人工智能与知识工程-知识表示3

12.1知识与知识表示的概念2.2状态空间法2.3问题规约法2.4谓词逻辑法2.5语义网络法2.6框架表示法2.7剧本表示法2.8过程表示法2.9面向对象表示法2.10小结2知识表示方法22.5语义网络法2.5.1语义网络的基本概念2.5.2语义网络的知识表示方法2.5.3语义网络的推理过程2.5.4语义网络的特点32.5.1语义网络的基本概念语义网络是J.R.Quillian1968年在研究人类联想记忆时提出的一种心理学模型，他认为记忆是由概念间的联系实现的。随后，J.R.Quillian又把它用作知识表示。1972年，西蒙在他的自然语言理解系统中也采用了语义网络表示法。1975年，G.G.Hendrix又对全称量词的表示提出了语义网络分区技术。目前，语义网络已经成为人工智能中应用较多的一种知识表示方法，尤其是在自然语言处理方面的应用。42.5.1语义网络的基本概念(续)语义网络：是一种用结点和弧来表达实体之间语义关系的有向图，是知识的一种结构化图解表示。其中结点:实体、事物、概念、属性、事件，情况等弧线用于表示结点间的语义关系􀂄􀂄语义网络的组成词法部分：决定表示词汇表中允许哪些符号，这涉及各个节点和弧线。结构部分：叙述符号排列的约束条件，指定各弧线连接的节点对。过程部分：说明访问过程，这些过程能用来建立和修正描述以及回答相关问题。语义部分：确定与描述相关的（联想）意义的方法即确定有关节点的排列及其占有物和对应弧线52.5.1语义网络的基本概念(续)62.5.1语义网络的基本概念(续)例：所有的燕子都是鸟。小燕是一只燕子。鸟有翅膀。72.5.1语义网络的基本概念(续)语义网络与谓词逻辑有相似的表示能力。（结点1，弧，结点2）Ｐ（个体1,个体2）一个语义基元相当于一个二元谓词。谓词逻辑中的个体也就是语义网络中关心的实体。弧及其上的关系相关于谓词Ｐ的意义。例：以上例子的谓词表示Color(snow,white)Age(LiLee,22)ISKINDOF(燕子，鸟)Bird(燕子)82.5.1语义网络的基本概念(续)从功能上说，语义网络可以描述任何事物间的任意复杂关系。从一些基本的语义关系组合成任意复杂的语义关系是可行的。基本的语义关系类属关系包含关系属性关系位置关系相近关系推论关系9基本的语义关系类属关系指具有共同属性的不同事物间的分类关系、成员关系或实例关系。它体现的是“具体与抽象”、“个体与集体”的概念。类属关系的一个最主要特征是属性的继承性，处在具体层的结点可以继承抽象层结点的所有属性。A-Kind-of(子集)A-Member-ofIs-a10基本的语义关系（续）包含关系（聚类关系）指具有组织中结构特征的“部分与整体”之间的关系。Part-of11基本的语义关系（续）属性关系指事物和其属性之间的关系,如具有某种属性，有某种能力等。HaveCan12基本的语义关系（续）时间关系指不同事件在其发生时间方面的先后次序关系。BeforeAfter13基本的语义关系（续）位置关系指不同事物在物理位置方面的关系。Located-atLocated-onLocated-underLocated-insideLocated-outside14基本的语义关系（续）相近关系相近关系是指不同事物在形状、内容等方面相似和接近。Similar-toNear-to15基本的语义关系（续）推论关系指从一个概念推出另一个概念的语义关系。在实际的应用中可选择以上通用的基本语义关系，也可根据具体实体关系来自己定义新的关系。162.5.2语义网络的知识表示方法一元关系的语义网络表示是指用一元谓词P(x)表示的关系二元关系的语义网络表示是指用二元谓词P(x,y)表示的关系多元关系的语义网络表示是指用多元谓词P(x1,x2,…)表示的关系17一元关系的语义网络表示一元关系：实体的性质、属性等STUDENT(LiMing)FLY(Bird)SHINE(sun)表示方法：用结点1表示实体，用结点2表示实体的性质或属性等，用弧表示结点1和结点2之间的语义关系。