第7章幾種結(jié)構(gòu)化知識(shí)表示及其推理7.1元組7.2框架

7.3語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)

7.4知識(shí)圖譜7.5類與對(duì)象

7.1元組元組（tuple）的數(shù)學(xué)定義是:笛卡爾積中的一個(gè)元素,(d1,d2,…,dn)，叫做一個(gè)n元組（n-tuple），簡(jiǎn)稱元組。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，一條記錄也就是一個(gè)元組。元組通常也泛指由若干數(shù)據(jù)項(xiàng)組成的一個(gè)整體。三元組的一般表達(dá)形式為：(

對(duì)象

,

屬性

,

值

)更一般表達(dá)形式就是：

(

對(duì)象

,

特征

,

值

)或用變量表示為

(x,F,v)這種三元組可用來(lái)形式化地表示有些信息或知識(shí)。例如，三元組(玫瑰,顏色,紅)就表示了語(yǔ)句：玫瑰花是紅色的。而三元組(史記,作者,司馬遷)就表示了語(yǔ)句：史記的作者是司馬遷。三元組可方便地表示簡(jiǎn)單命題或者原子謂詞公式。于是，產(chǎn)生式規(guī)則的前、后件也可以用三元組的形式表示。例如，有規(guī)則：如果天陰且外出，則帶上雨傘。可用元組表示為

(今天,天氣,陰)∧(某人,狀態(tài),外出)→(該人,行為,帶傘)這就是說(shuō)，元組可以作為規(guī)則的一種組件。7.2框架

7.2.1框架的概念框架就是一種結(jié)構(gòu)，一種模式，其一般形式是:

框架名

槽名1

槽值1

|

側(cè)面名11

側(cè)面值111,側(cè)面值112,…

側(cè)面名12

側(cè)面值121,側(cè)面值122,…

槽名2

槽值2

|

側(cè)面名21

側(cè)面值211,側(cè)面值212,…

側(cè)面名22

側(cè)面值221,側(cè)面值222,…

……

…

槽名k

槽值k

|

側(cè)面名k1

側(cè)面值k11,側(cè)面值k12,…

側(cè)面名k2

側(cè)面值k21,側(cè)面值k22,…

例7-1

下面是一個(gè)描述“教師”的框架：框架名:<教師>類屬:<知識(shí)分子>工作:范圍:(教學(xué)，科研)

缺省:教學(xué)性別:(男，女)學(xué)歷:(中師，高師)類型:(<小學(xué)教師>，<中學(xué)教師>，<大學(xué)教師>)例7-2

下面是一個(gè)描述“大學(xué)教師”的框架：框架名:<大學(xué)教師>類屬:<教師>學(xué)歷:(學(xué)士，碩士，博士)專業(yè):<學(xué)科專業(yè)>職稱:(助教，講師，副教授，教授)外語(yǔ):語(yǔ)種:范圍:(英，法，日，俄，德，…)

缺省:英水平:(優(yōu)，良，中，差)缺省:良例

7-3下面是描述一個(gè)具體教師的框架:框架名:<教師-1>類屬:<大學(xué)教師>姓名:李明性別:男年齡:25職業(yè):教師職稱:助教專業(yè):計(jì)算機(jī)應(yīng)用部門:計(jì)算機(jī)系軟件教研室工作:參加工作時(shí)間:2019年8月工齡:當(dāng)前年份-參加工作年份工資:<工資單>7.2.2框架的表達(dá)能力由框架的形式可以看出，框架適合表達(dá)結(jié)構(gòu)性的知識(shí)。所以，概念、對(duì)象等知識(shí)最適于用框架表示。其實(shí)，框架的槽就是對(duì)象的屬性或狀態(tài)，槽值就是屬性值或狀態(tài)值。不僅如此，框架還可以表示行為（動(dòng)作），所以，有些過(guò)程性事件或情節(jié)也可用框架網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。例7-4下面是關(guān)于房間的框架:框架名:<房間>墻數(shù)x1:

