《人工智能》知识点整理

《人工智能》知识点整理第二讲知识表示2.0.知识表示的重要性知识是智能的基础：获得知识、运用知识符合计算机要求的知识模式：计算机能存储、处理的知识表示模式；数据结构（List,Table,Tree,Graph,etc.）2.1基本概念2.1.1数据、信息与知识数据(Data)信息的载体和表示用一组符号及其组合表示信息信息(Information)数据的语义数据在特定场合下的具体含义知识(Knowledge)信息关联后所形成的信息结构：事实&规则经加工、整理、解释、挑选、改造后的信息2.1.2知识的特性相对正确性一定条件下某种环境中......不确定性存在“中间状态”“真”（“假”）程度随机性模糊性经验性不完全性......可表示性&可利用性语言文字图形图像视频音频神经网络概率图模型......2.1.3知识的分类常识性知识、领域性知识（作用范围）事实性知识、过程性知识、控制知识（作用及表示）确定性知识、不确定性知识（确定性）逻辑性知识、形象性知识（结构及表现形式）零级知识、一级知识、二级知识（抽象程度）2.1.4常用的知识表示方法一阶谓词（FirstOrderPredicate）产生式（Production）框架（Framework）语义网络（SemanticNetwork）剧本（Script）过程（Procedure）面向对象（Object-Oriented）Petri网（PetriNetwork）信念网（BeliefNetwork）本体论（Ontology）……2.1.5如何选择合适的表示方法？充分表示领域知识有利于对知识的利用便于理解和实现便于对知识的组织、管理与维护2.2一阶谓词表示法1.优点自然性接近自然语言，容易接受精确性用于表示精确知识严密性有严格的形式定义和推理规则易实现性易于转换为计算机内部形式2.缺点无法表示不确定性知识所能表示的知识范围太狭窄难以表示启发性知识及元知识未能充分利用与问题本身特性有关的知识组合爆炸经常出现事实、规则等的组合爆炸效率低推理与知识的语义完全割裂2.3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AI中应用最多的知识方法之一Feigenbaum研制的化学分子结构专家系统DENDRALShortliffe研制的的诊断感染性疾病的专家系统MYCIN……2.3.1产生式的基本形式PQ或IFPTHENQCF=[0,1]其中，P是产生式的前提，Q是一组结论或操作，CF(CertaintyFactor)为确定性因子，也称置信度。【注意】：谓词逻辑中的蕴涵式与产生式的基本形式相似，事实上，蕴涵式只是产生式的一种特殊情况。理由如下：（1）蕴涵式只能表示精确知识，其值非“真”即“假”，而产生式不仅可以表示精确知识，而且还可以表示不精确知识。例如，MYCIN中有如下产生式：IF本微生物的染色斑是革兰氏阴性本微生物的形状呈杆状病人是中间宿主THEN该微生物是绿脓杆菌，置信度为CF=0.6CF表示知识的强度，谓词逻辑中的蕴涵式不可以这样做。（2）用产生式表示知识的系统中，“事实”与产生式的“前提”中所规定的条件进行匹配时，可以是“精确匹配”，也可以是基于相似度的“不精确匹配”，只要相似度落入某个预先设定的范围内，即可认为匹配。但对谓词逻辑的蕴涵式而言，其匹配必须是精确的。用BNF（BackusNormalForm）表示的产生式形式描述及语义：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,...)]【说明】：产生式又称规则或产生式规则；产生式的“前提”：又称条件、前提条件、前件、左部等；产生式的“结论”：又称后件、右部等。2.3.2产生式系统的组成产生式系统的三个组成部分：规则库、综合数据库、控制系统。1、规则库用于描述相应领域内知识的产生式集合。在建立规则库时，应注意如下问题：（1）有效地表达领域内的过程性知识：包括规则的建立、不确定性知识的表示、推理链的形成、知识的完整性等。（2）对知识进行合理的组织与管理：目的是使得推理避免访问与所求解的问题无关的知识，以提高问题求解效率。2、综合数据库综合数据库又称为事实库、上下文、黑板等。它是一个用于存放问题求解过程中各种当前信息的数据结构，例如：问题的初始状态、原始证据、推理中得到的中间结论、最终结论等。当规则库中某条产生式的前提可与综合数据库中的某些已知事实匹配时，该产生式就被激活，并把用它推出的结论放入综合数据库中，作为后面推理的已知事实。显然，综合数据库的内容是在不断变化的，是动态的。综合数据库中的已知事实通常用字符串、向量、集合、矩阵、表等数据结构表示。3、控制系统控制系统又称推理机构，由一组程序组成，负责整个产生式系统的运行，实现对问题的求解。控制系统的主要工作：（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不确定性。（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。产生式系统的三大组成部分的相互关系图4、产生式系统求解问题的一般步骤（1）初始化综合数据库，把问题的初始已知事实送入综合数据库中。（2）若规则库中存在尚未使用过的规则，而且它的前提可与综合数据库中的已知事实匹配，则继续；若不存在这样的事实，则转第（5）步。