【正文】 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 1 第 3章 人工智能知識與知識表示 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 2 第 3章 知識與知識表示 知識表示概述 謂詞邏輯的知識表示 產生式表示法 語義網絡表示法 框架知識表示法 過程知識表示法 Petri網模型表示法 面向對象的知識表示 其它知識表示法 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 3 知識表示概述 知識表示 (Knowledge Representation)， 即把知識用計算機可接受的符號并以某種形式描述出來 。諸如圖表結構 、 語法樹 、 規(guī)則匹配模式 、 樹形或網狀表達等 。 簡言之 ， 知識表示就是知識的符號化過程 。 即把相關問題的知識加以形式化描述 ， 表示成為便于機器 （ 計算機 ） 存儲 、 管理和調用的某種數據結構模式 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 4 知識表示概述 目前 ， 人工智能的知識表示方法已有 幾十種之多 。 主要有： 謂詞邏輯表示法 、 語義網絡表示法 、 框架表示法 、 過程表示法 、 Petri網 表示法 、 與 /或圖表示 、 狀態(tài)空間表示法 和人工神經元網絡 （ ANN） 表示法 等 。 我們將結合智能技術具體應用 ， 在后面各章予以具體介紹和分析 。 總之，人們可以根據領域知識的特點選擇一種最合適的方法將知識充分表達出來，也可以依據領域的復雜程度，把若干技術結合起來，以形成一種功能強大的系統(tǒng)，高效率地求解智能問題。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 5 知識表示概述 ? 什么是知識 ? 知識的特性 ? 知識的分類 ? 知識映射原理 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 6 知識表示概述 ? 什么是知識 ? 知識是人類世界特有的概念 。 它是人類對客觀世界一種較為準確 、 全面的認識和理解的結晶 。 ? 知識只有相對正確的特性 。 例如直到 1543年哥白尼學說問世之前 ， 人們一直認為地球是宇宙的核心；再有：人們都知道一個關于 “ 瞎子摸象 ” 的故事 ，它通俗地說明了正確完整的知識形成是一個復雜的智能過程 。 ? 通常人們獲取知識的重要手段是：利用信息 ， 把各種信息提煉 、 概括并關聯在一起 ， 就形成了知識 。而利用信息關聯構成知識的形式有多種多樣 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 7 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 8 知識表示概述 ? 六個瞎子來到國王的宮殿，第一次遇見一頭大象。 第一個瞎子 摸到 象肚子： 『 多么光滑啊，象就像一座墻！ 』第二個瞎子摸到 象鼻子： 『 圓圓的，像一條蛇！ 』 第三個瞎子伸出手摸到 象牙： 『 尖尖的，象像矛！ 』 第四個瞎子伸手摸到 象腿： 『 好高啊，象像一棵樹！ 』 第五個瞎子伸手摸到象的 耳朵： 『 好寬！象像一把扇子！ 』第六個瞎子摸到象的 尾巴： 『 好細，象像一根繩子！ 』 “瞎子摸象”的故事 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 9 知識表示概述 什么是知識 最常用的且便于計算機利用的一種表達形式為： ? “ 如果 …… ， 那么 …… ”或 “ 如果 …… ， 則 …… ” 例如，①如果教會機器人一些知識，那么它就能替人干更多的事情； ②如果發(fā)現太陽黑子增多，那么就預示地球氣候會發(fā)生反常； ③如果敵進，則我退；如果敵疲，則我打； ④如果大雁南飛，那么就預示著冬天臨近。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 10 知識表示概述 ? 知識的特性 ? 1. 知識的相對正確性 ? 常言道：實踐出真知 。 知識源于人們生活 、 學習與工作的實踐 ， 知識是人們在信息社會中各種實踐經驗的匯集 、 智慧的概括與積累 。 ? 知識來自于人們對客觀世界運動規(guī)律的正確認識 ， 是從感性認識上升成為理性認識的高級思維勞動過程的結晶 ， 故相應于一定的客觀環(huán)境與條件下 ， 知識無疑是正確的 。 然而當客觀環(huán)境與條件發(fā)生改變時 ， 知識的正確性就要接受檢驗 ， 必要時就要對原來的認識加以修正或補充 ， 以至全部更新而取而代之 。 ? 例如 ， 計算式 1+1=10是正確的嗎 ？ ? 再如 ， 在一般的工程計算中 ， 使用牛頓力學運動定律 ， 足以滿足一般精度要求而且很方便；但在接近光速的運行檢測或進行核加速器中的粒子計算時 ， 就必須以量子力學和相對論為依據來考察了 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 11 知識表示概述 知識的特性 ? 2. 知識的確定與不確定特征：如前所述 ， 知識由若干信息關聯的結構組成 。 但是 ， 其中有的信息是精確的 ， 有的信息卻是不精確的 。 這樣 ，則由該信息結構形成的知識也有了確定或不確定的特征 。 ? 例如 ， 在我國中南地區(qū) ， 根據天上出現彩虹的方向及其位置 ， 可以預示天氣的變化 。 有諺語曰： “ 東邊日 (晴天 )， 西邊雨 。 ” 但是 ， 這只是一種常識性的經驗 ， 并不能完全肯定或否定 。 ? 再如：甲有一頭秀發(fā) ， 乙是兩鬢如霜 。 您認為甲一定是青年人 ， 乙就是老年人嗎 ？ 不能完全肯定 ， 因為相反的事例是很多的 。 比如 ， 當年的白毛女并不是老人 ， 而現在六十多歲的演員有一頭黑發(fā)并不足奇 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 12 知識表示概述 知識的特性 ? 造成知識具有不確定性的因素是多方面的 。 諸如： ① 證據不足 、 地域時區(qū)不同 、 各種變化因素及現實世界的復雜性 ，造成客觀后果及其知識的不確定性； ② 生活中 ， 模糊性概念及模糊關系比比皆是 ， 形成了知識的不確定性； ③ 概率事件發(fā)生常常不可避免 ， 一般都具有隨機不確定性的規(guī)律；④ 經驗性及各種不完備的積累過程 ， 導致相關知識的不確定性等 。 ? 盡管不確定性知識給人們帶來了一些迷惑 ， 但它反映了客觀世界的多樣性 、 豐富性和復雜性 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 13 知識表示概述 ? 知識的特性 ? 3. 知識的可利用性和可發(fā)展性 ? 為了使知識便于傳播 、 學習 ， 使有用的知識得以延續(xù) 、 繼承與發(fā)展 ， 人們不斷地創(chuàng)造了各種生動活潑的形式來記錄 、 描述 、 表示和利用知識 。諸如采用語言 、 文字 ， 使用書籍 ， 結合文學 、 戲劇 、 繪畫 、 攝影等藝術以及電影 、 電視 、 多媒體等手段 ， 進行知識的演播 、 學習與欣賞等 。 事實上 ， 人類的歷史 ， 就是不斷地積累知識和利用知識創(chuàng)造文明的歷史 。在人類的發(fā)展史中 ， 知識的可利用性與可發(fā)展性是不言而喻的 。 知識的可利用性使得計算機或智能機器能利用知識成為現實；而知識的機器可學習 、 可表示性使得人工智能不斷得以進步與發(fā)展成為必然 。 ? 伴隨著人類社會邁入信息時代 ， 人類知識也進入了大發(fā)展時期 。 一方面在淘汰舊的 、 老的 、 無用的知識 ， 另一方面新觀念 、 新思想 、 新知識不斷地被大量地挖掘涌現出來 。 目前 ， 知識的更新和知識的總量 ， 正以前所未有的速率迅速地增長 。 大力發(fā)展智能科學技術 ， 努力開發(fā)人類知識寶庫 ， 發(fā)展新一代智力工具 ， 這正是作為新時代智能科學工作者的光榮歷史使命 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 14 知識表示概述 ? 知識的分類 按照機器定理證明過程 ， 可把先后要使用到的知識劃分為三類 。 即 事實性知識； 過程性知識； 控制性知識 。 ? 1. 事實性知識： 關于問題領域的性質及求解目標 、 求解環(huán)境及其已知條件 、 相關特性等方面的靜態(tài)知識 。 