第3章知识与知识表示l主要内容有关知识和知识表达的基本概念常用的知识表达方式一阶微词逻辑产生式框架语义网络脚本过程表示法面向对象
基本概念•数据与信息数据–信息的符号化表达。信息–数据的语义。•知识把有关信息关联在一起形成的信息结构。雪是白色的。如果大雁向南飞，则冬天就要来临了。如果一个单词是名/懂兼类，并且其左边是“的”，则应取名词词性。
l知识的特性相对正确性不确定性由随机性引起的不确定性由模糊性引起的不确定性由不完全性引起的不确定性由经验性引起的不确定性可表示性与可利用性
l知识的分类按作用范围分常识性知识领域性知识按作用事实性知识过程性知识控制性知识按确定性分确定性知识不确定性知识
l知识的表示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。两大类表示法：符号表示法，连接机制表示法。按控制性知识的组织方式分：说明性表示，过程性表示。选择知识表示法时要考虑的因素充分表示领域知识有利于对知识的利用便于对知识的组织，维护与管理便于理解与实现
命题逻辑•命题：具有真假意义的语句。•在命题逻辑中，原子命题用符号表示。（命题常量，命题变元）•复杂命题通过原子命题之间的逻辑运算来表达–命题公式。与(∧),或(∨),非(¬),→逻辑蕴含
命题逻辑P-老李是小李的父亲，Q-小李是小小李的父亲，R-老李是小小李的爷爷P∧Q→R命题逻辑的缺点：无法描述命题的内部结构，从而无法描述不同命题之间的结构共性。
一阶谓词逻辑表示法•命题用谓词表示•谓词（谓词逻辑中命题的表达方式）分成两部分：谓词名和个体，个体表示对象，概念或者事物，谓词名表示个体之间的关系，个体所具有的性质，状态，或者个体的动作行为。FATHER(老李，小李)FATHER(小李，小小李)GRANDFATHER(老李，小小李)
一阶谓词逻辑表示法•个体可以是常量，也可以是变元，还可以是函数Greater(x,5)Greater(sin(x), 5)Greater(5, 10)
一阶谓词逻辑表示法•谓词中变元的个数称为谓词的元数P(x1, x2, …, xn) –n元谓词•在谓词中，如果每个个体都是常量，变元或者函数，则称为一阶谓词。如果变元本身又是一阶谓词，则称为二阶谓词。…•个体变元的取值范围成为个体域。•个体常量，个体变元和函数统称为项。
一阶谓词逻辑表示法•复杂的命题用命题及运算符构成的公式来表示-谓词公式。┐非∧合取∨析取→蕴含，条件↔双条件，当切仅当优先级：┐，∧，∨，→，↔
一阶谓词逻辑表示法P Q┐PP∧QP ∨QP→QP↔QT TFTTTTT FFFTFFF TTFTTFF FTFFTT
一阶谓词逻辑表示法•谓词公式中还可以包含量词∃存在量词∀全称量词(∃x)P(x)(∀x)P(x)(∀x)(∀y)(∀z)(Father(x,y) ∧Father(y,z) →Grandfather(x,z))量词的辖域，约束变元，自由变元
一阶谓词逻辑表示法•谓词公式（定义）可按下述规则得到谓词演算的合式公式：（1）单个谓词是合式公式，成为原子谓词公式；（2）若A是合式公式，则┐A也是合式公式；（3）若A,B是合式公式，则A∧B, A∨B, A→B, A↔B也都是合式公式；（4）若A是合式公式，x是任一个体变元，则(∀x)A和(∃x)A也都是合式公式。
一阶谓词逻辑表示法l知识表示方法事实用含有与，或，非的谓词公式表示雪是白色的。white(snow)规则用蕴含式表示如果x，那么yxy针对原子命题，定义谓词，确定语义，复杂命题用谓词公式表示。
l例1刘欢比他父亲出名。XX比XX出名高扬是计算机系的一名学生，但他不喜欢编程序。XX是计算机系的一名学生XX喜欢XX人人爱劳动。XX是人XX爱XX定义谓词：BIGGER(x，y) x比y出名COMPUTER(x) x是计算机系的一名学生LIKE(x，y) x喜欢yLOVE(x，y) x爱yMAN(x) x是人
