人工智能课件214框架表示法ppt课件.ppt

2.4 框架表示法,第2章 知识表示,2.1 概 述 2.2 谓词逻辑表示法 2.3 产生式表示法,2.4 框架表示法,框架表示法是以框架理论为基础发展起来的一种结构化的知识表示，它适用于表达多种类型的知识。1975年美国麻省理工学院明斯基(Minsky)在论文“A framework for representing knowledge”中提出了框架理论，引起了人工智能学者的重视。他是针对人们在理解情景、故事时提出的心理学模型，论述的是思想方法不是具体实现。 框架理论的基本观点是“人脑已存储有大量的典型情景，当人面临新的情景时，就从记忆中选择（粗匹配）一个称作框架的基本知识结构，这个框架是以前记忆的一个知识空框，而其具体内容依新的情景而改变，对这空框的细节加工修改和补充，形成对新情景的认识又记忆于人脑中，以丰富人的知识。”,【观察事物时的思维】 人头脑中形成的对于事物的抽象模型（框架） ； 用“自顶向下”的方法 先匹配一个现有的抽象模型（框架） ; 再确定抽象模型（框架）中的细节。 框架表示法 明斯基，1975，强调事物内部的结构化描述； 较好地反映人观察事物的思维方式； 应用于机器人识别领域。,2.4 框架表示法,框架是表示某一类情景的结构化的一种数据结构。框架由描述事物的各个方面的槽组成，每个槽可有若干个侧面。一个槽用于描述所讨论对象的某一方面的属性，一个侧面用于描述相应属性的一个方面。槽和侧面所具有的值分别称为槽值和侧面值。槽值可以是逻辑的、数字的，可以是程序、条件、默认值或是一个子框架。槽值含有如何使用框架信息、下一步可能发生的信息、预计未实现该如何做的信息等。 在一个用框架表示的知识系统中，一般都含有多个框架，为了区分不同的框架以及一个框架内不同的槽，不同的侧面，需要分别赋予不同的名字，分别称为框架名、槽名及侧面名。因此，一个框架通常由框架名、槽名、侧面和值这四部分组成，其一般结构如下：,2.4.1 框架结构,2.4 框架表示法,框架名 槽名1: 侧面名11 值11 侧面名12 值12 : : 侧面名1m 值1m 槽名2: 侧面名21 值21 侧面名22 值22 : : 侧面名2m 值2m : :,框架的一般结构,2.4 框架表示法,: : 槽名n: 侧面名n1 值n1 侧面名n2 值n2 : : 侧面名nm 值nm 约 束: 约束条件1 约束条件2 : 约束条件n,框架的一般结构,框架的一般表示结构 框架由描述事物各个方面属性的槽（slot）组成 := (Frame +) 槽有多侧面（aspect） := ( +) := ： 与语义网络节点的表示结构相比较： 表示结构接近，但框架更丰富（引入侧面） 语义网络节点： :=: 框架更强调表示事物的内部结构； 语义网络节点更强调表示事物间的关系；,2.4 框架表示法,例如，要用框架来描述“优质商品”这一概念。首先分析商品所具有的属性，一个商品可能具有的属性有：商品名称、生产厂商、生产日期、获奖情况等等，这里只考虑这几个属性。这几个属性可以定义为“优质商品”框架的槽，而“获奖情况”这个属性还可以从获奖等级、颁奖部门和获奖时间这3个侧面来加以描述。如果给各个槽和侧面赋予具体的值，就得到了 “优质商品”这一概念的一个实例框架。,框架名： 商品名称：红桃K 生产厂商：红桃K集团 生产日期：1998年6月17日 获奖情况：获奖等级：省级 颁奖单位：湖北省卫生厅 获奖时间：2000年5月,2.4 框架表示法,通常在框架系统中定义一些公用、常用且标准的槽名，并把这些槽名称为系统预定义槽名。人们在使用这些槽名时，不用说明就知道它表示何种联系。下面给出几个比较常用的、用来表示对象间关系的槽名： （1）ISA槽 ISA槽用于指出对象间抽象概念上的类属关系。其直观意义是“是一个”，“是一种”，“是一只”。在一般情况下，用ISA槽指出的联系都具有继承性。 所谓框架的继承性就是指当下层框架中的某些槽值或侧面值没有被直接给定时，可以从其上层框架中继承这些值或属性。 例如，椅子一般有4条腿，如果一把具体的椅子没有指出它有几条腿时，则可以通过一般椅子的特性，得出它有4条腿。,在此例中，棋手框架中的ISA槽指出该框架所描述的事物是运动员框架所 描述事物的属性及值。,2.4 框架表示法,（2）AKO槽 AKO槽用于具体地指出对象间的类属关系。其直观意义是“是一种”。当用它作为某下层框架的槽时，就明确地指出了该下层框架所描述的事物是其上层框架所描述事物中的一种，下层框架可继承上层框架中值或属性。,（3）Instance槽 Instance槽用来表示AKO槽的逆关系。当用它作为某上层框架的槽时，可在该槽中指出它所联系的下层框架。用Instance槽指出的联系都具有继承性，即下层框架可继承上层框架中所描述的属性或值。,Instance槽用来建立AKO槽的逆关系。当用它作为某上层框架的槽值时，可用来指出它的下层框架是哪些。 