描述逻辑的介绍

第一章描述逻辑的介绍摘要：这篇介绍提出了了描述逻辑作为表示知识的形式化工具而发展的动力，以及用传统DL创建的所有系统下潜在的一些重要的基本概念。

另外，我们还提供读者关于整本书的总揽和阅读的向导。

我们首先阐述描述逻辑和早先的语义网络和框架系统的关系，这代表了该领域的继承性。

我们分析了过去工作所遇到的一些关键问题，然后，我们介绍了描述逻辑语言的特点和相关的推理技术。

描述逻辑语言被认为是知识表示系统的核心，它考虑到DL知识库的结构和相应的推理服务。

然后将看到一些已经实现的基于描述逻辑的知识表示系统和第一个使用类似系统构造的应用。

最后，我们阐述了描述逻辑和计算机科学另外领域的关系。

我们也讨论了基本的表述语言的一些扩展，包括将原先在实现系统中提出的和处理某些应用领域提出的一些特性集成进形式系统。

1．1简介在知识表示和推理领域的研究通常关注能够有效的建立智能应用的提供高层世界描述方法。

在这里所说的”智能”指系统在其明确表示的知识中发现隐含的结果的能力。

这些系统因此被称为基于知识的系统。

知识表示的途径在20世纪70年代得到发展，这也是该领域广泛流行的时代，这些途径分为两个层次：基于逻辑的形式系统，这是从谓词积分演算（predicate calculus）可以毫无疑问的用来获得世界的事实的直觉而演化来的。

非基于逻辑的表示的系统，这是从构造一个或更多的认知概念而发展的，比如，从人类经验或人类记忆和人类执行一些任务如算法模糊解决而产生的网络结构和基于规则的表示系统。

尽管这些方法常常为专用的表示系统而开发的，但最终的形式化通常被期望能服务于一般的用途。

换句话说，从不同的特定的思想（如早期的制造系统）创造的非逻辑系统演化为可作为通用目标的工具，期望能应用到不同的领域和不同类型的问题。

另一方面，因为一阶逻辑提供了非常有力和通用的机制，基于逻辑的途径从一开始就具有更广泛的目的。

在一个基于逻辑的途径下，表示语言通常是一阶谓词的一个变量和验证逻辑序列的推理。

在非逻辑途径下，常常基于用户图形接口，知识通过一些ad hoc数据结构来表示，推理也通过类似的操纵数据结构的ad hoc过程来完成。

在这些特定的表示系统中，我们发现了语义网络和框架。

语义网络是在Quillian的工作后发展的，该工作的目的是通过网络形状的认知结构来表示知识和系统的推理。

以后的框架系统也有类似的目标，该系统依靠一个”框架”的概念作为一个原型和依赖在框架间表示关系的能力。

虽然语义网络和框架具有重要的不同的不同点，但是在它们的认知直觉动机和特性上，两者有很多共同的基础。

事实上，它们都被认为是网络结构，这里的网络结构针对的是表示个体的集合和它们之间的关系。

因此，我们使用术语基于网络的结构来代表在语义网络和框架后潜在的网络。

由于它们更多的以人思考为中心的起源，基于网络的系统常被认为更具有吸引力以及从实际应用的观点看比逻辑系统更有效率。

不幸的是由于它们缺乏精确的语义特征而不能完全让人满意。

由此带来的最终的结果是，在许多情况下，尽管具有相同外观的组件和相同的关系名称，而每个系统的行为和另外的系统不相同。

这就提出了一个问题即如何给表示系统提供语义，特别是给语义网络和框架提供语义，这有一个直觉就是通过挖掘层结构的概念可以获得表示的灵活性和推理的有效性。

一个重要的步骤是在这个方向上认识到框架（至少它们的核心特征）能够依靠一阶逻辑赋予语义。

这种表示的基本元素以下列为特征的：一元谓词，表示个体的集合；二元谓词，表示个体间的关系。

然而，这样的特点没有抓住语义网络和框架与逻辑相关的限制。

事实上，虽然逻辑是指定这些结构意义的天然的基础，框架和语义网络（大多数）并不需要所有的一阶逻辑的机制，仅需要它的部分片断。

另外，不同的表示语言的特征将带来不同的一阶逻辑的片断。

这事实带来的最重要的后果是认识到在基于结构的表示中使用的典型的推理形式可以通过特定的推理技术来完成，而不必需要一阶逻辑理论证明。

而且，在不同的一阶逻辑中的推理导致不同的计算复杂度问题。

后来带来的实现是，在标志术语系统下开始了描述逻辑领域的研究，重点是使用表示语言建立在建模领域基本的术语。

后来，重点在语言承认的基于概念的构造集合，提出了概念语言的名称。

在最近几年，注意力迁移到逻辑系统潜在的属性上，术语描述逻辑开始流行。

在本书中，我们主要使用术语“描述逻辑（DL）”来表示系统，但常使用“概念”指一个描述逻辑语言的表示，指代个体的集合；单词“术语”表示构造的层次结构用来提供重要领域的密集的表示。

描述逻辑的研究覆盖了理论基础以及知识表示系统的实现和一些领域的应用开发。

这种开发已经非常成功。

最关键的因素是研究的方法学，这是建立在理论和实践的相互紧密交互基础之上的。

一方面，不同的基于描述逻辑的实现系统提供给不同表达能力的描述形式化一个平台，这些系统也应用到不同的应用领域（比如自然语言处理，技术产品或数据库配置）。

另一方面，不同的描述形式的形式和计算属性已经得到详细的研究，这种研究通常是由使用在某些实现系统中的构造(constructors)或在特定应用中的这些构造的需求来推动的，这些研究的结果是影响了新的系统的设计。

