知识表示(Knowledge Representation),是指将现实世界中的知识转换为机器能够识别和处理的形式化数据结构或符号系统的过程。知识表示的作用主要表现在突显问题的本质、支持知识获取、支持对知识库的高效搜索等几个方面。[5]一个良好的知识表示系统能够显著提升系统利用知识执行任务的能力,为智能化应用提供有力支撑。[2][1]
1943年,波斯特(E.Post)首次提出了产生式规则表示法,为后续的知识表示方法奠定了基础。随后,在1968年奎廉(Quillian)提出的心理学模型推动了语义网络表示法的兴起。1972年,纽厄尔(Newell)和西蒙(Simon)进一步发展了产生式规则表示法,用于研究人类知识模型,解决了不确定性知识表示的问题。到了1975年时,明斯基(Minsky)提出了框架表示法,使得知识之间具有嵌套式结构信息。然而,由于缺乏明确的推理机制,其不能表示过程性知识。1975年,夏克(Schank)从框架发展出了脚本表示法,用于描述事件及时间顺序,从而实现了过程性知识的表示。[9]1998年,语义网概念提出[9],而2012年Google提出的知识图谱,成为知识表示领域的研究热点,以结构化形式描述实体间的关系[10]。随着深度学习技术的发展,知识表示开始与深度学习技术结合。[11]
知识表示原理可以分为局部表示、直接表示和分布表示三类,通过多样化的表示方法,如谓词逻辑、产生式和框架等,将知识转化为机器可理解的数据结构。[5][12]除了上述表示方法外,常见的知识表示语言还包括资源描述框架(RDF)[6]、描述逻辑(Description Logic)[7]以及网络本体语言(OWL)等。[8]在模型构建方面,基于因素空间的知识表示模型和基于神经网络的知识表示模型是两种常见的选择。[13]这些方法和模型在知识工程、自然语言处理、军事决策等领域得到了广泛的应用。[3][4]
概述
知识表示是将现实世界中纷繁复杂的知识转化为计算机能够识别、处理和应用的形式化描述和约定。[1]其研究的对象是知识,目标是使用某种形式将有关问题的知识存入计算机以便处理。[10]核心则是在于研究如何将各类知识以适合计算机处理的方式表示和存储,确保知识的有效捕捉和表示,同时促进知识系统的构建与知识的交流共享。[1]知识表示的方法按其特征可分为两类:叙述性(declarative)表示和过程性(procedural)表示。叙述性表示将知识与控制分离,专注于知识的描述,而将如何使用这些知识即控制逻辑交由计算机程序处理。过程性表示则强调知识与控制的紧密结合,因此通常具有较高的推理效率。[10]一个优秀的知识表示系统能够显著提升系统利用知识执行任务的能力,为智能化应用提供强有力的支撑。[2]
知识表示的研究可追溯至人工智能的萌芽时期,经历了从基于符号逻辑的知识表示方法到基于向量空间的知识图谱表示方法的演变。有效的知识表示方法不仅需要准确反映知识的结构和内容,还需易于人类理解和接受,并支持高效的推理过程。[1]同时,由于知识具有无限性、模糊性和不精确性等特点,知识表示方法还需具备出色的可维护性,以应对知识的动态变化和更新。[14]
早期探索
知识表示一直是人工智能领域中的核心议题,它关注于如何有效地将人类知识转化为计算机可理解和处理的形式。随着技术的不断进步,知识表示方法经历了多次演变和发展。[9]早在1943年,波斯特(E.Post)首次提出了产生式规则表示法,也被称为“Post机”的计算模型。这种方法采用了一种描述形式语言的语法,与图灵机具有相同的计算能力,为后续的知识表示方法奠定了基础。[9]

随着时间的推移,语义网络表示法逐渐崭露头角。这种方法起源于奎廉(Quillian)在1968年提出的心理学模型,随后被引入到知识表示领域。通过相互连接的点和边来表示知识,语义网络为对象、概念及其之间的关系提供了直观且结构化的表示方式。[9]
快速发展
1972年,纽厄尔(Newell)和西蒙(Simon)进一步发展了产生式规则表示法,用于研究人类知识模型。纽厄尔和西蒙在一阶谓词逻辑表示法的基础上,引入了置信度概念,解决了不确定性知识表示的问题。这种表示法以其能够表示不确定性知识和过程性知识的优势,在专家系统中得到了广泛应用。专家系统利用产生式规则表示法来模拟人类专家的知识和推理过程,为决策支持和问题解决提供了强大的工具。但同样,他也有例如不能表示结构性知识和层次性知识的局限性。[9]
