知识库系统docx.docx

1、知识库系统docx第9章知识库系统9知识库系统概论随着计算机科学技术的发展，以计算机为 工具的信息处理技术经历了数值计算阶段 和数据处理阶段之后，已经进入了知识管 理与处理的阶段，也就是说，计算机可以 像人类一样具有进行创造性思维活动的能 力，即其具有智能。计算机具有智能是计 算机変展史丄的一个旬時彳弋白6标志，意请 着信息社会进入一个知识信息处理的新时 代，而知识库技术将使计算机应用系统具 有更多的智能。由于知识库是智能计算机的核心部件，同 时又是其他智能信息处理系统，例如智能 机器人、智能视觉、自然语言理解及专家 系统的关键部件和基础，因此成为当前计 算机科学研究的前沿，是一门正在逐步形

2、成和迅速发展的新兴学科。知识库可以看作是数据库理论研究的产物， 更确切地讲，知识库是人工智能（AI）和数 据库（DB）结合的产物。如果说数据库就 是把数据从应用程序中分离出来交予系统 程序处理，则知识库就是把知识从应用程 序申分离岀来，交由知识系统程序处理。 从研究角度看，AI和DB技术的结合将产生 未来信息系统新的基础结构，从应用角度 看，两者的结合最终将产生新一代信息系 统。 DB技术对Al的意义在于帮助Al系统规模进 升到实用水平，而AI技术对DB的意义体现 在以DB为基础的信息系统可以增加强有力 的表达和推理能力，同时，对数据库理论、 功能、性能和数据库技术扩展等都可以起 到推进作用。

3、9.1.1知识的概念1 数据、信息与知识数据数据是对事实的一种表达形式，包括数字、字符 和图形。数据可以通过人工或自动化装置进行处理。信息 信息是对人有用的，能够影响人们行为的数据。 信息通过对数据加工处理而产生。知识知识是人类对客观规律的认识，是系统的有条理 的信息。例如，摄氏39度是一个数据，如果用来表示一个人体温， 则成为一种信息；对于医生或具有保健常识的人来说，如 果一个人的体温达到摄氏39度，则其正在发烧，需要及时 治疗，这就祿为一祁知识。 2 知识的要素知识的要素是指构成系统知识集合必须的 基本知识元素，其中包括事实、概念和规 贝I。 概念 概念给出知识的最基本内容，是知识的最底层

4、基础，通常以名词形式出现, 例如花，红色，太阳，风，雨等。 事实事实是知识所表不的有关问题涉及 到的事物、环境的常识性知识，如事物的 分类、属性、事物之间的关系、科学事实、 客观事实等。事实建立了概念之间的联系。 事实是静态地为人们所共孚、最低层次一 -0层的知识，通常以“是”的形式 出现。 规则规则由事实组成，建立了事实间的 联系。规则是有关问题中与事物的行动、 动作相联系的因果关系知识，这种知识是 动态的，通常以“如果则”的形式 出现。例如启发式规则：如果下雨，则出 门带伞。912知识库知识库管理系统和知识库系统 1.知识库从知识存储的角度来看，知识库是知识的 集合。当然，这些知识包括概念

5、、事实与 规则。由于概念一般均包含在事实内，实 际上知识库中应当包含事实与规则两个部 分，而仅由事实组成的知识库只能认为是 广义的知识库。 2 知识库管理系统知识库是知识的集合,当知识以一定结构 方式存储并具有一定共享性和持久性，且 这种集合的元素数量很大时就需要进行管 理，管理知识库的计算机软件就称为知识 库管理系统(knowledgebase management system, KBMS).知识库管理系统应当具有以下功能：支持传统数据库管理系统的一切功能具有一种对知识进行操纵和处理的描述 性语言这种观点是Ulman在其名著uPrinciple of database and knowle

6、dge system”申提岀的。目前，一般知识库管理系统可以用如下的几个方 面来刻画其特性。(1) KBMS所管理的知识仅限于事实和规则两种。(2) KBMS应能管理大量的知识(3) KBMS所采用语言大多用逻辑语言，即用谓 词表示(4) KBMS的核心是一个推理机制(inference engine),它完成对知识的操纵，其中包括对知 识的一致性校验，知识的演绎检索。3 知识库系统如果一个系统具有使用计算机所存储的知识对输 入数据进行解释，生成作业假说并对其进行验证 的功能，则称该系统为一个知识库系统(knowledge base system, KBS)。按照上述知识库系统概念，知识库系统

