第四章知识表示
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• 那个地方谓词是play，动词主体是Zhang 和 Li，而客体是tennis。
• 谓词逻辑规范表达式： P ( x1, x2, x3, …)， 那个地方P是谓词, xi是 主体与客体。
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
• 谓词比命题更加细致地刻画知识：
– 表达能力强
• 如：北京是个城市， City(x)
– 把城市那个概念分割出来。把“城市” 与 “北京”两个概念连接在一起，而且说明 “北京”是“城市”的子概念。（有层）
• 谓词能够代表变化的情况 • 如：City(北京),真。 City(煤球)，假
– 在不同的知识之间建立联系……….
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
– 在不同的知识之间建立联系
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法
概述
• 直截了当表示 • 逻辑表示 • 产生式规那么表
示法
• 语义网络表示法
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法
概述 直截了当表示 逻辑表示
• 产生式规那么表 示法
• 语义网络表示法
第四章知识表示
《人工智能原理》第四章 知识表示
第四章 知识表示方法
• 概述 • 表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
– 人工智能研究中最差不多的问题之一 – 在知识处理中总要问到：“如何表示知识？”，
“知识是用什么来表示的?”。怎样使机器能懂， 能对之进行处理，并能以一种人类能理解的方 式将处理结果告诉人们。 – 在AI系统中，给出一个清晰简洁的描述是很困 难的。有研究报道认为。严格地说AI对知识表 示的认真、系统的研究才刚刚开始。
面的一种符号表示。
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 知识的种类
事实性知识：采用直截了当表示的形式 如：凡是猴子都有尾巴
– 过程性知识：描述做某件事的过程 如：电视维修法
行为性知识：不直截了当给出事实本身，只给出 它在某方面的行为 如：微分方程、（事物的内涵）
……..
《人工智能原理》第四章 知识表示
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 知识的定义
（难以给出明确的定义只能从不同侧面加以理解）
– Feigenbaum：知识是通过消减、塑造、解释和转换 的信息。
– Bernstein：知识是由特定领域的描述、关系和过程 组成的。
– Hayes-roth：知识是事实、信念和启发式规那么。 – 知识库的观点：知识是某领域中所涉及的各有关方
• 分布表示法：对局部表示法在智能行为表 述尚不够充分而作的补充。
直截了当表示法： 正在引起越来越多AI研究者的注意。（不可 完全独立：考虑到“任何表示方法必须被计 算机所接受” 那个先决条件，直截了当表示 需要借助局部或部分表示形式。
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —概述
表示方法
替代表示
• 如：Human(x) → Lawed(x)， 人人都受法律管制， x是同一个人。 Commit(x) → Punished(x)， x不一定是人也能够 是动物。 而，{[Human(x) → Lawed(x)]→[commit(x) → Punished(x)]}，
意为假如由于某个x是人而受法律管制，那么那个人犯了 罪就一定要受到惩罚。
表示方法
概述
• 直截了当表示 • 逻辑表示 • 产生式规那么表
示法
• 语义网络表示法
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —直截了当表示
• 1963年由Gelernter提出的。用于基于传统欧 氏几何证明的几何定理证明器。
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 研究内容
– 表示观的研究： 认识论、本体论、知识工程
– 表示方法的研究： 直截了当法、代替法(局部、分布，…….)
