Фреймові моделі та їх використання для подання знань

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Фреймові моделі та їх використання для подання знань



Вступ

Фреймові моделі

Фреймові моделі подання знань

Висновки

Список використаної літератури

штучний інтелект виразна сила знання



ВСТУП

Представлення знань і пошук рішень утворюють ядро штучного інтелекту. Зосередимо свою увагу на фреймових моделях представлення знань. Поняття “знання” трактується окремими авторами по-різному і багато в чому носить дискусійний характер. Модель представлення знань повинна відбивати істотні характеристики задачі, що розв'язується і забезпечувати відповідною інформацією процедури, що виконують пошук рішень. При цьому вона повинна володіти необхідною виразною здатністю, щоб відбивати всі цікавлячі деталі предметної області задачі, а також бути досить ефективною з точки зору пошуку рішень, що розглядають як вивід на знаннях. Виразна сила й обчислювальна ефективність - дві основні характеристики моделей представлення знань. Багато моделей представлення знань, що володіють великими виразними можливостями, не піддаються ефективній реалізації. Тому пошук оптимального співвідношення між виразною силою моделі представлення знань, що використовується і ефективністю її реалізації - основна задача розроблювача СШІ.



Фреймові моделі

Фреймові моделі базуються на теорії фреймів, яка розроблена М.Мінським [4, 5]. Фрейм (від англійського слова frame - рамка, каркас) - це спеціальні інформаційні структури для подання знань про об'єкти, які можна описати деякою сукупністю понять і сутностей. Фрейм має певну внутрішню структуру, яка складається з елементів, які називаються слотами (від англ. slot - щілина). Кожний слот, в свою чергу, подається певною структурою даних, процедурою, або може бути зв'язаний з іншим фреймом.

Фрейми можуть бути зв'язані між собою деякими відношеннями і утворювати семантичну мережу. Основна відмінність від звичайних семантичних мереж полягає в тому, що фрейми можуть містити процедури, які управляють перетворенням інформації як у самому фреймі, так і в інших вузлах мережі. На рис.3 подано приклад схеми класифікаційної ієрархічної структури.



Ця структура базується на відношеннях “абстрактне конкретне”. (Крім такого типу структур існують й інші, які базуються на відношеннях “ціле-частина”). Відношення “абстрактне-конкретне” характерні тим, що на верхніх рівнях, як показано на рис.3, розміщені абстрактні об'єкти (концепти), а на нижніх конкретні об'єкти, причому об'єкти нижніх рівнів успадковують атрибути (властивості) (якщо відповідні описи в них відсутні) об'єктів верхніх рівнів. Ці відношення ще називають відношеннями типу ”є” (IS-A) або “різновид” (KIND-OF) (сом є риба, сом - різновид риб)). Наприклад, атрибут “тварина дихає” є спільним і для риб, і для сома, який знаходиться на найнижчому рівні.

Якби людська пам'ять мала подібну структуру, то можна було б систематизувати і запам'ятовувати подібні поняття, уникати зайвих складнощів стосовно інформації про атрибути і додавати нові поняття чи знання у відповідні позиції в цій ієрархії (навчання). Тоді значно простіше було б виявляти суперечності в знаннях і управляти послідовністю, і якщо можна було б зрозуміти, що це риба навіть без використання конкретних знань (наприклад, що це лин), то значно підвищилася гнучкість системи, наприклад, появилася б можливість одержання висновків на основі знань про риб і тварин.

Відношення “ціле-частина” стосується структурованих об'єктів і показує, що об'єкт нижнього рівня є частиною (PART-OF) об'єкта верхнього рівня. У відношеннях “ціле-частина” атрибути не успадковуються. Наприклад, стіна є стуктурним елементом аудиторії, проте вона не є аудиторією, і тому об'єт “стіна” не успадковує атрибутів “аудиторія”, який є об'єктом верхнього рівня.

У переважній більшості фреймових систем застосовуються відношення “абстрактне-конкретне”. Якщо значення слоту в одному з фреймів такої системи не задається, то воно переноситься (успадковується) з фрейма вищого рівня. Успадкування фреймами значення слотів здійснюється в тому випадку, якщо у фреймі є слот Різновид, в якому міститься ім'я фрейма вищого рівня.

