Лекция 5. Фреймовая модель

«Фрейм – это структура данных, представляющая стереотипную ситуацию, вроде нахождения внутри некоторого рода жилой комнаты, или сбора на вечеринку по поводу дня рождения ребенка. К каждому фрейму присоединяется несколько видов информации. Часть этой информации – о том, как использовать фрейм. Часть о том, чего можно ожидать далее. Часть о том, что следует делать, если эти ожидания не подтвердятся».

Фрейм - это минимальное возможное описание сущности какого-либо явления, события, ситуации, процесса или объекта. Минимальность означает, что при дальнейшем упрощении описания теряется его полнота, она перестает определять ту единицу знаний, для которой предназначено. Например, слово "комната" вызывает у слушающих образ комнаты: "жилое помещение с четырьмя стенами, полом, потолком, окнами и дверью, площадью 6-20". Из этого описания ничего нельзя убрать (например, убрав окна мы получим уже чулан, а не комнату), но в нем есть "дырки", - это незаполненные значения некоторых атрибутов - количество окон, цвет стен, высота потолка. покрытие пола и др. В теории фреймов такой образ называется фреймом.

Фрейм имеет определенную структуру, состоящую из множества элементов – слотов. Каждый слот в свою очередь, представляется определенной структурой данных, процедурой, или может быть связан с другим фреймом.

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-гo слота).

Ту же запись представим в виде таблицы, дополнив двумя столбцами.

В таблице дополнительные столбцы предназначены для описания типа слота и возможного присоединения к тому или иному слоту специальных процедур, что допускается в теории фреймов. Эти процедуры в литературе иногда именуются «демонами». Со слотом можно связать любое количество процедур, но наиболее часто используются следующие:

Процедура на событие «если добавлено» (IF-REMOVED). Выполняется, когда новая информация записывается в слот.

Процедура на событие «если удалено» (IF-ADDED). Выполняется, когда информация удаляется из слота.

Процедура на событие «по требованию» (IF-NEEDED). Выполняется, когда запрашивается информация из пустого слота.

В качестве значения слота может выступать имя другого фрейма; так образуют сети фреймов.

Различают фреймы-образцы, или прототипы, хранящиеся в базе знаний, и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных ситуаций на основе поступающих данных. Прототип – это уже не абстрактный образ, а наиболее типичный представитель своего класса, с обобщенными, но вполне конкретными, значениями своих свойств. Например, прототип понятия четырехугольник можно определить как фигуру, имеющую четыре угла.

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

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

фреймы-роли (менеджер, кассир, клиент);

фреймы-сценарии (банкротство, собрание акционеров, празднование именин);

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

Рис.13. Пример описания знаний с помощью фреймов

Важнейшим свойством теории фреймов является заимствованное из теории семантических сетей наследование свойств. 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 неявно наследуются, т.е. переносятся, список и значения слотов. Возможно наследование свойств от нескольких прототипов. Такой вид наследования получи название «множественное наследование».

В качестве примера можно рассмотреть формирование понятия заказ товара (см. рис.13. Пример описания знаний с помощью фреймов.).

Основным преимуществом фреймов как модели представления знаний является способность отражать концептуальную основу организации памяти человека, а также гибкость и наглядность.

Различают статические и динамические системы фреймов. В системах первого типа фреймы не могут быть изменены в процессе решения задачи, в системах второго типа это допустимо.

О системах программирования, основанных на фреймах, говорят, что они являются объектно-ориентированными. Каждый фрейм соответствует некоторому объекту предметной области, а слоты содержат описывающие этот слот данные, т.е. в слотах находятся значения признаков объекта. Фрейм может быть представлен в виде списка свойств, а если использовать средства базы данных, то в виде записи. Наиболее ярко достоинства фреймовых систем представления знаний проявляются в том случае, если родовидовые связи изменяются нечасто и предметная область насчитывает немного исключений. Значение любого слота при необходимости может быть вычислено с помощью соответствующих процедур или найдено эвристическими методами.

Наиболее распространенным типом фрейма может служить структура представления знаний следующего типа: (Имя фрейма (<Имя слота>(Значение слота>)(<Имя слота><Значение слота>),…(<Имя слота><Значение слота>)).

Например, рассмотрим фрейм: «квартира»(квартира <столовая><20кв.м>)(<стол><обеденный раскладной>)(<стулья><6, мягкие>…).

