一種新的知識表示和知識推理研究

方 曉，馬 健，譚成兵，丁 麗

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，安徽 亳州236800）

目前已經(jīng)存在許多知識表示方法和推理技術(shù)，在智能系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，但是也存在共同的問題，就是創(chuàng)造性思維還很難在智能體系系統(tǒng)中得到發(fā)揮．所以本文引入可拓學(xué)理論和面向?qū)ο蠹夹g(shù)．可拓學(xué)雖然是一門新興學(xué)科，但是通過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了基本的理論框架，它是研究事物的可拓性以及開拓的規(guī)律與方法，并用以解決問題的學(xué)科，而面向?qū)ο笫钱?dāng)今比較流行的思想和技術(shù)．本文就是將可拓學(xué)理論和面向?qū)ο笏枷霊?yīng)用于人工智能中，針對現(xiàn)有人工智能技術(shù)的不足，做一些研究工作．

本文首先給出了面向?qū)ο蟮目赏刂R表示方法．以及把此方法運(yùn)用到常識中，在此基礎(chǔ)上給出一些面向?qū)ο蟮目赏赝评硪?guī)則．

1 主要工作

1．1 確定知識表示模型

用三元組g＝（object－name，c，v）或g＝（知識對象名，特征，特征量值）表示確定知識，其中的object－name稱為知識對象名 （類、實(shí)例、接口、其它特征），ci（i＝1，2，…n）為特征 （屬性、方法、知識對象），νi（i＝1，2，…n）為object－name關(guān)于ci的量值 （參數(shù)、名稱、解釋說明等）．以對象名objectname，n個特征c1，c2，…nn）和相應(yīng)的量值ν1，ν2，…νn構(gòu)成的n維陣列，即n維基元，如圖1所示．

圖1 確定知識表示模型

1．2 不確定知識表示模型

在確定知識表示的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)．確定了主要的特征關(guān)系，也就是綜合了Bayes思想提出的，采用可拓學(xué)的復(fù)元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示，

圖2 不確定知識表示模型

結(jié)合李俊鈴的文獻(xiàn)中定義，進(jìn)行以下說明［1］：

定義1 重要程度是指在前提中所占的重要程度，用IM來表示．則

定義2 可信度是指前件或后件為真的程度．用CF表示，CF∈ ［0，1］．

定義3 前件的關(guān)系指前件之間是或關(guān)系還是與關(guān)系，才有后件 （結(jié)論）．

例如：

Pi（i＝1，2，3，4）分別是0．6，0．5，0．8，0．9，IMi（i＝1，2，3，4）分別是0．1，0．2，0．4，0．3，CFi（i＝1，2，3，4）分別是0．5，0．6，0．8，0．4，H 為后項(xiàng)Ph＝0．6，CFh＝0．8，如圖3所示．

圖3 不確定知識表示實(shí)例

1．3 心理常識的表示

常識知識是人類知識的重要組成部分，對人工智能的發(fā)展有重要意義．常識與一般的知識不一樣，除了具有知識的共性，還有自己特有的性質(zhì)．本節(jié)針對心理常識進(jìn)行研究和分析．常識概念的特點(diǎn)：

（1）模糊性．①概念外延的定義不清，實(shí)例對概念的隸屬關(guān)系不確定．如鯨魚與常識 “魚”的概念．②概念的內(nèi)涵定義不清，常識的屬性取值往往是不精確的．例如 “年輕”的理解．③常識概念使用的模糊性．常識概念是在長期生產(chǎn)生活實(shí)踐中積累形成的，所以常識概念構(gòu)詞既有認(rèn)知規(guī)律起作用，即 “構(gòu)詞法”，也有歷史的偶然性或習(xí)慣起作用．

（2）無處不在性．科學(xué)概念往往來自于有邊界的科學(xué)領(lǐng)域．邊界性表現(xiàn)在：可有效判定概念是否屬于該領(lǐng)域的討論范圍．常識概念涉及生活的各個方面．因此，如何限定常識概念集的邊界，如何獲取和組織這些 “散亂”的常識概念是常識概念獲取的關(guān)鍵問題之一．獲取心理常識概念的第一步是確定將哪些常識概念加入心理常識概念庫［2］．

（3）私有性．不同語境對應(yīng)不同的常識概念集．例如 “病毒”對醫(yī)務(wù)工作者是常識，對小學(xué)生是專業(yè)詞匯；“餃子”是中國文化中的常識概念，而非外國文化中的常識概念［2］．

