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第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.1 框架框架 7.2 语义网络语义网络 7.3 类与对象类与对象 习题七习题七 第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.1 框框 架架7.2.1 框架的概念框架的概念 顾名思义,框架就是一种结构,一种模式,其一般形式是:|第 7 章 几种结构化知识表示及其推理|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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 例例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:(,)第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 例例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:良第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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:计算机应用第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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:第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.1.2 框架的表达能力框架的表达能力 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 例例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第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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:(,)第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 例7.5 机器人纠纷问题的框架描述如图7-1所示。图71 机器人纠纷问题第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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:患感冒第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.1.3 基于框架的推理基于框架的推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.1.4 框架的程序语言实现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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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()第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.2 语义网络语义网络7.2.1 语义网络的概念语义网络的概念 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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;第 7 章 几种结构化知识表示及其推理(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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图72苹果的语义网络第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 6.3.2 语义网络的表达能力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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图73 专家系统的语义网络 第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 1.实例关系实例关系 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图74 表示实例关系的语义网络 小华大学生是一个第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 2.分类(或从属、泛化)关系分类(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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图75 表示分类关系的语义网络 第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 3.组装关系组装关系 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”。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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 第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 4.属性关系属性关系 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图77 表示属性关系的语义网络PersonsumonISA男40教师sexageprofession第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 5.集合与成员关系集合与成员关系 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”。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图78 表示集合成员关系的语义网络 张三计算机学会是成员第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 6.逻辑关系逻辑关系 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图79 表示逻辑关系的语义网络 雨天外出ANDOR带雨披带雨伞则第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.方位关系方位关系 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图710 表示方位关系的语义网络 电子2路石油学院张宏助教西安市区25岁味道工作在职务属于年龄第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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 所属关系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示为图711。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图712 语句(事件)的语义网络 第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图713 谓词公式的语义网络 studentISA三国演义readbookxread1ISAISAsubjectobject第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图714 分块语义网络 studentISA三国演义readbookxread1ISAISAsubjectobjectRGSISAFA又如:x(student(x)read(x,三国演义)即“每个学生读过三国演义”,其语义网络表示为图 7-14。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.2.3 基于语义网络的推理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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 图715 语义网络片段 苹果x富士 特点AKO第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.2.4 语义网络的程序语言实现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).第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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).第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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).第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 7.3 面向对象知识表示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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 例例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();第 7 章 几种结构化知识表示及其推理;Employee Employee(char*name,int age,int salary)Name=newcharstrlen(name);strcpy(Name,name);Age=age;Salary=salary;=Employee Employee()Delete Name;=Void Employee Change(int age,int salary)第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 Age=age;Salary=salary;Void Employee Retire()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)第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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 EmployeeInt Level;public:Manager(char*name,int age,int salary,int level);Manager();Void Change Level(int n);第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 习习 题题 七七 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。第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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?第 7 章 几种结构化知识表示及其推理 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。
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