Статические банки знаний: организация, применение, инструментальные средства создания

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

СТАТИЧЕСКИЕ БАНКИ ЗНАНИЙ: ОРГАНИЗАЦИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ, ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА СОЗДАНИЯ

Миронов А.С.

An organization, realization and application of knowledge-based systems are considered in the article. Such systems are provided question-answering computation by executing of special procedures of knowledge-based inference and can be applied in education.

вопросное вычисление банк знаний

Статические банки знаний (СБЗ) могут быть определены как интеллектуальные информационные системы, реализующие запросно-ответное отношение между языком запросов L_q и языком ответов L_a путем поиска и логической обработки знаний о моделируемых в их базах знаний (БЗ) статических предметных областях (ПО).

Под запросно-ответным отношением (QA-отношением) будем понимать, согласно [1], подмножество декартова произведения языка запросов L_q и языка ответов L_a (т.е. QA L_qL_a), содержащее такие пары (q, a), qL_q , aL_a , что ответ a может быть выдан на запрос q.

Основными компонентами СБЗ являются: интерфейс пользователя, механизм обработки знаний и БЗ. Запросы, поступающие на вход СБЗ, анализируются с целью запуска на выполнение соответствующих специализированных процедур обработки знаний, составляющих МОЗ. В результате выполнения этих процедур над БЗ формируются выдаваемые пользователю ответы.

Важнейшей проблемой, решаемой в процессе создания СБЗ, является проблема разработки формальных средств представления и обработки знаний о моделируемых ПО, т.е. разработки системы представления и обработки знаний (СПОЗ).

Класс ПО, на которые ориентированы СБЗ, может быть условно назван функциональными средами (ФС). Содержанием таких ПО являются знания об объектах и их состояниях, действиях и их выполнении над объектами (событиями), а также о процессах, под которыми понимаются упорядоченные совокупности событий и/или других процессов, которые реализуются в целях решения тех или иных задач (проблем).

Представляются знания в СБЗ путем моделирования в их БЗ понятийных (определяющих знания о понятиях ПО) и проблемных (определяющих знания о решаемых в ПО задачах) компонентов ПО.

Содержанием понятийных компонентов таких ПО, как ФС являются знания об объектах и их состояниях, а также о действиях и их реализациях (выполнении над объектами), называемых событиями. Представляются знания о понятийных компонентах таких ПО с помощью специальных фреймов, предназначенных для описания перечисленных выше сущностей.

Фрейм-прототип, используемый для описания сущностей того или иного типа, определяется совокупностью характеристик и отношений, присущих сущностям этого типа. Набор таких фреймов-прототипов позволяет моделировать понятийные компоненты ПО в виде семантических сетей, определяемых множествами фреймов-экземпляров.

Фрейм-прототип, используемый для описания объектов ПО, определяется совокупностью характеристик объектов и отношений на их множестве. Основными слотами, входящими в данный фрейм, являются: определение, структура, часть, целое, экземпляр, подпонятие, надпонятие.

Фрейм-прототип, используемый для описания состояний объектов ПО, определяется совокупностью характеристик состояний объектов и отношений на их множестве. Основными слотами, входящими в данный фрейм, являются: определение, субъект, локализация, модификация.

Фрейм-прототип, используемый для описания действий ПО, определяется совокупностью характеристик действий и отношений на их множестве. Основными слотами, входящими в данный фрейм, являются: определение, подпонятие, надпонятие.

Фрейм-прототип, используемый для описания событий ПО, определяется совокупностью характеристик событий и отношений на их множестве. Основными слотами, входящими в данный фрейм, являются: определение, действие, объект, субъект, цель, условие, результат, подпонятие, надпонятие, причина, следствие, раньше, позже, одновременно, однотипно, разнотипно, эквивалентно, противоположно.

Целью обработки знаний о понятийных компонентах ПО в СБЗ является формирование ответов на запросы пользователей следующих двух видов:

· запросы, ответы на которые формируются в результате спецификации характеристик сущностей;

· запросы, ответы на которые формируются в результате вычисления отношений на множестве сущностей.

К первому виду запросов относятся запросы о значениях различных характеристик объектов и событий. Формирование ответов на запросы данного вида реализуется с помощью специализированной процедуры спецификации (VAL-процедурой) путем выполнения поиска значений тех или иных слотов во фреймах-экземплярах объектов и событий.

Ко второму виду запросов относятся запросы о сравнении событий, связях между ними, их анализе. Такие запросы предполагают вычисление различных отношений на множестве событий, а также их субъектов. Формирование ответов на такие запросы осуществляется посредством вывода на знаниях, реализуемого путем выполнения продукционных правил вида:

A₁, A₂, …, A_n B₁, B₂, …, B_m.