常識知識是一類重要的人類知識，對自然語言分析、機(jī)器智能研究和自然推理研究等都有重要意義．在一定的場合下智能體為親情中的角色，各個智能體之間的關(guān)系為親情關(guān)系，當(dāng)某個智能體方式某種行為的時候，各個智能體之間的親情關(guān)系的常識表示，進(jìn)行常識推理，作出智能體的行為［2，3］．

在曹存根等人對常識的定義的基礎(chǔ)上對以下概念進(jìn)行了定義［3］．

（1）常識基本概念

定義4 角色 （用R表示）．對于一個給定的實(shí)體E，R是E的一個角色當(dāng)且僅當(dāng)R滿足：

①至少存在另外一個實(shí)體E′，與E具有關(guān)系，即Relation（E，E′）；

②在得到角色R之前或失去角色R之后，實(shí)體E仍然存在并且仍保持為它本身．

用一個四元組來表示角色R，即R＝（R－Name，Player，Event，R－Relations），其中R－Name是該角色的名稱，作為一個角色謂詞使用，用來表示參數(shù)所扮演的角色；Player是角色扮演者，指角色扮演者的自然類型 （例如人、男人、女人、成年人、青年男人等以固有的生理差異劃分的類型）；Event是角色作為施動者發(fā)生的具體事件；R－Relations是一定的親屬中該角色與其他角色間存在的、相對穩(wěn)定的各種角色關(guān)系 （Role Relations）．

定義5 事件 （用Event表示）是一個五元組，E＝（Time，Location，Agent，Nature，Condition），其中Time指角色出現(xiàn)的時間；Location指角色出現(xiàn)的地點(diǎn)；Agent指場景中與親情產(chǎn)生相關(guān)的各種角色，包括當(dāng)前的親情主體所扮演的角色；Nature指事件發(fā)生，與角色有關(guān)的性質(zhì)；Condition則是事件發(fā)生是由于角色自身?xiàng)l件以及外界條件引起的．

定義6 角色關(guān)系 （R－Relation）是一個三元組，即 R－Relation＝（R－Name，RA，RB），其中 RName是角色關(guān)系的名稱，是親情關(guān)系中的一種，作為一個角色關(guān)系謂詞使用．角色關(guān)系謂詞是二元的，兩個參數(shù)的類型相同，同為角色；RA和RB表示兩個角色，它們之間存在關(guān)系R－Relation．

根據(jù)心理學(xué)研究的結(jié)果，情緒的產(chǎn)生、變化是情緒主體與外部自然、社會環(huán)境發(fā)生交互作用的結(jié)果，其中認(rèn)知過程起著關(guān)鍵作用．把參與角色扮演者認(rèn)知過程的要素組織為角色內(nèi)涵 （Role Connotation）．

定義7 角色結(jié)構(gòu) （用R－Structure，RS表示）指一個特定角色所具有的一系列相對固定的觀念、希望、社會規(guī)范和行為模式，表示為一個五元組，R－Connotation＝（Believes，Expectations，Norms，Behavior－Modes，Type）．其中Believes是角色的信念，即具有該角色的人相信成立的那些事實(shí)或規(guī)則 （含人的知識和常識）；Expectations是角色的期望，即扮演該角色的人所具有的各種愿望和需要；Norms是角色的規(guī)范，即角色扮演者在所處社會環(huán)境中應(yīng)該遵守的各種行為規(guī)范；Behavior－Modes是角色的行為．Type是角色所屬的自然屬性；

定義8 角色自然屬性 （用Natural Type，NT表示）角色的自然類型是一個四元組，NT＝（Trait，Belief，Expectation，Norm）．Trait是角色的自然類型所具有的特征；Belief指的是角色的自然類型所具有的信念結(jié)構(gòu)；Expectation指的角色自然類型所具有的期望結(jié)構(gòu)；Norm是角色的自然類型所具有的規(guī)范結(jié)構(gòu)；

定義9 角色繼承的關(guān)系 （Inheritance of Roles）給定一個角色類型的集合R，存在一個定義在R上的偏序關(guān)系?，構(gòu)詞了一個角色的層次結(jié)構(gòu)，對于R中的兩個角色類型r和r′，若r是相對于r′來說更泛化的一個角色類型，則稱r是r′的一個父角色類型，r′是r的一個子角色類型，記為r′≤r［3］．

