第2章 人工智能基础

框架的匹配
• 匹配度方法：首先求出两个框架匹配的匹 配度，然后再用该匹配度与预先设定的框 架匹配阈值进行比较，若能满足阈值条件 就认为两个框架可匹配，否则为不可匹配。 匹配度是指当前框架所描述的属性与已知框 架可匹配的程度。
• 产生式系统的问题求解步骤：
1. 2. 将已知的事实放入综合数据库； 检查规则库中是否存在未使用过的规则，若有执 行3，否则转5 检查规则库中未使用的规则中是否有其前提可与 综合数据库中已知事实相匹配的规则，若有则从 中选择一个，否则转6. 执行当前规则，并对规则作上标记，规则的结论 放入综合数据库；如该规则的结论是一些操作， 则执行这些操作
• 例子:
– 南京是江苏的省会城市。（T） – 南京是江西的省会城市。（ F ）
谓词
• 谓词可分为：谓词名与个体两个部分。个体表示 某个独立存在的事物或者某个抽象的概念，谓词 名用于刻画个体的性质、状态或个体之间的关系。 • 一般形式: P(x1,x2,…,xn).其中， P为谓词名， x1,x2,…,xn为个体，个体可以是变量、变元、函数， 个体取值范围称为个体域.
三、框架系统/网络
1. 框架系统的基本结构 2. 框架系统的表示 3. 框架系统的预定义槽名
框架系统的基本结构
• 框架系统的基本结构是通过诸如框架之间的横向 或纵向联系来实现。 • 由于一个框架的槽值或侧面值可以是另一框架的 名字，这在框架之间建立起了一种联系，这种联 系称为框架之间的横向联系。如前面关于“书” 的例子。 • 当用框架来表示那种具有演绎关系的知识结构时， 下层框架与上层框架之间具有一种继承关系，这 种具有继承关系的框架之间的联系称为纵向联系。
第2章 人工智能基础
机器人足球比赛不仅仅起源于人工智能的发 展、依赖于人工智能的理论和技术，而且以 促进人工智能的发展为主要目的之一。
目录
• 2.1 知识与推理 • 2.2 搜索
2.1 知识与推理
• 1. 2. 3. 主要内容： 什么是知识？ 什么是知识表示？ 如何表示知识？常用知识表示和推理
数据、信息、知识
2、规则
• 规则描述事物间的因果关系。规则的产生式表示 形式称为产生式规则，简称规则，或产生式 • 形式:
– 条件 行动 – 前提 结论 – “if……then……”
• 例如：
– 所有人会死∧甲是人→甲会死
• 规则与蕴涵式的主要区别： 规则表示的知识或匹配可以是不确定的， 而蕴涵式只能表示确定性知识，并且匹配要求是确 定的。 <产生式>::=<前提> <结论> <前提>::=<简单条件> |<复合条件> <结论>::=<事实> |<操作>
– 例子: Man(x)
函数
• 定义（函数）
– 设D是个体域, f: Dn → D是一个映射，则称f是D 上的一个n元函数，记作： F(x1,x2,…, xn) – 例子:
• father(x, y)
连接词和量词
• 1. 2. 3. 4. 连接词 ﹁ “非”“否定” ∧ “合取” ∨ “析取” →“条件”“蕴含” • 量词 1. : 全称量词
框架(frame)表示法
一、框架理论 二、框架和实例框架 三、框架系统 四、框架系统的推理过程
一、框架理论
• 框架理论：人们对现实世界中各种事物的 认识都是以一种类似于框架的结构存储在 记忆中的。 当遇到一个新事物时，就从记忆中找到一 个合适的框架，并根据其细节加以修改、 补充，从而形成对这个新事物的认识
框架系统的表示
• 由以上分析可知，框架系统是由框架之间 的纵向、横向联系所形成的一种复杂结构。
框架系统的预定义槽名
• 在框架系统中，框架之间的联系实际上是 通过在槽中填入相应的框架名来实现的， 至于框架之间究竟为何种关系，是由槽名 来指定的。
• 在框架系统中通常定义了一些标准槽名， 称这些槽名为系统预定义槽名。常用的预 定义槽名有以下几种：
x: 所有x, 每个x;
2. : 存在量词
x: 存在一个x;
5. “双条件”
二、谓词逻辑表示法
• 对事物的状态、属性、概念等事实性知识， 通常可以用否定、析取或合取符号连接起 来的谓词公式表示；对事物间的关系通常 用蕴含式表示
三、谓词逻辑表示的特性
• • • • 自然 精确 严密 容易实现 • 知识表示能力差 • 存在组合爆炸 • 系统效率低
• • • • • • 谓词逻辑表示法 产生式表示法 语义网络表示法 面向对象表示法 框架表示法 脚本表示
谓词逻辑(predicate logic)
一、逻辑基础 二、谓词逻辑表示法 三、谓词逻辑表示的特性
一、逻辑基础
• 命题:
– 一个陈述句称为断言.凡是有真假意义的断言称为命题. – 命题的意义通常称为真值，它有真假两种情况.
