第7章几种结构化知识表示及其推理.ppt

第 7 章 几种结构化知识表示及其推理,7.1 框架 7.2 语义网络 7.3 类与对象 习题七,7.1 框 架,即一个框架一般有若干个槽，一个槽有一个槽值或者有若干个侧面，而一个侧面又有若干个侧面值。其中槽值和侧面值可以是数值、字符串、布尔值，也可以是一个动作或过程，甚至还可以是另一个框架的名字。,例7.1 下面是一个描述“教师”的框架： 框架名: 类属: 工作:范围:(教学，科研) 缺省:教学 性别:(男，女) 学历:(中师，高师) 类型:(，),可以看出，这个框架的名字为“教师”，它含有5个槽，槽名分别是“类属”、“工作”、“性别”、“学历”和“类型”。这些槽名的右面就是其值，如“”、“男”、“女”、“高师”、“中师”等等。其中“”又是一个框架名，“范围”、“缺省”就是侧面名，其后是侧面值，如：“教学”、“科研”等。另外，用括的槽值也是框架名。,例7.2 下面是一个描述“大学教师”的框架： 框架名: 类属: 学历:(学士，硕士，博士) 专业: 职称:(助教，讲师，副教授，教授) 外语:语种:范围:(英，法，日，俄，德，) 缺省:英 水平:(优，良，中，差) 缺省:良,例7.3 下面是描述一个具体教师的框架: 框架名: 类属: 姓名:李明 性别:男 年龄:25 职业:教师 职称:助教 专业:计算机应用,部门:计算机系软件教研室 工作: 参加工作时间:1995年8月 工龄:当前年份-参加工作年份 工资:,比较例7.2和例7.3中的框架，可以看出，前者描述的是一个概念，后者描述的则是一个具体的事物。二者的关系是，后者是前者的一个实例。因此，后者一般称为前者的实例框架。这就是说，这两个框架之间存在一种层次关系。一般称前者为上位框架（或父框架），后者为下位框架（或子框架）。当然，上位和下位是相对而言的。例如“大学教师”虽然是“教师-1”的上位框架，但它却是“教师”框架的下位框架，而“教师”又是“知识分子”的下位框架。,7.1.2 框架的表达能力 由框架的形式可以看出，框架适合表达结构性的知识。所以，概念、对象等知识最适于用框架表示。其实，框架的槽就是对象的属性或状态，槽值就是属性值或状态值。不仅如此，框架还可以表示行为（动作），所以，有些过程性事件或情节也可用框架网络来表示。,例7.4 下面是关于房间的框架: 框架名: 墙数x1: 缺省:x1=4 条件:x10 窗数x2: 缺省:x2=2 条件:x20 门数x3: 缺省:x3=1 条件:x30,前墙:(墙框架(w1，d1) 后墙:(墙框架(w2，d2) 左墙:(墙框架(w3，d3) 右墙:(墙框架(w4，d4) 天花板: 地板: 门: 窗: 条件:w1+w2+w3+w4=x2 d1+d2+d3+d4=x3 类型:(，),例7.5 机器人纠纷问题的框架描述如图7-1所示。,图71 机器人纠纷问题,还需指出的是，产生式规则也可用框架表示。 例如，产生式 如果头痛且发烧，则患感冒。 用框架表示可为： 框架名： 前提：条件1:头痛 条件2:发烧 结论:患感冒,7.1.3 基于框架的推理 基于框架的推理方法是继承。所谓继承，就是子框架可以拥有其父框架的槽及其槽值。实现继承的操作有匹配、搜索和填槽。 匹配就是问题框架同知识库中的框架的模式匹配。所谓问题框架，就是要求解某个问题时，先把问题用一个框架表示出来，然后与知识库中的已有框架进行匹配。如果匹配成功，就可获得有关信息。搜索就是沿着框架间的纵向和横向联系，在框架网络中进行查找。搜索的目的是为了获得有关信息。,框架名: 教师-1 姓名: 李明 性别: 男 年龄: 25 职称: 助教 专业: 计算机应用 部门: 计算机系软件教研室 外语水平：,显然, 原框架“教师-1”中无“外语水平”槽, 但它的父框架是“大学教师”, 该框架内有“外语水平”槽, 并且侧面“语种”(“范围”)缺省值是“英”, 侧面“水平”的缺省值是“良”。 于是通过继承, 便知道了“教师-1”懂英语, 且水平还良好。 那么, 这两个值也就可以填到“教师-1”的槽中。,7.1.4 框架的程序语言实现 有一种名为FRL(Frame Representation Language)的程序设计语言，就是专门基于框架的程序设计语言。用它就可以方便地实现框架知识表示。不过，用PROLOG也可方便地实现框架表示。用PROLOG实现框架表示，一般采用含结构或表的谓词来实现。