《人工智能》知識表示與推理二

1、,主講：夏幼明,《人工智能》示范課程,2,,① 知識表示概述② 命題邏輯的知識表示與推理 ③ 謂詞邏輯的知識表示與推理 ④ 產生式系統(tǒng)知識表示與推理⑤ 語義網絡知識表示與推理⑥ 框架知識表示與推理⑦ 腳本知識表示與推理⑧ 面向Agent的知識表示與推理,“知識表示與推理”核心內容,3,,① 產生式系統(tǒng)定義 ② 產生式系統(tǒng)的推理 ③ 產生式表示下的推理過程 ④ 產生式表示知識表示法的特點⑤ 產生

2、式系統(tǒng)舉例,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,4,,產生式系統(tǒng)定義1972年，紐厄爾和西蒙在研究人類的認知模型中開發(fā)了基于規(guī)則的產生式系統(tǒng)，目前，產生式表示法已經成了人工智能中應用最多的一種知識表示模式?？杀硎镜闹R種類：事實性、規(guī)則性知識以及它們的不確定度量。產生式表示法又稱為產生式規(guī)則表示法。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,5,,產生式系統(tǒng)定義產生式規(guī)則它是指形如α?β或IFαTHENβ或其等價形式的一條規(guī)則，其中α稱為產生式的左部或前件

3、；β稱為產生式的右部或后件。①如果α、β分別代表需要注釋的一組條件及其成立時需要采取的行動，那么稱為條件-行動型產生式；②如果α、β分別代表前提及其相應的結論，那么稱為前提-結論型產生式。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,6,,① 產生式系統(tǒng)定義 一個產生式系統(tǒng)由下列3部分組成：一個總數(shù)據(jù)庫(global database)，它含有與具體任務有關的信息。 一套規(guī)則，它對數(shù)據(jù)庫進行操作運算。每條規(guī)則由左右兩部分組成，左部鑒別規(guī)則的

4、適用性或先決條件，右部描述規(guī)則應用時所完成的動作。應用規(guī)則來改變數(shù)據(jù)庫。 一個控制策略，它確定應該采用哪一條適用規(guī)則，而且當數(shù)據(jù)庫的終止條件滿足時，就停止計算。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,7,,① 產生式系統(tǒng)定義 一個產生式系統(tǒng)由下列3部分組成：綜合數(shù)據(jù)庫是產生式系統(tǒng)所用的主要數(shù)據(jù)結構，它主要用來表示問題的狀態(tài)，即初始狀態(tài)、中間狀態(tài)和目標狀態(tài)等，以及狀態(tài)之間的關系。它不是固定不變的，在求解的過程中，它的內容將越來越多，狀態(tài)之間

5、的關系也越來越復雜。規(guī)則的一般形式是： IF 條件 THEN 操作 ；即滿足應用的先決條件后，就對數(shù)據(jù)庫實行后面的操作。控制策略規(guī)定了操作的順序，即在任何條件下用什么規(guī)則進行操作，什么條件下停止運行，它規(guī)定了問題的求解的搜索策略和路線。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,8,,② 產生式系統(tǒng)的推理產生式是系統(tǒng)的單元程序，它與常規(guī)程序不同之處在于，產生式是否執(zhí)行并不在事前硬性規(guī)定，各產生式之間也不能相互直接調用，而完全決定于該產生式的作用條

6、件能否滿足，即能否與全局數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)條款匹配。另一方面，產生式在執(zhí)行之后工作環(huán)境即發(fā)生變化，因而必須對全局數(shù)據(jù)庫的條款作相應修改，以反映新的環(huán)境條件。全部工作是在控制程序作用下進行的?，F(xiàn)代產生式系統(tǒng)的一個工作循環(huán)通常包含匹配、選優(yōu)、行動三個階段。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,9,,② 產生式系統(tǒng)的推理推理方向：產生式系統(tǒng)的推理分為正向推理和逆向推理。正向推理指的是從現(xiàn)有條件出發(fā)，自底向上地進行推理（條件的綜合），直到預期目標實現(xiàn)。

7、逆向推理則從預期目標出發(fā)，自頂向下地進行推理（目標的分析），直到符合當前的條件。運用逆向推理時，后件而不是前件引導產生式的搜索工作，因此按推理方向可將產生式系統(tǒng)分為前件驅動和后件驅動兩種類型。條件－行動型產生式系統(tǒng)采用前件驅動的工作方式。 。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,10,,② 產生式系統(tǒng)的推理推理方向：產生式系統(tǒng)的推理分為正向推理和逆向推理。正向推理算法步1 將初始事實/數(shù)據(jù)置入動態(tài)數(shù)據(jù)庫；步2 用動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的事實

8、匹配目標條件，若目標條件滿足，推理成功，結束。步3 用規(guī)則庫中各規(guī)則的前提匹配動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的事實，將匹配成功的規(guī)則組成待用規(guī)則集。步4 若待用規(guī)則集為空，則運行失敗，退出。步5 將待用規(guī)則集中各規(guī)則的結論加入動態(tài)數(shù)據(jù)庫，或者執(zhí)行其動作，轉步2。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,11,,② 產生式系統(tǒng)的推理推理方向：產生式系統(tǒng)的推理分為正向推理和逆向推理。反向推理算法步1 將初始事實/數(shù)據(jù)置入動態(tài)數(shù)據(jù)庫，將目標條件置入目標鏈

