Transcript 第七章几种结构化的知识表示及推理

第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
7.1 框架
7.2 语义网络
7.3 类与对象
习题七
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
7.1 框 架
7.2.1 框架的概念
顾名思义，框架就是一种结构，一种模式，其一般形式是:
<框架名>
<槽名1><槽值1>| <侧面名11><侧面值111，侧面值112，…>
<侧面名12><侧面值121，侧面值122，…>
…
<槽名2><槽值2>|<侧面名21><侧面值211，侧面值212，…>
<侧面名22><侧面值221，侧面值222，…>
…
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…
<槽名k><槽值k>| <侧面名k1><侧面值k11，侧面值k12，…>
<侧面名k2><侧面值k21，侧面值k22，…>
…
即一个框架一般有若干个槽，一个槽有一个槽值或者有若干
个侧面，而一个侧面又有若干个侧面值。其中槽值和侧面值
可以是数值、字符串、布尔值，也可以是一个动作或过程，
甚至还可以是另一个框架的名字。
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例7.1 下面是一个描述“教师”的框架：
框架名:<教师>
类属:<知识分子>
工作:范围:(教学，科研)
缺省:教学
性别:(男，女)
学历:(中师，高师)
类型:(<小学教师>，<中学教师>，<大学教师>)
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可以看出，这个框架的名字为“教师”，它含有5个槽，
槽名分别是“类属”、“工作”、“性别”、“学历”和
“类型”。这些槽名的右面就是其值，如“<知识分子>”、
“男”、“女”、“高师”、“中师”等等。其中“<知识分
子>”又是一个框架名，“范围”、“缺省”就是侧面名，其
后是侧面值，如：“教学”、“科研”等。另外，用<>括的
槽值也是框架名。
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例7.2 下面是一个描述“大学教师”的框架：
框架名:<大学教师>
类属:<教师>
学历:(学士，硕士，博士)
专业:<学科专业>
职称:(助教，讲师，副教授，教授)
外语:语种:范围:(英，法，日，俄，德，…)
缺省:英
水平:(优，良，中，差)
缺省:良
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例7.3 下面是描述一个具体教师的框架:
框架名:<教师-1>
类属:<大学教师>
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
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部门:计算机系软件教研室
工作:
参加工作时间:1995年8月
工龄:当前年份-参加工作年份
工资:<工资单>
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比较例7.2和例7.3中的框架，可以看出，前者描述的是一
个概念，后者描述的则是一个具体的事物。二者的关系是，后
者是前者的一个实例。因此，后者一般称为前者的实例框架。
这就是说，这两个框架之间存在一种层次关系。一般称前者为
上位框架（或父框架），后者为下位框架（或子框架）。当然，
上位和下位是相对而言的。例如“大学教师”虽然是“教师-1”
的上位框架，但它却是“教师”框架的下位框架，而“教师”
又是“知识分子”的下位框架。
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7.1.2 框架的表达能力
由框架的形式可以看出，框架适合表达结构性的知识。所
以，概念、对象等知识最适于用框架表示。其实，框架的槽就
是对象的属性或状态，槽值就是属性值或状态值。不仅如此，
框架还可以表示行为（动作），所以，有些过程性事件或情节
也可用框架网络来表示。
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例7.4 下面是关于房间的框架:
框架名:<房间>
墙数x1:
缺省:x1=4
条件:x1>0
窗数x2:
缺省:x2=2
条件:x2≥0
门数x3:
缺省:x3=1
条件:x3>0
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前墙:(墙框架(w1，d1))
后墙:(墙框架(w2，d2))
左墙:(墙框架(w3，d3))
右墙:(墙框架(w4，d4))
天花板:<天花板框架>
地板:<地板框架>
门:<门框架>
窗:<窗框架>
条件:w1+w2+w3+w4=x2
d1+d2+d3+d4=x3
类型:(<办公室>，<教室>，<会客室>，<卧室>，<厨房>，<仓库>，…)
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例7.5 机器人纠纷问题的框架描述如图7-1所示。
图7―1 机器人纠纷问题
