Представление знаний фреймами

Лекция 4.

Фреймовая система является методом представления знаний, основанном на теории фреймов, опубликованной Марвином Мински в 1975 году. Этот метод пригоден для понимания сцен и повседневной речи. Суть теории фреймов заключается в следующем. Когда человек попадает в новую ситуацию, он вызывает из своей памяти основную структуру, именуемую фреймом. Фрейм (рамка) - это единица представления знаний, запомненная в прошлом, детали которой при необходимости могут быть изменены согласно текущей ситуации. Каждый фрейм может быть дополнен различной дополнительной информацией. Дополнительная информация – это информация, которая касается не только объектов, но и управления ими. Дополнительная информация включает информацию о способе обращения с данными; информация о следующем действии; информация о действии, которое надо выполнить, если данное предположение не оправдалось. С помощью фреймов можно, например, описать ситуацию в учебной аудитории или обстановку в комнате, где собираются отпраздновать день рождения ребёнка.

Каждый фрейм можно рассматривать как сеть, состоящую из нескольких вершин и отношений. На самом верхнем уровне фрейма представлена фиксированная информация: факт, касающийся состояния объекта, который обычно считается истинным. На последующих уровнях расположено множество так называемых терминальных слотов, которые обязательно должны быть заполнены конкретными значениями и данными. В каждом слоте задается условие, которое должно выполняться при установлении соответствия между значениями (слот либо сам устанавливает соответствие, либо обычно это делает более мелкая составляющая фрейма).

Структура фрейма имеет следующий вид:

Имя фрейма

Имя слота 1

Указатель наследования - (ТОТ ЖЕ, ДИАПАЗОН и др.)

Указатель атрибутов слота - (текст, численное значение,

присоединенная процедура и др.)

Значение слота - (имя, значение, процедура, указатель и др.)

Демон

Имя слота 2

...

Имя слота n.

В качестве идентификатора фрейму присваивается имя фрейма. Это имя должно быть единственным во всей фреймовой системе. Каждый фрейм состоит из произвольного числа слотов, причем несколько из них обычно определяются самой системой для выполнения специфических функций, а остальные определяются пользователем. В их число входят слот, показывающий фрейм-родитель данного фрейма, слот указателей дочерних фреймов, который является списком указателей этих фреймов. Каждый слот, в свою очередь, представлен определенной структурой данных. Имя слота должно быть уникальным в пределах фрейма. Указатели наследования касаются только фреймовых систем иерархического типа. Они показывают, какую информацию об атрибутах слотов во фрейме верхнего уровня наследуют слоты с такими же именами во фрейме нижнего уровня. Указатель атрибутов слота служит для указания типа данных. Указывается, что, слот имеет численное значение, либо служит указателем другого фрейма. Значение слота должно вводиться в соответствии с указанным типом данных этого слота. Кроме того, должно выполняться условие наследования.

Специфической функцией во фреймах является демон. Демон задает автоматически запускаемую процедуру, когда в его слот подставляется или стирается некоторое значение или когда проводится сличение значений.

В качестве значения слота можно использовать программу процедурного типа, называемую служебной (в языке Лисп) или методом (в языке Смолток). Она запускается по сообщению, переданному из другого фрейма и называется присоединённой процедурой. Таким образом в моделях представления знаний фреймами объединяются процедурные и декларативные знания. Демоны и присоединённые процедуры относятся к процедурным знаниям.

Рассмотрим пример фрейма, описывающего человека.

Фрейм: Человек

Класс: Животное

Структурный элемент: Голова, шея, руки, ноги,...