因为框架实际上就是树，而PROLOG的结构也是树，表又是特殊的结构，它的元素个数和层数都不限定，可动态变化，因此，更适于表示一般的框架。,例如，前面的“教师”框架用PROLOG可表示如下: frame(name(“教师“)， kind-of(“)， work(scope(“教学“，“科研“)，default(“教学“)， sex(“男“，“女“)， reco-of-f-s(“中师“，“高师“)， type(“”，“”，“”). 如果要给出框架的一个通用表示形式，则下面的表示方式可供参考。,frame(name(“教师“)， body(st(“类属“，st(“，)， st(“工作“，st(“范围“，st(“教学“，)，=st(“科研“，)， st(“缺省“，st(“教学“，)， st(“性别“，st(“男“，)，st(“女“，)， st(“学历“，st(“中师“，)，st(“高师“，)， st(“类型“，st(“，)，st(“，)，= st(“),这是一个PROLOG的“事实”，其谓词及领域说明如下: domains name=name(string) body=body(subtree list) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtreelist) database frame(name，body) 其中的subtreelist是递归定义的。按此定义所有框架都取统一的表示形式。,7.2 语义网络,7.2.1 语义网络的概念 语义网络是由节点和边（也称有向弧）组成的一种有向图。其中节点表示事物、对象、概念、行为、性质、状态等；有向边表示节点之间的某种联系或关系。例如图72就是一个语义网络。其中，边上的标记就是边的语义。 还需指出的是, 上述关于框架的推理方法, 实际仅适于装载着概念和实体对象的框架, 而对于装载着规则的框架, 其推理就要用基于规则的演绎推理方法。,语义网络的概念最先是由Quillian提出来的，他于1968年在他的博士论文中，把语义网络作为人类联想记忆的一个显式心理模型。所以，语义网络也称联想网络。 现在，语义网络的理论已经有了长足的发展。有人把它划分为五个级别：执行级、逻辑级、认识论级、概念级和语言学级。并分为七种类型： (1)命题语义网（包括分块联想网络）； (2)数据语义网：以数据为中心的语义网络；,(3)语言语义网：用于自然语言的分析和理解； (4)结构语义网：描述客观事物的结构，常见于模式识别和机器学习等领域； (5)分类语义网：描述抽象概念及其层次； (6)推理语义网：是一种命题网，但它已在某种程度上规范化，更适于推理； (7)框架语义网：与框架相结合的语义网。,图72 苹果的语义网络,6.3.2 语义网络的表达能力 由语义网络的结构特点可以看出，语义网络不仅可以表示事物的属性、状态、行为等，而且更适合于表示事物之间的关系和联系。而表示一个事物的层次、状态、行为的语义网络，也可以看作是该事物与其属性、状态或行为的一种关系。如图73所示的语义网络，就表示了专家系统这个事物（的内涵），同时也可以看作是表示了专家系统与“智能系统”、“专家知识”、“专家思维”及“困难问题”这几个事物之间的关系或联系。所以，抽象地说，语义网络可表示事物之间的关系。因此，关系（或联系）型的知识和能化为关系型的知识都可以用语义网络来表示。下面我们就给出常见的几种。,图73 专家系统的语义网络,1.实例关系 实例关系表示类与其实例（个体）之间的关系。这是最常见的一种语义关系。例如，“小华是一个大学生”就可表示为图74。其中，关系“是一个”一般标识为“is-a”，或ISA。,图74 表示实例关系的语义网络,小华,大学生,是一个,2.分类（或从属、泛化）关系 分类关系是指事物间的类属关系，图75就是一个描述分类关系的语义网络。在图75中，下层概念节点除了可继承、细化、补充上层概念节点的属性外，还出现了变异的情况：鸟是鸵鸟的上层概念节点，其属性是“有羽毛”、“会飞”，但鸵鸟的属性只是继承了“有羽毛”这一属性，而把鸟的“会飞”变异为“不会飞”。其中，关系“是一种”一般标识为“akindof”或AKO。,图75 表示分类关系的语义网络,3.组装关系 如果下层概念是上层概念的一个方面或者一部分，则称它们的关系是组装关系。例如图76所示的语义网络就是一种聚集关系。其中，关系“一部分”一般标识为“a-part-of”。,桌子,桌腿,桌面,一部分,一部分,图76 表示组装关系的语义网络,4.