1、第6章 知识表示,6.1 知识及其表示 6.2 框 架6.3 语义网络6.4 面向对象知识表示,6.1 知识及其表示,6.1.1 知识的概念 究竟什么是知识呢？我们认为: 知识就是人们对客观事物（包括自然的和人造的）及其规律的认识，知识还包括利用客观规律解决实际问题的方法和策略。 对客观事物及其规律的认识，包括对事物的现象、本质、属性、状态、关系、联系和运动等的认识，即对客观事物的原理的认识。 利用客观规律解决实际问题的方法和策略，包括解决问题的步骤、操作、规则、过程、技术、技巧等具体的微观性方法；也包括诸如战术、战略、计谋、策略等宏观性方法。 所以，就内容而言，知识可分为（客观）原理性知识和
2、（主观）方法性知识两大类。 就形式而言，知识可分为显式的和隐式的。,6.1.2 知识表示 面向计算机的知识描述或表达形式和方法。 面向人的知识表示可以是语言、文字、数字、符号、公式、图表、图形、图像等多种形式。这些表示形式是人所能接受、理解和处理的形式。但面向人的这些知识表示形式，目前还不能完全直接用于计算机，因此就需要研究适于计算机的知识表示模式。 具体来讲，就是要用某种约定的（外部）形式结构来描述知识，而且这种形式结构还要能够转换为机器的内部形式，使得计算机能方便地存储、处理和利用。,6.1.3 知识表示的语言实现 上面谈的知识表示仅指知识的逻辑结构或形式。要把这些外部的逻辑形式转化为机器
3、的内部形式，还需要程序语言支持。 原则上讲，一般的通用程序设计语言都可实现上述的大部分表示方法。但使用专用的面向某一知识表示的语言更为方便和有效。因此，几乎每一种知识表示方法都有其相应的专用实现语言。 例如，支持谓词逻辑的语言有PROLOG和LISP，专门支持产生式的语言有OPS5，专门支持框架的语言有FRL，支持面向对象表示的语言有Smalltalk、C+和Java等，支持神经网络表示的语言有AXON.,6.2 框 架,6.2.1 框架的概念 框架是一种结构模式，其一般形式是: | | | 其中槽值和侧面值可以是数值、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的名字。,例
4、6.1 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:(中师，高师)类型:(，),可以看出，这个框架的名字为“教师”，它含有5个槽，槽名分别是“类属”、“工作”、“性别”、“学历”和“类型”。这些槽名的右面就是其值，如“”、“男”、“女”、“高师”、“中师”等等。其中“”又是一个框架名，“范围”、“缺省”就是侧面名，其后是侧面值，如：“教学”、“科研”等。 用括的槽值也是框架名。,例6.2 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
5、省:英水平:(优，良，中，差)缺省:良,描述一个具体教师的框架:框架名:类属:姓名:李明性别:男年龄:25学历：博士职称:助教专业:计算机应用外语：英水平：良部门:计算机系软件教研室工作:参加工作时间:1995年8月工龄:当前年份-参加工作年份工资:,可以看出，两个框架之间存在一种层次关系。一般称前者为上位框架（或父框架），后者为下位框架（或子框架）。当然，上位和下位是相对而言的。,6.2.2 框架的表达能力 由框架的形式可以看出，框架适合表达结构性的知识。所以，概念、对象等知识最适于用框架表示。其实，框架的槽就是对象的属性或状态，槽值就是属性值或状态值。 框架还可以表示行为（动作），所以，有
6、些过程性事件或情节也可用框架网络来表示。,例6.4 关于房间的框架:框架名:墙数x1: 缺省:x1=4 条件:x10窗数x2: 缺省:x2=2 条件:x20门数x3: 缺省:x3=1 条件:x30,前墙:(墙框架(w1，d1)后墙:(墙框架(w2，d2)左墙:(墙框架(w3，d3)右墙:(墙框架(w4，d4)天花板:地板:门:窗:条件:w1+w2+w3+w4=x2d1+d2+d3+d4=x3类型:(，),例6.5 机器人纠纷问题的框架描述。,图61 机器人纠纷问题,产生式规则也可用框架表示。 例: 产生式 如果头痛且发烧，则患感冒。 用框架表示可为： 框架名： 前提：条件1:头痛 条件2:发烧
7、 结论:患感冒,6.2.3 基于框架的推理 基于框架的推理方法是继承:子框架可以拥有其父框架的槽及其槽值。 实现继承的操作有匹配、搜索和填槽。 匹配:问题框架同知识库中的框架模式匹配。所谓问题框架，就是要求解某个问题时，先把问题用一个框架表示出来，然后与知识库中的已有框架进行匹配。如果匹配成功，就可获得有关信息。 搜索就是沿着框架间的纵向和横向联系，在框架网络中进行查找。搜索的目的是为了获得有关信息。,6.2.4 框架的程序语言实现 PROLOG可方便地实现框架。用PROLOG实现框架表示，一般采用含结构或表的谓词来实现。因为框架实际上就是树，而PROLOG的结构也是树.表的元素个数和层数都不