9、；步2 若目標鏈為空，則推理成功，結束。步3 取出目標鏈中第一個目標，用動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的事實同其匹配，若匹配成功，轉步2。步4 用規(guī)則集中的各規(guī)則的結論同該目標匹配，若匹配成功，將第一個匹配成功且未用過的規(guī)則的前提作為新的目標，并取代原來的父目標加入目標鏈，轉步3。步5 若該目標是初始目標，則推理失敗，退出。步6 將該目標的父目標移回目標鏈，取代該目標及其兄弟目標，轉步3。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,12,,③ 產生式

10、系統(tǒng)的推理過程給定一組事實之后可用匹配技術尋找可用產生式，其基本思想是將已知事實代入產生式的前件，若前件為真，則該產生式是可用的。提高匹配效率的方法索引匹配：為狀態(tài)建立可用產生式索引表，減少可用產生式搜索范圍。分層匹配：將產生式分成若干層或組，按一定特征進行分層搜索。過濾匹配：邊匹配邊 按某些附加特征或參數(shù)對可用產生式進行精選。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,13,,③ 產生式系統(tǒng)的推理過程如果一組事實可以同時使幾個產生式前提為

11、真，常用以下方法進行選擇（沖突消解策略）：將所有產生式排序，選最早匹配成功的一個，不管其余的產生式；在所有匹配成功的產生式中取最強的，即前提條件最多或情況元素最多者；最近用過的產生式優(yōu)先（或反之）；給情況元素以不同的優(yōu)先權；使用估計函數(shù)f(x)排序；利用上下文限制。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,14,,③ 產生式系統(tǒng)的推理過程推理機一次運行過程,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,15,,④ 產生式知識表示法的特點產生式系統(tǒng)的優(yōu)點是

12、：①模塊性，每一產生式可以相對獨立地增加、刪除和修改；②均勻性，每一產生式表示整體知識的一個片段，易于為用戶或系統(tǒng)的其他部分理解；③自然性，能自然地表示直觀知識。它的缺點是執(zhí)行效率低，此外每一條產生式都是一個獨立的程序單元，一般相互之間不能直接調用也不彼此包含，控制不便，因而不宜用來求解理論性強的問題。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,16,,④ 產生式知識表示法的特點清晰性：產生式表示格式固定，形式單一，規(guī)則（知識單位）間相互較為獨立，

13、沒有直接關系，使知識庫的建立較為容易，處理較為簡單的問題是可取的。另外推理方式單純，也沒有復雜計算。模塊性：知識庫與推理機是分離的，這種結構給知識的修改帶來方便，無須修改程序，對系統(tǒng)的推理路徑也容易作出解釋。自然性：直觀自然，便于推理。既可表示確定性知識，也可表示不確定性知識。實現(xiàn)：用visual prolog語言表示產生式規(guī)則，甚至不用寫推理機程序。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,17,,④ 產生式知識表示法的特點全局數(shù)據(jù)庫的內容

14、可以為所有規(guī)則所訪問，沒有任何部分是專為某一規(guī)則建立的，這種特性便于模仿智能行為中的強數(shù)據(jù)驅動。規(guī)則本身不調用其他規(guī)則。規(guī)則之間的聯(lián)系必須通過全部數(shù)據(jù)庫聯(lián)系。全局數(shù)據(jù)庫、規(guī)則和推理機之間相對獨立，這種積木式結構便于整個系統(tǒng)增加和修改知識。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,18,,⑤ 產生式系統(tǒng)舉例 r6: IF 動物有犬齒 AND 有爪 AND 眼盯前方 THEN 該動物是食肉動物其中，r6是該產生式的編號；“動物有犬齒 AND 有

15、爪 AND 眼盯前方”是產生式的前提P；“該動物是食肉動物”是產生式的結論Q。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,19,,⑤ 產生式系統(tǒng)舉例 例：一條知識的原始形態(tài)是 R: ( (A ? B) ?(C ? D)) ? ((E ? F) ? G)=>S 引入中間結論S1，S2，形成一些小型的產生式: R1： A ? B =>S1 R2： C ? D =>S1

16、 R3： E ? F =>S2 R4： S1 ?G =>S R5: S1 ?S2 =>S,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,20,,產生式系統(tǒng)舉例確定性規(guī)則知識的產生式表示：P→Q或IF P THEN Q不確定性規(guī)則知識的產生式表示：P→Q （可信度）或IF P THEN Q （可信度）。 r6: IF 動物有犬齒 AND 有爪 AND 眼盯前方

17、THEN 該動物是食肉動物其中，r6是該產生式的編號；“動物有犬齒 AND 有爪 AND 眼盯前方”是產生式的前提P；“該動物是食肉動物”是產生式的結論Q。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,21,,產生式系統(tǒng)舉例確定性事實知識的產生式表示（三元組） （對象，屬性，值）或（關系，對象1，對象2）例如：（雪，顏色，白色），（Li，AGE，40），(FRIENDS，Li，Zhang)不確定性規(guī)則知識的產生式表示(四元組)：（對象，屬性，

