1,第二章 知识表示及推理,2.1 基本概念 2.2 产生式表示方法及推理 2.3 框架表示及推理 2.4 语义网络表示法 2.5 其它表示方法及推理,2,2.3 框架表示法及推理,框架的基本形式 框架系统 基于框架系统的推理,3,框架表示法的提出,框架表示法是一种关于事物内部结构化描述的表示法,最早由明斯基于1975年提出,作为理解视觉,自然语言和其它复杂行为的一种基础,现已发展为广泛应用的知识表示方法。框架表示法可以较好地反映人观察事物的思维方式,即人对自己熟悉的事物早在头脑中形成了抽象模型,即框架。,4,框架的基本形式,框架的一般形式： 框架名（frame)： 槽名1：侧面名1：值1,值p1 侧面名2：值1, ,值p2 侧面名m1：值1, ,值pm1 槽名2：侧面名1：值1,值q1 侧面名2：值1, ,值q2 侧面名m2：值1, ,值qm2 . 槽名n：侧面名1：值1,值r1 侧面名2：值1, ,值r2 侧面名mn：值1, ,值rmn 约束：约束条件,5,说明： 框架由槽组成，槽也称为属性。 槽可有侧面描述，也可以没有侧面，只有槽值 一个侧面可以有多个侧面值 槽值和侧面值可以是固定值也可以过程或另一个框架名。 约束：可对框架，槽，侧面，用于指出填值的条件。 实例框架（事实框架） 框架中的槽或侧面填入具体信息后，即是相应框架的实例框架。 缺省值（Default Value) 相应槽不填入槽值时，以缺省值作为槽值。,6,特殊作用的槽或侧面,Value: 槽或侧面的取值，也可不写。 If-Needed： 在没有或不能提供统一的缺省值的情况下，提供产生所需值的函数或推理。 启动时机：查询实例框架未记载的属性值时激活，即时产生所需的属性值。 If-Added: 对提供的值进行所需的推理，以及相关槽的赋值和修改处理， 启动时机：对实例框架的属性值赋值或修改后激活，对相关框架的属性进行修改以保持一致性。 Isa和Ako：提供框架间的继承。,7,例 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:(，),8,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:(英，法，日，俄，德，) 缺省:英 水平:(优，良，中，差) 缺省:良,9,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 职业:教师 职称:助教 专业:计算机应用 部门:计算机系软件教研室 参加工作时间:1995年8月 工龄:当前年份-参加工作年份 工资:,10,框架系统： 许多框架联合起来描述应用领域问题的系统 节点：框架 联系：某些槽或侧面的值可以是其他框架。,物品,球类,球1,球2,Isa,Isa,Isa,11,学生框架的建立,框架名：（学生） 姓名： 年龄：（岁） 性别：（男、女） 专业：GIS 学院：资环学院 住址：（住址框架） 籍贯： （省份） 入学时间：（年、月）,12,例,师生员工框架,教职工框架,学生框架,教师框架,工人框架,教师-1,教师-n,电子系学生框架,机械系学生框架,学生-n,学生-1,13,基于框架系统的推理,框架的推理过程 框架推理要解决的问题 框架推理的主要技术,14,框架的推理过程,首先把这个问题用一个框架表示出来； 然后与知识库中已有的框架进行匹配，找出一个或者多个可匹配的预选框架作为初步假设； 在初步假设的引导下收集进一步的信息； 最后用某种评价方法对预选框架进行评价，决定是否接受。 框架的匹配是通过对相应槽的槽名及槽值逐个进行比较实现的，这个匹配过程是复杂的，不精确的。,15,框架推理的主要技术,特性继承: 通过继承槽，下层框架可继承上层框架的属性和值。 相容匹配,16,若查询一实例的某槽值属性，且描述该实例的框架未提供值时，就沿Isa和Ako槽追溯到具有同名槽的框架(父框架)。