• 按推理方向分：正向、逆向、双向
• 按规则库的性质及结构分类：可交换、可 分解、可恢复
五、产生式系统的特点
• • • • 自然性： 模块性： 有效性 清晰性：规则分为左半部分和右半部分； 左半部分是条件，右半部分是结论； • 效率不高 • 不能表达具有结构性的知识
prolog例子
• 根据声音，判断动物。
• 数据是信息的载体和表示
• 信息是数据在特定场合下的含义，或数据 的语义，是对客观事物的一般性描述
• 知识是对信息进行加工所形成的对客观世 界规律性的认识。
• ①是经过精简、塑造、解释、选择和转换 的信息 • ②是由特定领域的描述、关系和过程组成。
知识的类型
• 按知识的作用范围分： • 按知识的作用分： 1常识性知识 1 事实性知识 2领域性知识 2 过程性知识 3 控制性知识 4 元知识
•
• 人们不可能把过去的经验全部存放在脑子 里，而只是以一种通用的数据形式把它们 存储起来，当新情况发生时，只要把新的 数据加入到该通用的数据结构中便可以形 成一个具体的实体，这样通用的数据结构 称为框架。
• 框架是知识的基本单位，把一组有关的框 架连接起来便可形成一个框架系统。
• 对于一个框架，当人们把观察或认识到的 具体细节填入后，就得到了该框架的一个 具体实例，框架的这种具体实例被称为实 例框架。
小结问题
• 你认为什么是逻辑？逻辑解决什么问题？ • 如何用逻辑表示守门员相关状态知识？
产生式表示法内容
一、产生式表示的基本方法及特性 二、产生式系统的基本结构 三、产生式系统的基本过程 四、产生式系统的类型 五、产生式系统的特点
一、产生式表示的基本方法及特性
1、事实
事实可看作是一个断言。常用三元组表示 • 确定性知识可用一个多元组: （对象，属性，值） 或 （关系，对象1，对象2）来表示。 如（snow,color,white）：”雪的颜色是白的
• 框架名<大学生> subclass：<学生> 高考成绩：
4、instance槽:用来建立的AKO逆关系。当用 它作为上层框架的槽时，可用来指出它的 下一层框架有哪些。如“大中专学生”
• 框架名<大中专学生> AKO：<学生> instance ：<大学生>，<中专学生> 特点：有专业
5、part-of槽：用于指出“部分”与“全体” 关系。 前4种槽描述的都是上、下层框架之间的类属 关系，它们之间具有共同特征，且具有继 承性。而part-of槽仅是指出下层框架为上层 框架的子结构，它们之间一般不具有共同 特征，也不具有继承性。
二、产生式系统的基本结构
• 产生式系统：把一组产生式放在一起，并 让它们相互配合，协同作用以求解问题的 系统称为产生式系统。 • 基本结构包括三个部分： 综合数据库(global database) 规则库(set of rules) 控制系统(control system)
1、综合数据库
3.
4.