（3）执行当前选中的规则，并对该规则做上标记，把该规则执行后得到的结论送入综合数据库中。若该规则的结论部分指出的是某些操作，则执行这些操作。（4）检查综合数据库中是否已包含了问题的解，若已包含，则终止问题的求解过程；否则，转第（2）步。（5）要求用户提供进一步的关于问题的已知事实，若能提供，则转第（2）步；否则，终止问题求解过程。（6）若规则中不再有未使用过的规则，则终止问题的求解过程。2.3.3产生式系统的分类按规则库及综合数据库的性质及结构特征进行分类：可交换的产生式系统、可分解的产生式系统、可恢复的产生式系统。1、可交换的产生式系统如果一个产生式系统对规则的使用次序是可交换的，无论先使用哪一条规则都可达到目的，即规则的使用次序是无关紧要的，就称其为可交换的产生式系统。2、可分解的产生式系统基本思想：把一个规模较大且比较复杂的问题（初始数据库）分解为分别若干个规模较小且比较简单的子问题，然后对每个子问题进行求解。3、可恢复的产生式系统在问题求解的过程中，既可对综合数据库添加新内容，又可删除或修改老内容的产生式系统称为可恢复的产生式系统。基本思想：人们在求解问题的过程中是经常要进行回溯的，当问题求解到某一步发现无法继续下去时，就撤销在此之前得到的某些结果，恢复到先前的某个状态。用产生式系统求解问题时也是如此，当执行一条规则后使综合数据库的状态发生变化，若发现在新的状态中无法得到问题的解，就需要立即撤销刚才产生的结果，并将综合数据库恢复到先前的状态，然后选择别的规则继续求解。2.3.4产生式系统的优缺点1、产生式系统的优点（1）自然性：由于产生式系统采用了人类常用的表达因果关系的知识表示形式，既直观、自然，又便于进行推理。（2）模块性：产生式是规则库中的最基本的知识单元，形式相同，易于模块化管理。（3）有效性：能表示确定性知识、不确定性知识、启发性知识、过程性知识等。（4）清晰性：产生式有固定的格式，既便于规则设计，又易于对规则库中的知识进行一致性、完整性检测。2、产生式系统的缺点（1）效率不高产生式系统求解问题的过程是一个反复进行“匹配—冲突消解—执行”的过程。由于规则库一般都比较庞大，而匹配又是一件十分费时的工作，因此，其工作效率不高。此外，在求解复杂问题时容易引起组合爆炸。（2）不能表达具有结构性的知识产生式系统对具有结构关系的知识无能为力，它不能把具有结构关系的事物间的区别与联系表示出来，因此，人们经常将它与其它知识表示方法（如框架表示法、语义网络表示法）相结合。2.3.5产生式系统的适用领域（1）由许多相对独立的知识元组成的领域知识，彼此之间关系不密切，不存在结构关系。如：化学反应方面的知识。（2）具有经验性及不确定性的知识，而且相关领域中对这些知识没有严格、统一的理论。如：医疗诊断、故障诊断等方面的知识。（3）领域问题的求解过程可被表示为一系列相对独立的操作，而且每个操作可被表示为一条或多条产生式规则。2.4框架表示法2.4.1框架理论1975年美国著名AI学者Minsky在其论文“Aframeworkforrepresentingknowledge”中提出了框架理论，并把它作为理解视觉、自然语言对话及其它复杂行为的基础。框架理论的基本思想：认为人们对现实世界中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，当面临一个新事物时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据实际情况对其细节加以修改、补充，从而形成对当前事物的认识。2.4.2框架的定义及表示形式1、定义框架：是一种描述对象（事物、事件或概念等）属性的数据结构，在框架理论中，框架是知识表示的基本单位。一个框架由若干个“槽”（Slot）结构组成，每个槽又可分为若干个“侧面”。一个槽：用于描述所论对象某一方面的属性；一个侧面：用于描述相应数学的一个方面。槽和侧面所具有的属性值分别称为槽值和侧面值。2、框架的一般表示形式框架名槽名1：侧面名1值1，值2，...，值p1侧面名2值1，值2，...，值p2侧面名m1值1，值2，...，值pm1槽名n：侧面名1值1，值2，...，值r1约束：约束条件1约束条件n3、框架及其实例在《聊斋志异》中有个《胭脂》的故事，开始时邑宰判错了案，就是因为他头脑里有个破案的框架：框架名：tx未遂杀人案犯罪意图：x犯罪结果：杀人被杀者：y杀人动机：x未遂被y发现知情人：{zi|iI}罪犯：t条件一：若x为强奸，则t必须是男性条件二：有某个zi指控t条件三：t招认邑宰用上述框架去套胭脂一案，结果得到了该框架的一个实例：框架实例：鄂秋準强奸未遂杀人案犯罪意图：强奸犯罪结果：杀人被杀者：卞牛医杀人动机：强奸未遂被卞牛医发现知情人：卞妻，胭脂罪犯：鄂秋準条件一：鄂秋準为男性，成立条件二：胭脂指控鄂秋準，成立条件三：鄂秋準招认，成立4、框架的BNF描述框架::=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|框架名的值|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【注】：关于框架的BNF描述的说明：（1）框架名的值允许带参数，当别的框架调用它时需要提供相应的实在参数。（2）当槽值或侧面值是一个过程时，它既可以是一个动作串，也可以是对某个过程的调用。