根据下列情况分别处理(填值）： 在该槽提供值的情况下,继承该值(缺省值)作为结果返回； 否则,该槽应附加过程执行If-Needed的附加过程操作产生一个值作为返回结果。 若对一实例的某个槽或侧面进行了赋值或修改工作，则系统自动就沿Isa和Ako槽追溯到相应的框架（父框架），只要发现框架中同名的槽具有If-Added侧面，就可执行操作If-Added ，修改父框架同名的槽的值。,特性继承方法：,17,例,球类框架,球1,球2,Isa,Isa,Isa,物品框架,18,框架系统（物品） 1 (框架名： 物品 （体积：Value(取值单位：cm3) If-Added: 分类) 2(框架名：球类 （Isa：） （半径：Value(取值单位：cm) If-Added: 计算体积) （表面积： Value(取值单位：cm2) IF-Needed:计算表面积） （颜色： Value : 缺省：白色）,19,3(框架名：球1 （Isa：） （直径： Value : 10） （ 体积： Value: 4190) （颜色： Value : 红色） 4(框架名：球2 （Isa：） （直径： Value : 100） （表面积：125600 ) （体积： Value: 4190000）,20,相容匹配:非严格意义上的相等比较。 相容匹配的方法： 存在祖先子孙关系两个框架是相容匹配的 将框架的属性（槽或侧面）区分为关键和非关键两类，只有关键属性都匹配的两个框架才是相容的。（属性包括直接的和继承的）。 若一个框架能搜索到多个相容的框架，则可进一步依据非关键属性的匹配程度（个数）挑选出最相容的匹配框架。,21,框架表示法的特点,结构性 继承性 自然性：体现了人在观察事物时的思维活动,与人的认识活动是一致的。 不善于表达过程性知识，因此它经常与产生式表示法结合起来使用。,22,2.4 语义网络表示,语义网络的结构 基本的语义关系 语义网络的推理 语义网络特点,23,语义网络的提出,1968年，语义网络最早被Quilian在研究人类联想记忆时作为一个心理学模型提出，认为记忆是由概念间的联系来实现的。 1972年，Simmons正式提出语义网络的概念，并首先应用于自然语言理解系统。,24,基本思想,语义网络是一种采用网络形式表示知识的方法 用一个有向图表示概念和概念之间的关系，其中节点代表概念，节点之间的连接弧(也称联想弧)代表概念之间的语义联系。 寻找两个概念之间关系的方法是：从此两个概念出发，分别以广度优先的方法沿着连接弧向前搜索，这两个搜索圈逐渐扩大，若某个时刻两者碰上，即形成一条连接两个概念的通路，则认为是找到了两个概念之间的联系。,25,语义网络的结构,基本语义网络单元结构 语义基元(语义单元) 节点，弧 语义网络是知识的一种图解表示，由节点和弧线组成。节点用于表示实体、概念和情况等，弧线用于表示节点间的关系。,26,语义网络表达能力 （1）实例关系：实例关系表示类与其实例之间的系。 （2）分类（泛化）关系：指事物间的类属关系。 （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。 （4）属性关系：表示对象的属性及其属性值。 （5）集合与成员关系：成员（或元素）与集合之间的关系。 （6）逻辑关系 （7）方位关系 （8）所属关系： “具有”的意思。 （9）语句或事件 （10）谓词公式,27,基本的语义关系,ISA ,AKO和Part-of型关系 常有的类属关系：Is-a(是一个)、 A part-of（是一部分）、A-kind-of（是一种）。 属性关系(Have,is,Can) 其他关系 时间关系 位置关系 相近关系 例,28,表示简单的事实（实例关系）,用于表示类节点与所属实例节点之间的联系。 如 “ 燕子是一只鸟 ”,29,泛化联系的表示（AKO） 表示一种类节点与更抽象的类节点之间的联系。