第七-九章 知识库与知识管理系统

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1、第七章 知识库与 知识库管理系统讲授：傅秀芬讲授：傅秀芬知识、知识管理概念n知识:是一种像流体一样具有流动性的物质，其中混杂了已经结构化的经验、价值和有特定含义的信息及专家洞察力。 n知识管理:是一个过程，个人通过这一过程学习新知识和获得新经验，并将这些新知识和新经验反映出来，进行共享，以用来促进、增强个人的知识和机构组织的价值。知识库（KB）n把专家们的知识经验 和书本上的知识，甚至是设想、推理等进行收集、整理、归纳成若干规则，模拟专家的分析方法，解决问题的策略，为用户提供检索和利用知识的方法。上述这些集合与机制称为知识库。nKB是知识、经验、规则、事实的集合。知识库与数据库n知识库是储存和

2、管理知识的机构， 是数据库理论研究的产物。它与数 据库之间有许多相似的地方。n数据库是将数据从应用程序中分离 出来，交给系统程序处理。n知识库则将知识从应用程序中分离 出来，交给知识系统程序处理。知识库与数据库n两者都研究大容量信息处理的理论和实践，都有可恢复性、安全性、保密性、一致性等问题，数据库的大部分管理技术对知识库同样适用。n但两者之间也存在一些明显的区别，如数据库主要处理数据，数据的含义是确定的，知识库主要处理知识，然而知识中包含大量含义不明确的概念和不确定的 数据库与知识库的比较nDB：指使用DBMS及其类似软件建立起来的，并能存取和维护的数据及数据间逻辑关系的集合。nKB：是AI

3、和数据库技术相结合的产物，它是以一致的形式存贮知识的机构。（KB中的知识是高度结构化的符号数据）。 DB系统与KB系统的比较nDB系统/KB系统是指引入整个计算机系 统，其中包括计算机硬件，软件系统， 数据/知识和用户，它们的异同点如下 ：n处理对象：DB系统主要处理信息，信息 的含义是确定的；KB系统主要处理知识 ，而知识中包含大量不确定概念和启发 式知识。n应用对象：DB系统应用于信息管理系 统；KBS面向AI的问题求解或智能信息 处理系统（如专家系统）DB系统与KB系统的比较（续1 ）n研究目标：DB研究重点为数据模型，有 利于存取的数据结构和文件结构，查询 的形式描述，查询优 化，完整

4、约束，数 据一致性，多用户环境下的保密与安全 ，并发控制技术实现 技术；KBS主要研 究目标是如何有效实现知识表示，获 取及推理机制。n操作内容：DBSDB查询，DB更新， DB维护；KBS在推理控制策略制约 下，对问题 空间进行启发式搜索，主 要是在语义这 一层次上进行处理。 DB系统与KB系统的比较（续2 ）n同外界的联系方式：DBS与外界的联系依赖于数据通信子系统；KBS通过智能接口来实现与外界的通信。n从硬件上看：KBS和DBS皆可在各通用计算机上运行，为更好运行人工智能程序和大量知识库的需要，研制出专用机。 DB系统与KB系统的比较（续3 ）n模型及知识表示：DBS有层次、网络、关系

5、三种数据模型；KBS研究的是知识的表示和组织方法。n组成及工作方式：KBS和DBS的相似之处：DBS是把数据从应用程序中分离出来，交给系统处理；KBS类似地把KB与推理机相对独立。（DBS=事实的直接表示+查询检 索） 知识库管理系统（KBMS）n知识库管理系统是对知识库进行管理、控制，完成对知识库的各类操作，并向用户提供检索、查询手段的软件系统,它包括系统的维护与诊断、日常的系统事务管理、各种实用程序的管理、出错处理、知识库系统的安全控制和用户的使用权限管理等 nKBMS是对KB的组织、管理、维护、控制，向用户提供对KB的使用手段。 KB与KBMS的功能n知识表示功能：应能提供用户一种或多种