框架表示法是基于框架理论发展起来的一种结构化的知识表示方法,最早由明斯基(Minsky)在1975年提出。它通过定义框架名、槽、侧面和值等组件,构建了一个层次化的知识结构。这种方法具有结构化和继承性等优点,使得知识之间的关联和层次结构得以清晰展现。框架表示法的出现进一步推动了结构化知识表示的发展,然而,由于缺乏明确的推理机制,框架表示法不能表示过程性知识。夏克(Schank)在1975年从框架发展出了脚本表示法,用于描述事件及时间顺序,从而实现了过程性知识的表示。[9]
描述逻辑的出现
随着技术的不断进步,在20世纪80年代中期,描述逻辑(DL)建模语言出现,逐渐在知识表示领域崭露头角。它提供了一种形式化的语义,这种形式化的语义为DL本体提供了精确的意义规范,确保了无论是人类还是计算机系统,在交换DL本体时都能够对它们的含义达成共识,避免产生歧义,为知识的精确描述和推理提供了基础。[15]同时,本体论知识表示观的兴起也为知识表示领域带来了新的视角。[10]1984年,美国斯坦福大学的教授菜纳特(D.Lenat)在领导研制大型知识库系统CYC时明确提出了本体论的知识表示观。本体论表示观认为,表示是对自然世界的一种近似,它规定了看待自然世界的方式,即一个约定的集合,表示只是描述了这个世界中观察者当前所关心的那部分。[16][17]1991年美国USC大学的内奇斯(Neches)等首次在知识表示中采用本体的概念,合作者格鲁伯(Gruber)于1993年明确定义“本体是概念化的一个显式规范说明”,博斯特(Borst)于1997年在其博士论文中定义“本体是共享概念化的一个形式化规范说明”,而1998年施图德(Studer)等则认为“本体是共享概念化的一个形式化显式规范说明”。本体论强调对自然世界的近似表示和观察者所关心的部分的描述,为知识的共享和重用提供了基础。[10]
语义网与知识图谱的崛起
随着互联网的崛起,语义网(Semantic Web)于1998年被提出。尽管它与语义网络在名称上相似,但两者实际上是不同的概念。语义网本质上是一个以Web数据为核心、以机器理解和处理的方式进行链接形成的海量分布式数据库。因此,严格来说,它不是一种知识表示方法,而是一种数据组织方式。[9]

2012年,美国谷歌(Google)公司提出知识图谱,已成为知识表示领域乃至整个人工智能学科中的研究热点。尽管谷歌最初提出知识图谱的目的是为了强化其搜索引擎的功能,提升搜索质量和用户体验,但在知识表示领域,知识图谱是描述实体、概念及其关系的语义网络,通过三元组形式展现清晰的知识关联与层次。相比本体,知识图谱内容更广泛,既包含元知识,又涉及具体实体、事件及其复杂关系,且能动态更新以适应现实世界的变化,推动知识表示领域的进步。[10]
事理图谱的发展
随着知识图谱技术的迅猛进步,以事理为核心的新型知识表示方式不断涌现。2017年,刘挺教授率先提出了事理图谱(Event Evolution Graph,EEG)的概念,它作为一种混合图谱,由顶点和边标记构成,顶点代表提及的事件,而边则揭示事件之间的时间和共指联系。此外,格拉瓦斯(Glavas)和斯奈德姆(Snajderm)还开发了图谱自动构建系统,这标志着现代知识表示技术正逐步与事理图谱的发展相互融合。[18]

融合深度学习的知识表示
随着深度学习技术的发展,研究人员开始探索将深度学习与知识表示技术相结合,以更好地捕获和表示知识对象的语义关系。这种融合不仅提高了知识表示的准确性和效率,还增强了计算机对知识的理解和推理能力。[11][19]
在此背景下,融合深度学习的知识表示方法不断涌现。例如,2020年,余传明等人基于网络视角的组合式知识网络表示学习模型(CKNRL)就是其中的代表之一。该模型通过整合多种网络表示学习算法,并利用深度学习技术优化其权重组合方式,从而实现对知识网络语义关系的更精确表示。在中英文新闻平行语料的知识网络链接预测任务上,该模型取得了显著的效果,进一步验证了融合深度学习在知识表示中的有效性。[20]
按作用分类
知识是人类对自然界(包括社会和人)的认识所产生的精神产物,它是人类进行智能活动的基础。计算机所处理的知识,根据其作用,大致可分为描述性知识、判断性知识、过程性知识三类;[10]按照作用的层次,知识还可以进一步分为对象级知识、元级知识这两类。[10]
| 分类依据 | 类别 | 描述 |
|---|---|---|
| 知识的性质 | 描述性知识 | 涉及对概念及其特征的描述,以及它们之间的相互关系,还有问题解决状况的知识,也常被称为事实性知识 |
| 判断性知识 | 涉及与领域相关的问题解决知识,如推理规则等,也被称为启发性知识 | |
| 过程性知识 | 关注的是问题解决的控制策略,即如何运用判断性知识进行管理的知识 | |
