1、第6章 知識表示 6.1 知識及其表示 6.2 框 架6.3 語義網絡6.4 面向對象知識表示第6章 知識表示 6.1 知識及其表示 6.1 知識及其表示 6.1.1 知識的概念 “知識”是我們熟悉的名詞。但究竟什么是知識呢？我們認為，知識就是人們對客觀事物（包括自然的和人造的）及其規律的認識，知識還包括人們利用客觀規律解決實際問題的方法和策略等。 6.1 知識及其表示 6.1.1 知識的概念 對客觀事物及其規律的認識，包括對事物的現象、本質、屬性、狀態、關系、聯系和運動等的認識，即對客觀事物的原理的認識。利用客觀規律解決實際問題的方法和策略，包括解決問題的步驟、操作、規則、過程、技術、技巧等

2、具體的微觀性方法；也包括諸如戰術、戰略、計謀、策略等宏觀性方法。所以，就內容而言，知識可分為（客觀）原理性知識和（主觀）方法性知識兩大類。 就形式而言，知識可分為顯式的和隱式的。 對客觀事物及其規律的認識，包括對事物人工智能技術導論第6章知識表示課件人工智能技術導論第6章知識表示課件 6.1.3 知識表示的語言實現 上面談的知識表示，僅是指知識的邏輯結構或形式。那么，要把這些外部的邏輯形式轉化為機器的內部形式，還需要程序語言的支持。原則上講，一般的通用程序設計語言都可實現上述的大部分表示方法。但使用專用的面向某一知識表示的語言更為方便和有效。因此，幾乎每一種知識表示方法都有其相應的專用實現語言

3、。例如，支持謂詞邏輯的語言有PROLOG和LISP，專門支持產生式的語言有OPS5，專門支持框架的語言有FRL，支持面向對象表示的語言有Smalltalk、C+和Java等，支持神經網絡表示的語言有AXON。 6.1.3 知識表示的語言實現6.2 框 架 6.2.1 框架的概念 顧名思義，框架就是一種結構，一種模式，其一般形式是: | 6.2 框 架 6.2.1 框架的概念 | | |側面值211，側面值 即一個框架一般有若干個槽，一個槽有一個槽值或者有若干個側面，而一個側面又有若干個側面值。其中槽值和側面值可以是數值、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。 即

4、一個框架一般有若干個槽，一個槽有一例6.1 下面是一個描述“教師”的框架：框架名:類屬:工作:范圍:(教學，科研)缺省:教學性別:(男，女)學歷:(中師，高師)類型:(，)例6.1 下面是一個描述“教師”的框架： 可以看出，這個框架的名字為“教師”，它含有5個槽，槽名分別是“類屬”、“工作”、“性別”、“學歷”和“類型”。這些槽名的右面就是其值，如“”、“男”、“女”、“高師”、“中師”等等。其中“”又是一個框架名，“范圍”、“缺省”就是側面名，其后是側面值，如：“教學”、“科研”等。另外，用括的槽值也是框架名。 可以看出，這個框架的名字為“教師”例6.2 下面是一個描述“大學教師”的框架：框

5、架名:類屬:學歷:(學士，碩士，博士)專業:職稱:(助教，講師，副教授，教授)外語:語種:范圍:(英，法，日，俄，德，) 缺省:英水平:(優，良，中，差)缺省:良例6.2 下面是一個描述“大學教師”的框架：例6.3 下面是描述一個具體教師的框架:框架名:類屬:姓名:李明性別:男年齡:25職業:教師職稱:助教專業:計算機應用例6.3 下面是描述一個具體教師的框架: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:部門:計算機系軟件教研室 比較例6.2和例6.3中的框架，可以看出，前者描述的是一個概念，后者描述的則是一個具體的事物。二者的關系是，后者是前者

6、的一個實例。因此，后者一般稱為前者的實例框架。這就是說，這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）。當然，上位和下位是相對而言的。例如“大學教師”雖然是“教師-1”的上位框架，但它卻是“教師”框架的下位框架，而“教師”又是“知識分子”的下位框架。 比較例6.2和例6.3中的框架，可以 6.2.2 框架的表達能力 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。其實，框架的槽就是對象的屬性或狀態，槽值就是屬性值或狀態值。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也可用框架網絡來表示。