（2）約束條件

條件1 當(dāng)親屬關(guān)系確定后，兩角色在自然屬性年齡、性別存在約束關(guān)系．

例如：角色A和角色B為父子關(guān)系：A （F－S）B，約束條件A．a(chǎn)ge＞B．a(chǎn)ge而且A．a(chǎn)ge－B．a(chǎn)ge＞＝x，x為一個定值．A．sex＝M＆B．sex＝M．如，對兩種有繼承關(guān)系的角色在年齡上的約束．在父子關(guān)系中，父親的年齡一定大于兒子的年齡，而且要有一定的差距．

條件2 對于兩個角色類型r1，r2，如果r1≤r2，則角色r1的自然類型NT1與角色r2的自然類型NT2也應(yīng)當(dāng)滿足關(guān)系：NT1≤NT2或NT1＝NT2［3］．

其中，≤為角色的繼承關(guān)系，“＝”則說明NT1＝NT2是相同的自然類型屬性．這樣就可以保證角色結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生矛盾．

（3）心理常識的可拓表示形式

根據(jù)定義4用可拓知識表示方法進(jìn)行表示：

根據(jù)定義5用可拓知識表示方法進(jìn)行表示：

根據(jù)定義6用可拓知識表示方法進(jìn)行表示：

根據(jù)定義7用可拓知識表示方法進(jìn)行表示：

根據(jù)定義8用可拓知識表示方法進(jìn)行表示：

根據(jù)定義9用可拓知識表示方法進(jìn)行表示：

（4）事例說明

例如：A為父親的角色和B為兒子的角色．事件為B在高考時失敗，A與B的心理常識的可拓的形式表示：

上述表示可知：兒子學(xué)習(xí)不勤奮，導(dǎo)致高考失?。赣H意識到高考的重要性，內(nèi)心比較痛恨兒子．

2 知識推理

知識推理是專家系統(tǒng)的核心部分，本章先介紹面向?qū)ο蟮耐评?，然后給出了面向?qū)ο蟮目赏赝评硪?guī)則，并對知識的一致性、冗余性、繼承循環(huán)進(jìn)行研究．

2．1 面向?qū)ο笸评?/h3>

在面向?qū)ο蟮闹R表示中，對象將實(shí)體、知識以及知識處理方法封裝在一起，這種封裝機(jī)制實(shí)現(xiàn)了信息隱藏和數(shù)據(jù)抽象．對象通過接口與外部發(fā)生聯(lián)系［4］，如圖4所示．

對象之間的相互作用體現(xiàn)在 “消息”的傳送上．對象響應(yīng)外界發(fā)送來的消息，按照消息模式找出匹配的操作并執(zhí)行．消息傳遞機(jī)制真實(shí)地反映了客觀世界的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［4］．

對于一類領(lǐng)域子問題，如果它們的求解方法近似，可以通過繼承共享其推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)．對于求解方法不同的對象，也應(yīng)該繼承其方法的聲明，給外部提供統(tǒng)一的接口．利用對象的多態(tài)性，外界可以通過統(tǒng)一的方法訪問對象．

在對象與對象之間的外部推理，是通過特性繼承和消息傳遞來實(shí)現(xiàn)的．對象與基類、基類與派生類之間可以通過實(shí)例化和繼承來傳遞特性值和知識處理方法．在沒有派生關(guān)系的類與對象之間則可以通過消息傳遞來達(dá)到獲取知識的目的．消息傳遞通常采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式．消息傳遞具有遞推功能即收到消息的對象類還可以將消息或部分消息傳遞到其它對象類，以求取得其它對象類協(xié)同求解問題的目的［4］．

知識對象的內(nèi)部推理和對象間推理的過程也是各個對象類的實(shí)例化過程．需要接收消息的對象首先進(jìn)行對象的實(shí)例化過程，如果該對象還包含其他對象類作為自己的成員，則首先實(shí)例化那些對象，這一過程遞推進(jìn)行，最終通過屬性填充、繼承、過程調(diào)用等手段獲取知識，建立起一個新對象；然后推理過程就首先在該對象內(nèi)部進(jìn)行，完成與對象所對應(yīng)的診斷子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的故障假設(shè)和證實(shí)任務(wù)．如果假設(shè)能夠成立，說明該對象所對應(yīng)的實(shí)體出現(xiàn)了故障，否則應(yīng)引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入下一層或與其相關(guān)的另一子系統(tǒng)進(jìn)行推理．這一過程不斷進(jìn)行直到推理完成或推理失?。罱K可以建立起一個推理樹，樹中的每一個節(jié)點(diǎn)則對應(yīng)著原型知識庫中的某一知識對象，也就是一個實(shí)體［4］．面向?qū)ο蟮谋硎痉椒ň哂蟹庋b性、模塊性、繼承性、易維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，克服了知識庫開發(fā)、維護(hù)以及管理的難度［5］．

