Аппарате фреймов (фреймы для представления знаний)

 

Одна из разновидностей аппарата семантических сетей связана с концепцией фрейма. Фрейм можно рассматривать как фрагмент семантической сети, предназначенный для описания объекта (ситу­ации) предметной области со всей совокупностью присущих ему свойств. В области ИИ термин «фрейм» относится к специальному методу представления общих концепций и ситуаций. Марвин Мин­ский, первый предложивший идею фреймов в 1975 г., описывает его следующим образом: фрейм — это структура данных, представляю­щих стереотипную ситуацию в данной предметной области. К. каж­дому фрейму присоединяется несколько видов информации. Часть ее — о том, как использовать сам фрейм. Часть о том, чего можно ожидать далее. Часть о том, что следует делать, если эти ожидания подтвердятся.

Основная идея фреймового подхода к представлению знаний — более жесткое, чем при подходе, основанном на семантической сети, выделение объектов и ситуаций проблемной среды и их свойств, т. е. все, что касается объекта или ситуации и важно с позиций решаемых задач, не «размывается по сети», а представляется во фрейме.

Фреймовый подход является частным случаем подхода к пред­ставлению знаний, основанного на семантических сетях. При фрей­мовом подходе, например, также выделяются обобщенные, конкрет­ные и агрегатные фреймы для представления соответствующих ти­пов объектов предметной области, выделяются и фундаментальные отношения. В то же время фреймовый подход позволяет более по­следовательно использовать некоторые важные механизмы представ­ления знаний и, в первую очередь, процедурные знания.

Существует большое число концепций, определений и моделей фреймов. При этом различаются не только формы записи и пред­ставления фреймов, но и в некоторой степени их содержательный смысл.

Термин «фрейм» предложен для обозначения описания какого-либо объекта или явления, обладающего тем свойством, что удаление из этого описания любой его части приводит к потере свойств, характеризующих объект описания.

Фреймом называется структура для описания стереотипной си­туации, состоящая из характеристик этой ситуации (слотов) и значе­ний этих характеристик (заполнителей слотов).

Слот может содержать не только конкретное значение, но и ссылку (или процедуру) на имя процедуры, позволяющей вычислить его значение по заданному алгоритму, а также одну или несколько продукций (эвристик), с помощью которых это значение можно най­ти. Процедуры слота называются связанными процедурами, т.е. та­кими, которые могут активизироваться при выполнении некоторых условий (в частности, при изменении значений слота).

В слот может входить не одно, а несколько значений. Иногда слот включает компонент, называемый фасетом. Фасет может зада­вать диапазон возможных значений слота или же граничные значе­ния заполнителя слота.

Фрейм чаще всего определяют как структуру данных для представ­ления стереотипных ситуаций. При этом способ группирования мно­жества конкретных ситуаций в стереотипную, как правило, не может быть определен строго. Чаще всего стереотипные ситуации (для дан­ной предметной области) выделяет исследователь, опираясь на опыт и данные наблюдений. Неформальные знания исследователя о предмет­ной области можно рассматривать как систему понятий, определяю­щих представление о конкретных ситуациях. Каждое понятие связыва­ется с конкретной ситуацией, а конкретные ситуации согласуются с соответствующей стереотипной. Если понятия представляют собой не­формальные знания о стереотипной ситуации, то фреймы — это форма­лизованные знания. Таким образом, фреймы соответствуют понятиям, отражающим объекты, явлений; характеристики предметной области. Это дает основание рассматривать фрейм как семантический блок или модуль модели представления знаний. Модель представления знаний строится в виде сети фреймов, т.е. системы определенным образом вза­имосвязанных фреймов. Поэтому в моделях представления знаний на базе фреймов выделяют две части: набор фреймов, образующих библи­отеку внутреннего представления знаний, и механизм их преобразова­ния, связывания и т. д.

В наиболее общем виде фреймом называют структуру представ­ления знаний следующего вида:

 

{n, (v₁, g₁, p₁), (v₂, g₂, р₂),... (vn, gn, p,,)},

где n- имя фрейма;

v_i - имя слота;

g_i - значение слота;

P_i - процедура.

Процедура является возможным, но не обязательным элементом слота. Имена фреймов используются как мнемонические элементы для конструирования сети фреймов. В качестве значений слотов могут выступать имена других фреймов, что обеспечивает связи меж­ду фреймами, их «вкладываемость» друг в друга.

Фрейм по своей организации во многом похож на семантичес­кую сеть. Фрейм является сетью узлов и отношений, организован­ных иерархически, где верхние узлы представляют общие понятия, а нижние — более частные случаи этих понятий. Во фреймовой систе­ме понятие в каждом узле определяется набором атрибутов — слотов. Каждый слот может быть связан с процедурами (например, машин­ными программами), которые выполняются, когда информация в слотах (значения атрибутов) меняется.

Совокупность фреймов, моделирующая какую-либо предметную область, представляет собой иерархическую сетевую структуру, в которой фреймы соединяются между собой с помощью родовидовых связей. На верхнем уровне иерархии находится фрейм, содержащий наиболее общую информацию, истинную для всех остальных фрей­мов. Фреймы обладают способностью наследования значения харак­теристик своих родителей, структур, находящихся на более высоком уровне иерархии. Значения характеристик фреймов могут передавать­ся по умолчанию подчиненным фреймам, но если последние содер­жат собственные значения данных характеристик, то в качестве ис­тинных принимаются именно они. Это обстоятельство позволяет довольно легко учитывать во фреймовых системах различного рода исключения.

