Фреймовая модель представления знаний

 

Фреймовая модель в своей теоретической основе базируется на психологических поняти­ях восприятия человеком окружающего мира. Поведение человека во многом определяется внешними условиями, т. е. ситуацией, в кото­рую он попадает. При этом он идентифицирует новую ситуацию с некоторой типовой структурой, называемой фреймом.

Фрейм — это декларативное представление стандартной ситуации, дополненное процедурной информацией о возможностях и путях его использования.

Фрейм представляется сетью. Верхние ее уровни отображают сущности, истинные для типовой ситуации, задавая тем самым абстрактную конструкцию фрейма. Нижние уровни заканчи­ваются пустыми слотами, означивание которых осуществляется при вызове фрейма в соответствии с конкретной ситуацией из предметной области. Таким образом, фреймовая модель позволяет сформиро­вать иерархическую структуру отношений типа «абстрактное — кон­кретное». Можно считать, что по отношению к семантическому представлению фреймовый подход является частным случаем, позво­ляя при этом более эффективно использовать процедурные знания. При фреймовом подходе выделяются также обобщенные, еди­ничные и агрегатные объекты. Фрейм отображает объект, который является представителем обобщенного. Значения конкретного объекта могут быть получены при запросе за счет реализации определенных процедур. Сложный объект отображается комбина­цией нескольких фреймов, что соответствует фреймовой сети. Фрей­мовая модель по сравнению с семантической обеспечивает более детальное выделение объектов и различных ситуаций при описании предметной области. В этой модели, с одной стороны, находят представление достаточно крупные обобщенные единицы знаний, а с другой — конкретные факты и ситуации, что позволяет систематизировано описать постановку задачи. Структурно фрейм вклю­чает в себя набор слотов

Ф=[(С,d_n), (С₂,d­_n),...,(С_n, d_n)],

где Ф — имя фрейма; C₁…C_n, — имена слотов; d₁...d_n — значения слотов.

При объединении фреймов в значения слотов подставляют име­на подсоединяемых фреймов. Система, объединяющая фреймы, должна содержать описание причинных, временных и других зави­симостей между входящими в нее частями. Фреймовая система обеспечивает достаточно простое описание процесса перехода объектов из одного состояния в другое. Для этого не обязательно вычислять значения всех слотов, а достаточно перечислить только изменившиеся. Особый интерес представляет использование в этой модели концепции «умолчания», которая предусматривает присво­ение пустым слотам некоторых заданных значений, если конкрет­ные из анализа предметной области неизвестны. По мере возникно­вения знаний стандартные значения могут быть скорректированы. Если в процессе изучения предметной области не удалось присвоить слотам значения, удовлетворяющие условиям задачи, то необходи­мо сконструировать новый фрейм. Это удается осуществить, если система фреймов организована в информационно-поисковую сеть.

При наличии в модели необходимой совокупности фреймов внесение новой информации осуществляется путем сопоставления, в ходе которого определяется правильность выбора фрейма. Обыч­но фрейм содержит условия, ограничивающие пределы возможных значений входящих в него слотов. Процесс сопоставления часто реализуется интуитивно, результат оценивается выполнением соот­ветствующих ограничений, содержащихся во фрейме. Если этот процесс оказался не успешным, то осуществляется запрос к другому фрейму. Отсутствие и в последующем желаемого результата оз­начает, что задача в данном представлении не может быть решена. Структура данных фреймовой модели представления знаний включает в себя:

1) имя фрейма, представляющее собой идентификатор, который однозначно определяет его в данной системе. Фрейм включает в себя произвольное число слотов, большая часть которых заполня­ется данными пользователя, а некоторые имеют функциональный характер, определяя фрейм-родителя, дочерние фреймы, дату, имя пользователя, комментарии и т. д. Слоты обладают своей струк­турой данных;

2) имя слота, представляющее собой идентификатор, который позволяет найти каждый из них в данном фрейме. Часть имен не имеет смыслового характера, однако некоторые из них, например системные, отражают выполняемые процедуры;

3) указатели наследования, обозначающие отношения между объектами во фреймовых системах иерархического типа. Слоты фреймов разных уровней иерархии могут иметь одинаковые имена, но включают в себя указатель наследования, который отражает характер связи данных, содержащихся в слотах;

4) указателя атрибутов слота, показывающие форму представ­ления и назначение данных в слоте. Представление возможно в виде текста или числовых значений, назначением слота может являться реализация присоединенной процедуры, на основе которой фреймы связываются в систему. Для этого используются служебная про­грамма в языке Лисп или метод в языке Смоллток. С помощью присоединенной процедуры эффективно формируется любая про­грамма управления выводом знаний из системы, представленной фреймовой моделью;

5) демоны, т. е. процедуры, автоматически запускаемые при выполнении определенных условий. Они разделяются по типу, име­ют имена и запускаются при работе пользователя с данными слота. Таким образом, фреймовую модель можно рассматривать как неко­торую идеологию представления знаний, которая может по-раз­ному реализовываться в конкретных языках. Разработаны формаль­ные языки и системы программирования, поддерживающие аппарат фреймов и семантических сетей. Фреймовая модель может с ус­пехом применяться для представления знаний при формировании модели предметной области.

Перспективным путем совершенствования и дальнейшего раз­вития экспертных систем является создание инструментальных средств, базирующихся на совместном использовании различных моделей представления знаний. Интеграция моделей прежде всего обусловлена разными целями, преследуемыми на отдельных стади­ях создания, проектирования, внедрения и эксплуатации систем. Возможности отдельных моделей представления сильно различают­ся между собой, в одних моделях более сильно выражена семан­тическая составляющая, в других — логические правила вывода и т. д. При формировании модели предметной области наилучшие ре­зультаты дает использование семантической и фреймовой моделей, при автоматизированном построении математической модели ре­шения задачи более эффективным может оказаться применение логической и алгоритмической в силу имеющихся типовых про­граммных средств. Совместное использование различных моделей при построении интеллектуальных систем позволяет наилучшим образом использовать достоинства одних и скомпенсировать недо­статки других.

Объединение процедурных и логических методов представления знаний реализуется при объектно-ориентированном подходе к про­граммированию. Программа представляется в виде самостоятель­ных объектов, которые в процессе функционирования обмениваются между собой сообщениями. В объект включается совокупность данных и действий над ними. Отображением объектов могут быть Фреймы, содержащие декларативные и процедурные знания. Одно­временно имеется возможность представить объекты в виде логических высказываний и соответственно формул. Таким способом осуществляется совместное использование фреймовой и логической моделей. Интеграция модели не ограничивается этим примером. Рассмотренные модели являются математическим средством построения перспективных интеллектуальных ИС.

 

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

 

1. Составьте логическую схему базы знаний по теме «Основы моделирования информационных процессов»:

 

2. Составьте логическую схему базы знаний по теме «Типовые информационные модели и процессы»: