《人工智能》PPT课件

2022-12-151人人 工工 智智 能能(2)2022-12-152第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 课程的基本内容与要求课程的基本内容与要求知识的概念与含义，知识类型和知识模型的变换；重点介绍几种常用的知识表达法状态空间表示法、与/或图表示法、产生式系统、知识的逻辑表达方法、语义网络、框架表达法、特征表表达法和面向对象的表达法。掌握知识表达的基本概念，学会划分知识的类型和理解知识模型变换在解决人工智能问题的过程中的作用与意义；学会如何将一个具体的问题，用所介绍的知识表达方法来表示；初步体会在各种知识表达方法中，其知识机构是如何随知识的运用而变化的。1.1-5节（学时）重点：5节2.7节（学时）重点：7节3.6，8-10节（学时）重点：8节2022-12-153第二章第二章 知识表达技术知识表达技术21 知识的概念与含义知识的概念与含义 智能行为智能行为知识知识对知识的获取、表达、搜索、分析、解答等智能对知识的获取、表达、搜索、分析、解答等智能能力能力 感性知识与理性知识，经验知识与理论知识智能表现在：知识的获取能力 知识的处理能力 知识的运用能力知识：知识：是人们对自然现象的认识和从中总结出来的规律、经验2022-12-154第二章第二章 知识表达技术知识表达技术21 知识的概念与含义知识的概念与含义 K=F+R+CK=F+R+CK K表示表示知识项知识项(Knowledge items)(Knowledge items)F F表示表示事实事实(Facts)(Facts)人类对客观世界、客观事物人类对客观世界、客观事物的状态、属性、特征的描述，以及对事物之间关系的状态、属性、特征的描述，以及对事物之间关系的描述的描述 R R表示表示规则规则(Rules)(Rules)能表达在前提与结论之间的能表达在前提与结论之间的因果关系的一种形式因果关系的一种形式 C C表示表示概念概念(Concepts)(Concepts)事实的含义规则语义说事实的含义规则语义说明等明等2022-12-155第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 22 2 知识表达技术知识表达技术 叙述型知识叙述型知识有关系统状态、环境和条件，问题的概念、有关系统状态、环境和条件，问题的概念、定义和事实的知识。定义和事实的知识。过程型知识过程型知识有关系统状态变化、问题求解过程的操作、有关系统状态变化、问题求解过程的操作、演算和行动的知识。演算和行动的知识。控制型知识控制型知识有有关如何选择相应的操作、演算和行动的比关如何选择相应的操作、演算和行动的比较、判断、管理和决策的知识。较、判断、管理和决策的知识。例：例：对于从北京到上海，是乘飞机还是坐火车的问题。对于从北京到上海，是乘飞机还是坐火车的问题。叙述型知识：北京、上海、飞机、火车、时间、费用。叙述型知识：北京、上海、飞机、火车、时间、费用。过程型知识：乘飞机、坐火车。过程型知识：乘飞机、坐火车。控制型知识：乘飞机较快、较贵；控制型知识：乘飞机较快、较贵；坐火车较慢、较便宜。坐火车较慢、较便宜。2022-12-156第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 22 2 知识表达技术知识表达技术 知识模型变换知识模型变换 同构：同构：问题的解答等价于原始问题的解答问题的解答等价于原始问题的解答 同态：同态：可使问题更加简化，易于求解可使问题更加简化，易于求解 同构同构/同态变换同态变换同构变换(明确)同态变换(简化)难求解便于求解等价易求解蕴含原始问题同构问题同态问题原始解答同构解答同态解答2022-12-157第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 22 2 知识表达技术知识表达技术【例【例2 21 1】方格棋盘分割问题】方格棋盘分割问题 原始问题原始问题:2n2n2n2n方格盘，去掉对顶角上两方格，问能否将它分割为方格盘，去掉对顶角上两方格，问能否将它分割为若干若干1 12 2长方块？长方块？(a)原始问题2n2n(b)同构问题(c)同态问题初始状态第一次分割2，00，02022-12-158第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 22 2 知识表达技术知识表达技术【例【例2 21 1】方格棋盘分割问题】方格棋盘分割问题 原始问题原始问题:2n2n2n2n方格盘，去掉对顶角上两方格，问能否将它分割为若干方格盘，去掉对顶角上两方格，问能否将它分割为若干1 12 2长方块？长方块？直接求解直接求解:考察考察(2(2*(2n)(2n)*2 2种可能分割方案，且随着种可能分割方案，且随着n n增大，会增大，会“组合爆组合爆炸炸”同构问题同构问题:方格相间着色方格相间着色,无论无论n n为何值，对顶角上两方格同色，去掉后白格为何值，对顶角上两方格同色，去掉后白格与黑格的数目间差值为与黑格的数目间差值为2 2 最后剩的必是同色两方格最后剩的必是同色两方格 因因同构问题同构问题无解，无解，果果等价的原始问题无解。等价的原始问题无解。同态问题：同态问题：同态变换同态变换序对序对 。