Наведемо приклад фреймової моделі, яка описує поняття “науковий семінар”.

Фрейм: НАУКОВИЙ_СЕМІНАР

Різновид: ЗАХІД

Час:Вівторок_перед_третьою_середою_14.00

Місце:Кафедра_інформатики_НПУ_імені_Драгоманова

Фрейм: НАУКОВИЙ_СЕМІНАР_80

Різновид: НАУКОВИЙ_СЕМІНАР

Дата: 14.11.2000 Доповідачі: [Красюк Ю., Лотюк Ю.].

Тут згадують три фрейми - ЗАХІД, НАУКОВИЙ_СЕМІНАР, НАУКОВИЙ_СЕМІНАР_80. Фрейм ЗАХІД - найзагальніший (найвищого рівня), НАУКОВИЙ_СЕМІНАР - кокретніший, який описує вид ЗАХОДУ, а фрейм НАУКОВИЙ_СЕМІНАР_80 - найконкретніший, він описує конкретний НАУКОВИЙ_СЕМІНАР.

Оскільки фрейм НАУКОВИЙ_СЕМІНАР_ 80 має слот Різновид, в якому є посилання на фрейм НАУКОВИЙ_СЕМІНАР, то значення слотів Час і Місце фрейма НАУКОВИЙ_СЕМІНАР успадковуються фреймом НАУКОВИЙ_СЕМІНАР_80. Слот Різновид мови фреймів аналогічний до дуги ”є” семантичної мережі в тому розумінні, що він подає включення в клас або відношення належності до класу.

Наведену фреймову модель предметної галузі неважко подати також засобами логіки предикатів. Це можна зробити, наприклад, так. Введемо такі предикати і позначення для них: P(x, y) - “х є у” (“х - різновид у”); Q(x, y, z) - “слот у фрейма х має значення z” (х, у - імена фрейма і слота відповідно).

Введемо також позначення для предметних констант.

ЗАХІД - a ; НАУКОВИЙ_СЕМІНАР - b ;

НАУКОВИЙ_СЕМІНАР_80 - c ;

Час - b1 ;

Місце - b2 ;

Дата - c1 ;

Доповідачі - c2 ;

Вівторок_перед_третьою_середою_14.00 - b11 ; Кафедра_інформатики_НПУ_імені_Драгоманова - b21 ; 14.11.2000 - c11 ;

[Красюк Ю., Лотюк Ю.] - c21 .

Модель дає можливість записати такі істинні формули:

На основі концепції успадкування властивостей можна записати формулу x y z u(P(x, y) Q(y,z,u) Q(x,z,u))

{Якщо фрейм х є різновидом у, а слот z фрейма у має значення u, то слот z фрейма х має значення u}.

Сім останніх формул описують предметну галузь, яка була подана фреймовою моделлю.

Щоб мати можливість виводити відповіді на запити методом резолюції, необхідно подати теорію галузі у вигляді рівносильної множини диз'юнктів:

1. P(b,a);

2. P(c,b);

3. Q(b,b1,b11);

4. Q(b,b2,b21);

5. Q(c,c1,c11);

6. Q(c,c2,c21);

7. P(x,y) ¬Q(y,z,u) Q(x,z,u).

У формулй 7) квантори загальності опущено. Для прикладу виведемо відповідь на запит: “Коли відбулося вісімдесяте засідання наукового семінару?” Символічно запит запишеться так: v Q(c,c1,v) w Q(c,b1,w)?

Для відшукання відповіді запишемо заперечення запиту і допишемо його до множини диз'юнктів аксіом теорій.

8. Q(c,c1,v) ¬Q(c,b1,w) Answer(v,w).

Застосовуючи резолюцію до множини диз'юнктів, одержуємо:

9. Q(c,b1,w) Answer(c11,w) (8,5) ={v:=c11};

10. P(c,y) Q(y,b1,w) Answer(c11,w)

11. (9,7) ={x:=c,z:=b1,u:=w};

12. Q(b,b1,w) Answer(c11,w) (10,2) ={y:=b};

13. ? Answer(c11,b11) (11,3) =0{w:=b11}.