缺省:x1=4

條件:x1>0窗數(shù)x2:

缺省:x2=2

條件:x2≥0門數(shù)x3:

缺省:x3=1

條件:x3>0前墻:(墻框架(w1，d1))后墻:(墻框架(w2，d2))左墻:(墻框架(w3，d3))右墻:(墻框架(w4，d4))天花板:<天花板框架>地板:<地板框架>門:<門框架>窗:<窗框架>條件:w1+w2+w3+w4=x2

d1+d2+d3+d4=x3類型:(<辦公室>，<教室>，<會(huì)客室>，<臥室>，<廚房>，<倉(cāng)庫(kù)>，…)例

7-5機(jī)器人糾紛問(wèn)題的框架描述如圖7-1所示。圖7-1機(jī)器人糾紛問(wèn)題框架描述

還需指出的是，產(chǎn)生式規(guī)則也可用框架表示。例如，產(chǎn)生式：

如果頭痛且發(fā)燒，則患感冒。用框架表示可為：框架名：<診斷1>

前提：條件1:頭痛條件2:發(fā)燒結(jié)論:患感冒7.2.3基于框架的推理基于框架的推理方法是繼承。所謂繼承，就是子框架可以擁有其父框架的槽及其槽值。實(shí)現(xiàn)繼承的操作有匹配、搜索和填槽。匹配就是問(wèn)題框架同知識(shí)庫(kù)中的框架的模式匹配。所謂問(wèn)題框架，就是要求解某個(gè)問(wèn)題時(shí)，先把問(wèn)題用一個(gè)框架表示出來(lái)，然后與知識(shí)庫(kù)中的已有框架進(jìn)行匹配。如果匹配成功，就可獲得有關(guān)信息。搜索就是沿著框架間的縱向和橫向聯(lián)系，在框架網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行查找。搜索的目的是為了獲得有關(guān)信息。框架名:〈教師-1〉姓名:李明性別:男年齡:25職稱:助教專業(yè):計(jì)算機(jī)應(yīng)用部門:計(jì)算機(jī)系軟件教研室外語(yǔ)水平：還需指出的是,上述關(guān)于框架的推理方法,實(shí)際僅適于裝載著概念和實(shí)體對(duì)象的框架,而對(duì)于裝載著規(guī)則的框架,其推理就要用基于規(guī)則的演繹推理方法。

7.2.4框架的程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)

有一種名為FRL(FrameRepresentationLanguage)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，就是專門基于框架的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。用它就可以方便地實(shí)現(xiàn)框架知識(shí)表示。不過(guò)，用PROLOG也可方便地實(shí)現(xiàn)框架表示。用PROLOG實(shí)現(xiàn)框架表示，一般采用含結(jié)構(gòu)或表的謂詞來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榭蚣軐?shí)際上就是樹，而PROLOG的結(jié)構(gòu)也是樹，表又是特殊的結(jié)構(gòu)，它的元素個(gè)數(shù)和層數(shù)都不限定，可動(dòng)態(tài)變化，因此，更適于表示一般的框架。

例如，前面的“教師”框架用PROLOG可表示如下：

frame(name("教師"),

kind--of("<知識(shí)分子>"),

work(scope("教學(xué)","科研"),default("教學(xué)")),

sex("男","女"),

reco--of--f--s("中師","高師"),

type("<小學(xué)教師>","<中學(xué)教師>","<大學(xué)教師>")).

frame(name("教師"),body([st("類屬",[st("<知識(shí)分子>",[])]),st("工作",[st("范圍",[st("教學(xué)",[]),st("科研",[])]),st("缺省",[st("教學(xué)",[])])]),st("性別",[st("男",[]),st("女",[])]),st("學(xué)歷",[st("中師",[]),st("高師",[])]),st("類型",[st("<小學(xué)教師>",[]),st("<中學(xué)教師>",[]),st("<大學(xué)教師>",[])])])).或者用下面的一個(gè)語(yǔ)句表示：上面的語(yǔ)句是一個(gè)PROLOG的“事實(shí)”，其謂詞及領(lǐng)域說(shuō)明如下:domains

name=name(string)

body=body(subtreelist)

subtreelist=subtree*

subtree=st(string，subtreelist)database

frame(name，body)其中的subtreelist是遞歸定義的。按此定義所有框架都取統(tǒng)一的表示形式。7.3語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)7.3.1語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的概念