7、中知识，是系统本身进行推理过程中所利用的信息，而不 是提供给系统使用者的信息。由此可以知道，知 识库系统与数据库系统的重要区别之处在于，它 并非向用户提供查询的信息，而是提供根据数据 输入数据信息通过知识推断而得到的结果。从逻辑构成上来看，知识库系统的基本组 成情况如下图所示。从具体资源组成上来看，知识库系统是一 种资源的集成，它包括硬件、软件、信息 和有关人员，具体有如卜内容：知识库及相应的存储机构知识库管理系统及相应的机器知识获取机构及相应的人员（包括知识工 程师）知识库管理员。4 知识库系统实现的关键技术知识表示知识利用知识获取913知识库语言研究知识库系统十分重要的一点就是研究 知识库

8、语言，从数据库领域引进AI技术的角 度，对知识库语言的研究主要集中在逻辑 语言上，这是因为逻辑语言接近于自然语 言，具有良好表达能力与推理能力，比较 符合知识库萦统的變耒。目前用彳乍知识庫 逻辑语言的主要分两类：以Prolog和以 Datalog为代表。当今国际上领先的两个知 识库试验系统N AIL和NU-Prolog所使用的知 识库语言部是由Datelog和Prolog扩尧的。 1-PrologProlag是一种基于一阶谓词的逻辑程序设计语言, 它由H.Kowalskv和A.Colmerauer首先提出，它在 AI和知识库的实现技术中具有重要作用。我们知 道？数理逻辑的一种形式是一阶谓词演算

9、，二阶Horn2?句。任一种子句形芸描述的逻辑喪达式都 可攻用Horn手句的形式耒I迓。而Prolog语言能 为数据库系统中演绎推理公理系统，具有很强的 逻辑描述能力和推理能力。它也使数据库系统和 知识库系统两者具有共同的坚实的数学基础。作为一阶谓词的逻辑语言，Prolog在实现知识库 中具有如下特征：一阶谓词逻辑的语言是形式化的严格定义一阶谓词逻辑的语言十分简单易懂逻辑公式不需要重复表达，与不同应用无关事实、假设、推理、查询、视图和完整性约束条件都能以基于一阶谓词逻辑的Prolog表达。2.DatalogDatalog语言是Prolog语言的一种特殊形式, 由于prolog语言是一种适应面较

10、为广泛的通 用语言，它在数据库、知识库领域中虽然 也能适应，但是也存在一定的不足之处， 这主要是数据库及知识库领域中具有一定 的特殊性在知识库中，知识个数是有限的一数 量有限在知识库中，一般只有知识操作而很少 有计算操作操作受限因此在实际上需要对prolog进行一定的限制, 使其在知识库领域中发挥更大作用，而 Datalog即是Prolog的一彳申适应于知识库的 改进形式语言，是一种受限的Prolog语言, 适用于知识库。9.2传统的知识表示模式 921知识表示基本概念知识表示是指知识的符号化，它包含两层 含义：用给定的知识结构，按一定的原则, 组织表示知识；擢瘙所義示知识的意叉。 就其形式而

11、言，知识表示就是用来组织求 解某问题的一组描述约定。知识表示是人 工智能和知识工程中的一个核心研究领域, 是知识库有效表示知识、运用知识和管理 知识的关键技术。知识表示方法种类繁多，分类标准不尽相 同，通常由直接表示、逻辑表示、产生式 规则表示、语义网络表示、框架表示、脚 本方法、过程表示、组合型知识表示方法、 面向对象表示方法等，其中主要的知识表 示方法及其彼此间联系如下图所示。表示方法922知识的谓词逻辑表示在知识库中目前大都采用“概念事实规则” 三级层次的知识构造体系。这种体系的知 识表示方法也很多，在人工智能和知识工 程领域学科中知识表示方法已经成为一个 专门领域。由于谓词逻辑本身的很