Одержана відповідь означає, що дата і час проведення семінара - це значення констант c11 і b11 відповідно. Тобто, засідання семінару повинно відбутися 14.11.2000 (це як раз і буде вівторок перед третьою середою) о 14.00 год. Для одержання потрібної відповіді, звичайно, можна було б задати два запити: один на визначення дати, а інший - часу.

В об'єктно-орієнтованому програмуванні основними складовими одиницями програмами є об'єкти. Кожний об'єкт містить деяку структуру даних (або тип даних) і набір процедур (методів), які призначені для опрацювання цих даних. Об'єкти з однаковим властивостями і поведінкою об'єднуються в класи. Кожен об'єкт входить в один клас і називається екземпляром класу. Кожен клас має одного предка, який називається суперкласом (надкласом). Клас може мати одного або декілька нащадків, які називаються підкласами. Є клас, який не має суперкласу і є коренем дерева ієрархії класів. Кожний клас успадковує змінні екземпляра і методи свого суперкласу. Крім того, він може містити нові змінні екземпляра і методи, може перевизначати успадковані.

Єдиний спосіб виконати обчислення полягає в тому, щоб послати об'єкту повідомлення. Для кожного повідомлення є відповідний метод (тобто процедура), який виконує обчислення, необхідні для відповіді на повідомлення.

На рис.4 показана ієрархія класів програми, яка несе інформацію про види птахів.

Рис.4

Якщо об'єкту “моряк” посилається повідомлення, в якому запитується про спосіб пересування, то воно опрацьовується методом класу ПІНГВІН і видається відповідь “ходить перевалюючись”. Якщо послати таке саме повідомлення об'єкту “щебетун”, то здійснюється звертання до класу СОЛОВ'Ї. Але оскільки в цьому класі відсутній метод для опрацювання повідомлення, то воно пересилається в клас ПТАХИ, який є суперкласом класу СОЛОВ'Ї. Повідомлення опрацьовується методом класу ПТАХИ і видається відповідь “літає”.

Формалізм об'єктно-орієнтованого програмування можна трактувати як уточнення формалізму фреймів. У формалізмі фреймів не розрізняють види відношень клас/підклас і клас/конкретний екземпляр (тобто те саме відношення Різновид може існувати і як відношення між двома класами, і як відношення між класом і конкретним екземпляром). В об'єктноорієнтованому програмуванні ці два види відношень розрізняються. Так, якщо б приклад з науковим семінаром було реалізовано мовою об'єктно-орієнтованого програмування, то НАУКОВИЙ_СЕМІНАР був би класом, а ЗАХІД був би суперкласом НАУКОВОГО_СЕМІНАРУ; НАУКОВИЙ_СЕМІНАР_80 був би конкретним екземпляром НАУКОВОГО_СЕМІНАРУ.

В об'єктно-орієнтованому програмуванні управління виконанням програми здійснюється за допомогою повідомлень між об'єктами, що майже аналогічно механізму управління КЛАС “ПТАХІВ” Метод класу: На питання про спосіб пересування відповісти: “літає” КЛАС ”СОЛОВ' Ї” Метод класу: На питання про пісню відповісти: “складна (до 24 колін) і гарна пісня, яка складається із свисту, тьохкання та рокітливих звуків”. КЛАС “ПІНГВІН” Метод класу: На питання про спосіб пересування відповісти: “ходить перевалюючись” Об'єкт “щебетун” Об'єкт “моряк” суперклас конкетний екземпляр конкетний екземплярвиводом за допомогою передачі повідомлень між фреймами.

Проте на відміну від об'єктно-орієнтованої мови, яка має парадигми для універсального програмування, моделі подання знань фреймового типу мають парадигми для управління поданням знань і виводами, тобто за основними ідеями і конкретною реалізацією вони мають багато відмінностей.