8、限定，可动态变化，因此，更适于表示一般的框架。例如，前面的“教师”框架用PROLOG可表示如下: frame(name(教师)， kind_of()， work(scope(教学，科研)，default(教学)， sex(男，女)， reco_of_f_s(中师，高师)， type(“”，“”，“”).,框架的通用表示形式参考:其中的subtreelist是递归定义的。按此定义所有框架都取统一的表示形式。 domains name=name(string) body=body(subtreelist) subtreelist=subtree* subtree=st(string，subtree
9、list)database frame(name，body)clauses frame(name(“教师”)， body(st(“类属”，st(“”，)， st(“工作”，st(“范围”，st(“教学”，)， st(科研，)，st(缺省，st(教学，)， st(性别，st(男，)，st(女，)， st(学历，st(中师，)，st(高师，)， st(类型，st(，)，st(，)， st(),6.3 语义网络,6.3.1 语义网络的概念 语义网络是由节点和边（也称有向弧）组成的一种有向图。其中节点表示事物、对象、概念、行为、性质、状态等；有向边表示节点之间的某种联系或关系。例如图是一个语义网络。其
10、中，边上的标记是边的语义。,图62 苹果的语义网络,语义网络的概念最先由Quillian提出来的(1968年,博士论文):把语义网络作为人类联想记忆的一个显式心理模型。所以，语义网络也称联想网络。语义网络可以划分为五个级别：执行级、逻辑级、认识论级、概念级和语言学级。七种类型： (1)命题语义网（包括分块联想网络）； (2)数据语义网：以数据为中心的语义网络； (3)语言语义网：用于自然语言的分析和理解； (4)结构语义网：描述客观事物的结构，常见于模式识别和机器学习等领域； (5)分类语义网：描述抽象概念及其层次； (6)推理语义网：是一种命题网，但它已在某种程度上规范化，更适于推理； (7
11、)框架语义网：与框架相结合的,6.3.2 语义网络的表达能力 语义网络不仅可以表示事物的属性、状态、行为等，而且更适合于表示事物之间的关系和联系。而表示一个事物的层次、状态、行为的语义网络，也可以看作是该事物与其属性、状态或行为的一种关系。 抽象地说，语义网络可表示事物之间的关系。因此，关系（或联系）型的知识和能化为关系型的知识都可以用语义网络来表示。,1.实例关系 实例关系表示类与其实例（个体）之间的关系。这是最常见的一种语义关系。例如，“小华是一个大学生”就可表示为图64。其中，关系“是一个”一般标识为“is-a”，或ISA。,2.分类（或从属、泛化）关系 分类关系是指事物间的类属关系，图
12、65就是一个描述分类关系的语义网络。其中下层概念节点除了可继承、细化、补充上层概念节点的属性外，还出现了变异的情况：鸟是鸵鸟的上层概念节点，其属性是“有羽毛”、“会飞”，但鸵鸟的属性只是继承了“有羽毛”这一属性，而把鸟的“会飞”变异为“不会飞”。其中，关系“是一种”一般标识为“a kind of”或AKO。,3.组装关系 如果下层概念是上层概念的一个方面或者一部分，则称它们的关系是组装关系。例如图66所示的语义网络就是一种聚集关系。其中，关系“一部分”一般标识为“a part of”。,桌子,桌腿,桌面,一部分,a part of,4.属性关系 属性关系表示对象的属性及其属性值。如图表示sim
13、on是一个人，男性，40岁，职业是教师。,张三,计算机学会,是成员,5.集合与成员关系 意思是“是的成员”，它表示成员（或元素）与集合之间的关系。例如，“张三是计算机学会会员” 。其中，关系“是成员”一般标识为“a-member-of”。,6.逻辑关系 如果一个概念可由另一个概念推出，两个概念间存在因果关系，则称它们之间是逻辑关系。图69所示的语义网络就是一个逻辑关系。,7.方位关系 在描述一个事物时，经常需要指出它发生的时间、位置，或者指出它的组成、形状等等，此时可用相应的方位关系语义网络表示。例如事实： 张宏是石油学院的一名助教； 石油学院位于西安市电子二路； 张宏今年25岁。,8.所属关
14、系 所属关系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”,图611 表示所属关系的语义网络,狗,尾巴,have,语义网络中的语义关系是多种多样的，一般根据实际关系定义。如常见的还有before、after、at等表示时间次序关系和located-on、located-under等表示位置关系。进一步，还可对带有全称量词和存在量词的谓词公式的语义加以表示。 语义网络实际上是一种复合的二元关系图。网络中的一条边就是一个二元关系，而整个网络可以看作是由这些二元关系拼接而成。,还可以从语句角度来考察语义网。 例如，对于如下的语句(或事件)： 小王送给小李一本书。 用语义网络可表示如图，其中S代表整个语句。这种