| 知识的作用层次 | 对象级知识 | 直接描述与特定领域对象相关的知识,或称为领域相关的知识 |
| 元级知识 | 描述对象级知识本身的知识,例如关于领域知识的内容、特征、应用范围、可信程度的知识,以及如何应用这些知识的知识,也被称为关于知识的知识 |
按特性分类
依据不同的属性,知识可以划分为显性知识和隐性知识;依据知识的范围,可分为内部知识和外部知识;根据知识的“所有权”不同,可以划分为个人知识和组织知识;从静态与动态的视角来看,知识可以划分为静态知识和动态知识;按照知识对企业的作用和贡献大小,则可将其划分为核心知识和非核心知识。[21]
| 分类依据 | 类别 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|---|
| 知识的属性 | 显性知识 | 以专利、发明创造、文件、规章制度、设计图、报告等形式存在的知识 | 专利、文件、报告 |
| 隐性知识 | 工作诀窍、经验、视点、形象、价值体系等 | 经验、视点、价值体系 | |
| 知识的范围 | 内部知识 | 企业内部所拥有的各种知识,包括品牌、商标、专利、发明、报告、商业秘诀以及员工所拥有的知识 | 品牌、商标、内部报告、商业秘诀 |
| 外部知识 | 组织以外的、有利于企业发展并能为企业所获取的各类知识 | 市场调研报告、行业分析、外部技术 | |
| 知识的“所有权” | 个人知识 | 个体所拥有的专业知识、工作技能、实用诀窍、个人专利与发明,以及日常生活中积累的经验和感悟 | 个人专利、工作技能、个人经验 |
| 组织知识 | 组织内部所共享和积累的知识资源 | 企业流程、公司政策、团队经验 | |
| 知识的静态与动态观点 | 静态知识 | 被视为物质“实体”的知识观点,可识别、可组织、可收集和可测度的具体存在 | 文档化的知识、数据库中的信息 |
| 动态知识 | 被视为过程的知识观点,不断转变、融合和合并的动态体系 | 知识共享平台、团队协作中的创新思路 | |
| 知识的作用和贡献大小 | 核心知识 | 能使企业为顾客带来特别利益的独有技术,并使该技术迅速、高效地转化为高质量的产品和服务的能力 | 核心技术、关键技能、核心业务流程 |
| 非核心知识 | 辅助核心知识的产生、形成和发展的制度、文化、技术及知识等 | 支持性技术、公司文化、培训资料 |
表示
表示,就是为描述世界所做的一组约定,是将知识符号化的过程。知识的表示与知识的获取、管理、处理、解释等有着密切的关系。它对于问题能否求解以及问题求解的效率具有重要影响。一个恰当的知识表示方法可以使复杂的问题迎刃而解。一般而言,对知识表示有如下要求:[10]
表示能力:能够准确且有效地表达问题求解所需的知识。[10]可理解性:所表示的知识应该简洁明了,易于理解。[10]可访问性:能够高效地利用所表达的知识。[10]可扩展性:能够方便、灵活地对知识进行扩充。[10]
原理
知识表示原理可以分为局部表示、直接表示和分布表示三类。[5]
局部表示类
陈述性表示:这种表示方式主要描述事实性知识,给出客观事物的知识。它是静态的,将知识的表示与知识的运用(推理)分开处理。陈述性表示的特点是数据严格、模块性好,每个有关事实仅需存储一次。逻辑表示法和语义网络表示法都可以看作是陈述性表示的例子。[5]
过程性表示:这种表示方式主要描述规则和控制结构知识,给出一些客观规律。它是动态的,表示与推理相结合。过程性表示易于表达启发性知识和默认推理知识,但不够严格,知识间有交互,求解效率高。产生式系统和框架都可以看作是过程性表示的例子。[5]
直接表示类
这种表示方法借助图示、图像以及声音等直观手段来呈现知识,不仅形式直观、易于理解,而且特别适合展现与视觉和听觉密切相关的知识内容。通过这种方式,学习者能够更直观地掌握知识,提升学习效果。[5]
分布表示类
分布表示法包括连接机制表示和基因表示。其中连接机制表示主要基于神经网络,通过神经元之间的连接来表示和存储知识。基因表示则是一种介于局部与分布表示之间的知识表示方法,它通过染色体的基因片段来分布地表示知识。基因表示适合表示那些具有整体特性的知识,并且具有大规模并行处理的特点,对于解决优化问题具有特殊的意义。[5]
一阶谓词逻辑表示法
一阶谓词逻辑(First Order Predicate Logic)[10]表示法,是基于数理逻辑,借助计算机进行精确运算(推演)。用于表示和推理关于对象、属性以及它们之间关系的知识。一阶谓词逻辑一般由谓词符号、变量符号、函数符号和常量几个部分组成,使用逗号、花括号、圆括号、方括号隔开,用来说明论域内的关系。一阶谓词逻辑的基本积木块是原子公式,应用联词(与)、(或)以及→(蕴涵)等,更加复杂的合式公式可以通过组合多个原子公式来实现。[12]