18、值，可信度）或（關系，對象1，對象2，可信度）例如：“老李年齡很可能是40歲（0.8）”，“老李和老張是朋友的可能性不大（0.1）”表示為（Li，AGE，40，0.8） ，(FRIENDS，Li，Zhang，0.1),產生式系統(tǒng)知識表示與推理,22,,⑤ 產生式系統(tǒng)舉例 與蘊涵式的主要區(qū)別： (1) 蘊涵式表示的知識只能是精確的，產生式表示的知識可以是不確定的。其原因是蘊涵式是一個邏輯表達式，其邏輯值只有真和假。 (2) 蘊

19、含式的匹配一定要求是精確的，而產生式的匹配可以是不確定的。其原因是產生式的前提條件和結論都可以是不確定的，因此其匹配也可以是不確定的。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,23,,⑤ 產生式系統(tǒng)舉例 與條件語句的主要區(qū)別： (1) 前件結構不同 ：產生式的前件可以是一個復雜的的結構，傳統(tǒng)程序設計語言中的左部僅僅是一個布爾表達式。 (2) 控制流程不同：產生式系統(tǒng)中滿足前提條件的規(guī)則被激活后，不一定被立即執(zhí)行，能否執(zhí)行將取決于沖突消解策略；

20、傳統(tǒng)程序設計語言中是嚴格地從一個條件語句向其下一個條件語句傳遞。,產生式系統(tǒng)知識表示與推理,24,,① 語義網絡的概念 ② 語義網絡中常用的語義聯(lián)系 ③ 語義網絡表示知識的方法 ④ 語義網絡表示下的推理過程⑤ 語義網絡表示法的特點,語義網絡知識表示與推理,25,,語義網絡的概念 語義網絡(semantic network)是一種出現(xiàn)比較早的知識表達形式，在人工智能中得到了比較廣泛的應用。語義網絡最早是1968年奎廉(Qu

21、illian)在他的博士論文中作為人類聯(lián)想記憶的一個顯式心理學模型提出的。1972年，西蒙正式提出語義網絡的概念，討論了它和一階謂詞的關系，并將語義網絡應用到了自然語言理解的研究中。 語義網絡是一種采用網絡形式表示人類知識的方法。,語義網絡知識表示與推理,26,,語義網絡的概念一個語義網絡是一個帶標識的有向圖。其中，帶有標識的結點標識問題領域中的物體、概念、時間、動作或者態(tài)勢。在語義網絡知識表示中，結點一般劃分為實例節(jié)點和類節(jié)點兩種

22、類型。結點之間帶有標識的有向弧標識結點之間的語義聯(lián)系，有向弧，即為邊，表示這些概念間的語義關系，是語義網絡組織知識的關鍵。語義網絡用來表達復雜的概念及其之間的相互關系，從而形成一個由節(jié)點和弧組成的語義網絡描述圖。,語義網絡知識表示與推理,27,,② 語義網絡中常用的語義聯(lián)系 以個體為中心組織知識的語義聯(lián)系    ISA聯(lián)系的例子（1）實體聯(lián)系 　　用于表示類節(jié)點與所屬實例節(jié)點之間的聯(lián)系，通常標識為 ISA。

23、例如，“張三是一名教師”可以表示為右圖所示的語義網絡。,語義網絡知識表示與推理,28,,② 語義網絡中常用的語義聯(lián)系（2）泛化聯(lián)系    用于表示一種類節(jié)點與更抽象的類節(jié)點之間的聯(lián)系，通常用AKO(a kind of)表示。 AKO聯(lián)系的例子,語義網絡知識表示與推理,29,,② 語義網絡中常用的語義聯(lián)系（3）聚集聯(lián)系    用于表示某一個個體與其組成成分之間的聯(lián)系， 通常用part-o

24、f表示聚集聯(lián)系基于概念的分解性，將高層概念分解為若干低層概念的集合。 聚集聯(lián)系的例子,語義網絡知識表示與推理,30,,② 語義網絡中常用的語義聯(lián)系（4）屬性聯(lián)系    用于表示個體、屬性及其取值之間的聯(lián)系。通常用有向弧表示屬性，用這些弧指向的結點表示各自的值。屬性聯(lián)系的例子,語義網絡知識表示與推理,31,,③ 語義網絡表示知識的方法相對于產生式規(guī)則主要用以描述因果知識，語義網絡則能夠用來表達更加復雜的概念及

25、其之間的相互關系，形成一個由節(jié)點和弧組成的語義網絡描述圖。對于表示關系的標簽中有兩個比較重要，其一是ISA關系，它表示A概念是B概念的一個實例，比如windows這個概念，我們這樣表示：windows ISA Operate System，就能把它從一般的描述窗戶的概念中區(qū)分出來，專指一種操作系統(tǒng)。,語義網絡知識表示與推理,32,,③ 語義網絡表示知識的方法對于表示關系的標簽中有兩個比較重要，其二是AKO關系，它表示A概念是B概念的

26、一個子類，人AKO動物，就表示人是動物中的一個子類。當然，在語義網絡中還有其他的關系，比如have、located、can、need、study-in等等。 語義網絡可以表示事實性知識，也可以表示事實性知識之間的聯(lián)系。主要體現(xiàn)在下面幾個方面：1、表示事實；2、表示有關事物間的聯(lián)系；3、表示比較復雜的知識。,語義網絡知識表示與推理,33,,③ 語義網絡表示知識的方法 1) 用語義網絡表示事實,語義網絡知識表示與推理,34,,③ 語義網

