知识表示-框架表示法ppt课件.pptx

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1、框架表示法框架表示法2010年年11月月4日星期四日星期四www。themegallery。com主要内容主要内容v 框架与框架网络框架与框架网络v 框架推理的基本过程及形式框架推理的基本过程及形式v 框架的不确定性匹配框架的不确定性匹配v 框架的推理步骤框架的推理步骤v 框架表示法的特点框架表示法的特点2www。themegallery。com1 简介简介框架表示法框架表示法理论是由美国的人工智能学者理论是由美国的人工智能学者明斯基在明斯基在1975年首先提出来的。该理论认为人年首先提出来的。该理论认为人们对现实世界中各种事物的认识都是以一种类似们对现实世界中各种事物的认识都是以一种类似于框

2、架的结构存储在记忆中，当面临一个新事物于框架的结构存储在记忆中，当面临一个新事物时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据实时，就从记忆中找出一个合适的框架，并根据实际情况对其细节加以修改、补充，从而形成对当际情况对其细节加以修改、补充，从而形成对当前事物的认识。前事物的认识。也就是说框架表示法表示的是一种经验性的也就是说框架表示法表示的是一种经验性的知识。知识。3www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络2.1 概述概述框架是描述对象框架是描述对象(事物，事件或概念事物，事件或概念)属性的属性的一种数据结构。一种数据结构。框架网络是由不同的框架通过属性之间的关框架

3、网络是由不同的框架通过属性之间的关系而建立起来的联系，从而构成了框架网络。系而建立起来的联系，从而构成了框架网络。框架网络能够充分表达相关对象之间的各种框架网络能够充分表达相关对象之间的各种关系。关系。4www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络2.2 框架的基本形式框架的基本形式一个框架由若干个被称为一个框架由若干个被称为“槽槽”的结构组成，的结构组成，每一个槽又可根据实际需要分为若干个每一个槽又可根据实际需要分为若干个“侧面侧面”。槽用于描述对象的某一方面的属性。槽用于描述对象的某一方面的属性。侧面用于描述相应属性的一个方面。侧面用于描述相应属性的一个方面。槽

4、和侧面所具有的属性值分别称为槽值和侧槽和侧面所具有的属性值分别称为槽值和侧面值面值.5www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络槽名槽名1：侧面名侧面名11:侧面值侧面值11侧面名侧面名12:侧面值侧面值12侧面名侧面名1n:侧面值侧面值1n槽名槽名k:6www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络2.3 框架的框架的BNF描述描述:=:=框架名框架名:=,:=约束约束,:=|(,)7www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络:=|:=|:=|:=, :=:=|:=|8www。themegallery。co

5、m2 框架与框架网络框架与框架网络:=|:=|,:=几点说明几点说明:(1)框架名的值允许带有用符号名表示的参框架名的值允许带有用符号名表示的参数数.当一个框架当一个框架A调用另一个带有符号名参数的框调用另一个带有符号名参数的框架架B时时A需要为需要为B提供相应的参数提供相应的参数.(2)当槽值或侧面值是一个过程时当槽值或侧面值是一个过程时,它既可以它既可以是一个动作串又可以是对某个过程的调用是一个动作串又可以是对某个过程的调用.9www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络没有侧面的框架可以简化为没有侧面的框架可以简化为:槽名槽名1：-值值1槽名槽名2：-值值2槽

6、名槽名n：-值值n某些槽的值可缺省某些槽的值可缺省.槽值可以有如下几种类型槽值可以有如下几种类型:具体值具体值,默认值默认值,过程值过程值,另一框架名另一框架名,空空10www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络例例 2.1 房间框架房间框架框架框架:房间房间墙数墙数:a=4窗数窗数:b=2门数门数:c=1墙墙:墙框架调用墙框架调用(b,c)门门:门框架调用门框架调用天花板天花板:天花板框架调用天花板框架调用地板地板:地板框架调用地板框架调用窗窗:窗框架调用窗框架调用框架框架:墙墙(w,d)墙面材料墙面材料:白灰白灰(或墙或墙纸纸)颜色颜色:白白窗数窗数:w门数门

