人工智能原理-ch2-知识表示

2020/6/161人工智能原理第二讲知识表示之Introduction主讲：王祖喜[e-mail]华中科技大学图像所2020/6/162本章主要讨论了知识表示问题，介绍了几种知识表示方法：如状态空间法、问题归约法、谓词演算法、语义网络法、框架表示、面向对象表示、剧本表示、过程表示等。2020/6/163知识是智能的基础。为了使计算机具有智能，使它能模拟人类的智能行为，就必须使它具有知识。但知识是需要用适当的模式表示出来才能存储到计算机中去的，因此关于知识的表示问题就成为人工智能中的一个重要的研究课题。知识定义、分类及表示2020/6/1641.关于知识的定义信息(information)信息是伴随着宇宙的形成而产生的，它普遍存在于自然界、人类社会及思维活动中。但怎样给信息下一个定义呢？由于各学派研究的内容、方法不尽相同，对信息产生了各种各样的看法，信息作为一门新兴学科，由于它涉及的领域广，内容丰富，至今还没有一个统一的，为大家所公认的定义。2020/6/165总结归纳一下，信息的定义包括以下几个要点：(1)信息是客观存在的。控制论的奠基人维纳有一句名言“信息就是信息，不是物质，也不是能量”，讲的是信息的客观永恒性；(2)信息是物质世界普遍存在的东西，一切物质都无时无刻不在发出信息，一切信息都是物质产生的。(3)信息是客观世界中各种事物变化和特征的反映。任何事物都在不停地运动和变化着，呈现出不同的状态和特征，伴随着的信息也总是在不断地生长和传递着。2020/6/166(4)信息是客观事物之间全面相互作用、全面相互联系的表征。客观世界中各种事物在一定条件下相互作用、全面联系，引起事物的物质结构和量度的变化，是由信息来表现的。(5)信息都是要经过传递的。只有传递才能反映事物的存在方式和运动状态，任何信息只有经过传递才能被人们接受和利用。(6)人们获得了信息，经过加工和有序化过程，实际上就是获得了知识。2020/6/167知识(knowledge)知识是人们在长期的生活及社会实践中积累起来的对客观世界的认识与经验，人们把实践中获得的信息关联在一起，就获得了知识。如：把“大雁向南飞”与“冬天就要来临了“这两个信息关联在一起，得到了如下一条知识：“如果大雁向南飞，则冬天就要来临了。”2020/6/168知识反映了客观世界中事物间的关系，不同事物或者相同事物间的不同关系形成了不同的知识。如：“雪是白色的”是一条知识，它反映了雪与颜色之间的关系。在人工智能中，这种知识称为“facts”。2020/6/169而“如果头疼且流鼻涕，则可能是患了感冒“，反映了头疼流鼻涕与感冒之间的一种因果关系。在人工智能中，这种知识，即用“如果…则…”关联起来的知识称为“rules”。2020/6/1610人们所涉及到的知识是十分广泛的。有的属多数人所熟悉的，有的只是有关专家才掌握的专门领域知识。对于“知识”难以给出明确的定义，只能从不同侧面加以理解。Feigenbaum认为知识是经过削减、塑造、解释和转换的信息。简单地说，知识是经过加工的信息。Bernstein说知识是由特定领域的描述、关系和过程组成的。Hayes-Roth认为知识是事实、信念和启发式规则。2020/6/1611从知识库观点看，知识是某论域中所涉及的各有关方面、状态的一种符号表示。知识可从(范围，目的，有效性)加以三维描述。其中知识的范围是由具体到一般知识的目的是由说明到指定知识的有效性是由确定到不确定。例如“为了证明A→B，只需证明A∧～B是不可满足的”这种知识是一般性、指示性、确定性的。而像桌子有四条腿这种知识是具体的、说明性、不确定性的。2020/6/16122.知识的特性(1)相对正确性(RelativelyCorrect)知识是人们对客观世界认识的结晶，并且受到长期检验。因此在一定条件和环境下，知识一般是正确的，可信任的。这里的一定条件和环境是必不可少的，是知识正确性的前提。