27、絡表示知識的方法 1) 用語義網絡表示事實,語義網絡知識表示與推理,合取、析取關系語義網絡示例,35,,③ 語義網絡表示知識的方法 1) 用語義網絡表示事實,語義網絡知識表示與推理,動作作為節(jié)點的語義網絡示例,36,,③ 語義網絡表示知識的方法 1) 用語義網絡表示事實,語義網絡知識表示與推理,事件作為節(jié)點的語義網絡示例,37,,③ 語義網絡表示知識的方法 2) 用語義網絡表示事實之間的關系,語義網絡知識表示與推理,分類關系示例

28、,38,,③ 語義網絡表示知識的方法 2) 用語義網絡表示事實之間的關系,語義網絡知識表示與推理,聚集關系示例,39,,③ 語義網絡表示知識的方法 2) 用語義網絡表示事實之間的關系,語義網絡知識表示與推理,推論關系示例,時間、位置關系示例,40,,③ 語義網絡表示知識的方法 3) 常用的語義聯(lián)系,語義網絡知識表示與推理,41,,③ 語義網絡表示知識的方法 4) 謂詞聯(lián)系： (變量取值)謂詞的形為R(x1，x2，…，xn)，xi

29、是謂詞變元，取值為ai。如何轉換為二元關系？增加一個謂詞為： argi說明R與xi的關系，于是有：Arg1（R，x1），Arg2（R，x2），…，Argn（R，xn），用語義網絡表示為：,語義網絡知識表示與推理,42,,③ 語義網絡表示知識的方法 5) 蘊含： 由“蘊含”結點說明分別由兩條?。ˋNTE、CONSE）指向的條件和結論結點之間的蘊含的關系。下例表示：如果車庫起火，那么用CO2或沙來滅火 ：,語義網絡知識表示與推理,43

30、,,③ 語義網絡表示知識的方法 6) 在語義網絡中變元和量詞的表示：存在量詞：通過用“is-a”弧表示各概念與具體特例關系，以此表示特例事實的存在。A dog has bitten a postman：,語義網絡知識表示與推理,44,,③ 語義網絡表示知識的方法 6) 在語義網絡中變元和量詞的表示：全稱量詞：通過分塊技術，每個分塊表示一個事實，成為FORM，增加G和GS結點，G是GS的成員，用is-a表示它們之間的聯(lián)系。GS與

31、分塊之間是FORM關系，與要說明的概念之間是全稱或存在的聯(lián)系。Every dog has bitten every postman,語義網絡知識表示與推理,45,,③ 語義網絡表示知識的方法 5) 語義網絡系統(tǒng)中求解問題的基本過程 語義網絡系統(tǒng)的組成 語義網絡構成的知識庫 用于求解問題的解釋程序——語義網絡推理機 求解問題的過程 根據(jù)待求解問題的要求構造一個網絡片段，其中有些節(jié)點或弧的標識是空的，反映待求解的問題 依次

32、網絡片段到知識庫中去尋找可匹配的網絡，以找出需要的信息。主要解決不確定性匹配問題。 當問題的語義網絡片段與知識庫中的某語義網絡片段匹配時，則與詢問處匹配的事實就是問題的解。,語義網絡知識表示與推理,46,,④ 語義網絡表示下的推理過程應用語義網絡的主要推理方式是以關系弧作為索引，快速地在網絡中搜索到所需的信息。支持搜索的最重要技術是層次分類和特性繼承。（1） 層次分類　　世界萬物都遵從層次分類法則。用前述關系弧Ako很容易建立

33、起面向層次分類的語義網絡。再通過關系弧Isa就可把個體事物關聯(lián)到分布于層次分類網絡中的各個概念節(jié)點（視類名為概念）。,語義網絡知識表示與推理,47,,④ 語義網絡表示下的推理過程設置層次分類網絡的顯著優(yōu)點是可以分別存儲個體事物的共性，進而大幅度提高信息的存儲效率。廣義上，節(jié)點間關系弧指示事物的屬性（特性）；可以把個體事物的公共屬性值和典型屬性值存放于個體事物所屬的類或超類節(jié)點中，而個體事物節(jié)點本身只存放其特有的信息。,語義網絡知識表示

34、與推理,48,,④ 語義網絡表示下的推理過程（2） 特性繼承與建立層次分類網絡緊密相關的是特性繼承技術，可以說正是由于有特性繼承技術的 支持，才使層次分類網絡得以實用化。特性繼承原理可非形式地闡述如下：當取用不記載于個體事物節(jié)點的公共或典型特性值時，可以沿Isa和Ako關系?。ㄒ卜Q為鏈）追溯到存放這些特性值的類或超類節(jié)點。,語義網絡知識表示與推理,49,,④ 語義網絡表示下的推理過程在語義網絡知識表達方法中，沒有形式語義，也就是