初始状态：初始状态：2n-2，目标状态：目标状态：。分割操作：每操作，分割出一长方块，割去一白格和一黑格，使状态变量都分割操作：每操作，分割出一长方块，割去一白格和一黑格，使状态变量都减去减去1 1。经过。经过2n2-22n2-2次操作后，状态变为次操作后，状态变为，不可能达到，不可能达到 因同态问题无解，蕴含着其原始问题也无解因同态问题无解，蕴含着其原始问题也无解 2022-12-159第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 23 3 状态空间表达状态空间表达 状态状态用来表示系统状态用来表示系统状态,事实等叙述型知识的一组变量或数组事实等叙述型知识的一组变量或数组Q=qQ=q1 1,q,q2 2,q qn n t t操作操作是用来表示引起状态变化的过程型知识的一组关系或函数是用来表示引起状态变化的过程型知识的一组关系或函数F:f1,f2,F:f1,f2,fmfm状态空间状态空间(State Space)(State Space)是利用状态变量和操作符号，表示系统或问题是利用状态变量和操作符号，表示系统或问题的有关知识的符号体系，状态空间是一个的有关知识的符号体系，状态空间是一个四元组（四元组（S S，O O，S S0 0，G G）：S S状态集合状态集合;O O操作算子集合操作算子集合;S S0 0初始状态初始状态,S S0 0 S;S;G G目的目的状状态态,G,G S,(GS,(G可若干具体状态，也可满足某些性质的路径信息描可若干具体状态，也可满足某些性质的路径信息描述述)。状态空间一解状态空间一解是一有限操作算子序列，它使初始状态转换为目标状态：是一有限操作算子序列，它使初始状态转换为目标状态：O O1 1 O O2 2 O O3 3 O Ok k S S0 0S S1 1S S2 2G G其中其中O O1 1，O Ok k即为状态空间的一个解即为状态空间的一个解(解往往不是唯一的解往往不是唯一的)2022-12-1510第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 23 3 状态空间表达状态空间表达 【例【例2 22 2】八数码问题的状态空间八数码问题的状态空间在一在一3 33 3方格盘，放方格盘，放1 1到到8 8八个数码，另一格为空。八个数码，另一格为空。空格四周上下左右数码可移到空格。一布局：空格四周上下左右数码可移到空格。一布局：2 3 12 3 1 5 8 5 8 4 6 7 4 6 7八数码任何一种摆法就是一个八数码任何一种摆法就是一个状态状态，所有的摆法，所有的摆法为状态集为状态集S S，构成了一个，构成了一个状态空间状态空间，其大小为，其大小为9 9！相应相应操作算操作算子是数码移动，其操作算子共有子是数码移动，其操作算子共有4 4（方（方向）向）8 8（数码）（数码）=32=32个。可个。可简化简化为为4 4个：个：UpUp，LeftLeft，DownDown，RightRight2022-12-1511第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 24 4 与与/或图表达法或图表达法 超图超图 树图树图 与与/或树或树在求解问题时的两种思维方法：在求解问题时的两种思维方法：分解：分解：将复杂大问题分解为一组简单小问题将复杂大问题分解为一组简单小问题若所有子问题都解决了，则总问题也解决了，这若所有子问题都解决了，则总问题也解决了，这是是“与与”的逻辑关系的逻辑关系“与与”树树变换：变换：将较难问题变换为较易等价将较难问题变换为较易等价/等效问题等效问题若一难问题可以等价变换为几个容易问题，则任若一难问题可以等价变换为几个容易问题，则任何一个容易问题解决了，也就解决了原有难问题，何一个容易问题解决了，也就解决了原有难问题，这是这是“或或”的逻辑关系的逻辑关系“或或”树树2022-12-1512第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 24 4 与与/或图表达法或图表达法 设机器人“猴子”位于a处，目的物“香蕉”挂在c处上方，猴子想吃香蕉，但高度不够，拿不着。在b处有可移动的台子，若猴子站在台子上，就可以拿到香蕉。问题是制定机器人的行动计划，使猴子能拿到香蕉。2022-12-1513第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 24 4 与与/或图表达法或图表达法 状态空间法:四元数组描述：S=(w,x,y,z)其中：w：猴子所处水平位置 x：台子所在水平位置 y：猴子是否在台子上（y=1:在;y=0:不在）z：猴子是否能拿到香蕉（z=1:拿到;z=0:没拿到）可能出现的状态如下：S0=(a,b,0,0)S1=(b,b,0,0)S2=(c,c,0,0)S3=(c,c,1,0)S4=(c,c,1,1)其中S0为初始状态，S4为目标状态2022-12-1514第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 24 4 与与/或图表达法或图表达法 允许的操作集为：F=f1,f2,f3,f4其中：f1(u)为猴子走到u处 (w,x,0,z)(u,x,0,z)f2(v)为猴子推台子到v处 (x,x,0,0)(v,v,0,0)f3为猴子爬上台子 (x,x,0,z)(x,x,1,z)f4为猴子拿到香蕉 (c,c,1,0)(c,c,1,1)比较目标状态（S4）与初始状态（S0）的差异，来选择主操作。