定义函数：father(x)BIGGER(Liuhuan, father(Liuhuan)) COMPUTER(Gaoyang)∧~LIKE(Gaoyang, programming)(∀x)(MAN(x)→LOVE(x, labour))
l例2自然数都是大于零的整数。XX是自然数XX大于零XX是整数所有整数不是偶数就是奇数。XX是偶数XX是奇数偶数除以2是整数。函数s(x)表示x的二分之一
定义谓词N(x)：x是自然数GZ(x)：x大于零I(x)：x是整数E(x)：x是偶数O(x)：x是奇数(∀x)(N(x)→GZ(x) ∧I(x))(∀x)(I(x) →E(x)∨O(x))(∀x) (E(x)→I(s(x)))
l例 b
初始状态：机器人在c处机器人手是空的盒子在a桌子上终止状态：机器人在c处机器人手是空的盒子在b桌子上
可以对机器人进行的控制移动机器人从一个位置到另一个位置；机器人拿起旁边桌上的盒子；机器人把手中的盒子放在旁边的桌子上。定义表示状态的谓词TABLE(x)EMPTY(y)AT(y,z)HOLDS(y,w)ON(w,x)
定义表示动作的谓词GOTO(x,y)AT(robot, x) -AT(robot, x) +AT(robot, y)PICK-UP(x)ON(box, x) ∧TABLE(x) ∧AT(robot, x) ∧EMPTY(robot)-EMPTY(robot) ∧ON(box, x)+HOLDS(robot, box)SET-DOWN(x)AT(robot, x) ∧TABLE(x) ∧HOLDS(robot, box)-HOLDS(robot, box)+EMPTY(robot) ∧ON(box, x)
AT(robot, c)EMPTY(robot)ON(box, a)TABLE(a)TABLE(b)GOTO(x, y)AT(robot, a)EMPTY(robot)ON(box, a)TABLE(a)TABLE(b)PICK-UP(x)AT(robot, a)HOLDS(robot, box)TABLE(a)TABLE(b)GOTO(x,y)
AT(robot, b)HOLDS(robot, box)TABLE(a)TABLE(b)SET-DOWN(x)AT(robot, b)EMPTY(robot)ON(box, b)TABLE(a)TABLE(b)GOTO(x, y)AT(robot, c)EMPTY(robot)ON(box, b)TABLE(a)TABLE(b)
l一阶谓词逻辑表示法的特点自然性–对人来说自然明确性–语义明确精确性–表示确定性知识严密性–有理论基础灵活性–知识与程序分离模块性–规则之间联系松散容易实现–Prolog语言不能表示不确定性的知识–表达能力差组合爆炸效率低
产生式表示法l用产生式很容易描述事实，规则（因果关系）以及它们的不确定性程度l事实表达事实为命题（陈述句），描述事物的属性，事物之间的关系，场景，动作等可以用三元组，或四元组，…等来表示（对象，属性，值）（Li Age 35）（Snow Color White）
如果描述不确定性，则可用四元组：（Snow Color White ）或者（关系对象1 对象2）(Friend Zhang Wang)（动作主体客体）……要求能准确表达命题，具有明确的语义，不存在矛盾。
l产生式的基本形式P→QIF P THEN QIF 动物会飞AND 会生蛋THEN 该动物是鸟与一阶谓词逻辑中的蕴涵（）不同
l产生式系统把一组产生式规则放在一起，让它们互相配合，协同作用，一个产生式生成的结论可以供另一个产生式作为事实使用，以求得问题的解决，这样的系统称为产生式系统。控制系统规则库综合数据库
综合数据库：初始条件，用户交互过程中输入的中间证据，推理过程中的中间结论，最终结论事实的集合规则库：产生式规则的集合，是产生式系统的核心规则库与综合数据库构成知识库。