产生式系统的基本过Байду номын сангаас（续）
5.检查综合数据库中是否包含了该问题的解，若 包含，问题求解结束，否则转2 6.当规则库中还有未使用的规则，但不能和已知 事实相匹配时，要求用户进一步提供关于该 问题的事实，若能提供，转2，否则终止问题 求解 7.若知识库中不再有未使用的规则，终止问题求 解
四、产生式系统的类型
二、框架和实例框架
• 在一个框架系统中，一般都含有多个框架，一个 框架通常由若干个槽组成，每一个槽又可以根据 实际情况拥有若干个侧面，每个侧面也可以拥有 若干个侧面值。
<框架名>
槽名a:侧面名a1
侧面名an … …
值a1v1,值a1v2,……
值anv1,值anv2……
槽名x:侧面名x1
值x1v1,……
2、AKO槽：用来指出事物间的抽象概念上的 类属关系。用作为下层框架的槽名时，其 槽值为上层框架的框架名。它表示该下层 框架表示的事物比其上层框架更具体。如 “大中专学生”
• 框架名<大中专学生> AKO：<学生> 特点：有专业
3、subclass槽：用来指出子类和类之间的类 属关系。当它用作某下层框架的槽时，表 示该下层框架是其上层框架的一个子类。 如“大学生”
• 当下层框架对上层框架具有继承关系时，可以在 下层框架中增加一个“继承”槽，其槽值为上层 框架的框架名。 • 如描述“学生”信息，可以先定义“人”的基本 信息：
框架名<人> 姓名：单位（姓，名） 性别：范围（男，女） 身份证号：
• 框架名<学生> 继承：<人> 入学时间：单位（年，月） 学制：单位（年） 学号：单位（年，班级代号，班内学 号）
• 也称事实库，存放已知的事实和推导出的 中间事实; • 说明
• 具体实现时，用DBMS和文件等都可以。 • 数据是广义的，可以是常量、变量、谓词、图像等。
2、规则库
• • • 1. 2. 存放所有规则的集合 这些规则描述了问题领域中的一般性知识 设计时注意： 有效的表达领域内的过程性知识 对知识进行合理的组织与管理
3、控制机构
• 控制机构完成的工作有：
– 匹配综合数据库中已知事实与规则条件部分； – 多于一条规则匹配成功时，选择哪条规则执行 (点燃)； – 如何将匹配规则的结论部分放入综合数据库 （是直接添加到数据库中，还是替换其中的某 些东西）； – 决定系统何时终止；
产生式规则 控制机制
综合数据库
三、产生式系统的基本过程
8、similar槽用于指出两个框架所描述事物之 间的相似关系。 9、其他
四、框架系统的推理过程
• 系统主要由两个部分组成： 由框架网络构成的知识库； 由一组程序构成的框架推理机 • 在框架系统中，推理主要是通过对框架的匹配与 填槽来实现的。 • 当需要求解问题时，首先要把该问题用框架表示 出来。然后再把它与知识库中已有的框架进行匹 配，找出一个或多个侯选框架，并在这些框架引 导下进一步获取附加信息，填充尽量多的槽值， 建立一个描述当前情况的实例框架。
约束：约束条件1 约束条件n
• 框架名：<书> 书名：单位（字符串） 作者：<作者>表明对〈作者〉框架的调用 出版社：<出版社> 版权：单位（年） 条件：年>2000 • 框架名：<作者> 姓名：单位（姓，名） 电邮：单位（字符串）
• 对于一个框架，当把具体信息添入其槽或侧面后， 就得到一个该框架的实例框架。如： • <书> 书名： Extreme Programing Explained 作者： <作者1> 出版社： <出版社1> 版权：2002
1、ISA槽：用来指出一个具体事物与其抽象概念间 的类属关系。一般的说，“ISA”槽所指出的联系 都具有继承性，即下层框架可以继承上层框架 所描述的属性或值。
• 框架名<人> 姓名：单位（姓，名） 性别：范围（男，女） 框架名<学生> Is-a：<人> 入学时间：单位（年，月） 学制：单位（年）
•
6、Infer槽用于指出两个框架所描述事物间的逻辑物 理关系； 7、possible-reason槽用来把某个结论与可能的原因 联系起来；如
• 框架名：<前提> 已知条件1：地面湿 已知条件2：没人洒水 infer：<结论> 可信度：0.8 • 框架名：<结论> 可能结论:天下雨
possible-reason:<前提>
• 人们描述客观世界的数据、信息、知识等 具有如下的金字塔型层次结构。
元知识
知识
信息
数据 噪声
什么是知识表示？
• 知识表示是对知识的一种描述，或者说是 将知识编码为一组计算机可以接受的数据 结构的过程。 • 衡量标准：可实现性、表示能力、可利用 性、可组织性、可维护性、自然性
常用的知识表示法与推理