第02 章 知識表示 人工智能課件

2.1 一階謂詞邏輯表示法一階謂詞邏輯表示法 2.1.1 謂詞邏輯謂詞邏輯 2.1.2 用謂詞邏輯表示知識用謂詞邏輯表示知識 2.2 產生式表示法產生式表示法 2.2.1 產生式與產生式系統(tǒng)產生式與產生式系統(tǒng) 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 控制策略控制策略 推理方向推理方向 2.2.2 特殊的產生式系統(tǒng)特殊的產生式系統(tǒng) 2.3 框架（框架（frame）2.3.1 框架的表示方法框架的表示方法 2.3.2 框架的推理方法框架的推理方法 2.4 語義網絡（語義網絡（Semantic network）2.4.1 語義網絡表示方法語義網絡表示方法 2.4.2 語義網絡推理方法語義網絡推理方法 作作 業(yè)業(yè)l基本知識基本知識表達法：謂詞邏輯、規(guī)則等。表達法：謂詞邏輯、規(guī)則等。l結構化知識結構化知識表達法：語義網、框架、腳本等。表達法：語義網、框架、腳本等。例：用謂詞公式表示下列句子：例：用謂詞公式表示下列句子：A formula whose main connective is a “”is equivalent to some formula whose main connective is a “”.首先引入下列謂詞：首先引入下列謂詞：F(x):x is a formula MC(x,y):the main connective of x is y EQ(x,y):x is equivalent to y A formula whose main connective is a “”is equivalent to some formula whose main connective is a“”.(x)F(x)MC(x,imp)(y)F(y)MC(y,or)EQ(x,y)2.2.1 產生式與產生式系統(tǒng)產生式與產生式系統(tǒng)l產生式產生式 if 前提條件前提條件 then 結論結論 或或 if 前提條件前提條件 then 操作操作 產生式又稱為產生式又稱為規(guī)則規(guī)則（rule）。）。前提條件、結論、規(guī)則均可附加一個前提條件、結論、規(guī)則均可附加一個可信度可信度。(1)如果：爐溫超過上限如果：爐溫超過上限,則：立即關閉風門。則：立即關閉風門。(2)如果：膠卷感光度為如果：膠卷感光度為200,光線條件為晴天光線條件為晴天,目標距離不超過目標距離不超過5米米,則：快門速度取則：快門速度取250,光圈大小取光圈大小取f16。l便于描述人處理問題的便于描述人處理問題的局部過程局部過程。l人處理問題的人處理問題的整體過程整體過程可用一個規(guī)則可用一個規(guī)則序列表示。序列表示。推理機推理機IE規(guī)則庫規(guī)則庫RB狀態(tài)數據庫狀態(tài)數據庫DBlDB：狀態(tài)數據庫，描述當前求解狀態(tài)（初始：狀態(tài)數據庫，描述當前求解狀態(tài)（初始事實、推出的結論）事實、推出的結論）lRB：狀態(tài)轉換規(guī)則庫：狀態(tài)轉換規(guī)則庫lIE：推理機（：推理機（Inference Engine）按一定策略從按一定策略從RB中選擇規(guī)則，作用于中選擇規(guī)則，作用于DB，直到直到DB變?yōu)槟繕藸顟B(tài)（如推出特定結論）。變?yōu)槟繕藸顟B(tài)（如推出特定結論）。l 如何找出可用于當前狀態(tài)的規(guī)則（匹配）如何找出可用于當前狀態(tài)的規(guī)則（匹配）l 如何選出如何選出最佳最佳規(guī)則（消除沖突）規(guī)則（消除沖突）將規(guī)則的將規(guī)則的前提條件前提條件逐個與逐個與DB比較，比較，如果每個條件都成立，則該規(guī)則可用于當如果每個條件都成立，則該規(guī)則可用于當前狀態(tài)。