7、6.2.2 框架的表達能力例6.4 下面是關于房間的框架:框架名:墻數x1: 缺省:x1=4 條件:x10窗數x2: 缺省:x2=2 條件:x20門數x3: 缺省:x3=1 條件:x30例6.4 下面是關于房間的框架: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，d4)天花板:地板:門:窗:條件:w1+w2+w3+w4=x2d1+d2+d3+d4=x3類型:(，)前墻:(墻框架(w1，d1) 例6.5 機器人糾紛問題的框架描述如圖6-1所示。 圖61 機器人糾紛問題 例6.5 機器人糾紛問題的框架描述如圖6-1所 還需指出的是，產生式

8、規則也可用框架表示。 例如，產生式 如果頭痛且發燒，則患感冒。 用框架表示可為： 框架名： 前提：條件1:頭痛 條件2:發燒 結論:患感冒 還需指出的是，產生式規則也可用框 6.2.3 基于框架的推理 基于框架的推理方法是繼承。所謂繼承，就是子框架可以擁有其父框架的槽及其槽值。實現繼承的操作有匹配、搜索和填槽。 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。 6.2.3 基于框架的

9、推理 6.2.4 框架的程序語言實現 有一種名為FRL(Frame Representation Language)的程序設計語言，就是專門基于框架的程序設計語言。用它就可以方便地實現框架知識表示。不過，用PROLOG也可方便地實現框架表示。用PROLOG實現框架表示，一般采用含結構或表的謂詞來實現。因為框架實際上就是樹，而PROLOG的結構也是樹，表又是特殊的結構，它的元素個數和層數都不限定，可動態變化，因此，更適于表示一般的框架。 6.2.4 框架的程序語言實現例如，前面的“教師”框架用PROLOG可表示如下: frame(name(教師)， kind-of()， work(scope(教

10、學，科研)，default(教學)， sex(男，女)， reco-of-f-s(中師，高師)， type(“”，“”，“”). 如果要給出框架的一個通用表示形式，則下面的表示方式可供參考。 例如，前面的“教師”框架用PROLOG可表示如下: frame(name(教師)，body(st(類屬，st(，)，st(工作，st(范圍，st(教學，)，=st(科研，)，st(缺省，st(教學，)，st(性別，st(男，)，st(女，)，st(學歷，st(中師，)，st(高師，)，st(類型，st(，)，st(，)，=st() frame(name(教師)，這是一個PROLOG的“事實”，其謂詞及領域

11、說明如下: domains name=name(string) body=body(subtree list) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtreelist)database frame(name，body) 其中的subtreelist是遞歸定義的。按此定義所有框架都取統一的表示形式。這是一個PROLOG的“事實”，其謂詞及領域說明如下: 6.3 語義網絡 6.3.1 語義網絡的概念 語義網絡是由節點和邊（也稱有向弧）組成的一種有向圖。其中節點表示事物、對象、概念、行為、性質、狀態等；有向邊表示節點之間的某種聯系或關系。例如圖62就是一

12、個語義網絡。其中，邊上的標記就是邊的語義。6.3 語義網絡 6.3.1 語義網絡的概念圖62 蘋果的語義網絡 圖62 蘋果的語義網絡 語義網絡的概念最先是由Quillian提出來的，他于1968年在他的博士論文中，把語義網絡作為人類聯想記憶的一個顯式心理模型。所以，語義網絡也稱聯想網絡。 現在，語義網絡的理論已經有了長足的發展。有人把它劃分為五個級別：執行級、邏輯級、認識論級、概念級和語言學級。并分為七種類型： 語義網絡的概念最先是由Quilli (1)命題語義網（包括分塊聯想網絡）； (2)數據語義網：以數據為中心的語義網絡； (3)語言語義網：用于自然語言的分析和理解； (4)結構語義網：

13、描述客觀事物的結構，常見于模式識別和機器學習等領域； (5)分類語義網：描述抽象概念及其層次； (6)推理語義網：是一種命題網，但它已在某種程度上規范化，更適于推理； (7)框架語義網：與框架相結合的語義網。 (1)命題語義網（包括分塊聯想網絡）； 6.3.2 語義網絡的表達能力 由語義網絡的結構特點可以看出，語義網絡不僅可以表示事物的屬性、狀態、行為等，而且更適合于表示事物之間的關系和聯系。而表示一個事物的層次、狀態、行為的語義網絡，也可以看作是該事物與其屬性、狀態或行為的一種關系。 6.3.2 語義網絡的表達能力 如圖63所示的語義網絡，就表示了專家系統這個事物（的內涵），同時也可以看作是