35、說，和謂詞邏輯不同，對所給定的表達結構表示什么語義沒有統(tǒng)一的表示法。賦予網絡結構的含義完全決定于管理這個網絡的過程的特性。已經設計了很多種以網絡為基礎的系統(tǒng)，它們各自采用完全不同的推理過程。 語義網絡中的推理過程主要有兩種，一種是繼承，另一種是匹配。,語義網絡知識表示與推理,50,,④ 語義網絡表示下的推理過程繼承所謂的繼承是把對事物的描述從概念節(jié)點或類節(jié)點傳遞到實例節(jié)點。 例如在圖中BRICK是概念節(jié)點，BRICK12是一個實

36、例節(jié)點。BRICK節(jié)點在SHAPE（外形）邊，其中填入了RECTANGULAR（矩形），說明磚塊的外形是矩形的。這個描述可以通過ISA鏈傳遞給實例節(jié)點BRICK12。因此，雖然BRICK12節(jié)點沒有SHAPE邊，但可以從這個語義網絡推理出BRICK12的外形是矩形的。,語義網絡知識表示與推理,51,,④ 語義網絡表示下的推理過程繼承所謂的繼承是把對事物的描述從概念節(jié)點或類節(jié)點傳遞到實例節(jié)點。,語義網絡知識表示與推理,52,,④ 語義

37、網絡表示下的推理過程繼承這種推理過程，類似于人的思維過程。一旦知道了某種事物的身份以后，可以聯(lián)想起很多關于這件事物的一般描述。例如，我們通常認為鯨魚很大，鳥比較小，城堡很古老，運動員很健壯。這就像我們用每種事物的典型情況來描述各種事物那樣：鯨魚、鳥、城堡和運動員。  一共有3種繼承過程：值繼承、“如果需要”繼承和“默認”繼承。,語義網絡知識表示與推理,53,,④ 語義網絡表示下的推理過程繼承（1）值繼承

38、0; 除了ISA鏈以外，另外還有一種AKO（是某種）鏈也可被用于語義網絡中的描述或特性的繼承。AKO是A－KIND－OF的縮寫。  ISA和AKO鏈直接地表示類的成員關系以及子類和類之間的關系，提供了一種把知識從某一層傳遞到另一層的途徑。  為了能利用語義網絡的繼承特性進行推理，還需要一個搜索程序用來在合適的節(jié)點尋找合適的邊。,語義網絡知識表示與推理,54,,④ 語義網絡表示下的推理過程繼承值繼承程序

39、60; 設F是給定的節(jié)點。S是給定的邊。  ①建立一個由F以及所有和F以ISA鏈相連的類節(jié)點的表。在表中F節(jié)點排在第一個位置。  ②檢查表中第一個元素的S邊是否有值，直到表為空或找到一個值。   (a)如果表中第一個元素在S邊中有值，就認為找到了一個值。   (b)否則，從表中刪除第一個元素，并把以AKO鏈與此第一個元素相連的節(jié)點，加入到這個表的末尾。 &#

40、160; (c)如果找到了一個值，那么就說這個值是F節(jié)點的S邊的值；否則就宣布失敗。 因為在上述算法中，新的類節(jié)點是放在節(jié)點表的末尾，所以這樣的值繼承過程所進行的是寬度優(yōu)先搜索。又因為在一個邊中可能有不止一個值，所以可能發(fā)現(xiàn)一個以上的值。這時，所有發(fā)現(xiàn)的值都要記錄。,語義網絡知識表示與推理,55,,④ 語義網絡表示下的推理過程繼承（2）“如果需要”繼承  在某些情況下，當我們不知道邊值時，可以利用已知信息來計

41、算。例如，我們可以根據(jù)體積和物質的密度來計算積木的重量。進行上述計算的程序稱為if-needed（如果需要）程序。  為了儲存進行上述計算的程序，我們需要改進節(jié)點-邊-值的結構，允許邊有幾種類型的值，而不只是一個類型。為此，每個邊又可以有若干個側面，以儲存這些不同類型的值。這樣，以前我們討論的原始意義上的值就放在“值側面”中，if-needed程序，存放在IF-NEEDED側面中。,語義網絡知識表示與推理,56,,④ 語義網

42、絡表示下的推理過程繼承（2）“如果需要”繼承  “如果需要”（if－need）繼承程序  設F是給定的節(jié)點，S是給定的邊。  ①建立一個由F以及所有和F以ISA鏈相連的類節(jié)點的表。在此表中，F(xiàn)節(jié)點排在第一個位置。 ②檢查表中第一個元素的S邊的IF-NEEDED側面中是否存有一個過程，直到表為空或找到一個成功的if-needed過程為止。,語義網絡知識表示與推理,57,,④ 語義網絡表示下的推理

43、過程繼承（2）“如果需要”繼承  “如果需要”（if－need）繼承程序  設F是給定的節(jié)點，S是給定的邊。  (a)如果側面中存有一個過程，并且如果這個過程產生一個值，那么，就認為已找到一個值。 (b)否則，從表中刪除這第一個元素，并把以AKO鏈和此第一個元素相連的節(jié)點，加入到這個表的末尾。  ③如果一個過程找到一個值，那么就說所找到的值是F節(jié)點的邊值；否則，宣布失敗。,語義網絡知

