人工智能及其应用-第2章-知识表示(AI应用3版)课件.ppt

1、Artificial Intelligence Principles and Applications第第 2 章章 知识表示知识表示 教材：教材：王万良王万良人工智能及其应用人工智能及其应用（第（第3版）版）高等教育出版社，高等教育出版社，2016.22第2章 知识表示2.1 知识与知识表示的概念知识与知识表示的概念 2.2 一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法 2.3 产生式表示法产生式表示法 2.4 框架表示法框架表示法 2.5 语义网络表示法语义网络表示法 3第2章 知识表示2.1 知识与知识表示的概念知识与知识表示的概念 2.2 一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法 2.3 产生式表

2、示法产生式表示法 2.4 框架表示法框架表示法 2.5 语义网络表示法语义网络表示法2.1.1 知识知识定义知识定义 Feigenbaum Bernstein知识与信息不一样，知识信息经过加工整理、解释、挑选和改造而形成。简单地说，知识是经过加工的信息。知识是由特定领域的描述、关系和过程组成的。Hayes-Roth知识是事实、信念和启发式规则。从知识库的观点看，知识是某领域中所涉及的各有关方面的一种符号表示。BaconBacon知识就是力量总之，可以认为知识是经过加工的信息，它包括事实、信念和启发式规则。2.1.1 知识 事实事实 规则规则是关于对象和物体的知识，常以“是”的形式出现。事实是静

3、态、可共享、可公开获得、公认的知识，位于知识库的底层有关问题中与事物的行动、动作相联系的因果关系知识，是动态的，常以“如果那么”形式出现。特别是启发式知识属于专门经验知识。控制控制有关问题的求解步骤、技巧性知识，告诉怎么做一件事。元知识元知识有关知识的知识，是知识库中的高层知识。例如，怎样使用规则，解释规则、校验规则、解释程序结构等知识。它可以决定哪一个知识库适用。知识要素知识要素2.1.1 知识北京是中国的首都；太湖在苏北京是中国的首都；太湖在苏州的西边州的西边怎样制作糖醋排骨；手机维修法。怎样制作糖醋排骨；手机维修法。微分方程刻划了一个函数的行为。微分方程刻划了一个函数的行为。例如例如燕子

4、低飞；成都是四川省的省会。燕子低飞；成都是四川省的省会。谜语谜语“山叠叠而不高，路遥遥而山叠叠而不高，路遥遥而不远，雷轰轰而不雨，雪飘飘而不远，雷轰轰而不雨，雪飘飘而不寒不寒”-（石磨）（石磨）一个计算机辅助教学系统要一个计算机辅助教学系统要知道用户理解的程度；知道用户理解的程度；事实性知识事实性知识过程性知识过程性知识行为性知识行为性知识知识分类知识分类实例性知识实例性知识类比性知识类比性知识元知识元知识2.1.2 知识表示选取知识表示的因素选取知识表示的因素l表示知识的范围是否广泛l是否适于推理l是否适于计算机处理l是否有高效的求解算法l能否表示不精确知识知识表示的分类知识表示的分类陈述性

5、知识表示陈述性知识表示：将知识表示与知识的运用分开处理，在表示知识时，并不涉及如何运用知识的问题，是一种静态的描述方法。如学生统计表。过程性知识表示过程性知识表示：将知识表示与知识的运用相结合，知识包含于程序中，是一种动态的描述方法。如转置矩阵的程序隐含了转置矩阵的知识。知识表示的定义知识表示的定义可看成是一组事物的约定，以把人类知识表示成机器能处理的数据结构。对知识进行表示的过程就是把知识编码成某种数据结构的过程。l能否在同一层次上和不同层次上模块化l知识和元知识能否用统一的形式表示l是否适合于加入启发信息l过程性表示还是说明性表示l表示方法是否自然返回返回8第2章 知识表示2.1 知识与知

6、识表示的概念知识与知识表示的概念 2.2 一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法 2.3 产生式表示法产生式表示法 2.4 框架表示法框架表示法 2.5 语义网络表示法语义网络表示法 9 2.2 一阶谓词逻辑表示法一种重要的知识表示方法，它一种重要的知识表示方法，它以数理逻辑为基础以数理逻辑为基础，是一种到目前，是一种到目前为止能够表达人类思维和推理的最精确的形式语言。它的表现方为止能够表达人类思维和推理的最精确的形式语言。它的表现方式和人类自然语言非常接近，它式和人类自然语言非常接近，它能够被计算机进行精确推理能够被计算机进行精确推理。10 2.2 一阶谓词逻辑表示法2.2.1 命题命题2.2