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还需指出的是，产生式规则也可用框架表示。
例如，产生式
如果头痛且发烧，则患感冒。
用框架表示可为：
框架名：<诊断1>
前提：条件1:头痛
条件2:发烧
结论:患感冒
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7.1.3 基于框架的推理
基于框架的推理方法是继承。所谓继承，就是子框架可以
拥有其父框架的槽及其槽值。实现继承的操作有匹配、搜索和
填槽。
匹配就是问题框架同知识库中的框架的模式匹配。所谓问
题框架，就是要求解某个问题时，先把问题用一个框架表示出
来，然后与知识库中的已有框架进行匹配。如果匹配成功，就
可获得有关信息。搜索就是沿着框架间的纵向和横向联系，在
框架网络中进行查找。搜索的目的是为了获得有关信息。
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框架名: 〈教师-1
姓名:
性别:
年龄: 25
职称:
专业:
部门:
外语水平：
显然, 原框架“教师-1”中无“外语水平”槽, 但它的父
框架是“大学教师”, 该框架内有“外语水平”槽, 并且侧面
“语种”(“范围”)缺省值是“英”,
侧面“水平”的缺省值
是“良”。 于是通过继承, 便知道了“教师-1”懂英语, 且水
平还良好。 那么, 这两个值也就可以填到“教师-1”的槽中。
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7.1.4 框架的程序语言实现
有一种名为FRL(Frame Representation Language)的程
序设计语言，就是专门基于框架的程序设计语言。用它就可
以方便地实现框架知识表示。不过，用PROLOG也可方便地
实现框架表示。用PROLOG实现框架表示，一般采用含结构
或表的谓词来实现。因为框架实际上就是树，而PROLOG的
结构也是树，表又是特殊的结构，它的元素个数和层数都不
限定，可动态变化，因此，更适于表示一般的框架。
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例如，前面的“教师”框架用PROLOG可表示如下:
frame(name("教师")，
kind--of("<知识分子>")，
work(scope("教学"，"科研")，default("教学"))，
sex("男"，"女")，
reco--of--f--s("中师"，"高师")，
type(“<小学教师>”，“<中学教师>”，“<大学教师>”)).
如果要给出框架的一个通用表示形式，则下面的表示方式
可供参考。
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frame(name("教师")，
body(［st("类属"，［st("<知识分子>"，［］)］)，
st("工作"，［st("范围"，［st("教学"，［］)，=st("科研"，［］)］)，
st("缺省"，［st("教学"，［］)］)］)，
st("性别"，［st("男"，［］)，st("女"，［］)］)，
st("学历"，［st("中师"，［］)，st("高师"，［］)］)，
st("类型"，［st("<小学教师>"，［］)，st("<中学教师>"，［］)，=
st("<大学教师>"［］)］)］))
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这是一个PROLOG的“事实”，其谓词及领域说明如下:
domains
name=name(string)
body=body(subtree list)
subtreelist=subtree*
subtree=st(string，subtreelist)
database
frame(name，body)
其中的subtreelist是递归定义的。按此定义所有框架
都取统一的表示形式。
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7.2 语义网络
7.2.1 语义网络的概念
语义网络是由节点和边（也称有向弧）组成的一种有
向图。其中节点表示事物、对象、概念、行为、性质、状态
等；有向边表示节点之间的某种联系或关系。例如图7―2就
是一个语义网络。其中，边上的标记就是边的语义。
还需指出的是, 上述关于框架的推理方法, 实际仅适于
装载着概念和实体对象的框架, 而对于装载着规则的框架, 其
推理就要用基于规则的演绎推理方法。
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语义网络的概念最先是由Quillian提出来的，他于1968
年在他的博士论文中，把语义网络作为人类联想记忆的一
个显式心理模型。所以，语义网络也称联想网络。
现在，语义网络的理论已经有了长足的发展。有人把
它划分为五个级别：执行级、逻辑级、认识论级、概念级
和语言学级。并分为七种类型：
(1)命题语义网（包括分块联想网络）；
(2)数据语义网：以数据为中心的语义网络；
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(3)语言语义网：用于自然语言的分析和理解；
(4)结构语义网：描述客观事物的结构，常见于模式识别
和机器学习等领域；
(5)分类语义网：描述抽象概念及其层次；
