人工智能课件

2024/5/261人人 工工 智智 能能(2)2024/5/262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2024/5/263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对知知识识的的获获取取、表表达达、搜搜索索、分分析析、解解答答等等智智能能能力能力 人的智能的核心也在于人的智能的核心也在于人的智能的核心也在于人的智能的核心也在于“知识知识知识知识”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2024/5/264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 知识模式知识模式知识模式知识模式 K=F+R+CK=F+R+CK K表示表示知识项知识项(Knowledge items)(Knowledge items)F F表表示示事事实实(Facts)(Facts)人人类类对对客客观观世世界界、客客观观事事物物的的状状态态、属属性性、特特征征的的描描述述，以以及及对对事事物物之之间间关关系系的描述的描述 R R表表示示规规则则(Rules)(Rules)能能表表达达在在前前提提与与结结论论之之间间的的因果关系的一种形式因果关系的一种形式 C C表表示示概概念念(Concepts)(Concepts)事事实实的的含含义义规规则则语语义义说说明等明等2024/5/265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 知识类型知识类型知识类型知识类型叙叙述述型型知知识识有有关关系系统统状状态态、环环境境和和条条件件，问问题题的的概概念念、定义和事实的知识。定义和事实的知识。过过程程型型知知识识有有关关系系统统状状态态变变化化、问问题题求求解解过过程程的的操操作作、演算和行动的知识。演算和行动的知识。控控制制型型知知识识有有关关如如何何选选择择相相应应的的操操作作、演演算算和和行行动动的的比比较、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。2024/5/266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2024/5/267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 原原始始问问题题:2n2n2n2n方方格格盘盘，去去掉掉对对顶顶角角上上两两方方格格，问问能能否否将将它它分分割割为为若干若干1212长方块？长方块？2024/5/268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 原原始始问问题题:2n2n2n2n方方格格盘盘，去去掉掉对对顶顶角角上上两两方方格格，问问能能否否将将它它分分割割为为若若干干1212长方块？长方块？直直接接求求解解:考考察察(2*(2n)*2(2*(2n)*2种种可可能能分分割割方方案案，且且随随着着n n增增大大，会会“组组合合爆爆炸炸”同同构构问问题题:方方格格相相间间着着色色,无无论论n n为为何何值值，对对顶顶角角上上两两方方格格同同色色，去去掉掉后后白白格格与与黑黑格格的的数数目目间间差差值值为为2 2 最最后后剩剩的的必必是是同同色色两两方方格格 因因同同构构问问题题无解，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：。分分割割操操作作：每每操操作作，分分割割出出一一长长方方块块，割割去去一一白白格格和和一一黑黑格格，使使状状态态变变量量都都减减去去1 1。经经过过2n2-22n2-2次次操操作作后后，状状态态变变为为，不不可可能能达达到到 因因同态问题无解，蕴含着其原始问题也无解同态问题无解，蕴含着其原始问题也无解 2024/5/269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=Q=qq1 1,q,q2 2,q qn n t t操操作作是是用用来来表表示示引引起起状状态态变变化化的的过过程程型型知知识识的的一一组组关关系系或或函函数数F:f1,f2,F:f1,f2,fmfm状状态态空空间间(State(State Space)Space)是是利利用用状状态态变变量量和和操操作作符符号号，表表示示系系统统或或问问题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状状态态集集合合;O O操操作作算算子子集集合合;S S0 0初初始始状状态态,S S0 0 S;S;G G目目的的状状态态,G,G S,(GS,(G可可若若干干具具体体状状态态，也也可可满满足足某某些些性性质质的的路路径径信信息息描描述述)从从从从S S S S0 0 0 0结点到结点到结点到结点到G G G G结点的路径被称为结点的路径被称为结点的路径被称为结点的路径被称为求解路径求解路径求解路径求解路径。状状态态空空间间一一解解是是一一有有限限操操作作算算子子序序列列，它它使使初初始始状状态态转转换换为为目目标标状状态态：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)2024/5/2610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在一一3333方方格格盘盘，放放1 1到到8 8八八个个数数码码，另另一一格格为为空空。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 7八八数数码码任任何何一一种种摆摆法法就就是是一一个个状状态态，所所有有的的摆摆法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！相相应应操操作作算算子子是是数数码码移移动动，其其操操作作算算子子共共有有4 4（方方向向）88（数数码码）=32=32个个。可可简简化化为为4 4个个：UpUp，LeftLeft，DownDown，RightRight2024/5/2611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若所所有有子子问问题题都都解解决决了了，则则总总问问题题也也解解决决了了，这这是是“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若一一难难问问题题可可以以等等价价变变换换为为几几个个容容易易问问题题，则则任任何何一一个个容容易易问问题题解解决决了了，也也就就解解决决了了原原有有难难问问题题，这是这是“或或”的逻辑关系的逻辑关系“或或”树树兼用兼用兼用兼用“分解分解分解分解”和和和和“变换变换变换变换”方法方法方法方法“与与与与/或或或或”树树树树 2024/5/2612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 【例例例例2 2 2 23 3 3 3】猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题设机器人“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。