Введение в фреймы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Введение в фреймы

Одна из наиболее значительных теорий представления знаний, среди появившихся за последние годы, была теория фреймов (frames), привлекшая к себе пристальное внимание специалистов в области искусственного интеллекта. Впервые теория была опубликована в 1974 г.

Центральным моментом является утверждение о том, что любая машинная модель, отражающая сложности реального мира, должна строиться в виде достаточно большой совокупности определенным образом сформированных данных - фреймов, представляющих собой модели стереотипных (часто повторяющиеся) ситуации. Ситуация понимается здесь в обобщенном смысле, т. е. это может быть действие, рассуждение, зрительный образ, повествование и т.д. Фрейм представляет собой не одну конкретную ситуацию, а наиболее характерные, основные моменты ряда близких ситуаций, принадлежащих одному классу. В переводе с английского frame означает скелет, рамка, что лишний раз подчеркивает общность представленных в нем сведений о моделируемом явлении. Графически фрейм можно изобразить в виде сети, состоящей из узлов и связей между ними. Каждый узел представляет собой определенное понятие, которое - и в этом заключается основной смысл теории - может быть, а может и не быть задано в явном виде. В последнем случае оно может быть конкретизировано в результате процесса согласования данного фрейма с некоторой конкретной ситуацией, имеющей место во внешнем мире. Незаданные в явном виде узлы называются терминалами. Они образуют нижние уровни графовой структуры, тогда как на верхних уровнях располагаются понятия, которые всегда справедливы в отношении представляемой данным фреймом ситуации. Таким образом, совокупность заданных в явном виде узлов - понятий образует основу для "понимания" любой конкретной ситуации из определенного для данного фрейма класса ситуаций.

"Понимание" происходит путем конкретизации терминалов и согласования возможных для каждого из них понятий с вполне определенной, существующей во внешнем мире обстановкой. Центральным моментом является использование одних и тех же терминалов различными фреймами, что позволяет координировать информацию, собираемую из разных источников. Группы связанных между собой фреймов объединяются в системы, которые могут отражать действия, причинно-следственные связи, изменения понятийной точки зрения и т. д.

Автор теории М. Минский не проводит границы между теорией человеческого мышления и теорией построения "думающих" машин (искусственного интеллекта). Он полагает, что процессы человеческого мышления базируются на хранящихся в его памяти материализованных, многочисленных запомненных структурах данных - фреймах, с помощью которых человек осознает зрительные образы (фреймы визуальных образов), понимает слова (семантические фреймы), рассуждения, действия (фреймы-сценарии), повествования и т.д. Процесс понимания при этом сопровождается активизацией в памяти соответствующего фрейма и согласованием его терминальных вершин с текущей ситуацией. В случае неудачи из памяти с помощью сети поиска информации, объединяющей системы фреймов, "выбирается" другой фрейм, терминалы которого, возможно, окажутся между собой в более подходящих отношениях применительно к той же рассматриваемой ситуации.

Процесс последовательной замены одного фрейма другим особенно наглядно проявляется в таких областях человеческого мышления, как понимание естественного языка, рассуждение, вывод по аналогии и др. Это следует из наших интуитивных представлений о процессе мышления, который начинается с наводящих на мысль, но несовершенных образов, прогрессивно заменяемых лучшими, но всё еще несовершенными идеями.

Представление знаний о мире с помощью систем фреймов оказывается весьма плодотворным во многих областях исследований по искусственному интеллекту, начиная от понимания естественного языка и кончая проблемами машинного восприятия слуховых и зрительных образов.

Вместе с тем следует отметить, что данный подход к решению проблемы представления знаний не лишен недостатков. В частности, человек способен понять не только известные, но и новые ситуации, к чему фреймы пока еще не приспособлены.

Характерные особенности фрейм-подхода к проблеме представления знаний

В соответствии с этим подходом знания о мире - машинная модель реального мира - должны быть представлены в памяти ЭВМ в виде достаточно большой совокупности определенным образом структурированных данных, представляющих собой стереотипные ситуации. Эти структуры запомненных данных получили название "фреймы". В случае возникновения конкретной ситуации, например, необходимости совершить роботом, управляемым ЭВМ, определённое действие, воспринять с помощью сенсоров, связанных с ЭВМ, какой-то зрительный образ и т.д., из памяти ЭВМ должен быть выбран фрейм, соответствующий данному классу ситуаций и согласован с рассматриваемой конкретной ситуацией из этого класса путем изменения подробностей, т.е. путем конкретизации данных из набора, которые могут удовлетворить выбранный фрейм.