,小米,谷物,麻雀1,麻雀,鸟,动物,翅膀,飞行器,eat,AKO,AKO,AKO,have,ISA,ISA,30,表示聚集关系、类属关系的语义网络,张三,地信息系统协会,是成员,31,表示属性关系的语义网络,32,表示方位关系的语义网络,方位关系表示了不同事物之间在位置方面的相互关系，例如 在上（Located-on），在下（Located-under），在内（Located-inside）、在外（Located-outside）、位于（Located-at）等都可以表示不同事物间的方位关系。,33,连接词和量化的表示,语义网络不仅具备表达基本命题的能力，还必须具备表达命题之间的“与”、“或”、“非”和“蕴含”关系的能力。 合取（Conjunction）与 析取（Disjunction） 或 否定（Negation）非 蕴含（Implication）,34,合取的语义网络表示,例：Johe gave Mary the book,35,析取的语义网络表示,在语义网络中，为与合取关系相区别，在析取关系的连接上加注析取界限，并标记DIS。 ISA(A，B)PART-OF(B，C),36,表示否定关系,表示(A isa B)、(B part of C) ISA(A，B)PART OF(B，C),37,表示蕴涵关系,用标注ANTE和CONSE界限来表示蕴涵关系。 Every one who lives at 37 Maple Street is a programmer,38,语义网络的推理,基于语义网络推理系统组成 知识库(语义网络) 推理过程 推理过程 继承推理过程 匹配推理过程 最简单的isa关系下的推理是直接继承，如：,39,2.5 其它表示方法及推理,剧本知识表示法 本体知识表示法 一阶谓词逻辑表示法 过程性知识表示法 直接知识表示法,40,2.5.1剧本知识表示法,剧本是框架的一种特殊形式，它用一组槽来描述某些事件的发生序列，就像剧本中的事件序列一样，故称为“剧本“。,41,剧本的构成,开场条件：给出在剧本中描述的事件发生的前提条件。 角色：用来表示在剧本所描述的事件中可能出现的有关人物的一些槽。 道具：用来表示在剧本所描述的事件中可能出现的有关物体的一些槽。 场景：描述事件发生的真实顺序，可以由多个场景组成，每个场景又可以是其它的剧本。 结果：给出在剧本所描述的事件发生以后通常所产生的结果。,42,以餐厅剧本为例,开场条件 (a) 顾客饿了，需要进餐。(b)顾客有足够的钱。 角色 顾客，服务员，厨师，老板。 道具 食品，桌子，菜单，钱。 场景,43,餐厅剧本,场景1 进入餐厅 (a) 顾客走入餐厅。(b) 寻找桌子。(c) 在桌子旁坐下。 场景2 点菜 (a) 服务员给顾客菜单。(b) 顾客点菜。 (c) 顾客把菜单还给服务员。(d) 顾客等待服务员送菜。 场景3 等待 (a) 服务员把顾客所点的菜告诉厨师。(b) 厨师做菜。 场景4 吃菜 (a) 厨师把做好的菜给服务员。(b) 服务员给顾客送菜。(c) 顾客吃菜。 场景5 离开 (a) 服务员拿来帐单。(b) 顾客付钱给服务员。 (c) 顾客离开餐厅。 (5) 结果 (a) 顾客吃了饭，不饿了。(b) 顾客花了钱。 (c) 老板挣了钱。(d) 餐厅食品少了。,44,剧本的推理,剧本是有用的知识表达结构，因为在现实世界中事件发生的某种模式来自事件之间的因果关系。事件中的主人公完成一个动作后才能完成另一个动作。剧本中所描述的事件形成一个巨大的因果链，这个链的起点是一组开场条件，满足这些开场条件，剧本中的事件才能产生。链的终点是一组结果，有了这组结果，以后的事件或事件序列(可能用其他的剧本来描述)才能发生。在这个链内一件事情和前后的事情都相互联系。前面的事件，使当前的事件有可能产生，而当前事件又使后面的事件有可能产生。,45,在表示和