14、表示了專家系統與“智能系統”、“專家知識”、“專家思維”及“困難問題”這幾個事物之間的關系或聯系。所以，抽象地說，語義網絡可表示事物之間的關系。因此，關系（或聯系）型的知識和能化為關系型的知識都可以用語義網絡來表示。下面我們就給出常見的幾種。 如圖63所示的語義網絡，就表示了專 1.實例關系 實例關系表示類與其實例（個體）之間的關系。這是最常見的一種語義關系。例如，“小華是一個大學生”就可表示為圖64。其中，關系“是一個”一般標識為“is-a”，或ISA。 1.實例關系圖63 專家系統的語義網絡 智能系統專家思維專家知識困難問題專家系統是一種能解決具有能模擬圖63 專家系統的語義網絡 智能系統

15、專家思維專家知識困難問圖64 表示實例關系的語義網絡 小華大學生是一個圖64 表示實例關系的語義網絡 小華大學生是一個 2.分類（或從屬、泛化）關系 分類關系是指事物間的類屬關系，圖65就是一個描述分類關系的語義網絡。在圖65中，下層概念節點除了可繼承、細化、補充上層概念節點的屬性外，還出現了變異的情況：鳥是鴕鳥的上層概念節點，其屬性是“有羽毛”、“會飛”，但鴕鳥的屬性只是繼承了“有羽毛”這一屬性，而把鳥的“會飛”變異為“不會飛”。其中，關系“是一種”一般標識為“akindof”或AKO。 2.分類（或從屬、泛化）關系圖65 表示分類關系的語義網絡 圖65 表示分類關系的語義網絡 3.組裝關系

16、 如果下層概念是上層概念的一個方面或者一部分，則稱它們的關系是組裝關系。例如圖66所示的語義網絡就是一種聚集關系。其中，關系“一部分”一般標識為“apartof”。 3.組裝關系桌子桌腿桌面一部分一部分圖66 表示組裝關系的語義網絡 桌子桌腿桌面一部分一部分圖66 表示組裝關系的語義網絡 4.屬性關系 屬性關系表示對象的屬性及其屬性值。例如，圖67表示simon是一個人，男性，40歲，職業是教師。 5.集合與成員關系 意思是“是的成員”，它表示成員（或元素）與集合之間的關系。例如，“張三是計算機學會會員”可表示為圖68。其中，關系“是成員”一般標識為“a-member-of”。 4.屬性關系圖

17、67 表示屬性關系的語義網絡 圖67 表示屬性關系的語義網絡 圖68 表示集合成員關系的語義網絡 張三計算機學會是成員圖68 表示集合成員關系的語義網絡 張三計算機學會是成 6.邏輯關系 如果一個概念可由另一個概念推出，兩個概念間存在因果關系，則稱它們之間是邏輯關系。圖69所示的語義網絡就是一個邏輯關系。 6.邏輯關系圖69 表示邏輯關系的語義網絡 雨天外出ANDOR帶雨披帶雨傘則圖69 表示邏輯關系的語義網絡 雨天外出ANDOR帶雨披 7.方位關系 在描述一個事物時，經常需要指出它發生的時間、位置，或者指出它的組成、形狀等等，此時可用相應的方位關系語義網絡表示。例如事實： 張宏是石油學院的一

18、名助教； 石油學院位于西安市電子二路； 張宏今年25歲。 可用圖610所示的語義網絡表示。 7.方位關系圖610 表示方位關系的語義網絡 電子2路石油學院張宏助教西安市區25歲味道工作在職務屬于年齡圖610 表示方位關系的語義網絡 電子2路石油學院張宏助 8.所屬關系 所屬關系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示為圖611。 圖611 表示所屬關系的語義網絡 狗尾巴have 8.所屬關系圖611 表示所屬關 語義網絡中的語義關系是多種多樣的，一般根據實際關系定義。如常見的還有before、after、at等表示時間次序關系和located-on、located-under等表示位置關系。