香蕉香蕉香蕉香蕉 a a a a猴子猴子猴子猴子 c c c c b b b b台子台子台子台子2024/5/2613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 【例例例例2 2 2 23 3 3 3】猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题状态空间法: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2024/5/2614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 【例例例例2 2 2 23 3 3 3】猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题允许的操作集为：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 2024/5/2615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 【例例例例2 2 2 23 3 3 3】猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题猴子和香蕉问题与/或树图 2024/5/2616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 产生式系统产生式系统产生式系统产生式系统(production system)(production system)(production system)(production system)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 论域知识分为两部分：论域知识分为两部分：论域知识分为两部分：论域知识分为两部分：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，变换等这这这这类类类类系系系系统统统统的的的的知知知知识识识识库库库库主主主主要要要要用用用用于于于于存存存存储储储储规规规规则则则则，因因因因此此此此又又又又把把把把此此此此类类类类系系系系统称为统称为统称为统称为基于规则的系统基于规则的系统基于规则的系统基于规则的系统(rule-based system)(rule-based system)(rule-based system)(rule-based system)2024/5/2617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 产生式系统的基本结构产生式系统的基本结构产生式系统的基本结构产生式系统的基本结构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 2024/5/2618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 事事事事实实实实库库库库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。数据是广义的在事实库中的数据由规则解释（控制器），用来激活相应的规则。在事实库中的数据由规则解释（控制器），用来激活相应的规则。在事实库中的数据由规则解释（控制器），用来激活相应的规则。在事实库中的数据由规则解释（控制器），用来激活相应的规则。规规规规则则则则集集集集库库库库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2024/5/2619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区别：区别：区别：区别：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关键关键关键关键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。这就是规则的自自自自含含含含性性性性，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分分分分离离离离成为可能。2024/5/2620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 规规则则解解释释（控控制制器器）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。1.1.1.1.匹匹匹匹配配配配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2.2.2.2.冲冲冲冲突突突突解解解解决决决决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3.3.3.3.操操操操作作作作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 2024/5/2621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”？2024/5/2622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 专专专专一一一一性性性性排排排排序序序序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规规规规则则则则排排排排序序序序如规则编排的顺序就表示了启用的优先级，则称之为规则排序数数数数据据据据排排排排序序序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。规规规规模模模模排排排排序序序序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就就就就近近近近排排排排序序序序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上上上上下下下下文文文文限限限限制制制制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 2024/5/2623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 【例例例例2 2 2 24 4 4 4】动物识别系统动物识别系统动物识别系统动物识别系统规则I1到I4这一组规则可用于把哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物和鸟类动物鸟类动物鸟类动物鸟类动物区分开：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食肉动物食肉动物食肉动物食肉动物和有蹄动物有蹄动物有蹄动物有蹄动物：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2024/5/2624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 【例例例例2 2 2 24 4 4 4】动物识别系统动物识别系统动物识别系统动物识别系统以下两个规则对食肉动物食肉动物食肉动物食肉动物进行细分：规则规则规则规则I9 I9 I9 I9 如果如果如果如果 该动物是食肉动物，它的颜色是黄褐色，它有深色的斑点 那么那么那么那么 它是猎豹规则规则规则规则I10 I10 I10 I10 如果如果如果如果 该动物是食肉动物，它的颜色是黄褐色，它有黑色条纹 那么那么那么那么 它是老虎 以下两个规则对有蹄动物有蹄动物有蹄动物有蹄动物进行细分：规则规则规则规则I11 I11 I11 I11 如果如果如果如果 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，那么那么那么那么 它是长颈鹿规规规规则则则则I12 I12 I12 I12 如如如如果果果果 该动物是有蹄动物，它的颜色是白的，它有黑色条纹，那么那么那么那么 它是斑马 