控制系统(推理机)：负责从综合数据库中提取事实，从规则库中选择规则，进行推理，目的是得到最终结论。主要工作：数据库与规则匹配，选取合适的规则；冲突消解；执行所选择规则的推理等，主要涉及推理方式和控制策略。推理方式：正向推理，逆向推理，双向推理控制策略：回溯，深度优先，广度优先，…P39 –40 例
P40产生式系统的基本过程产生式系统的控制策略不可撤回方式（相当于深度优先搜索）试探性方式（回溯，图搜索）
产生式按照推理方向分类正向推理–数据驱动方式逆向推理–目标驱动方式双向推理
l产生式系统的分类按规则库及综合数据库的性质及特征，分为：可交换的产生式系统，可分解的产生式系统，可恢复的产生式系统。可交换的产生式系统规则的使用次序是无关紧要的。{a, b, c} {a, b, c, a×b, b×c, a×c}IF {a, b, c} THEN {a, b, c, a×b}IF {a, b, c} THEN {a, b, c, b×c}IF {a, b, c} THEN {a, b, c, a×c}
可交换产生式系统的性质：（1）RS为可应用于Dbi的规则集合，则应用其中某个规则R后，变成DBi+1，RS仍然适用；（2）使用规则序列r1, r2, …,rk，得到综合数据库DBk，改变次序后，仍然可以得到DBk；（3）若Dbi满足目标条件，则应用RS中的任意规则，得到Dbi+1仍然满足目标条件无须回溯实际很少能满足这些条件
可分解的产生式系统IF C THEN {D, L}IFＣTHEN {B, M}IF B THEN {M, M}IF Z THEN {B, B, M}{C, B, Z} {M, M, …, M}
{C, B, Z}{C}{B}{Z}{D, L}{B, M}{M, M}{B, B, M}{D}{L}{B}{M}{M}{M}{B}{M}{B}{M, M}{M, M}{M, M}{M}{M}{M}{M}{M}{M}
可恢复的产生式系统–带回溯的产生式系统在问题求解的过程中，既可以对综合数据库添加新的内容，又可以删除或者修改老内容的产生式系统称为可恢复的产生式系统。l产生式表示法的特点自然性模块性有效性一致性–所有规则具有相同的形式效率不高不能表示具有结构性的知识
框架表示法l框架理论明斯基(Minsky)提出的。l框架框架由框架名及槽组成，槽由槽名，值及侧面组成。l框架型和框架实例
框架名<槽名1><侧面11><侧面111>…<侧面11k1>……<侧面1n1><侧面11n1>…<侧面1n1k1>……P55例
教室A的框架教室A框架类型：教室范围：30-50人用途：上课左墙墙框架
l框架网络一个框架的槽值可以是另一个框架–横向联系框架之间可以存在上下位关系（继承和被继承关系）–纵向联系框架参数问题
框架名：房间墙数x1：缺省：x1 = 4条件：x1 > 0窗数x2：缺省：x2 = 2条件：x2 >= 0门数x3：缺省：x3 = 1条件：x3 > 0
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：<天花板框架>地板：<地板框架>门：<门框架>窗：<窗框架>条件：w1 + w2 + w3 + w4 = x2d1 + d2 + d3 + d4 = x3
框架名：<墙(w, d)>颜色：门数：窗数：
l框架中槽的设置和组织充分表达事务各有关方面的属性充分表达相关事物间的各种关系常用关系ISAAKOSubclassInstancePart-OfInferPossible-Reason
对槽及侧面进行合理的组织有利于进行框架推理l框架系统中求解问题的基本过程匹配，槽的填充l框架表示法的特点结构性继承性自然性不善于表达过程性知识lFrameNet –自然语言处理的格框架系统
语义网络表示法l语义网络的概念最初作为表达长期记忆结构的心理学模型提出，随后用于知识表达认为记忆是由概念间的联系实现的语义网络是通过概念及其语义关系来表达知识的一种网络图（有标记有向图）。节点表示概念，事物，事件，情况等，边表示节点概念之间的语义关系。可以用三元组表示：(节点1，边，节点2) RAB
