知识表示方法语义网络和框架表示方法.课件

2.5语义网络表示法语义网络表示法2.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念2.5.2事务和概念的语义网络表示事务和概念的语义网络表示2.5.3情况和动作的语义网络表示情况和动作的语义网络表示2.5.4逻辑关系的语义网络表示逻辑关系的语义网络表示2.5.5语义网络的求解过程语义网络的求解过程2.5.6语义网络表示法的特征语义网络表示法的特征 语义网络是奎廉语义网络是奎廉(J.R.Quillian)1968年在研究人类联想记忆时提出的一年在研究人类联想记忆时提出的一种心理学模型，认为记忆是由概念间的联系实现的。随后，奎廉又把它用种心理学模型，认为记忆是由概念间的联系实现的。随后，奎廉又把它用作知识表示。作知识表示。1972年，西蒙在他的自然语言理解系统中也采用了语义网络年，西蒙在他的自然语言理解系统中也采用了语义网络表示法。表示法。1975年，亨德里克年，亨德里克(G.G.Hendrix)又对全称量词的表示提出了语义又对全称量词的表示提出了语义网络分区技术。网络分区技术。12.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念什么是语义网络什么是语义网络(1/2)什么是语义网络什么是语义网络语义网络是一种用实体及其语义关系来表达知识的有向图。语义网络是一种用实体及其语义关系来表达知识的有向图。结点代表实体结点代表实体，表示各种事物、概念、情况、属性、状态、事件、动作等；，表示各种事物、概念、情况、属性、状态、事件、动作等；弧代表语义关系弧代表语义关系，表示它所连结的两个实体之间的语义联系，它必须带有，表示它所连结的两个实体之间的语义联系，它必须带有标识。标识。语义基元语义基元语义网络中最基本的语义单元称为语义基元，可用三元组表示为：语义网络中最基本的语义单元称为语义基元，可用三元组表示为：（结点（结点1，弧，结点，弧，结点2）基本网元基本网元指一个语义基元对应的有向图指一个语义基元对应的有向图例如：例如：若有语义基元（若有语义基元（A,R,B），其中，），其中，A、B分别表示两个结点，分别表示两个结点，R表示表示A与与B之间的某种语义联系，则它所对应的基本网元如下图所示：之间的某种语义联系，则它所对应的基本网元如下图所示：ABR22.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念什么是语义网络什么是语义网络(2/2)语义网络的简单例子语义网络的简单例子 例例2.7 用于一网络表示用于一网络表示“鸵鸟是一种鸟鸵鸟是一种鸟”语义网络与产生式对应的表示能力语义网络与产生式对应的表示能力 事实的表示：事实的表示：例：例：“雪的颜色是白的雪的颜色是白的”规则的表示：规则的表示：例：规则例：规则R的含义是的含义是“如果如果 A 则则 B”鸵鸟鸵鸟鸟鸟是一种是一种雪雪白白颜色颜色ABR32.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念基本的语义关系基本的语义关系(1/6)实例关系：实例关系：ISA体现的是体现的是“具体与抽象具体与抽象”的概念，含义为的概念，含义为“是一个是一个”，表示一个事物，表示一个事物是另一个事物的一个实例。例是另一个事物的一个实例。例分类关系：分类关系：AKO亦称泛化关系，体现的是亦称泛化关系，体现的是“子类与超类子类与超类”的概念，含义为的概念，含义为“是一种是一种”，表示一个事物是另一个事物的一种类型。例表示一个事物是另一个事物的一种类型。例成员关系：成员关系：A-Member-of体现的是体现的是“个体与集体个体与集体”的关系，含义为的关系，含义为“是一员是一员”，表示一个事物，表示一个事物是另一个事物的一个成员。例是另一个事物的一个成员。例上述关系的主要特征上述关系的主要特征最主要特征是最主要特征是属性的继承性属性的继承性，处在具体层的结点可以继承抽象层结点，处在具体层的结点可以继承抽象层结点的所有属性。如以上例子的所有属性。如以上例子鸟鸟动物动物AKO张强张强共青团员共青团员A-Member-of人人李刚李刚ISA42.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念基本的语义关系基本的语义关系(2/6)属性关系属性关系指事物和其属性之间的关系。常用的属性关系有指事物和其属性之间的关系。常用的属性关系有：Have：含义为含义为“有有”，表示一个结点具有另一个结点所描述的属性，表示一个结点具有另一个结点所描述的属性Can：含义为含义为“能能”、“会会”，表示一个结点能做另一个结点的事情，表示一个结点能做另一个结点的事情例如：例如：“鸟有翅膀鸟有翅膀”Age:含义为含义为“年龄年龄”，表示一个结点是另一个结点在年龄方面的属性，表示一个结点是另一个结点在年龄方面的属性例如：例如：“张强张强18岁岁”鸟鸟翅膀翅膀Have张强张强18Age52.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念基本的语义关系基本的语义关系(3/6)聚类关系聚类关系亦称包含关系。指具有组织或结构特征的亦称包含关系。指具有组织或结构特征的“部分与整体部分与整体”之间的关系。之间的关系。常用的包含关系是：常用的包含关系是：Part-of：含义为含义为“是一部分是一部分”，表示一个事物是另一个事物的一部分。，表示一个事物是另一个事物的一部分。例如，例如，“大脑是人体的一部分大脑是人体的一部分”再如，再如，“黑板是墙体的一部分黑板是墙体的一部分”聚类关系与实例、分类、成员关系的主要区别聚类关系与实例、分类、成员关系的主要区别聚类关系一般不具备属性的继承性。聚类关系一般不具备属性的继承性。如上两个例子，大脑不一定具有人的各种属性如上两个例子，大脑不一定具有人的各种属性黑板也不具有墙的各种属性。