2020/6/1613(2)不确定性(Uncertainty)知识并不总是只有“真”与“假”这两种状态，而是在“真假”之间存在很多中间状态，知识的这一特性称为不确定性。知识不确定性的原因很多。概括起来有以下几种：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引起的不确定性2020/6/1614(3)可表示性与可利用性(RepresentationandUtility)知识是可用适当形式表示出来的，如：语言、文字、图形、神经网络等，所以它才得以被存储并被传播；知识当然也可被利用，我们时时都在利用它解决各种问题。2020/6/1615按知识的作用范围分：常识性知识，领域性知识。常识性知识——人们普遍知道的知识，适用于所有领域；领域性知识——面向某个具体领域的知识，是专业性知识，专家系统主要是以领域性知识为基础建立起来的。3.知识的分类按知识的作用及表示分：事实性知识，过程性知识，控制性知识事实性知识（陈述性知识）——用于表示描述领域内有关概念、事实、事物的属性及状态等；事实性知识一般采用直接表达的形式，如用谓词公式表示等。过程性知识——主要指领域知识，用于指出如何处理与问题相关的信息以求得问题的解，由领域内的规则、定律、定理及经验构成；其表示方法既可以是一组产生式规则，也可以是语义网络等。2020/6/1617控制性知识——又称深层知识或元知识，是关于如何运用已有的知识进行问题求解的知识，又称“关于知识的知识”。例如问题求解中的推理策略（正向推理及逆向推理)；信息传播策略(如不确定性的传递算法)；搜索策略(广度优先、深度优先、启发式搜索等)；求解策略(求第一个解、全部解、严格解、最优解等)。2020/6/1618按知识的确定性来分：确定性知识，不确定知识确定性知识——可以指出其值为“真”或“假”的知识，是精确性知识；不确定性知识——指具有“不确定”特性的知识，它是对不精确、不完全及模糊性知识的总称。2020/6/1619按知识的结构及表现形式：逻辑性知识，形象性知识逻辑性知识——反映人类逻辑思维过程的知识，如人类的经验性知识。这种知识一般都具有因果关系及难以精确描述的特点，它们通常是基于专家的经验，以及对一些事物的直观感觉。在下面讨论的知识表示方法中，一阶谓词逻辑表示法，产生式表示法都是用来表示这种知识的；2020/6/1620形象性知识——在人类的思维中，还有一种是形象思维，通过事物的形象（如：一棵树，看过之后在脑子里建立起的概念）建立起来的知识，成为形象性知识。目前人们正在研究利用神经元网络连接机制来表示这种知识。2020/6/1621从抽象、整体的观点来分：零级知识，一级知识，二级知识零级知识——指问题领域内的事实、定律、定理、方程等常识性知识和原理性知识；一级知识——具有经验性和启发性的知识；二级知识——如何运用上述两级知识的知识，即元知识。2020/6/16224.知识的表示(1)定义所谓知识的表示实际上是对知识的一种描述，或者说一种约定，一种计算机可以接受的用于描述知识的数据结构。对知识的表示过程就是把知识编码成某种数据结构的过程。知识表示是研究用机器表示知识的可行性、有效性的一般方法，是一种数据结构与控制结构的统一体，既考虑知识的存储又考虑知识的使用。知识表示可看成是一组描述事物的约定，以把人类知识表示成机器能处理的数据结构。2020/6/1623(2)分类粗略地分为两类：符号表示法：用各种包含具体涵义的符号，以各种不同的方式和次序组织起来表示知识的一类方法，主要用来表示逻辑性知识。本课程所要讨论的各种知识表示方法多属于这一类。连接机制表示法：是用神经网络技术表示知识的一种方法，它把各种物理对象以不同的方式和次序连接起来，并在其间相互传递及加工各种包含具体意义的信息，以此来表示相关的概念及知识。它特别适合于表示各种形象性知识。这部分内容可参看人工神经网。