事實性知識一般采用直接表示形式 ， 用以記敘及描述有關的概念 、 事實 、事物的狀態(tài)及屬性等 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 15 知識表示概述 ? 知識的分類 ? 2. 過程性知識： 指那些能依據一定的規(guī)則 ， 推導出相關的結論與目標的規(guī)律性知識和能夠實施匹配的序列操作性知識 。 ? 一般來說 ， 過程性知識用以描述做某事的過程 ， 是由問題領域內的相關規(guī)則 、 定律 、 定理及經驗等要素構成的知識 。 例如 ， ① 若信道暢通 ， 請發(fā)綠色信號；如果異常時 ， 請按紅色信號開關 。 ② “ 松花蛋制作法 ” 。 ? 3. 控制性知識： 一種用于取舍問題的求解策略 ， 控制信息實施方法 ， 決定推理路線的選取原則等方面知識 。 ? 一般來說 ， 控制性知識是關于如何運用相關知識的知識 ， 又稱為元知識 。 例如 ， 為了使一組機器人能協同完成某項任務 ，既要有監(jiān)控他們相互配合情況的有關知識 ， 還要有協調他們分工合作的決策性知識等 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 16 知識表示概述 知識的分類 知識還有其它的分類方法： 按照知識結構和表現特點來劃分 ， 可分為 邏輯性知識 ，和 形象性知識 ； 根據知識的確定性與不確定性來分 ， 知識可分為 確定性知識 和 不確定性知識 ； 依據知識的作用范圍劃分 ， 知識可分為 常識性知識 ， 專業(yè)知識 或 領域性知識 等 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 17 知識表示及其映射原理 ? 一個智能機器系統(tǒng)如同智能生物一樣 ， 在運用知識進行信息交流或智能問題求解時 ， 都需要預先進行知識表示 。 進而實現知識調用 ， 達到利用知識求解問題目的 。 因而知識表示是知識信息處理系統(tǒng)中必不可少的關鍵環(huán)節(jié) 。 ? 對智能機器系統(tǒng)而言 ， 知識表示 ， 實際上就是對知識的一種描述或約定 。 其本質 ， 就是采用某種技術模式 ， 把所要求解問題的相關知識 ， 映射為一種便于找到該問題解的數據結構 。 對知識進行表示的過程 ， 實質上就是把相關知識映射 (或稱為變換： Transformation；或稱為映像： Mapping；或稱為編碼： Coded.)為該數據結構的過程 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 18 知識表示及其映射原理 知識表示及其 映射 原理 ， 如圖 31加以示意說明 。 原始解答 原始問題 同態(tài)問題 同態(tài)解答 T T1 困難 容易 同構問題 同構映射 如圖：其目標是要對復雜的智能型問題實現機器求解 。 但機器直接對原始問題求解 ，難度很大；可采用知識表示的映射原理 ， 把原始問題映射為它的一種同構或同態(tài)問題 ，然后再對同構或同態(tài)問題求出它的解答 ， 則相對容易而方便 。 順便指出： 同構解答與原始問題有相同的形式解；而對于同態(tài)問題 ， 如要得到原始解 ，只需對同態(tài)解答再施行反運算 (T1)即可 。 在自然科學實際應用研究中 ， 利用映射 （ 稱為變換 ） 原理迂回求解的思想 ， 是一種非常有效而廣為使用的重要手段 。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 19 謂詞邏輯的知識表示 知識的謂詞邏輯表示符合人的思維習慣 ， 可讀性好 ， 邏輯關系表達簡便 。 使用謂詞邏輯既便于表達概念 、 狀態(tài) 、 屬性等事實性知識 ， 又能方便地采用謂詞公式的表達形式 ， 進行各種智能行為的過程性描述與演繹推理 。下面我們結合實例的描述 ， 以便逐漸掌握謂詞邏輯的知識表示技術 。 用謂詞邏輯和公式表達各種意境 使用謂詞邏輯和公式表達各種意境，首先應抓住一般自然語言主語、謂語結構特點，再依據謂詞邏輯公式關于意境描述及連接詞、量詞這些關聯信息進行綜合分析，逐步形成關于意境描述的真實生動完整表達。 2020/11/29 第 3章知識與知識表示 趙東晉 20 用謂詞邏輯和公式表達各種意境 例 31 請分析下面的命題和謂詞邏輯，并盡可能正確地表述它的含義：