黑板也不具有墙的各种属性。大脑大脑人体人体Part-of黑板黑板墙体墙体Part-of62.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念基本的语义关系基本的语义关系(4/6)时间关系时间关系指不同事件在其发生时间方面的先后次序关系。指不同事件在其发生时间方面的先后次序关系。常用的时间关系有：常用的时间关系有：Before：含义为含义为“在前在前”，表示一个事件在另一个事件之前，表示一个事件在另一个事件之前发生发生After:含义为含义为“在后在后”，表示一个事件在另一个事件之后发，表示一个事件在另一个事件之后发生生例如：例如：“北京奥运会在悉尼奥运会之后北京奥运会在悉尼奥运会之后”北京奥运会北京奥运会悉尼奥运会悉尼奥运会After72.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念基本的语义关系基本的语义关系(5/6)位置关系位置关系指不同事物在位置方面的关系。常用的位置关系有：指不同事物在位置方面的关系。常用的位置关系有：Located-on：含义为含义为“在上在上”，表示某一物体在另一物体之上，表示某一物体在另一物体之上Located-at：含义为含义为“在在”，表示某一物体所在的位置，表示某一物体所在的位置Located-under：含义为含义为“在下在下”，表示某一物体在另一物体之下，表示某一物体在另一物体之下Located-inside：含义为含义为“在内在内”，表示某一物体在另一物体之内；，表示某一物体在另一物体之内；Located-outside：含义为含义为“在外在外”，表示某一物体在另一物体之外。，表示某一物体在另一物体之外。例如，例如，“书在桌子上书在桌子上”书书桌子桌子Located-on82.5.1语义网络的基本概念语义网络的基本概念基本的语义关系基本的语义关系(6/6)相近关系相近关系指不同事物在形状、内容等方面相似或接近。常用的相近关系有：指不同事物在形状、内容等方面相似或接近。常用的相近关系有：Similar-to：含义为含义为“相似相似”，表示某一事物与另一事物相似，表示某一事物与另一事物相似Near-to：含义为含义为“接近接近”，表示某一事物与另一事物接近，表示某一事物与另一事物接近例如，例如，“猫似虎猫似虎”虎猫Similar-to92.5.2 事物和概念的表示事物和概念的表示表示一元关系表示一元关系一元关系一元关系 指可以用一元谓词指可以用一元谓词P(x)表示的关系。谓词表示的关系。谓词P说明实体的性质、属性等。说明实体的性质、属性等。描述的是一些最简单、最直观的事物或概念，描述的是一些最简单、最直观的事物或概念，常用：常用：“是是”、“有有”、“会会”、“能能”等语义关系来说明。如，等语义关系来说明。如，“雪雪是白的是白的”。一元关系的描述一元关系的描述 应该说，语义网络表示的是二元关系。如何用它来描述一元关系？应该说，语义网络表示的是二元关系。如何用它来描述一元关系？结点结点1表示实体，结点表示实体，结点2表示实体的性质或属性等，弧表示语义关系。表示实体的性质或属性等，弧表示语义关系。例如，例如，“李刚是一个人李刚是一个人”为一元关系，其语义网络如前所示。为一元关系，其语义网络如前所示。例例2.8 用语义网络表示用语义网络表示“动物能运动、会吃动物能运动、会吃”。运动运动吃吃动物动物CanCan102.5.2事物和概念的表示事物和概念的表示表示二元关系表示二元关系(1/4)二元关系二元关系可用二元谓词可用二元谓词P(x,y)表示的关系。其中，表示的关系。其中，x,y为实体，为实体，P为实体之为实体之间的关系。间的关系。单个二元关系可直接用一个基本网元来表示，如前介绍的一些常单个二元关系可直接用一个基本网元来表示，如前介绍的一些常用的二元关系及其表示。用的二元关系及其表示。对复杂关系，可通过一些相对独立的二元或一元关系的组合来实对复杂关系，可通过一些相对独立的二元或一元关系的组合来实现。现。例例2-9用语义网络表示：用语义网络表示：动物能运动、会吃。动物能运动、会吃。鸟是一种动物，鸟有翅膀、会飞。鸟是一种动物，鸟有翅膀、会飞。鱼是一种动物，鱼生活在水中、会游泳。鱼是一种动物，鱼生活在水中、会游泳。对于这个问题，各种动物的属性按属性关系描述，动物之间的分对于这个问题，各种动物的属性按属性关系描述，动物之间的分类关系用类属关系描述。类关系用类属关系描述。112.5.2事物和概念的表示事物和概念的表示表示二元关系表示二元关系(2/4)动物动物吃吃运动运动翅膀翅膀水中水中鸟鸟鱼鱼飞飞游泳游泳CanCanAKOLiveHaveCanAKOCan122.5.2事物和概念的表示事物和概念的表示表示二元关系表示二元关系(3/4)例例2-10用语义网络表示：用语义网络表示：王强是理想公司的经理；王强是理想公司的经理；理想公司在中关村；理想公司在中关村；王强王强28岁。岁。中关村中关村理想公司理想公司王强王强经理经理28岁岁Located-at-Work-forHeadshipAge132.5.2事物和概念的表示事物和概念的表示表示二元关系表示二元关系(4/4)例例2-11：李新的汽车的款式是：李新的汽车的款式是“捷达捷达”、银灰色。、银灰色。王红的汽车的款式是王红的汽车的款式是“凯越凯越”、红色。、红色。李新和王红的汽车均属于具体概念李新和王红的汽车均属于具体概念,可增加可增加“汽车汽车”这个抽象概念。这个抽象概念。捷达捷达李新李新汽车汽车1银灰色银灰色人人汽车汽车交通工具交通工具王红王红汽车汽车2红色红色凯越凯越BrandOwnerColorISAISAAKOColorOwnerBrandISAISA142.5.2事物和概念的表示事物和概念的表示表示多元关系表示多元关系多元关系多元关系可用多元谓词可用多元谓词P(x1，x2，)表示的关系。其中，个体表示的关系。其中，个体x1，x2，为为实体，谓词实体，谓词P说明这些实体之间的关系。