前狀態(tài)。例：例：DB=（b,d,g,f,h）Ri：if (e or f)and h then c DB=（b,d,g,f,h）Ri：if (e or f)and h then c 檢驗檢驗(e or f)是否成立是否成立:檢驗檢驗 h 是否成立是否成立:將結論將結論c加入加入DB得：得：DB=（b，d，g，f，h，c）l當規(guī)則含有變量時，首先進行變量代換。當規(guī)則含有變量時，首先進行變量代換。參：第三章參：第三章 3.1.3 模式匹配與變量代換模式匹配與變量代換l對于不精確規(guī)則，需要計算前提和結論的對于不精確規(guī)則，需要計算前提和結論的可信度可信度 參：第六章參：第六章 l處理處理專門、特殊專門、特殊情況的規(guī)則，優(yōu)先于處理情況的規(guī)則，優(yōu)先于處理一般一般情況者。情況者。如：如：R1：if a and b then e R2：if a and b and c then fl首先匹配者優(yōu)先首先匹配者優(yōu)先 靜態(tài)有序。靜態(tài)有序。l給各給各前提前提賦予不同的賦予不同的優(yōu)先級優(yōu)先級，含，含高優(yōu)先級高優(yōu)先級條條件者件者優(yōu)先優(yōu)先執(zhí)行（質優(yōu)先）。執(zhí)行（質優(yōu)先）。l前提條件多的優(yōu)先（量優(yōu)先）。前提條件多的優(yōu)先（量優(yōu)先）。隱含各前提的隱含各前提的優(yōu)先級相同優(yōu)先級相同。1.正向推理（正向推理（Forward）F規(guī)則規(guī)則 事實事實 結論結論 DB=（f1，f2，f3，f4，f5）R1：c1f4c2 R2：f1f2f3c1 R3：f3 f5 c3 R4：f2 f3 f5 c4 R5：f1 c3 c5 假設采用假設采用“首先匹配者優(yōu)先首先匹配者優(yōu)先”策略策略，則推理，則推理過程如下：過程如下：（1）使用）使用R2：f1f2f3c1推出推出c1（2）使用）使用R1：c1f4c2推出推出c2（3）使用）使用R3：f3 f5 c3推出推出c3（4）使用）使用R5：f5 c3 c5推出推出c5 B規(guī)則規(guī)則 事實事實 目標（結論）目標（結論）已知：已知：DB=（f1，f2，f3，f10，f11）R1：c2 f5 p2cg R2：f1 c1c2 R3：f2 f3 f4c1 R4：p1 f6p2 R5：c4 f11cg R6：f7 c3 f10c4 R7：f8 f9c3 其中：其中：ci表示推出的中間結論，表示推出的中間結論，pi表示在本例中表示在本例中不成立的前提。不成立的前提。Cg C2 f5 P2 C4 f11 f1 C1 P1 f6 f7 C3 f10 f1 f3 f4 f8 f9l正向推理不足：可能推出大量無關結論。正向推理不足：可能推出大量無關結論。l逆向推理不足：可能嘗試大量無關假設。逆向推理不足：可能嘗試大量無關假設?；旌贤评淼姆绞剑夯旌贤评淼姆绞剑?)用啟發(fā)式規(guī)則進行用啟發(fā)式規(guī)則進行粗略的粗略的正向推理，提出一正向推理，提出一個假設的可能目標，再用較詳細的規(guī)則進行個假設的可能目標，再用較詳細的規(guī)則進行詳細的詳細的逆向推理，以便驗證假設。逆向推理，以便驗證假設。2)在逆向推理的基礎上，用正向推理推出更多在逆向推理的基礎上，用正向推理推出更多的相關結論。的相關結論。l當前當前事實集：事實集：初始事實初始事實、正向推理推出的中間結論。正向推理推出的中間結論。l當前當前目標集：目標集：原目標、為證明原目標而歸約、分解出的原目標、為證明原目標而歸約、分解出的 子目標子目標l交替使用正向推理和逆向推理，直到當前目標交替使用正向推理和逆向推理，直到當前目標集與當前事實集匹配。集與當前事實集匹配。產生式系統(tǒng)是產生式系統(tǒng)是AI最基本的結構形式。最基本的結構形式。