2024/5/2625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 【例例例例2 2 2 24 4 4 4】动物识别系统动物识别系统动物识别系统动物识别系统 以下对鸟类鸟类鸟类鸟类进行分类的规则：规则规则规则规则I13 I13 I13 I13 如果如果如果如果 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，那么那么那么那么 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）规则规则规则规则I14 I14 I14 I14 如果如果如果如果 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，那么那么那么那么 它是企鹅规则规则规则规则I15 I15 I15 I15 如果如果如果如果 该动物是鸟类，它善于飞行，那么那么那么那么 它是海燕 2024/5/2626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 【例例例例2 2 2 24 4 4 4】动物识别系统动物识别系统动物识别系统动物识别系统识别长颈鹿的过程识别长颈鹿的过程识别长颈鹿的过程识别长颈鹿的过程开始，观察到：（动物的颜色是黄褐色（动物的颜色是黄褐色（动物的颜色是黄褐色（动物的颜色是黄褐色,深色斑点）深色斑点）深色斑点）深色斑点）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：（动物的颜色是黄褐色（动物的颜色是黄褐色（动物的颜色是黄褐色（动物的颜色是黄褐色,深色斑点深色斑点深色斑点深色斑点,能产乳能产乳能产乳能产乳,反刍）反刍）反刍）反刍）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：（哺乳动物（哺乳动物（哺乳动物（哺乳动物,黄褐色黄褐色黄褐色黄褐色,深色斑点深色斑点深色斑点深色斑点,能产乳能产乳能产乳能产乳,反刍）反刍）反刍）反刍）进而I8又能用，更新事实库为：（有蹄动物（有蹄动物（有蹄动物（有蹄动物,偶蹄动物偶蹄动物偶蹄动物偶蹄动物,哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物,黄褐色黄褐色黄褐色黄褐色,深色斑点深色斑点深色斑点深色斑点,能产乳能产乳能产乳能产乳,反刍）反刍）反刍）反刍）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：（动物有长腿（动物有长腿（动物有长腿（动物有长腿,有长颈有长颈有长颈有长颈,有蹄动物有蹄动物有蹄动物有蹄动物,偶蹄动物偶蹄动物偶蹄动物偶蹄动物,哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物,黄褐色黄褐色黄褐色黄褐色,深色斑点深色斑点深色斑点深色斑点,能产乳能产乳能产乳能产乳,反刍）反刍）反刍）反刍）规则I11可使用，推理出该动物为长颈鹿长颈鹿长颈鹿长颈鹿问题的求解过程可终止2024/5/2627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 产生式系统的产生式系统的产生式系统的产生式系统的问题求解过程问题求解过程问题求解过程问题求解过程的步骤：的步骤：的步骤：的步骤：事实库事实库事实库事实库初始化初始化初始化初始化 若若若若存存存存在在在在未未未未用用用用规规规规则则则则前前前前提提提提能能能能与与与与事事事事实实实实库库库库相相相相匹匹匹匹配配配配则则则则转转转转，否则转否则转否则转否则转 使用规则，更新事实库，并标记所用规则使用规则，更新事实库，并标记所用规则使用规则，更新事实库，并标记所用规则使用规则，更新事实库，并标记所用规则 事事事事实实实实库库库库是是是是否否否否包包包包含含含含解解解解。若若若若是是是是，则则则则终终终终止止止止求求求求解解解解过过过过程程程程，否否否否则转则转则转则转 要要要要求求求求更更更更多多多多的的的的关关关关于于于于问问问问题题题题的的的的信信信信息息息息，若若若若不不不不能能能能提提提提供供供供所所所所要要要要信信信信息，则息，则息，则息，则求解失败求解失败求解失败求解失败，否则更新事实库并转，否则更新事实库并转，否则更新事实库并转，否则更新事实库并转 2024/5/2628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 逻逻逻逻辑辑辑辑是是是是人人人人们们们们思思思思维维维维活活活活动动动动规规规规律律律律的的的的反反反反映映映映和和和和抽抽抽抽象象象象，最最最最精精精精确确确确和和和和最最最最成成成成功功功功，计计计计算机可作精确处理，与自然语言又非常接近算机可作精确处理，与自然语言又非常接近算机可作精确处理，与自然语言又非常接近算机可作精确处理，与自然语言又非常接近第一个因素：互关联的两部分：第一个因素：互关联的两部分：第一个因素：互关联的两部分：第一个因素：互关联的两部分：公理系统和演绎结构公理系统和演绎结构公理系统和演绎结构公理系统和演绎结构第第第第二二二二个个个个因因因因素素素素：逻逻逻逻辑辑辑辑及及及及其其其其演演演演绎绎绎绎能能能能保保保保证证证证正正正正确确确确，闭闭闭闭包包包包集集集集合合合合（语语语语义义义义保持）保持）保持）保持）第三个因素：演绎可第三个因素：演绎可第三个因素：演绎可第三个因素：演绎可完全机械化完全机械化完全机械化完全机械化（定理证明）（定理证明）（定理证明）（定理证明）数理逻辑：数理逻辑：数理逻辑：数理逻辑：用数学方法研究形式逻辑的一分支（符号逻辑）用数学方法研究形式逻辑的一分支（符号逻辑）用数学方法研究形式逻辑的一分支（符号逻辑）用数学方法研究形式逻辑的一分支（符号逻辑）谓词逻辑：谓词逻辑：谓词逻辑：谓词逻辑：数逻基本形式（基于谓词分析数逻基本形式（基于谓词分析数逻基本形式（基于谓词分析数逻基本形式（基于谓词分析的的的的形式化语言）形式化语言）形式化语言）形式化语言）知识的逻辑表达：知识的逻辑表达：知识的逻辑表达：知识的逻辑表达：用一阶谓词逻辑来描述用一阶谓词逻辑来描述用一阶谓词逻辑来描述用一阶谓词逻辑来描述AIAIAIAI的的的的问题求解知识问题求解知识问题求解知识问题求解知识2024/5/2629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 2024/5/2630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）2024/5/2631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 谓词逻辑表达法的特性谓词逻辑表达法的特性谓词逻辑表达法的特性谓词逻辑表达法的特性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优点优点优点优点严格性: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:便于用计算机实现逻辑推理逻辑推理逻辑推理逻辑推理的机械化、自动化的机械化、自动化缺点缺点缺点缺点效率低: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。