由于S0与S4中的四个状态量都有差异，相应的操作为f1,f2,f3和f4，都可选为主操作。因此，可将原问题变换为四个新问题，而新问题又可分为几个子问题及子子问题。这一过程与/或树图 2022-12-1515第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 24 4 与与/或图表达法或图表达法 与/或树图 P31(f1,f2)P32(f3)P33(f4)P311(f1)P312(f2)S0-S4P1:主操作f1P2:主操作f2P3:主操作f3P4:主操作f4S2-S3S0-S2S3-S4S0-S1S1-S22022-12-1516第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 描述若干个不同的以一个基本概念为基础的系统。这个基本概念就是产生式规则或产生式条件和操作对的概念 1.事实表示静态知识，如事物、事件和它们之间的关系2.产生式规则表示推理过程和行为，如动作，算子，变换等 2022-12-1517第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 一个产生式系统包含事实库、规则集和规则解释（控制器）三部分 控制器匹配排序冲突裁决规则集激发树元规则事实库知识匹配相关检索匹配检索2022-12-1518第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 当前已知的知识信息数据，包括推理过程中形成的中间结论知识，换句话说，它用于存储有关问题的状态、性质等事实的叙述型知识，也称为综合数据库或工作存储器。数据是广义的存储有关问题的状态转移、性质变化等规则的过程型知识，或称“规则库”产生式规则的一般形式可以表述为：P1,P2,PmC1,C2,Cn每条产生式规则分为左部和右部两个部分，左部表示激活该产生式规则的前提条件/规则前件，右部表示调用该产生式规则后所做的行为部分/规则后件/结论。可简述成“条件-动作”对的形式。对事实库的修改在产生式系统中扮演着推理的角色，正是由于事实库内容的不断改变，才构成了由原始数据到结论的变换过程2022-12-1519第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 产生式规则的形式与传统程序设计语言中条件语句非常相似，但实际上两者之间存在根本的产生式规则左部表达的是一组复杂模式，而不仅仅是一个布尔表达式规则之间控制流不象传统语言中从一条语句向其下一条语句传递，而且满足条件的规则被激活但不一定立即执行，这将取决于产生式系统的冲突消解策略，这也是区分传统程序与产生式系统行为特征的逻辑程序中的语句可以视作产生式规则的一种特殊形式 在产生式系统中，一条规则仅描述前提条件与行为之间的静态关系，因此，规则的正确性应当独立地得到保证。这就是规则的，正是由于产生式规则的自含性特点，才使得知识的表示与控制的成为可能。2022-12-1520第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 规则解释（控制器）规则解释（控制器）根据有关问题的控制型知识，选择控制策略，将规则与事实进行匹配，控制并利用知识进行推理并求解问题 通常从选择规则到执行操作分3步：匹配、冲突消解和操作由匹配器负责判断规则条件是否成立，冲突消解器负责选择可调用的规则，解释器负责执行规则的动作，并在满足结束条件时终止产生式系统的运行。当前事实库内容与规则条件部分匹配。如果两者完全匹配，则把这条规则称为触发规则。当按规则的操作部分去执行时，称这条规则为启用规则。被触发的规则不一定总是启用规则，因为可能同时有几条规则的条件部分被满足，需解决冲突步骤中来解决。在复杂的情况下，在事实库和规则的条件部分之间可能要进行近似匹配当有一条以上规则的条件部分和当前事实库相匹配时，就需要决定首先使用哪一条规则，这称为冲突解决执行规则的操作部分，经操作以后，当前事实库将被修改。然后，其它的规则有可能被使用，即进入下一循环 2022-12-1521第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 如：设有以下两条美式足球的规则：规则R1 规则 R2 IFIF fourth dawn IFIF fourth dawn short yardage short yardage THENTHEN punt within 30 yards(from the goal line)THENTHEN field goalR1规则：如进攻方在前三次进攻中前进的距离少于10码(short yardage)，那么在第四次进攻时(fourth dawn)，可以踢悬空球(punt)R2规则：如进攻方在前三次进攻中前进的距离少于10码，而进攻的位置又在离对方球门线30码距离之内，那么就可以射门(field goal)如果当前事实库包含事实“fourth dawn”和“short yardage”以及“within 30 yards”？