18二元关系的语义网络表示19二元关系的语义网络表示（续）例：我椅子的颜色是咖啡色的；椅子包套是皮革；椅子是一种家具；椅子的所有者是；X是个人。20多元关系的语义网络表示多元关系1.常河给了江涛一张磁盘GIVE(常河,江涛,一张磁盘)2.北京大学和清华大学两校篮球队在北大进行的一场比赛的比分是85比89。GAME(北京大学,清华大学,北京大学,85:89)3.小燕子这只燕子从春天到秋天占有一个巢OCCUPATION(小燕子,春天,秋天,巢)21多元关系的语义网络表示（续）表示方法：通过增加关系结点、动作结点、事件结点或情况结点等的方法把多元关系转化为多个二元关系。例：常河给了江涛一张磁盘GIVE(常河,江涛,一张磁盘)常河、江涛、一张磁盘之间找不到一个可以把三者都联系起来的关系或实体。考虑增加结点使得各实体与此结点都能建立联系，形成网络：动作结点（给）或事件结点（给予事件）22多元关系的语义网络表示（续）带动作结点的语义网络表示方法23多元关系的语义网络表示（续）带事件结点的语义网络表示方法24多元关系的语义网络表示（续）北京大学和清华大学两校篮球队在北大进行的一场比赛的比分是85比89。添加事件结点BGTB表示这场特定的比赛，将有关比赛的信息联系起来25多元关系的语义网络表示（续）小燕子这只燕子从春天到秋天占有一个巢OCCUPATION(小燕子,燕子,春天,秋天,巢)26多元关系的语义网络表示（续）例：海浪把战舰轻轻的摇。27多元关系的语义网络表示（续）28多元关系的语义网络表示（续）同一命题可以按知识的详细程度及范围选择不同的结点类型和个数，构成不同的语义网络结构。在选择结点时，要弄清结点是用于表示基本的物体或概念的，或是用于其它目的的动作、情况、事件等用于联系或扩大知识范围的结点。适当的选用能够合并多个子网，扩大知识范围的结点，使问题简化。29多元关系的语义网络表示（续）例：我的汽车是红色的。李华的汽车是绿色的。302.5.3语义网络的推理过程符号规定:值结点:链尾部的节点称为值结点。槽:将结点的链称为槽.语义网络的推理过程是通过继承和匹配实现的，问题求解时，先构造由语义网络组成的知识库和语义网络推理机，再根据待求问题的要求构造一个网络片断，然后依此网络片断到知识库找可匹配的网络，如果匹配，所匹配的事实就是问题的解。继承：是指把对事物的描述从概念结点或类结点传递到实例结点。匹配：就是在知识库的语义网络中寻找与待求解问题相符的语义网络模式。31继承例：已知事实：李华的汽车是红色的。通过结点关系可知，李华的汽车继承了所有汽车具有的属性。32继承（续）三种继承过程:(1)值继承:ISA链,A-Kind-Of链(2)“如果需要”继承:在不知道槽值时,可以利用已知信息计算例:根据体积和物质的密度计算积木的重量。(3)“缺省”继承:当对事物所作的假设不是十分有把握时,最好对所作的假设加上“可能”这样的字眼。宝石可能是很昂贵的，但不一定是。把这种具有相当程度的真实性，但又不能十分肯定的值称为“缺省”值。33匹配对于针对语义网中的某个或某些概念提出的问题，通过语义网络的匹配来回答。何时，何地，做什么，谁做，x是什么，什么是x，x的原因，x的目的，求证等。匹配主要过程为：根据问题的要求构造网络片断，该网络片断中有些结点或弧为空，标记待求解的问题；根据该语义片断在知识库中寻找相应的信息；当待求解的语义网络片断和知识库中的语义网络片断相匹配时，则与询问处（也就是待求解的地方）相匹配的事实就是问题的解。34匹配（续）例：海浪把战舰轻轻地摇海浪在轻轻摇什么？怎么摇动？摇动是什么意思？35匹配（续）例：海浪在轻轻摇什么？