第02 章 知识表示 人工智能课件

第2章知识表达§2.1一阶谓词逻辑表示法§2.1.1谓词逻辑§2.1.2用谓词逻辑表示知识§2.2产生式表示法§2.2.1产生式与产生式系统系统组成控制策略推理方向§2.2.2特殊的产生式系统§2.3框架（frame）§2.3.1框架的表示方法§2.3.2框架的推理方法§2.4语义网络（Semanticnetwork）§2.4.1语义网络表示方法§2.4.2语义网络推理方法作业知识表达法基本知识表达法：谓词逻辑、规则等。结构化知识表达法：语义网、框架、脚本等。§2.1.2用谓词逻辑表示知识例：用谓词公式表示下列句子：Aformulawhosemainconnectiveisa“→”isequivalenttosomeformulawhosemainconnectiveisa“∨”.解：首先引入下列谓词：F(x):xisaformulaMC(x,y):themainconnectiveofxisyEQ(x,y):xisequivalenttoy解：Aformulawhosemainconnectiveisa“→”isequivalenttosomeformulawhosemainconnectiveisa“∨”.(x){[F(x)∧MC(x,imp)]→(y)[F(y)∧MC(y,or)∧EQ(x,y)]}§2.2产生式表示法§2.2.1产生式与产生式系统产生式if前提条件then结论或if前提条件then操作产生式又称为规则（rule）。前提条件、结论、规则均可附加一个可信度。例：(1)如果：炉温超过上限,则：立即关闭风门。(2)如果：胶卷感光度为200,光线条件为晴天,目标距离不超过5米,则：快门速度取250,光圈大小取f16。注：便于描述人处理问题的局部过程。人处理问题的整体过程可用一个规则序列表示。系统组成推理机IE规则库RB状态数据库DB系统组成DB：状态数据库，描述当前求解状态（初始事实、推出的结论）RB：状态转换规则库IE：推理机（InferenceEngine）按一定策略从RB中选择规则，作用于DB，直到DB变为目标状态（如推出特定结论）。控制策略如何找出可用于当前状态的规则（匹配）如何选出最佳规则（消除冲突）1.匹配将规则的前提条件逐个与DB比较，如果每个条件都成立，则该规则可用于当前状态。例：DB=（b,d,g,f,h）Ri：if(eorf)andhthenc例：DB=（b,d,g,f,h）Ri：if(eorf)andhthenc①检验(eorf)是否成立:√②检验h是否成立:√∴将结论c加入DB得：DB=（b，d，g，f，h，c）注：当规则含有变量时，首先进行变量代换。参：第三章3.1.3模式匹配与变量代换对于不精确规则，需要计算前提和结论的可信度参：第六章2.消除冲突（优先序）处理专门、特殊情况的规则，优先于处理一般情况者。如：R1：ifaandbtheneR2：ifaandbandcthenf消除冲突首先匹配者优先静态有序。给各前提赋予不同的优先级，含高优先级条件者优先执行（质优先）。前提条件多的优先（量优先）。隐含各前提的优先级相同。推理方向1.正向推理（Forward）F规则事实结论例：DB=（f1，f2，f3，f4，f5）R1：c1∧f4→c2R2：f1∧f2∧f3→c1R3：f3∧f5→c3R4：f2∧f3∧~f5→c4R5：f1∧c3→c5解：假设采用“首先匹配者优先”策略，则推理过程如下：（1）使用R2：f1∧f2∧f3→c1推出c1（2）使用R1：c1∧f4→c2推出c2（3）使用R3：f3∧f5→c3推出c3（4）使用R5：f5∧c3→c5推出c52.逆向推理（backward）B规则事实目标（结论）例：已知：DB=（f1，f2，f3，……，f10，f11）R1：c2∧f5∧p2→cgR2：f1∧c1→c2R3：f2∧f3∧f4→c1R4：p1∧f6→p2R5：c4∧f11→cgR6：f7∧c3∧f10→c4R7：f8∧f9→c3其中：ci表示推出的中间结论，pi表示在本例中不成立的前提。逆向推理图示：CgC2f5P2C4f11f1C1P1f6f7C3f10f1f3f4f8f93.混合推理正向推理不足：可能推出大量无关结论。逆向推理不足：可能尝试大量无关假设。混合推理的方式：1)用启发式规则进行粗略的正向推理，提出一个假设的可能目标，再用较详细的规则进行详细的逆向推理，以便验证假设。2)在逆向推理的基础上，用正向推理推出更多的相关结论。4.双向推理。当前事实集：初始事实、正向推理推出的中间结论。当前目标集：原目标、为证明原目标而归约、分解出的子目标交替使用正向推理和逆向推理，直到当前目标集与当前事实集匹配。小结产生式系统是AI最基本的结构形式。特点：便于模拟人的知识积累过程便于实现datadriven处理方式：新数据输入行为改变便于增删规则集各规则之间相对独立。