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 知识表示研究的特点
– 智能行为特有的灵活性。“常识问题”不能 概括为一类简洁的理论，是大量小理论的集 合。
– 逻辑推理是公理集合中演绎而得出结论的过程。由于逻 辑及形式系统具有的重要性质，能够保证知识库中新旧 知识在逻辑上的一致性（或通过相应的一套处理过程检 验）、和所演绎出来的结论的正确性。而其它的表示方 法在这点上还不能与其相比。
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
用逻辑（谓词）表示知识实质上是把人类 关于世界的认识变成一个包含个体、函数 和谓词的概念化形式。
表示方法
• 概述 • 直截了当表示 • 逻辑表示
• 产生式规那么表 示法
• 语义网络表示法
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —概述
– 表示方法能够分成2类 – 替代表示法
• 局部表示类：最充分也是正统AI最经常使 用的
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
一阶谓词逻辑是谓词逻辑中最直观的一种逻 辑。它以谓词形式来表示动作的主题、客体。 客体能够多个。
如：张三与李四打网球（Zhang and Li play tennis），可写为：play (Zhang, Li, tennis)
– AI的任务受到计算装置的约束。这导致了所 采用的“表示”必须同时满足“刻画智能现 象”与“计算装置能够接受”，这两个有时 是矛盾的条件。
《人工智能原理》第四章 知识表示
第四章 知识表示方法
• 概述 • 表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
第四章 知识表示方法
• 概述 • 表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
增添表
On（Box，B）
删除表
On（Box，A）
• 又如机器人从初始状态，走近A桌，然后拿起Box。这时同初始状态相 比有：
增添表
At（Robot，A）
Holds（Robot，Box）
删除表
At（Robot，Alcove） EmptyHanded( Robot )
On（ Box，A）
• 进一步说，机器人的每一操作还需要先决条件。如机器人拿起A桌上的 Box这一操作，先决条件：
• 直截了当表示不能描述自然世界的全部信息 • 这两年直截了当表示有所发展，因为，现在认识到，能
够用其它媒体表示的方法去补充直截了当表示的不 足。——将被发展成多媒体。 • 引申的研究是临场AI与临境技术。近几年AI对自主智能 系统研究（完全机器做人不干预）的失望，导致对建立 人机一体智能系统的尝试。如此系统所需环境的要求是 直截了当表示兴起的缘故之一。
On（Box，A）（Box在A上）
At(Robot，A)（机器人在A旁边）
EmptyHanded（robot）（机器人手空空）
《人工智能原理》第四章 知识表示
例（续）
• 先决条件成立与否的验证能够使用归结法。如将初始状态视作条件，而将 要验证的先决条件作为结论，便可使用归结法了。
• 归结过程如下：
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 知识表示的定义
– 知识表示研究用机器表示知识的可行 性、有效性的一般方法。
– 知识表示是理智推理的部分理论。 – 知识表示是有效计算的载体 – 知识表示是交流的媒介（如语义网络）
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 选取知识表示的因素
– 表示范围是否广泛 – 是否适于推理 – 是否适于计算机处理 – 是否有高效的算法 – 能否表示不精确知识 – 能否模块化
概述
• 知识的要素
– 事实：事物的分类、属性、事物间关系、科
学事实、客观事实等。（最低层的知识）
– 规那么：事物的行动、动作和联系的 因果关系知识。（启发式规那么）。
– 控制：当有多个动作同时被激活时，选择哪
一个动作来执行的知识。（技巧性） – 元知识：高层知识。怎样实用规那么、解释
规那么、校验规那么、解释程序结构等知识。
• 它的输入是对前提和目标的陈述以及图示 （图示是用一系列坐标来表示的）。
• 在证明过程中，证明器把图示作为启发式信 息，排除在图示中不正确的子目标。从而大 大地减少了搜索空间。
• 但……..
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —直截了当表示
– 但，长期以来直截了当表示没有得到长足发展。缘故如下： – 计算机对直截了当表示的信息难以处理。 – 直截了当表示难以表示定量信息（语言设计失败）
1）At(Robot,A)
2）EmptyHanded (Robot)
3）On(Box, A)
4）Table(A)
5）Table(B)
Leabharlann Baidu
6）～On(Box, A) ∨～At(Robot,A) ∨～EmptyHanded(Robot)（先决条件之否 定）
7）～At(Robot,A) ∨～EmptyHanded(Robot)
3，6
8) ～EmptyHanded (Robot)
1，7
9) NULL
2，8
• 因此验证了先决条件的成立。
知识和元知识能否用统一 的形式表示
是否加入启发信息 过程性表示依然说明性表示 表示方法是否自然
总之 ………
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 选取知识表示的因素
