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1、第五章 结构化知识表示及其应用,引言：,知识及其表示是 AI 研究的重点问题； 知识表示自然、直观，有利于提高问题求解的效率,几种常用的知识表示方法： 过程算法方法 ; 状态空间法，问题空间法； 一阶谓词方法，产生式系统方法 结构化知识表示,结构化知识表示及其应用,传统程序语言： 把呆板的、被动的数据或数据结构作为解空间的对象； 程序设计人员须借助极其复杂的算法或过程才能操纵解空间对象，从而求得问题的解； 导致软件（特别是基于知识的复杂软件）的构造异常困难，难以理解和维护。,客观世界的问题一般由世界中的客体及其之间的关系构成。,AI 结构化知识表示方法表现和处理解空间的对象及其之间的关系,结构
2、化知识表示及其应用,几种主要结构化知识表示方法： 语义网络方法 框架系统方法 面向对象方法,结构化知识表示及其应用,语义网络方法,提出： Quillian (1968，人类联想记忆的心理学模型）, - 记忆由概念及其之间的联系构成； - 语义网用网络形式表示人类知识。,语义网络方法,语义网定义： 语义网是由（结点1，弧，结点2）三元组（或称为基本网元）链接而成的有向图，其中， 结点：表示问题领域中的物体、概念、事件、动作或态势等 弧（具有方向和标记）：表示结点之间的语义联系。,例：苹果 是一种 水果,语义网络方法,多种类型的语义网： 数据语义网 数据库中的数据组织,语言语义网 分析语言成分间关
3、系,分类语义网 - 专家系统中的抽象层次分类,概念图语义网 分析单词含义及语言结构,关联语义网 由对象及其之间的关联关系定义对象,语义网络方法,语义网： 语义网的构成 基本网元及其连接、层次化结构 语义网引擎的实现技术 匹配、推理、继承等,语义网络方法 概念图语义网,基本语义网网元： 描述隶属关系的基本网元（表示实例间联系） ；,其它语义基本网元。,描述属性关系的基本网元；,描述聚集关系的基本网元；,描述包含关系的基本网元（表示泛化联系） ；,描述隶属关系的基本网元,isa 基本网元：,特点： 用于描述个体与类或集合之间关系； 可实现类中知识共享，简化网络结构。,描述包含关系的基本网元,AKO
4、 基本网元,用于描述子集与超集之间的类属关系及事物间的层次与分类等。 继承超集中的公共属性，可节省存储空间。,Part_of 基本网元,描述部分 全体之间关系。,Composed_of 基本网元,描述聚集关系的基本网元,描述属性关系的基本网元,is 基本网元,描述个体与其属性值之间关系。,基本网元的连接原则： 以个体为中心组织知识,语义网络方法 语义网的构成,基本网元的连接原则： 以动词为中心组织知识： 表现与动词有关的各种关系 主体、客体、方式等 可给动词相关各语言成分赋约束值 Read: 主语是人而不能是书； 可给各语言成分赋予缺省值 Read: 缺省值是“书”，其它可以是“报纸”、“杂志
5、”等。,语义网络方法 语义网的构成,张三认真地读子夜。,问题： 1、张三和子夜的关系？ 2、张三读是什么？ 3、张三怎样读子夜？,PS,主体,客体,isa,isa,isa,isa,AKO,isa,isa,Reading-Event,态度,语义网络方法 语义网的构成,语义网络方法 语义网的构成,知识表示语义网的构成规则： 由基本网元构成简单的语义网络,按分层、分块技术组合出更复杂的语义网络。,增加诸如“与”、“或”、“非”等附加结点构成复合的语义网络；,Clyde是一只知更鸟并且它有一个鸟巢。,语义网络方法 语义网的构成,概念图 分层分块技术： “汤姆相信简喜欢比萨”,语义网络方法 语义网的构成
6、,语义网络方法,语义网： 语义网的构成 基本网元及其连接、层次化结构 语义网引擎的实现技术 匹配、推理、继承等,Clyde是一只知更鸟并且它有一个鸟巢。,问题： 1、What does Clyde own ? 2、What can Clyde do ?,语义网络方法 语义网的推理,语义网络方法 语义网推理,匹配： What does Clyde own ?,继承： What can Clyde do ?,语义网络方法 语义网评价,优点： 相关事实表示直观、自然、易于理解； 表达语义关系知识，体现联想思维过程，符合人类的思维习惯。 通过语义构成的网络连接关系检索和推导有关的对象和概念，不必遍历整