§2.3框架（frame）同类事物或过程重现特定模式框架的使用识别激活问题特征模式引用参考处理方案框架的引入为表达上述模式化知识，引入框架表示法：框架认知模式框架系统：包括框架、子框架。通常组织成层次结构或网状结构。可以借助类层次描述。框架的表示方法特性值：①可为另一个知识表示子结构。如谓词逻辑、子框架、规则集等。②可为特殊处理过程。（注视特定条件的守护程序）如：if—neededif—addedif—deniedif—fail可实现微观控制机制，数据驱动，随机应变。框架的基本形式：框架名称侧面11值11槽1…………侧面1m值1m槽2侧面21值21…………侧面22值2m…………一种具体框架模式框架名称槽1value真实值default缺省值if_needed推断值的过程槽2…………………………………………§2.3.2框架的推理方法回溯激活确认当前状态侯选框架可用框架应用联想处理当前情况框架推理1、选择候选框架利用各框架的关键特征与当前状态进行初步特征匹配。2、确认候选框架进一步利用其余特征进行详细的匹配（逆向），需要采用启发式经验进行灵活匹配。框架推理3、重选候选框架当无法确认时：利用相似框架联想规则。利用框架系统的分类层次结构向上移动，找出一个能够概括当前情况的一般框架，再沿另一条路径向下找出一个候选框架。框架推理4、应用确认框架①引用现成结论（what）如诊断型问题。②构造当前状态的具体解释即给出例示框架：无结构信息有结构信息（例示框架）框架推理4、应用确认框架③引用相应处理方案或推理知识（how）。④引导注意力：不匹配的部分，可能对应特殊情况：Ⅰ）实际存在而未发现：进一步寻找。Ⅱ）故障。（损毁）Ⅲ）确实不存在：修正框架模式。§2.4语义网络（Semanticnetwork）最初：表达人类记忆模型及理解自然语言。事物之间存在自然的关系，在人脑中形成自然的联想网络（associativenet）。自然关系联想网络主要用于表示不含变量的命题信息，又称为命题网（Propositionalnet）。§2.4.1语义网络表示方法：1.基本表示法实体：概念、实例（抽象或具体）关系（特性）：分类：AKO，ISA，…组成：ISPART，HASPART，EL，…结构：SUPPORTEDBY，…性质：COLOR，OWNER，……………语义网络基本表示法大学城西北大学李明助教郭杜镇25岁位于单位职务位于年龄长安区属于西安市属于多元关系表示法例：“a队与b队比赛，比分为1∶3”用谓词表示为：game（a，b，1∶3）用语义网表示如下：gameg1ba1:3主队客队ISASCORE多元关系表示法studentISA三国演义readbookJohnread1ISAISAsubjectobject实现语义网具体实现一个语义网：利用实体——特性——特性值对象——属性——值三元组(OAV：Object—attribute—value)例：用PROLOG子句（谓词）也可以方便地表示语义网：ISA（氧气，单质）.化学性质（氧气，RA_1）.化学性质（氧气，RA_2）.例：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).………量词的表示①存在量词的表示可直接用ISA链表示②全称量词的表示例：下面语句“Everydoghadbittenapostman”可表示如下：量词的表示S1：Form，whichstatestherelationthatisbeingasserted.Form中的其它变量B，P为存在变量。ISAS1GSGS1DOGBITEPOSTMANDBPFormISAISAISA攻击者受害者§2.4.2语义网络推理方法语义网表示法无统一的形式语义，具体网络结构的含义由具体的应用决定，相应的推理方法，或使用网络的方法各异。常用推理过程：搜索、匹配（PROLOG）、继承，可信度传播（PROSPECTOR）。匹配：（1）构造一个含有未知结点或未知关系的问题网络片段；（2）在语义网络知识库中搜寻可与问题网络片段匹配的网络片段；（3）从匹配的网络片段中提取对应的结点或关系值。匹配：例：已知一个学生信息语义网络，需要查询赵明的专业。解：首先构造一个语义网络片段：当该片段与主网络匹配时，将得到y值。赵明x教育yRecipientMajorISA匹配：注：该语义网络片段对应如下Prolog目标：GOALISA(x,教育)，Recipient(x,赵明)，Major(x,y)赵明x教育yRecipientMajorISA继承：假设希望通过继承来确定F结点的S特性的值：inherit（F，S）{NL={F的ISA结点及F的AKO结点}while(NL!=NULL）{N=first（NL）;NL=rest（NL）;V=get（N，S，value）;if(V≠nil)thenreturnV;NL=NL+{N的AKO结点}//队列}returnfail;}2019/8/1AI52作业习题二(P.55)2.4(2)(8)2.62.132.17(2)（4）2.19