7、数:d窗窗:窗框架调用窗框架调用门门:门门框架调用框架调用|11www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络2.4 框架的知识表示步骤框架的知识表示步骤框架是一种描述对象属性并反映相关个对象框架是一种描述对象属性并反映相关个对象间的各种关系的数据结构间的各种关系的数据结构,并且可以把它视并且可以把它视作知作知识单位识单位.对于要表达的知识对于要表达的知识,其中可能包含着许多其中可能包含着许多对象对象,各个对象各个对象之间有着各种各样的联系之间有着各种各样的联系,将这些将这些有关系的对象的框架联结起来便形成了要表达知有关系的对象的框架联结起来便形成了要表达知识的框架系

8、统识的框架系统.框架框架表示知识表示知识的具体步骤的具体步骤:1)分析代表的知识对象及其属性分析代表的知识对象及其属性,对框架中的对框架中的槽进行合理设置槽进行合理设置.12www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络在槽及侧面的设置上要考虑两方面的因素在槽及侧面的设置上要考虑两方面的因素:要符合系统的设计目标要符合系统的设计目标,凡是系统目标中所凡是系统目标中所要求的属性或是问题求解过程中可能用到的属性要求的属性或是问题求解过程中可能用到的属性都都要设置要设置相应的槽相应的槽.不能盲目的把所有的甚至无用的属性都用不能盲目的把所有的甚至无用的属性都用槽表示出来槽表示

9、出来.2)对各对象间的各种联系进行考察对各对象间的各种联系进行考察.使用一些使用一些常用的或根据具体需要定义一些表达联系的槽名常用的或根据具体需要定义一些表达联系的槽名,来描述上下层框架间的联系来描述上下层框架间的联系.在框架系统中在框架系统中,对象间的联系是通过各个槽的对象间的联系是通过各个槽的13www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络槽名来表述的槽名来表述的.通常在框架系统中定义一些公用通常在框架系统中定义一些公用,常用且标常用且标准的槽名准的槽名,并把这些槽名称为系统预定义槽名并把这些槽名称为系统预定义槽名.易于理解易于理解.比如常见的有比如常见的有:I

10、SA,AKO和和Instance等等例例 2.2 用分层的框架网络表示用分层的框架网络表示1976年年3月月18日日,一次强度为里氏一次强度为里氏8.5级的地震发级的地震发生在下斯洛文尼亚地区生在下斯洛文尼亚地区,造成造成25人死亡和人死亡和5亿美元的损失亿美元的损失.多年来靠近萨迪豪金斯断层的地区一直是一个地震多发多年来靠近萨迪豪金斯断层的地区一直是一个地震多发区区.解解:由于地震可看成是一种灾害事件由于地震可看成是一种灾害事件,除地震以外除地震以外,还还有火灾有火灾,洪水洪水,飓风等灾害事件飓风等灾害事件,因此可以组成一个描述灾因此可以组成一个描述灾害事件的框架系统害事件的框架系统.14w

11、ww。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络框架名框架名:地点地点:字符串字符串日期日期:单位单位(年年,月月,日日)死亡人数死亡人数:单位单位(人人)财产损失财产损失:单位单位(亿美元亿美元)框架名框架名:ISA:强度强度:单位单位(里氏级里氏级)断层断层:字符串字符串框架名框架名:|地点地点:Low Slabovia日期日期:1976,3,18死亡人数死亡人数:25财产损失财产损失:5强度强度8.5断层断层:Sadie Hawkins15www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络3) 对各层对象的对各层对象的”槽槽”及及”侧面侧面”进

12、行合理的进行合理的组织和安排组织和安排,避免信息描述的重复避免信息描述的重复.在框架的表示中在框架的表示中,ISA、AKO和和Instance槽槽等所联系的上下框架间具有继承性等所联系的上下框架间具有继承性,这就要求把这就要求把同一层中不同框架间所具有的相同的槽名作为这同一层中不同框架间所具有的相同的槽名作为这些框架所表示的对象的共同属性抽取出来些框架所表示的对象的共同属性抽取出来,放入放入他们上层框架中他们上层框架中.16www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络例例 2.3 建立一个分层的框架网络建立一个分层的框架网络从高层框架至最底层框架名依次为从高层框架至