说明这些实体之间的关系。用语义网络表示多元关系时，可把它转化为一个或多个二员关系的组合，用语义网络表示多元关系时，可把它转化为一个或多个二员关系的组合，然后再利用下一节讨论的合取关系的表示方法，把这种多元关系表示出来。然后再利用下一节讨论的合取关系的表示方法，把这种多元关系表示出来。152.5.3情况和动作的表示情况和动作的表示情况的表示情况的表示(1/2)表示方法：表示方法：西蒙提出了增加西蒙提出了增加情况情况和和动作动作结点的描述方法结点的描述方法 例例2-12：用语义网络表示：用语义网络表示：“小燕子这只燕子从春天到秋天占有一个巢小燕子这只燕子从春天到秋天占有一个巢”需要设立一个需要设立一个占有权占有权结点，表示占有物和占有时间等。结点，表示占有物和占有时间等。小燕子小燕子燕子燕子鸟鸟巢巢鸟窝鸟窝春天春天时间时间秋天秋天情况情况占有权占有权占有资格占有资格ISAAKOOwneeStarAKOAKOEndAKOAKOOwnerAKO162.5.3情况和动作的表示情况和动作的表示情况的表示情况的表示(2/2)对上述问题，也可以对上述问题，也可以把占有作为一种关系把占有作为一种关系，并用一条弧来表示，但在，并用一条弧来表示，但在这种表示方法下，占有关系就无法表示了这种表示方法下，占有关系就无法表示了 小燕子小燕子燕子燕子鸟鸟巢巢鸟窝鸟窝ISAAKOOwnsAKO172.5.3情况和动作的表示情况和动作的表示事件和动作的表示事件和动作的表示用语义网络表示事件或动作时，需要设立一个用语义网络表示事件或动作时，需要设立一个事件事件或或动作动作结点结点动作结点：动作结点：由一些向外引出的弧来指出动作的主体与客体。由一些向外引出的弧来指出动作的主体与客体。例例2-13用于语义网络表示：用于语义网络表示：“常河给江涛一张磁盘常河给江涛一张磁盘”事件结点：事件结点：如上例用一个事件结点描述如上例用一个事件结点描述一张磁盘一张磁盘常河常河给给江涛江涛GiftReceiverGiver一张磁盘一张磁盘给予事件给予事件给给常河常河江涛江涛GiftReceiverGiverAction182.5.4逻辑关系的表示逻辑关系的表示合取和析取的表示合取和析取的表示表示方法：表示方法：可通过增加合取结点和析取结点来实现可通过增加合取结点和析取结点来实现 例例2-14:用语义网络表示如下事实：用语义网络表示如下事实：“参赛者有教师、有学生、有高、有低参赛者有教师、有学生、有高、有低”首先需要分析参赛者的不同情况，可得到以下四种情况：首先需要分析参赛者的不同情况，可得到以下四种情况：A 教师、高；教师、高；B 教师、低教师、低 C 学生、高；学生、高；D 学生、低学生、低 然后在按照他们的逻辑关系用语义网络表示出来。然后在按照他们的逻辑关系用语义网络表示出来。人人参赛者参赛者ABCD或或或或教师教师学生学生高高低低与与IsPartPartPartPartStateStateStateState192.5.4逻辑关系的表示逻辑关系的表示否定的表示否定的表示(1/2)可分为可分为基本语义关系基本语义关系的否定和的否定和一般语义关系一般语义关系的否定的否定基本语义关系的否定的表示基本语义关系的否定的表示可通过在有向弧上直接标注该基本语义关系的否定的方法来解可通过在有向弧上直接标注该基本语义关系的否定的方法来解决。决。例例2-15:用语义网络表示：书不在桌子上用语义网络表示：书不在桌子上采用在有向弧上直接标注该基本语义关系的否定的方法，该语采用在有向弧上直接标注该基本语义关系的否定的方法，该语义网络为义网络为 书书桌子桌子Located-on202.5.4逻辑关系的表示逻辑关系的表示否定的表示否定的表示(2/2)一般语义关系的否定的表示一般语义关系的否定的表示对一般语义关系的否定，通常需要对一般语义关系的否定，通常需要引进引进“非非”节点节点来表示。来表示。例例2-16：用语义网络表示：用语义网络表示：常河没有给江涛一张磁盘常河没有给江涛一张磁盘采用引进采用引进“非非”节点的方法，其语义网络如下图节点的方法，其语义网络如下图一张磁盘一张磁盘 给给 非非常河常河江涛江涛GiftGiverReceiver212.5.4 逻辑关系的表示逻辑关系的表示蕴含的表示蕴含的表示通过增加蕴含关系节点来实现通过增加蕴含关系节点来实现在蕴含关系中，有两条指向蕴含节点的弧，一条代表前提条件，标记为在蕴含关系中，有两条指向蕴含节点的弧，一条代表前提条件，标记为ANTE；另一条代表结论，标记为另一条代表结论，标记为CONSE。例例2-18：用语义网络表示如下知识：用语义网络表示如下知识：“如果学校组织大学生机器人竞赛活动，那么李强就参加比赛如果学校组织大学生机器人竞赛活动，那么李强就参加比赛”该蕴含关系的语义网络如下图。其中，在前提条件中，机器人竞赛的组织者该蕴含关系的语义网络如下图。其中，在前提条件中，机器人竞赛的组织者是学校，参赛对象是学生操纵的机器人，而机器人只不过是一种智能机器。是学校，参赛对象是学生操纵的机器人，而机器人只不过是一种智能机器。学校学校比赛比赛活动活动机器人机器人机器人竞赛机器人竞赛蕴含蕴含参加比赛参加比赛学生学生智能机器智能机器李强李强人人RacerAKOConstitutionManipulatorANTECONSEISAAKOAKOJoiner222.5.4逻辑关系的表示逻辑关系的表示存在和全称量词的表示存在和全称量词的表示(1/4)存在量词：存在量词：可直接用可直接用“ISA”、“AKO”等这样的语义关系来表示等这样的语义关系来表示全称量词：全称量词：可采用亨德里克提出的网络分区技术可采用亨德里克提出的网络分区技术基本思想：基本思想：把一个复杂命题划分为若干个子命题，每个子命题用一个较把一个复杂命题划分为若干个子命题，每个子命题用一个较简单的语义网络表示，称为一个子空间，多个子空间构成一个大空间。每简单的语义网络表示，称为一个子空间，多个子空间构成一个大空间。每个子空间看作是大空间中的一个结点，称作个子空间看作是大空间中的一个结点，称作超结点超结点。