(6)推理语义网：是一种命题网，但它已在某种程度上规
范化，更适于推理；
(7)框架语义网：与框架相结合的语义网。
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图7―2
苹果的语义网络
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6.3.2 语义网络的表达能力
由语义网络的结构特点可以看出，语义网络不仅可以表示
事物的属性、状态、行为等，而且更适合于表示事物之间的关
系和联系。而表示一个事物的层次、状态、行为的语义网络，
也可以看作是该事物与其属性、状态或行为的一种关系。如图
7―3所示的语义网络，就表示了专家系统这个事物（的内涵），
同时也可以看作是表示了专家系统与“智能系统”、“专家知
识”、“专家思维”及“困难问题”这几个事物之间的关系或
联系。所以，抽象地说，语义网络可表示事物之间的关系。因
此，关系（或联系）型的知识和能化为关系型的知识都可以用
语义网络来表示。下面我们就给出常见的几种。
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图7―3 专家系统的语义网络
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1.实例关系
实例关系表示类与其实例（个体）之间的关系。这是最常
见的一种语义关系。例如，“小华是一个大学生”就可表示为
图7―4。其中，关系“是一个”一般标识为“is-a”，或ISA。
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是一个
小华
大学生
图7―4 表示实例关系的语义网络
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2.分类（或从属、泛化）关系
分类关系是指事物间的类属关系，图7―5就是一个描
述分类关系的语义网络。在图7―5中，下层概念节点除了
可继承、细化、补充上层概念节点的属性外，还出现了变
异的情况：鸟是鸵鸟的上层概念节点，其属性是“有羽
毛”、“会飞”，但鸵鸟的属性只是继承了“有羽毛”这
一属性，而把鸟的“会飞”变异为“不会飞”。其中，关
系“是一种”一般标识为“akindof”或AKO。
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图7―5 表示分类关系的语义网络
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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。例如图7―6所示的语义网络就是
一种聚集关系。其中，关系“一部分”一般标识为“a-partof”。
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桌子
一部分
一部分
桌面
桌腿
图7―6 表示组装关系的语义网络
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4.属性关系
属性关系表示对象的属性及其属性值。例如，图7―7表
示simon是一个人，男性，40岁，职业是教师。
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Person
ISA
sumon
sex
男
age
40
p ro fessio n
教师
图7―7 表示属性关系的语义网络
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5.集合与成员关系
意思是“是……的成员”，它表示成员（或元素）与集合
之间的关系。例如，“张三是计算机学会会员”可表示为图
7―8。其中，关系“是成员”一般标识为“a-member-of”。
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是成员
张三
计算机学会
图7―8 表示集合—成员关系的语义网络
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6.逻辑关系
如果一个概念可由另一个概念推出，两个概念间存在因
果关系，则称它们之间是逻辑关系。图7―9所示的语义网络
就是一个逻辑关系。
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雨天
带雨伞
则
AND
OR
带雨披
外出
图7―9 表示逻辑关系的语义网络
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7.方位关系
在描述一个事物时，经常需要指出它发生的时间、位置，
或者指出它的组成、形状等等，此时可用相应的方位关系语
义网络表示。例如事实：
张宏是石油学院的一名助教；
石油学院位于西安市电子二路；
张宏今年25岁。
可用图7―10所示的语义网络表示。
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味道
电子2路
属
于
西安市区
工作在
石油学院
职务
张宏
年
龄
25岁
图7―10 表示方位关系的语义网络
助教
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8.所属关系