語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點(diǎn)和邊（也稱有向?。┙M成的一種有向圖。其中節(jié)點(diǎn)表示事物、對(duì)象、概念、行為、性質(zhì)、狀態(tài)等；有向邊表示節(jié)點(diǎn)之間的某種聯(lián)系或關(guān)系。例如圖7-2就是一個(gè)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。其中，邊上的標(biāo)記就是邊的語(yǔ)義。

七種類型的語(yǔ)義網(wǎng)：

(1)命題語(yǔ)義網(wǎng)（包括分塊聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)）；

(2)數(shù)據(jù)語(yǔ)義網(wǎng)：以數(shù)據(jù)為中心的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)；(3)語(yǔ)言語(yǔ)義網(wǎng)：用于自然語(yǔ)言的分析和理解；

(4)結(jié)構(gòu)語(yǔ)義網(wǎng)：描述客觀事物的結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)于模式識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域；

(5)分類語(yǔ)義網(wǎng)：描述抽象概念及其層次；

(6)推理語(yǔ)義網(wǎng)：是一種命題網(wǎng)，但它已在某種程度上規(guī)范化，更適于推理；

(7)框架語(yǔ)義網(wǎng)：與框架相結(jié)合的語(yǔ)義網(wǎng)。7.3.2語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)不僅可以表示事物的屬性、狀態(tài)、行為等，而且更適合于表示事物之間的關(guān)系和聯(lián)系。而表示一個(gè)事物的層次、狀態(tài)、行為的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，也可以看作是該事物與其屬性、狀態(tài)或行為的一種關(guān)系。如圖7-3所示的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，就表示了專家系統(tǒng)這個(gè)事物（的內(nèi)涵），同時(shí)也可以看作是表示了專家系統(tǒng)與“智能系統(tǒng)”“專家知識(shí)”“專家思維”及“困難問(wèn)題”這幾個(gè)事物之間的關(guān)系或聯(lián)系。所以，抽象地說(shuō)，語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)可表示事物之間的關(guān)系。因此，關(guān)系（或聯(lián)系）型的知識(shí)和能化為關(guān)系型的知識(shí)都可以用語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。下面給出常見(jiàn)的幾種。圖7-3專家系統(tǒng)概念的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表述

1.實(shí)例關(guān)系實(shí)例關(guān)系表示類與其實(shí)例（個(gè)體）之間的關(guān)系。這是最常見(jiàn)的一種語(yǔ)義關(guān)系。例如，“小華是一個(gè)大學(xué)生”就可表示為圖7-4。其中，關(guān)系“是一個(gè)”一般標(biāo)識(shí)為“is-a”，或ISA。

2.分類（或從屬、泛化）關(guān)系分類關(guān)系是指事物間的類屬關(guān)系，圖7-5就是一個(gè)描述分類關(guān)系的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。在圖7-5中，下層概念節(jié)點(diǎn)除了可繼承、細(xì)化、補(bǔ)充上層概念節(jié)點(diǎn)的屬性外，還出現(xiàn)了變異的情況：鳥是鴕鳥的上層概念節(jié)點(diǎn)，其屬性是“有羽毛”“會(huì)飛”，但鴕鳥的屬性只是繼承了“有羽毛”這一屬性，而把鳥的“會(huì)飛”變異為“不會(huì)飛”。其中，關(guān)系“是一種”一般標(biāo)識(shí)為“a-kind-of”或AKO。圖7-5表示分類關(guān)系的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)示例