15、表示被称为是自然语言语句的深层结构表示。,语义网络表示用谓词公式表示的形式语言语句。例如： x(student(x)read(x，三国演义) 即“某个学生读过三国演义”，其语义网络表示为：,分块语义网络,“每个学生都读过三国演义”：其语义网络表示为：,6.3.3 基于语义网络的推理 基于语义网络的推理也是继承。继承也是通过匹配、搜索实现的。问题求解时，首先根据待求问题的要求构造一个网络片断，然后在知识库中查找可与之匹配的语义网络，当网络片断中的询问部分与知识库中的某网络结构匹配时，则与询问处匹配的事实，就是问题的解。,语义网络片段,6.3.4 语义网络的程序语言实现 由于语义网络是一个二元关系
16、图，所以用PROLOG可方便地实现语义网络知识表示。 例如，图61所示的语义网络用PROLOG可表示如下: a_kind_of(苹果，水果). taste(苹果，甜). a_kind_of(富士，苹果). intro_from(富士，日本). is_a(日本，亚洲国家).,a-kind-of(秦冠，苹果). produ-in(秦冠，陕西). is-located-at(陕西，中国西部). a-part-of(中国西部，中国). 也可以表示为 arc(a-kind-of，苹果，水果). arc(taste，苹果，甜). arc(a-kind-of，富士，苹果). arc(intro-from，富
17、士，日本). arc(is-a，日本，亚洲国家).,arc(a-kind-of，秦冠，苹果). arc(produ-in，秦冠，陕西). arc(is-located-at，陕西，中国西部). arc(a-part-of，中国西部，中国). 也可以将一个网络或网络片段组织在一个事实中。例如： net1( a-kind-of(“苹果”，“水果”)，taste(“苹果”，“甜”)，a-kind-of(“秦冠”，“苹果”)，produ-in(秦冠，陕西).,6.4 面向对象知识表示,近年来，在知识表示领域则出现了面向对象的知识表示方法。 面向对象技术中的核心概念是对象和类。对象可以泛指一切事物，类则
18、是一类对象的抽象模型。反之，一个对象是其所属类的实例。通常，在面向对象的程序设计语言中，只给出类的定义，其对象由类生成。 类的定义中就说明了所辖对象的共同特征（属性、状态等）和行为。特征用变量表示，行为则是作用于这些特征和作用于对象的一组操作，如函数、过程等。这些操作一般称为方法。这样，一个类将其对象所具有的共同特征和操作组织在一起，统一进行定义，以供全体对象共享。即当给类中的特征变量赋予一组值时，则这组值连同类中的方法，就构成了一个具体的对象。,例 C+中一个雇员类和经理类的定义。 class Employee privite: char *Name; int Age; int Salary
19、; public: Employee(char*name，int age，int salary); Employee(); void Change(int age,int salary); void Retire(); ,EmployeeEmployee(char*name，int age，int salary)Name=new charstrlen(name); strcpy(Name，name); Age=age; Salary=salary; EmployeeEmployee() delete Name;= ,Void EmployeeChange(int age，int salary)
20、Age=age; Salary=salary;Void EmployeeRetire()if(Age60) delete this;以上是雇员类的定义，用此定义就可生成一个雇员类的实例，即雇员对象。例如下面的语句 Employeee1(“李明”，30)生成一个名为李明，年龄为30岁的雇员。,经理类的定义。 Class Manager:public Employee Int Level; public: Manager(char*name，int age，int salary，int level); Manager(); Void Change Level(int n); 由于经理类是雇员类的一个子类，所以，经理类就继承了雇员类的全部属性和行为。这两个类之间也就构成了一种层次关系。,一般认为，面向对象知识表示是最结构化的知识表示方法。面向对象知识表示很类似于框架，知识可以使用类按一定层次形式来组织。由于面向对象知识表示还具有封装特性，从而使知识更加模块化。所以，用面向对象方法表示的知识相当结构化和模块化，而且容易理解和管理。因此，这种方法特别适合于大型知识库的开发和维护。,