空间可逐层嵌套，子。空间可逐层嵌套，子空间之间用弧互相连结。空间之间用弧互相连结。例例2-19用语义网络表示如下事实：用语义网络表示如下事实：“每个学生都学习了一门程序设计语言每个学生都学习了一门程序设计语言”其语义网络如下图。在该图中：其语义网络如下图。在该图中：GS是一个概念结点，是一个概念结点，它表示具有全称量化的一般事件。它表示具有全称量化的一般事件。g是一个实例结点，是一个实例结点，代表代表GS中的一个具体例子，如上所提到的事实。中的一个具体例子，如上所提到的事实。s是一个全称变量，是一个全称变量，表示任意一个学生。表示任意一个学生。l是一个存在变量，是一个存在变量，表示某一次学习。表示某一次学习。P是一个存在变量，是一个存在变量，表示某一门程序设计语言。表示某一门程序设计语言。这样，这样，s、l、p之间的语义联系就构成一个子空间，它表示对每一个学生之间的语义联系就构成一个子空间，它表示对每一个学生s，都存在一个学习事件都存在一个学习事件l和一门程序设计语言和一门程序设计语言p。232.5.4逻辑关系的表示逻辑关系的表示存在和全称量词的表示存在和全称量词的表示(2/4)在从结点在从结点g引出的三条弧中，弧引出的三条弧中，弧“ISA”说明结点说明结点g是是GS中一个中一个实例；弧实例；弧“F”说明它所代表的子空间及其具体形式；弧说明它所代表的子空间及其具体形式；弧“”说说明它所代表的全称量词。明它所代表的全称量词。GSg+slp学生学生学习学习程序语言程序语言ISAISAISAFSubjectObjectISA242.5.4逻辑关系的表示逻辑关系的表示存在和全称量词的表示存在和全称量词的表示(3/4)每一个全称量词都需要一条这样的弧，子空间中有多少个全称量词，每一个全称量词都需要一条这样的弧，子空间中有多少个全称量词，就需要有多少条这样的弧。就需要有多少条这样的弧。例例2-19用语义网络表示事实：用语义网络表示事实：“每个学生都学习了所有的程序设计课程每个学生都学习了所有的程序设计课程”其语义网络如下图所示。其中，结点其语义网络如下图所示。其中，结点g有两条指向全称变量的弧。有两条指向全称变量的弧。学生学生学习学习程序设计课程序设计课gGSslpISAISAISASubjectObjectISAF252.5.4逻辑关系的表示逻辑关系的表示存在和全称量词的表示存在和全称量词的表示(4/4)另外，在网络分区技术中，要求另外，在网络分区技术中，要求F指向的子空间中的所有非全称变量结指向的子空间中的所有非全称变量结点都应该是存在量词约束的变量，否则应放在子空间的外面。点都应该是存在量词约束的变量，否则应放在子空间的外面。例例2-21:用语义网络表示事实：用语义网络表示事实：“每个学生都学习了每个学生都学习了C+语言语言”其语义网络如下图所示。结点其语义网络如下图所示。结点“C+语言语言”代表一门具体的程序设计语言，代表一门具体的程序设计语言，是结点是结点“程序语言程序语言”的一个实例，故被放到的一个实例，故被放到F所指的子空间的外边所指的子空间的外边 GSgsl学生学生学习学习C+语言语言程序语言程序语言ISAISASubjectObjectFISAISA262.5.5语义网络的推理过程语义网络的推理过程继承继承用语义网络表示知识的问题求解系统主要由两大部分所组成，一部分是用语义网络表示知识的问题求解系统主要由两大部分所组成，一部分是由语义网络构成的知识库，另一部分是用于问题求解的推理机构由语义网络构成的知识库，另一部分是用于问题求解的推理机构。语义网络的推理过程主要有两种，一种是继承，另一种是匹配。语义网络的推理过程主要有两种，一种是继承，另一种是匹配。继承继承是指把对事物的描述从抽象结点传递到实例结点。通过继承可以得到所是指把对事物的描述从抽象结点传递到实例结点。通过继承可以得到所需结点的一些属性值，它通常是沿着需结点的一些属性值，它通常是沿着ISA、AKO等继承弧进行的。等继承弧进行的。继承的一般过程：继承的一般过程：(1)建立一个结点表，用来存放待求解结点和所有以建立一个结点表，用来存放待求解结点和所有以ISA、AKO等继承弧等继承弧与此结点相连的那些结点。初始情况下，表中只有待求解结点。与此结点相连的那些结点。初始情况下，表中只有待求解结点。(2)检查表中的第一个结点是否是有继承弧。如果有，就把该弧所指的所检查表中的第一个结点是否是有继承弧。如果有，就把该弧所指的所有结点放入结点表的末尾，记录这些结点的所有属性，并从结点表中删除有结点放入结点表的末尾，记录这些结点的所有属性，并从结点表中删除第一个结点。如果没有继承弧，仅从结点表中删除第一个结点。第一个结点。如果没有继承弧，仅从结点表中删除第一个结点。(3)重复重复(2)，直到结点表为空。此时，记录下来的所有属性都是待求解，直到结点表为空。此时，记录下来的所有属性都是待求解结点继承来的属性。结点继承来的属性。例如，在图例如，在图2-20（P12）所示的语义网络中，通过继承关系可以得到）所示的语义网络中，通过继承关系可以得到“鸟鸟”具有：会吃、能运动的属性具有：会吃、能运动的属性 272.5.5语义网络的推理过程语义网络的推理过程匹配匹配是指在知识库的语义网络中寻找与待求解问题相符的语义网络模式。是指在知识库的语义网络中寻找与待求解问题相符的语义网络模式。匹配的主要过程：匹配的主要过程：(1)根据待求解问题的要求构造一个网络片断，该网络片断中有些结点或弧根据待求解问题的要求构造一个网络片断，该网络片断中有些结点或弧的标识是空的，称为询问处，它反映的是待求解的问题。的标识是空的，称为询问处，它反映的是待求解的问题。(2)根据该语义片断到知识库中去寻找所需要的信息。根据该语义片断到知识库中去寻找所需要的信息。(3)当待求解问题的网络片断与知识库中的某语义网络片断相匹配时，则与当待求解问题的网络片断与知识库中的某语义网络片断相匹配时，则与询问处相匹配的事实就是问题的解。询问处相匹配的事实就是问题的解。