2022-12-1522第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 如某一规则条件部分规定的情况，比另一规则条件部分规定的情况更有针对性，则这条规则有较高的优先级如规则编排的顺序就表示了启用的优先级，则称之为规则排序把规则条件部分的所有条件按优先级次序编排起来，运行时首先使用在条件部分包含较高优先级数据的规则。按规则的条件部分的规模排列优先级，优先使用被满足的条件较多的规则把最近使用的规则放在最优先的位置。这和人类的行为有相似之处把产生式规则按它们所描述的上下文分组，也就是说按上下文对规则分组。在某种上下文条件下，只能从与其相对应的那组规则中选择可应用的规则 2022-12-1523第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 规则I1到I4这一组规则可用于把和区分开：规则规则I1I1 如果如果 该动物有毛发，那么那么 它是哺乳动物规则规则I2I2 如果如果 该动物能产乳，那么那么 它是哺乳动物规则规则I3I3 如果如果 该动物有羽毛，那么那么 它是鸟类动物规则规则I4 I4 如果如果 该动物能飞行，它能生蛋，那么那么 它是鸟类动物规则I5到I8把哺乳动物又进一步分为更细的类和：规则规则I5 I5 如果如果 该动物是哺乳动物，它吃肉，那么那么 它是食肉动物规则规则I6 I6 如果如果 该动物是哺乳动物，它长有爪子，它长有利齿，它眼睛前视，那么那么 它是食肉动物规则规则I7 I7 如果如果 该动物是哺乳动物，它长有蹄，那么那么 它是有蹄动物规则规则I8 I8 如果如果 该动物是哺乳动物，它反刍，那么那么 它是有蹄动物，并且是偶蹄动物2022-12-1524第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 以下两个规则对进行细分：该动物是食肉动物，它的颜色是黄褐色，它有深色的斑点它是猎豹该动物是食肉动物，它的颜色是黄褐色，它有黑色条纹它是老虎以下两个规则对进行细分：该动物是有蹄动物，它有长腿，它有长颈，它的颜色是黄褐色，它有深色的斑点，它是长颈鹿该动物是有蹄动物，它的颜色是白的，它有黑色条纹，它是斑马2022-12-1525第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 以下对进行分类的规则：该动物是鸟类，它不会飞，它有长腿，它有长颈，它的颜色是黑、白色相杂，它是鸵鸟（规则I13的IF部分的条件“它有长腿”和“它有长颈”，也出现在规则I11的IF部分。I11是有蹄动物的，而I13是鸟的分类，无混淆）该动物是鸟类，它不能飞行，它能游水，它的颜色是黑色和白色，它是企鹅该动物是鸟类，它善于飞行，它是海燕2022-12-1526第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 开始，观察到：规则I11还是规则I9？再看到该动物给它的幼兽喂奶，并能反刍，于是事实库内容增为：现用规则集与事实库进行匹配，I2首先可用，并更新事实库为：进而I8又能用，更新事实库为：还无法识别，而事实库也不能和其它规则的前提相匹配，需再观察，进一步发现该动物腿和颈都很长，即得到事实库：规则I11可使用，推理出该动物为问题的求解过程可终止2022-12-1527第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 25 5 产生式系统产生式系统 2022-12-1528第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 26 6 知识的逻辑表达方法知识的逻辑表达方法 2022-12-1529第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 26 6 知识的逻辑表达方法知识的逻辑表达方法 (简单回顾)命题逻辑命题逻辑谓词逻辑的基础谓词逻辑的基础 A，B等原子命题原子命题表达单一意义的命题表达单一意义的命题 灯关着 天在下雨 复合命题复合命题由由“联结词联结词”联结原子命题联结原子命题 简单推理表达方法PQ：如果天在下雨，则天不晴:否定(Negation);:合取(Conjunction);:析取(Disjunction);:条件(Condition);:双条件(Bicondition)命题变元命题变元不具有固定具体含义的命题不具有固定具体含义的命题合式公式合式公式利用命题变元构成利用命题变元构成的的蕴含式或等价式蕴含式或等价式推理推理确确 析取三段论，假言推理，假言三段论；二难推理等 2022-12-1530第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 26 6 知识的逻辑表达方法知识的逻辑表达方法 谓词逻辑谓词逻辑命题逻辑的扩充和发展 原子命题=客体+谓词 谓词（命题函数）公式、原子谓词公式、复合谓词公式谓词（命题函数）公式、原子谓词公式、复合谓词公式客体变元；客体域；n元谓词；x：全称量词；x：存在量词 一阶谓词逻辑一阶谓词逻辑谓词逻辑中最直观的一种逻辑所有罗马人或忠于或仇恨恺撒所有罗马人或忠于或仇恨恺撒:x