结构化知识表示及其应

北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 1 第 五 章结 构 化 知 识 表 示 及 其 应 用 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 2 n 引 言 ： w 知 识 及 其 表 示 是 AI 研 究 的 重 点 问 题 ；w 知 识 表 示 自 然 、 直 观 ， 有 利 于 提 高 问 题 求 解 的 效 率n 几 种 常 用 的 知 识 表 示 方 法 ：w 过 程 算 法 方 法 ; w 状 态 空 间 法 ， 问 题 空 间 法 ； w 一 阶 谓 词 方 法 ， 产 生 式 系 统 方 法w 结 构 化 知 识 表 示结 构 化 知 识 表 示 及 其 应 用 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 3 n 传 统 程 序 语 言 ：w 把 呆 板 的 、 被 动 的 数 据 或 数 据 结 构 作 为 解 空 间 的 对 象 ； w 程 序 设 计 人 员 须 借 助 极 其 复 杂 的 算 法 或 过 程 才 能 操 纵 解 空 间对 象 ， 从 而 求 得 问 题 的 解 ； w 导 致 软 件 （ 特 别 是 基 于 知 识 的 复 杂 软 件 ） 的 构 造 异 常 困 难 ，难 以 理 解 和 维 护 。n 客 观 世 界 的 问 题 一 般 由 世 界 中 的 客 体 及 其 之 间 的 关 系 构 成 。n AI 结 构 化 知 识 表 示 方 法 表 现 和 处 理 解 空 间 的 对 象 及 其 之 间 的 关 系结 构 化 知 识 表 示 及 其 应 用 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 4 n 几 种 主 要 结 构 化 知 识 表 示 方 法 ：w 语 义 网 络 方 法w 框 架 系 统 方 法w 面 向 对 象 方 法结 构 化 知 识 表 示 及 其 应 用 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 5 语 义 网 络 方 法n 提 出 ：w Quillian (1968， 人 类 联 想 记 忆 的 心 理 学 模 型 ） , - 记 忆 由 概 念 及 其 之 间 的 联 系 构 成 ； - 语 义 网 用 网 络 形 式 表 示 人 类 知 识 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 6 语 义 网 络 方 法 语 义 网 定 义 ： 语 义 网 是 由 （ 结 点 1， 弧 ， 结 点 2） 三 元 组 （ 或 称 为 基 本 网元 ） 链 接 而 成 的 有 向 图 ， 其 中 ，结 点 ： 表 示 问 题 领 域 中 的 物 体 、 概 念 、 事 件 、 动 作 或 态 势 等 弧 （ 具 有 方 向 和 标 记 ） ： 表 示 结 点 之 间 的 语 义 联 系 。苹 果 水 果是 一 种n 例 ： 苹 果 是 一 种 水 果 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 7 语 义 网 络 方 法 多 种 类 型 的 语 义 网 ：u 数 据 语 义 网 数 据 库 中 的 数 据 组 织 u 语 言 语 义 网 分 析 语 言 成 分 间 关 系u 分 类 语 义 网 - 专 家 系 统 中 的 抽 象 层 次 分 类u 概 念 图 语 义 网 分 析 单 词 含 义 及 语 言 结 构u 关 联 语 义 网 由 对 象 及 其 之 间 的 关 联 关 系 定 义 对 象 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 8 语 义 网 络 方 法n 语 义 网 ：w 语 义 网 的 构 成 基 本 网 元 及 其 连 接 、 层 次 化 结 构w 语 义 网 引 擎 的 实 现 技 术 匹 配 、 推 理 、 继 承 等 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 9 语 义 网 络 方 法 概 念 图 语 义 网n基 本 语 义 网 网 元 ：w 描 述 隶 属 关 系 的 基 本 网 元 （ 表 示 实 例 间 联 系 ） ；w 其 它 语 义 基 本 网 元 。w 描 述 属 性 关 系 的 基 本 网 元 ；w 描 述 聚 集 关 系 的 基 本 网 元 ；w 描 述 包 含 关 系 的 基 本 网 元 （ 表 示 泛 化 联 系 ） ； 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 10 描 述 隶 属 关 系 的 基 本 网 元nisa 基 本 网 元：n 特 点 ： 用 于 描 述 个 体 与 类 或 集 合 之 间 关 系 ； 可 实 现 类 中 知 识 共 享 ， 简 化 网 络 结 构 。欢 欢 熊 猫isa盼 盼 isa个 体 1个 体 2 类 食 竹爬 树 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 11 描 述 包 含 关 系 的 基 本 网 元nAKO 基 本 网 元 用 于 描 述 子 集 与 超 集 之 间 的 类 属 关 系 及 事 物 间 的 层 次 与 分 类 等 。 