2024/5/2632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 谓词逻辑表达法的应用谓词逻辑表达法的应用谓词逻辑表达法的应用谓词逻辑表达法的应用自自动动问问答答系系统统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 机机器器人人行行动动规规划划系系统统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 机机器器博博弈弈系系统统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 问问题题求求解解系系统统Kowalski等设计的PS系统，直接用逻辑子句表示知识，简易方便 2024/5/2633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语义网络语义网络语义网络语义网络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 2024/5/2634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2024/5/2635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 语义网络表达法的优点优点优点优点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缺点缺点缺点缺点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 2024/5/2636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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 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)2024/5/2637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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 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 2024/5/2638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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 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：2024/5/2639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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 连接词在语义网络中的表示方法合取合取合取合取give(John,Mary,give(John,Mary,“战战争争与与和和平平”)read(Mary,read(Mary,“战战争争与与和和平平”)对应的语义网络：2024/5/2640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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 连接词在语义网络中的表示方法析取析取析取析取 John is a programmer or Mary is a lawyerJohn is a programmer or Mary is a lawyer 对应的语义网络：2024/5/2641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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 连接词在语义网络中的表示方法否定否定否定否定 ISA，AKO及part-of的有向弧 give(John,Mary,give(John,Mary,“战战争争与与和和平平”)read(Mary,read(Mary,“战战争争与与和和平平”)对应的语义网络：2024/5/2642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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 连接词在语义网络中的表示方法蕴含蕴含蕴含蕴含一弧：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：2024/5/2643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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 变元和量词在语义网络中的表示方法 存在量词存在量词存在量词存在量词 直接用ISA弧全称量词全称量词全称量词全称量词 分块方法 存在量词：The dog bit the postman The dog bit the postman 2024/5/2644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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 变元和量词在语义网络中的表示方法 存在量词存在量词存在量词存在量词 直接用ISA弧全称量词全称量词全称量词全称量词 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)2024/5/2645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 语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示语义网络的知识表示 变元和量词在语义网络中的表示方法 存在量词存在量词存在量词存在量词 直接用ISA弧全称量词全称量词全称量词全称量词 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 2024/5/2646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数据结构数据结构数据结构数据结构 框架框架框架框架框架框架框架框架 一个结构 一种组织结构或组织结构或组织结构或组织结构或组织新资料可用从经验中得到的概念来分析/解释框架表示法框架表示法框架表示法框架表示法 一结构化表示方法框架框架框架框架 语义网络的结点-槽-值表示结构框框框框架架架架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 2024/5/2647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 框架结构框架结构框架结构框架结构框架(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nm2024/5/2648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 2024/5/2649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 框架间的关系框架间的关系框架间的关系框架间的关系类框架 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）指针框架系统系统系统系统 2024/5/2650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 【例例例例2 2 2 29 9 9 9】框架间关系框架间关系框架间关系框架间关系例：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 2024/5/2651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 【例例例例2 2 2 210101010】自然灾害新闻报道自然灾害新闻报道自然灾害新闻报道自然灾害新闻报道“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。”