……….. 总之，人工智能问题的求解是以知识表示为 基础的。如何将已获得的有关知识以计算机 内部代码形式加以合理地描述、存储、有效 地利用便是表示应解决的问题。
• 设定初始状态：
EmptyHanded(Robot)
On(Box,A)
Table(A)
Table(B)
• 目标状态是：
EmptyHanded(Robot)
On(Box,B)
Table(A)
Table(B)
《人工智能原理》第四章 知识表示
例（续）
• 机器人的每个操作的结果所引起的状态变化，可用对原状态的增添表和 删除表来表示。如机器人有初始状态是把Box从A桌移到B桌上，然后仍 回到Alcove，这时同初始状态相比有：
怎样用逻辑法描述从初始状态到目标状态的机器人操作过程？
• 先引入谓词：
Table(A)
表示A是桌子
EmptyHanded(Robot)
机器人Robot双手空空
At(Robot,A)
表示机器人Robot在A旁
Holds(Robot,Box)
机器人Robot拿着Box
On(Box,A)
积木块Box在A上
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
– 谓词逻辑法是应用最广的方法之一，其缘故是： – 谓词逻辑与数据库，特别是关系数据库就有密切的
关系。在关系数据库中，逻辑代数表达式是谓词表 达式之一。因此，假如采用谓词逻辑作为系统的理 论背景，那么可将数据库系统扩展改造成知识库。 – 一阶谓词逻辑具有完备的逻辑推理算法。假如对逻 辑的某些外延扩展后，那么可把大部分的知识表达 成一阶谓词逻辑的形式。（知识易表达）
• 差不多步骤： • 给出有关世界的个体、函数和谓词 • 构造一阶谓词公式（集） • 对公式（集）给出解释，使该解释是相应公式
（集）的一个模型。
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
为此逻辑表示法在实际人工智能系 统上得到应用。
《人工智能原理》第四章 知识表示
逻辑表例如
例：一个房间里，有一机器人Robot，一个积木块Box，两个桌子A和B，
概述
• 知识的种类
…….. – 实例性知识：只给出一些实例，知识藏在实例中。 – 类比性知识: 即不给出外延，也不给出内涵，只给
出它与其它事物的某些相似之处 如：比喻、谜语
– 元知识：有关知识的知识。最重要的元知识是如何 使用知识的知识，如何从知识库中找到想要的知识。
《人工智能原理》第四章 知识表示
– ………..
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
谓词逻辑法是应用最广的方法之一，其缘故是： ………..
– 谓词逻辑本身具有比较扎实的数学基础，知识的表达方 式决定了系统的要紧结构。因此，对知识表达方式的严 密科学性要求就比较容易得到满足。如此对形式理论的 扩展导致了整个系统框架的发展。
直截了当 局部表示 表示
陈述性表示
分布表示 过程性表示
逻辑表示 产生式表示
《人工智能原理》第四章 知识表示
语义网络表示 框架表示 脚本表示
表示方法
概述
• 直截了当表示 • 逻辑表示 • 产生式规那么表
示法
• 语义网络表示法
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
• 谓词逻辑规范表达式： P ( x1, x2, x3, …)， 那个地方P是谓词, xi是 主体与客体。
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
• 谓词比命题更加细致地刻画知识：
– 表达能力强
• 如：北京是个城市， City(x)
– 把城市那个概念分割出来。把“城市” 与 “北京”两个概念连接在一起，而且说明 “北京”是“城市”的子概念。（有层）
• 谓词能够代表变化的情况 • 如：City(北京),真。 City(煤球)，假
– 在不同的知识之间建立联系……….
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
– 在不同的知识之间建立联系
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法
概述
• 直截了当表示 • 逻辑表示 • 产生式规那么表
示法
• 语义网络表示法
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法
概述 直截了当表示 逻辑表示
• 产生式规那么表 示法
• 语义网络表示法
第四章知识表示
《人工智能原理》第四章 知识表示
第四章 知识表示方法
• 概述 • 表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
– 人工智能研究中最差不多的问题之一 – 在知识处理中总要问到：“如何表示知识？”，
“知识是用什么来表示的?”。怎样使机器能懂， 能对之进行处理，并能以一种人类能理解的方 式将处理结果告诉人们。 – 在AI系统中，给出一个清晰简洁的描述是很困 难的。有研究报道认为。严格地说AI对知识表 示的认真、系统的研究才刚刚开始。
面的一种符号表示。
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 知识的种类
事实性知识：采用直截了当表示的形式 如：凡是猴子都有尾巴
– 过程性知识：描述做某件事的过程 如：电视维修法
行为性知识：不直截了当给出事实本身，只给出 它在某方面的行为 如：微分方程、（事物的内涵）
……..