Фреймові моделі подання знань

Теорія фреймів викладається її автором Мінським (1974 г) в наступному вигляді: «Коли людина стикається з новою ситуацією (або істотно змінює точку зору на колишню завдання), він витягує з пам'яті певну структуру, яка називається фреймом. Систему, що зберігається в пам'яті слід при необхідності привести у відповідність з реальністю шляхом зміни її деталей». Іншими словами, фрейм - це структура даних, призначена для представлення знань про стереотипної ситуації, причому деталі фрейму зі зміною поточної ситуації можуть змінюватися [1].

З кожним фреймом асоційоване кілька видів інформації; це, наприклад, інформація про тому:

* як користуватися даними фреймом,

* чого очікувати в наступний момент,

* що робити, якщо очікування не підтвердяться.

В цілому фреймова модель складається з двох частин:

* набору фреймів, що становлять бібліотеку всередині подаються знань,

* механізмів перетворення фреймів, їх зв'язування і т.д.

До складу фрейму входять характеристики описуваної стереотипної ситуації (слоти) і їх значення (наповнювачі слотів).

Загальна організація фрейма може бути представлена в наступному вигляді: ім'я_фрейма:

ім'я_слота1, значення_слота1

ім'я_слота2, значення_слота2

.....................................

ім'я_слотаK, значення_слотаK

аким чином, слоти - це деякі незаповнені підструктури фрейма, заповнення яких призводить до того, що даний фрейм ставиться у відповідність деякій ситуації, явища чи об'єкту.

Незаповнений фрейм (оболонка, зразок, прототип фрейма), в якому відсутні наповнювачі слотів, називається протофрейм. Наявність такої оболонки дозволяє здійснити процедуру внутрішньої інтерпретації, завдяки якій дані в пам'яті системи не безликі, а мають цілком певний, відомий системі сенс (володіють семантикою). Заповнений фрейм (екземпляр, приклад прототипу) називається екзофреймом.

Більш докладно структуру фрейму можна представити наступною схемою: Коментарі:

1. Кожен фрейм повинен мати унікальне ім'я в даній фреймової системі.

2. Фрейм складається з довільної кількості слотів. Деякі з них зазвичай визначаються самою системою для виконання специфічних функцій, а решта - самим користувачем.

Важливою властивістю фреймових систем є те, що вони можуть представляти ієрархічні структури, тобто реалізовувати принцип успадкування. Реалізація механізму успадкування заснована на використанні системних слотів. Так, до числа системних слотів входить слот, вказує на фрейм-батько і слот-покажчик на дочірні фрейми.

3. Покажчик успадкування. Ці покажчики стосуються тільки фреймових систем ієрархічного типу. Вони показують, яку інформацію про атрибути слотів у фреймі верхнього рівня успадковують слоти-нащадки.

Типовими покажчиками успадкування є:

U (Unique) - унікальний. Фрейми-нащадки повинен мати різні унікальні значення цього слоту.

S (Same) - такий же. Значення слота у всіх нащадків має бути рівним значенню відповідного слоту фрейма-прабатька.

R (Range) - інтервал. Значення слота лежить в деяких межах.

O (Override) - ігнорувати. Одночасне виконання функцій покажчиків U і S.

При відсутності значення слота у фрейми-нащадка цим значенням стає значення слота фрейму верхнього рівня (S), але допустимо і вказівку нового значення слота у фреймапотомка (U).

4. Покажчик атрибутів (типів) даних. До можливих типів даних відносяться: a) Літеральние константи - INTEGER, REAL, BOOL, CHAR, ...

b) TEXT, LIST (список), TABLE, EXPRESSION, ...

c) LISP (приєднана процедура),

d) FRAME (фрейм)

Таким чином, значенням слота може бути об'єкт довільного типу і структури (точніше, покажчик на цей об'єкт).

5. Значення слота.

a) Тип значення має збігатися з типом покажчика атрибута даного.

b) Як значення можуть виступати вирази, що містять звернення до функцій, імена таблиць, списків, інших фреймів.

6. Приєднана процедура. Виділяють два типи приєднаних процедур - процедури-слуги і процедури-демони.

Процедури-слуги активізуються тільки при виконанні умов, визначених при створення фрейма.

Процедури-демони активізуються при кожній спробі звернення до слоту. серед різновидів демонів можна відзначити наступні:

* «ЯКЩО-ТРЕБА» - активізується, якщо в момент звернення до слоту його значення не було задано.

