第02 章 知識(shí)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(shí)用謂詞邏輯表示知識(shí) 2.2 產(chǎn)生式表示法產(chǎn)生式表示法 2.2.1 產(chǎn)生式與產(chǎn)生式系統(tǒng)產(chǎn)生式與產(chǎn)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(chǎn)生式系統(tǒng)特殊的產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)（語義網(wǎng)絡(luò)（Semantic network）2.4.1 語義網(wǎng)絡(luò)表示方法語義網(wǎng)絡(luò)表示方法 2.4.2 語義網(wǎng)絡(luò)推理方法語義網(wǎng)絡(luò)推理方法 作作 業(yè)業(yè)l基本知識(shí)基本知識(shí)表達(dá)法：謂詞邏輯、規(guī)則等。表達(dá)法：謂詞邏輯、規(guī)則等。l結(jié)構(gòu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)化知識(shí)表達(dá)法：語義網(wǎng)、框架、腳本等。表達(dá)法：語義網(wǎng)、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(chǎn)生式與產(chǎn)生式系統(tǒng)產(chǎn)生式與產(chǎn)生式系統(tǒng)l產(chǎn)生式產(chǎn)生式 if 前提條件前提條件 then 結(jié)論結(jié)論 或或 if 前提條件前提條件 then 操作操作 產(chǎn)生式又稱為產(chǎn)生式又稱為規(guī)則規(guī)則（rule）。）。前提條件、結(jié)論、規(guī)則均可附加一個(gè)前提條件、結(jié)論、規(guī)則均可附加一個(gè)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(guān)閉風(fēng)門。則：立即關(guān)閉風(fēng)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(biāo)距離不超過目標(biāo)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(gè)規(guī)則可用一個(gè)規(guī)則序列表示。序列表示。推理機(jī)推理機(jī)IE規(guī)則庫(kù)規(guī)則庫(kù)RB狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)DBlDB：狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，描述當(dāng)前求解狀態(tài)（初始：狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，描述當(dāng)前求解狀態(tài)（初始事實(shí)、推出的結(jié)論）事實(shí)、推出的結(jié)論）lRB：狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則庫(kù)：狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則庫(kù)lIE：推理機(jī)（：推理機(jī)（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?biāo)狀態(tài)（如推出特定結(jié)論）。變?yōu)槟繕?biāo)狀態(tài)（如推出特定結(jié)論）。l 如何找出可用于當(dāng)前狀態(tài)的規(guī)則（匹配）如何找出可用于當(dāng)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(gè)與逐個(gè)與DB比較，比較，如果每個(gè)條件都成立，則該規(guī)則可用于當(dāng)如果每個(gè)條件都成立，則該規(guī)則可用于當(dāng)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(yàn)檢驗(yàn)(e or f)是否成立是否成立:檢驗(yàn)檢驗(yàn) h 是否成立是否成立:將結(jié)論將結(jié)論c加入加入DB得：得：DB=（b，d，g，f，h，c）l當(dāng)規(guī)則含有變量時(shí)，首先進(jìn)行變量代換。當(dāng)規(guī)則含有變量時(shí)，首先進(jìn)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(duì)于不精確規(guī)則，需要計(jì)算前提和結(jié)論的對(duì)于不精確規(guī)則，需要計(jì)算前提和結(jié)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(jí)優(yōu)先級(jí)，含，含高優(yōu)先級(jí)高優(yōu)先級(jí)條條件者件者優(yōu)先優(yōu)先執(zhí)行（質(zhì)優(yōu)先）。執(zhí)行（質(zhì)優(yōu)先）。l前提條件多的優(yōu)先（量?jī)?yōu)先）。前提條件多的優(yōu)先（量?jī)?yōu)先）。隱含各前提的隱含各前提的優(yōu)先級(jí)相同優(yōu)先級(jí)相同。1.正向推理（正向推理（Forward）F規(guī)則規(guī)則 事實(shí)事實(shí) 結(jié)論結(jié)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(shè)采用假設(shè)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(shí)事實(shí) 目標(biāo)（結(jié)論）目標(biāo)（結(jié)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(jié)論，表示推出的中間結(jié)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(guān)結(jié)論。正向推理不足：可能推出大量無關(guān)結(jié)論。l逆向推理不足：可能嘗試大量無關(guān)假設(shè)。逆向推理不足：可能嘗試大量無關(guān)假設(shè)?；旌贤评淼姆绞剑夯旌贤评淼姆绞剑?)用啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)行用啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)行粗略的粗略的正向推理，提出一正向推理，提出一個(gè)假設(shè)的可能目標(biāo)，再用較詳細(xì)的規(guī)則進(jìn)行個(gè)假設(shè)的可能目標(biāo)，再用較詳細(xì)的規(guī)則進(jìn)行詳細(xì)的詳細(xì)的逆向推理，以便驗(yàn)證假設(shè)。逆向推理，以便驗(yàn)證假設(shè)。2)在逆向推理的基礎(chǔ)上，用正向推理推出更多在逆向推理的基礎(chǔ)上，用正向推理推出更多的相關(guān)結(jié)論。的相關(guān)結(jié)論。l當(dāng)前當(dāng)前事實(shí)集：事實(shí)集：初始事實(shí)初始事實(shí)、正向推理推出的中間結(jié)論。正向推理推出的中間結(jié)論。l當(dāng)前當(dāng)前目標(biāo)集：目標(biāo)集：原目標(biāo)、為證明原目標(biāo)而歸約、分解出的原目標(biāo)、為證明原目標(biāo)而歸約、分解出的 子目標(biāo)子目標(biāo)l交替使用正向推理和逆向推理，直到當(dāng)前目標(biāo)交替使用正向推理和逆向推理，直到當(dāng)前目標(biāo)集與當(dāng)前事實(shí)集匹配。集與當(dāng)前事實(shí)集匹配。產(chǎn)生式系統(tǒng)是產(chǎn)生式系統(tǒng)是AI最基本的結(jié)構(gòu)形式。最基本的結(jié)構(gòu)形式。特點(diǎn)：特點(diǎn)：l便于模擬人的知識(shí)積累過程便于模擬人的知識(shí)積累過程l便于實(shí)現(xiàn)便于實(shí)現(xiàn)data driven處理方式：處理方式：新數(shù)據(jù)輸入新數(shù)據(jù)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(duì)獨(dú)立。各規(guī)則之間相對(duì)獨(dú)立。同類同類事物事物或或 過程過程重現(xiàn)重現(xiàn)特定特定模式模式 識(shí)別識(shí)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(dá)上述模式化知識(shí)，引入框架表示法：為表達(dá)上述模式化知識(shí)，引入框架表示法：框架框架 認(rèn)知模式認(rèn)知模式 框架系統(tǒng)：包括框架、子框架。框架系統(tǒng)：包括框架、子框架。通常組織成通常組織成層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)或或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?？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(gè)知識(shí)表示子結(jié)構(gòu)。可為另一個(gè)知識(shí)表示子結(jié)構(gòu)。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(hù)程序守護(hù)程序）如：如：ifneeded ifadded ifdenied iffail 可實(shí)現(xiàn)微觀控制機(jī)制，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，隨機(jī)應(yīng)變?？蓪?shí)現(xiàn)微觀控制機(jī)制，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，隨機(jī)應(yīng)變?？蚣苊Q框架名稱 側(cè)面?zhèn)让?1 值值11 槽槽1 側(cè)面?zhèn)让?m 值值1m 槽槽2 側(cè)面?zhèn)让?1 值值21 側(cè)面?zhèn)让?2 值值2m 框架名稱框架名稱 槽槽1 value 真實(shí)值真實(shí)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(rèn)確認(rèn) 當(dāng)前狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài) 侯選框架侯選框架 可用框架可用框架 應(yīng)用應(yīng)用 聯(lián)想聯(lián)想 處理當(dāng)前情況處理當(dāng)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(guān)鍵特征關(guān)鍵特征與當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行與當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行初初步步特征匹配。特征匹配。2、確認(rèn)候選框架、確認(rèn)候選框架 進(jìn)一步利用進(jìn)一步利用其余特征其余特征進(jìn)行進(jìn)行詳細(xì)的詳細(xì)的匹配（逆匹配（逆向），需要采用啟發(fā)式經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行向），需要采用啟發(fā)式經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行靈活匹配靈活匹配。3、重選候選框架、重選候選框架 當(dāng)無法確認(rèn)時(shí)：當(dāng)無法確認(rèn)時(shí)：l利用利用相似框架相似框架聯(lián)想規(guī)則。聯(lián)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(jié)構(gòu)向上移動(dòng)，找出結(jié)構(gòu)向上移動(dòng)，找出一個(gè)能夠一個(gè)能夠概括概括當(dāng)前情況的當(dāng)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(gè)候選框架。條路徑向下找出一個(gè)候選框架。4、應(yīng)用確認(rèn)框架應(yīng)用確認(rèn)框架 引用現(xiàn)成結(jié)論（引用現(xiàn)成結(jié)論（what）如診斷型問題。如診斷型問題。構(gòu)造構(gòu)造當(dāng)前狀態(tài)的具體當(dāng)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(jié)構(gòu)信息無結(jié)構(gòu)信息 有結(jié)構(gòu)信息（例示框架）有結(jié)構(gòu)信息（例示框架）4、應(yīng)用確認(rèn)框架、應(yīng)用確認(rèn)框架 引用相應(yīng)處理方案或推理知識(shí)（引用相應(yīng)處理方案或推理知識(shí)（how）。）。