继 承 超 集 中 的 公 共 属 性 ， 可 节 省 存 储 空 间 。羊 哺 乳 动 物AKO牛 AKO子 集 1子 集 2 超 集 胎 生有 毛 发 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 12 nPart_of 基 本 网 元黑 板 墙Part_of Body Head.HandsComposed_ofComposed_of 描 述 部 分 全 体 之 间 关 系 。 Composed_of 基 本 网元描 述 聚 集 关 系 的 基 本 网 元 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 13 描 述 属 性 关 系 的 基 本 网 元nis 基 本 网 元 .张 三男 30 教 师性 别 年 龄 职 业 描 述 个 体 与 其 属 性 值 之 间 关 系 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 14 n基 本 网 元 的 连 接 原 则 ：w 以 个 体 为 中 心 组 织 知 识桌 子 木 头方 形 made-ofform语 义 网 络 方 法 语 义 网 的 构 成 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 15 n基 本 网 元 的 连 接 原 则 ：w 以 动 词 为 中 心 组 织 知 识 ：表 现 与 动 词 有 关 的 各 种 关 系 主 体 、 客 体 、 方 式 等可 给 动 词 相 关 各 语 言 成 分 赋 约 束 值 w Read: 主 语 是 人 而 不 能 是 书 ；可 给 各 语 言 成 分 赋 予 缺 省 值 w Read: 缺 省 值 是 “ 书 ” ， 其 它 可 以 是 “ 报 纸 ” 、 “ 杂 志 ” 等 。语 义 网 络 方 法 语 义 网 的 构 成 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 16 n 张 三 认 真 地 读 子 夜 。 问 题 ：1、 张 三 和 子 夜 的 关 系 ？2、 张 三 读 是 什 么 ？3、 张 三 怎 样 读 子 夜 ？张 三 读 子 夜 认 真 地人 动 作 书 方 式事 物 PS主 体 客 体isa isa isa isaAKOisa isaReading-Event 态 度 语 义 网 络 方 法 语 义 网 的 构 成 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 17 语 义 网 络 方 法 语 义 网 的 构 成n 知 识 表 示 语 义 网 的 构 成 规 则 ：w 由 基 本 网 元 构 成 简 单 的 语 义 网 络w 按 分 层 、 分 块 技 术 组 合 出 更 复 杂 的 语 义 网 络 。w 增 加 诸 如 “ 与 ” 、 “ 或 ” 、 “ 非 ” 等 附 加 结 点 构成 复 合 的 语 义 网 络 ； 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 18 n Clyde是 一 只 知 更 鸟 并 且 它 有 一 个 鸟 巢 。语 义 网 络 方 法 语 义 网 的 构 成 WingsFlyOwnership PSisa 鸟Clyde 知 更 鸟拥 有 鸟 巢 1 鸟 巢isa AKOowner owns isaandClyde 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 19 概 念 图 分 层 分 块技 术 ：“ 汤 姆 相 信 简 喜 欢 比 萨”语 义 网 络 方 法 语 义 网 的 构 成 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 20 语 义 网 络 方 法n 语 义 网 ：w 语 义 网 的 构 成 基 本 网 元 及 其 连 接 、 层 次 化 结 构w 语 义 网 引 擎 的 实 现 技 术 匹 配 、 推 理 、 继 承 等 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 21 n Clyde是 一 只 知 更 鸟 并 且 它 有 一 个 鸟 巢 。 问 题 ：1、 What does Clyde own ? 2、 What can Clyde do ?语 义 网 络 方 法 语 义 网 的 推 理 WingsFlyOwnership PSisa 鸟Clyde 知 更 鸟拥 有 鸟 巢 1 鸟 巢isa AKOowner owns isaandClyde 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 22 语 义 网 络 方 法 语 义 网 推 理Clyde拥 有Ownership ?ownsownerisan 匹 配 ：What does Clyde own ? 继 承 ： What can Clyde do ? canClyde？ 鸟 AKO知 更 鸟 Wings FlyisaHas 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 23 语 义 网 络 方 法 语 义 网 评 价n 优 点 ：w 相 关 事 实 表 示 直 观 、 自 然 、 易 于 理 解 ；w 表 达 语 义 关 系 知 识 ， 体 现 联 想 思 维 过 程 ， 符 合 人 类 的 思 维 习 惯 。