13、最底层框架名依次为,并为相应并为相应的框架设置继承槽来避免重复描述的框架设置继承槽来避免重复描述.解解:框架定义如下框架定义如下:师生员工框架师生员工框架.框架名框架名:姓名姓名:单位单位(姓姓,名名)年龄年龄:单位单位(岁岁)17www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络性别性别:单位单位(男男,女女)缺省缺省:男男健康状况健康状况:范围范围(健康健康,一般一般,差差)缺省缺省:一般一般住房住房:教职工框架教职工框架.框架名框架名:继承继承:工作类别工作类别:范围范围(教师教师,干部干部,工人工人)缺省缺省:教师教师18www。themegallery。com2

14、 框架与框架网络框架与框架网络学历学历:范围范围(中专中专,大专大专,本科本科,研究生研究生)缺省缺省:本科本科参加工作时间参加工作时间:单位单位(年年,月月)教师框架教师框架.框架名框架名:继承继承:部门部门:单位单位(系系,教研室教研室)语种语种:范围范围(英语英语,法语法语,德语德语,日语日语,俄语俄语)缺省缺省:英语英语职称职称:范围范围(教授教授,副教授副教授,讲师讲师,助教助教)19www。themegallery。com2 框架与框架网络框架与框架网络缺省缺省:讲师讲师某个教师的实例框架某个教师的实例框架.框架名框架名:继承继承:姓名姓名:王林王林年龄年龄:36健康状况健康状况:

15、健康健康参加工作时间参加工作时间:1982,9部门部门:计算机系软件教研室计算机系软件教研室职称职称:副教授副教授20www。themegallery。com3 框架推理的基本过程及形式框架推理的基本过程及形式 框架表示知识的系统主要由两部分组成框架表示知识的系统主要由两部分组成:一一.由框架网络构成的知识库由框架网络构成的知识库.二二.由一组程序组成的框架推理机由一组程序组成的框架推理机.3.1 框架推理的基本过程框架推理的基本过程在用框架表示知识的系统中在用框架表示知识的系统中,推理主要是通过推理主要是通过框架匹配与填槽来实现的框架匹配与填槽来实现的.首先把要求解的问题用一个称为问题框架的

16、首先把要求解的问题用一个称为问题框架的框架表示出来框架表示出来,然后把初始问题框架与知识库中然后把初始问题框架与知识库中的框架进行匹配的框架进行匹配.21www。themegallery。com3 框架推理的基本过程及形式框架推理的基本过程及形式 比较原则是如果两个框架对应的槽没有冲突比较原则是如果两个框架对应的槽没有冲突或满足预设的某些条件就可以认为两个框架匹配或满足预设的某些条件就可以认为两个框架匹配成功成功.例例 3.1 推理的例子推理的例子假设例假设例2.3提出的关于师生员工的框架网络提出的关于师生员工的框架网络已建立在知识库中已建立在知识库中,当前要求解决的问题是从知当前要求解决的问

17、题是从知识库中找出一个满足如下条件的教师识库中找出一个满足如下条件的教师:男性男性,年龄年龄在在40岁一下的副教授岁一下的副教授,身体健康身体健康,会英语会英语.求解问求解问题可表示成如下初始问题框架题可表示成如下初始问题框架:22www。themegallery。com3 框架推理的基本过程及形式框架推理的基本过程及形式 框架名框架名:姓名姓名:年龄年龄:40性别性别:男男健康状况健康状况:健康健康职称职称:副教授副教授语种语种:英语英语用此问题框架与知识库中的框架进行匹配用此问题框架与知识库中的框架进行匹配,显显然然可以与之匹配可以与之匹配.23www。themegallery。com3

18、框架推理的基本过程及形式框架推理的基本过程及形式 3.2 框架推理形式框架推理形式框架链是一种复杂的语义网络框架链是一种复杂的语义网络.语义网络中的语义网络中的推理在框架中同样可以进行推理在框架中同样可以进行,但对框架最主要的但对框架最主要的推理形式为填充槽值推理形式为填充槽值.填充槽值有几种办法实现填充槽值有几种办法实现,主要有两种主要有两种:匹配和继承匹配和继承.1)匹配匹配框架是一类事物的完整描述框架是一类事物的完整描述,因此框架匹配只因此框架匹配只能做到部分匹配能做到部分匹配.例例 3.2 王强的行动和音量想消防车王强的行动和音量想消防车,找出王强的行找出王强的行动和音量像什么动和音量

19、像什么24www。themegallery。com3 框架推理的基本过程及形式框架推理的基本过程及形式 框架框架1：是是:人人性别性别:男男行动行动:音量音量:进取心进取心:中等中等框架框架2：是是:车辆车辆颜色颜色:红红行动行动:快快音量音量:极高极高载物载物:水水匹配这两个框架的槽匹配这两个框架的槽:行动和音量行动和音量.框架框架1没没有此值有此值,框架框架2有有.匹配结果是填充框架匹配结果是填充框架1的两个的两个槽值槽值-王强行动是快的王强行动是快的,音量是极高的音量是极高的.25www。themegallery。com3 框架推理的基本过程及形式框架推理的基本过程及形式 2) 继承继承

20、继承有两种继承有两种:直接继承和复杂继承直接继承和复杂继承直接继承直接继承:下层框架直接从上层框架中继承所有的属下层框架直接从上层框架中继承所有的属性值和条件性值和条件.复杂继承复杂继承:以时序继承为例以时序继承为例,即有条件的继承即有条件的继承.例例 3.3 框架名框架名:政体政体:资产阶级专政资产阶级专政面积面积:960万平方公里万平方公里人口人口:4.5亿亿领导党派领导党派:国民党国民党框架名框架名:政体政体:人民民主专政人民民主专政面积面积:960万平方公里万平方公里人口人口:4.5亿亿(1949年年)领导党派领导党派:共产党共产党26www。themegallery。com4 框架的

21、不确定性匹配框架的不确定性匹配 4.1 定义定义若若两个框架的对应的槽的值完全一致两个框架的对应的槽的值完全一致,则称这则称这两个框架是完全匹配两个框架是完全匹配,或称确定性匹配或称确定性匹配.若两个框架虽然不能使对应槽完全一致若两个框架虽然不能使对应槽完全一致,却满却满足预先指定的条件足预先指定的条件,则称这两个框架是不完全匹则称这两个框架是不完全匹配配,或称为不确定性匹配或称为不确定性匹配.27www。themegallery。com4 框架的不确定性匹配框架的不确定性匹配 4.2 主要的匹配方法主要的匹配方法1)匹配度方法匹配度方法匹配度是指当前看框架所描述的属性匹配度是指当前看框架所描

22、述的属性与已知与已知框架框架可匹配的程度可匹配的程度.匹配度方法的基本思想匹配度方法的基本思想首先求出两个框架匹配的首先求出两个框架匹配的匹配度匹配度,然后根据该然后根据该匹配度与预先给定的框架匹配阀值进行比较匹配度与预先给定的框架匹配阀值进行比较.最简单的匹配方法给各个属性确定一个重要最简单的匹配方法给各个属性确定一个重要性性28www。themegallery。com4 框架的不确定性匹配框架的不确定性匹配 2) 充分条件与必要条件方法充分条件与必要条件方法将框架中的某些槽分别设定为将框架中的某些槽分别设定为”充分条件充分条件”槽槽和和”必要条件必要条件”槽槽, 如果充分条件可以得到满足如

23、果充分条件可以得到满足,就就可以认为相应的两个框架可以匹配可以认为相应的两个框架可以匹配,如果充分条如果充分条件不满足件不满足,儿必要条件满足儿必要条件满足,就认为需要进一步搜就认为需要进一步搜集信息后在进行匹配集信息后在进行匹配,如果必要条件不满足就认如果必要条件不满足就认为两个框架不可匹配为两个框架不可匹配.这种方法不仅较好的解决了框架匹配问题这种方法不仅较好的解决了框架匹配问题,而而且在框架推理中可把框架分为确认且在框架推理中可把框架分为确认,激活与沉睡激活与沉睡3种状态种状态,有利于确定推理和搜索方向有利于确定推理和搜索方向.29www。themegallery。com4 框架的不确定

24、性匹配框架的不确定性匹配 3) 规定属性值变化范围方法规定属性值变化范围方法对某些事物的某些属性对某些事物的某些属性,可通过规定对其值规可通过规定对其值规定一个变化范围来实现属性的不确定性匹配定一个变化范围来实现属性的不确定性匹配.例如例如, 可规定教室的门的数量为可规定教室的门的数量为13扇扇,椅子椅子的腿数为的腿数为14条等条等.只要一个具体的事物的属性只要一个具体的事物的属性落在规定的值得范围内落在规定的值得范围内,就认为这个属性是匹配就认为这个属性是匹配的的.30www。themegallery。com4 框架的不确定性匹配框架的不确定性匹配 4) 功能属性描述法功能属性描述法对某些事