Здесь A₁, A₂, …, A_n - посылки; B₁, B₂, …, B_m - заключения; “” - символ продукции.

Выводы ответов на запросы о сравнении событий осуществляются специализированной процедурой сравнения (CMP-процедурой) по следующим правилам:

1 Если результат реализации некоторого события Е₁ идентичен результату реализации другого события Е₂, то событие Е₁ эквивалентно событию Е₂.

2 Если цель реализации некоторого события Е₁ симметрична цели реализации другого события Е₂, то событие Е₁ противоположно событию Е₂.

3 Если действия и объекты, определяющие события E₁ и E₂ идентичны, то субъекты этих событий однотипны.

4 Если действия или объекты, определяющие события Е₁ и Е₂ различны, то субъекты этих событий разнотипны.

Выводы ответов на запросы о связях между событиями выполняются специализированной процедурой ассоциирования (ASS-процедурой) по следующим правилам:

1 Если результат реализации некоторого события Е₁ согласуется с условиями реализации другого события Е₂, то событие Е₁ первично и всегда предшествует событию Е₂.

2 Если условия реализации некоторого события Е₁ согласуются с результатом реализации другого события Е₂, то событие Е₁ вторично и всегда следует за событием Е₂.

Выводы ответов на запросы об анализе событий осуществляются специализированной процедурой анализа (ANS-процедурой) по следующим правилам:

1.Если условия реализации некоторого события Е₁ согласуются с результатом реализации другого события Е₂, то событию Е₁ должно предшествовать событие Е₂.

2.Если результат реализации некоторого события Е₁ согласуется с условиями реализации другого события Е₂, то за событием Е₁ может следовать событие Е₂.

Содержанием проблемных компонентов таких ПО, как ФС являются знания о процессах, под которыми понимаются упорядоченные совокупности событий и/или других процессов, которые реализуются в целях решения тех или иных задач (проблем). Представляются знания о проблемных компонентах таких ПО с помощью специального фрейма-сценария.

Фрейм-сценарий, используемый для описания процессов решения задач (или более кратко - фрейм для описания задач (фрейм задач)), определяется совокупностью характеристик задач и отношений на множестве задач. Он включает в себя слот-определение и пронумерованные слоты редукции задачи к подзадачам. Нумерация этих слотов определяет последовательность, в которой подзадачи должны решаться для получения решения редуцируемой задачи.

Использование такого фрейма позволяет описывать планы решения различных задач и моделировать проблемные компоненты ПО в виде древовидных сетей редукции, определяемых конечными множествами экземпляров фреймов-сценариев.

Вершины высшего иерархического уровня таких сетей соответствуют целевым задачам, решаемым в ПО. На более низких иерархических уровнях располагаются вершины, соответствующие подзадачам, которые необходимо решить для получения решений целевых задач, а также вершины соответствующие тривиальным (элементарным) задачам, решения которых известны и сводятся к упорядоченным совокупностям событий.

Для описания планов решения целевых задач тех или иных семейств используются единые системы подзадач, которые совместно с целевыми задачами организуются таким образом, что любая целевая задача P будет решена в том случае, если будут решены соответствующие ей подзадачи P₁, P₂,…, P_n. Таким образом, любая целевая задача семейства, в конечном счете, будет решена в том случае, если она сводима к элементарным подзадачам.

Такой подход, в сочетании с возможностями преобразования планов решения одних подзадач в планы решения других, однотипных, позволяет достаточно эффективно решать вопросы представления и обработки знаний о проблемных компонентах ПО в СБЗ.

Основной целью обработки знаний о проблемных компонентах ПО в СБЗ является (помимо выдачи общей информации о той или иной задаче) формирование ответов на запросы пользователей, требующие синтеза планов действий для решения тех или иных задач (т.е. формирования упорядоченных совокупностей событий, обеспечивающих эти решения). Формирование ответов на запросы данного вида осуществляется посредством вывода на знаниях, реализуемого путем выполнения определяемых с помощью экземпляров фреймов задач редукционных правил вида:

P P₁, P₂,…, P_n.

Здесь P - задача; P₁, P₂,…, P_n - упорядоченная совокупность подзадач, к решению которых сводится решение задачи P; “” - символ редукции.

Синтез плана действий для решения некоторой задачи осуществляется процедурой планирования (SLV-процедурой) путем редуцирования всех необходимых для этого подзадач вплоть до уровня элементарных, которым соответствуют упорядоченные совокупности событий.