《人工智能原理》第四章 知识表示
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 知识的定义
（难以给出明确的定义只能从不同侧面加以理解）
– Feigenbaum：知识是通过消减、塑造、解释和转换 的信息。
– Bernstein：知识是由特定领域的描述、关系和过程 组成的。
– Hayes-roth：知识是事实、信念和启发式规那么。 – 知识库的观点：知识是某领域中所涉及的各有关方
• 分布表示法：对局部表示法在智能行为表 述尚不够充分而作的补充。
直截了当表示法： 正在引起越来越多AI研究者的注意。（不可 完全独立：考虑到“任何表示方法必须被计 算机所接受” 那个先决条件，直截了当表示 需要借助局部或部分表示形式。
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —概述
表示方法
替代表示
• 如：Human(x) → Lawed(x)， 人人都受法律管制， x是同一个人。 Commit(x) → Punished(x)， x不一定是人也能够 是动物。 而，{[Human(x) → Lawed(x)]→[commit(x) → Punished(x)]}，
意为假如由于某个x是人而受法律管制，那么那个人犯了 罪就一定要受到惩罚。
表示方法
概述
• 直截了当表示 • 逻辑表示 • 产生式规那么表
示法
• 语义网络表示法
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —直截了当表示
• 1963年由Gelernter提出的。用于基于传统欧 氏几何证明的几何定理证明器。
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 研究内容
– 表示观的研究： 认识论、本体论、知识工程
– 表示方法的研究： 直截了当法、代替法(局部、分布，…….)
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 知识表示研究的特点
– 智能行为特有的灵活性。“常识问题”不能 概括为一类简洁的理论，是大量小理论的集 合。
– 逻辑推理是公理集合中演绎而得出结论的过程。由于逻 辑及形式系统具有的重要性质，能够保证知识库中新旧 知识在逻辑上的一致性（或通过相应的一套处理过程检 验）、和所演绎出来的结论的正确性。而其它的表示方 法在这点上还不能与其相比。
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
用逻辑（谓词）表示知识实质上是把人类 关于世界的认识变成一个包含个体、函数 和谓词的概念化形式。
表示方法
• 概述 • 直截了当表示 • 逻辑表示
• 产生式规那么表 示法
• 语义网络表示法
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —概述
– 表示方法能够分成2类 – 替代表示法
• 局部表示类：最充分也是正统AI最经常使 用的
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
一阶谓词逻辑是谓词逻辑中最直观的一种逻 辑。它以谓词形式来表示动作的主题、客体。 客体能够多个。
如：张三与李四打网球（Zhang and Li play tennis），可写为：play (Zhang, Li, tennis)
– AI的任务受到计算装置的约束。这导致了所 采用的“表示”必须同时满足“刻画智能现 象”与“计算装置能够接受”，这两个有时 是矛盾的条件。
《人工智能原理》第四章 知识表示
第四章 知识表示方法
• 概述 • 表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
第四章 知识表示方法
• 概述 • 表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示
增添表
On（Box，B）
删除表
On（Box，A）
• 又如机器人从初始状态，走近A桌，然后拿起Box。这时同初始状态相 比有：
增添表
At（Robot，A）
Holds（Robot，Box）
删除表
At（Robot，Alcove） EmptyHanded( Robot )
On（ Box，A）
• 进一步说，机器人的每一操作还需要先决条件。如机器人拿起A桌上的 Box这一操作，先决条件：
• 直截了当表示不能描述自然世界的全部信息 • 这两年直截了当表示有所发展，因为，现在认识到，能
够用其它媒体表示的方法去补充直截了当表示的不 足。——将被发展成多媒体。 • 引申的研究是临场AI与临境技术。近几年AI对自主智能 系统研究（完全机器做人不干预）的失望，导致对建立 人机一体智能系统的尝试。如此系统所需环境的要求是 直截了当表示兴起的缘故之一。
On（Box，A）（Box在A上）
At(Robot，A)（机器人在A旁边）
EmptyHanded（robot）（机器人手空空）
《人工智能原理》第四章 知识表示
例（续）
• 先决条件成立与否的验证能够使用归结法。如将初始状态视作条件，而将 要验证的先决条件作为结论，便可使用归结法了。
• 归结过程如下：
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 知识表示的定义
– 知识表示研究用机器表示知识的可行 性、有效性的一般方法。
– 知识表示是理智推理的部分理论。 – 知识表示是有效计算的载体 – 知识表示是交流的媒介（如语义网络）
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 选取知识表示的因素
– 表示范围是否广泛 – 是否适于推理 – 是否适于计算机处理 – 是否有高效的算法 – 能否表示不精确知识 – 能否模块化
概述
• 知识的要素
– 事实：事物的分类、属性、事物间关系、科
学事实、客观事实等。（最低层的知识）
– 规那么：事物的行动、动作和联系的 因果关系知识。（启发式规那么）。
– 控制：当有多个动作同时被激活时，选择哪
一个动作来执行的知识。（技巧性） – 元知识：高层知识。怎样实用规那么、解释
规那么、校验规那么、解释程序结构等知识。
• 它的输入是对前提和目标的陈述以及图示 （图示是用一系列坐标来表示的）。
• 在证明过程中，证明器把图示作为启发式信 息，排除在图示中不正确的子目标。从而大 大地减少了搜索空间。
• 但……..