问题语义网络表示：36匹配（续）匹配的语义网络片段372.5.4语义网络的特点(1)能把实体的结构、属性与实体间的因果关系显式地和简明地表达出来，与实体相关的事实、特征和关系可以通过相应的节点弧线推导出来。这样便以联想方式实现对系统的解释。(2)由于与概念相关的属性和联系被组织在一个相应的节点中，因而使概念易于受访和学习。(3)表现问题更加直观，更易于理解，适于知识工程师与领域专家沟通。(4)语义网络结构的语义解释依赖于该结构的推理过程而没有结构的约定，因而得到的推理不能保证像谓词逻辑法那样有效。(5)节点间的联系可能是线状、树状或网状的，甚至是递归状的结构，使相应的知识存储和检索可能需要比较复杂的过程。382.6框架表示法2.6.1框架理论2.6.2框架和实例框架2.6.3框架系统2.6.4框架系统的问题求解过程392.6.1框架理论1975年，Minsky根据人们在理解情景、故事时提出的心理学模型，在论文“AFrameworkforrepresentingknowledge”中提出了框架理论，尽管只是思想方法而非具体实现，但还是引起了学术界的重视。框架理论：人们对现实世界各种事物的认识都是以一种类似于框架的结构存储在记忆中的。当遇到新事物时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据新的情况对其加以修改、补充，从而形成对这个新事物的认识，称为实例框架框架是知识的基本单位，一组相关框架连接起来便可形成一个框架系统。402.6.2框架和实例框架框架是由若干结点和关系（统称为槽）构成的网络，是语义网络一般化的形式，与后者没有本质的差别。它是表示某一类情景的结构化的一种数据结构，框架的最顶层是固定的一类事物，基于概念的抽象程度表现出自上而下的分层结构。框架由框架名和一些槽组成，每个槽可以拥有若干个侧面，而每个侧面又可以拥有若干个值。框架的基本结构框架名槽1侧面11值111…侧面名12值121…槽2侧面21值211……槽n侧面n1值n11…侧面nm值nm1…约束：约束条件1约束条件2…约束条件n412.6.2框架和实例框架（续）框架名：硕士学籍公修课：硕公修课(C1)专业课：硕专业课(C2)学术活动：时间安排：单位（学期号）活动形式：范围（参加会议，学术考察）默认：参加会议获学分C3：单位（整型数）默认：C3=0教学实践：时间安排：单位（学期号）实践形式：范围(讲课，辅导)默认：辅导条件：C=C1+C2+C3+…=35422.6.2框架和实例框架（续）实例框架：把具体信息填入其槽或侧面。框架名：硕士学籍-1公修课：硕公修课(C1)专业课：硕专业课(C2)学术活动：时间安排：7活动形式：参加会议获学分C3：2教学实践：时间安排：8实践形式：辅导432.6.3框架系统框架系统：多个相互联系的框架组织起来就形成了框架系统。基本结构：横向或纵向联系横向联系：一个框架的槽值或侧面值是另外一个框架的名字，即对另一个框架的调用。纵向联系：具有继承关系的框架之间构成纵向联系。442.6.3框架系统（续）框架名：学生姓名：单位（姓，名）性别：范围（男，女）默认：男年龄：单位（岁）住址：单位（楼号，房间号）电话：单位（（区号），话机号）入学时间：单位（年，月）学制：单位（年）452.6.3框架系统（续）框架名：硕士生继承：学生学籍：硕学籍研究方向：单位（方向名）导师姓名：单位（姓，名）参加课题：范围（国家级,省部级,其它）默认：国家级学位论文：单位（论文题目）默认：题目未定462.6.4框架系统的问题求解过程继承通过继承关系求得新事物的其它属性。匹配将待求解问题表示成框架，待求解答案的槽值或侧面值为空。在框架系统中寻找与求解问题框架匹配的框架。通过匹配框架的槽值或侧面值推出问题答案。472.6.4框架系统的问题求解过程（续）例：从学生的框架系统中找出一个满足条件的硕士生条件：女性，年龄25