7、.2 谓词谓词2.2.3 谓词公式谓词公式2.2.4 谓词公式的性质谓词公式的性质2.2.5 一阶谓词逻辑知识表示方法一阶谓词逻辑知识表示方法2.2.6 一阶谓词逻辑表示法的特点一阶谓词逻辑表示法的特点相关概念2023-7-15命题逻辑命题逻辑命题逻辑命题逻辑就是研究命题和命题之间关系的符号逻辑系统。通常用大写字母P、Q、R、S等来表示命题。如：P：今天下雨 P是命题的名或命题标识符命题常量命题常量：命题标识符表示一个确定的命题。命题变元命题变元：命题标识符只表示任意命题的位置标志。当命题变元P用一个特定的命题取代时，P才能确定真值，这时称为对P进行指派。命题的分类命题的分类原子命题：原子命题

8、：不能分解成更简单的陈述语句。复合命题复合命题：由联结词、标点符号和原子命题等复合构成的命题。命题命题所谓命题命题就是具有真假意义的陈述句。如“今天下雨”、“1+100=101”，真或假用符号T或F表示。12 2.2.2 谓词谓词的一般形式：谓词的一般形式：P(x1,x2,xn)个体个体 x1,x2,xn：某个独立存在的事物或者某个抽象的概念；谓词名谓词名 P：刻画个体的性质、状态或个体间的关系。“老张是一个教师老张是一个教师”：一元谓词：一元谓词 Teacher(Zhang)“53”：二元谓词 Greater(5,3)“Smith作为一个工程师为作为一个工程师为IBM工作工作”：三元谓词 W

9、orks(Smith,IBM,engineer)（1）个体是常量：一个或者一组指定的个体。个体是常量：一个或者一组指定的个体。13 2.2.2 谓词（2）个体是变元（变量）：个体是变元（变量）：没有指定的一个或者一组个体。“小李的父亲是教师小李的父亲是教师”：Teacher(father(Li)（3）个体是个体是函数函数：一个个体到另一个个体的映射。“x5”：Less(x,5)（4）个体是个体是谓词谓词“Smith作为一个工程师为作为一个工程师为IBM工作工作”：二阶二阶谓词谓词 Works(engineer(Smith),IBM)142.2.3 谓词公式1.连接词（连词）连接词（连词）（1）

10、：“否定否定”（negation）或）或“非非”。（2）：“析取析取”（disjunction）或。或。（3）：“合取合取”（conjunction）与。与。“机器人不在机器人不在2号房间号房间”：Inroom(robot,r2)“李明打篮球或踢足球李明打篮球或踢足球”：Plays(Liming,basketball)Plays(Liming,football)“我喜欢音乐和绘画我喜欢音乐和绘画”：Like(I,music)Like(I,painting)152.2.3 谓词公式 1.连接词（连词）连接词（连词）（4）：“蕴含蕴含”(implication)或或 “条条件件”(conditio

11、n)。“如果刘华跑得最快，那么他取得冠军。如果刘华跑得最快，那么他取得冠军。”：RUNS(Liuhua，fastest)WINS(Liuhua，champion)（5）：“等价等价”（equivalence）或）或“双条件双条件”（bicondition）。）。P Q:“P当且仅当当且仅当Q”。162.2.3 谓词公式1.连接词（连词）连接词（连词）谓词逻辑真值表谓词逻辑真值表 172.2.3 谓词公式 2.量词（量词（quantifier）（1）全称量词（）全称量词（universal quantifier）（）（x）：）：“对个体域中的所有（或任一个）个体 x”。“所有的机器人都是灰色的”

12、：(x)ROBOT(x)COLOR(x，GRAY)（2）存在量词（）存在量词（existential quantifier）（）（x）：）：“在个体域中存在个体 x”。“1号房间有个物体”：（x）INROOM（x，r1）182.2.3 谓词公式全称量词和存在量词举例：全称量词和存在量词举例：(x)(y)F(x,y)表示对于个体域中的任何个体表示对于个体域中的任何个体x都存在都存在个体个体y，x与与y是朋友。是朋友。(x)(y)F(x,y)表示在个体域中存在个体表示在个体域中存在个体x，与个体域，与个体域中的任何个体中的任何个体y都是朋友。都是朋友。(x)(y)F(x,y)表示在个体域中存在个体

13、表示在个体域中存在个体x与个体与个体y，x与与y是朋友。是朋友。(x)(y)F(x,y)表示对于个体域中的任何两个个体表示对于个体域中的任何两个个体x和和y，x与与y都是朋友。都是朋友。每人都有朋友每人都有朋友有个人同其他人都是朋友有个人同其他人都是朋友个体域中存在朋友关系个体域中存在朋友关系人人皆朋友人人皆朋友192.2.3 谓词公式全称量词和存在量词出现的次序将影响命题的意思。全称量词和存在量词出现的次序将影响命题的意思。例如：例如：(x)(y)(Employee(x)Manager(y,x):“每个雇员都有一个经理。”(y)(x)(Employee(x)Manager(y,x):“有一个