Roman(x)loyalto(x,Caesar)hate(x,Caesar)环境描述：环境描述：动作描述：动作描述：AT(ROBOT,ALCOVE)PICK-UP-BOX(A)：EMPTYHANDED(ROBOT)条件：ON（BOX，A）ON(BOX,A)AT（ROBOT，A）TABLE(A)EMPTYHANDED（ROBOT）TABLE(B)行动：删除：EMPTYHANDED（ROBOT）增加：HOLDS（ROBOT，BOX）2022-12-1531第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 26 6 知识的逻辑表达方法知识的逻辑表达方法 谓词逻辑与关系数据库谓词逻辑与关系数据库数据库系统知识库 一阶谓词逻辑具有完备的逻辑推理算法完备的逻辑推理算法谓词逻辑本身具有比较扎实的数学基础比较扎实的数学基础逻辑推理是从公理集合中演绎而得出结论从公理集合中演绎而得出结论的过程严格性:保证其演绎推理结果的正确性正确性，较精确较精确地表达知识通用性:拥有通用的逻辑演算的方法和推理的规则方法和推理的规则 三段论法等自然性:一种接近于自然语言接近于自然语言的形式语言形式语言。模块性:便于用计算机实现的机械化、自动化的机械化、自动化效率低:抛弃语义信息，使推理过程冗长，效率低冗长，效率低，出现“组合爆炸”。灵活性差:不便于表达和加入启发性知识及元知识启发性知识及元知识。2022-12-1532第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 26 6 知识的逻辑表达方法知识的逻辑表达方法 自动问答系统自动问答系统Green的QA-3为一通用系统，推理采用归结法，控制采用启发式，无约束的归结是完备的 机器人行动规划系统机器人行动规划系统Fikes等设计的STRIPS含两类过程：问题应答过程、规划和解决问题的过程。前者采用的是归结法，后者采用是手段-目标分析法 机器博弈系统机器博弈系统Filman等设计的FOL系统是一证明系统。证明采用一阶谓词逻辑说明，演绎采用Prawitz的自然演绎系统，逻辑精确性，过程控制形式化 问题求解系统问题求解系统Kowalski等设计的PS系统，直接用逻辑子句表示知识，简易方便 2022-12-1533第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 1968 Quillian提出概念；1970 Simmon用于自然语言理解的研究概念概念是一种采用网络形式表示人类知识的方法形式上，一个语义网络为一个带标识的有向图内容组织上，4个相关部分组成 词法部分：决定表示词汇表中允许有哪些符号，它涉及各个结点和弧线 结构部分：叙述符号排列的约束条件，指定各弧线连接的结点对 过程部分：说明访问过程，能用于建立和修正描述，以及回答相关问题 语义部分：确定与描述相关的（联想）意义的方法，即确定有关结点的排列及其占有物和对应弧线 2022-12-1534第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 特性特性显式/简明表达实体结构、属性与实体间因果关系利于以联想方式对系统的解释与概念相关的属性和联系被组织在一结点中易于被访问和学习更加直观，更易于理解（继承方式）符合人类思维习惯语义解释依赖于结构的推理过程（无结构约定）推理不很有效结点联系有线状/树状/网状/递归状知识存储/检索需较复杂的过程2022-12-1535第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 语义网络表达法的自然性直接而明确地表达概念之间的语义关系，接近于人类的语义记忆方式联想性着重于表达语义关系知识，体现了联想思维过程，如通过正例、反例的比较，进行学习的过程效率较高可通过语义关系检索和推理，较快导出与问题有关的概念和事实，不必历遍整个知识库语义网络表达法的不能象逻辑方法那样保证推理的严格性和有效性不便于表达判断性知识不便于表达深层知识，如与时间因素有关的动态知识 2022-12-1536第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 基本命题的语义网络表示（以个体为中心个体为中心）实例联系 ISA泛化联系 AKO(A Kind Of)ISA燕子鸟AKOAKOAKOAKOAKOAKOAKOAKOAKO动物哺乳动物鸟类动物猎豹老虎长颈鹿斑马鸵鸟企鹅海燕2022-12-1537第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 基本命题的语义网络表示（以个体为中心个体为中心）聚集联系 part-of 属性联系 ISAprofessionheightagesexpersonmale30180cmprogrammerJohn2022-12-1538第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 基本命题的语义网络表示（以谓词或关系为中心谓词或关系为中心）设有n元谓词或关系R(arg1,R(arg1,argn),argn),arg1取值为a1,argn取值为an,R的等价一组二元关系如下：arg1(R,a1)arg2(R,a2)argn(R,an)对应的语义网络：.arg1argna1anR2022-12-1539第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 