圖4 消息傳遞機(jī)制

2．2 面向?qū)ο蟮目赏赝评?/h3>

（1）類－對象的可拓推理

設(shè)有基元的基元系統(tǒng)Sobject、Sclass表示

其中R1，R2，…Rn為Sclass基元系統(tǒng)的對象，R′1，R′2，…R′n為Sobject基元系統(tǒng)的對象．M1，M2，…Mk和M′1，M′2，…M′k分別為Sobject、Sclass的特征 （屬性和方法），V（M1）V（M2），…V（Mk）和V（M′1），V（M′2），…V（M′k）分別為 M1，M2，…Mk和M′1，M′2，…M′k相對的量值．若

∞表示R′1對R1的實(shí)例化，則在語義約束上有定義：

如果 ｛M1，M2，…Mk｝? ｛M′1，M′2，…M′k｝

對于上面的例子則有：張三屬于人類．

（2）繼承的可拓推理

在面向?qū)ο蟮募夹g(shù)當(dāng)中，繼承是一種類和類之間的關(guān)系．即子類和父類的關(guān)系．子類的屬性和方法（行為）是繼承了父類的方法和屬性．但子類中的另外一些屬性和方法是本身特有的．在一個智能系統(tǒng)中不可能也沒有必要把某一事物的所有相關(guān)信息用一個單元來記錄．事物的相關(guān)信息一般分名別類記錄在不同單元內(nèi)，共同信息可只儲存在一個單中，事物的比較全面、精確的信息可通過單元之間的推理來獲得．而單元之間推理的主要部分是繼承的推理．所謂繼承的可拓推理是根據(jù)基元關(guān)系把對事物、事件 （包括過程）的特征描述從一基元傳遞到另一基元的過程．

單一繼承的可拓推理

基元子類對基元父類基元的繼承的可拓推理．設(shè)有基元的基元系統(tǒng)Ss－class、Sf－class表示：

Sf－class＝ ｛R1，R2，…Rn｝＊｛M1，M2，…Mk｝＊｛V（M1），V（M2），…V（Mk）｝

Ss－class＝ ｛R′1，R′2，…R′n｝＊｛M′1，M′2，…M′x｝＊｛V（M′1），V（M′2），…V（M′x）｝

而且x≥k．其中R1，R2，…Rn為基元系統(tǒng)Sf－class的成員，R′1，R′2，…R′n為基元系統(tǒng)Ss－class的成員．M1，M2，…Mk和M′1，M′2，…M′x分別是Sf－class、Ss－class的特征．

Vj（M′i）（i＝1，2，…x，j＝1，2，…x）是Ss－class的R′j上M′i的量值，Vj（Mi）（i＝1，2，…k，j＝1，2，…k）是Sf－class中成員Rj在Mi上的量值．若Rj和R′j有繼承關(guān)系，面向?qū)ο蟮目赏乇硎拘问綖椋?/p>

≤表示R′1對R1的繼承，α1和α2為被繼承和繼承．

則 ｛M1，M2，…Mk｝? ｛M′1，M′2，…M′x｝

例如：

則 ｛用途，載重，廠家｝? ｛用途，載重，廠家，動力原料｝如果：

多繼承的可拓推理

在多繼承的可拓推理中．他的父類不止一個．因而繼承了許多父類的性質(zhì) （屬性，方法），在可拓推理中就可以把一個類拓展到他的許多父類當(dāng)中去，就是一個子類能推理得到許多個子類的過程．

繼承的可拓傳導(dǎo)推理

設(shè)基元Rclass，R1，R2…Rn．Rclass的面向?qū)ο蟮目赏乇硎緸?/p>

例如：在家電這個類中，有許多子類，電視機(jī)類、洗衣機(jī)類、音響類等等．根據(jù)上述的規(guī)則，則在語義約束上有：電視機(jī)類?洗衣機(jī)類?音響類

（3）對象之間的可拓推理

在對象與對象之間的關(guān)系中，有兩種情況，一是兩個對象是同一個類實(shí)例化的對象，即類內(nèi)對象的關(guān)系．二是兩個對象是不同實(shí)例化的結(jié)果，是類外的對象關(guān)系．在前一種情況下，他們是同一個類，在這里不再詳述；后一種中情況中，對象之間的關(guān)系是消息傳遞機(jī)制所形成的．