例例:假设例假设例2-10的语义网络已在知识库中，问王强在哪个公司工作。的语义网络已在知识库中，问王强在哪个公司工作。根据这个问题的要求，可构造如如下语义网络片断。根据这个问题的要求，可构造如如下语义网络片断。当用该语义网络片断与图当用该语义网络片断与图p13所示的语义网络进行匹配时，由所示的语义网络进行匹配时，由“工作在工作在”弧所指的结点可知，职员王强工作在弧所指的结点可知，职员王强工作在“理想公司理想公司”，这就得到了问题的答案。，这就得到了问题的答案。若还想知道职员王强的其它情况，则可在语义网络中增加相应的空结点若还想知道职员王强的其它情况，则可在语义网络中增加相应的空结点。？王强王强Work-for28例 John打了他的经理Tom后失业了。29解：解：构造问题子网络构造问题子网络匹配：匹配：问题的解：问题的解：问题：问题：Tom与与John是什么关系？是什么关系？语意义语意义网络：网络：John打打了他的了他的经理经理Tom后后失业了失业了问题：问题：Tom干干了什么了什么？30问题：Tom与John是什么关系？312.5.6语义网络表示法的特征语义网络表示法的特征主要优点：主要优点：结构性结构性 把事物的属性以及事物间的各种语义联系显式地表示出来，是一种结构把事物的属性以及事物间的各种语义联系显式地表示出来，是一种结构化的知识表示方法。在这种方法中，下层结点可以继承、新增、变异上层结点的属化的知识表示方法。在这种方法中，下层结点可以继承、新增、变异上层结点的属性。性。联想性联想性 本来是作为人类联想记忆模型提出来的，它着重强调事物间的语义联系，本来是作为人类联想记忆模型提出来的，它着重强调事物间的语义联系，体现了人类的联想思维过程。体现了人类的联想思维过程。自索引性自索引性 把各接点之间的联系以明确、简洁的方式表示出来，通过与某一结点把各接点之间的联系以明确、简洁的方式表示出来，通过与某一结点连结的弧可以很容易的找出与该结点有关的信息，而不必查找整个知识库。这种自连结的弧可以很容易的找出与该结点有关的信息，而不必查找整个知识库。这种自索引能力有效的避免搜索时所遇到的组合爆炸问题。索引能力有效的避免搜索时所遇到的组合爆炸问题。自然性自然性 这种带有标识的有向图，可比较直观地把知识表示出来，符合人们表达这种带有标识的有向图，可比较直观地把知识表示出来，符合人们表达事物间关系的习惯，并且与自然语言语义网络之间的转换也比较容易实现。事物间关系的习惯，并且与自然语言语义网络之间的转换也比较容易实现。主要缺点：主要缺点：非严格性非严格性 没有象谓词那样严格的形式表示体系，一个给定语义网络的含义完全没有象谓词那样严格的形式表示体系，一个给定语义网络的含义完全依赖于处理程序对它所进行的解释，通过语义网络所实现的推理不能保证其正确性。依赖于处理程序对它所进行的解释，通过语义网络所实现的推理不能保证其正确性。复杂性复杂性 语义网络表示知识的手段是多种多样的，这虽然对其表示带来了灵活性，语义网络表示知识的手段是多种多样的，这虽然对其表示带来了灵活性，但同时也由于表示形式的不一致，使得它的处理增加了复杂性。但同时也由于表示形式的不一致，使得它的处理增加了复杂性。32S1characterISAGSGMORTALMANMISAFORMS1colorpart-ofISAFORMISAGSGCCLOUDLINESILVERISAS1characterunitobjectsubjectISAISAISAFORMGSGmbranch managerDECparticipate inpinpplanprofit-sharing33第第2章章 知识表示知识表示2.5 语义网络表示法语义网络表示法2.6 框架表示法框架表示法2.7 过程表示法过程表示法342.6 框架表示法框架表示法是在框架理论的基础上发展框架表示法是在框架理论的基础上发展起来的一种结构化知识表示方法。起来的一种结构化知识表示方法。2.6.1框架理论框架理论2.6.2框架和实例框架框架和实例框架2.6.3框架网络框架网络2.6.4框架系统的问题求解过程框架系统的问题求解过程2.6.5框架表示法的特征框架表示法的特征352.6.1 框架理论框架理论 框架理论是明斯基于框架理论是明斯基于1975年作为理解视觉、自然语言对话及其它复杂年作为理解视觉、自然语言对话及其它复杂行为的一种基础提出来的。行为的一种基础提出来的。它认为人们对现实世界中各种事物的认识都是以一种类似于框架的结它认为人们对现实世界中各种事物的认识都是以一种类似于框架的结构存储在记忆中的，当遇到一个新事物时，就从记忆中找出一个合适的框构存储在记忆中的，当遇到一个新事物时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据新的情况对其细节加以修改、补充，从而形成对这个新事物的架，并根据新的情况对其细节加以修改、补充，从而形成对这个新事物的认识。认识。例如，对饭店、教室等的认识。例如，对饭店、教室等的认识。框架：框架：是人们认识事物的一种通用的数据结构形式。即当新情况发生是人们认识事物的一种通用的数据结构形式。即当新情况发生时，人们只要把新的数据加入到该通用数据结构中便可形成一个具体的实时，人们只要把新的数据加入到该通用数据结构中便可形成一个具体的实体体(类类)，这样的通用数据结构就称为框架。，这样的通用数据结构就称为框架。实例框架：实例框架：对于一个框架，当人们把观察或认识到的具体细节填入后，对于一个框架，当人们把观察或认识到的具体细节填入后，就得到了该框架的一个具体实例，框架的这种具体实例被称为实例框架。就得到了该框架的一个具体实例，框架的这种具体实例被称为实例框架。框架系统：框架系统：在框架理论中，框架是知识的基本单位，把一组有关的框在框架理论中，框架是知识的基本单位，把一组有关的框架连结起来便可形成一个框架系统。架连结起来便可形成一个框架系统。框架系统推理：框架系统推理：由框架之间的协调来完成。由框架之间的协调来完成。