例如给定一个句子“如果这本书是学生张三的,那么它是蓝色(封面)的”,就可以构造如下的逻辑公式:。[12]
框架表示法
框架(Frame)[10]表示法,是把某一事件或对象的所有知识储存在一起的复杂数据结构。框架顶层往下被划分为若干槽,上层知识的不同属性被存储于各个槽中,而每个槽根据实际情况又可分为若干侧面。当槽值和侧面是另一个框架的标题名,此时两个框架之间则存在一定的联系。其一般形式如下:[12][22]
<框架名> <槽名1><槽值1>/<侧面名11><侧面值111,侧面值112,…> <侧面名12><侧面值121,侧面值122,…> … <槽名2><槽值2>/<侧面名21><侧面值211,侧面值212,…> <侧面名22><侧面值221,侧面值222,…> … <槽名3><槽值3>/<侧面名31><侧面值311,侧面值312,…> <侧面名32><侧面值321,侧面值322,…> …
语义网络表示法
语义网络(Semantic Network)[10]表示法,是一种基于节点和有向线段网络图的知识表示方法。在该方法中,节点被用来描述实体、概念等,而有向连线则用于表达事件、情况以及它们之间的各种关系。这种表示法由词法、结构、过程和语义四部分组成,形成一个能够表示概念间链接关系的网络。[12]
语义网络作为一种显式心理学模型,在人类联想记忆的研究中得到了广泛应用。该方法最初由奎里安在1968年提出,并在其可教式语言理解器(TLC)中作为核心的知识表示技术。随后,西蒙在1972年的自然语言理解研究中进一步确定了语义网络法的基本概念。[12]
不同系统中的语义网络模式可能有所差异,但从形式上看,一个语义网络就是一个带有标识的有向图。在这个图中,问题领域中的物体、概念、事件、动作等通过带有标识的节点来表示,而节点之间的有向弧则用于表达它们之间的语义联系。这些有向弧有时也被称为联想弧,因此语义网络也被称作联想网络。[12]
在语义网络法的知识表示中,节点通常分为类节点和实例节点。类节点表示抽象的概念或类别,而实例节点则代表具体的个体或对象。语义网络法组织知识的关键在于有向弧的使用,它们不仅连接节点,还定义了节点之间的语义关系,从而构建出一个丰富而灵活的知识网络。[12]
产生式表示法
产生式(Production)[23]表示法,最初源于逻辑学家波斯特在1943年提出的一种计算形式体系,该体系建立在串替代规则之上,每条规则均与一个产生式相对应。随后,纽厄尔和西蒙对产生式规则进行了深化改进,通过采用一种简化的策略来模拟人类解决问题的过程。这种方法基于人类大脑记忆模式中不同知识块之间的因果关系,以“IF-THEN”的形式,即产生式规则来呈现。这种形式的规则不仅能够捕捉人类解决问题的行为特征,还能够揭示出行动循环的过程,从而有效解决问题。[12]
产生式规则表示法的知识形式相对直接且单一,易于理解和解释。规则之间相互独立且结构化良好,便于提取知识和形式化。由于问题解决的过程与人们的认知过程高度相似,产生式规则相对简单且易于实现,因此在问题求解和系统开发方面具有显著优势。这也使得它在许多专家系统及人工智能领域得到了广泛应用。[12]
面向对象表示法
面向对象(Object Oriented)[24]表示法认为客观世界是由一系列相互关联的对象所构成的。在面向对象表示法中,对象被视为知识分类的基本单位,每个对象都封装了属性、关系和方法等基本知识特征。这种封装机制使得对象具有封闭性和模块性,通过对象的消息接口即可进行访问和操作。[22]
在面向对象设计中,构建类层次是一个核心过程。类是对具有相似属性和行为的对象的抽象描述。在表示知识时,就需要对类进行详细的描述,包括类名、继承关系、类变量、对象的静态结构描述、对象的操作定义以及可能存在的限制条件等。这种描述方式使得知识表示更加清晰和结构化。[22]面向对象表示法广泛应用于专家系统和知识库的构建中。它不仅能够简洁高效地表示领域知识,还能够与其他表示法混合使用,形成混合式知识表示法。这种混合表示法能够结合不同表示法的优点,更好地满足复杂领域知识的表示需求。[22]
基于本体的表示法
基于本体(Ontology)[10]的知识表示法源于哲学领域中的本体概念,它作为一切存在的根本凭借和内在依据,为多样性的世界提供了共同的基础。自20世纪90年代初期起,基于本体的知识表示法开始受到计算机领域、知识工程领域及人工智能领域的广泛关注。通过将现实世界中的特定应用领域抽象或概括为一组概念和概念之间的关系,并构建相应的本体,这种方法极大地促进了计算机在该领域中的信息处理能力。[12]