44、識表示與推理,58,,④ 語義網絡表示下的推理過程繼承（3）“缺省”繼承 某些情況下，我們對事物所作的假設不是十分有把握時，最好對所作的假設加上“可能”這樣的字眼。例如，我們可以認為法官可能是誠實的，但不一定是；或認為寶石可能是很昂貴的，但不一定是。我們把這種具有相當程度的真實性，但又不能十分肯定的值稱為“缺省”值。這種類型的值被放入邊的DEFAULT（缺?。﹤让嬷?。,語義網絡知識表示與推理,59,,④ 語義網絡表示下的

45、推理過程繼承（3）“缺省”繼承 缺省(Default)繼承程序：設F是給定的節(jié)點。S是給定的邊。  ①建立一個由F以及所有和F以ISA鏈相連的類節(jié)點表。表中，F(xiàn)節(jié)點排在第一個位置。 ②檢查表中第一個元素的S邊的DEFAULT側面中是否有值，直到表為空或找到一個 缺省值為止。    (a)如果表中第一個元素的S邊的DEFAULT側面中有值，就認為已找到了一個值。 &

46、#160;  (b)否則，從表中刪除第一個元素，并把以AKO鏈和此第一個元素相連的節(jié)點加入到這個表的末尾。    (c)如果找到了一個值，那么就說所找到的值是F節(jié)點的S邊的缺省值。,語義網絡知識表示與推理,60,,⑤ 語義網絡表示法的特點 （1）能把實體的結構、屬性與實體間的因果關系顯式地和簡明地表達出來，與實體相關的事實、特征和關系可以通過相應的節(jié)點弧線推導出來。這樣便以聯(lián)想方式實現(xiàn)對系統(tǒng)的

47、解釋。（2）由于與概念相關的屬性和聯(lián)系被組織在一個相應的節(jié)點中，因而使概念易于受訪和學習。（3）知識的表現(xiàn)問題更加直觀，更易于理解，適于知識工程師與領域專家溝通。語義網絡中的繼承方式也符合人類的思維習慣。,語義網絡知識表示與推理,61,,⑤ 語義網絡表示法的特點 （4）語義網絡結構的語義解釋依賴于該結構的推理過程而沒有結構的約定，因而得到的推理不能保證像謂詞邏輯法那樣有效。（5）節(jié)點間的聯(lián)系可能是線狀、樹狀或網狀的，甚至是遞歸狀

48、的結構，使相應的知識存儲和檢索可能需要比較復雜的過程。,語義網絡知識表示與推理,62,,① 框架的定義及組成 ② 用框架的表示知識 ③ 框架系統(tǒng)舉例④ 框架表示下的推理過程 框架表示法的特點產生式—框架的知識表示法,框架知識表示與推理,63,,① 框架的定義及組成框架表示法是一種關于事物內部結構化描述的表示法，最早由明斯基于1975年提出，作為理解視覺、自然語言和其它復雜行為的一種基礎，現(xiàn)已發(fā)展為廣泛應用的

49、知識表示方法。框架表示法可以較好地反映人觀察事物的思維方式，即人對自己熟悉的事物早在頭腦中形成了抽象模型。,框架知識表示與推理,64,,① 框架的定義及組成框架通常由描述事物各個方面的槽（slot）組成，每個槽有多個側面（aspect）側面又可有多個值，其中槽值和側面值可以是數(shù)值、字符串、布爾值，也可以是一個動作或過程，甚至還可以是另一個框架的名字。用BNF定義框架的形式化表示如下： := (Frame {；}) := (

50、{：{})框架內部結構的豐富程度取決于事物描述本身的需要。一般來講，表示概念（例如類概念）的框架結構復雜，而表示個體事物的框架就很簡單。,框架知識表示與推理,65,,① 框架的定義及組成事物的抽象模型可以通過表示概念的框架來加以定義。由于每個事物有多個屬性（特性），而每個屬性又需從多個側面加以描述，所以表示概念的框架往往有復雜的表示結構。,框架知識表示與推理,66,,② 用框架的表示知識應用領域問題的求解往往涉及到相互關聯(lián)的許多

51、框架，這些框架聯(lián)合起來構成 框架系統(tǒng)?？蚣艿哪承┎鄣膫让嬷悼梢允瞧渌蚣?，從而能建立起節(jié)點是框架的網絡。較常用的框架系統(tǒng)有以下二類：事物組成和分類體系。,框架知識表示與推理,67,,② 用框架的表示知識(1) 事物組成這類框架系統(tǒng)主要用于描述復雜事物的層次組成。事物的組成是廣泛存在的概念，例如人體就由頭部、軀干和四肢組成，也可視為由皮、肉、骨、血等構成，餐館則由餐廳、餐桌、服務員等組成；一個復雜的機械設備也可層次地分解為組件和

52、部件。每個部件和組件以及整個設備均可用一個框架加以描述；另外關于設備和組件的概念中，還可表示組件間的約束和配合關系。,框架知識表示與推理,68,,② 用框架的表示知識(2) 層次分類體系和語義網絡類似，應用框架系統(tǒng)也能描述事物的層次分類體系。而且，由于框架可以具有豐富的內部結構，能更有效地表示分類體系和支持結構化信息存取。例如，對于海上運輸，為保證航運安全和貨物完好無損，需對貨物進行分類存儲和處理。以框架系統(tǒng)來建立的分類體系，可以有