框架名： Instance:， 姓名：单位（姓，名） 年龄：单位（岁） 性别：范围（男，女） 缺省：男,2.4 框架表示法,（4）Part-of槽 Part-of槽用于指出部分和全体的关系。当用其作为某框架的一个槽时，槽中所填的值称为该框架的上层框架名，该框架所描述的对象只是其上层框架所描述对象的一部分。 例如，“两条腿”是“人体”的一部分。可以将“两条退”和“人体”分别定义成框架，“两条退”为下层框架，“人体”为其上层框架。在“两条退”的框架中设置一个Part-of槽，槽值填入这个框架名。 显然，用Part-of槽指出的联系所描述的下层框架和上层框架之间不具有继承性。,框架的一般表示结构 := (Frame ( ： +)+) 例、关于球的框架系统 (Frame Thing (Volume Unit:cm3 If-added:Classify) ) (Frame Sphere (Ako Value:Thing) (Radius Unit:cm If-added:Evaluate-Volumn) (Surface Unit:cm2 If-Needed:Evaluate-Surface) (Color Value:White) ) (Frame Sphere1 (Frame Sphere2 (Isa Value:Sphere) (Isa Value:Sphere) (Radius Value:10) (Radius Value:10) (Color Value:Red) (Surface Value:125600) (Volume Value:4190) (Volume Value:4190000) ) ),概念的框架,槽（属性）有多个侧面，复杂！,个体事物的框架,槽（属性）只有个侧面，简单！,概念的框架,框架系统 相互关联的多个框架联合起来构成框架系统； 框架的某些槽的侧面值可以是其它框架； 建立起节点是框架的网络； (Frame Thing (Volume Unit:cm3 If-added:Classify) ) (Frame Sphere (Ako Value: Thing) ) (Frame Sphere1 (Isa Value: Sphere) ) ),槽的侧面值是框架Thing,槽的侧面值是框架Sphere,简单的框架系统, Volume Unit:cm3 If-added:Classify, Radius Unit:cm If-added:Evaluate-Volumn Surface Unit:cm2 If-Needed:Evaluate-Surface Color Value:White,Ako, Radius Value:10 Color Value:Red Volume Value:4190, Radius Value:10 Volume Value:4190000,Isa,Isa,建立起节点是框架的网络,框架系统 相互关联的多个框架联合起来构成框架系统； 框架的某些槽的侧面值可以是其它框架； 建立起节点是框架的网络； 分类： 事物组成 描述复杂事物的组成（分解事物） ； 如，房间可层次地分解为墙、天花板、地板、家具、供电等组成； 层次分类,(Frame 房间 (墙数 Value:4) (窗数 Value:2) (门数 Value:1) (墙 框架:墙) (天花板 框架:天花板) (地板 框架:地板) (家具 框架:家具) ) (Frame 墙 (墙面颜色 Value:White) (墙面材料 Value:油漆) (挂物 框架:物) (窗 框架:窗) (门 框架:门) ) (Frame 天花板) (Frame 地板) (Frame 家具),房间,墙,地板,家具,天花板,物,窗,门,框架系统 相互关联的多个框架联合起来构成框架系统； 框架的某些槽的侧面值可以是其它框架，建立起节点是框架的网络； 分类： 事物组成 描述复杂事物的组成（分解事物）； 如，房间可层次地分解为墙、天花板、地板、家具、供电等组成； 层次分类 描述事物的层次分类体系（超类-子类、类-个体）； 如，不可能把各种房间的所有可能属性都写进房屋框架； 把房间分成子类，每类房间都有自己的框架。,(Frame 房间 (墙数 Value:4) (窗数 Value:2) (门数 Value:1) (墙 框架:墙) (天花板 框架:天花板) (地板 框架:地板) (家具 框架:家具) ) (Frame 厨房 (Ako Value:房间) (转入 条件 : 煤气罐数0 ) (煤气罐数 Value:1 ) (煤气灶 框架:煤气灶) (煤气罐 框架:煤气罐) ) (Frame 公用厨房 (Ako Value:厨房) (转入 条件 : 煤气罐数1 ) (煤气罐数 Value:2 ) ),厨房,公用厨房,房间,墙,地板,家具,天花板,物,窗,门,煤气罐数0,煤气罐数1,访问属性“墙”,Ako,Ako,2.4 框架表示法,例2.4.1 下面一是一个描述“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：（中专，大学） 类别：（，） 在这个框架中，框架名为“教师”，它含有5个槽，槽名分别是“类属”、“工作”、“性别”、“学历”和“类别”。