19、進一步，還可對帶有全稱量詞和存在量詞的謂詞公式的語義加以表示。 由上所述可以看出，語義網絡實際上是一種復合的二元關系圖。網絡中的一條邊就是一個二元關系，而整個網絡可以看作是由這些二元關系拼接而成。 語義網絡中的語義關系是多種多樣的，一 上面我們是從關系角度考察語義網的表達力的。下面我們從語句角度來考察語義網。 例如，對于如下的語句(或事件)： 小王送給小李一本書。 用語義網絡可表示為圖612，其中S代表整個語句。這種表示被稱為是自然語言語句的深層結構表示。 語義網絡也能表示用謂詞公式表示的形式語言語句。例如： x(student(x)read(x，三國演義) 即“某個學生讀過三國演義”，其語義

20、網絡表示為圖613。 上面我們是從關系角度考察語義網的圖612 語句(事件)的語義網絡 送書小王小李書giverrecipientSobject圖612 語句(事件)的語義網絡 送書小王小李書giv圖613 謂詞公式的語義網絡 圖613 謂詞公式的語義網絡 圖614 分塊語義網絡 圖614 分塊語義網絡 6.3.3 基于語義網絡的推理 基于語義網絡的推理也是繼承。繼承也是通過匹配、搜索實現的。問題求解時，首先根據待求問題的要求構造一個網絡片斷，然后在知識庫中查找可與之匹配的語義網絡，當網絡片斷中的詢問部分與知識庫中的某網絡結構匹配時，則與詢問處匹配的事實，就是問題的解。 6.3.3 基于語義網

21、絡的推理圖615 語義網絡片段 蘋果x富士 特點AKO圖615 語義網絡片段 蘋果x富士 特點AKO 6.3.4 語義網絡的程序語言實現 由于語義網絡是一個二元關系圖，所以用PROLOG可方便地實現語義網絡知識表示。 例如，圖61所示的語義網絡用PROLOG可表示如下: a-kind-of(蘋果，水果). taste(蘋果，甜). a-kind-of(富士，蘋果). intro-from(富士，日本). is-a(日本，亞洲國家). 6.3.4 語義網絡的程序語言實現a-kind-of(秦冠，蘋果). produ-in(秦冠，陜西). is-located-at(陜西，中國西部). a-par

22、t-of(中國西部，中國). 也可以表示為 arc(a-kind-of，蘋果，水果). arc(taste，蘋果，甜). arc(a-kind-of，富士，蘋果). arc(intro-from，富士，日本). arc(is-a，日本，亞洲國家). a-kind-of(秦冠，蘋果). arc(a-kind-of，秦冠，蘋果). arc(produ-in，秦冠，陜西). arc(is-located-at，陜西，中國西部). arc(a-part-of，中國西部，中國). 當然，我們也可以將一個網絡或網絡片段組織在一個事實中。例如： net1( a-kind-of(“蘋果”，“水果”)， tas

23、te(“蘋果”，“甜”)， a-kind-of(“秦冠”，“蘋果”)， produ-in(秦冠，陜西). arc(a-kind-of，秦冠，蘋果). 6.4 面向對象知識表示 近年來，面向對象技術蓬勃興起。在知識表示領域則出現了面向對象的知識表示方法。 面向對象技術中的核心概念是對象和類。對象可以泛指一切事物，類則是一類對象的抽象模型。反之，一個對象是其所屬類的實例。通常，在面向對象的程序設計語言中，只給出類的定義，其對象由類生成。 6.4 面向對象知識表示 近年來 類的定義中就說明了所轄對象的共同特征（屬性、狀態等）和行為。特征用變量表示，行為則是作用于這些特征和作用于對象的一組操作，如函數、過程等。這些操作一般稱為方法。這樣，一個類將其對象所具有的共同特征和操作組織在一起，統一進行定義，以供全體對象共享。即當給類中的特征變量賦予一組值時，則這組值連同類中的方法，就構成了一個具體的對象。 類的定義中就說明了所轄對象的共同特 例6.6 下面是面向對象程序設計語言C+中一個雇員類和經理類的定義。 class Employee privite: char*Name; int Age; int Salary;= public: