Сетевые семантические модели

В основе этих моделей лежит понятия сети, вершины, дуги. Сети бывают: простые и иерархические, где вершины – это некоторые понятия, сущности, объекты, события, процессы или явления. Отношения между этими сущностями выражаются дугами. Понятиями обычно выступают абстрактные или конкретные объекты, а отношения – это связи типа это, имеет частью, принадлежит, любит.

Простые сети не имеют внутренней структуры, а в иерархических сетях некоторые вершины обладают внутренней структурой.

Характерной особенностью семантических сетей является обязательное наличие трех типов отношений:

1. класс-элемент класса

2. свойство-значение

3. пример элемента класса

В иерархических семантических сетях предусматривается разделение сетей на подсети (пространство) и отношения устанавливаются не только между вершинами, но и между пространствами.

 

Дерево пространств

Для пространства P₆ видимы все вершины пространства, лежащие в пространстве предков P_4, P_2, P_{0 ,} а остальные невидимы

Отношения «видимости» дает возможность сгруппировать пространство в упорядочении множества «перспективы».

Рассмотрим правила или соглашения графического изображения иерархических сетей:

вершины и дуги, лежащие в одном пространстве ограничиваются прямо или многоугольником;

дуга принадлежит тому пространству, в котором находится ее имя;

пространство P_i, изображаемое внутри пространства P_j, считается потомком (внутренним уровнем), т.е. из P_i «видимо» P_j. P_i может быть рассмотрено как «супервершина», которая лежит в P_j.

Проблема поиска решения в БЗ типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, отвечающей поставленной сети.

Основное преимущество сетевых семантических моделей – в соответствии с современными представлениями об организации долговременной памяти человека.

Недостаток моделей – сложность поиска вывода в семантической сети.

 

Фреймовые модели

Стремлением разработать представления, соединяющие в себе достоинства различных моделей, привело к возникновению фреймовых представлений.

Фрейм (англ. Frame – каркас или рамка) – это структура знаний, предназначенная для представления некоторой стандартной ситуации или абстрактного образа.

С каждым фреймом связана следующая информация:

1. о том как пользоваться фреймом;

2. каковы ожидаемые результаты выполнения фрейма;

3. что делать, если ожидания не оправдались

Верхние уровни фрейма фиксированы и представляют собой сущности или истинные ситуации, которые описываются данным фреймом. Нижние уровни представлены слотами, которые заполняются информацией при вызове фрейма. Слоты – это незаполненные значения некоторых атрибутов.

Фреймом называется также формализованная модель для отображения образа или ситуации.

Структуру фрейма можно представить так:

ИМЯ ФРЕЙМА:

(имя 1-го слота: значение 1-го слота),

(имя 2-го слота: значение 2-го слота),

…………………………………………

(имя N-го слота: значение N-го слота),

 

Системы фреймов обычно представляют в виде информационной поисковой сети, которая используется, когда предложенный фрейм не удается привести в соответствие с определенной ситуацией, т.е. когда слотам не могут быть присвоены значения, удовлетворяющие условиям, связанным с этими слотами.

В подобных ситуациях сеть используется для поиска и предложения другого фрейма.

Различают фреймы-образцы или прототипы, хранящиеся в БЗ, и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных ситуаций на основе поступающих данных.

Модель фрейма является достаточно универсальной, поскольку позволяет отобразить всё многообразие знаний о мире через:

1. фреймы-структуры, для обозначения объектов и понятий (заем, залог, вексель);

2. фреймы-роли (менеджер, кассир, клиент);

3. фреймы-сценарии (банкротство, собрание, акционеры)

4. фреймы-ситуации (тревога, авария, рабочий режим устройства) и др.

Важнейшим свойством теории фреймов является заимствованное из теории семантических сетей. И во фреймах и в семантических сетях наследование происходит по АКО-связям (A-Kind-of=это). Слот АКО указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда не явно наследуются, т.е. переносятся значения аналогичных слотов.

Человек Ребенок Ученик

 

 

 

 

Сеть фреймов

Здесь понятие «ученик» наследует свойство фреймов «ребенок» и «человек», которые находятся на более высоком уровне. Тогда на вопрос: «Любят ли ученики сладкое?» следует ответить «Да»(т.к. этим свойством обладают дети). Наследование свойств может быть частичным, так возраст для учеников не наследуется из фрейма «ребенок» поскольку указан явно в своем собственном фрейме.

Основным преимуществом фреймов является способность отражать концептуальную основу организации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность.

 

Продукционные модели

В традиционном программировании, если i- ая команда не является командой ветвления, то за ней следует i+1- ая команда. Подобный способ программирования удобен в тех случаях, когда последовательность обработки мало зависит от обрабатываемых знаний.

В противном случае программу лучше рассматривать как совокупность независимых модулей, управляемых образцами. Такая программа на каждом шаге при анализе образцов определяет, какой модуль подходит для обработки данной ситуации. Управляемый образцами модуль подходит для обработки данной ситуации. Управляемый образцами модуль состоит из механизма исследования и модификации одной или нескольких структур. Каждый такой модуль реализует определенное продукционное правило. Функции управления при этом осуществляет интерпретатор. С точки зрения представления знаний подход, при котором, используются управляемые образцами модули характеризуется, следующими особенностями:

1. разделение постоянных знаний, хранимых в БЗ, и временных знаний из рабочей памяти

2. структурная независимость модулей

3. отделение схемы управления от модулей, несущих знания о проблемной области.

Это позволяет рассматривать и реализовывать различные схемы управления, облегчает модификацию системы и знаний.

 

Лекция 5

ПРЯМАЯ ЦЕПОЧКА РАССУЖДЕНИЙ

Приступим к разработке реальной экспертной системы, предназначенной для решения задач определённого типа. Задачи каждого типа решаются наиболее оптимальными для них методами, и, следовательно, экспертная система должна быть ориентирована на строго конкретную предметную область, иначе она будет бесполезна. Ремонтируя автомобиль, не берут двуручную пилу, а гаечным ключом не рубят деревья.

Рассмотрим такую ситуацию: во время движения у автомобиля перегревается двигатель. Как отреагирует на это водитель? Конечно, он занервничает. Многие с этим сталкивались жарким днём в час пик. Сформулируем задачу в более общем виде. Имеет место ситуация (перегрев двигателя), требуется предсказать её последствие (заглохнет ли мотор?). Итак, прежде всего зафиксировано возникновение определённого состояния (перегревдвигателя), а затем в работу включаются относящиеся к нему правила:

Правило 1:ЕСЛИ двигатель перегрелся,ТО мотор заглохнет.

Правило 2:ЕСЛИ мотор заглохнет, ТО это приведет к денежным затратам и позднему возвращению домой.

Каким образом можно прийти к выводу о том, что перегрев двигателя ведёт к денежным затратам и позднему возвращению домой? Это можно сделать, используя прямую цепочку рассуждений. Отправной точкой рассуждений служит возникшая ситуация (перегрев двигателя). Затем срабатывает условная часть (часть ЕСЛИ) первого правила. Поскольку возникшая ситуация удовлетворяет содержащемуся в ней условию, согласно констатирующей части этого правила (части ТО) выводится новая ситуация (мотор заглохнет). Цепочка рассуждений продолжается. Условие, содержащееся в части ЕСЛИ второго правила, удовлетворяется, если уже сработало первое правило (действительно заглох мотор). Следовательно, вывод о денежных затратах и позднем возвращении домой можно сделать при возникновении двух ситуаций: двигатель перегрелся или мотор заглох. Описанная последовательность рассуждений называется прямой цепочкой потому, что констатирующая часть правила (часть ТО) выполняется только в том случае, если удовлетворяется условная часть правила (часть ЕСЛИ). Отправной точкой рассуждений, таким образом, служит уже возникшая ситуация, а затем делаются выводы.