所属关系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示
为图7―11。
狗
have
尾巴
图7―11 表示所属关系的语义网络
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语义网络中的语义关系是多种多样的，一般根据
实际关系定义。如常见的还有before、after、at等表示
时间次序关系和located-on、located-under等表示位置关
系。进一步，还可对带有全称量词和存在量词的谓词
公式的语义加以表示。
由上所述可以看出，语义网络实际上是一种复合
的二元关系图。网络中的一条边就是一个二元关系，
而整个网络可以看作是由这些二元关系拼接而成。
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上面我们是从关系角度考察语义网的表达力的。下面我
们从语句角度来考察语义网。
例如，对于如下的语句(或事件)：
小王送给小李一本书。
用语义网络可表示为图7―12，其中S代表整个语句。这
种表示被称为是自然语言语句的深层结构表示。
语义网络也能表示用谓词公式表示的形式语言语句。例
如：
x(student(x)∧read(x，三国演义))
即“某个学生读过《三国演义》”，其语义网络表示为图
7―13。
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图7―12 语句(事件)的语义网络
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stu d en t
read
ISA
x
b oo k
ISA
sub ject
read 1
ISA
o bject
三国演义
图7―13 谓词公式的语义网络
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又如：
 x(student (x) → read (x, 三国演义))
即“每个学生读过《三国演义》”, 其语义网络表示为图 7-14。
GS
stu d en t
ISA
F
R
read
ISA
x
b oo k
ISA
ISA
sub ject
read 1
o bject
A
图7―14
分块语义网络
三国演义
第 7基于语义网络的推理
章 几种结构化知识表示及其推理
7.2.3
基于语义网络的推理也是继承。继承也是通过匹配、搜
索实现的。问题求解时，首先根据待求问题的要求构造一个
网络片断，然后在知识库中查找可与之匹配的语义网络，当
网络片断中的询问部分与知识库中的某网络结构匹配时，则
与询问处匹配的事实，就是问题的解。我们要通过图7-1所示
的语义网络(假设它已存入知识库), 查询富士苹果有什么特
点。那么, 我们可先构造如图7-15所示的一个网络片段。然
后, 使其与知识库中的语义网络进行匹配。 匹配后 X 的值应
为“脆甜”。当然, 这是一个简单问题。如果问题复杂, 也
可能不能通过直接匹配得到结果, 那么还需要沿着有关边进
行搜索, 通过继承来获得结果。例如要问：吃富士苹果对人
的健康有何意义？ 那么, 通过上述网络片断不能直接获得答
案, 这时, 就需沿着边“AKO”一直搜索到节点“水果”, 由
水果的“富营养”性, 通过特性继承便得到富士苹果也富营
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苹果
AKO
富士
特点
x
图7―15 语义网络片段
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7.2.4 语义网络的程序语言实现
由于语义网络是一个二元关系图，所以用
PROLOG可方便地实现语义网络知识表示。例如，图
7―1所示的语义网络用PROLOG可表示如下:
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").
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a--kind--of("秦冠"，"苹果").
produ--in("秦冠"，"陕西").
is--located--at("陕西"，"中国西部").
a--part--of("中国西部"，"中国").
………
也可以表示为
arc(a--kind--of，"苹果"，"水果").
arc(taste，"苹果"，"甜").
arc(a--kind--of，"富士"，"苹果").
arc(intro--from，"富士"，"日本").
arc(is--a，"日本"，"亚洲国家").
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
arc(a--kind--of，"秦冠"，"苹果").
arc(produ--in，"秦冠"，"陕西").
arc(is--located--at，"陕西"，"中国西部").
arc(a--part--of，"中国西部"，"中国").
………
当然，我们也可以将一个网络或网络片段组织在
一个事实中。例如：
net1( a--kind--of(“苹果”，“水果”)，
taste(“苹果”，“甜”)，
a--kind--of(“秦冠”，“苹果”)，
produ--in("秦冠"，"陕西")).