这些槽名后面就是其槽值，而槽值“”又是一个框架名。“范围”、“缺省”是槽“工作”的两个不同的侧面，其后是侧面值。,2.4.2 框架表示知识举例,2.4 框架表示法,例2.4.2 下面是描述“大学教师”的框架。 框架名： 类属： 学位：范围：（学士，硕士，博士） 缺省：硕士 专业： 职称：范围：（助教，讲师，副教授，教授） 缺省：讲师 水平：范围：（优，良，中，差） 缺省：良 从上述两例可以看出，这两个框架之间存在一种层次关系，称前者为上层框架（或父框架），后者为下层框架（或子框架）。,2.4 框架表示法,例2.4.3 下面是描述一个具体教师的框架。 框架名： 类属： 姓名：张宇 性别：男 年龄：32 职业： 职称：副教授 部门：计算机系 研究方向：计算机软件与理论 工作：参加时间：2000年7月 工龄：当前年份-2000 工资： 比较上面几个例子，可以发现“教师-1”是“大学教师”的下层框架，而“大学教师”又是“教师”的下层框架，“教师”又是“知识分子”的下层框架。框架之间的这种层次关系是相对而言的，下层框架可以从上层框架继承某些属性或值。这样，一些相同的信息可以不必重复存储，节省了存储空间，这种层次结构对减少冗余信息有重要意义。,2.4 框架表示法,例2.4.4 下面有关地震的新闻报道，请用框架结构表示这段报道。 “今天，一次强度为里氏8.5级的强烈地震袭击了下斯洛文尼亚（Low Slabovia）地区，造成25人死亡和5亿美元的财产损失。下斯洛文尼亚地区主席说：多年来，靠近萨迪壕金斯断层的重灾区一直是一个危险地区。这是本地区发生的第3号地震。” 解：首先分析关于地震报道中所涉及的一些有关地震的关键属性，这些属性是地震发生的地点、时间、伤亡人数、财产损失数量、地震强度的震级和断层情况。这些属性可以作为该框架的各个槽。 接下来，将本报道中的有关数据填入相应的槽后就得到了给第3号地震的框架。 框架名： 地点：Low Slabovia 时间：今天 伤亡人数：25 财产损失：5亿美元 震级：8.5级 断层：萨迪壕金斯,2.4 框架表示法,第3号地震,Low Slabovia,今天,25,5亿美元,8.5级,萨迪壕金斯,时间,地点,伤亡人数,财产损失,震级,断层,图2.2 斯洛文尼亚第3号地震框架图,该框架也可以用图2.2表示。,2.4 框架表示法,在框架表示的知识库中，主要有两种活动：一是填槽，即框架中未知内容的槽需要填写；而是“匹配”，根据已知事件寻找合适的框架，并将该内容填入槽中。 上述两种操作均将引起推理，其主要推理形式有： 1、默认推理 在框架网络中，各框架之间通过ISA链（槽）构成半序的继承关系。在填槽过程中，如果没有特别的说明，子框架的槽值将继承父框架相应的曹值，称为默认推理。,2.4.3 推理方法,2.4 框架表示法,2、匹配 由框架所构成的知识库，当利用它进行推理、形成概念和作出决策、判断时，其过程往往是根据已知的信息，通过与知识库中预先存储的框架进行匹配，找出一个或几个与该信息所提供的情况最适合的预选框架，形成初步假设，即由输入信息激活相应的框架。然后在在该假设框架引导下，收集进一步的信息。按某种评价原则，对预选的框架进行评价，以决定最后接受或放弃预选的框架，即在框架引导下的推理。这个过程可以用来模拟人类利用已有的经验进行思考、决策，以及形成概念、假设的过程。,基于框架系统的推理 设计框架系统的目的： 支持结构化信息的存取； 其他推理技术（如，产生式系统）从框架系统中取出信息去进行推理。 结构化信息存取的主要技术： 特性继承 相容匹配 另一课件P302-318,2.4 框架表示法,（1）继承性 是框架的一个很重要的性质，下层框架可以从上层框架继承某些属性或值，也可以进行补充和修改。这样一些相同的信息可以不必重复存储，减少冗余信息节省了存储空间。 （2）结构化 框架表示法是一种结构化的知识表示方法。不但把知识的内部结构表示出来还可以把知识之间的联系也表示出来，是一种表达能很强的知识表示方法。,2.4.4 框架表示法的特点,2.4 框架表示法,（3）自然性 在人类思维和理解活动中分析和解释遇到的情况时，就从记忆中选择一个类似事物的框架，通过对其细节进行修改或补充，形成对新事物的认识，这与人们的认识活动是一致的。 （4）推理灵活多变 框架表示法没有固定的推理机制，它可以根据待求解问题的特点采取灵活地采取多种推理方法。 （5）框架表示法的主要不足之处在于它不善于表达过程性知识。因此它经常与产生式表示法结合起来使用，以取得互补效果。,2.4.4 框架表示法的特点,作业：,1.框架表示法有什么特点？ 2.试构造一个描述你的卧室的框架系统。,