53、效地支持海運專家系統(tǒng)的信息存取和推理工作。,框架知識表示與推理,69,,② 用框架的表示知識(2) 層次分類體系和語義網絡類似，應用框架系統(tǒng)也能描述事物的層次分類體系。而且，由于框架可以具有豐富的內部結構，能更有效地表示分類體系和支持結構化信息存取。例如，對于海上運輸，為保證航運安全和貨物完好無損，需對貨物進行分類存儲和處理。以框架系統(tǒng)來建立的分類體系，可以有效地支持海運專家系統(tǒng)的信息存取和推理工作。,框架知識表示與推理,70,,②

54、 用框架的表示知識由框架的形式可以看出，框架適合表達結構性的知識。所以，概念、對象等知識最適于用框架表示。 框架的槽就是對象的屬性或狀態(tài)，槽值就是屬性值或狀態(tài)值。不僅如此，框架還可以表示行為（動作），所以，有些過程性事件或情節(jié)也可用框架網絡來表示。,框架知識表示與推理,71,,③ 框架系統(tǒng)舉例關于房間的框架 框架名： 墻數(shù)x1：    缺?。簒1=4   

55、; 條件：x1＞0 窗數(shù)x2：    缺?。簒2=2    條件：x2≥0 門數(shù)x3：    缺?。簒3=1    條件：x3＞0 前墻：（墻框架（w1，d1）） 后墻：（墻框架（w2，d2））,左墻：（墻框架（w3，d3）） 右墻：（墻框架（w4，d

56、4）） 天花板： 地板： 門： 窗： 條件：w1+w2+w3+w4=x2      d1+d2+d3+d4=x3 類型：（，，，，，，...）,框架知識表示與推理,72,,③ 框架系統(tǒng)舉例機器人糾紛問題的框架,框架知識表示與推理,73,,③ 框架系統(tǒng)舉例一個描述“教師”的框架：框架名：  

57、;類屬： 工作：范圍：（教學，科研）       缺?。航虒W 性別：（男，女） 學歷：（中師，高師） 類型：（，，）其中， 、 、、,框架知識表示與推理,74,,③ 框架系統(tǒng)舉例一個描述“大學教師”的框架：框架名： 類屬： 學歷：(學士，碩士，博士) 專業(yè)： 職稱：(助教，講

58、師，副教授，教授) 外語：語種：范圍：（英，法，日，俄，德，…）            缺?。河?#160;水平：（優(yōu)，良，中，差） 缺?。毫?框架知識表示與推理,75,,③ 框架系統(tǒng)舉例描述一個具體教師的框架：框架名： 類屬： 姓名：李明 性別：男 

59、;年齡：25 職業(yè)：教師 職稱：助教 專業(yè)：計算機應用 部門：計算機系軟件教研室 工作：參加工作時間：1995年8月 工齡：當前年份-參加工作年份 工資：,框架知識表示與推理,76,,③ 框架系統(tǒng)舉例框架之間的關系由于一個框架的槽值還可以是另一個框架的名，這就把有關框架橫向聯(lián)系了起來。而框架間的“父子”關系是框架間的一種縱向聯(lián)系。于是，某一論域的全體

60、框架便構成一個框架網絡或框架系統(tǒng)。另外，我們還可看到框架的槽值一般是屬性值或狀態(tài)值，但也可以是規(guī)則或邏輯式、運算式甚至過程調用等。,框架知識表示與推理,77,,③ 框架系統(tǒng)舉例框架之間的關系兩個框架之間存在一種層次關系。一般稱前者為上位框架（或父框架），后者為下位框架（或子框架）?？蚣苤g的這種層次關系對減少信息冗余有重要意義。因為上位框架與下位框架所表示的事物，在邏輯上為種屬關系，即一般與特殊的關系。這樣幾上位框架所具有的屬性，

61、下位框架也一定具有。于是，下位框架就可以從上位框架那里“繼承”某些槽值或側面值。所以，“特性繼承”也就是框架這種知識表示方法的一個重要特征。,框架知識表示與推理,78,,④ 框架表示下的推理過程 (1) 特性繼承由于框架的槽包含多個側面，框架系統(tǒng)可以提供特性繼承技術。在典型情況下特性繼承可由描述事物類（概念）的框架中設置的三個側面：Value、If-Needed和If-Added所提供的缺省推理功能來組合實現(xiàn)。這三個側面的作用如下：

62、Value--記載類的個體相應屬性的公共值或典型值，作為缺省值；If-Needed--在不可能提供統(tǒng)一缺省值的情況下，提供計算函數(shù)或推理知識去產生相應屬性的一個值，簡稱執(zhí)行了If-Needed操作；If-Added--當給類的某個體的一個屬性賦值或修改時，提供計算函數(shù)或推理知識去作必要的后繼處理，包括對其它相關槽的賦值和修改處理，以及任何需要的附加處理；簡稱執(zhí)行了If-Added操作。,框架知識表示與推理,79,,④ 框架表示下的

63、推理過程 (1) 特性繼承特性繼承的實現(xiàn)過程由對個體框架槽的操作來激活。若查詢一個體的某屬性，且描述該個體的框架未提供屬性值（槽值）時，就沿Isa和Ako鏈（Isa和Ako槽）追溯到具有同名槽（屬性）的類或超類框架。在該槽提供Value側面值的情況下，就繼承該值（缺省值）作為查詢結果返回；否則，該槽應提供If-Needed側面供繼承，可執(zhí)行If-Needed操作去產生一個值作為查詢結果。若對一個體的某屬性進行了賦值或修改工作，則