特點：特點：l便于模擬人的知識積累過程便于模擬人的知識積累過程l便于實現便于實現data driven處理方式：處理方式：新數據輸入新數據輸入 行為改變行為改變l便于增刪規(guī)則集便于增刪規(guī)則集 各規(guī)則之間相對獨立。各規(guī)則之間相對獨立。同類同類事物事物或或 過程過程重現重現特定特定模式模式 識別識別 激活激活 問題問題 特征特征 模式模式 引用引用 參考處理方案參考處理方案 為表達上述模式化知識，引入框架表示法：為表達上述模式化知識，引入框架表示法：框架框架 認知模式認知模式 框架系統(tǒng)：包括框架、子框架?？蚣芟到y(tǒng)：包括框架、子框架。通常組織成通常組織成層次結構層次結構或或網狀結構網狀結構?？梢越柚梢越柚悓哟晤悓哟蚊枋?。描述。特性值：特性值：可為另一個知識表示子結構?？蔀榱硪粋€知識表示子結構。如謂詞邏輯、子框架、規(guī)則集等。如謂詞邏輯、子框架、規(guī)則集等?？蔀樘厥馓幚磉^程?？蔀樘厥馓幚磉^程。（注視特定條件的（注視特定條件的守護程序守護程序）如：如：ifneeded ifadded ifdenied iffail 可實現微觀控制機制，數據驅動，隨機應變?？蓪崿F微觀控制機制，數據驅動，隨機應變?？蚣苊Q框架名稱 側面?zhèn)让?1 值值11 槽槽1 側面?zhèn)让?m 值值1m 槽槽2 側面?zhèn)让?1 值值21 側面?zhèn)让?2 值值2m 框架名稱框架名稱 槽槽1 value 真實值真實值 default 缺省值缺省值 if_needed 推斷值的過程推斷值的過程 槽槽2 回溯回溯 激活激活 確認確認 當前狀態(tài)當前狀態(tài) 侯選框架侯選框架 可用框架可用框架 應用應用 聯想聯想 處理當前情況處理當前情況 1、選擇候選框架、選擇候選框架 利用各框架的利用各框架的關鍵特征關鍵特征與當前狀態(tài)進行與當前狀態(tài)進行初初步步特征匹配。特征匹配。2、確認候選框架、確認候選框架 進一步利用進一步利用其余特征其余特征進行進行詳細的詳細的匹配（逆匹配（逆向），需要采用啟發(fā)式經驗進行向），需要采用啟發(fā)式經驗進行靈活匹配靈活匹配。3、重選候選框架、重選候選框架 當無法確認時：當無法確認時：l利用利用相似框架相似框架聯想規(guī)則。聯想規(guī)則。l利用利用框架系統(tǒng)框架系統(tǒng)的的分類層次分類層次結構向上移動，找出結構向上移動，找出一個能夠一個能夠概括概括當前情況的當前情況的一般框架一般框架，再沿另一，再沿另一條路徑向下找出一個候選框架。條路徑向下找出一個候選框架。4、應用確認框架應用確認框架 引用現成結論（引用現成結論（what）如診斷型問題。如診斷型問題。構造構造當前狀態(tài)的具體當前狀態(tài)的具體解釋解釋 即給出即給出例示框架例示框架：無結構信息無結構信息 有結構信息（例示框架）有結構信息（例示框架）4、應用確認框架、應用確認框架 引用相應處理方案或推理知識（引用相應處理方案或推理知識（how）。）。引導注意力：不匹配的部分，可能對應特殊引導注意力：不匹配的部分，可能對應特殊情況：情況：）實際存在而未發(fā)現：進一步尋找。）實際存在而未發(fā)現：進一步尋找。）故障。（損毀）故障。（損毀）確實不存在：修正框架模式。）確實不存在：修正框架模式。l最初：表達人類最初：表達人類記憶模型記憶模型及理解自然語言。及理解自然語言。l事物之間存在事物之間存在自然的自然的關系，在人腦中形成自然的關系，在人腦中形成自然的聯想網絡（聯想網絡（associative net）。自然關系自然關系 聯想網絡聯想網絡l主要用于表示不含變量的命題信息，又稱為主要用于表示不含變量的命題信息，又稱為命題命題網網（Propositional net）。）。1.