362.6.2框架结构和框架表示框架结构和框架表示框架的基本结构框架的基本结构(1/2)框架的基本结构可表示如下框架的基本结构可表示如下：|(值111，值112，)(值121，值122，)：|(值211，值212，)(值221，值222，)：|(值n11，值n12，)(值n21，值n22，)其中，槽值、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。37例2-10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：（学士，硕士，博士）类型：（，）38例2-11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：良上面给出的仅是一种上面给出的仅是一种框架的基本结构和一框架的基本结构和一个比较简单的例子。个比较简单的例子。一般来说，单个框架一般来说，单个框架只能用来表示那些比只能用来表示那些比较简单的知识。当知较简单的知识。当知识的结构比较复杂时，识的结构比较复杂时，往往需要用多个相互往往需要用多个相互联系的框架来表示。联系的框架来表示。例如分类问题，若采例如分类问题，若采用多层框架结构表示，用多层框架结构表示，既可以使知识结构清既可以使知识结构清晰，又可以减少冗余。晰，又可以减少冗余。39例2-12 下面是描述一个具体教师的框架。框架名：类属：姓名：孙芳性别：女年龄：29职业：教师职称：助教专业：计算机应用402.6.2 框架系统中的预定义槽名在框架系统中，框架之间的联系实际上是通过在槽中填入相应的框架名来实现的，至于框架之间究竟为何种关系，是由槽名来指定的。为了提供一些常用且可公用的槽名，在框架系统中通常定义了一些标准槽名，称这些槽名为系统预定义槽名。常用的预定义槽名有以下几种：411、ISA槽：用来指出一个具体事物与其抽象概念间的类属关系。一般的说，“ISA”槽所指出的联系都具有继承性，即下层框架可以继承上层框架所描述的属性或值。框架名 姓名：单位（姓，名）性别：范围（男，女）框架名 Is-a：入学时间：单位（年，月）学制：单位（年）422、AKO槽：用来指出事物间的抽象概念上的类属关系。用作为下层框架的槽名时，其槽值为上层框架的框架名。它表示该下层框架表示的事物比其上层框架更具体。如“大中专学生”框架名 AKO：特点：有专业433、subclass槽：用来指出子类和类之间的类属关系。当它用作某下层框架的槽时，表示该下层框架是其上层框架的一个子类。如“大学生”框架名 subclass：高考成绩：444、instance槽:用来建立的AKO逆关系。当用它作为上层框架的槽时，可用来指出它的下一层框架有哪些。如“大中专学生”框架名 AKO：instance：，特点：有专业455、part-of槽：用于指出“部分”与“全体”关系。它和前面提到的4种槽在本质上是有区别的。前4种槽描述的都是上、下层框架之间的类属关系，它们之间具有共同特征，且具有继承性。而part-of槽仅是指出下层框架为上层框架的子结构，它们之间一般不具有共同特征，也不具有继承性。466、Infer槽用于指出两个框架所描述事物间的逻辑物理关系；7、possible-reason槽用来把某个结论与可能的原因联系起来；如框架名：已知条件1：地面湿 已知条件2：没人洒水 infer：可信度：0.8框架名：可能结论:天下雨 possible-reason:478、similar槽用于指出两个框架所描述事物之间的相似关系。9、其他return482.6.3 框架网络 多个互联的框架连接起来组成的框架系统称为框架网络。它包含两方面的含义：第一种含义是网络中的节点是框架，利用节点之间的关系可由某些框架推论出另一些框架；第二种含义是网络中的节点既可代表框架，也可代表框架中的槽，每条弧的一头联着某个框架的一个槽，另一头联着另一个框架。492.6.3框架网络框架网络框架网络的基本结构框架网络的基本结构(1/2)当知识比较复杂时，往往需要通过诸框架之间的横向或纵向联系形当知识比较复杂时，往往需要通过诸框架之间的横向或纵向联系形成一种框架网络。成一种框架网络。框架之间的纵向联系框架之间的纵向联系是指那种具有继承关系的上下层框架之间的联系。例如，在下图中，是指那种具有继承关系的上下层框架之间的联系。例如，在下图中，学生可按照接受教育的层次分为本科生、硕士生和博士生。每类学生学生可按照接受教育的层次分为本科生、硕士生和博士生。每类学生又可按照所学专业的不同，分为不同专业的学生等。又可按照所学专业的不同，分为不同专业的学生等。框架之间的纵向联系是通过预定以槽名框架之间的纵向联系是通过预定以槽名AKO和和ISA等来实现的。例等来实现的。例如前面的例子，如前面的例子，AKO实现了实现了Student框架与框架与Master框架之间的纵向联系，框架之间的纵向联系，ISA实现了实现了Master框架与框架与Master-1实例框架之间的联系。实例框架之间的联系。框架之间的横向联系框架之间的横向联系是指那种以另外一个框架名作为一个槽的槽值或侧面值所建立起来是指那种以另外一个框架名作为一个槽的槽值或侧面值所建立起来的框架之间的联系。如下图给出的框架系统中，的框架之间的联系。如下图给出的框架系统中，Student框架与框架与S-Addre框架之间就是一种横向联系。框架之间就是一种横向联系。502.6.3框架系统框架系统框架系统的基本结构框架系统的基本结构(2/2)StudentCollegianMasterDoctorMaster-1Master-2S-AddressISAISAAKOAKOAKOAddress512.6.4 框架系统的问题求解过程框架系统的问题求解过程基本过程基本过程 在框架系统中，问题求解主要是通过对框架的在框架系统中，问题求解主要是通过对框架的继继承、匹配与填槽承、匹配与填槽来实现的。当需要求解问题时来实现的。当需要求解问题时 首先要把该问题用框架表示出来。