连接词在语义网络中的表示方法give(John,Mary,“give(John,Mary,“战争与和平战争与和平”)read(Mary,“read(Mary,“战争与和战争与和平平”)对应的语义网络：giverrecipientobjectsubjectobject与giveJohnMaryread战争与和平2022-12-1540第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 连接词在语义网络中的表示方法John is a programmer or Mary is a lawyerJohn is a programmer or Mary is a lawyer 对应的语义网络：workerprofessionworkerprofession或OC1OC2JohnprogrammerMaryLawer2022-12-1541第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 连接词在语义网络中的表示方法ISA，AKO及part-of的有向弧 give(John,Mary,“give(John,Mary,“战争与和平战争与和平”)read(Mary,“read(Mary,“战争与和战争与和平平”)对应的语义网络：giverobjectrecipientobjectsubject与readgiveJohnMary战争与和平非2022-12-1542第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 连接词在语义网络中的表示方法一弧：命题前提条件ANTE，另一弧：规则结论CONSE 如果车库起火，那么用如果车库起火，那么用COCO2 2或沙来灭或沙来灭 对应的语义网络：ISAlocISAlocISAstateANTECONSEstateISAISA材料ISAEVENTADDRESSEVENTEVENTevent1起火车库AB蕴含灭火CO2或沙2022-12-1543第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 变元和量词在语义网络中的表示方法 直接用ISA弧分块方法存在量词：The dog bit the postman The dog bit the postman ISAISAASSAILIANTISAVICTIN(a)BITEDOGPOSTMANBDP2022-12-1544第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 变元和量词在语义网络中的表示方法 直接用ISA弧分块方法全称量词：Every dog has bitten a postman(x)DOG(x)x)DOG(x)(y)POSTMAN(y)y)POSTMAN(y)BITE(x,y)BITE(x,y)ISAISAASSAILIANTISAVICTIN(b)ISAS1FROMBITEPOSTMANDOGDBPGGS2022-12-1545第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 27 7 语义网络语义网络 变元和量词在语义网络中的表示方法 直接用ISA弧分块方法全称量词：Every dog has bitten every postmanEvery dog has bitten every postman用用 弧与结点弧与结点P P相连相连 ISAISAASSAILIANTISAVICTIN(c)ISARFROMBITEPOSTMANDOGBDPGGS2022-12-1546第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 28 8 框架表达法框架表达法 一个通用的数据结构的形式存储以往的经验 一个结构 一种组织新资料可用从经验中得到的概念来分析/解释 一结构化表示方法 语义网络的结点-槽-值表示结构一组语义网络的结点和槽，这组结点和槽可以描述格式固定的事物、行动和事件 语义网络可看作结点和弧线的集合 2022-12-1547第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 28 8 框架表达法框架表达法 框架(Frame)是一种组织和表示知识的数据结构框架名 槽(Slot)槽名 槽值/填充值 （任意数目）FRAME 槽名槽名1：侧面名侧面名11：侧面值：侧面值11 侧面名侧面名12：侧面值：侧面值12 侧面名侧面名1m：侧面值：侧面值1m 槽名槽名n：侧面名侧面名n1：侧面值：侧面值n1 侧面名侧面名n2：侧面值：侧面值n2 侧面名侧面名nm：侧面值：侧面值nm2022-12-1548第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 28 8 框架表达法框架表达法 