14、人是所有雇员的经理。”202.2.3 谓词公式3.谓词公式谓词公式定义定义2.2 可按下述规则得到谓词演算的谓词公式：(1)单个谓词是谓词公式，称为原子谓词公式。(2)若A是谓词公式，则A也是谓词公式。(3)若A，B都是谓词公式，则AB，AB，AB，A B也都是谓词公式。(4)若A是谓词公式，则 (x)A，(x)A也是谓词公式。(5)有限步应用（1）（4）生成的公式也是谓词公式。连接词的优先级别从高到低排列：，212.2.3 谓词公式4量词的辖域量词的辖域 量词的辖域：位于量词后面的单个谓词或者用括弧括起来的谓词公式。约束变元与自由变元：辖域内与量词中同名的变元称为约束变元，不同名的变元称为自

15、由变元。例如：(x)(P(x,y)Q(x,y)R(x,y)(P(x,y)Q(x,y)：(x)的辖域，辖域内的变元x是受（x）约束的变元，R(x,y)中的x是自由变元。公式中的所有y都是自由变元。222.2.4 谓词公式的性质1.谓词公式的解释谓词公式的解释 谓词公式在个体域上的解释：谓词公式在个体域上的解释：个体域中的实体对谓词演算表达式的每个常量、变量、谓词和函数符号的指派。Friends(george,x)Friends(george,susie)TFriends(george,kate)F 对于每一个解释，谓词公式都可求出一个真值（对于每一个解释，谓词公式都可求出一个真值（T或或F）。）

16、。例例1 设变元设变元x和和y的个体域是的个体域是D=1，2，谓词，谓词P（x，y）表示）表示x 大于等于大于等于y，给出公式，给出公式A=(x)(y)P(x ,y)在在D上的解释，指出每一种解释下公式上的解释，指出每一种解释下公式A的真值。的真值。解：设对谓词P（x ,y）在个体域D上的真值指派为：P(1,1)=T，P(1,2)=F，P(2,1)=T，P(2,2)=T这就是公式A在D上的一个解释。在此解释下，因为x=1时有y=1使P(x,y)的真值为T，x=2时也有y=1使P(x,y)的真值为T，即x 对于D中的所有取值，都存在y=1，使P(x,y)的真值为T，所以在此解释下公式A的真值为T

17、。例2 设个体域设个体域D=1,2，给出公式，给出公式R=(x)(P(x)Q(f(x),B)在在D上的一个解释，指出公式上的一个解释，指出公式R在此解释下的真值在此解释下的真值。解：设对个体常量B指派D中的一个元素为B=1，对函数f(x)指派到D的映射为：f(1)=2，f(2)=1 设对谓词指派的真值为：P(1)=F，P(2)=T，Q(1,1)=T，Q(2,1)=F 由于已对个体常量B指派B=1，所以Q(1,2)与Q(2,2)不可能出现，故没有给它们指派真值。上述指派就是对公式R的一个解释。在此解释下，由于n 当 x=1时，有P(1)=F，Q(f(1),1)=Q(2,1)=F所以P(1)Q(f

18、(1),1)的真值为T。n 当 x=2时，有P(2)=T,Q(f(2),1)=Q(1,1)=T所以P(2)Q(f(2),1)的真值也为T。即对个体域D中的所有 x 都有 P(x)Q(f(x),B)的真值为T。所以公式R在此解释下的真值为T。例2 设个体域设个体域D=1,2，给出公式，给出公式R=(x)(P(x)Q(f(x),B)在在D上的一个解释，指出公式上的一个解释，指出公式R在此解释下的真值在此解释下的真值。可见：谓词公式的真值是针对某一个解释而言的，它可能在某一个解释下的真值为T，在另一个解释下的真值为F。272.2.4 谓词公式的性质 2.谓词公式的永真性、可满足性、不可满足性谓词公式

19、的永真性、可满足性、不可满足性 定义定义2.5 对于谓词公式对于谓词公式P，如果至少，如果至少存在一个解释使得存在一个解释使得P在此解释下的真值在此解释下的真值为为T，则称，则称P是可满足的是可满足的，否则，则称，否则，则称P是是不可满足的不可满足的。定义定义2.4 如果谓词公式如果谓词公式P对个体域对个体域D上的任何一个解释都上的任何一个解释都取得真值取得真值F，则称，则称P在在D上是永假的；如果上是永假的；如果P在每个非空个在每个非空个体域上均永假，则称体域上均永假，则称P永假永假。定义定义2.3 如果谓词公式如果谓词公式P对个体域对个体域D上的任何一个解释上的任何一个解释都取得真值都取得