地震框架地震框架地震框架地震框架 地点：地点：地点：地点：X X X X 日期：日期：日期：日期：今天今天今天今天 强度：强度：强度：强度：7 7 7 7 死亡人数：死亡人数：死亡人数：死亡人数：250250250250 财产损失：财产损失：财产损失：财产损失：5 5 5 5百万人民币百万人民币百万人民币百万人民币 断层：断层：断层：断层：Y Y Y Y框架系统框架系统框架系统框架系统 地震是一灾害事件，灾害事件还有洪水、飓风等2024/5/2652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 框架系统与产生式系统的结合框架系统与产生式系统的结合框架系统与产生式系统的结合框架系统与产生式系统的结合规则框架规则框架规则框架规则框架：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 2024/5/2653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 框架系统特性：框架系统特性：框架系统特性：框架系统特性：继承性继承性继承性继承性 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连接通用性通用性通用性通用性各种问题 扩充性扩充性扩充性扩充性 某细节另一框架预测性预测性预测性预测性得到不直接信息判断推理判断推理判断推理判断推理认识某类事物认识某类事物认识某类事物认识某类事物修正性修正性修正性修正性 不完整完善描述 2024/5/2654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 特征表特征表特征表特征表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)注注意意:各种属性在不同地方重复出现，应避免矛盾和不一致现象 2024/5/2655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 【例例2 21313】机器人行动规划问题机器人行动规划问题在一含有凹室(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 2024/5/2656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 【例例2 21313】机器人行动规划问题机器人行动规划问题（1 1）初始状态：）初始状态：对 象属 性取取取取 值值值值ROBOTLOCATION ALCOVEHOLDS EMPTYBOXSUPPORTED-BY AAIS-A TABLESUPPORTS BOXBIS-A TABLESUPPORTS EMPTY2024/5/2657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 【例例2 21313】机器人行动规划问题机器人行动规划问题（2 2）目标状态：）目标状态：对 象属 性取取取取 值值值值ROBOTLOCATION ALCOVEHOLDS EMPTYBOXSUPPORTED-BY BAIS-A TABLESUPPORTS EMPTYBIS-A TABLESUPPORTS BOX2024/5/2658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 【例例2 21313】机器人行动规划问题机器人行动规划问题（3 3）中间中间状态：状态：对 象属 性取取取取 值值值值ROBOTLOCATION B HOLDS BOXBOXSUPPORTED-BY ROBOTAIS-A TABLESUPPORTS EMPTYBIS-A TABLESUPPORTS EMPTY2024/5/2659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 1.1.1.1.对象、消息和方法对象、消息和方法对象、消息和方法对象、消息和方法 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 鸿沟鸿沟 计算机求解空间与客观问题空间间面面向向对对象象方方法法学学构造软件系统/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 2024/5/2660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 1.1.1.1.对象、消息和方法对象、消息和方法对象、消息和方法对象、消息和方法 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数据据结结构构DSDS描述了对象当前的内内部部状状态态或所具有的静态属性静态属性，常用一组表示方方法法集集合合MSMS用以说明对象所具有的内内部部处处理理方方法法/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消息息接接口口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消息息模模式式 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 封装性封装性封装性封装性 2024/5/2661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 2.2.2.2.类、类层次和继承性类、类层次和继承性类、类层次和继承性类、类层次和继承性 类类类类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类类类类的概念中外部特性外部特性外部特性外部特性 描述消息模式及其相应的处理能力内内内内部部部部实实实实现现现现 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共性共性共性共性经过类的抽象，一个对象除对象名以外，形式上只剩下体现该对象个性个性个性个性的内部状态所属类的一个实例实例实例实例 2024/5/2662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 2.2.类、类层次和继承性类、类层次和继承性 例例例例：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 2024/5/2663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 2.2.2.2.类、类层次和继承性类、类层次和继承性类、类层次和继承性类、类层次和继承性 类抽抽象象数据类型范畴 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继继继继承承承承性性性性，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）可重用性可重用性可重用性可重用性2024/5/2664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 3.3.3.3.与语义网络、框架系统的比较与语义网络、框架系统的比较与语义网络、框架系统的比较与语义网络、框架系统的比较 结构化的