Так как фрейм можно представить себе в виде сети, состоящей из узлов и связей между ними, то каждый узел должен быть заполнен своим "заданием", представляющим собой те или иные характерные черты ситуации, которой он соответствует. В общем случае во фрейме можно выделить несколько уровней, иерархически связанных друг с другом. Узлы фрейма, принадлежащие к верхним уровням, представляют собой более общие вещи, которые всегда справедливы в отношении предполагаемой ситуации. Эти узлы уже заполнены своими заданиями. Например, узел самого верхнего уровня фрейма обычно заполнен названием ситуации, то есть названием зрительного образа (это может быть, например, "куб"), названием действия (например, "уборка комнаты"). Узлы нижних уровней по большей части не заполнены своими заданиями. Такие незаполненные узлы называют терминалами. Они должны быть заполнены конкретными данными, представляющими собой их возможные задания в процессе приспособления фрейма к конкретной ситуации, из того класса ситуаций, который представляет данный фрейм. Каждый терминал может ставить условия, которым должны отвечать его задания. Простые условия устанавливаются "маркерами", которые могут потребовать, например, чтобы заданием терминала было какое-то лицо, какой-то предмет достаточной величины, какое-то элементарное действие или "указатель" на какой-то другой фрейм, представляющий собой другую, обычно более частную ситуацию и называемый субфреймом. Более сложные условия могут устанавливать связи между заданиями для нескольких терминалов.

Группа фреймов может объединяться в систему фреймов. Результаты характерных действий отражаются с помощью трансформаций между фреймами системы. Они используются, чтобы ускорить вычисления определенных видов при представлении типичных изменений одной и той же ситуации.

В случае зрительного образа различные фреймы системы описывают картину с различных точек наблюдения, а трансформация одного фрейма в другой отражают результаты перемещения из одного места в другое. Для фреймов невизуальных видов различия между фреймами системы могут отражать действия, причинно-следственные связи и изменения понятийной точки зрения. Различные фреймы системы используют одни и те же терминалы. Это важное обстоятельство, благодаря которому, в частности, экономится объем памяти ЭВМ, используемой для построения модели реального мира. Характерной чертой описываемого подхода является возможность использования различных видов прогнозов, ожиданий, предположений. В соответствии с этим терминалы фрейма, выбираемого для представления ситуации, обычно уже заполнены заданиями, которые наиболее вероятны в данной ситуации. Эти задания называются "заданиями отсутствия".

Таким образом, фрейм может содержать большое число деталей, которые могут и не подтвердиться данной ситуацией. Задания отсутствия "непрочно" связаны со своими терминалами, поэтому они могут быть легко "вытеснены" другими заданиями, которые лучше подходят к текущей ситуации.

После того как выбран фрейм для представления ситуации, процесс согласования фрейма с данной конкретной ситуацией состоят в нахождении таких заданий для терминалов фрейма, которые совместимы с маркерами терминалов. Процесс согласования частично контролируется информацией, связанной с фреймом (в которую входит и информация относительно того, как действовать в случае появления необычных ситуаций, "сюрпризов"), а частично знанием текущих целей.

Если выбранный фрейм не удается согласовать с реальностью, т. е. если невозможно найти задания для терминалов, которые соответствующим образом согласуются с условиями маркера, то происходит обращение к так называемой сети поиска информации, с помощью которой соединяются между собой системы фреймов. Эта сеть позволяет найти другие способы представления знаний о фактах, аналогиях и другой информации, которую можно использовать для согласования с реальностью.

Теория представления знаний с помощью фреймов, претендует на объяснение ряда характерных особенностей человеческого мышления. Она позволяет охватить единой концепцией такие, казалось бы, разные теории, как понимание естественного языка, машинного "восприятия" зрительных образов, поиска решений, планирования, в том числе применительно к задачам управления роботами. Она объединяет многие классические и современные идеи психологии, лингвистики, а также искусственного интеллекта.