20、真值T，则称，则称P在在D上是永真的上是永真的；如果；如果P在每个非空在每个非空个体域上均永真，则称个体域上均永真，则称P永真永真。282.2.4 谓词公式的性质3.谓词公式的等价性谓词公式的等价性 定义定义2.6 设设P与与Q是两个谓词公式，是两个谓词公式，D是它们共同的个是它们共同的个体域，若对体域，若对D上的上的任何一个解释，任何一个解释，P与与Q都有相同的真都有相同的真值值，则称公式，则称公式P和和Q在在D上是等价的上是等价的。如果。如果D是任意个是任意个体域，则称体域，则称P和和Q是等价的，记为是等价的，记为P Q。（4）德）德.摩根律摩根律(De.Morgen)（8）连接词化规律（

21、蕴含、等价等值式）连接词化规律（蕴含、等价等值式）（10）量词转换律）量词转换律 292.2.4 谓词公式的性质4.谓词公式谓词公式的永真蕴含的永真蕴含 定义定义2.7 对于谓词公式对于谓词公式P与与Q，如果，如果PQ永真，则称永真，则称公式公式P永真蕴含永真蕴含Q，且称，且称Q为为P的逻辑结论，称的逻辑结论，称P为为Q的的前提，记为前提，记为P Q。（3）假言推理）假言推理（4）拒取式推理）拒取式推理（5）假言三段论）假言三段论 302.2.4 谓词公式的性质谓词逻辑的其他推理规则谓词逻辑的其他推理规则 P规则：规则：在推理的任何步骤上都可引入前提。T规则：规则：在推理过程中，如果前面步骤中

22、有一个或多个公式永真蕴含公式S，则可把S引入推理过程中。CP规则：规则：如果能从任意引入的命题R和前提集合中推出S来，则可从前提集合推出R S来。312.2.4 谓词公式的性质 所有的人都是会死的，所有的人都是会死的，因为诸葛亮是人，因为诸葛亮是人，Human（Zhugeliang）所以诸葛亮是会死的。所以诸葛亮是会死的。Die（Zhugeliang）1 P规则规则 2 Human（Zhugeliang）P规则规则 1,2 Die（Zhugeliang）T规则规则 QQPP,)3()()(xDiexHumanx)()(xDiexHumanx322.2.4 谓词公式的性质谓词逻辑的其他推理规则：

23、谓词逻辑的其他推理规则：反证法：反证法：，当且仅当 ，即Q为P的逻辑结论，当且仅当 是不可满足的。QP FQPPQ 定理：定理：Q为 ，的逻辑结论，当且仅当 是不可满足的。1P2PnPQPPPn)(21332.2.5 一阶谓词逻辑知识表示方法谓词公式表示知识的步骤：谓词公式表示知识的步骤：（1）定义谓词及个体。）定义谓词及个体。（2）变元赋值。）变元赋值。（3）用连接词连接各个谓词，形成谓词公式）用连接词连接各个谓词，形成谓词公式。例例如：如：用一阶谓词逻辑表示下列关系数据库。用一阶谓词逻辑表示下列关系数据库。住户住户 房间房间 电话号码电话号码 房间房间Zhang 201 491 201Li

24、 201 492 201Wang 202 451 202Zhao 203 451 203OccupantTelephone34用一阶谓词表示：用一阶谓词表示：Occupant（Zhang，201）Occupant（Li，201）Occupant（Wang，202）Occupant（Zhao，203）Telephone（491，201）Telephone（492，201）Telephone（451，202）Telephone（451，203）2.2.5 一阶谓词逻辑知识表示方法2.2.5 一阶谓词逻辑知识表示方法用谓词逻辑表示下列知识：张三是学生，李四也是学生。例例1 1第一步第一步第二步第二步

25、第三步第三步定义谓词如下：ISStudent(x)：x是一个学生张三是个体 李四也是个体根据语义，用逻辑连接符连接ISStudent(张三)ISStudent(李四)将个体代入谓词中，得到 ISStudent(张三)，ISStudent(李四)2.2.5 一阶谓词逻辑知识表示方法用谓词逻辑表示下列知识：成都是一个美丽的城市，但她不是一个沿海城市。如果马亮是男孩，张红是女孩，则马亮比张红长得高。例例2 2第一步第一步第二步第二步第三步第三步定义谓词如下：BCity(x)：x是一个美丽的城市 HCity(x)：x是一个沿海城市Boy(x):x是男孩 Girl(x):x是女孩 High(x,y):x

