知识库系统

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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
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9.1.3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 符合知识库系统的要求。目前用作知识库 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NAIL和NU-Prolog所使用的知 识库语言都是由Datelog和Prolog扩充的。
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• 2.Datalog • Datalog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
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• ●在知识库中，知识个数是有限的——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的一种适应于知识库的 改进形式语言，是一种受限的Prolog语言， 适用于知识库。
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• 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。
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• 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。
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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。
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• 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（knowledge base management system, KBMS）.
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• 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。
知识源 用户
知识获取接口
用户接口
知识库管理系统
知识库
来自百度文库
推理机构
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• 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，具体有如下内容： • 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。
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9.1.2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、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。
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• 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9-4所示，有知识库和推理机组成， 而知识库又由数据库和规则库组成。
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• 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部分成为前件，而action部分成 为后件。 • 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。
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• 1.Prolog • Prolag是一种基于一阶谓词的逻辑程序设计语言， 它由R.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，一阶 谓词演算的一种形式是子句，子句的一种形式是 Horn子句。任一种子句形式描述的逻辑表达式都 可以用Horn子句的形式来描述。而Prolog语言作 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。
第9章 知识库系统
9.1知识库系统概论
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• 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 算机发展史上的一个划时代的标志，意味 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。
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• 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 成和迅速发展的新兴学科。
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• 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 序中分离出来，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。
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• ● 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。
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• • • • • • • • •
3.知识的类型 （1）过程型知识 （2）描述型知识 ● 事实知识 ●判断型知识 （3）元知识 ● 组织知识的元知识 ● 利用知识求解问题方向的元知识 ●从知识源获取知识的元知识
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9.2.3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，可以方便的描述事实、 规则和进行不确定性度量。
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• 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（关系，对 象1，对象2）k来表示事实，其中对象就是语言变 量。如果考虑不确定性就变化为用四元组（对象， 属性，值，不确定度量值）来表示。这种表示在 机器内部的实现就是一张表。 • 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）。
直接表示
局部表示
陈述性表示
过程性表示
逻辑表示
产生式表示
语义网络表示
框架表示
脚本表示
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9.2.2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。
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9.2传统的知识表示模式
• 9.2.1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；解释所表示知识的意义。 就其形式而言，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。
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• DB技术对AI的意义在于帮助AI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。
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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，这就称为一种知识。
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• 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。
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表示方法
替代表示
分布表示
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• 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 规则与逻辑蕴含式非常相似，当逻辑蕴含 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。
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• 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。
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• 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 则。 • ● 概念 概念给出知识的最基本内容，是知 识的最底层基础，通常以名词形式出现， 例如花，红色，太阳，风，雨等。
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• ● 事实 事实是知识所表示的有关问题涉及 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享、最低层次— —0层的知识，通常以“……是……”的形式 出现。
• 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“Principle of database and knowledge system”中提出的。
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• 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。