12、好的一 些基本特点，当前的知识库系统中一般采 用谓词逻辑表示方法。尽管其他知识表示方法各有千秋，但由于 谓词逻辑表示方法简单，比较适合于知识 库中的知识构造体系，具有较强的推理能 力和相对较好的理论基础，在知识库系统 中被广泛采用而作为一种主要的知识表示 方法。在谓词逻辑表示的知识构造体系中，概念、事实与规则可分别用个体（或变元）、谓 词与谓词公式表示，它们可使知识表示具 有统一的结构模式，以后还可以将谓词进 一步改造成某种具有结构简单的称为Hom 逻辑的统一标准形式。923知识的产生式表示产生式知识表示方法也称为产生式规则知 识表示方法。由于该表示方法是建立在因 果关系基础之上，可以方便的描

13、述事实、 规则和进行不确定性度量。 1 事实的表示事实可以看作是断言一个语言变量的值或者多个 语言变量间关系的陈述句。一般用三元组（对象属性，值）或 孕鬲，谢. 象1,对象2） k乗表不事实，其申对象就是语吞变 量。如果考虑不确定性就变化为用四元组（对象, 属性，值，不确疋度量值）.来表示。这种表示在 机器内部的实就就是一张表。例如对事实“老李今年40岁”即为（李，年龄， 40）,而“老赵和老张是同学”即为（同学，张, 李）。 2 规则的表示规则表示是事物间的因果关系，以“if condition then action”的单一形式表示，其 中condition部分成为前彳牛，而action部

14、分成产生式的一般形式为前件、后件。前件部 分通常是一些事实的合取与析取，而后件 通常是某一事实。如果考虑不确定性，则 需要另附加可信度量值。在自然界的各种知识单元中存在着大量的 因果关系，这些因果关系转化为前件和后件，用产生式规则表示非常方便。产生式式十产生式的一种特殊形式，只能表示确定性的知识，其值只能是真或是假，在使 用谓词逻辑中的蕴含式的匹配规则必须是 精确的。 3 产生式系统结构专家系统多是以产生式表示知识，将一组 产生式放在一起，让它们相互匹配，协同 工作，一个产生式的结论可以供另一个产 生式作为前件使用，以这种方式求解的系 统就称为产生式系统。一个一般的产生式 系统如图94所示，有

15、知识库和推理机组成, 而知识库又由数据库和规则库组成。924知识的语义网络表示语义网络是一种用实体及其语义关系来表 达知识的知识表达方式。从结构上来看， 语义网络一般是由一些最基本的语义单元 组成。这些最基本的语义单元被称为语义 基元，这些语义基元是由有向图表示的三 元组（结点1,弧，结点2）,如下图所示。语义关系结点1结点2其中，结点表示实体，代表各种事物、概 念、情况、属性、状态、事件、动作等； 弧是有方向和有标注的，方向体现了结点 所代表的实体的主次关系，即结点1为主， 结点2为辅。弧线上的标注表示它所连接的 两个实体之间的语义联系。应该注意在语 义网络中，弧的方向是不能随意调换的。但多

16、个语义基元用相应的语义联系关联在 一起的时候，就形成了一个语义网络。下 图是命题“小学生坐车去参观”的语义网 络图。由语义网络的结构特点可以看出，语义网 络不仅可以表示事物的属性、状态、行为 等，而且更适合于表示事物之间的关系和 联系。图96表示的语义网络图既表示了小 学生的所属（性质），又表示了小学生与 “参观”、“坐车”之间的联系。事实于 规则的语义网络的表示结构是相同的，区 别在于弧上的标注不一样。语义网络表示法和产生式表示法之间有着 对应的表示能力。语义网络基元是一种知 识的单位，人脑的记忆是由存储了大量的 网络基元来体现的。而产生式表示方法是 以一条产生式规则作为知识单元的，各条 产