Достоинством системы, использующей фреймы, заключается в том, что те элементы, которые традиционно присутствуют в описании объекта или события, группируются и благодаря этому могут извлекаться и обрабатываться как единое целое. Скелетный фрейм для понятия «руководитель» имеет вид:

имя: РУКОВОДИТЕЛЬ

специальность: СЛУЖАЩИЙ

имя:______________________

возраст:___________________

адрес:_____________________

отдел:_____________________

заработная плата:____________

дата начала:_________________

до:_________________________

Рис.14. Скелетный фрейм для понятия "РУКОВОДИТЕЛЬ"

Фрейм имеет имя для идентификации, его описание составляется из ряда описаний, приведенных слева (слоты), с помощью которых идентифицируются основные структурные элементы понятий. За слотами следуют шпации (промежуток), в которые помещают некоторые объекты, представляющие текущие значения слотов (в данном фрейме все слоты пустые, за исключением первого). Ниже показан тот же фрейм, но с заполненными слотами.

имя: РУКОВОДИТЕЛЬ

специальность: СЛУЖАЩИЙ

имя: агрегат (фамилия, имя, отчество)

возраст: агрегат (годы)

адрес: АДРЕС

отдел: диапазон (производство, администрация)

заработная плата: ЗАРПЛАТА

дата начала: агрегат (месяц, год)

до: агрегат (месяц, год) (по умолчанию: теперь)

Часть слотов заполнена некими объектами, а не простыми именами. В данном примере фигурируют три различных типа заполнителей. Заполнитель слота может быть или константой, или именем другого фрейма. Простейшие из них: АДРЕС, ЗАРПЛАТА – это имена других фреймов данной системы, на которые делается ссылка. Обозначение “агрегат” указывает на то, что должны быть заданы определенные объекты, а обозначение “интервал” – на то, что должен быть выбран один из множества объектов. В конечном итоге к заполнителю соответствующих слотов присоединяются указанные в скобках подразумеваемые (принимаемые по умолчанию) значения. Обозначения “агрегат”, “ интервал”, “подразумеваемый” называют фасетами слота.

Пример фрейма для заполнителя ЗАРПЛАТА, относящегося к фрейму РУКОВОДИТЕЛЬ, имеет вид (содержит четыре слота, один из которых требует двойного заполнителя):

имя: ЗАРПЛАТА

почасовая заработная плата: агрегат (грн. в час)

код налога: агрегат (код налога) (по умолчанию: непредвиденный)

налог на дату: агрегат (месяц, год)

вычислить ((ОПЛАТА НАЛОГА) (налог))

В этом примере проиллюстрировано понятие “процедурное присоединение”, которое дает возможность вставлять во фреймы обычные программы. Вставляемая процедура вызывается заполнителем фасета “вычислить”. В слоте “налог на дату” фрейма ЗАРПЛАТА находим заполнитель ”вычислить (ОПЛАТА НАЛОГА)(налог)”. Это указывает на то, что заполнитель фрейма ЗАРПЛАТА должен извлечь фрейм ”ОПЛАТА НАЛОГА”, содержащий некую процедуру. Эта процедура затем будет реализована с использованием информации, содержащейся в системе фреймов в качестве данных для вычисления значения ”налог на дату”, которое после этого может быть внесено в слот в поле ”налог”.

Таким образом, фрейм имеет «матрешечную» структуру. В качестве значения слота может выступать система имен слотов более глубокого уровня, а в качестве значений в этих слотах могут появляться новые последовательности имен и значений слотов. Это свойство обеспечивает фреймовым языкам удовлетворение требованию структурированности знаний. Наличие имен фреймов и имен слотов обеспечивает возможность внутренней интерпретируемости знаний, хранимых во фреймах. Возможность иметь в качестве значений слоты ссылки на другие слоты данного фрейма и на другие фреймы обеспечивает свойство связности в базе знаний. В качестве значений слотов могут стоять приказы вызова тех или иных процедур для исполнения, позволяет иметь средства активизации программ за счет имеющихся знаний.

Совокупность фреймов, моделирующая какую-либо предметную область, представляет собой иерархическую структуру, в которой фреймы соединяются с помощью родовидовых связей. На верхнем уровне иерархии находится фрейм, содержащий наиболее общую информацию, истинную для всех остальных фреймов. Фреймы обладают способность наследовать значения характеристик своих родителей, находящихся на более высоком уровне иерархии. Все это обеспечивает широкое распространение языков такого типа в интеллектуальных системах.

Перекрестные ссылки фреймов друг на друга создают сеть с весьма сложной геометрией. При поиске информации и ее записи необходимо иметь специальные процедуры движения по ней.

Как недостаток фреймовых систем следует отметить их относительно высокую сложность, что проявляется в снижении скорости работы вывода и в увеличении трудоемкости внесения изменения в родовидовую иерархию.

Дата добавления: 2014-01-07