Пример прямой цепочки рассуждений

Для экспертной системы фондовой биржи можно было бы воспользоваться, например, такими правилами:

10 ЕСЛИ ПРОЦЕНТНЫЕ СТАВКИ = ПАДАЮТ,

ТО УРОВЕНЬ ЦЕН НА БИРЖЕ = РАСТЕТ

20 ЕСЛИ ПРОЦЕНТНЫЕ СТАВКИ = РАСТУТ,

ТО УРОВЕНЬ ЦЕН НА БИРЖЕ = ПАДАЕТ

30 ЕСЛИ ВАЛЮТНЫЙ КУРС ДОЛЛАРА = ПАДАЕТ,

ТО ПРОЦЕНТНЫЕ СТАВКИ = РАСТУТ

40 ЕСЛИ ВАЛЮТНЫЙ КУРС ДОЛЛАРА = РАСТЕТ,

ТО ПРОЦЕНТНЫЕ СТАВКИ = ПАДАЮТ

50 ЕСЛИ FEDINT = ПАДАЕТ И FEDMON -ДОБАВИТЬ,

ТО INTEREST = ПАДАЕТ

Прежде чем продолжить, отметим, что приведенных выше правил явно недостаточно для исчерпывающего анализа состояния биржи, они просто используются для демонстрации основных принципов работы. Необходимо также помнить, что экспертная система наследует все достоинства и недостатки экспертов, заполняющих базу знаний.

Имя переменной	Значение
INTEREST DOLLAR FEDINT FEDMON STOCK	Изменение процентных ставок (рост или падение) Валютный курс доллара Процентные ставки федерального резерва Обращение денег федерального резерва (т.е. добавление или изъятие резервов) Изменение уровня цен на бирже

 

После того как база знаний создана, с ней можно работать. Для работы нужно построить еще несколько полезных для решения поставленной задачи таблиц. По сути дела эти таблицы просто одна из форм представления баз знаний.

Во-первых, база знаний содержит список переменных условия, т.е. перечень переменных, входящих в условную часть каждого правила. Поясним назначение очереди переменных вывода. Принцип работы очереди - “первым пришел - первым ушел”. Рассмотрим назначение списка переменных и указателя списка переменных условия. Список переменных содержит значения переменных и признак их инициализации. До начала диалога с программой признак инициализации равен NI и всем переменным присвоены пустые значения. В процессе диалога с системой переменным присваиваются значения, а значение признака меняется на I. В указателе переменных условия хранится информация о правиле, с которым система работает в данное время. Указатель состоит из номера правила и номера условия в правиле, поскольку условная часть правила в общем случае может содержать несколько условий. Система использует указатель, чтобы отследить текущее положение в цепочке рассуждений.

 

Правило 10 ЕСЛИ INTEREST=ПАДАЕТ, ТО STOCK=РАСТЕТ Правило 20 ЕСЛИ INTEREST "РАСТЕТ, TO STOCK = ПАДАЕТ Правило 30 ЕСЛИ DOLLAR = ПАДАЕТ, ТО INTEREST=РАСТЕТ Правило 40 ЕСЛИ DOLLAR = РАСТЕТ, ТО INTEREST= ПАДАЕТ Правило 50 ЕСЛИ FEDINT = ПАДАЕТ И FEDMON = ДОБАВИТЬ, ТО INTEREST= ПАДАЕТ	1 INTEREST 2 3 4 5 INTEREST 6 7 8 9 DOLLAR 10 11 12 13 DOLLAR 14 15 16 17 FEDINT 18 FEDMON	INTEREST DOLLAR FEDINT FEDMON ———————— Список переменных условия ———————— Указатель переменных условия
———————————————— База знаний	———————— Список переменных условия	——————————— Очередь переменных логического вывода

Рис.1. Структуры данных базы знаний экспертной системы фондовой биржи

 

Пример прямой цепочки рассуждений

Для примера воспользуемся базой знаний, разработанной для фондовой биржи и спросим систему прямых рассуждений:

Что будет, если добавить в банковскую систему средства из федерального резервного банка? Другими словами, FEDMON = ДОБАВИТЬ

Система обратится к базе знаний. Поскольку значение переменной FEDMON изначально задано, она помещается в очередь переменных логического вывода. Просмотрев список переменных условия, система определяет, что первый раз переменная FEDMON встречается в условной части правила 50. Указатель переменных условия устанавливается на первое условие правила 50. В списке переменных условия для правила 50 содержатся имена двух переменных FEDINT и FEDMON. Обратившись к списку переменных, система определяет, что переменной FEDMON присвоено значение ДОБАВИТЬ, а значение переменной FEDINT не задано (признак инициализации равен NI). Система запросит у пользователя значение переменной FEDINT:

Растет или падает уровень процентных ставок Федерального резервного банка?

Предположим, что пользователь ответил: “ПАДАЕТ”; это значение присваивается переменной FEDINT и заносится в список переменных. Теперь все переменные условной части правила 50 проинициализированы и система может приступить к ее анализу.

 

Правило 10 ЕСЛИ INTEREST=ПАДАЕТ, ТО STOCK=РАСТЕТ Правило 20 ЕСЛИ INTEREST = РАСТЕТ, ТО STOCK=ПАДАЕТ Правило 30 ЕСЛИ DOLLAR = ПАДАЕТ, ТО INTEREST=РАСТЕТ Правило 40 ЕСЛИ DOLLAR = РАСТЕТ, ТО INTEREST = ПАДАЕТ Правило 50 ЕСЛИ FEDINT = ПАДАЕТ И FEDMON-ДОБАВИТЬ, ТО INTEREST = ПАДАЕТ	1 INTEREST 2 3 4 5 INTEREST 6 7 8 9 DOLLAR 10 11 12 13 DOLLAR 14 15 16 17 FEDINT 18 FEDMON	INTERSET DOLLAR FEDINT FEDMON	Значение NI   NI   NI   I ДОБАВИТЬ
———————— Список переменных условия
Номер правила Номер условия
———————— Указатель переменных условий
		FEDMON
———————————————— База знаний	——————— Список переменных условия	——————————— Очередь переменных логического вывода

 

 

Рис. 2 Система, реализующая прямую цепочку рассуждений

 

Истинны оба условия: и FEDINT=ПАДАЕТ и FEDMON=ДОБАВИТЬ, поэтому, согласно части ТО правила, переменной INTEREST присваивается значение ПАДАЕТ. Переменная INTEREST помещается в очередь переменных логического вывода, поскольку она может стать новым условием и соответствующим образом изменяется список переменных.

Затем система проверяет, нет ли в остальных правилах переменной FEDMON. Если переменная FEDMON не встречается ни в одном из оставшихся правил, она удаляется из очереди переменных логического вывода. Первой в очереди становится переменная INTEREST. Заново анализируя список переменных условия, система находит переменную INTEREST в условной части правила 10. Переменная INTEREST входит в условную часть правил 10 и 20. Но логически выведенному значению переменной INTEREST = ПАДАЕТ удовлетворяет только условие правила 10, Система обращается к части ТО этого правила и присваивает переменной STOCK значение РАСТЕТ, а имя переменной заносится в очередь переменных логического вывода (см. рис. 5.14). Правило 20 отвергнуто, потому что оно содержит условие INTEREST = РАСТЕТ, а переменная INTEREST уже имеет значение ПАДАЕТ. Переменная INTEREST не встречается больше ни в одном из оставшихся правил и поэтому удаляется из очереди переменных логического вывода. Переменная STOCK оказывается в начале очереди. Процесс рассуждений на этом заканчивается, поскольку переменная STOCK не входит в условную часть какого-либо правила. Ответ на поставленный вопрос будет выглядеть следующим образом:

1. Процентные ставки падают.

2. Уровень цен на бирже растет.