首先要把该问题用框架表示出来。然后利用框架之间的继承关系，把它与知识库中然后利用框架之间的继承关系，把它与知识库中的已有框架进行匹配，找出一个或多个候选框架，并的已有框架进行匹配，找出一个或多个候选框架，并在这些候选框架引导下进一步获取附加信息，填充尽在这些候选框架引导下进一步获取附加信息，填充尽量多的槽值，以建立一个描述当前情况的实例。量多的槽值，以建立一个描述当前情况的实例。最后再用某种评价方法对候选框架进行评价，以最后再用某种评价方法对候选框架进行评价，以决定是否接收该框架。决定是否接收该框架。522.6.4框架系统的问题求解过程框架系统的问题求解过程特性继承特性继承(1/2)特性继承过程特性继承过程 特性继承主要是通过特性继承主要是通过ISA、AKO链来实现的。链来实现的。当需要查询某一事物的某个属性，且描述该事物当需要查询某一事物的某个属性，且描述该事物的框架为提供其属性值时，系统就沿的框架为提供其属性值时，系统就沿ISA和和AKO链追溯到具有相同槽的类或超类框架。链追溯到具有相同槽的类或超类框架。如果该槽提供有如果该槽提供有Default侧面值，就继承该默侧面值，就继承该默认值作为查询结果返回。认值作为查询结果返回。53例例学生框架学生框架FrameName：Unit（Last-name，First-name）Sex：Area（male，female）Default：maleAge：Unit（Years）Address：Telephone：HomeUnit（Number）MobileUnit（Number）54例例硕士生框架硕士生框架FrameAKO：StudentMajor：Unit（Major）Field：Unit（Direction-Name）Advisor：Unit（Last-name，First-name）Project：Area（National，Provincial，Other）Default：NationalPaper：Area（SCI，EI，Core，General）Default：Core在在Master框架中，用到了一个系统框架中，用到了一个系统预定义槽名预定义槽名AKO。所谓系统预定义槽所谓系统预定义槽名，是指框架表示法中事先定义好的可公用的一些标准槽名。名，是指框架表示法中事先定义好的可公用的一些标准槽名。AKO与其在与其在语义网络中的含义相似，其直观含义为语义网络中的含义相似，其直观含义为“是一种是一种”。当。当AKO作为下层框架作为下层框架的槽名时，其槽值为上层框架的框架名，表示该下层框架所描述的事物比其的槽名时，其槽值为上层框架的框架名，表示该下层框架所描述的事物比其上层框架更具体。并且，由上层框架更具体。并且，由AKO所联系的框架之间具有属性的继承关系。所联系的框架之间具有属性的继承关系。552.5.2框架结构和框架表示框架结构和框架表示实例框架实例框架(1/2)作为一个例子，假设有杨叶和柳青作为一个例子，假设有杨叶和柳青2个硕士生，当把他们的个硕士生，当把他们的具体情况分别添入具体情况分别添入Master框架后，可得到框架后，可得到2个实例框架个实例框架Master-1和和Master-2。这。这2个实例框架可表示如下：个实例框架可表示如下：硕士生硕士生-1框架：框架：FrameISA：MasterName：YangYeSex：femaleMajor：ComputerField：Web-IntelligenceAdvisor：LinHaiProject：Provincial 562.5.2框架结构和框架表示框架结构和框架表示实例框架实例框架(2/2)硕士生硕士生-2框架：框架：FrameISA：MasterName：LiuQingAge：22Major：ComputerAdvisor：LinHaiPaper：EI在这在这2个实例框架中，我们又用到了一个个实例框架中，我们又用到了一个系统预定以槽名系统预定以槽名ISA。该该预定义槽名与语义网络中的预定义槽名与语义网络中的ISA弧的语义相似，其直观含义为弧的语义相似，其直观含义为“是一是一个个”，表示一个事物是另一个事物的一个具体实例，用来描述一个，表示一个事物是另一个事物的一个具体实例，用来描述一个具体事物与其抽象概念间的实例关系。例如，具体事物与其抽象概念间的实例关系。例如，Master-1和和Master-2是是2个具体的个具体的Master。572.6.4框架系统的问题求解过程框架系统的问题求解过程特性继承特性继承(2/2)学生框架为例学生框架为例若要查询若要查询Master-1的的Sex，则可直接回则可直接回答；但要查询答；但要查询Master-2的的Sex，则需要沿则需要沿ISA链和链和AKO链到链到Student框架取其默认值框架取其默认值male。582.6.4框架系统的问题求解过程框架系统的问题求解过程匹配和填槽匹配和填槽框架的匹配实际上是通过对相应槽的槽名和槽值逐个进行比较，框架的匹配实际上是通过对相应槽的槽名和槽值逐个进行比较，并利用继承关系来实现的。例如，假设前面讨论的学生框架系统已建并利用继承关系来实现的。例如，假设前面讨论的学生框架系统已建立在知识库中，若要求从知识库中找出一个满足如下条件的硕士生：立在知识库中，若要求从知识库中找出一个满足如下条件的硕士生：male，Age25，Major为为Computer，Project为为National把这些条件用框架表示出来，就可得到如下的初始问题框架把这些条件用框架表示出来，就可得到如下的初始问题框架Frame：Master-xName：Age：Years25Sex：maleMajor：ComputerProject：National用此框架和知识库中的框架匹配，显然用此框架和知识库中的框架匹配，显然“Master-2”框架可以匹配。框架可以匹配。因为因为Age、Sex、Major槽都符合要求，槽都符合要求，Project槽虽然没有给出，但槽虽然没有给出，但由继承性可知它取默认值由继承性可知它取默认值National，完全符合初始问题框架完全符合初始问题框架Master-x的要求，所以要找的学生有可能是的要求，所以要找的学生有可能是LiuQing。