* «ЯКЩО-ДОДАНО» - запускається при занесенні в слот значення.

* «ЯКЩО-ВИДАЛЕНО» - запускається при стирання значення слота.

Переваги та недоліки представлення знань описані нижче. Подання знань, засноване на фреймах, дає можливість зберігати родову ієрархію понять в Базі знань в явній формі. Принцип успадкування дозволяє економно витрачати пам'ять, проводити аналіз ситуації при відсутності ряду деталей.Фреймова модель є досить універсальною. Оскільки дозволяє відобразити все різноманіття знань про реальний світ через:

* фрейми-структури, що використовуються для позначення об'єктів і понять (заставу, вексель);

* фрейми-ролі (клієнт, менеджер);

* фрейми-сценарії (банкрутство, збори);

* фрейми-ситуації (аварія, робочий режим пристрою);

За допомогою приєднаних процедур фреймова система дозволяє реалізувати будь-який механізм управління виводу.

Відносно висока складність фреймових систем, що проявляється в зниженні швидкості роботи механізму виведення і в збільшенні трудомісткості внесення змін до родову ієрархію [2].

У фреймових системах утруднена обробка винятків. Найбільш яскраво гідності фреймових систем уявлення знань проявляється в тому випадку, якщо родовидові зв'язку змінюються нечасто і предметна область нараховує трохи винятків. Розрізнені частини інформації, об'єднані у фрейм, не можуть бути збудовані в послідовність висловлювань, інакше кажучи, мови опису знань у фреймовій моделі не є мовами, спорідненими природним, а ближче до образотворчим засобам. Відсутня спеціальний механізм управління виводу, тому він реалізується з допомогою приєднаних процедур.



Висновок

Головна особливість застосування мови представлення знань фреймами - це простота написання програм для вирішення інтелектуальних проблем. Висока універсальність мови дозволяє за допомогою приєднаних процедур ефективно реалізовувати будь-яку програму управління виводу, однак це вимагає певної кваліфікації розробника. Тому мова представлення знань фреймами можна кваліфікувати як мова, орієнтований на фахівців в області штучного інтелекту.

Оскільки більшість систем, орієнтованих на вирішення складних проблем, містять в якості складової продукционную систему, то в ряді випадків допускається використання продукційних правил в якості типу даних фрейму. Тим не менш, дуже серйозною і складним завданням залишається виявлення семантичних протиріч у фреймовій системі.

Застосування фреймів для представлення знань при реалізації інструментальних засобів дозволяє описувати досить широкий клас технологічних об'єктів. Уніфікована структура фреймів і невелике число стандартних правил обробки дозволяють описувати більш складні правила обробки і роблять систему гнучкою в побудові різних об'єктно-орієнтованих структур знань.

Фреймовий спосіб представлення знань задовольняє вимогам, характерним для нових інформаційних технологій, а саме: проблемно-незалежне подання інформації, забезпечення створення і коригування бази знань, даних і фактів на інформаційному рівні, підтримка вибору на якісному і кількісному рівні, можливість опису на інформаційному рівні різних правил вибору, досить простий переклад способу в машинне подання.



ЛІТЕРАТУРА

1. Ланде Д.В., Додонов В.А. Модель розповсюдження інформації з урахуванням поняття сприйняття і пам'яті // Авіаційна та екстремальна психологія у контексті технологічних досягнень: збірник наукових праць / - К. : Аграр Медіа Груп, 2017. - С. 148-153

2. Ларман К.: Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования. -- М.; СПб.; К.: ИД "Вильямс", 2007. -- 728 с.

4. Рамський Ю.С. Математична логіка і інформатика / В зб. наук. праць: Компютерно-орієнтовані системи навчання.- К.: Компютер у школі та сімї.-1998.- с. 32-50.

5. Minsky M. F Framework for Representing Knowledge. In PCV,1975.- pp. 211-277.

6. Минский М. Фреймы для представления знаний: Пер. с англ. М.:Энергия, 1979.-151 с

Размещено на Allbest.ru

...