26、比y长得高根据语义，用逻辑连接符连接BCity(wuhan)HCity(wuhan)(Boy(mal)Girl(zhangh)High(mal,zhangh)将个体代入谓词中，得到 Bcity(chengdu),HCity(chengdu),Boy(mal),Girl(zhangh),High(mal,zhangh)2.2.5 一阶谓词逻辑知识表示方法用谓词逻辑表示下列知识：人人爱劳动。自然数都是大于零的整数。所有整数，不是偶数就是奇数。例例3 3第一步第一步第二步第二步第三步第三步定义谓词如下：MAN(x)：x是人 LOVE(x，y)：x爱y N(x):x是自然数 I(x):x是整数 E(x

27、):x是偶数 O(x):x是奇数 GZ(x):x大于零根据语义，用逻辑连接符连接(x)(MAN(x)LOVE(x，labour)(x)(N(x)GZ(x)I(x)(x)(I(x)E(x)O(x)将个体代入谓词中，得到 LOVE(x，labour)382.2.6 一阶谓词逻辑表示法的特点优点：优点：自然性自然性 精确性精确性 严密性严密性 容易实现容易实现q 应用：应用：（1）自动问答系统（）自动问答系统（Green等人研制的等人研制的QA3系统）系统）（2）机器人行动规划系统（）机器人行动规划系统（Fikes等人研制的等人研制的STRIPS系统）系统）（3）机器博弈系统（）机器博弈系统（Fil

28、man等人研制的等人研制的FOL系统）系统）（4）问题求解系统（）问题求解系统（Kowalski等设计的等设计的PS系统）系统）局限性：局限性：不能表示不确定的知识不能表示不确定的知识 组合爆炸组合爆炸 效率低效率低39第2章 知识表示2.1 知识与知识表示的概念知识与知识表示的概念 2.2 一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法 2.3 产生式表示法产生式表示法 2.4 框架表示法框架表示法 2.5 语义网络表示法语义网络表示法 40 2.3 产生式表示法2.3.1 产生式产生式2.3.2 产生式系统产生式系统2.3.3 产生式系统产生式系统动物识别系统动物识别系统2.3.4 产生式表示法的特

29、点产生式表示法的特点41 2.3.1 产生式“产生式产生式”：1943年，美国数学家波斯特（年，美国数学家波斯特（E.Post）首先提出。首先提出。它使用它使用类似文法的规则类似文法的规则。用该方法求解。用该方法求解问题时的思路与人类很相似。问题时的思路与人类很相似。1972年，纽厄尔和西蒙在研究人类的认知模型中开年，纽厄尔和西蒙在研究人类的认知模型中开发了发了基于规则的产生式系统基于规则的产生式系统。目前目前大部分的专家系大部分的专家系统都采用产生式系统的结构来构建统都采用产生式系统的结构来构建。产生式通常用于表示产生式通常用于表示事实、规则事实、规则以及它们的以及它们的不确定不确定性度量性

30、度量，适合于表示事实性知识和规则性知识。，适合于表示事实性知识和规则性知识。422.3.1 产生式1.确定性确定性规则知识规则知识的产生式表示的产生式表示2.不确定性规则知识的产生式表示不确定性规则知识的产生式表示 基本形式：IF P THEN Q 或者：例如：r4：IF 动物会飞 AND 会下蛋 THEN 该动物是鸟QP 基本形式：IF P THEN Q（置信度）或者：（置信度）例如：例如：IF 发烧发烧 THEN 感冒感冒 （0.6）QP 432.3.1 产生式3.确定性确定性事实性知识事实性知识的产生式表示的产生式表示4.不确定性事实性知识不确定性事实性知识的产生式表示的产生式表示 三元

31、组表示：（对象，属性，值）（对象，属性，值）或者：（关系，对象（关系，对象1，对象，对象2）例：老李年龄是40岁：（Li，age，40）老李和老王是朋友：（friend，Li，Wang）四元组表示：（对象，属性，值，置信度）（对象，属性，值，置信度）或者：（关系，对象（关系，对象1，对象，对象2，置信度），置信度）例：老李年龄很可能是40岁：（Li，age，40，0.8）老李和老王不大可能是朋友：（friend，Li，Wang，0.1）442.3.1 产生式产生式与谓词逻辑中的蕴含式的区别：产生式与谓词逻辑中的蕴含式的区别：（1）除逻辑蕴含外，）除逻辑蕴含外，产生式还包括各种操作、规则、产生式

32、还包括各种操作、规则、变换、算子、函数等变换、算子、函数等。例如，。例如，“如果炉温超过上限，如果炉温超过上限，则立即关闭风门则立即关闭风门”是一个产生式，但不是蕴含式。是一个产生式，但不是蕴含式。（2）蕴含式只能表示精确知识，而产生式不仅可以表蕴含式只能表示精确知识，而产生式不仅可以表示精确的知识，还可以表示不精确知识示精确的知识，还可以表示不精确知识。蕴含式的。蕴含式的匹配总要求是精确的。产生式匹配可以是精确的，匹配总要求是精确的。产生式匹配可以是精确的，也可以是不精确的，只要按某种算法求出的相似度也可以是不精确的，只要按某种算法求出的相似度落在预先指定的范围内就认为是可匹配的。落在预先指

