Представление знаний и процедура вывода с помощью логики предикатов

Фреймы

Термин фрейм (от англ. Frame – каркас, рамка) был предложен Марвином Минским в 70-е годы. Эта структура знаний изначально предназначалась для восприятия пространственных сцен. В философии и психологии известно понятие абстрактного образа. Например, произнесенное вслух слово «комната» вызывает у нас образ комнаты: «жилого помещения с четырьмя стенами, полом, потолком, окнами и дверью, площадью 6–20м². В теории фреймов этот образ называют фреймом комнаты. Из этого описания нельзя ничего убрать (например, убрав окна, мы получим уже не комнату, а подвал). В нем есть «дырки» – незаполненные значения некоторых атрибутов (например количество окон), эти «дырки» называют слотами (от англ. щель).

Таким образом, можно дать определение фрейму как минимально возможному описанию сущности какого- то явления, события, ситуации, процесса или объекта. Минимально возможное означает, что при дальнейшем упрощении описания теряется его полнота, оно перестает определять ту единицу знаний, которой предназначено.

В системе фреймов предпринимается попытка судить о классе объектов, используя представление знаний о прототипах, которые хорошо представляют различные объекты данного класса. Например, «прототипическая» птица, пусть это будет воробей, может летать, а потому есть основания полагать, что это свойство всех птиц, хотя существуют редкие виды птиц, которые этим свойством не обладают, например пингвины. Именно в этом смысле воробей является лучшим экземпляром категории «птицы», чем пингвин, поскольку он представляет более типичные свойства объектов своего класса.

При решении практических задач подобных исключений весьма много, а границы между классами оказываются очень размыты. Система фреймов оказывается полезной по той причине, что она дают средства структурирования знаний, связанных с приложением правил и классификации объектов.

Марвин Минский определил фрейм как «структуру данных для представления стереотипных ситуаций». Идея состояла в том, чтобы сконцентрировать знания в единой структуре данных, а не распределять их между множеством более мелких структур. Такие знания либо сосредоточены в самой структуре данных, либо доступны из этой структуры (например, хранятся в другой структуре, связанной с фреймом). Доступ к связанным структурам осуществляется посредством присоединенных процедур.

Таким образом, по существу, фрейм оказался тем средством, которое помогло связать декларативные и процедурные знания. По своей структуре фреймы похожи на семантические сети. Можно считать, что фрейм – это сложный узел сети. Часть специалистов по системам ИИ даже считает, что нет необходимости выделять фреймовые модели представления знаний, так как в них объединены все основные особенности моделей остальных типов.

В качестве идентификатора фрейму присваивается имя фрейма. Это имя должно быть единственным во всей фреймовой системе.

Фрейм имеет определенную внутреннюю структуру, состоящую из множества элементов, называемых слотами, которым также присваиваются имена. Каждый слот в свою очередь представляется определенной структурой данных. В значение слота подставляется конкретная информация, относящаяся к объекту, описываемому этим фреймом. Таким образом, каждый фрейм имеет специальный слот, заполненный наименованиями сущностей, и слоты, заполненные значениями различных атрибутов, ассоциирующихся с объектом.

Как правило, фреймы организованы в виде «ослабленной иерархии» (или «гетерархии») в которой фреймы, расположенные ниже в иерархии, могут наследовать значения слотов разных фреймов, расположенных выше.

Фундаментальная идея состоит в том, что свойства и процедуры, расположенные выше, являются более или менее фиксированными, поскольку они представляют те вещи или понятия, которые в большинстве случаев являются истинными для интересующей нас сущности. В то же время, фреймы более нижних уровней имеют слоты, которые должны быть заполнены наиболее динамической информацией, подверженной частым изменениям. Если такая динамическая информация отсутствует из-за неполноты наших знаний о предмете, то слоты фреймов более нижних уровней заполняются данными, унаследованными от фреймов верхних уровней.

Ниже в качестве простого примера показан фрейм, описывающий человека.

^ Фрейм: Человек

Имя слота:	Значение слота
Класс:	Млекопитающее
Структурный элемент:	Голова, шея, руки, …
Рост:	40 ¸220 см
Масса:	1 ¸ 200 кг
Хвост:	Нет
Язык:	Русский, английский, китайский …
Фрейм аналогии:	Обезьяна

Значением слота может быть практически что угодно: числа, формулы, тексты на естественном языке или программы, правила вывода или ссылки на другие слоты данного фрейма или других фреймов. Кроме того, со слотами может, ассоциирована любая дополнительная информация, например, процедура вычисления значения этого слота в случае отсутствия его явного заполнения, процедура обновления значения слота при изменении значения другого слота. В качестве значения слота даже может выступать набор слотов более низкого уровня, что позволяет реализовывать во фреймовых представлениях «принцип матрешки». Связи между фреймами задаются значениями специального слота с именем «Связь».

Фреймы с заполненными слотами называются экземплярами фрейма.

Для описания объекта. Ситуации или события строится сеть фреймов. Фрейм представляет собой сложный узел такой сети. Как уже отмечалось выше, слоты фрейма обладают присоединенными процедурами, позволяющими осуществлять связь в структуре фрейма. С каждым фреймом связана информация о том, как его использовать, как поступать в чрезвычайных ситуациях. Присоединенные процедуры бывают двух типов – демоны и слуги.

Процедуры-слуги необходимо активизировать всякий раз, когда осуществляется доступ к фрейму или его обновление. Идея состоит в том, чтобы выполнение большей части вычислений, связанных с решением проблемы, явилось побочным эффектом передачи данных во фрейм или извлечения данных из него.

Процедуры, подключенные к структуре данных и запускаемые на выполнение при появлении запроса или обновлении информации в структуре, называют демонами. Те демоны, которые вычисляют некоторые значения по запросу, называются демонами по требованию.

Поиск решения во фреймовой модели представления знаний означает поиск по всем фреймам (сети фреймов) модели, которая наилучшим образом описывает ситуацию. В процессе поиска слоты фреймов заполняются информацией. Полученные экземпляры фреймов проверяются на адекватность рассматриваемой ситуации. Если выявлено хотя бы одно несовпадение, рассматривается следующий фрейм.

Подводя итог всему сказанному выше о семантических сетях и фреймах, можно отметить, что семантические сети являются весьма мощным средством представления знаний, но для них характерна неоднозначность и неоднородность связей. Структура сетей, как правило, не дает четкий ответ на два важных вопроса:

·
Что же действительно стоит за узлами и связями в сети?

·
Как можно эффективно обрабатывать информацию, хранящуюся в такой структуре?

Для автоматизации процесса использования и представления знаний предпочтительной является унифицированная, однородная форма представления информации. Поэтому в большинстве последних исследований, касающихся представления знаний, предпочтение отдается фреймам. Узлы в сети представлены как иерархия фреймов, связи организованы связями между фреймами. Эффективность обработки обеспечивается подключением к узлам специфических процедур, на которые возлагаются вычисление значений переменных в ответ на запросы или при обновлении значений других свойств узла- фрейма.

Дата добавления: 2014-11-29