Фреймовая модель знаний

Фреймовая модель знаний предложена Марвином Минским. Минский также ввел терминологию и язык фреймов. Эта терминология включает такие понятия как "фреймы", "слоты", "терминалы", "значения по умолчанию". Фреймопределяется как структура следующего вида:

{<имя-фрейма> <имя слота₁ > <значение слота>₁, ...,

<имя слота_n > <значение слота>_n }

Так, определим фрейм для объекта "книга":

{<КНИГА>

<АВТОР> <ДюмаА.>

<НАЗВАНИЕ> <Граф Мосте Кристо>

<ЖАНР> <Роман>}

Мы видим, что слоты соответствуют атрибутам (характеристикам, свойствам) объекта. Если значения слотов не определены, то фрейм называется фреймом-прототипом. Заменяя неизвестное значение звездоч­кой ("*") будем иметь следующий фрейм-прототип:

{<КНИГА>

<АВТОР> <*>

<НАЗВАНИЕ> <*>

<ЖАНР> <*>}

Напротив, фрейм, в котором все слоты заполнены, называется кон­кретным фреймом. Отметим, что имена слотов часто называют ролями. Основной процедурой над фреймами является поиск по образцу. Образец, или прототип, это - фрейм, в котором заполнены не все струк­турные единицы, а только те, по которым среди фреймов, хранящихся в памяти ЭВМ, отыскиваются нужные фреймы. Другими процедурами, характерными для фреймовых языков, являются наполнение слотов данными, введение в систему новых фреймов-прототипов, а также из­менения некоторого множества фреймов, сцепленных по слотам (т.е. имеющих одинаковые значения для общих слотов).

Фрейм может быть декларативного, процедурного и процедурно-декларативного типа. В фреймах процедурного типа процедуры привя­зываются к слоту путем указания последовательности выполняемых операций. Различают два вида процедур: процедуры-"демоны" и процедуры-"слуги".

Процедура-демон запускается автоматически, когда фрейм удов­летворяет некоторому образцу, по которому осуществляется поиск в ба­зе знаний.

Процедура-слуга запускается по внешнему запросу, а также ис­пользуется для задания по умолчанию значений слотам, если они не оп­ределены.

Таблица 1.2.

Структура фрейма, содержащего процедуры, приведены в табл.1.2.

Внутренняя процедура используется для изменения содержимого данного фрейма, в то время как внешняя - для изменения содержимого других фреймов. Процедура выполняет изменения в той части фрейма, которая называется терминальной (образована множеством термина­лов - ячеек для хранения и записи информации).

Примеры систем, работающих с фреймами, это KRL, FRL, GUS, OWL [20, 21] и др.

Развитием концепции фреймовых моделей являются сценарии и ленемы.

Понятие сценария введено Р. Шенком и Р. Абельсоном. Сценарий - это фреймоподобная структура, в которой определены такие специаль­ные слоты как сценарий, цель, сцена, роль. Следующий пример сцена­рия взят из:

< сценарий : ресторан

роли: посетитель, официант, кассир

цель: принятие пищи, чтобы насытиться и получить удовольствие

сцена 1: вход в ресторан

войти в ресторан

осмотреть места

выбрать свободное место

пройти к свободному столику

сесть

сцена 2: заказ

взять меню

прочитать меню

решить, что заказать

заказ меню официанту

сцена 3: прием пищи

получение пищи

съедение пищи

сцена 4: уход

просьба рассчитать

получение чека

движение к кассиру

передача денег кассиру

выход из ресторана >

Сценарии отражают каузальные ( причинно - следственные ) це­почки предметной области, т.е. имеют более развитую семантику в сравнении с "классическими" фреймами. Таким образом, сценария рассматриваются как средство представления проблемно-зависимых кау­зальных знаний.

Отметим, что фреймовые модели знаний эффективны для структур­ного описания сложных баз знаний, однако для них нет специфического формализованного аппарата, в связи с чем фреймы часто используют как базу данных системы продукций.

Семантические сети

Семантическая сеть - это граф, вершины которого соответствуют объектам или понятиям, а дуги, связывающие вершины, определяют отношения между ними.

Введен также специальный тип вершин: вершины связи. Вершина связи не соответствует ни объектам, ни отношениям и используется для указания связи.

Основными отношениями в семантической сети являются отношения принадлежности к классу, свойства, специфи­ческие для данного понятия и примеры данного понятия (рис. 1.2).

Отношение принадлежности элемента к некоторому классу либо части к целому в англоязычной литературе определяется соответственно как "IS А", либо как "РАRТ ОF", например, фразе "лев есть хищник" соответствует семантический фрагмент, изображенный на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Рис. 1.4

Рис. 1.5

Свойства передаются через связки "IS" и "HAS" ("есть" и "имеет"), например, высказывание "лев имеет гриву" интерпретирует фрагмент сети, показанный на рис.1.4, а фраза "грива густая" (a mane is thick) передается фрагмен­том на рис. 1.5.

Если обозначить фрагменты, показанные на рис.1.3 - 1.5 через Фi, то в общем случае семантическая сеть образуется как соединение (°) этих фрагментов, т.е. как

Ф1 ° Ф2 °...° Фn,

причем порядок индексации фрагментов не имеет значения (операция соединения коммутативна).

Важный момент в организации модели базы знаний на основе се­мантической сети заключается в представлении событий и действий. Концептуализация действий строится из следующих элементов:

Для описания семантики действий используются следующие основ­ные группы обозначений и концептуальных схем:

Обозначения:

РР - класс физических объектов;

О - физические объекты;

АСТ - действия;

РА - свойства объектов;

LОС - местоположение;

Т - времена;

АА - атрибуты (характеристики) действий;

РА - атрибуты (характеристики) объектов;

R. - реципиенты;

I - инструменты, посредством которых выполняется действие;

D - направление действия;

Концептуальные схемы:

Û - используется для обозначения концепта действия

(1) PPÛ ACT- некоторые объекты могут производить действия

(2) PPÛPA - объекты обладают свойства

(3) - АКТы имеют объекты

(4) - АКТы имеют направление

(5) - АКТы имеют реципиентов

(6) - АКТы могут изменять характеристики

(7) PPÛPP- один PP эквивалентен другому или является

его частной характеристикой

(8) - концепт действия характеризуется местоположением

(9) - один концепт действия является причиной другого

(11) - концепт действия характеризуется изменением состояния

(12) - действие ACT характеризуется инструментом I

(13) - действие характеризуется объектом 0.

Следующие примеры демонстрируют использование введенных по­нятий.

Пример 1. Джон съел лягушку.

Джон Û съесть лягушка

Y - некоторое неизвестное местоположение.

Пример 2. Билл обидел Джона.

Пример 3. Джон дал Мэри книгу.

Для задания событий используются временные отношения, такие как "раньше", "позже", "в данный момент", "одновременно", "не позд­нее" и т.д.

Кроме рассмотренных понятий, на семантической сети могут быть определены также сетевые продукции, которые позволяют:

- добавлять или удалять фрагменты сетей

- добавлять или удалять связи и вершины

- проверить, что некоторый фрагмент содержится в сети

- строить примеры отношений

- находить фрагменты, общие для двух и более сетей и др.

Особенностью и в то же время недостатком семантической сети яв­ляется ее представление в виде такой целостной структуры, которая не позволяет разделить базу знаний и механизм выводов. Это озна­чает, что процесс вывода, как правило, связан с изменением структуры сети путем применения сетевых продукций.

Машина вывода