25、物除了给出有关外形的属性描述外对某些事物除了给出有关外形的属性描述外,还可以给出功能其功能属性描述还可以给出功能其功能属性描述,而且功能属性而且功能属性描述应该高于外形描述描述应该高于外形描述,这有利于实现框架的确这有利于实现框架的确定性描述定性描述.例如例如,如果能在如果能在的框架中给出其功能的框架中给出其功能属性属性,那么即便对只有一条腿的椅子那么即便对只有一条腿的椅子,只要它具有只要它具有椅子的功能椅子的功能,仍然可以认为它是椅子仍然可以认为它是椅子.小结小结实际应用中可以将几种情况组合起来使用实际应用中可以将几种情况组合起来使用.31www。themegallery。com5 框架推理

26、步骤框架推理步骤在用框架表示知识的系统中在用框架表示知识的系统中,通过框架中的通过框架中的AKO槽和槽和Instance槽把框架连接起来槽把框架连接起来,构成的构成的框架网络是一个层次结构框架网络是一个层次结构.框架推理就是以此层次结构为基础框架推理就是以此层次结构为基础,按照一定按照一定的搜索策略的搜索策略,不断寻找可匹配的框架进行填槽过不断寻找可匹配的框架进行填槽过程程.此过程有可能找到合适的框架此过程有可能找到合适的框架,得到问题的解得到问题的解而成功结束而成功结束,也有可能因为找不到合适的框架而也有可能因为找不到合适的框架而被迫终止被迫终止.32www。themegallery。com

27、5 框架推理步骤框架推理步骤5.1 主要推理步骤主要推理步骤1)把问题要求解的问题形成一个初始问题框把问题要求解的问题形成一个初始问题框架架,并将已知知识填入相应的槽去并将已知知识填入相应的槽去.2)从根框架进行搜索推理从根框架进行搜索推理.把问题框架与当前把问题框架与当前框架进行匹配框架进行匹配,若满足匹配条件转若满足匹配条件转3)进行填槽进行填槽,否否则转则转4)搜索下一个框架搜索下一个框架.3)把当前框架中相应的槽值填入问题框架对把当前框架中相应的槽值填入问题框架对应的槽中应的槽中,判断当前问题框架中是否包含了问题判断当前问题框架中是否包含了问题的解的解,若已包含转若已包含转6;否则转否

28、则转4)。33www。themegallery。com5 框架推理步骤框架推理步骤4) 按当前框架的按当前框架的Instance槽的槽值找一个槽的槽值找一个尚未进行过匹配操作的子框架尚未进行过匹配操作的子框架,有这样的子框架有这样的子框架则把此框架作为当前框架转步骤则把此框架作为当前框架转步骤2)否则转否则转5)进进行回溯行回溯 5) 由当前框架的由当前框架的AKO槽的槽值找到它的父槽的槽值找到它的父框架框架.若该父框架不是根框架若该父框架不是根框架,则把该父框架作为则把该父框架作为当前框架当前框架,转转2);若当前框架是根框架若当前框架是根框架,且有为匹且有为匹配过的子框架配过的子框架,则把

29、该框架作为当前框架转则把该框架作为当前框架转4);否否则另选根框架则另选根框架.6)如果问题的解具有不确定性如果问题的解具有不确定性,则根据不确定则根据不确定性知识表示法性知识表示法,计算解的不确定性计算解的不确定性,结束推理结束推理.34www。themegallery。com6 框架表示法的特点框架表示法的特点优点优点:1)结构性结构性2)继承性继承性由于子框架可以继承父框架的槽值由于子框架可以继承父框架的槽值,也可以进也可以进行补充和修改行补充和修改,因此多重继承有可能产生属性描因此多重继承有可能产生属性描述的多义性述的多义性.如何解决如何解决,目前还没有目前还没有统一统一的方法的方法.不足不足:不善于表示过程性知识不善于表示过程性知识,因此可以把框架表示因此可以把框架表示法与产生式结合起来已取得互补的效果法与产生式结合起来已取得互补的效果.35