7、个庞大的知识库，搜索效率高。,缺点： 结点和弧没有确切含义，不能区别概念的内涵、外延或个体（如，“大学生” 概念、群体或某个体？），需依靠所给属性的上下文区分。 不便表示判断型知识（T,F）和深层次知识，如时间因素有关的知识。 网络构成复杂，难以保证推理的严格性和有效性。,语义网络习题：,用语义网描述： 1、约翰给玛丽一本书； 2、小燕子从春天到秋天拥有一个鸟巢。,几种主要的结构化知识表示方法： 语义网络方法 框架系统方法 面向对象方法,结构化知识表示及其应用,框架系统的提出,人类在分析和解释新问题时，常常需要利用过去的经验和知识。,这些经验和知识常常以通用、抽象的数据结构形式成块地存储，形成
8、经验框架。,在解决具体问题时，通常将实际问题的特征数据填入已有类似的经验框架中，形成具体待求解的问题以及其实际解决方案。,框架系统,特点：用成块的结构表示知识。,框架名,槽值,多侧面,构成：框架名(结点)、槽名(弧)、槽值、多侧面。,框架系统的有关操作,创建操作： 创建 “类” 框架（Manager，Apple）、“实例” 框架（Jhams）；,写槽操作： 填写已知属性值或缺省值； 继承父辈框架值（纵向）； 嵌套其它框架值（横向）； 计算附加的过程值。,读槽操作： 搜索（包括“匹配” 操作）。,继承 共享知识：,继承父辈框架值,易于构成新框架；,易于修改；,易于更新；,易于自动分布。,框架系统
9、应用实例 表示事件新闻,新闻简短、用词规范、表现有规律。,用框架系统组织并表示新闻事件。,计算机读取特定地震灾害新闻。,计算机复述此地震灾害新闻。,框架系统习题,用框架系统结构描述特定的我的饭桌： 1、桌子是一种家具； 2、我的饭桌有桌腿和桌面； 3、桌腿总共4条，都是棕色； 4、桌面是方形的，黑颜色。,框架系统的评价,结构化特点： 每个框架可视为一个知识单元，具有相对独立的属性和操作，具有较好的模块性； 框架结构可模拟人类对事物多方面、多层次的存储和表现结构，直观自然，易于理解。 除表现静态知识，还可表现动态的过程性知识 if_neede(),不足： 没有形成完整的理论体系； 框架、槽及侧面
10、等知识表示单元缺乏明确的语义； 多继承产生的歧义性问题有待于进一步的解决。,基于结构化知识表示的问题求解,几种主要的结构化知识表示方法： 语义网络方法 框架系统方法 面向对象方法,思路：从客观世界中固有的事物出发构造系统；在分析问题时，将问题分解为一些对象以及对象之间的组合和联系。,面向对象方法,对象：,对现实世界中各种事物的抽象和描述（如，客机） 。 具有的相同特征和属性（厂商、类别、乘客容量等）； 服从和遵守相同规则（有效期内运行、检修期等）。,对象模型：（ID, DS, MS, MI） ID: 对象标识符； DS：对象的属性值； MS：对象的方法集合； MI：对象的消息接口。,对象的封装
11、：,面向对象方法,对象的创建者可以修改和维护对象内部信息；对象的使用者只能通过对象的消息接口访问对象。 私有消息 在对象内部传递，对外不可见； 公有消息 对外公开、可用于访问本对象。,组织结构： 类：是对具有相同的外部特征(消息模式)和内部实现的一组对象的抽 象，表现一组对象的共性（四边形）；有子类和超类(整数类，有 理数类，实数类)。 实例：对象的实例化。,面向对象程序的方法实例 - 封装,栈,面向对象程序的方法实例 - 封装,class stack private: char v 100 ; char *p; public: void push (char c) . char pop (
12、) . ,void main () stack sta; sta.v1 = c; sta.p = sta.v sta.push (a); char ch = sta.pop ( ); ,创建stack 的实例 sta,对象的继承及其相关问题： 对象实例对类的属性和方法的继承； 子类对超类的属性和方法的继承； 多继承中的冲突解决策略。,面向对象方法,面向对象程序的方法实例 - 多继承,class A public: int a; void f (); class B public: int a; void f (); class C : public A, public B . ,C object; object.a = 10; object.f (); object.A:a = 10; object.B:f ();,用户决定调用函数和变量的作用域。,多继承。,对象实例,主要的结构化知识表示方法比较,特 点,