設(shè)一個對象系統(tǒng)中有方法和屬性．則表示；

O1＝ ｛c′o1，c′2，…c′n｝＊｛c1，c2，…cm｝＊｛V（c′1），V（c′2），…V（c′n）｝＊｛V（c1），V（c2），…V（cm）｝ c′i（i＝1，2，…n）為n個方法．c′i（i＝1，2，…m）為m個屬性．另外一個對象系統(tǒng)也有方法和屬性．則表示：

O2＝ ｛c′o1，c′o2，…c′ok｝＊｛co1，co2，…coh｝＊｛V（c′o1），V（c′o2），…V（c′ok）｝＊｛V（co1），V（co2），…V（coh）｝ c′oi（i＝1，2，…k）為k個方法，coi（i＝1，2…h(huán)）為h個屬性．

如果c′ox，x∈ ［1，k］，他的參數(shù)為c′y，y∈ ［1，n］或者cz，z∈ ［1，m］，利用面向?qū)ο蟮目赏乇硎緸椋?/p>

c′ox＝｜c(diǎn)′ox－name 參數(shù) c′y或者c′zy｜

也就是在對象2的一個方法中，它的參數(shù)是有對象1中的方法或?qū)傩詡魅氲模畡t在語義約束上有：

例如：

根據(jù)上述規(guī)則有：O2?O1

（4）類間的可拓推理

類與類之間的關(guān)系是通過接口來完成的．如果一個類是繼承了某個接口，則在類中要完成對接口中的方法和屬性完整的定義．

設(shè)一個接口I，I表示為I＝ ｛c′1，c′2，…c′m｝＊｛c1，c2，…cn｝，c′i（i＝1，2…m）為接口I定義的方法．ci（i＝1，2…n）為接口定義的屬性．

如果類CA繼承了接口I，CA＝ ｛c′1，c′2，…c′m｝＊｛c1，c2，…cn｝＊｛cA1，cA2，…cAK｝，在CA中CAi（i＝1，2…k）為類中定義的方法和屬性．

類CB也繼承了接口I，CB＝ ｛c′1，c′2，…c′m｝＊｛c1，c′2，…cn｝＊｛cB1，cB2，…cBr｝，在CB中cBi（i＝1，2，…r）為CB自己定義的方法和屬性．CA、CB可拓表示為

則在語義約束上有：

根據(jù)上述規(guī)則，在語義約束上有：CA?CB

3 今后的工作

本文只是做了嘗試性的工作，還有大量的問題需要探索，從可拓學(xué)科自身的特點(diǎn)來看，可拓學(xué)與智能系統(tǒng)的結(jié)合是很有發(fā)展前景的．特別是可拓策略生成系統(tǒng)的研究，為今后人工智能的發(fā)展提供一種廣闊的途徑．

在今后的研究工作中，針對本文的許多不足之處進(jìn)行改進(jìn)和深入研究，主要對面向?qū)ο蟮目赏赝评聿呗陨线M(jìn)行研究．將把本體的概念引入為解決矛盾性提供基礎(chǔ)［6］，也為可拓策略生成系統(tǒng)更加智能化提供支持．再將軟件開發(fā)的領(lǐng)域知識進(jìn)行試驗(yàn)證明［7］，形成知識共享模型．

［1］ 李俊玲．一種改進(jìn)的知識表示方法及其模糊推理的研究 ［D］．長春：東北師范大學(xué)，2007

［2］ 葉瀟，楊帆，曹存根，等．基于場合的情緒常識模型研究與分析 ［J］．華東理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，32（09）：1091－1097

［3］ 田雯．人類心理常識的形式化研究 ［D］．北京：中國科學(xué)院研究生院 （計(jì)算技術(shù)研究所），2004

［4］ 陳迎春．一種基于面向?qū)ο蟮闹R表示和推理機(jī)設(shè)計(jì) ［D］．成都：西南交通大學(xué)，2008

［5］ 董慧，徐雷．基于本體知識表示的歷史領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)模型 ［J］．現(xiàn)代圖書情報技術(shù)，2010，156（08）：76－78

［6］ 劉金花．本體的演化研究進(jìn)展 ［J］．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（07）：239－243

［7］ 魯強(qiáng)．一種支持軟件知識共享的本體模型研究 ［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30（02）：402－405