这本书将要提供一个关于描述逻辑的彻底的介绍，包括所有以上提到的描述逻辑研究的方面：理论，实现和应用。

随后这本书分成一下三个部分：●第一部分介绍了描述逻辑的理论基础，涉及到在这个领域的理论研究方面的一些最新进展。

●第二部分关注基于描述逻辑的知识表示系统的实现，描述了基本的描述逻辑的功能，纵览了基于描述逻辑的最有影响的知识表示系统以及涉及到特殊的实现技术。

●第三部分介绍了在设计一些重要的实用的应用中的描述逻辑和基于描述逻辑的系统的实用。

在这个介绍章节的剩余部分，我们预览一下在描述逻辑开发中的主要步骤，介绍了在本书后面部分阐述的主要课题，提供一个阅读的向导。

特别的，下一节我们要谈到描述逻辑的起源，然后我们将看到基于描述逻辑的知识表示系统，使用描述逻辑开发的主要应用，基本描述逻辑框架的主要扩展以及描述逻辑和其他计算机科学的关系。

1.2从网络到描述逻辑这一节我们首先回忆在描述逻辑研究开始之前开发的知识表示途径（也就是语义网络和框架）。

然后我们提供一个基于Tarski类型的语义的关于这些途径的基本元素的简要介绍。

最后，我们讨论了为描述逻辑开发的推理方法的计算复杂度分析的重要性，这也是这个研究领域一个主要的组成部分。

1.2.1基于网络的表示结构为了提供在网络形式中知识表示背后的思想，这里我们谈到的是关于一类普遍的网络，避免涉及任何特定的系统。

一个网络的元素是节点和连接。

典型的，节点用来标志概念，也就是个体对象的类属或集合，连接用来标志它们之间的关系。

在某些情况下，它们中更复杂的关系也可以用节点来表示，这需要和表示概念的节点仔细的加以区分。

另外，概念可以有一个唯一特征，通常叫做属性，属性是粘附到对应的节点上的。

最后，在许多早期的网络中，个体对象和知识都是用节点来表示的。

然而，这里我们限制我们的注意力到关于概念和关系的知识，延后现在关于特定个体的知识的看法。

现在我们考虑一个简单的例子，这个例子的图形表示如图1.1，这代表关于persons，parents，children等的知识。

图中的结构也被称作术语学，事实上，它比表示所包括知识的通用/特定的关系。

例如在Mother和Parent之间的关系就说明“mothers are parents”，这有时被称作“IS_A”关系。

IS_A关系定义了概念之上的层次，提供了“属性继承”的基础：当一个概念比另一个概念更特定的，它就继承了更通用的一个概念的属性。

例如，如果一个person有一个age，那么一个mother 也有一个age。

这是典型的被称作(单调的)继承网络。

描述逻辑的一个标志特征是它们能表示除IS_A关系外的更多的概念之间的关系。

例如，在图1.1中，使用了Brachman和Schmolze的符号，有一个属性的Parent的概念通常称为“角色”，通过一个从概念到标志hasChild的角色的节点的连线表示。

这个角色有一个“值限制”，用v/r来表示，这个“值限制”表示一个能填充那个角色的某些对象的范围限制。

另外，这个节点有一个数字限制用（1,NIL）来表示，第一个数字是表示children数目的下限而第二个元素是上限，NIL表示无限的。

总的说来，这里的Parent的概念的表示可以看作“一个Parent是至少有一个child的一个person，并且他/她的所有children都是person”。

这类关系从概念延续到它们的子概念。

例如，概念Mother，也就是一个女性的parent，是概念Female和Parent的更特定的后代，最终将继承从Parent到Person之间通过角色hasChild的联系；换句话说，Mother继承了Parent具有的hasChild角色这个限制。

概念之间也许具有隐含的关系。

例如，如果我们定义Woman是一个female person的概念，那么每个Mother都是一个Woman。

发现类似这些（许多情况比这个更复杂）的关系是知识表示表示系统的任务。

典型的，类似的推理已经根据网络的属性表现出来。

在这种情况下，也许会注意到Mother和Woman都和Female及Person联接起来，但是Mother到Person的路径包括节点Parent,这就比Person更特定化，因此我们可以推论出Mother比Person更特定化。

然而，概念之间建立的关系越复杂，给这些关系下一个能够计算的精确的特征以及如何不会提供错误回答而错误的认识这些关系也变得越困难。

1.2.2基于网络的表示结构的一个逻辑说明基于以上的思想建立了实现了许多系统并在多种应用中得到使用。

结果，渐渐产生了一个需求，即给在表示系统中使用的结构的含义能够从这些结构中抽取出来的推理集合一个精确的特征。

网络意义的精确特征可以由给结构中的元素定义一个语言和给这个语言表示的字符串提供一个解释器来给定。

不过语法可以用不同的集合的不同爱好，但语义使用典型的给定的Tarski类型的语义。

关于语法我们介绍了一种抽象的语言，这类似于其他的逻辑形式化语言。

构造的基础的步骤使用两个分开的a子母符合集表示原子概念，通过指定一元谓词符号表示。

原子角色通过二元谓词符号来表示；后者用来表示概念之间的关系。

然后使用一些构造来构造术语。

例如，概念的交集，用CD表示，用来限制个体的集合在那些既属于C又属于D中。

注意，在描述逻辑的语法中，概念的表示是自由变量。

事实上，一个概念的表示说明了所有满足在表示中指定属性的个体。

因此，CD可以认为是一阶逻辑语义，C(x)D(x)，这里的变量覆盖了在解释的领域的所有个体，由于所有的给体属于概念C，C(x)为真。