Согласно теории фреймов процесс мышления человека основан на наличии в его памяти каким-то образом материализованного огромного набора разнообразных фреймов, с помощью которых человек осознает зрительные образы (фреймы визуальных образов), понимает слова (семантические фреймы), рассуждения, действия (фреймы-сценарии), повествования (фреймы-рассказы) и т.д. Процесс понимания при этом сопровождается выбором из памяти соответствующего фрейма, у которого терминалы уже заполнены заданиями отсутствия, и приспособлением его к текущей ситуации. Если это не удается, то из памяти выбирается новый более подходящий к ситуации фрейм. В случае, когда и этот фрейм не достаточно хорошо согласуется с ситуацией и поиски нового не приводят к удаче, происходит приспособление наиболее отвечающего ситуации фрейма, который был обнаружен в процессе поиска.

Фрейм - визуальный образ

В качестве простейшего примера, иллюстрирующего представление знаний с помощью фреймов, рассмотрим возможную систему фреймов для элементарного зрительного образа - куба. В соответствии с символическим представлением тел правильной формы с помощью "областей" и "связей" между ними можно допустить, что результатом разглядывания куба является структура, подобная показанной на рис. 1а. Эту структуру можно идентифицировать с фреймом куба при разглядывании его с соответствующей позиции. Области A, E и B являются терминалами фрейма, задания для которых соответствуют возможным деталям или обозначениям на видимых с данной позиции гранях куба. Если позиция наблюдения куба перемещается вправо, то грань A исчезает из поля зрения и становится видимой грань С.

Если бы потребовалось провести полный анализ этого нового визуального образа, необходимо было бы:

1) утратить знания о грани A,

2) повторно воспринять (с помощью соответствующих "вычислений") образ грани В,

3) воспринять образ новой грани С.

Однако, поскольку известно, что произошло перемещение позиции наблюдения вправо, можно сохранить знания о грани B в виде задания терминалу левой грани нового фрейма куба, соответствующего новой позиции наблюдения. Кроме того, чтобы сохранить знания и о грани A, можно ввести дополнительный терминал невидимой грани, относящийся к этому новому фрейму, как это показано на рис. 1б.

При возвращении на начальную позицию наблюдения оказывается возможным восстановить визуальный образ куба без каких-либо новых "вычислений". Для этого достаточно "вызвать" из памяти первый фрейм. Очевидно, полезно сохранить знания и о грани C, для чего можно ввести дополнительный терминал этой невидимой грани в первом фрейме (рис. 1б).

Можно продолжить эту процедуру построения системы фреймов, соответствующую перемещению точки наблюдения вокруг куба. Это привело бы к получению более широкой системы фреймов, в которой каждый фрейм соответствует своей позиции наблюдения куба. На рис.1в показана система фреймов, состоящая из трех фреймов, каждый из которых представляет визуальный образ, получающийся в одной из трех позиций наблюдения. Две из этих позиций соответствуют перемещению вправо и влево на 45° относительно третьей позиции; указатели между фреймами соответствуют перемещениям точки наблюдения. Важно обратить внимание на выявленное в этом примере важное свойство представления ситуации с помощью системы фреймов. Оно состоит в том, что различные фреймы, входящие в систему, используют один и тот же терминал, соответствующий одной и той же физической черте, которая видна из различных позиций наблюдения. Это позволяет заранее сосредоточить в одном месте информацию о свойствах известных объектов независимо от позиций наблюдения, которых, особенно для предметов сложной формы, может быть очень много. В результате экономится память и сокращается процесс восприятия при изменении позиций наблюдения, так как память уже располагает необходимой информацией и время затрачивается лишь на "извлечение" ее из памяти.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1

Сами же системы фреймов, по-видимому, сформированы в памяти не для визуальных образов каждого возможного предмета, а для обычно используемых "основных форм", которые, вступая в различные комбинации, образуют системы фреймов для новых случаев. Это создает дополнительные возможности экономии памяти. Так же, как и в случае отдельных заранее сформированных терминалов, принадлежащих фрейму, наличие в памяти заранее заготовленного набора систем фреймов ускоряет процесс восприятия, так как новый образ не приходится строить заново, а только извлекать его из памяти и "приспосабливать" к действительности.

Фрейм-сценарий

Отмеченные свойства, позволяющие экономить память и время восприятия, очевидно, могут проявляться и при представлении невизуальных знаний о мире. Действительно, системы невизуальных фреймов, например описываемых ниже фреймов-сценариев, можно представить как одно из возможных пониманий предмета обсуждения; например, электрогенератор можно представить как механическую и как электрическую системы.