Собственно синтезируемые планы представляют собой упорядоченные композиции таких совокупностей.

Выполняемые в ходе редуцирования преобразования планов решения одних подзадач в другие (если это предусматривается) реализуются путем выполнения трансформационных правил вида:

C [C,]C₁, C₂,…, C_k.

Здесь C - элемент плана решения задачи; C₁, C₂,…, C_k - упорядоченная совокупность элементов, которыми дополняется или на которые заменяется элемент C (квадратные скобки указывают на отсутствие элемента в случае замены); “” - символ трансформации.

Для пояснения вышеизложенного рассмотрим пример выполнения синтеза планов действий для решения задач P₁, P₂, P₃, семейство которых может быть описано следующей системой редукционных и продукционных правил:

P₁ P₁₁, P₁₂, P₁₃

P₂ P ₂₁, P₁₂, P₁₃

P₃ P₂₁, P₁₂, P₃₃

P₁₁ E₁, E₂

P₁₂ E₃

P₁₃ E₄, E₅

P₂₁ P₁₁ { E₂ E₂, E₆ }

P₃₃ P₁₃ { E₄ E₄, E₇ }.

Здесь маркер “”, фигурирующий в правых частях двух последних выражений, указывает на необходимость преобразования планов решения задач P₁₁ и P₁₃ путем выполнения трансформационных правил, которые определены в фигурных скобках в правых частях указанных выражений.

Цепочка вывода, выполняемого в целях синтеза плана действий для решения задачи P₁, будет выглядеть следующим образом:

P₁ (P₁₁, P₁₂, P₁₃) (E₁, E₂, P₁₂, P₁₃)

(E₁, E₂, E₃, P₁₃) (E₁, E₂, P₁₃, E₄, E₅)

Цепочка вывода, выполняемого в целях синтеза плана действий для решения задачи P₂, будет выглядеть так:

P₂ (P₂₁, P₁₂, P₁₃) (P₁₁ , P₁₂, P₁₃)

(P₁₁ , E₃, P₁₃) (P₁₁ , E₃, E₄, E₅)

(E₁, E₂, E₆, E₃, E₄, E₅).

И, наконец, цепочка вывода, выполняемого в целях синтеза плана действий для решения задачи P₃, будет выглядеть так:

P₃ (P₂₁, P₁₂, P₃₃) (P₁₁ , P₁₂, P₃₃) 

(P₁₁ , E₃, P₃₃) (P₁₁ , E₃, P₁₃ )

(E₁, E₂, E₆, E₃, P₁₃ ) (E₁, E₂, E₆, E₃, E₄, E₇, E₅).

Элементы в заключительных выражениях цепочек, как можно увидеть, представляют собой упорядоченные совокупности событий, вошедшие в синтезированные планы действий.

Статические банки знаний могут быть использованы в обучении в качестве учебных сред [2]. Организация процесса изучения той или иной ПО с помощью СБЗ базируется на применении подхода [3], сущность которого состоит в том, что вся информация об изучаемой ПО "привязывается" к специально выделенным в ней "базовым" объектам (сущностям, определяющим основное содержание этой ПО). О каждом из таких объектов в БЗ системы организуется необходимая информация, представляемая с помощью соответствующих фреймов-экземпляров.

В процессе изучения ПО пользователь имеет возможность обращаться к системе за этой, а также за логически выводимой из нее информацией. Для этого он формулирует различные запросы относительно базовых объектов ПО, ответы на которые формируются системой в результате выполнения соответствующих процедур механизма обработки знаний.

Инструментальные средства, используемые для создания СБЗ, представляют собой оболочку, основными компонентами которой являются: анализатор, выполняющий анализ поступающих на вход системы запросов и запускающий на выполнение соответствующие процедуры механизма обработки знаний; механизм обработки знаний, представляющий собой комплекс специализированных процедур обработки знаний; интерпретатор, обеспечивающий выдачу сформированных системой ответов в терминах, понятных пользователю; редактор, обеспечивающий формирование и коррекцию БЗ.

ЛИТЕРАТУРА

1.Цаленко М.Ш. Моделирование семантики в базах данных. - М.: Наука, 1989.

2.Петрушин В.А. Интеллектуальные обучающие системы: архитектура и методы реализации (обзор) // Изд. РАН. Техн. кибернетика. 1993. №2.

3.Миронов А.С. Статические банки знаний: организация, реализация и применение. Труды 9-й национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием “КИИ-2004”. М.: Физматлит . 2004. Т.2. С. 609-614.

Размещено на Allbest.ru