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7.3 面向对象知识表示
近年来，面向对象技术蓬勃兴起。在知识表示领域则出
现了面向对象的知识表示方法。
面向对象技术中的核心概念是对象和类。对象可以泛指
一切事物，类则是一类对象的抽象模型。反之，一个对象是
其所属类的实例。通常，在面向对象的程序设计语言中，只
给出类的定义，其对象由类生成。
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
类的定义中就说明了所辖对象的共同特征（属性、状态
等）和行为。特征用变量表示，行为则是作用于这些特征和
作用于对象的一组操作，如函数、过程等。这些操作一般称
为方法。这样，一个类将其对象所具有的共同特征和操作组
织在一起，统一进行定义，以供全体对象共享。即当给类中
的特征变量赋予一组值时，则这组值连同类中的方法，就构
成了一个具体的对象。
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
例7.6 下面是面向对象程序设计语言C++中一个雇
员类和经理类的定义。
class Employee
{
privite:
char*Name;
int Age;
int Salary;=
public:
Employee(char*name，int age，int salary);
~Employee();
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
};
Employee∷Employee(char*name，int age，int salary)
{
Name=newchar［strlen(name)］;
strcpy(Name，name);
Age=age;
Salary=salary;=
}=
Employee∷~Employee()
{
Delete Name;=
}
Void Employee∷Change(int age，int salary)
{
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
Age=age;
Salary=salary;
}
Void Employee∷Retire()
{if(Age>60)
Delete this;
}
以上是雇员类的定义，用此定义就可生成一个雇员类的实例，即雇
员对象。例如下面的语句
Employeee1("李明"，30)
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
就生成一个名为李明，年龄为30岁的雇员。
下面是经理类的定义。
Class Manager:public Employee
{
Int Level;
public:
Manager(char*name，int age，int salary，int level);
~Manager();
Void Change Level(int n);
};
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
由于经理类是雇员类的一个子类，所以，经理类就继承
了雇员类的全部属性和行为。这两个类之间也就构成了一种
层次关系。
一般认为，面向对象知识表示是最结构化的知识表示方
法。面向对象知识表示很类似于框架，知识可以使用类按一
定层次形式来组织。由于面向对象知识表示还具有封装特性，
从而使知识更加模块化。所以，用面向对象方法表示的知识
相当结构化和模块化，而且容易理解和管理。因此，这种方
法特别适合于大型知识库的开发和维护。
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
习题七
1. 什么是知识？ 它有哪些特性？ 有哪几种分类方法？
2. 在选择知识表示模式时, 应该考虑哪些主要的因素？
3. 试比较框架与语义网络区别及关系。
4.请把下列命题表示的事实用一个语义网络表示出来, 并
用PROLOG语言实现之。
(1) 树和草都是植物。
(2) 树和草都是有根有叶的。
(3) 水草是草, 且长在水中。
(4) 果树是树, 且会结果。
(5) 樱桃树是一种果树, 它结樱桃。
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
5.把下列语句用语义网络表示。
(1) 海浪把军舰轻轻地摇。
(2) 李老师从第一周到第十周给计算机１班上人工智能课。
(3) 每一个大学生都学过一门程序设计语言。
6. 试写出“学生框架”的描述, 并用PROLOG语言实现之。
7. 试述语义网络表示法和框架表示法求解问题的过程,
并对它们进行比较。
8. 面向对象知识表示有什么特点？它与框架有什么区别？
第 7 章 几种结构化知识表示及其推理
9. 用面向对象程序设计语言(如C++)描述如下概念及其他
们之间的关系。
(1) 水果、苹果、红富士苹果、香蕉。
(2) 人、职员、研究生、在职研究生。
10. 用面向对象程序设计语言(如C++)分别实现计算机和
交通工具的类层次结构。
11. 用面向对象程序设计语言(如C++)定义“规则类”。
提示： 规则类至少应有“前提”和“结论”两个成员。