17、生式规则没有直接的联系。同样从逻辑 表示法来看，一个语义网络相当于一个二 元谓词。例如，如果有谓词逻辑表示法Relation(objectl, object2),则用语义网络表示 则为(objectl, relation, object2),也可 以改写为谓词P (个体1,个体2),其中个 体分别对应于结点，而弧及其弧上的标注 的结点间关系由谓词P来体现。再如，“小李和小王是同学”语义网络如 下图所示。对应的产生式表示法为If Li and Wang then classmate谓词逻辑表示则为Classmat： Classmate (Li, Wang)925知识的框架表示框架(frame)是

18、将某类对象的所有知识组 织在一起的一种通用数据结构，而相互关 联的框架连接成框架系统。一个框架由框 架名和若干个槽(slots)组成，槽值描述 框架所表示实体的各个属性。每个槽又可 以由多个则面(faces)组成，各个侧面从 不同方面来描述槽的特性。槽值有四种填写方式：由上下文提供；通过默认值隐含；通过属性继承获得；通过附加过程推理得到。框架之间通过泛化联系联结成上下层面的 纵向联系，还可以通过槽值为另一个框架 名的嵌套联结成横向联系。整个框架系统 由纵、横联系成为一个具有层次的网络结 构，框架推理时由上下文中的数据选择候 选框架，通过上下文查询、默认、继承、 附加过程等获得属性值，按照框架中

19、各个 槽的次序填入，使候选框架具体化，以生 成一个描述当前情况的实例。2框架的构造框架由一组描述事物各个方面的槽组成，每个槽 拥有若干个说阳槽值的不同类型的侧面，隼个侧 面具有不同俞眉。屣架的基本组成如下述所示(Frame Name Frame Type(Slotl: Name Slotl: Type(Factl: (Datuml)(Factj: (Datumj)(Slotm: Name Slotm: Type(Factl: (Datuml)(Factj: (Datumj)其中各个组成组成部分的意义介绍如下(1) Frame Name知识库内框架的名称(2) Frame Type知识库内框架的

20、类型, 可以分为四类：Class 抽象概念的框架Instance 具体实例的框架Fact事实框架Rule规则框架(3) Slot Name槽名，槽是表示具有独立 语义的属性单元(4) Slot Type槽类型，具有两种不同的 类型：Relation Slot关系槽，说明上下框架的 联系General Slot 普通槽，说明属性(5) Facet侧面，表示属性值的操作类型，常用 操作有以下几种：Value 属性值为常数-If Needed调用属性值获得过程Default 属性值为默认值If Added 调用属性值追加过程If Removed 调用属性值删除过程。(6) Datum属性值，或属性值

21、获得过程名。 3 事实的表示事实框架是一个具体事例，例如一个状况, 一个概念、一个事件等，下面就是一个关 于描述人、职工、教师的概念框架和具体 的职工、教师实例框架的例子。例9 A class上位框架：生物下位框架：职工，教师性别：男，女年龄：1, 100身高：IF-ADDEDASK体重：IFNEEDED CALCULATE职工class上位框架：人下位框架：张，王，工种：制造，装配，电焊，.工资：1000, 5000工龄:1, 40教师：class上位框架：人下位框架：王老师，李老师，职称：助教，讲师，.教龄：1, 40工资：2000, 8000专业：英语，数学，李华 INSTANCE上位框

22、架：职工 性别：男年龄：24身 1.73工种：制造工资：1500工龄：5年CE师AN教原渠女I框 丽位别龄高重称龄资业王上性年身体职教工专6538153公斤副教授15年4500元 英语58 4 规则的表示在框架系统中，规则知识框架的类型用 Rule表示，类似于产生式规则表示，框架 中具有if, then两个部分，分别由不同的槽 来记述。If部分记述规则知识的条件，then 部分记述规则的结论或者操作。例9-2设有知识“如果一个人在大学工作, 主要从事教学或科研工作，并且学历为研 究生，则他就为教师”，其框架表示如下:职业RULEIF工作单位：大学工作内容：教学或科研文化程度：研究生THEN该人

23、是教师。9.4知识库系统原理当前，知识库系统中的知识一般分为事实 和规则两种，它们都用一阶谓词逻辑表示, 而知识库的推理规则采用一阶谓词逻辑中 的证明论与模型论理论，基于这两种理论 都可以产生知识推演的算法，即以归结原 理为代表的基于证明论的算法和以魔集算 法为代表的基于模型论的算法。9A1知识库系统中的一阶谓词逻辑表示一阶谓词逻辑是知识表不的一种有效方法, 它具有表示能力强、手法简练，具有强大 数据理论支撑。因此，目前知识库系统大 都用它作为知识表示工具。当然，为了适 应知识库系统的实际表示需要，在表示知 识时往往对一阶谓词逻辑作一些必要的改 造。1 七种基本符个体常量符号如a,b,c,.