Любые знания о мире можно представить себе в виде некоторых общих универсальных фрагментов, которым соответствуют свои системы фреймов и из которых можно формировать новые системы фреймов, соответствующие некоторым новым представлениям.

Представление знаний о мире с помощью фреймов оказывается весьма плодотворным при объяснении механизмов понимания человеком естественного языка, рассуждении, повествований, наблюдаемых действий другого лица и т. д.

Фрейм-сценарий по версии Минского представляет собой типовую структуру для некоторого действия, понятия события и т. п., включающую характерные элементы этого действия понятия, события. Например, фрейм-сценарий для события, состоящего в праздновании дня рождения ребенка, включает следующие элементы, которые можно трактовать как узлы фрейма, заполненные заданиями отсутствия:

Одежда: самая лучшая;

Подарок: должен понравиться.

Для объяснения быстрого понимания человеком ситуации, представляемой сценарием, предлагается отождествлять терминалы фрейма-сценария с наиболее характерными вопросами, обычно связанными с этой ситуаций. Ответы на эти вопросы полезно получить для понимания данной ситуации. По существу фрейм-сценарий в этом случае является собранием вопросов, которые необходимо задать относительно некоторой гипотетической ситуации, и способов ответа на них.

Для фрейма-сценария - дня рождения ребенка в число таких вопросов войдут следующие:

Что должны надеть гости?

Выбран ли подарок для ребенка?

Понравится ли ему подарок?

Где купить подарок?

Где достать денег? и т. д.

Для того чтобы понять действие, о котором рассказывается или которое наблюдается, человек часто вынужден задать такие вопросы:

"Кто осуществляет действие (агент)?"

"Какова цель действия (намерение)?"

"Каковы последствия (эффект)?"

"На кого это действие влияет (получатель)?"

"Каким образом оно произведено (инструмент)?".

Относительно понимания вещей, отличающихся от действий, задают несколько иные вопросы, и эти вопросы могут быть значительно меньше локализованы, чем в случае понимания действий, например: "Почему они говорят это мне?", "Каким образом я могу выяснить больше об X?", "Каким образом это поможет в решении проблемы?" и т.д. По рассказу спрашивают, какова тема, каково отношение автора, какое главное событие, кто является главным героем и т. д. По мере того, как на каждый вопрос дается предварительный ответ, из памяти могут вызываться новые фреймы, соответствующие ситуациям, которые возникают в результате ответов на вопросы. Вопросы - терминалы этих новых фреймов становятся в свою очередь активными.

Следует отметить, что число вопросов, связанных с фреймом неопределенно, и на первый взгляд кажется, что для понимания ситуации их может быть очень много. Однако на практике оказывается достаточным задать весьма мало вопросов, чтобы разобраться в ситуации.

Разные люди могут задавать разное число вопросов относительно одной и той же ситуации. Число и характер этих вопросов в большой степени зависят от базы знаний относительно обсуждаемого объекта у того или иного индивидуума. Может оказаться, что полное понимание не будет достигнуто из-за отсутствия у человека необходимой системы фреймов, объединяющих знания об обсуждаемом предмете.

Однако, когда необходимая база знаний существует, а относительно обыденных понятий, действий, рассуждений она есть у любого человека, то для понимания ситуации обычно достаточно не очень большое количество вопросов. Это весьма принципиальное обстоятельство, благодаря которому на интуитивном уровне мы приходим к весьма обнадеживающему для практики положению, состоящему в том, что большое количество реальных ситуаций, возникающих при понимании языка, рассуждении, действий можно понять, получив ответы на ограниченный круг вопросов. Это косвенно подтверждает возможность построения относительно простых моделей мира в данном случае с помощью фреймов, достаточных для принятия решений в этих ситуациях.

В случае фреймов-сценариев маркеры терминалов фрейма становятся более сложными, чем это было в случае фреймов визуальных образов, и определяют рекомендации относительно того, каким образом надо отвечать на вопросы, т.е., заполнять терминал заданием. Каждый терминал должен содержать рекомендации относительно того, каким образом найти его задание - ответ на вопрос. Задания отсутствия или перечень возможных ответов на вопросы являются самыми простыми особыми случаями таких рекомендаций.