在知识工程领域,基于本体的知识表示法的研究主要集中在领域本体库的构建和本体两个方面。领域本体库是针对特定领域构建的知识库,它提供了该领域中概念的定义、概念之间的关系,以及领域内的活动、理论和基本原理等。而本体的表示则关注于如何有效地描述和表示这些概念和关系,以便计算机能够理解和处理。[12]
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| 知识表示本体 | 这类本体不局限于某一特定领域,而是专注于研究知识描述的语言。典型的例子包括KIF(知识交换格式)、OIL(本体交换语言)和Ontolingua等。这些语言提供了用于描述概念、属性和关系的语法和语义规则,从而支持跨领域的知识表示和推理 |
| 通用或常识本体 | 这类本体旨在构建庞大的人类常识知识库,涵盖多个领域,以解决计算机软件中的脆弱性问题。通过整合和表示各种常识知识,通用本体可以提高计算机系统的智能水平和适应性。例如,SUMO[注1]就是研究通用或常识本体的典型项目 |
| 领域本体 | 领域本体是针对特定领域构建的知识表示体系。它们提供了领域内概念的定义、概念之间的关系以及领域活动的描述。医学概念本体和生物知识库就是领域本体的典型代表。通过领域本体,就可以更加精确地表示和推理特定领域的知识 |
| 语言学本体 | 语言学本体关注于语言和词汇的知识表示。例如,WordNet是一个庞大的语言知识库系统,它通过同义词集、关系指针等信息来组织词汇知识。这种本体形式有助于计算机理解和处理自然语言文本,实现更高级别的语言理解和生成能力 |
| 任务本体 | 任务本体关注于共享问题解决方法和推理的研究。它们描述了与特定任务相关的概念、方法、结构和推理过程。例如,关于任务和问题求解方法本体的研究可以帮助计算机理解和执行各种复杂任务,提高自动化和智能化的水平 |
| 参考资料:[12] | |
知识地图表示法
知识地图(Knowledge Map)[12],作为知识表示的一种方法,又被形象地称为知识图、知识分布图或知识黄页簿。它不仅是知识的库存目录,更是导航工具。正如普通地图能够清晰展示各类地理实体的位置信息,知识地图则能够系统整理个人或组织所掌握的知识项目及其访问路径,使得用户可以迅速定位并轻松查找所需的知识资源。其中,V型知识地图的结构就是由美国康奈尔大学的教育心理学专家高文(D.B.Gowin)教授于1997年首创,它旨在作为一种启发式工具,帮助用户围绕特定主题深入探索理论与方法之间的内在联系。这种地图通过形象化的方式,对知识进行结构化的组织和揭示,为用户呈现出一幅更为清晰、直观的知识脉络图。[12]

知识图谱表示法
知识图谱(Knowledge Graph)[25],又称为科学知识图谱,是由Google公司在2012年提出的。其核心部分在于知识表示的本体。它能够灵活且强大地建模现实世界中的实体、概念、属性及其关系。[25][10]核心价值则在于通过实体与关系解读知识,实现知识与用户的高效匹配。[12]
根据来源和应用领域,知识图谱分为通用和行业两大类。通用知识图谱服务广大用户,内容以常识为主,广度大但深度略显不足。行业知识图谱则基于特定行业数据构建,对知识深度有更高要求。两者互补,共同构成完整的知识体系。[12]
在构建知识图谱时,流程规划包括知识抽取、融合和加工。知识抽取提取有用知识,融合将不同来源知识整合为统一形式,加工则通过计算和推理完善图谱结构。[12]

状态空间表示法
状态空间(State Space)[10]表示法,把求解的问题表示成问题状态、操作、约束、初始状态和目标状态。状态空间就是所有可能的状态的集合。求解一个问题就是从初始状态出发,不断应用可应用的操作,在满足约束的条件下达到目标状态。问题求解过程可以看成是问题状态在状态空间的移动。[26][10]
状态空间法有三个要素:状态、算符和状态空间方法。状态表示问题解法中每一步问题状况的数据结构。算符是把问题从一种状态变换为另一种状态的手段。状态空间方法就是基于解答空间的问题表示和求解方法,它是以状态与算符为基础来表示和求解问题的。状态空间表示法就是在使用状态空间法对问题求解中应用的知识表示方法。[26][10]
脚本表示法
脚本(Script)[10]表示法,是由夏克(R.C.Schank)基于其概念依赖理论提出的一种知识表示方法。该方法与框架表示法相似,由一组槽构成,主要用于描述特定领域内一系列事件的发生序列。[27][10]