3.組裝關(guān)系如果下層概念是上層概念的一個(gè)方面或者一部分，則稱它們的關(guān)系是組裝關(guān)系。例如圖7-6所示的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)就是一種聚集關(guān)系。其中，關(guān)系“一部分”，一般標(biāo)識(shí)為“a-part-of”。

4.屬性關(guān)系屬性關(guān)系表示對(duì)象的屬性及其屬性值。例如，圖7-7表示Simon是一個(gè)人，男性，40歲，職業(yè)是教師。5.集合-成員關(guān)系

意思是“是……的成員”，它表示成員（或元素）與集合之間的關(guān)系。例如，“張三是計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)員”可表示為圖7-8。其中，關(guān)系“是成員”一般標(biāo)識(shí)為“a-member-of”。

7.邏輯關(guān)系如果一個(gè)概念可由另一個(gè)概念推出，兩個(gè)概念間存在因果關(guān)系，則稱它們之間是邏輯關(guān)系。圖7-9所示的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)邏輯關(guān)系。

7.方位關(guān)系在描述一個(gè)事物時(shí)，經(jīng)常需要指出它發(fā)生的時(shí)間、位置，或者指出它的組成、形狀等等，此時(shí)可用相應(yīng)的方位關(guān)系語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示。

8.所屬關(guān)系

所屬關(guān)系表示“具有”的意思。例如“狗有尾巴”可表示為圖7-11。圖7-12表示語(yǔ)句(事件)的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)示例

x(student(x)∧read(x,三國(guó)演義))即“某個(gè)學(xué)生讀過(guò)《三國(guó)演義》”，其語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示為圖7-13。7.3.3基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的推理基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的推理也是繼承。繼承也是通過(guò)匹配、搜索實(shí)現(xiàn)的。

7.3.4語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)由于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)二元關(guān)系圖，所以用PROLOG可方便地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)知識(shí)表示。例如，圖7-1所示的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)用PROLOG可表示如下:

a_kind_of("蘋果","水果").

taste("蘋果","甜").

a_kind_of("富士","蘋果").

intro_from("富士","日本").

is_a("日本","亞洲國(guó)家").a_kind_of("秦冠","蘋果").produ_in("秦冠","陜西").is_located_at("陜西","中國(guó)西部").a_part_of("中國(guó)西部","中國(guó)").………也可以表示為arc(a_kind_of,"蘋果","水果").arc(taste,"蘋果","甜").arc(a_kind_of,"富士","蘋果").arc(intro_from,"富士","日本").arc(is_a,"日本","亞洲國(guó)家").arc(a_kind_of,"秦冠","蘋果").arc(produ_in,"秦冠","陜西").arc(is_located_at,"陜西","中國(guó)西部").arc(a_part_of,"中國(guó)西部","中國(guó)").7.4知識(shí)圖譜

所謂知識(shí)圖譜（KnowledgeGraph），從知識(shí)表示角度講，也就是上節(jié)所述的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。但這一術(shù)語(yǔ)還有另一層意思，那就是已經(jīng)被工程實(shí)現(xiàn)了的可付諸實(shí)際應(yīng)用的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)；更具體地講，就是Google用知識(shí)圖譜（語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)）這種知識(shí)表示形式在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)大型知識(shí)庫(kù)，而且這個(gè)知識(shí)庫(kù)的名稱就叫KnowledgeGraph（KG）。也可以說(shuō)，知識(shí)圖譜是對(duì)原語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的概念擴(kuò)充和技術(shù)提升。知識(shí)圖譜已是當(dāng)前最通用的語(yǔ)義知識(shí)表示形式化框架。它的節(jié)點(diǎn)就是語(yǔ)義學(xué)里面的“符號(hào)根基”，它的邊則是語(yǔ)義學(xué)里面的“角色指派”。知識(shí)圖譜可以完美描述實(shí)體、關(guān)系、屬性（狀態(tài)）及其值等語(yǔ)義要素。7.5類與對(duì)象

面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的核心概念是對(duì)象