Полное и всестороннее представление каждой ситуации типа событие, действие, рассуждение и т.п. подобно представлению визуального образа и осуществляется с помощью не одного, а системы фреймов. Каждый фрейм, системы соответствует одной из возможных точек зрения на ситуацию, представляемую системой фреймов, подобно тому, как один из визуальных фреймов системы представляет визуальный образ из некоторой одной точки наблюдения. Различные фреймы системы представляют различные пути использования одной и той же информации, находящейся на общих терминалах. Как и в "визуальной ситуации", человек, понимая или передавая мысль, "выбирает" один из фреймов. Этот выбор "по существу" состоит в выборе вопросов, которые, нужно задать относительно рассматриваемой ситуации.

В интерпретации Р. Шенка сценарий представляет собой последовательность действий, которые описывают часто встречающиеся ситуации. В этой последовательности действий используется принцип каузальной связи, т. е. результатом каждого действия являются условия, при которых может произойти следующее действие.

Каждый сценарий имеет исполнителей ролей. Он имеет различные интерпретации, отражающие точки зрения различных исполнителей. Таким образом, его можно рассматривать как систему фреймов.

Количество сценариев, отражающих возможные ситуации, встречающиеся в реальной жизни, огромно. Сюда относится и упомянутый выше день рождения ребенка и игра в футбол, занятия в школе и т. д. Ниже приводится сценарий посещения ресторана с точки зрения посетителя.

Сценарий: ресторан

Роли: посетитель, официантка, шеф, кассир

Цель: получить пищу, чтобы утолить голод

Сцена I. Вход.

Войти в ресторан

Глаза направить туда, где есть пустые столы.

Выбрать, где сесть.

Направиться к столу.

Сесть.

Сцена II. Заказ.

Получить меню.

Прочитать меню.

Решить, что хочешь заказать.

Сделать заказ официантке.

Сцена III. Еда.

Получить пищу.

Съесть пищу.

Сцена IV. Уход.

Попросить счет.

Получить чек.

Дождаться официантки.

Заплатить деньги.

Выйти из ресторана.

В каждом сценарии средства выполнения действий могут варьироваться по обстоятельствам. Например, в сцене II заказ можно сделать письменно, устно и даже жестами. В сцене IV выплата денег может быть осуществлена кассиру, официанту или словами "Включите в мой счет".

Возможно также, что обычная последовательность действий может нарушаться. Имеется по крайней мере три характерных случая такого нарушения. Первый - это отклонение, которое представляет собой прерывание последовательности действий сценария другим сценарием. Другие два случая называются препятствием и ошибкой. Препятствие имеет место тогда, когда кто-то или что-то мешает обычному действию или отсутствует какое-то условие, необходимое для выполнения действия. Ошибка появляется тогда, когда действие завершается не так, как требуется. В принципе после каждого элементарного действия сценария могут возникнуть препятствия и ошибки, поэтому в сценарий вводятся различные наборы вопросов типа "а что если...", ответ на которые необходимо получать после каждого элементарного действия. При положительном ответе на один из них в сценарии предусматриваются новые действия, устраняющие препятствия и ошибки. Например, в сцене II сценария "ресторан", если официантка не замечает посетителя, он попытается встретиться с ней взглядом или окликнуть её.

Таким образом, сценарий - не просто цепь событий, а скорее связанная каузальная цепочка действий. Он может разветвляться на множество возможных путей, которые сходятся в особо характерных для сценария точках - элементарных действиях. Для сценария в ресторане такими действиями являются "прием пищи" и "уплата денег".

Для того чтобы знать, когда пользоваться сценарием, нужны заголовки. Эти заголовки определяют обстоятельства, при которых обращаются к данному сценарию.

Из приведенного описания сценариев нетрудно установить аналогию между пониманием сценария по М. Минскому и по Р. Шенку. Действительно, как в том, так и в другом случае сценарии описывают стереотипные, обычно встречающиеся ситуации. Правда, в случае Р. Шенка сценариями охватывается несколько более узкий класс ситуаций, описываемый последовательностями действий. Как в том, так" и в другом случае со сценарием связан определенный круг вопросов. Однако в случае Р. Шенка имеет место более конкретный и узкий круг вопросов типа "а что если ...", а также вопросы, ответы на которые определяют выбор средств, определяющих действия сценария.

Поскольку в соответствии с высказанным ранее положением процесс понимания человеком реальной ситуации есть выбор из памяти и приспособление к этой ситуации соответствующего фрейма, возникает вопрос о возможном механизме этого акта.

знание фрейм графовый

Размещено на Allbest.ru