64、系統(tǒng)自動沿Isa和Ako鏈追溯相應的類和超類，只要發(fā)現(xiàn)類或超類框架中的同名槽具有If-Added側面，就可執(zhí)行If-Added操作，作擬定的后繼處理工作。,框架知識表示與推理,80,,④ 框架表示下的推理過程 (1) 特性繼承If-Needed操作和If-Added操作的區(qū)別在于它們激活的時機和操作目的不同。前者在系統(tǒng)試圖查詢個體框架中未記載的屬性值時激活，并應查詢需要，被動地即時產生所需屬性值；后者則在系統(tǒng)對個體框架的屬性作賦值和

65、修改工作后激活，目的在于通過后繼處理主動做好配套操作和消除可能的不良影響（如不一致問題）。,框架知識表示與推理,81,,④ 框架表示下的推理過程 (1) 特性繼承匹配就是問題框架同知識庫中的框架的模式匹配。所謂問題框架，就是要求解某個問題時，先把問題用一個框架表示出來，然后與知識庫中的已有框架進行匹配。如果匹配成功，就可獲得有關信息。搜索就是沿著框架間的縱向和橫向聯(lián)系，在框架網絡中進行查找。搜索的目的是為了獲得有關信息。例如，當

66、問題框架同某一框架匹配時，該框架的某一個槽空缺，那么，就可以再找它的父框架，通過特性繼承獲得所需信息。,框架知識表示與推理,82,,④ 框架表示下的推理過程 (1) 特性繼承例如，當我們需通過知識庫，獲得教師-1的外語水平情況，假如他的有關檔案資料已以框架形式存入知識庫。那么，我們可以構造如下的框架同知識庫中的教師框架匹配： 框架名： 姓名：李明 性別：男 年齡：25 職稱：助教&

67、#160;專業(yè)：計算機應用 部門：計算機系軟件教研室 外語水平：,原框架“教師-1”中無“外語水平”槽，但它的父框架是“大學教師”，該框架的有“外語水平”槽，并且側面“語種”（“范圍”）缺省值是“英”，側面“水平”的缺省值是“良”。于是通過繼承，便知道了教師-1懂英語，且水平還良好。那么，這兩個值也就可以填到教師-l的槽中。,框架知識表示與推理,83,,④ 框架表示下的推理過程 (2) 相容匹配匹配是實現(xiàn)推理

68、技術的重要環(huán)節(jié)，無論是規(guī)則演繹推理、或是產生式系統(tǒng)的推理，都涉及到對應表達式的匹配檢查。框架系統(tǒng)可以給采用這些推理技術的問題求解系統(tǒng)提供需參照的結構化事實；特別是，可以就把框架系統(tǒng)作為結構化的綜合數(shù)據(jù)庫。由于框架系統(tǒng)支持層次分類體系和特性繼承，兩個框架的匹配檢查往往非嚴格意義上的相等比較，而是所謂的相容匹配。相容匹配的方法如下：,框架知識表示與推理,84,,④ 框架表示下的推理過程 (2) 相容匹配檢查這二個框架是否存在祖先-子孫

69、關系，即若從一個框架出發(fā)，經由Isa和Ako鏈可以追溯到另一框架，則認為兩者是相容匹配的。 分別將這二個框架各自直接記載的屬性值和可繼承到的缺省值都取到，把屬性區(qū)分為關鍵和非關鍵二類，只有關鍵屬性都匹配的二個框架才是相容的。若一個框架能搜索到多個相容的框架，則可進一步依據(jù)非關鍵屬性的匹配程度（個數(shù)）挑選出最相容的匹配框架。,框架知識表示與推理,85,,④ 框架表示下的推理過程 關于框架的推理方法，實際僅適于裝載著概念和實體對象的框

70、架，而對于裝載著規(guī)則的框架，其推理就要用基于規(guī)則的演繹推理方法。,框架知識表示與推理,86,,⑤ 框架表示法的特點 1、結構性 框架表示法最突出的特點是它善于表達結構性的知識，能夠把知識的內容結構關系及知識間的聯(lián)系表示出來，因此它是一種經組織起來的結構化的知識表示方法。這一特點是產生式表示所不具備的，產生式系統(tǒng)中的知識單位是產生式規(guī)則，這種知識單位由于太小而難于處理復雜問題，也不能把知識間的結構關系顯式地表示出來?？蚣鼙硎痉ǖ闹R

71、單位是框架，而框架是由槽組成，槽又可分為若干側面，這樣就可把知識的內部結構顯式地表示出來。,框架知識表示與推理,87,,⑤ 框架表示法的特點 2、繼承性 框架表示法通過使槽值為另一個框架的名字實現(xiàn)框架間的聯(lián)系，建立起表示復雜知識的框架網絡。在框架網絡中，下層框架可以繼承上層框架的槽值，也可以進行補充和修改，這樣不僅減少了知識的冗余，而且較好地保證了知識的一致性。3、自然性 框架表示法體現(xiàn)了人們在觀察事物時的思維活動，當遇到新事