基本表示法基本表示法l 實體：概念、實例（抽象或具體）實體：概念、實例（抽象或具體）l 關系（特性）：關系（特性）：分類：分類：AKO，ISA，組成：組成：ISPART，HASPART，EL，結構：結構：SUPPORTED BY，性質：性質：COLOR，OWNER，大學城西北大學李明助教郭杜鎮(zhèn)25歲位于單位職務位于年齡長安區(qū)屬于西安市屬于 例：例：“a隊與隊與b隊比賽，比分為隊比賽，比分為1 3”用用謂詞謂詞表示為：表示為：game（a，b，1 3）用用語義網語義網表示如下：表示如下：gameg1ba1:3主隊主隊客隊客隊ISASCOREstudentISA三國演義三國演義readbookJohnread1ISAISAsubjectobject 具體實現一個語義網：具體實現一個語義網：l利用利用實體實體特性特性特性值特性值l對象對象屬性屬性值值 三元組三元組 (OAV：Objectattributevalue)用用PROLOG子句（謂詞）也可以方便地表子句（謂詞）也可以方便地表示語義網：示語義網：ISA（氧氣，單質）（氧氣，單質）.化學性質（氧氣，化學性質（氧氣，RA_1）.化學性質（氧氣，化學性質（氧氣，RA_2）.a a_ _kindkind_ _of(of(蘋果蘋果，水果水果).).taste(taste(蘋果蘋果，甜甜).).a a_ _kindkind_ _of(of(富士富士，蘋果蘋果).).intro intro_ _from(from(富士富士，日本日本).).is is_ _a(a(日本日本，亞洲國家亞洲國家).).存在量詞存在量詞的表示的表示 可直接用可直接用 ISA 鏈表示鏈表示 全稱量詞全稱量詞的表示的表示 例：下面語句例：下面語句 “Every dog had bitten a postman”可表示如下可表示如下：S1：Form，which states the relation that is being asserted.Form中的其它變量中的其它變量B，P為存在變量。為存在變量。ISAS1GSGS1DOGBITEPOSTMANDBP FormISAISAISA攻擊者攻擊者受害者受害者 語義網表示法無統(tǒng)一的形式語義，具體網語義網表示法無統(tǒng)一的形式語義，具體網絡結構的絡結構的含義含義由具體的由具體的應用決定應用決定，相應的推理，相應的推理方法，或使用網絡的方法各異。方法，或使用網絡的方法各異。l常用推理過程：常用推理過程：搜索、匹配（搜索、匹配（PROLOG）、繼承，）、繼承，可信度傳播（可信度傳播（PROSPECTOR）。）。（1）構造一個含有）構造一個含有未知結點未知結點或或未知關系未知關系的的 問題網絡問題網絡片段；片段；（2）在語義網絡知識庫中）在語義網絡知識庫中搜尋搜尋可與問題可與問題 網絡片段網絡片段匹配匹配的的網絡片段網絡片段；（3）從匹配的網絡片段中提?。钠ヅ涞木W絡片段中提取對應對應的結點的結點 或關系值?；蜿P系值。例：例：已知一個學生信息語義網絡，需要查詢趙明的專業(yè)。已知一個學生信息語義網絡，需要查詢趙明的專業(yè)。解：解：首先構造一個語義網絡片段：首先構造一個語義網絡片段：當該片段與主網絡匹配時，將得到當該片段與主網絡匹配時，將得到 y 值。值。趙明趙明x教育教育yRecipientMajorISA注：該語義網絡片段對應如下注：該語義網絡片段對應如下Prolog目標：目標：GOAL ISA(x,教育教育)，Recipient(x,趙明趙明)，Major(x,y)趙明趙明x教育教育yRecipientMajorISA 假設希望通過假設希望通過繼承繼承來確定來確定F結點結點的的S特性特性的值：的值：inherit（F，S）NL=F 的的 ISA 結點結點及及 F 的的 AKO 結點結點 while(NL!=NULL）N=first（NL）;NL=rest（NL）;V=get（N，S，value）;if (Vnil)then return V;NL=NL+N 的的 AKO 結點結點 /隊列隊列 return fail;作業(yè)習題二 (P.55)2.4 (2)(8)2.6 2.13 2.17 (2)（4）2.197/14/202252演講完畢，謝謝觀看！