ABCD事实与规BCD则具语义网络示意图有相同雪是的白色的表达形A推论B式
l知识的语义网络表示用语义网络表示事实简单事实的表示吃肉身上有毛有生命跑得快猎狗是一种狗是一种动物会吃能狩猎有尾巴能运动概念之间是上下位关系，属性可以继承P47-48例
有连接词的事实的表示增设合取节点和析取节点来表示。与会者有男，有女，有的年老，有的年轻。部与会者是人分ABCD状态与或或男女年老年轻
事件或者动作的表示张山给肖红一本书张山给一本书肖红张山给肖红一本书一本书客体-2张山主体给予事件客体-1肖红动作给方便表示事件或者动作的属性
“小信使”这只鸽子从春天到秋天占有一个窝小信使是一只鸽子是一种鸟占有者占有占有物窝是一种鸟窝开始于春是是一种天时间结束于秋天是情况
小信使是一只鸽子是一种鸟占有窝是一种鸟窝无法表达事件“占有”的属性P50例子
用语义网络表示有关事实间的关系分类关系“是一种”，继承关系聚集关系整体和部分的关系推论关系如果…，那么…的关系时间，位置关系多元关系
桌子Part-of腿1腿2腿3腿4Support桌面桌子由四条腿和桌面组成，桌面和腿是支撑关系。
饥饿推出需进食因果关系朱雀大街位于思源公司工作于胡途是经理年龄35岁位置关系书上更复杂的例子p48-49
用语义网络可以直接表达二元关系，对于多元关系，可以用节点表示关系。郑州位于西安和北京之间。西安郑州北京居边界-1中边界-2位置关系
用语义网络表示比较复杂的知识含有量词的知识的表达–通过网络分区每个学生都背诵了一首唐诗GS学生背诵唐诗是是是F主体客体gsrp∀
每个学生都背诵了“静夜思”这首唐诗GS学生背诵唐诗是是是F主体客体gsr∀静夜思P51-52例子
网络分区技术其他应用与会者有男，有女，有的年老，有的年轻。所以会场气氛热烈。部与会者是人会场分ABCD气氛状态与热烈或或男女年老年轻
l常用的语义联系A-Member-of联系Composed-of联系Have联系Before，After，At联系Located-on(-at，-under，-inside，-outside等)Similar-to，Near-to联系
l语义网络系统中求解问题的基本过程网络匹配过程（属性可能继承）使用因果联系的网络进行推理p 53 例子
l语义网络表示法的特点结构性联想性自然性非严格性处理上的复杂性WordNet，Ontology
脚本表示法l概念依赖理论（System MARGIE）Roger , Conceptual Information Processing. (1975)抽取基本概念，构成原子概念。11种原子动作每类事件一个脚本–用基本概念及其联系表达通过脚本来理解事件
过程表示法l陈述式知识表示法和过程性知识表示法l过程性知识表示法–表达知识及知识利用–知识库是问题求解过程集合如果x与y是兄弟，且x是z的父亲，则y是z的叔叔。IF Brother(x, y) AND Father(x, z)THEN Uncle(y, z)
BR(Uncle ?y ?z )Goal(Brother ?x y)Goal(Father x z)INSERT (Uncle y z)RETURN一个过程规则的构成：（1）激发条件：推理方向，调用模式（2）演绎操作（3）状态转换（4）返回
(Brother 刘海刘洋) (Father 刘海刘小海) 问题：GOAL(Uncle ?u ?v)（找叔侄关系）GOAL(Uncle ?u ?v){u/y,v/z}Y{刘海/x,刘洋/z}BR(Uncle ?u ?v)YYYGOAL(Brother ?x ?u)GOAL(Father 刘海?v)INSERT(Uncle 刘洋刘小海)Y{刘小海//v}Y(Brother 刘海刘洋)(Father 刘海刘小海)
l过程表示法的特点效率较高控制系统容易设计不易修改及添加新的知识–不足
面向对象表示法l面向对象的基本概念对象，类，封装，多态，继承l表示知识方法