Рост: 30 - 220 см

Масса: 1 - 200 кг

Хвост: Нет

Язык: Русский, белорусский

Фрейм аналогии: Обезьяна

Предположим, что фреймы накапливаются в виде знаний и мы хотим распознать некоторый объект. Для этого рассмотрим несколько заданных во фрейме "человек" слотов и принадлежащие этим слотам атрибуты. Для распознавания из памяти вызывается фрейм "человек", который описывает характеристики человека. Если данные будут удовлетворять условиям всех слотов, то объект будет идентифицирован в качестве человека. Предположим, во входных данных будет содержаться следующая информация: масса 10 кг, объект имеет хвост. Данные не удовлетворяют значениям слота фрейма “человек”. После этого, воспользовавшись указателем фрейма аналогии и вызвав из памяти фрейм "обезьяна", будет проведено аналогичное согласование.

Соединив множество фреймов, являющихся отношениями, можно построить фреймовую систему. При анализе видимого объекта различные фреймы одной системы описывают его с различных углов зрения и преобразования от одного фрейма к другому показывает результат перехода от одного пункта наблюдения к другому. Напрмер, объект "арка", состоящий из элементов A, B,С можно представить двумя фреймами, различающиеся углами зрения арки. Один из фреймов представляет первый угол зрения, характеризующий вид спереди на арку, и хранит связь элементов А, В, С. Второй фрейм представляет второй угол зрения, характеризующий вид на арку сбоку, и хранит связь элементов А и В. Два фрейма образуют фреймовую систему. Наоборот, если фреймы не связаны со зрительными отношениями, то различие между фреймами одной системы указывает на какие-либо действия, причинно-следственные отношения или изменение концептуальной точки зрения и т.п. В одной системе различные фреймы могут иметь общие терминальные слоты. Благодаря этому возможно связывание информации, полученной с различных точек зрения.

Основными свойствами фреймов являются:

1.Базовый тип. При эффективном использовании фреймовой системы (например, описывающей арку) можно добиться быстрого понимания сущности данного предмета и его состояния. Однако, для запоминания различных состояний в виде фреймов необходима память. Поэтому только наиболее важные состояния объекта запоминаются в виде базовых фреймов, на основании которых строятся фреймы для новых состояний. При этом каждый фрейм содержит слот, оснащенный указателем подструктуры, который позволяет различным фреймам совместно использовать одинаковые части. Такая подструктура не изменяется при изменении угла зрения.

2.Процесс сопоставления, то есть процесс проверки правильности выбора фрейма, осуществляется в соответствии с текущей целью и информацией, содержащейся в данном фрейме. Он включает следующие этапы:

- С помощью предположения и интуиции выбирается базовый фрейм, и с помощью знаний, основанных на выявленных особенностях, релевантности или с помощью подфреймов, предполагаемых наиболее релевантными, данный фрейм сам подтверждает или нет свою релевантность. При этом в соответствии с текущей целью определяется, какое ограничение слота следует использовать при сопоставлении. При подтверждении процесс сопоставления завершается.

- Если в данном фрейме имеется слот, в котором возникла ошибка, касающаяся, например, условия согласованности с информацией, заданной по умолчанию, то необходима информация, обеспечивающая присвоение надлежащего значения данному слоту.

- Если сопоставление оканчивается неуспехом и при новых значениях слота, то управление передается другому фрейму из этой системы. Далее - фрейму из другой фреймовой системы. В таком процессе используется информация о преобразовании (например о перемене угла зрения). Если все попытки неуспешны, задача не имеет решения.

Вернемся к примеру фреймовой системы, представляющей "арку" с двух углов зрения. Когда мы рассматриваем некоторый объект, например, под углом зрения 2, то вызвав из памяти фрейм угла зрения 1, можно предположить, что данный объект является "аркой". Если при повороте объекта на 90⁰, его вид совпадает с фреймом угла зрения 1, то предположение было правильным. В противном случае вызывается другой фрейм и проводится его сопоставление. В данном случае может быть использован указатель сходства.

3.Иерархическая структура. Фрейм обычно соответствует представлению общего понятия с классификационной иерархической структурой, как показано на рисунке 8. Особенность такой структуры в том, что информация об атрибутах, которую содержит фрейм верхнего уровня, совместно используется всеми фреймами нижних уровней, связанных с ним. Например, атрибут “животное передвигается” является общим и для птиц, и для канарейки, которая находится на самом нижнем уровне.