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| 进入条件 | 设定触发脚本描述事件的前提条件 |
| 角色 | 定义在脚本描述事件中可能涉及的各类人物 |
| 道具 | 描述在脚本事件中可能出现的相关物体 |
| 场景 | 详细阐述事件的发生顺序,一个事件可能包含多个场景,每个场景又可能是一个子脚本 |
| 结局 | 揭示脚本描述事件发生后所产生的最终结果 |
| 参考资料:[27][10] | |
脚本表示法特别强调事件之间的因果关系,通过一组槽的描述,构建出一个完整的因果链。链的起点是一组进入条件,它促使脚本中的首个事件得以启动;链的终点则是一组结果,它推动后续事件的发生。相较于框架表示法的通用性,脚本表示法在对特定领域知识的描述上更具优势。[27][10]
概念从属表示法
概念从属(Conceptual Dependency)[10]表示法,是一种用于解析自然语言语义的理论框架,夏克于1973年首次提出了这一理论,其核心特点在于其推理过程不受语句所用语言的限制。与传统的词汇单元不同,概念从属表示法中的单元并非直接对应于语句中的单词,而是由能够组合成词义的概念单元所构成。[28][10]
概念从属表示法能够提供一种结构来表示特殊信息块,还能够提供一组特殊的原语——概念原语。这些概念原语在概念从属表示法中扮演着核心角色,它们以某种从属关系相互关联,从而实现对句子意义的精确表示。在概念从属表示法中,一个句子的表示并非依赖于原句中与单词相应的原语,而是基于概念原语之间的从属关系。这种表示法摆脱了语言本身的束缚,使得推理过程更加灵活和通用。此外,概念从属表示法同样具有两种表达方式:一种是使用某种结构语言进行描述,另一种则是通过关系图来直观展示。[28][10]
| 知识表示方法 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 一阶谓词逻辑表示法[22] | 逻辑接近自然语言,便于计算机的读取与存储;可由简单的方式构建复杂知识,且表达清晰唯一[22] | 不能准确地表示确定性、启发性知识,当知识过于复杂和众多时,易出现组合爆炸,且效率低[22] |
| 产生式表示法[22] | 与人类自然判断的逻辑一致;应用上具有较大的灵活性,且表达形式固定[22] | 不适用于结构性知识:推理速度较慢,问题复杂时易发生组合爆炸[22] |
| 框架表示法[22] | 与人类的认知求解过程类似;表达能力强,层次丰富,易护充;具有较好的继承性,可保证知识一致性[22] | 难以准确地表示过程性的知识,通常需结合其他知识表示法一起使用[22] |
| 语义网络表示法[22] | 善于表示结构性知识、表达灵活、便于理解;符合人类的思维联想;表达能力强大,可将知识结构化[22] | 不能保证知识表示的严格性和唯一性:因为该方法的灵活性,使得知识处理起来较为复杂,不具唯一性[22] |
| 面向对象表示法[22] | 能够单独修改不同对象内部知识;对象兼容性好;与外界联系只需通过接口,降低了系统的开发与使用难度[22] | 方法较为抽象,理解起来较为困难;对外接口形式单一[22] |
| 基于本体表示法[22] | 在表达知识时,可构建出清晰的结构,可扩充、可重用性较强;同时表示内容具有共享性,便于对知识进行获取[22] | 本体知识表示法的构建规则无统一标准:现阶段本体建立的过程较为复杂,知识转化过程难度较大[22] |
| 知识地图表示法[10] | 知识地图通过图形化的方式,将复杂的知识结构和关系以直观的形式呈现出来,使得用户可以更容易地理解和掌握知识[10] | 知识地图的构建需要投入大量的人力和时间,同时随着知识的不断更新和变化,知识地图的维护也需要持续的投入[10] |
| 知识图谱表示法[25] | 知识图谱表示法可以灵活地表示现实世界中的实体、概念、属性以及它们之间的复杂关系,具有极强的表达能力[25] | 知识图谱的构建需要投入大量的人力和时间,特别是在数据收集、清洗、标注等方面。同时,随着知识的不断更新和变化,知识图谱的维护也需要持续的投入[25] |
| 状态空间表示法[26] | 通过使用符号来表示系统和约束条件,可以清晰地理解系统的结构和关系[26] | 对于大型问题或具有无限结点集合的问题,状态空间表示法可能不切实际或无法处理[26] |