2020/6/1624(3)对表示的要求充分性：能够将问题求解所需的知识正确有效的表达出来；可理解性：所表达知识简单、明了、易于理解；可利用性：能够有效地利用所表达的知识；可扩充性：能够方便、灵活的对所表达的知识进行维护和扩充；2020/6/1625(4)常用表示方法Ⅰ.一阶谓词逻辑表示法采用一阶谓词逻辑表示知识属叙述性知识表示有严格的数学基础Ⅱ.产生式规则表示法将知识表示成“if……then……”的形式；表示方法自然、简洁；III.语义网络表示法采用结点和结点间的弧表示对象、概念及其相互关系。2020/6/1626Ⅳ.框架表示法将知识表示为层状结构，一个对象或概念的所有信息均属于该层次的结构中；该层次结构还可以表示对象间的关系；该层次结构由一系列的“槽”和相关于“槽”的一系列“侧面”组成；Ⅴ.其它表示法状态空间法；与或图PETRI网概念图2020/6/1627陈述式知识表示与过程式知识表示陈述式知识表达语义网络、框架和剧本等知识表示方法，均是对知识和事实的一种静止的表达方法，我们称这类知识表达方式为陈述式知识表达，它所强调的是事物所涉及的对象是什么，是对事物有关知识的静态描述，是知识的一种显式表达形式。而对于如何使用这些知识，则通过控制策略来决定。2020/6/1628过程式知识表示和知识的陈述式表示相对应的是知识的过程式表示。所谓过程式表示就是将有关某一问题领域的知识，连同如何使用这些知识的方法，均隐式地表达为一个求解问题的过程。它所给出的是事物的一些客观规律，表达的是如何求解问题。知识的描述形式就是程序，所有信息均隐含在程序中，因而难于添加新知识和扩充功能，适用范围较窄。2020/6/1629人工智能系统所关心的知识一个智能程序高水平的运行需要有关的事实知识、规则知识、控制知识和元知识。事实是有关问题环境的一些事物的知识，常以“…是…”的形式出现。如事物的分类、属性、事物间关系、科学事实、客观事实等，事实是静态的为人们共享的可公开获得的公认的知识，在知识库中属低层的知识。如雪是白色的、鸟有翅膀、张三李四是好朋友、这辆车是张三的。2020/6/1630规则是有关问题中与事物的行动、动作相联系的因果关系知识，是动态的，常以如果…那么…形式出现。特别是启发式规则是属专家提供的专门经验知识，这种知识虽无严格解释但很有用处。控制是有关问题的求解步骤、技巧性知识，告诉怎么做一件事。也包括当有多个动作同时被激活时应选哪一个动作来执行的知识。2020/6/1631元知识是有关知识的知识，是知识库中的高层知识。包括怎样使用规则、解释规则、校验规则、解释程序结构等知识。元知识与控制知识是有重迭的，对一个大的程序来说，以元知识或说元规则形式体现控制知识更为方便，因为元知识存于知识库中，而控制知识常与程序结合在一起出现，从而不容易修改。2020/6/1632人工智能学科体系人工智能学科体系的层次人工智能理论基础数学基础:数理逻辑，计算的数学理论，离散数学,模糊数学思维科学理论:认知心理学,逻辑或抽象思维学,形象或直感思维学计算机工程技术:硬件,软件技术人工智能原理知识的表达,知识的处理,知识的获取与学习,利用知识求解问题.2020/6/1633人工智能工程系统专家咨询系统,专家系统开发工具与环境,自然语言理解系统,图像理解与识别系统,智能机器人系统2020/6/1634知识的表示方法知识的表示方法概括有以下几种：谓词逻辑法状态空间法问题归约法语义网络法框架表示法面向对象表示剧本(script)表示过程(procedure)表示2020/6/1635人工智能原理第二讲知识表示之谓词逻辑/产生式表示主讲：王祖喜[e-mail]华中科技大学图像所2020/6/1636知识的表示方法谓词逻辑法状态空间法问题归约法语义网络法框架表示法面向对象表示剧本(script)表示过程(procedure)表示小结2020/6/1637数理逻辑数理逻辑：用数学方法来研究推理的形式结构和推理规律的数学学科与数学其它分支、计算机科学、AI、语言学有密切的联系数理逻辑的内容逻辑演算命题逻辑、谓词逻辑证明论公理集合论递归论模型论2020