属性关系 属性关系表示对象的属性及其属性值。例如，图77表示simon是一个人，男性，40岁，职业是教师。,图77 表示属性关系的语义网络,5.集合与成员关系 意思是“是的成员”，它表示成员（或元素）与集合之间的关系。例如，“张三是计算机学会会员”可表示为图78。其中，关系“是成员”一般标识为“a-member-of”。,图78 表示集合成员关系的语义网络,6.逻辑关系 如果一个概念可由另一个概念推出，两个概念间存在因果关系，则称它们之间是逻辑关系。图79所示的语义网络就是一个逻辑关系。,图79 表示逻辑关系的语义网络,7.方位关系 在描述一个事物时，经常需要指出它发生的时间、位置，或者指出它的组成、形状等等，此时可用相应的方位关系语义网络表示。例如事实： 张宏是石油学院的一名助教； 石油学院位于西安市电子二路； 张宏今年25岁。 可用图710所示的语义网络表示。,图710 表示方位关系的语义网络,图711 表示所属关系的语义网络,狗,尾巴,have,8.所属关系 所属关系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示为图711。,语义网络中的语义关系是多种多样的，一般根据实际关系定义。如常见的还有before、after、at等表示时间次序关系和located-on、located-under等表示位置关系。进一步，还可对带有全称量词和存在量词的谓词公式的语义加以表示。 由上所述可以看出，语义网络实际上是一种复合的二元关系图。网络中的一条边就是一个二元关系，而整个网络可以看作是由这些二元关系拼接而成。,上面我们是从关系角度考察语义网的表达力的。下面我们从语句角度来考察语义网。 例如，对于如下的语句(或事件)： 小王送给小李一本书。 用语义网络可表示为图712，其中S代表整个语句。这种表示被称为是自然语言语句的深层结构表示。 语义网络也能表示用谓词公式表示的形式语言语句。例如： x(student(x)read(x，三国演义) 即“某个学生读过三国演义”，其语义网络表示为图713。,图712 语句(事件)的语义网络,图713 谓词公式的语义网络,图714 分块语义网络,即“每个学生读过三国演义”, 其语义网络表示为图 7-14。,7.2.3 基于语义网络的推理 基于语义网络的推理也是继承。继承也是通过匹配、搜索实现的。问题求解时，首先根据待求问题的要求构造一个网络片断，然后在知识库中查找可与之匹配的语义网络，当网络片断中的询问部分与知识库中的某网络结构匹配时，则与询问处匹配的事实，就是问题的解。我们要通过图7-1所示的语义网络(假设它已存入知识库), 查询富士苹果有什么特点。那么, 我们可先构造如图7-15所示的一个网络片段。然后, 使其与知识库中的语义网络进行匹配。 匹配后X的值应为“脆甜”。当然, 这是一个简单问题。如果问题复杂, 也可能不能通过直接匹配得到结果, 那么还需要沿着有关边进行搜索, 通过继承来获得结果。例如要问：吃富士苹果对人的健康有何意义？ 那么, 通过上述网络片断不能直接获得答案, 这时, 就需沿着边“AKO”一直搜索到节点“水果”, 由水果的“富营养”性, 通过特性继承便得到富士苹果也富营养。,图715 语义网络片段,7.2.4 语义网络的程序语言实现 由于语义网络是一个二元关系图，所以用PROLOG可方便地实现语义网络知识表示。例如，图71所示的语义网络用PROLOG可表示如下: a-kind-of(“苹果“，“水果“). taste(“苹果“，“甜“). a-kind-of(“富士“，“苹果“). intro-from(“富士“，“日本“). is-a(“日本“，“亚洲国家“).,a-kind-of(“秦冠“，“苹果“). produ-in(“秦冠“，“陕西“). is-located-at(“陕西“，“中国西部“). a-part-of(“中国西部“，“中国“). 也可以表示为 arc(a-kind-of，“苹果“，“水果“). arc(taste，“苹果“，“甜“). arc(a-kind-of，“富士“，“苹果“). arc(intro-from，“富士“，“日本“). arc(is-a，“日本“，“亚洲国家“).,arc(a-kind-of，“秦冠“，“苹果“). arc(produ-in，“秦冠“，“陕西“). arc(is-located-at，“陕西“，“中国西部“). arc(a-part-of，“中国西部“，“中国“). 