引導(dǎo)注意力：不匹配的部分，可能對(duì)應(yīng)特殊引導(dǎo)注意力：不匹配的部分，可能對(duì)應(yīng)特殊情況：情況：）實(shí)際存在而未發(fā)現(xiàn)：進(jìn)一步尋找。）實(shí)際存在而未發(fā)現(xiàn)：進(jìn)一步尋找。）故障。（損毀）故障。（損毀）確實(shí)不存在：修正框架模式。）確實(shí)不存在：修正框架模式。l最初：表達(dá)人類最初：表達(dá)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(guān)系，在人腦中形成自然的關(guān)系，在人腦中形成自然的聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)（聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)（associative net）。自然關(guān)系自然關(guān)系 聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)網(wǎng)（Propositional net）。）。1.基本表示法基本表示法l 實(shí)體：概念、實(shí)例（抽象或具體）實(shí)體：概念、實(shí)例（抽象或具體）l 關(guān)系（特性）：關(guān)系（特性）：分類：分類：AKO，ISA，組成：組成：ISPART，HASPART，EL，結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：SUPPORTED BY，性質(zhì)：性質(zhì)：COLOR，OWNER，大學(xué)城西北大學(xué)李明助教郭杜鎮(zhèn)25歲位于單位職務(wù)位于年齡長(zhǎng)安區(qū)屬于西安市屬于 例：例：“a隊(duì)與隊(duì)與b隊(duì)比賽，比分為隊(duì)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(wǎng)語義網(wǎng)表示如下：表示如下：gameg1ba1:3主隊(duì)主隊(duì)客隊(duì)客隊(duì)ISASCOREstudentISA三國(guó)演義三國(guó)演義readbookJohnread1ISAISAsubjectobject 具體實(shí)現(xiàn)一個(gè)語義網(wǎng)：具體實(shí)現(xiàn)一個(gè)語義網(wǎng)：l利用利用實(shí)體實(shí)體特性特性特性值特性值l對(duì)象對(duì)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(wǎng)：示語義網(wǎng)：ISA（氧氣，單質(zhì)）（氧氣，單質(zhì)）.化學(xué)性質(zhì)（氧氣，化學(xué)性質(zhì)（氧氣，RA_1）.化學(xué)性質(zhì)（氧氣，化學(xué)性質(zhì)（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(guó)家亞洲國(guó)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(wǎng)表示法無統(tǒng)一的形式語義，具體網(wǎng)語義網(wǎng)表示法無統(tǒng)一的形式語義，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的絡(luò)結(jié)構(gòu)的含義含義由具體的由具體的應(yīng)用決定應(yīng)用決定，相應(yīng)的推理，相應(yīng)的推理方法，或使用網(wǎng)絡(luò)的方法各異。方法，或使用網(wǎng)絡(luò)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(gòu)造一個(gè)含有）構(gòu)造一個(gè)含有未知結(jié)點(diǎn)未知結(jié)點(diǎn)或或未知關(guān)系未知關(guān)系的的 問題網(wǎng)絡(luò)問題網(wǎng)絡(luò)片段；片段；（2）在語義網(wǎng)絡(luò)知識(shí)庫(kù)中）在語義網(wǎng)絡(luò)知識(shí)庫(kù)中搜尋搜尋可與問題可與問題 網(wǎng)絡(luò)片段網(wǎng)絡(luò)片段匹配匹配的的網(wǎng)絡(luò)片段網(wǎng)絡(luò)片段；（3）從匹配的網(wǎng)絡(luò)片段中提?。钠ヅ涞木W(wǎng)絡(luò)片段中提取對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn) 或關(guān)系值?；蜿P(guān)系值。例：例：已知一個(gè)學(xué)生信息語義網(wǎng)絡(luò)，需要查詢趙明的專業(yè)。已知一個(gè)學(xué)生信息語義網(wǎng)絡(luò)，需要查詢趙明的專業(yè)。解：解：首先構(gòu)造一個(gè)語義網(wǎng)絡(luò)片段：首先構(gòu)造一個(gè)語義網(wǎng)絡(luò)片段：當(dāng)該片段與主網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，將得到當(dāng)該片段與主網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，將得到 y 值。值。趙明趙明x教育教育yRecipientMajorISA注：該語義網(wǎng)絡(luò)片段對(duì)應(yīng)如下注：該語義網(wǎng)絡(luò)片段對(duì)應(yīng)如下Prolog目標(biāo)：目標(biāo)：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(shè)希望通過假設(shè)希望通過繼承繼承來確定來確定F結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)的的S特性特性的值：的值：inherit（F，S）NL=F 的的 ISA 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)及及 F 的的 AKO 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn) 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(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn) /隊(duì)列隊(duì)列 return fail;作業(yè)習(xí)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！