解系统,框架表示法,研究发现，人们大脑中的经验知识往往是用数据结构形式存储的，进而将这种表示某种固定状态（事物、动作、推测）的一种数据结构称为框架。框架表示法是一种描述范围广泛、存放描述信息较多的知识表示方法。,框架表示法的一般形式,框架名槽名1（值111，值112，.） （值121，值122，.） 槽名2（值211，值212，.） （值221，值222，.） 说明：（1）槽、侧面、值可以有任意有限个数目，可根据需要设置。 （2）每个槽可以填入不同类型的值，设计者可根据需要确定，它可以是数值、文字、二值逻辑的真或假，也可以是一个子框架。,框架表示法的特点,（1） 框架是一个分层次的嵌套式结构。可由浅入深的描述问题。 （2） 每个框架是相对独立的数据结构。 （3） 利用框架系统的互相调用形式，可以调用其它应用程序和其它表示方法。（可以实现互相调用）,语义网表示法,语义网是以网络格式表示人类知识构造的一种形式，是一