Наиболее ярко достоинства фреймовых систем проявляются в том случае, если родовидовые связи изменяются нечасто и предмет­ная область насчитывает немного исключений.

Однако фреймовые системы достаточно сложны по конструк­ции, что снижает скорость работы механизма вывода и увеличивает трудоемкость процедур внесения изменений в родовидовую иерар­хию. Кроме того, во фреймовых системах затруднена обработка ис­ключений.

Принцип «вкладываемости» фреймов позволяет реализовывать на фреймовых сетях (как и на семантических) процессы наследова­ния свойств.

 

Продукционные модели

 

Продукции наряду с фреймами являются наиболее популярны­ми средствами представления знаний в системах, основанных на знаниях. Продукции, с одной стороны, близки к логическим моде­лям, что позволяет организовывать с ними более эффективные про­цедуры вывода, а с другой стороны, более наглядно отражают зна­ния, чем классические логические модели, поскольку в них отсутст­вуют жесткие ограничения, характерные для логических исчислений. В общем виде под продукцией понимается выражение вида

(i); Q; Р; А Þ В; N.

Здесь i - имя продукции, с помощью которого данная продук­ция выделяется из всего множества продукций.

Элемент Q характеризует сферу применения продукции. Такие сферы легко выделяются в когнитивных структурах человека. Наши знания как бы «разложены по полочкам», и такое разделение помо­гает экономить время на поиск нужных знаний. Такое же разделение на сферы в базе знаний целесообразно и при использовании для их представления продукционных моделей.

Основным элементом продукции является ее ядро: А Þ В. Ин­терпретация ядра продукции может быть различной и зависит от того, что стоит слева и справа от знака секвенции (Þ). Обычное прочте­ние ядра продукции выглядит так: ЕСЛИ А, ТО В, более сложные конструкции ядра допускают в правой части альтернативный выбор, например ЕСЛИ А, ТО В,, ИНАЧЕ В2. Секвенция может истолковы­ваться в обычном логическом смысле как знак логического следова­ния В из истинного. Возможны и другие интерпретации ядра про­дукции: А описывает некоторое условие, необходимое для того, что­бы можно было совершить действие В.

Элемент Р есть условие применимости ядра продукции. Обычно Р представляет собой логическое выражение (как правило, преди­кат). Когда Р принимает значение «истина», ядро продукции акти­визируется. Если Р «ложно», то ядро продукции не может быть ис­пользовано.

Элемент N описывает постусловия продукции. Они актуализи­руются только в том случае, если ядро продукции реализовалось. Постусловия продукции описывают действия и процедуры, которые необходимо выполнить после реализации В.

Если в памяти системы хранится некоторый набор продукций, то они образуют систему продукций. В ней должны быть заданы. специальные процедуры управления продукциями, с помощью кото­рых происходит актуализация продукций и выбор для выполнения той или иной продукции из числа актуализированных.

В ряде систем используются комбинации сетевых и продукци­онных моделей представления знаний. В таких моделях декларативные знания описываются в сетевом компоненте модели, а процедур­ные знания — в продукционном. В таком случае говорят о работе продукционной системы над семантической сетью.

Термин «продукция» принадлежит американскому логику Э.Посту и предложен им в 1943 г. В понимании Поста в качестве продукции выступала только та ее часть, которую теперь называ­ют ядром.

Иногда ядро продукции называют правилом. Вообще можно сказать, что правило есть частный случай продукции. В настоящее время системы продукций (правил) широко распространены в экс­пертных системах. С определенными допущениями можно признать тождественность данных понятий — «ПРОДУКЦИЯ — ПРАВИЛО»; «ПРОДУКЦИОННАЯ СИСТЕМА - СИСТЕМА, ОСНОВАННАЯ НА ПРАВИЛАХ».

Считается, что каждое правило (упрощенная продукция, импли­кация) состоит из двух частей АНТЕЦЕДЕНТНОГО УСЛОВИЯ и КОНСЕКВЕНТНОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ и может быть использовано в дедуктивном процессе рассуждений. Антецедент — первый член импликации, которому предпослано слово ЕСЛИ; консеквент - член импликации, вводимый в высказывание словом ТО; импликация — логическая операция, связывающая два высказывания (простых) в сложное с помощью логической связки, которой в обычном языке соответствует конструкция «ЕСЛИ..., ТО...».

Популярность продукционных моделей определяется несколь­кими факторами.

1. Подавляющая часть человеческих знаний может быть записа­на в виде продукций (правил).

2. Системы продукций являются модульными. За небольшим исключением удаление или добавление продукций (правил) не при­водит к изменениям в остальных продукциях (правилах).

3. Наличие в продукциях указателей на сферу применения про­дукции позволяет эффективно организовать память, сократив время поиска в ней необходимой информации.

4. При объединении систем продукций и сетевых представлений получаются средства, обладающие большой вычислительной мощ­ностью.

В то же время продукционные модели имеют ряд недостатков. По крайней мере два из них являются основными.

1. При большом числе продукций усложняется проверка непро­тиворечивости системы продукций. Это заставляет при добавлении новых продукций тратить много времени на проверку непротиворе­чивости новой системы.

2. Из-за присущей системе недетерминированности возникают принципиальные трудности при проверке корректности работы си­стемы.