知识图谱：知识表示发展史

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知识的概念

知识表示就是对知识的一种描述，或者说是对知识的一组约定，一种计算机可以接受的用于描述知识的数据结构。它是机器通往智能的基础，使得机器可以像人一样运用知识。

知识具有相对正确性、不确定性、可表示性以及可利用性的特点。根据不同划分标准，知识可以分为不同的类别。例如按照作用范围分类，可分为常识性知识和领域性知识。按作用及表示分类为事实性知识、过程性知识、控制知识。按确定性分类有确定性知识，不确定性知识。按结构及表现形式可分为逻辑性知识和形象性知识。

早期的知识表示方法

1.一阶谓词逻辑

谓词逻辑(Lp)可以对原子命题做进一步分析，分析出其中的个体词、谓词、量词，研究它们的形式结构的逻辑关系、正确的推理形式和规则。

一阶逻辑是数理逻辑的基础部分，主要包括经典命题逻辑和一阶谓词逻辑，但实际上一阶谓词逻辑包含了命题逻辑。一阶逻辑之所以是“一阶”的，是因为它所包含的谓词逻辑是一阶的。谓词就是表示对象属性的语词。对象的属性具有层次，在谓词用法中，这种层次叫做“阶”。所谓一阶谓词就是指刻画个体属性的谓词，如“红色”“大于”等谓词都只适用于个体概念，像“鲜艳”“传递性”等用来刻画“红色”“大于”这种谓词的谓词就是高阶谓词了，它们刻画的是属性的属性。

一阶谓词逻辑具有自然性、接近自然语言、容易接受、严密性、易于转化为计算机内部形式等优点，但同时也具有无法表示不确定性知识、难以表示启发性知识及元知识、组合爆炸、效率低等缺点。为了克服以上缺点，人们提出了Horn逻辑、描述逻辑等改进方案。

2.产生式系统

产生式系统是一种更广泛的规则系统，和谓词逻辑有关联，也有区别。早些的专家系统多数是基于产生式系统的。产生式知识表示法是常用的知识表示方式之一。它是依据人类大脑记忆模式中的各种知识之间的大量存在的因果关系，并以“IF-THEN”的形式，即产生式规则表示出来的。这种形式的规则捕获了人类求解问题的行为特征，并通过认识–行动的循环过程求解问题。一个产生是系统由规则库、综合数据库和控制机构三个基本部分组成。

谓词逻辑中的规则与产生式的基本形式相似,事实上,蕴涵式只是产生式的一种特殊情况。产生式规则表示法具有非常明显的优点，如自然型好，易于模块化管理、能有效表示知识、知识表示清晰等优点。但是产生式规则也有着效率不高、不能表达具有结构性的知识等缺点。因此,人们经常将它与其它知识表示方法(如框架表示法、语义网络表示法)相结合。

3.框架表示法

框架表示法是明斯基于1975年提出来的，其最突出的特点是善于表示结构性知识，能够把知识的内部结构关系以及知识之间的特殊关系表示出来，并把与某个实体或实体集的相关特性都集中在一起。

框架表示法认为人们对现实世界中各种事物的认识都是以一种类似于框架的结构存储在记忆中的。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。

框架是一种描述固定情况的数据结构，一般可以把框架看成是一个节点和关系组成的网络。框架的最高层次是固定的，并且它描述对于假定情况总是正确的事物，在框架的较低层次上有许多终端–被称为槽（Slots）。在槽中填入具体值，就可以得到一个描述具体事务的框架，每一个槽都可以有一些附加说明–被称为侧面（Facet），其作用是指出槽的取值范围和求值方法等。一个框架中可以包含各种信息：描述事物的信息，如何使用框架的信息，关于下一步将发生什么情况的期望及如果期望的事件没有发生应该怎么办的信息等等，这些信息包含在框架的各个槽或侧面中。

一个具体事物可由槽中已填入值来描述，具有不同的槽值得框架可以反映某一类事物中的各个具体事物。相关的框架链接在一起形成了一个框架系统，框架系统中由一个框架到另一个框架的转换可以表示状态的变化、推理或其它活动。不同的框架可以共享同一个槽值，这种方法可以把不同角度搜集起来的信息较好的协调起来。

框架表示法对于知识的描述非常完整和全面;基于框架的知识库质量非常高;且框架允许数值计算,这一点优于其它知识表示语言。但框架的构建成本非常高,对知识库的质量要求非常高;框架的表达形式不灵活,很难同其它形式的数据集相互关联使用。

4.语义网络

语义网络是知识表示中最重要的方法之一，是一种表达能力强而且灵活的知识表示方法。语义网络利用节点和带标记的边结构的有向图描述事件、概念、状况、动作及客体之间的关系。带标记的有向图能十分自然的描述客体之间的关系。

语义网络由于其自然性而被广泛应用。采用语义网络表示的知识库的特征是利用带标记的有向图描述可能事件。结点表示客体、客体性质、概念、事件、状况和动作，带标记的边描述客体之间的关系。知识库的修改是通过插入和删除客体及其相关的关系实现的。采用网络表示法比较合适的领域大多数是根据非常复杂的分类进行推理的领域以及需要表示事件状况、性质以及动作之间的关系的领域。

语义网络的基本形式为(节点，弧，节点2)，节点表示各种事物、概念、情况、属性、动作、状态等，每个节点可以带有若干属性，一般用框架或元组表示。此外节点还可以是一个语义子网络，形成一个多层次的嵌套结构。语义网络中的弧表示各种语义联系，指明它所连接的节点间某种语义关系。节点和弧都必须带有标示，来方便区分不同对象以及对象间各种不同的语义联系。

语义网络的优点：

1.把各个节点之间的联系以明确、简洁的方式表示出来，是一种直观的表示方法；

2.着重强调事物间的语义联系，体现了人类思维的联想过程，符合人们表达事物间的关系，因此把自然语言转换成语义网络较为容易;

3.具有广泛的表示范围和强大的表示能力，用其他形式的表示方法能表达的知识几乎都可以用语义网络来表示；

4.把事物的属性以及事物间的各种语义联系显示地表示出来，是一种结构化的知识表示法。

语义网络的缺点：

1.推理规则不十分明了，不能充分保证网络操作所得推论的严格性和有效性；

2.一旦节点个数太多，网络结构复杂，推理就难以进行；

3.不便于表达判断性知识与深层知识。