w 通 过 语 义 构 成 的 网 络 连 接 关 系 检 索 和 推 导 有 关 的 对 象 和 概 念 ， 不 必遍 历 整 个 庞 大 的 知 识 库 ， 搜 索 效 率 高 。n 缺 点 ：w 结 点 和 弧 没 有 确 切 含 义 ， 不 能 区 别 概 念 的 内 涵 、 外 延 或 个 体 （ 如 ， “大 学 生 ” 概 念 、 群 体 或 某 个 体 ？ ） ， 需 依 靠 所 给 属 性 的 上 下 文 区 分 。w 不 便 表 示 判 断 型 知 识 （ T,F） 和 深 层 次 知 识 ， 如 时 间 因 素 有 关 的 知 识 。w 网 络 构 成 复 杂 ， 难 以 保 证 推 理 的 严 格 性 和 有 效 性 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 24 语 义 网 络 习 题 ：用 语 义 网 描 述 ：1、 约 翰 给 玛 丽 一 本 书 ；2、 小 燕 子 从 春 天 到 秋 天 拥 有 一 个 鸟 巢 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 25 n 几 种 主 要 的 结 构 化 知 识 表 示 方 法 ：w 语 义 网 络 方 法w 框 架 系 统 方 法w 面 向 对 象 方 法结 构 化 知 识 表 示 及 其 应 用 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 26 框 架 系 统 的 提 出人 类 在 分 析 和 解 释 新 问 题 时 ， 常 常 需 要 利 用 过 去 的经 验 和 知 识 。n 这 些 经 验 和 知 识 常 常 以 通 用 、 抽 象 的 数 据 结 构 形 式 成块 地 存 储 ， 形 成 经 验 框 架 。 在 解 决 具 体 问 题 时 ， 通 常 将 实 际 问 题 的 特 征 数 据 填入 已 有 类 似 的 经 验 框 架 中 ， 形 成 具 体 待 求 解 的 问 题 以 及其 实 际 解 决 方 案 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 27 框 架 系 统 特 点 ： 用 成 块 的 结 构 表 示 知 识 。Manager AKO: employee feature: smartJames isa: manager likes: Apples Apple AKO: fruit taste: default:sweetsometime: sour框 架 名 槽 值 多 侧 面 构 成 ： 框 架 名 (结 点 )、 槽 名 (弧 )、 槽 值 、 多 侧 面 。槽 名 框 架 系 统 ： 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 28 框 架 系 统 的 有 关 操 作n 创 建 操 作 ：w 创 建 “ 类 ” 框 架 （ Manager， Apple） 、 “ 实 例 ” 框 架（ Jhams） ；n 写 槽 操 作 ：w 填 写 已 知 属 性 值 或 缺 省 值 ；w 继 承 父 辈 框 架 值 （ 纵 向 ） ；w 嵌 套 其 它 框 架 值 （ 横 向 ） ；w 计 算 附 加 的 过 程 值 。 n 读 槽 操 作 ：w 搜 索 （ 包 括 “ 匹 配 ” 操 作 ） 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 29 n 继 承 共 享 知 识 ：继 承 父 辈 框 架 值 易 于 构 成 新 框 架 ； 易 于 修 改 ； 易 于 更 新 ； 易 于 自 动 分 布 。 Manager AKO: employee feature: smartJames isa: manager likes: Apples Tom isa: manager likes: bananer 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 30 框 架 系 统 应 用 实 例 表 示 事 件 新 闻n 新 闻 简 短 、 用 词 规 范 、 表 现 有 规 律 。n 用 框 架 系 统 组 织 并 表 示 新 闻 事 件 。n 计 算 机 读 取 特 定 地 震 灾 害 新 闻 。n 计 算 机 复 述 此 地 震 灾 害 新 闻 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 31 框 架 系 统 习 题用 框 架 系 统 结 构 描 述 特 定 的 我 的 饭 桌 ：1、 桌 子 是 一 种 家 具 ；2、 我 的 饭 桌 有 桌 腿 和 桌 面 ；3、 桌 腿 总 共 4条 ， 都 是 棕 色 ；4、 桌 面 是 方 形 的 ， 黑 颜 色 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 32 框 架 系 统 的 评 价n 结 构 化 特 点 ：w 每 个 框 架 可 视 为 一 个 知 识 单 元 ， 具 有 相 对 独 立 的 属 性 和 操 作 ，具 有 较 好 的 模 块 性 ；w 框 架 结 构 可 模 拟 人 类 对 事 物 多 方 面 、 多 层 次 的 存 储 和 表 现 结 构 ，直 观 自 然 ， 易 于 理 解 。