各种属性的槽槽或侧面侧面缺省值（DEFAULT）侧面用于说明该侧面的典型取值一鸟类框架，鸟是否会飞属性槽可填“会飞”缺省值附加过程侧面说明槽值的计算过程和填槽时要做的动作一组子程序槽或侧面的取值类型类型数值型整型数（INTEGERS）浮点数（FLOATS）地震框架中强度槽和财产损失槽的取值字符串（STRINGS）如地震框架中地点槽和断层槽取值约束类型可以通过上面给出的基本类型通过布尔运算构成 2022-12-1549第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 28 8 框架表达法框架表达法 类框架 实例框架类超类关系（AKO）包含关系实例类关系（ISA）属于关系主子调用关系（组成连接）指针框架 2022-12-1550第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 28 8 框架表达法框架表达法 例：机器人纠纷问题设机器人罗宾与苏西在一起玩耍，淘气的苏西打了罗宾一下，其结果可以猜想，有两种可能性：一是：罗宾愤怒，还击苏西一下；苏西也不示弱，二人摔打起来另是：罗宾没有还手，但感到委屈，哭了起来 高兴初态罗宾对象愤怒终态结果状态变化高兴初态罗宾对象委屈终态结果状态变化打动作罗宾发出者苏西接受者结果动作行为打动作苏西发出者罗宾接受者结果动作行为打动作苏西发出者罗宾接受者结果动作行为哭动作罗宾发出者动作行为2022-12-1551第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 28 8 框架表达法框架表达法 “今天一次强度为里氏7级的地震袭击了X地区，造成250人死亡和5百万人民币的财产损失。有专家说：多年来，靠近Y断层的地方一直是一个危险的地区。”地震是一灾害事件，灾害事件还有洪水、飓风等2022-12-1552第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 28 8 框架表达法框架表达法 ：外部形式槽用来记录用户给出本规则的原始形式分析方法槽用相应的方法将原始规则转换成某种内部形式，这种内部表示包含一组表达式转换的结果是向相应的条件槽、结论槽和动作槽填值条件槽结论槽动作槽另外，也可以向规则框架中填入描述信息，如规则之间的关系、规则的用途、要达到的目标等 2022-12-1553第二章第二章 知识表达技术知识表达技术 2 28 8 框架表达法框架表达法 一个框架系统=一种树型结构树的每一个节点=一个框架结构 ISA AKO连接各种问题某细节另一框架得到不直接信息不完整完善描述2022-12-1554第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 29 9 特征表表达法特征表表达法 是通过对象特征来表达知识的一种表格形式人工智能语言LISP特征表 属性和取值特点：特点：便于表达叙述性知识便于表达过程性知识或控制性知识便于检索不同问题，不同对象，兴趣特征不同属性项目不同不同观点，不同方法特征/属性不同（同一问题/对象）系统状态不同取值不同(同一属性)注意注意:各种属性在不同地方重复出现，应避免矛盾和不一致现象 2022-12-1555第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 29 9 特征表表达法特征表表达法 在一含有凹室(alcove)的房间里，有两张桌子A和B，一个机器人（robot）和一个箱子（box），如图28所示。为了让机器人从凹室出发，把桌子A上的箱子移到桌子B上，然后回到凹室，需要制定相应的行动规划 ABalcoverobotbox2022-12-1556第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 29 9 特征表表达法特征表表达法 （1 1）初始状态：）初始状态：对 象属 性ROBOTLOCATION ALCOVEHOLDS EMPTYBOXSUPPORTED-BY AAIS-A TABLESUPPORTS BOXBIS-A TABLESUPPORTS EMPTY2022-12-1557第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 29 9 特征表表达法特征表表达法 （2 2）目标状态：）目标状态：对 象属 性ROBOTLOCATION ALCOVEHOLDS EMPTYBOXSUPPORTED-BY BAIS-A TABLESUPPORTS EMPTYBIS-A TABLESUPPORTS BOX2022-12-1558第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 29 9 特征表表达法特征表表达法 （3 3）中间中间状态：状态：对 象属 性ROBOTLOCATION B HOLDS BOXBOXSUPPORTED-BY ROBOTAIS-A TABLESUPPORTS EMPTYBIS-A TABLESUPPORTS EMPTY2022-12-1559第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 210 10 面向对象的表示面向对象的表示 静态静态特性+动态动态行为问题空间中对象 