33、定的范围内就认为是可匹配的。452.3.1 产生式产生式的形式描述及语义产生式的形式描述及语义巴科斯范式巴科斯范式BNF（backus normal form）:=:=|:=|:=ANDAND|OROR:=(，)符号符号“:=”表示表示“定义为定义为”；符号；符号“|”表示表示“或者或者是是”；符号；符号“”表示表示“可缺省可缺省”。462.3.2 产生式系统控 制规则库推理机综合数据库产生式系统的基本结构472.3.2 产生式系统1.规则库规则库2.综合数据库综合数据库 规则库规则库:用于描述相应领域内知识的产生式集合。综合数据库综合数据库(事实库、上下文、黑板等)：一个用于存放问题求解过程

34、中各种当前信息的数据结构。3控制系统控制系统 控制系统控制系统（推理机构）：由一组程序组成，负责整个产生式系统的运行，实现对问题的求解。482.3.2 产生式系统3控制系统（续）控制系统（续）控制系统要做以下几项工作：（1）从规则库中选择与综合数据库中的已知事实进行匹配。（2）匹配成功的规则可能不止一条，进行冲突消解。（3）执行某一规则时，如果其右部是一个或多个结论，则把这些结论加入到综合数据库中：如果其右部是一个或多个操作，则执行这些操作。（4）对于不确定性知识，在执行每一条规则时还要按一定的算法计算结论的不确定性。（5）检查综合数据库中是否包含了最终结论，决定是否停止系统的运行。492.3

35、.3 产生式系统的例子动物识别系统例如：动物识别系统例如：动物识别系统识别识别虎、金钱豹、斑马、长颈虎、金钱豹、斑马、长颈鹿、鸵鸟、企鹅、信天翁鹿、鸵鸟、企鹅、信天翁等七种动物的产生式系统。等七种动物的产生式系统。502.3.3 产生式系统的例子动物识别系统规则库：规则库：r1：IF 该动物有毛发该动物有毛发 THEN 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物r2：IF 该动物有奶该动物有奶 THEN 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物r3：IF 该动物有羽毛该动物有羽毛 THEN 该动物是该动物是鸟鸟r4：IF 该动物会飞该动物会飞 AND 会下蛋会下蛋 THEN 该动物是该动物是鸟鸟r5：IF 该动

36、物吃肉该动物吃肉 THEN 该动物是该动物是食肉动物食肉动物r6：IF 该动物有犬齿该动物有犬齿 AND 有爪有爪 AND 眼盯前方眼盯前方 THEN 该动物是该动物是食肉动物食肉动物r7：IF 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 AND 有蹄有蹄 THEN 该动物是该动物是有蹄类动物有蹄类动物r 8：IF 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 AND 是反刍动物是反刍动物 THEN 该动物是该动物是有蹄类动物有蹄类动物512.3.3 产生式系统的例子动物识别系统r9：IF 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 AND 是食肉动物是食肉动物 AND 是黄褐色是黄褐色 AND 身上有暗斑点身上有暗斑点 T

37、HEN 该动物是该动物是金钱豹金钱豹 r10：IF 该动物是哺乳动物该动物是哺乳动物 AND 是食肉动物是食肉动物 AND 是黄褐色是黄褐色 AND 身上有黑色条纹身上有黑色条纹 THEN 该动物是该动物是虎虎 r11：IF 该动物是有蹄类动物该动物是有蹄类动物 AND 有长脖子有长脖子 AND 有长腿有长腿 AND 身上有暗斑点身上有暗斑点 THEN 该动物是该动物是长颈鹿长颈鹿 r 12：IF 该动物有蹄类动物该动物有蹄类动物 AND 身上有黑色条纹身上有黑色条纹 THEN 该动物是该动物是斑马斑马r13：IF 该动物是鸟该动物是鸟 AND 有长脖子有长脖子 AND 有长腿有长腿 AND

38、不会飞不会飞 AND 有黑白二色有黑白二色 THEN 该动物是该动物是鸵鸟鸵鸟r14：IF 该动物是鸟该动物是鸟 AND 会游泳会游泳 AND 不会飞不会飞 AND 有黑白二色有黑白二色 THEN 该动物是该动物是企鹅企鹅 r15：IF 该动物是鸟该动物是鸟 AND 善飞善飞 THEN 该动物是该动物是信天翁信天翁522.3.3 产生式系统的例子动物识别系统 设已知初始事实存放在综合数据库综合数据库中：该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，奶，蹄该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，奶，蹄 推理机构的工作过程推理机构的工作过程：（1）从规则库中取出r1，检查其前提是否可与综合数据库中的已知事实匹配