| 脚本表示法[27] | 脚本表示法是一种特殊的框架表示法,擅长表达结构性的知识。脚本可以由多个槽组成,槽又可以进一步分为若干个侧面,这种结构使得知识的内部结构得以显式地表示出来[27] | 脚本语言通常不是“通用”语言,而是针对特定应用或任务进行调整和优化[27] |
| 概念从属表示法[28] | 通过概念间的从属联系来组织和管理知识,使得知识的层次组织结构更加清晰,组织管理更加方便[28] | 概念从属表示法可能要求将知识库中的知识分解为最低级的原语,这在某些情况下可能降低推理效率[28] |
基于因素空间的知识表示模型
基于因素空间的知识表示模型是一种融合了因素空间表示法的知识表达机制。此模型以因素作为因果分析的基本单元,并将因果性置于知识表示的核心地位,从而能够用统一且简洁的方式描述和表达各种复杂的知识结构和关系。[13]
在基于因素空间的知识表示模型中,知识被组织成一个多维的因素空间,每个维度代表一个特定的因素。这些因素可以是任何影响概念形成或事物规律的要素,例如物理属性、环境变量、行为特征等。通过组合和关联这些因素,可以构建出丰富的知识结构和模式。该模型具有因素空间构建、知识表示与编码、推理与决策、学习与更新等几个关键组成部分。[13]
| 步骤 | 内容 | 描述 |
|---|---|---|
| 因素空间构建 | 确定关键因素 | 识别和分析影响特定领域或问题的关键因素,构建相应的因素空间。这需要对领域的深入理解和分析,以及对因果关系的准确把握 |
| 知识表示与编码 | 表示因素之间的关联和约束关系 | 在因素空间的基础上,将知识表示为因素之间的关联和约束关系。这可以通过定义因素之间的函数关系、条件概率分布或模糊关系矩阵等方式实现 |
| 知识编码与存储 | 利用数学工具对知识进行编码和存储,以便于后续的推理和决策过程 | |
| 推理与决策 | 基于知识表示模型进行推理和决策 | 通过遍历因素空间,分析不同因素组合下的可能结果和概率分布,找出最符合当前情境和目标的行动方案。该模型还可以处理不确定性和模糊性,通过模糊推理和概率计算等方式得出合理的结论 |
| 学习与更新 | 获取新知识和经验 | 随着新知识的获取和经验的积累,不断学习和更新知识表示模型 |
| 调整因素之间的关联和约束关系 | 通过调整因素之间的关联和约束关系,或者添加新的因素维度,不断完善和优化知识表示模型,提高其准确性和可靠性 |
基于神经网络的知识表示模型
基于神经网络的知识表示模型是利用神经网络的异联想功能,通过线性或非线性映射将任意的输入向量集转换为输出向量集。这种转换过程实质上确定了输入模式(条件)与输出模式(操作)之间的对应关系,从而揭示了条件-操作数据对之间蕴含的规则。神经网络知识表示模型主要有映射式知识表示、演化式知识表示等两种运行方式。[13]
映射式知识表示
在这种方式中,神经网络通过构造特定的映射关系,使输入直接对应到所需的输出。典型的映射式神经网络包括感知器、多层前馈网络以及最优线性神经网络等。这种方式的优点在于,可以通过特定的训练方法来优化网络参数,使其更好地拟合输入与输出之间的映射关系。大多数神经网络学习算法都是针对映射式知识表示而设计的。[13]
演化式知识表示
在这种方式中,神经网络将规则的条件向量作为初始状态,并按照一定的动力学规律进行演化。网络的稳态即对应规则的操作向量。基于Hopfield网络的神经网络模型就是演化式知识表示的一个典型例子。这类网络通过能量函数的局部吸引子来存储和操作模式,从而实现对知识的表示。[13]
神经网络的知识表示模型具有强大的泛化能力,能够通过训练获取输入、输出样本对中蕴含的知识,并将这些知识以权值矩阵的形式存储在网络中。与模糊产生式系统相比,神经网络的一个显著优势在于,其权值矩阵可以同时表示多条模糊规则,从而提高了知识表示的效率和灵活性。此外,神经网络知识表示模型既可以进行条件与操作的线性变换,也可以进行非线性变换,这使得它能够处理更为复杂和多样的知识表示任务。[13]
知识表示语言
主要的知识表示语言包括资源描述框架(RDF)、描述逻辑(Description Logic)及网络本体语言(OWL)等。[29]
资源描述框架
资源描述框架(RDF)是一种用于表达网络资源的元数据模型和数据交换格式。它采用三元组的形式(即“主语-谓语-宾语”形式)来描述资源及其之间的关系。RDF的语义简单明了,易于理解和实现,是构建语义网的基础。[6]

描述逻辑
描述逻辑(Description Logic,DLs)是一种用于表示和推理知识的逻辑语言,它特别适合用于表示概念、属性和它们之间的关系。描述逻辑具有丰富的表达能力和良好的计算性质,因此在知识表示和推理系统中得到了广泛应用。[7]