592.6.5框架表示法的特征框架表示法的特征框架表示法的优点框架表示法的优点结构性：结构性：最突出特点是善于表示结构性知识，它能够把知识的内部结构最突出特点是善于表示结构性知识，它能够把知识的内部结构关系以及知识间的特殊联系表示出来。关系以及知识间的特殊联系表示出来。深层性：深层性：框架表示法不仅可以从多个方面、多重属性表示知识，而且还框架表示法不仅可以从多个方面、多重属性表示知识，而且还可以通过可以通过ISA、AKO等槽以嵌套结构分层地对知识进行表示，因此能用来等槽以嵌套结构分层地对知识进行表示，因此能用来表达事物间复杂的深层联系。表达事物间复杂的深层联系。继承性：继承性：在框架系统中，下层框架可以继承上层框架的槽值，也可以进在框架系统中，下层框架可以继承上层框架的槽值，也可以进行补充和修改，这样既减少知识冗余，又较好地保证了知识的一致性。行补充和修改，这样既减少知识冗余，又较好地保证了知识的一致性。自然性：自然性：框架能把与谋个实体或实体集相关特性都集中在一起，从而高框架能把与谋个实体或实体集相关特性都集中在一起，从而高度模拟了人脑对实体多方面、多层次的存储结构，直观自然，易于理解。度模拟了人脑对实体多方面、多层次的存储结构，直观自然，易于理解。框架表示法的不足框架表示法的不足缺乏框架的形式理论：缺乏框架的形式理论：至今，还没有建立框架的形式理论，其推理和一至今，还没有建立框架的形式理论，其推理和一致性检查机制并非基于良好定义的语义。致性检查机制并非基于良好定义的语义。缺乏过程性知识表示：缺乏过程性知识表示：框架系统不便于表示过程性知识，缺乏如何使用框架系统不便于表示过程性知识，缺乏如何使用框架中知识的描述能力。框架推理过程需要用到一些与领域无关的推理规框架中知识的描述能力。框架推理过程需要用到一些与领域无关的推理规则，而这些规则在框架系统中又很难表达。则，而这些规则在框架系统中又很难表达。清晰性难以保证：清晰性难以保证：由于各框架本身的数据结构不一定相同，从而框架系由于各框架本身的数据结构不一定相同，从而框架系统的清晰性很难保证。统的清晰性很难保证。602.6脚本表示法脚本表示法 脚本表示法是夏克（脚本表示法是夏克（R.C.Schank）依据他的概念依赖理论提出的一）依据他的概念依赖理论提出的一种知识表示方法。种知识表示方法。1.脚本的结构脚本的结构 脚本表述的是特定范围内的原型事件的结构，它是脚本表述的是特定范围内的原型事件的结构，它是框架的一种特殊框架的一种特殊形式形式，描述的知识像剧本一样，由开场条件、角色、道具、场景、结局，描述的知识像剧本一样，由开场条件、角色、道具、场景、结局等几部分组成。一个脚本通常由以下几部分组成：等几部分组成。一个脚本通常由以下几部分组成：(1)开场条件：给出在脚本中所描述事件的前提条件。开场条件：给出在脚本中所描述事件的前提条件。(2)角色：一些用来表示在脚本所描述事件中可能出现的有关人物的槽。角色：一些用来表示在脚本所描述事件中可能出现的有关人物的槽。(3)道具：一些用来表示在脚本所描述事件中可能出现的有关物体的槽。道具：一些用来表示在脚本所描述事件中可能出现的有关物体的槽。(4)场景：用来描述事件发生的真实顺序。一个事件可以由多个场景组成，场景：用来描述事件发生的真实顺序。一个事件可以由多个场景组成，而每个场景又可以是其他的脚本。而每个场景又可以是其他的脚本。(5)结局：给出在脚本所描述事件发生以后所产生的结果。结局：给出在脚本所描述事件发生以后所产生的结果。61例例2-13 以以Schank的的“餐厅餐厅”脚本为例来说明各个部分的组成。脚本为例来说明各个部分的组成。(1)开场条件开场条件顾客饿了，需要进餐；顾客饿了，需要进餐；顾客有足够的钱。顾客有足够的钱。(2)角色：顾客，服务员，厨师，老板。角色：顾客，服务员，厨师，老板。(3)道具：食品，桌子，菜单，钱。道具：食品，桌子，菜单，钱。(4)场景分别如下，场景分别如下，场景：进入场景：进入顾客进入餐厅；顾客进入餐厅；寻找桌子；寻找桌子；在桌子旁边坐下。在桌子旁边坐下。场景：点菜场景：点菜服务员给顾客菜单；服务员给顾客菜单；顾客点菜；顾客点菜；顾客把菜单还给顾客把菜单还给 服务员；服务员；顾客等待服务员送菜。顾客等待服务员送菜。场景：等待场景：等待服务员告诉厨师顾客所点的菜；服务员告诉厨师顾客所点的菜；厨师做菜，顾客等厨师做菜，顾客等待。待。场景：吃饭场景：吃饭厨师把做好的菜给服务员；厨师把做好的菜给服务员；服务员把菜送给送给顾服务员把菜送给送给顾客；客；顾客吃菜。顾客吃菜。场景场景5：离开：离开服务员拿来帐单；服务员拿来帐单；顾客付钱给服务员；顾客付钱给服务员；顾客离开顾客离开餐厅。餐厅。(5)结局：结局：顾客吃了饭，不饿了；顾客吃了饭，不饿了；顾客花了钱；顾客花了钱；老板赚了钱；老板赚了钱；餐餐厅食品少了。厅食品少了。62 3.脚本的推理脚本的推理 脚本描述事件是一个因果链。链头是一组开场条件，脚本描述事件是一个因果链。链头是一组开场条件，只有当这些初始条件满足时，该脚本中的事件才能开始；链只有当这些初始条件满足时，该脚本中的事件才能开始；链尾是一组结果，只有当这一组结果满足时，该脚本中的事件尾是一组结果，只有当这一组结果满足时，该脚本中的事件才能结束，以后的事件或事件序列才能发生。在这个因果链才能结束，以后的事件或事件序列才能发生。在这个因果链中，一个事件和其他前后事件之间相互联系，前面的事件可中，一个事件和其他前后事件之间相互联系，前面的事件可使当前事件产生，当前事件又可使后面的事件产生。使当前事件产生，当前事件又可使后面的事件产生。4.脚本特点脚本特点脚本比语义网络和框架等通用结构要呆板得多，知识表脚本比语义网络和框架等通用结构要呆板得多，知识表达范围也很窄，因此不适用于表达各种知识。但对于表达事达范围也很窄，因此不适用于表达各种知识。但对