39、。匹配失败则r1不能被用于推理。然后取r2进行同样的工作。匹配成功则r2被执行。综合数据库综合数据库 ：该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，奶，蹄，该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，奶，蹄，哺哺乳动物乳动物 532.3.3 产生式系统的例子动物识别系统（2）分别用r3，r4，r5，r6综合数据库中的已知事实进行匹配，均不成功。r7匹配成功，执行r7。综合数据库：综合数据库：该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，奶，蹄，哺该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，奶，蹄，哺乳动物，乳动物，有蹄类动物有蹄类动物（3）r11匹配成功，并推出“该动物是长颈鹿”。推理机构的工作过程推理机构的工作过程：54暗斑

40、点长脖子长腿奶蹄哺乳动物r2有蹄类动物r7长颈鹿r112.3.3 产生式系统的例子动物识别系统552.3.4 产生式表示法的特点1.产生式表示法的优点产生式表示法的优点（1）自然性）自然性（2）模块性）模块性（3）有效性）有效性（4）清晰性）清晰性 2.产生式表示法的缺点产生式表示法的缺点（1）效率不高）效率不高（2）不能表达结构性知识）不能表达结构性知识 3.适合产生式适合产生式表示的知识表示的知识（1）领域知识间关系不密切，）领域知识间关系不密切，不存在结构关系不存在结构关系。（2）经验性及不确定性的知识，）经验性及不确定性的知识，且且相关领域中对这些知识没有相关领域中对这些知识没有严格、

41、统一的理论严格、统一的理论。（3）领域问题的）领域问题的求解过程可被求解过程可被表示为一系列相对独立的操作表示为一系列相对独立的操作，且每个操作且每个操作可被表示为一条或可被表示为一条或多条产生式规则。多条产生式规则。56第2章 知识表示2.1 知识与知识表示的概念知识与知识表示的概念 2.2 一阶谓词逻辑表示法一阶谓词逻辑表示法 2.3 产生式表示法产生式表示法 2.4 框架表示法框架表示法 2.5 语义网络表示法语义网络表示法 57 2.4 框架表示法1975年，美国明斯基提出了框架理论：人们对现实年，美国明斯基提出了框架理论：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世界中各

42、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。构存储在记忆中的。框架表示法：一种结构化的知识表示方法，已在多框架表示法：一种结构化的知识表示方法，已在多种系统中得到应用。种系统中得到应用。582.4.1 框架的一般结构框架框架（frame）：一种描述所论对象（一个事物、事件或概念）属性的数据结构。一个框架由若干个被称为“槽”（slot）的结构组成，每一个槽又可根据实际情况划分为若干个“侧面”（faced）。一个槽用于描述所论对象某一方面的属性。一个侧面用于描述相应属性的一个方面。槽和侧面所具有的属性值分别被称为槽值和侧面值。592.4.1 框架的一般结构 槽名槽名1：侧面名侧面名11

43、侧面值侧面值111，侧面值，侧面值11P1 侧面名侧面名1m 侧面值侧面值1m1，侧面值，侧面值1mPm 槽名槽名n：侧面名侧面名n1 侧面值侧面值n11，侧面值，侧面值n1P1 侧面名侧面名nm 侧面值侧面值nm1，侧面值，侧面值nmPm约束：约束：约束条件约束条件1 约束条件约束条件n602.4.2 用框架表示知识的例子 框架名：框架名：教师教师 姓名：单位（姓、名）姓名：单位（姓、名）年龄：单位（岁）年龄：单位（岁）性别：范围（男、女）性别：范围（男、女）缺省：男缺省：男 职称：范围（教授，副教授，讲师，助教）职称：范围（教授，副教授，讲师，助教）缺省：讲师缺省：讲师 部门：单位（系，教

44、研室）部门：单位（系，教研室）住址：住址：住址框架住址框架 工资：工资：工资框架工资框架 开始工作时间：单位（年、月）开始工作时间：单位（年、月）截止时间：单位（年、月）截止时间：单位（年、月）缺省：现在缺省：现在 例例1 教师框架教师框架612.4.2 用框架表示知识的例子 框架名：框架名：教师教师-1 姓名：夏冰姓名：夏冰 年龄：年龄：36 性别：女性别：女 职称：副教授职称：副教授 部门：计算机系软件教研室部门：计算机系软件教研室 住址：住址：adr-1 工资：工资：sal-1 开始工作时间：开始工作时间：1988，9 截止时间：截止时间：1996，7 例例2 教师框架教师框架当把具体的