w 除 表 现 静 态 知 识 ， 还 可 表 现 动 态 的 过 程 性 知 识 if_neede() 不 足 ： 没 有 形 成 完 整 的 理 论 体 系 ； 框 架 、 槽 及 侧 面 等 知 识 表 示 单 元 缺 乏 明 确 的 语 义 ； 多 继 承 产 生 的 歧 义 性 问 题 有 待 于 进 一 步 的 解 决 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 33 基 于 结 构 化 知 识 表 示 的 问 题 求 解n几 种 主 要 的 结 构 化 知 识 表 示 方 法 ：w 语 义 网 络 方 法w 框 架 系 统 方 法w 面 向 对 象 方 法 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 34 n 思 路 ： 从 客 观 世 界 中 固 有 的 事 物 出 发 构 造 系 统 ； 在 分 析 问 题时 ， 将 问 题 分 解 为 一 些 对 象 以 及 对 象 之 间 的 组 合 和 联 系 。面 向 对 象 方 法n 对 象 ：n 对 现 实 世 界 中 各 种 事 物 的 抽 象 和 描 述 （ 如 ， 客 机 ） 。 具 有 的 相 同 特 征 和 属 性 （ 厂 商 、 类 别 、 乘 客 容 量 等 ） ； 服 从 和 遵 守 相 同 规 则 （ 有 效 期 内 运 行 、 检 修 期 等 ） 。n 对 象 模 型 ： （ ID, DS, MS, MI） ID: 对 象 标 识 符 ； DS： 对 象 的 属 性 值 ； MS： 对 象 的 方 法 集 合 ； MI： 对 象 的 消 息 接 口 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 35n 对 象 的 封 装 ： 面 向 对 象 方 法对 象 的 创 建 者 可 以 修 改 和 维 护 对 象 内 部 信 息 ； 对 象 的 使 用 者 只 能 通 过 对象 的 消 息 接 口 访 问 对 象 。w 私 有 消 息 在 对 象 内 部 传 递 ， 对 外 不 可 见 ；w 公 有 消 息 对 外 公 开 、 可 用 于 访 问 本 对 象 。n 组 织 结 构 ：w 类 ： 是 对 具 有 相 同 的 外 部 特 征 (消 息 模 式 )和 内 部 实 现 的 一 组 对 象 的 抽 象 ， 表 现 一 组 对 象 的 共 性 （ 四 边 形 ） ； 有 子 类 和 超 类 (整 数 类 ， 有 理 数 类 ， 实 数 类 )。w 实 例 ： 对 象 的 实 例 化 。 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 36 面 向 对 象 程 序 的 方 法 实 例 - 封 装 栈 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 37 面 向 对 象 程 序 的 方 法 实 例 - 封 装class stack private: char v 100 ;char *p; public:void push (char c) .char pop ( ) . void main () stack sta; sta.v1 = c; sta.p = sta.v sta.push (a); char ch = sta.pop ( ); 访 问 私 有 成 员 访 问 私 有 成 员创 建 stack 的 实 例 sta 公 共 接 口 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 38 n对 象 的 继 承 及 其 相 关 问 题 ：w 对 象 实 例 对 类 的 属 性 和 方 法 的 继 承 ；w 子 类 对 超 类 的 属 性 和 方 法 的 继 承 ；w 多 继 承 中 的 冲 突 解 决 策 略 。面 向 对 象 方 法 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 39 面 向 对 象 程 序 的 方 法 实 例 - 多 继 承Director EmployeeManager TemporaryConsultant class A public: int a;void f ();class B public: int a;void f (); class C : public A, public B .C object;object.a = 10;object.f ();object.A:a = 10;object.B:f (); 二 义 性 二 义 性给 父 类 A 中 变 量 赋 值调 用 父 类 B 类 中 函 数用 户 决 定 调 用 函 数和 变 量 的 作 用 域 。 多 继 承 。对 象实 例 北 京 航 空 航 天 大 学 软 件 开 发 环 境 国 家 重 点 实 验 室 Slide 40 主 要 的 结 构 化 知 识 表 示 方 法 比 较 特 点方 法 优 缺 语 义 网 方 法 表 示 灵 活 网 络 中 的 结点 和 有 向 弧 可 按 规 定 不加 限 制 的 定 义 ； 随 着 结 点 的 增 加 ， 网 络管 理 会 变 得 异 常 复 杂 ；系 统 的 开 发 和 维 护 困 难 框 架 系 统 方 法 具 有 模 块 性 ， 利 用 类 的概 念 将 知 识 按 层 次 结 构组 织 ； 因 有 类 的 嵌 套 性 而 破 坏封 装 性 ， 不 能 清 楚 地 定义 知 识 的 模 块 性 面 向 对 象 方 法 知 识 表 示 层 次 结 构 清 楚 ；知 识 的 模 块 封 装 性 好 ，系 统 易 于 维 护 、 使 用 。