当然，我们也可以将一个网络或网络片段组织在一个事实中。例如： net1( a-kind-of(“苹果”，“水果”)， taste(“苹果”，“甜”)， a-kind-of(“秦冠”，“苹果”)， produ-in(“秦冠“，“陕西“).,7.3 面向对象知识表示,近年来，面向对象技术蓬勃兴起。在知识表示领域则出现了面向对象的知识表示方法。 面向对象技术中的核心概念是对象和类。对象可以泛指一切事物，类则是一类对象的抽象模型。反之，一个对象是其所属类的实例。通常，在面向对象的程序设计语言中，只给出类的定义，其对象由类生成。,类的定义中就说明了所辖对象的共同特征（属性、状态等）和行为。特征用变量表示，行为则是作用于这些特征和作用于对象的一组操作，如函数、过程等。这些操作一般称为方法。这样，一个类将其对象所具有的共同特征和操作组织在一起，统一进行定义，以供全体对象共享。即当给类中的特征变量赋予一组值时，则这组值连同类中的方法，就构成了一个具体的对象。,例7.6 下面是面向对象程序设计语言C+中一个雇员类和经理类的定义。 class Employee privite: char*Name; int Age; int Salary;= public: Employee(char*name，int age，int salary); Employee();,; EmployeeEmployee(char*name，int age，int salary) Name=newcharstrlen(name); strcpy(Name，name); Age=age; Salary=salary;= = EmployeeEmployee() Delete Name;= Void EmployeeChange(int age，int salary) ,Age=age; Salary=salary; Void EmployeeRetire() if(Age60) Delete this; 以上是雇员类的定义，用此定义就可生成一个雇员类的实例，即雇 员对象。例如下面的语句 Employeee1(“李明“，30),就生成一个名为李明，年龄为30岁的雇员。 下面是经理类的定义。 Class Manager:public Employee Int Level; public: Manager(char*name，int age，int salary，int level); Manager(); Void Change Level(int n); ;,由于经理类是雇员类的一个子类，所以，经理类就继承了雇员类的全部属性和行为。这两个类之间也就构成了一种层次关系。 一般认为，面向对象知识表示是最结构化的知识表示方法。面向对象知识表示很类似于框架，知识可以使用类按一定层次形式来组织。由于面向对象知识表示还具有封装特性，从而使知识更加模块化。所以，用面向对象方法表示的知识相当结构化和模块化，而且容易理解和管理。因此，这种方法特别适合于大型知识库的开发和维护。,习 题 七,1. 什么是知识？ 它有哪些特性？ 有哪几种分类方法？ 2. 在选择知识表示模式时, 应该考虑哪些主要的因素？ 3. 试比较框架与语义网络区别及关系。 4.请把下列命题表示的事实用一个语义网络表示出来, 并用PROLOG语言实现之。 (1) 树和草都是植物。 (2) 树和草都是有根有叶的。 (3) 水草是草, 且长在水中。 (4) 果树是树, 且会结果。 (5) 樱桃树是一种果树, 它结樱桃。,5.把下列语句用语义网络表示。 (1) 海浪把军舰轻轻地摇。 (2) 李老师从第一周到第十周给计算机班上人工智能课。 (3) 每一个大学生都学过一门程序设计语言。 6. 试写出“学生框架”的描述, 并用PROLOG语言实现之。 7. 试述语义网络表示法和框架表示法求解问题的过程, 并对它们进行比较。 8. 面向对象知识表示有什么特点？它与框架有什么区别？,9. 用面向对象程序设计语言(如C+)描述如下概念及其他们之间的关系。 (1) 水果、苹果、红富士苹果、香蕉。 (2) 人、职员、研究生、在职研究生。 10. 用面向对象程序设计语言(如C+)分别实现计算机和交通工具的类层次结构。 11. 用面向对象程序设计语言(如C+)定义“规则类”。 提示： 规则类至少应有“前提”和“结论”两个成员。,