45、信息填入槽或侧面后，就得到了相应框架的一个事例框架。事例框架。622.4.2 用框架表示知识的例子框架名：框架名：教室教室 墙数：墙数：窗数：窗数：门数：门数：座位数：座位数：前墙：前墙：墙框架墙框架 后墙：后墙：墙框架墙框架 左墙：左墙：墙框架墙框架 右墙：右墙：墙框架墙框架 门：门：门框架门框架 窗：窗：窗框架窗框架 黑板：黑板：黑板框架黑板框架 天花板：天花板：天花板框架天花板框架 讲台：讲台：讲台框架讲台框架 例例3 教室框架教室框架632.4.2 用框架表示知识的例子例例4 将下列一则地震消息用框架表示：将下列一则地震消息用框架表示：“某年某月某某年某月某日，某地发生日，某地发生6.

46、0级地震，若以膨胀注水孕震模式为标级地震，若以膨胀注水孕震模式为标准，则三项地震前兆中的波速比为准，则三项地震前兆中的波速比为0.45，水氡含量为，水氡含量为0.43，地形改变为，地形改变为0.60。”解：地震消息用框架如下图所示。解：地震消息用框架如下图所示。框架名：框架名：地震地震 地地 点：某地点：某地 日日 期：某年某月某日期：某年某月某日 震震 级：级：6.0 波波 速速 比：比：0.45 水氡含量：水氡含量：0.43 地形改变：地形改变：0.60 642.4.2 用框架表示知识的例子2.4.2 用框架表示知识的例子2023-7-152023-7-152023-7-15框架名：物体：

47、立方体 视状：六角形 上面：面A斜视图（L1，L2，L3，L4）下左面：面B斜视图（L5，L4，L6，L8）下右面：面C斜视图（L3，L7，L9，L6）边：L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，L8，L9 姿态：平卧 负载面：A 接地面：B，C分析分析框架名：“积木上方斜视图”含有10个槽，槽名分别为：“物体”、“视角”、“视状”、“上面”。槽名后面是其槽值。例例5“立方体积木块立方体积木块”的框架的框架2.4.3框架系统的推理匹配匹配 对一个给定的问题，框架推理主要完成两种推理活动：对一个给定的问题，框架推理主要完成两种推理活动：填槽填槽根据已知事实寻找合适的候选框架。根据已知事实寻找合

48、适的候选框架。填写候选框架中未知槽值，从而寻找出未被给出或尚未发填写候选框架中未知槽值，从而寻找出未被给出或尚未发现的事实。现的事实。2.4.3框架系统的推理框架名：类属：姓名：彭嘉 性别：男 年龄：53 职业：职称：教授 部门：计算机系 研究方向：计算机应用 参加工作时间:1981年7月 工龄：当前年份-1981 工资：举例举例当前要解决的问题：从知识库中找出满足下面条件的教师:男性，年龄50以上，职称为教授按上述条件,可得框架：框架名：框架名：姓名：姓名：性别：男性别：男 年龄：年龄：职业：职业：职称：教授职称：教授分析分析找到例例6 62.4.3框架系统的推理（3 3）使用一种评价准则）

49、使用一种评价准则(或方法或方法)对于初选框架进行评价，对于初选框架进行评价，以便决定是否接受它。以便决定是否接受它。（1 1）把待解决的问题用一个框架表示出来。）把待解决的问题用一个框架表示出来。（4 4）若可接受，则与问题框架空槽相匹配的事实就是）若可接受，则与问题框架空槽相匹配的事实就是问题解。否则从下面的预选框架选出最合适的预选框架问题解。否则从下面的预选框架选出最合适的预选框架，作为初选框架。转，作为初选框架。转(3);(3);否则未找到，结束匹配。否则未找到，结束匹配。（2 2）与知识库中预先存储的框架进行匹配，即逐槽比较，从）与知识库中预先存储的框架进行匹配，即逐槽比较，从中找出中

50、找出 一个或几个最合适的预选框架，作为初选框架。一个或几个最合适的预选框架，作为初选框架。2.4.3框架系统的推理 推理过程中填槽的方式有4种：查询、默认、继承和附加过程计算。查询：是指使用系统前面推理得出的中间结果或需录入数据库中的数据。默认和继承方式：直接填槽，不需推理。附加过程计算：需通过特定领域的知识进行推理。702.4.4 框架表示法的特点（1）结构性结构性 便于表达结构性知识，能够将知识的内部结构关系便于表达结构性知识，能够将知识的内部结构关系及知识间的联系表示出来。及知识间的联系表示出来。（2）继承性）继承性 框架网络中，下层框架可以继承上层框架的槽值，框架网络中，下层框架可以继