6、知识表示方法。KB系统应提供对数据与知识的有效一致的管理，系统应具有可维护和可更新能力，完整性的管理，灵活的知识表示，有效的推理和查询能力。n对知识有系统化的组织管理机制（包括事实管理，规则管理及概念管理，还有知识字典的管理工作）。 KB与KBMS的功能（续）n知识库的操作:KB的建立、撤消、扦入 、删除、修改、重建等n向用户提供对知识项进 行查询、检索 的功能。（如知识查询语 言） n知识的获取与学习功能，知识的编辑 功能（对新旧知识进行一致性处理） n知识库与知识管理系统的维护与诊断 （包括日常的系统事物管理，出错处理 等）。 n知识库和KBMS的安全控制和用户的使用 权限管理 。知识库管

7、理系统的四大模块n推理机n知识获取/学习模块n知识库维护 模块n用户（智能）接口 KBMS是对知识库进 行管理控制完成 对KB的各类操作，并对用户提供检索 、查询手段的软件系统。它包括系统 的维护与诊断，日常的系统事务管理 ，各种实用程序的管理功能，出错处理 ，知识库系统的安全控制和用户使用 权限的管理等。 基于ODBC的工艺知识库管理系统体系结构知识库系统如果一个系统具有能用计算机所 存贮的知识对输入的数据进行解释,生 成作业假说并有对其进行验证的功能, 则该系统称为知识库系统。按照这个定 义,知识库系统中的知识，是该系统在 自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。因

8、此， 知识库系统与数据库系统不同之处就在 于，它并非向用户提供检索的信息，而 是提供根据输入的数据信息使用知识进 行判断分析的结果。知识库系统的核心组成部分知识库系统的核心组成部 分是知识库和推理过程。知识库 是以一致的形式存贮知识的机构 ，推理机构则是为了使用知识库 藏内的知识执行推理的控制机构 。知识库系统实现的关键问题n知识表示，知识利用和知识获取是知 识库系统实现的三个关键技术问题。n知识采用什么形式表示，使计算机能 对之进行处理，并以一种人类能理解 的方式将处理结果告知人们，这是知 识库系统首先要解决的关键。知识表 示要具有层次化、模块化、网络化， 统称为知识的结构化。知识利用知识利

9、用是指利用知识库 中的知识进行推理，从而得出结 论的过程。推理所涉及的问题有: 知识库的搜索、目标的控制、模 式匹配的方法、推理的策略,以及 对不确定性知识的评价等。知识获取知识获取是指从知识源获得知识来建造 知识库的工作。知识库中的知识有两个来源: 原始知识，由外界直接进入知识库；另一个是 中间知识,是由推理机构生成后追加入知识库 。知识获取是知识库系统实用化中最难解决的 一个关键，成为建立知识库系统的一个瓶颈部 分。目前在研究的解决该难题的各种对策方法 中，利用计算机学习来实行自动或半自动的知 识获取是最理想的目标。知识库系统组成图推理机构利用知识，解释输入的数据或事实 ，推导出用户所需的

10、结论；并根据要 求，说明得出结论的依据，用于进行 这种推理控制的模块称为推理机构。推理机构应具备以下几项功能：(1)知识库与待解决问题之间的协调功能 。(2)知识库中信息交换及知识扩充功能。(3)知识库中新知识的获取能力。(4)推理机构与知识库相互独立功能。 推理过程图知识库系统建模 n知识库系统建模框架是信息一体化服务的 基础，旨在从建模的角度出发研究知识库 系统开发方法。n早期对知识库系统的研究侧重于知识的表 示及推理机制，与之对应的开发技术能够 用于实现一些规模较小的系统,无法适用于 大型商业软件的开发与维护。n因此，解决知识库系统开发中所面临的问 题同样需要方法学的变革。知识库系统建

11、模框架就是这种变革的产物 知识库系统建模框架n知识库系统建模框架中比较有代表性 的有：KADSCommonKADS、MIKE、 PROTEGE、VITAL、Commet等。n其中，KADS和CommonKADS提出了“知 识模型”的结构,在研究中占有十分 重要的地位。各种建模框架的基本思 想是类似的，但具体实现的途径、细 节和侧重点不同。下面主要结合KADS 简述当前知识库建模框架的基本结构 。 知识库的层次组织 KADS描述了一组相关模型的建立， 其中每一个均与知识库系统的开发及其 所处环境中的特定方面有关，包括组织 、任务、主体、通信、知识及设计等模 型。KADS方法的主要贡献及其精髓在于

12、 “知识模型” 该模型将用于求解特定任 务的知识划分为三个不同的层次：领域 层、推理层和任务层，分别对应着知识 库系统的静态视图、功能视图和动态视 图。 知识库的层次组织（续） 其中领域层（Domain Layer）包含了求解问题所需的特定领域内的知识及对该领域概念的描述。构建领域层的一个重要目标就是使其尽可能多地被重用于求解各种不同的问题。推理层指明了求解问题采用的方法，包含推理步骤和领域知识在其中所起的作用。任务层则将所需求解的问题分解成子任务，并为每一个子任务确定目标，同时明确了对子任务的控制。 层次间的契合n对知识库结 构层次的划分使知识库的可 维护性大大提高，并使知识的重用成为可 能

13、。但仅仅将不同层次的知识区分开还是 不够的。要实现系统的重用，还需要一种 有效的机制来实现各层次间的灵活配置， 将相互独立的层次紧密地联系在一起，共 同组成一个完整的系统。本体就是这一机 制的核心。 n“本体”是对共享概念的正规、明确的表 述。本体使人或机器间的交流建立在对所 交流领域共识的基础上。本体在知识库系 统开发中较多应用于开发领域模型，它提 供了建模所需的基本词汇并说明了它们之 间的关系。本体的四种类型n领域本体（Domain Ontology）：包含着特 定类型领域的相关知识n通用本体（Generic Ontology）：覆盖了 若干个领域，通常也被称为核心本体n应用本体（Appl

14、ication Ontology）：包 含特定领域建模的全部所需知识n表示本体（Representational Ontology） ：不局限于某个特定的领域，它提供了用 于描述事物的实体。如“框架本体”，其 中定义了框架、槽的概念。本体的四种类型（续）以上定义的本体包含了与问题求解方 法无关的静态知识，是构成领域层的一部 分。为实现系统各层次的灵活配置，目前 已提出了任务本体和方法本体的概念。它 们分别描述了特定的任务和问题的求解方 法。任务本体和方法本体实质上是从推理 和问题求解角度刻画领域知识的视图，它 们有助于解决所谓的“交互问题”，即领 域知识不能以与其使用方式无关的形式表 示。任务

15、本体和方法本体解决了知识库系 统的重用与组件化开发中的关键问题。 建模工具与相关标准 n建模工具与相关标准的开发思想与方法必 将导致新的开发工具的产生。在知识库建 模过程中，比较重要的工具是本体设计工 具和知识获取工具。n可重用本体对于建造大型知识库系统是必 需的，但却是十分困难和耗时的。 Ontolingua Server是一个比较有代表性的 协作式的本体建造工具。分散的团体可通 过Web来发表、浏览、创立和编辑存储在 Ontolingua Serve上的本体，从而辅助了 本体协作式的开发。建模工具与相关标准（续1） nEXPECT能利用本体来辅助知识的获取。通 过使用本体，系统能判别出知识

16、之间的关 联，从而自动引导使用者输入所需的知识 ，并能对整个过程给出适当的解释。 n为增强知识库中知识的共享与交换，降低 通用工具的开发难度，各种知识表示标准 和交换协议 被先后提出。KIF是一种用于 在不同计算机系统之间交换知识的面向计 算机的一阶语言。KIF并没有包含知识库 存取和操作的命令。建模工具与相关标准（续2） nOKBC（Open Knowledge Base Connectivity）是为存取知识库而设计的协议，它为知识库的操作提供了通用接口。这是通过定义一套“知识模型”（OKBC Knowledge Model）作为知识表示的中间语言（interlingua）及其存取操作而实现的。OKBC是对KIF的补充，它侧重于能被大多数知识库支持并具有普遍性的操作，如对框架、槽的操作等。应用与发展前景 以知识库系统建模框架为基础，美国 和欧洲已在大型知识库系统的开发上投入 了巨额的人力和财力，目标是建立大型、 易维护和可重用的知识库系统。影响较大 的有美国军方DARPA投资的HPKB及欧洲数国 联合开发的IBROW。实际研究表明：尽管完 全达到预定目标还有