Рис.8. Иерархический фреймовая система.

4.Межфреймовые сети. В том случае, если процесс "сопоставления" окончился неуспехом, возникает необходимость поиска фрейма подобного предыдущему. Такой поиск, осуществляемый с использованием указателей различия, возможен благодаря соединению фреймов, описывающих объекты с небольшими различиями и образованию сети подобных фреймов. На рисунке 9 представлен пример межфреймовой сети подобия. Имеем базовое понятие - "стул". Если при сопоставлении фрейма “стул” выяснилось, что объект слишком велик и унего отсутствует спинка, то с помощью указателя различия ищется фрейм “стол”. Если окажется, что объект слишком широк и отсутствует спинка, то можно выполнить поиск фрейма “скамейка” с помощью другого указателя различия. В данном примере рассмотрены указатели различия, однако сеть можно строить с помощью других указателей и с их помощью с высокой эффективностью выполнять различные выводы.

Рис.9.Межфреймовая сеть подобия

5.Значение по умолчанию. Когда человек рассматривает нечто, то данный процесс можно представить как распределение конкретных значений между терминальными слотами фрейма. При этом предполагаемое значение называется значением по умолчанию. Например, читая предложение "книга упала на пол" мы мысленно устанавливаем атрибуты книги, хотя она может и не обладать ими. Эти значения вызываются ассоциативно на основании личного опыта каждого. Подобные значения по умолчанию слабо связаны со слотами и далее они постепенно заменяются на достоверную информацию. Выводы, получаемые на основании значений по умолчанию, называют выводами по умолчанию. По этим выводам можно продолжить получение вывода и восполнить недостатки заданной информации. Эта функция обычно расширяет возможности системы, в то же время существует опасность получить неправильные выводы на основе ошибочных представлений. Выводы по умолчанию выполняют весьма важную функцию при распознавании образов и речи. Используя значение по умолчанию, можно восстановить смысл контекста, из которого выхвачены отдельные предложения. В качестве примера можно рассмотреть следующий текст:

Саша приглашена на день рождения Юры.

Она полагала, что он любит конфеты.

Она направилась в свою комнату и потрясла копилку.

Копилка не издала никакого звука.

Из этого текста можно восстановить полную картину: день рождения -> подарок -> конфеты -> конфет нет -> купить -> деньги -> копилка -> потрясти -> звука нет -> денег нет -> обратиться к матери -> и т. д.

Таким образом построена цепочка фреймов. Здесь подчеркнутые места являются значениями по умолчанию и устанавливают связь между фреймами.В приведенных предложениях они отсутствуют. Когда используется такой способ вывода, предполагается, что кроме значений по умолчанию, существуют эффективно действующая межфреймовая сеть и демоны.

Выводы во фреймовой системе реализуются обменами сообщений между фреймами. При этом используются три способа управления выводом: с помощью демона; с помощью присоединённых процедур; с помощью механизма наследования. Последний способ является единственным основным механизмом управления вывода, которым оснащаются фреймовые системы. С помощью механизма управления наследованием, базирующимся на отношениях “абстрактное-конкретное”, осуществляется автоматический поиск и определение значений слотов фрейма верхнего уровня и присоединённых процедур. Объединение демона и присоединённой процедуры рационально реализует любой механизм управления выводом.

Отметим, что фреймовые модели знаний являются эффективными для структурного описания сложных баз знаний. Недостатком является отсутствие специфического формализованного аппарата. В связи с этим фремы часто используют как базу данных продукционных систем. Определённые трудности возникают в процессе приобретения знаний, так как для описания знаний используются процедуры.

Контрольные вопросы.

1.В чем состоит сущность теории фреймов?

2.Описать структуру фрейма и привести пример фрейма.

3.Дать определение и привести пример фреймовой системы.

4.Перечислить основные свойства фреймов.

5.Описать вывод во фреймовой системе.

Дата добавления: 2014-01-07