网络本体语言
网络本体语言(OWL)是W3C推荐的一种语义网标准语言,用于描述网络上的信息结构和含义。OWL扩展了RDF的表达能力,提供了更多的语义原语,如类、属性、个体、等价关系、传递关系等,使得它能够更精确地描述和推理复杂的知识。[8]

作用
知识表示的作用主要表现在突显问题的本质、支持知识获取、支持对知识库的高效搜索等几个方面。[5]
突显问题的本质
计算机在表示事物时,为保持知识表示的紧凑和一致性,要求能抓住事物的本质和相互之间的重要区别,避免表示不必要或不可能知道的细节。所以合理的知识表示形式能突显问题的本质。例如,要求表示父母与子女的关系,就必须表示不同的人有不同的父母这一差别,至于区分父亲还是母亲对问题的解决关系不大。[5]
支持知识获取
人工智能计算机只有不断进化,才能突显其旺盛的生命力。所以,知识表示必须要能支持其渐增地从外界获取知识,使计算机的内部模型越来越精确的反映外部世界,以更好地完成问题求解的任务。[5]
支持对知识库的高效搜索
如果计算机不但能感觉到周围环境中存在的问题,还能准确知道可利用自己拥有的知识来解决它,这对它智能行为的产生将具有重要作用。所以知识表示应能支持对知识库的高效搜索,以便发现被感知的事物之间的关系和变化找到对问题状态的最佳描述,消除重复、冗余的内容,处理感知信息中的错误。[5]
知识工程
知识表示是知识工程中的关键桥梁,连接着知识的获取、存储、推理和应用。在知识工程中,选择合适的知识表示方法直接影响知识的组织、管理和利用。尽管自然语言具有直观性,但其多义性、模糊性和缺乏规范性使得它难以满足复杂需求。因此,研究者们不断追求形式化的知识表示方法,以精准捕捉和表达领域知识。这些方法各具特色,但也存在局限性,如产生式表示法擅长表达表层知识,而框架表示法虽结构化但固定性高。为了突破这些限制,研究者们尝试融合不同的知识表示方法,构建更加灵活且强大的体系,以适应不同领域和需求。这种探索为知识工程的发展注入了新的活力,推动了知识的更高效、精准和广泛应用。[3]
自然语言处理
在自然语言处理领域,自然语言处理系统要有效地理解和解析人类语言中蕴含的复杂信息,这离不开对知识表示方法的深入研究和有效应用。通过将自然语言中的概念和关系转化为形式化的知识表示,系统能够更精确地捕捉用户的意图和需求,从而提供更为智能和个性化的服务体验。[3]
此外,知识表示还有助于推动自然语言处理系统中知识的共享和复用。通过采用统一和规范的知识表示方式,不同系统之间能够更顺畅地实现知识资源的交换和共享,进而推动整个自然语言处理领域的技术进步和应用创新。[3]
军事决策
在军事领域,装备体系的复杂性不仅彰显于装备的数量与类型繁多,更在于它们之间如何协同作战、有效组合。为了深入剖析并有效运用这些内在规律,就需要一种高效的知识表示方法。基于军事任务特性的深入分析,针对军事领域的实际需求,精心筛选出适宜的知识表达方式。这些方式不仅全面涵盖了装备的属性、关系等基础信息,还深入挖掘了装备间协同作战与组合的深层机制。通过将知识以结构化、系统化的形式进行呈现,为军事人员提供了更为清晰、直观的信息展示途径。通过在实际军事任务中的运用与检验,验证了这些表达方式在实际操作中的高效性与可靠性。通过深入挖掘与提炼这些技术方法,可以为军事人员提供了更为高效的信息利用手段,有助于更好地理解和运用装备体系,提升军事任务的执行效率和准确性,对于提升军事作战效能具有重要意义。[3][4]
参考资料 29
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 知识表示的方法 — 清华大学出版社
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- Description Logics — 牛津大学计算机科学系
- 参考 16
- CYC: A Large-Scale Investment in Knowledge Infrastructure — commonsense problems
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22
- 参考 23
- 参考 24
- 参考 25
- 参考 26
- 参考 27
- 参考 28
- 参考 29
注释
- SUMO,全称Simulaton of Urban Mobity,是开源、微观、多模态的交通仿真软件,发展始于2000年,可以针对每辆车进行单独控制。