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —直截了当表示
– 但，长期以来直截了当表示没有得到长足发展。缘故如下： – 计算机对直截了当表示的信息难以处理。 – 直截了当表示难以表示定量信息（语言设计失败）
1）At(Robot,A)
2）EmptyHanded (Robot)
3）On(Box, A)
4）Table(A)
5）Table(B)
Leabharlann Baidu
6）～On(Box, A) ∨～At(Robot,A) ∨～EmptyHanded(Robot)（先决条件之否 定）
7）～At(Robot,A) ∨～EmptyHanded(Robot)
3，6
8) ～EmptyHanded (Robot)
1，7
9) NULL
2，8
• 因此验证了先决条件的成立。
知识和元知识能否用统一 的形式表示
是否加入启发信息 过程性表示依然说明性表示 表示方法是否自然
总之 ………
《人工智能原理》第四章 知识表示
概述
• 选取知识表示的因素
……….. 总之，人工智能问题的求解是以知识表示为 基础的。如何将已获得的有关知识以计算机 内部代码形式加以合理地描述、存储、有效 地利用便是表示应解决的问题。
• 设定初始状态：
EmptyHanded(Robot)
On(Box,A)
Table(A)
Table(B)
• 目标状态是：
EmptyHanded(Robot)
On(Box,B)
Table(A)
Table(B)
《人工智能原理》第四章 知识表示
例（续）
• 机器人的每个操作的结果所引起的状态变化，可用对原状态的增添表和 删除表来表示。如机器人有初始状态是把Box从A桌移到B桌上，然后仍 回到Alcove，这时同初始状态相比有：
怎样用逻辑法描述从初始状态到目标状态的机器人操作过程？
• 先引入谓词：
Table(A)
表示A是桌子
EmptyHanded(Robot)
机器人Robot双手空空
At(Robot,A)
表示机器人Robot在A旁
Holds(Robot,Box)
机器人Robot拿着Box
On(Box,A)
积木块Box在A上
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
– 谓词逻辑法是应用最广的方法之一，其缘故是： – 谓词逻辑与数据库，特别是关系数据库就有密切的
关系。在关系数据库中，逻辑代数表达式是谓词表 达式之一。因此，假如采用谓词逻辑作为系统的理 论背景，那么可将数据库系统扩展改造成知识库。 – 一阶谓词逻辑具有完备的逻辑推理算法。假如对逻 辑的某些外延扩展后，那么可把大部分的知识表达 成一阶谓词逻辑的形式。（知识易表达）
• 差不多步骤： • 给出有关世界的个体、函数和谓词 • 构造一阶谓词公式（集） • 对公式（集）给出解释，使该解释是相应公式
（集）的一个模型。
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
为此逻辑表示法在实际人工智能系 统上得到应用。
《人工智能原理》第四章 知识表示
逻辑表例如
例：一个房间里，有一机器人Robot，一个积木块Box，两个桌子A和B，
概述
• 知识的种类
…….. – 实例性知识：只给出一些实例，知识藏在实例中。 – 类比性知识: 即不给出外延，也不给出内涵，只给
出它与其它事物的某些相似之处 如：比喻、谜语
– 元知识：有关知识的知识。最重要的元知识是如何 使用知识的知识，如何从知识库中找到想要的知识。
《人工智能原理》第四章 知识表示
– ………..
《人工智能原理》第四章 知识表示
表示方法 —逻辑表示法
谓词逻辑法是应用最广的方法之一，其缘故是： ………..
– 谓词逻辑本身具有比较扎实的数学基础，知识的表达方 式决定了系统的要紧结构。因此，对知识表达方式的严 密科学性要求就比较容易得到满足。如此对形式理论的 扩展导致了整个系统框架的发展。
直截了当 局部表示 表示
陈述性表示
分布表示 过程性表示
逻辑表示 产生式表示
《人工智能原理》第四章 知识表示
语义网络表示 框架表示 脚本表示
表示方法
概述
• 直截了当表示 • 逻辑表示 • 产生式规那么表
示法
• 语义网络表示法
框架表示法 脚本方法 过程表示 混合型知识表示方法 面向对象的表示方法
《人工智能原理》第四章 知识表示