呆板呆板与被动被动数据/数据结构传统程序语言 计算机求解空间与客观问题空间间面向对象方法学面向对象方法学构造软件系统/知识系统能较自然地反映人们思考方式求解空间在结构上同问题空间取得一致对象不仅有状态，而且有行为对象不仅有状态，而且有行为各种资源和智能实体对象一对象的状态和对象具有的知识该对象的静态属性一对象所具有的知识处理方法和各种操作 该对象的智能行为 2022-12-1560第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 210 10 面向对象的表示面向对象的表示 形式定义：对象对象:=:=标识符标识符IDID用以标识一个特定特定的对象数据结构数据结构DSDS描述了对象当前的内部状态内部状态或所具有的静态属性静态属性，常用一组表示方法集合方法集合MSMS用以说明对象所具有的内部处理方法内部处理方法/对受理的消息的操作过程操作过程，它反映了对象自身的智能行为消息接口消息接口MIMI对象接收外部信息和驱动有关内部方法的唯一对外接口对外接口。这里的外部信息称为消息问题求解或程序的执行问题求解或程序的执行 依靠对象间传递消息完成的消息流消息流 统一数据流和控制流，实现对象间联系的唯一途径消息模式消息模式 不仅定义了该对象所能受理的消息，而且还规定了该对象的固有处理能力 2022-12-1561第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 210 10 面向对象的表示面向对象的表示 是具有相同外部特性和内部实现的一组对象的抽象 有共同性质的一组对象归入一为的概念中 描述消息模式及其相应的处理能力描述内部状态的表现形式以及实现固有处理能力类描述了该类对象的经过类的抽象，一个对象除对象名以外，形式上只剩下体现该对象的内部状态所属类的一个 2022-12-1562第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 210 10 面向对象的表示面向对象的表示 设四边形为一个类，其外部特性由计算四边形面积的消息模式和计算四边形边长的消息模式组成，其内部实现包括四边形四个点的坐标数据格式，以及基于四点坐标数据和四边形面积的计算方法和四边形边长的计算方法现任意给出四点坐标的具体数据，显然，只要这些数据符合四边形类关于四点坐标的数据格式，以这样的四点坐标数据为内部状态的对象都是四边形类的一个实例 2022-12-1563第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 210 10 面向对象的表示面向对象的表示 类抽象抽象数据类型范畴 一个类的上层可有超类，下层可有子类，从而形成一种层次结构，称为类层次。超类和子类同样是类，它们可以建立各自的实例（如：有理数类上层有实数类，下层有整数类，实数类是有理数类的超类，整数类则是有理数类的子类，而所有实数、所有有理数和所有整数分别都是对应类的实例）类层次的一个重要特性是，即一个类可以继承其超类的全部描述，且这种继承具有传递性，从而，一个类可以继承层次结构中在其上面的所有类的全部描述（如：整数除具有整数类所特有的运算法则外，有理数类和实数类的运算法则同样适用于所有整数）2022-12-1564第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 210 10 面向对象的表示面向对象的表示 结构化的与语义网络比较：灵活性网络中的结点和有向弧可按规定不加限制地定义。在面向对象的表示中不仅仍存在这灵活性，且对象和对象之间的关系还可动态建立结点对象有向弧语义联系消息传递实例联系、泛化联系对象、子类与类之间的继承关系面向对象的结构可以看成一种的语义网络语义网络的主要缺点：难于系统开发/维护，而面向对象方法的能有力地克服这弱点2022-12-1565第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 210 10 面向对象的表示面向对象的表示 与框架结构比较：层次结构 框架结构的模块性差框架间关系不唯一（既可能是具有继承关系的子类连接/成员连接，也可能是反映全体和部分关系的组成连接）；规则可通过一框架连接到另一框架。面向对象的知识表示两个类之间的连接关系只有子类连接，而规则用作一个类的内部方法，不可能出现跨越两个对象的规则，类的唯一对外接口是消息模式，类之外的代码唯有通过传递有关消息才能与该类的方法打交道面向对象的表示特适合于大型知识系统的开发/维护2022-12-1566第二章第二章 知识表达技术知识表达技术2 210 10 面向对象的表示面向对象的表示 面向对象程序设计方法面向对象程序设计方法以信息隐蔽和抽象数据类型概念为基础，既提供了从一般到特殊的演绎手段（如等），又提供了从特殊到一般的归纳形式（如等）面向对象技术面向对象技术不仅在软件设计和知识表示中得到了广泛的应用，而且已拓广到数据库管理和多媒体系统等应用领域。与此同时，出现了一个比“对象”更富动态性、更具有人工智能含义的概念，即智能代理（智能代理（AgentAgent）。这是一种可以包含主观信念和承诺，且可以主动响应外界事件的对象面向智能代理技术是面向对象技术在人工智能与专家系统应用领域中的发展 2022-12-1567第二章第二章 知识表达技术知识表达技术