24、个体变量符号如x, y, z, 函数符号如f, g, h,. 谓词符号如P, G, R,. 联结符号厂 o量词符号V 3逗点与括弧符号“，”，“（”，“）”2 项个体常量是项个体变量是项设f是n元函数符号，t1, t2, , tn是项，则f (t1, t2,tn)是项项由且仅由有限次使用上述步骤生成2 原子公式P是n元谓词,t1, t2, , tn是项,贝ijP(t1, t2, , tn)是原子公式，原子公式也称为原子。3阶谓词逻辑公式（公式）原子公式是公式如A, B是公式，贝A, A AB, A VB, A-B, AoB是公式如A是公式，x为个体变量，贝iWxwA和 3XGA是公式。公式由且

25、仅由有限次经过上述步骤生成。942子句阶谓词逻辑公式的表示方法具有表达能力 丰富和表示方法简洁的优势，但其表示不 够规范，不太适合计算机中使用和处理， 需要做必要的改造，使其具有一定的规形 式，这就是子句形式和Horn子句形式，简 称为子句和Horn子句。1 子句(1)子句具有下述形式的公式称为子句A1 A A2 A. AAk -Ak+1 VAk+2V. VAn其中Ai为原子公式(2)公式化为子句集合将公式转换为一阶谓词逻辑中的Skolem范式,Skolem范式是一种标准范式，具有下述形式：3ylay2.3ymvxlvx2.vxn(A11 VA12V. VA1k1)A(A21 VA22V. V

26、A2k2)AA (Ar1 VAr2V.VArkr)其中Aij为原子公式或原子公式的否定。将出现有存在量词约束变元换为某种约 束岁数（称之为Skolem函数）以取代存在 量词，经过此种代换后，Skolem范式中仅 岀现有全称量词。去掉Skolem范式中所有前缀，即所有全 称量词，并只要做一个简单的假定，即公 式中所有变元均为全称量词化的。到此为 止，一个公式可以改造为如下形式之合取 范式:(A11 VA12V. VA1k1)A(A21 VA22V. VA2k2) AA (Ar1 VAr2V. VArkr)将上述合取范式中的合取项作适当改造, 这个合取项是个析取式。将析取式中的原 子公式用交换律将

27、其置换于子式的左部， 而将所有原子公式否定用交换律置换于子 式的右部，并且进一步将否定符号用对偶 律提取括弧外从而构成如下公式形式： (Bi1 VBi2V.VBik) A-(B ik+1 VBik+2V. VBik)进一步改造上式，用QVP等价于 p_Q可以得到如下公式形式 Bik+1 ABik+2A. ABik-Bi1 VBi2V. V Bik此为子句形式。进一步可以认为，(3)中的合取范式与(5)中形式的子句形式的子句集合的永真 性是等价的。因此，可以认为任一个公式 可以用子句集合表示。这样，子句成为具有表示普遍性的一种合 适形式，它具有表示方式单一，又具有蕴 含形式，易于进行知识推理，所以非常适 合于在计童机中屣用。一般，为表示方便起见，可以将子句定义 中的形式改写为如下形式：Ak+1Ak+2.AnA1A2. Ak或进一步将替换成而得：Ak+1Ak+2.An： -A1A2. Ak子句表示有很多表示上的优点，但也有不 足之处，其主要之点是这种形式用于推理 时其蕴含后件是析取式，这种析取式引起 了推理结论的不确定性。为改变这种情况, 瑞士数学家Horn寤子句作进一步改造，构 成一个子句的特殊形式，称为Horn子句。9.4.3 Horn子句I.Horn 子句具有下述形式的子句称为Horn子句:An y:G(x,y).目前，数据库和知识库中所使用的逻辑表 示方法大都采用Datal