Объектно-ориентированное представление знаний фреймами

Фреймовая модель представления знаний основана на теории фреймов М. Минского, которая представляет собой системати­зированную психологическую модель памяти человека и его со­знания. Эта теория имеет весьма абстрактный характер, поэтому только на ее основе невозможно создание конкретных языков представления знаний.

Фреймом называется структура данных для представления не­которого концептуального объекта.

Фрейм имеет имя, служащее для идентификации описывае­мого им понятия, и содержит ряд описаний - слотов, с помощью которых определяются основные структурные элементы этого понятия. За слотами следуют шпации, в которые помещают дан­ные, представляющие текущие значения слотов. Слот может со­держать не только конкретное значение, но также имя процеду­ры, позволяющей вычислить это значение по заданному алгорит­му. Процедуры, распола­гающиеся в слотах, называются связанными или присоединен­ными процедурами. Вызов связанной процедуры осуществляется при обращении к слоту, в котором она помещена. Заполнителями слота могут быть также правила продукций, используемые для определения конкретного значения. В слоте может содержаться не одно, а несколько значений, т. е. в качестве структурных со­ставляющих фреймов могут использоваться данные сложных ти­пов, а именно: массивы, списки, множества, фреймы и т. д. Значение слота может представлять собой некоторый диапазон или перечень возможных значений, арифметическое выражение, фрагмент текста и т.д.

При пересечении фреймов в резуль­тирующем фрейме будут присутствовать только те слоты, кото­рые имелись во всех исходных фреймах. Вычислить результирую­щие значения можно двумя способами. Первый способ состоит в том, что в результирующем фрейме присутствуют только те зна­чения, которые совпадали в исходных фреймах. Во втором спосо­бе результирующие значения находят путем пересечения значе­ний из исходных фреймов.

Фреймовые системы подразделяются на статические и дина­мические, последние допускают изменение фреймов в процессе решения задачи.

В общем случае структура данных фрейма может содержать более широкий набор информации, в который входят следующие атрибуты.

Имя фрейма.Оно служит для идентификации фрейма в систе­ме и должно быть уникальным. Фрейм представляет собой сово­купность слотов, число которых может быть произвольным.

Имя слота.Оно должно быть уникальным в пределах фрейма. Обычно имя слота представляет собой идентификатор, который наделен определенной семантикой. В качестве имени слота мо­жет выступать произвольный текст. Примеры имен системных слотов: IS-A, HASPART, RELATIONS и т.д. Системные слоты служат для редактирования базы знаний и управления выводом во фреймовой системе.

Указатели наследования.Они показывают, какую информа­цию об атрибутах слотов из фрейма верхнего уровня наследуют слоты с аналогичными именами в данном фрейме. Указатели на­следования характерны для фреймовых систем иерархического типа, основанных на отношениях типа «абстрактное — конкрет­ное». В конкретных системах указатели наследования могут быть организованы различными способами и иметь разные обо­значения:

U (Unique) — значение слота не наследуется;

S (Same) — значение слота наследуется;

R (Range) - значения слота должны находиться в пределах интервала значений, указанных в одноименном слоте родитель­ского фрейма;

О (Override) — при отсутствии значения в текущем слоте оно наследуется из фрейма верхнего уровня, однако в случае опреде­ления значения текущего слота оно может быть уникальным. Этот тип указателя выполняет одновременно функции указате­лей U и S.

Указатель типа данных.Он показывает тип значения слота. Наиболее употребляемые типы: frame — указатель на фрейм; real - вещественное число; integer - целое число; boolean — логичес­кий тип; text — фрагмент текста; list — список; table — таблица; expression - выражение; lisp — связанная процедура и т.д.

Значение слота.Оно должно соответствовать указанному типу данных и условию наследования.

Демоны.Демоном называется процедура, автоматически за­пускаемая при выполнении некоторого условия. Демоны автома­тически запускаются при обращении к соответствующему слоту. Типы демонов связаны с условием запуска процедуры. Демон с условием IF-NEEDED запускается, если в момент обращения к слоту его значение не было установлено. Демон типа IF-ADDED запускается при попытке изменения значения слота. Демон IF-REMOVED запускается при попытке удаления значения слота. Возможны также другие типы демонов. Демон является разно­видностью связанной процедуры.

Рис.1. Пример иерархии фреймов

Присоединенная процедура. Вкачестве значения слота может использоваться процедура, называемая служебной в языке Лисп или методом в языках

объектно-ориентированного программи­рования. Присоединенная процедура запускается по сообщению переданному из другого фрейма. Демоны и присоединенные про­цедуры являются процедурными знаниями, объединенными вместе с декларативными в единую систему. Эти процедурные знания являются средствами управления выводом во фреймовых системах, причем с их помощью можно реализовать любой меха­низм вывода. Представление таких знаний и заполнение ими ин­теллектуальных систем - весьма нелегкое дело, которое требует дополнительных затрат труда и времени разработчиков ИИС. Поэтому проектирование фреймовых систем выполняется, как правило, специалистами, имеющими высокий уровень квалифи­кации в области искусственного интеллекта.

Пример сети фреймов приведен на рис. 1.

В последние годы термин «фреймовый» часто заменяют тер­мином «объектно-ориентированный». Шаблон фрейма можно рассматривать как класс, экземпляр фрейма - как объект. Языки объектно-ориентированного программирования (ООП) предо­ставляют средства создания классов и объектов, а также средства для описания процедур обработки объектов (методы). Языки ООП, не содержащие средств реализации присоединенных про­цедур, не позволяют организовать гибкий механизм логического вывода, поэтому разработанные на них программы либо пред­ставляют собой объектно-ориентированные базы данных, либо требуют интеграции с другими средствами обработки знаний (на­пример, с языком PROLOG).

Существуют также специализированные языки представле­ния знаний на основе фреймовой модели, примерами которых являются: FRL (Frame Representation Language), KRL (Knowledge Representation Language), фреймовая «оболочка» Kappa и др. Из­вестны также экспертные системы фреймового типа- ANALYST TRISTAN, ALTERID, МОДИС.

Модель семантической сети

Общепринятого определения семантической сети не сущест­вует. Обычно под ней подразумевают систему знаний некоторой предметной области, имеющую определенный смысл в виде це­лостного образа сети, узлы которой соответствуют понятиям и объектам, а дуги — отношениям между объектами. При построе­нии семантической сети отсутствуют ограничения на число свя­зей и на сложность сети. Для того чтобы формализация оказалась возможной, семантическую сеть необходимо систематизировать. Семантические сети Куиллиана систематизируют функции отно­шений между понятиями с помощью следующих признаков:

• множество - подмножество (типы отношений «абстрактное
— конкретное», «целое — часть», «род — вид»);

• индексы (свойства, имена прилагательные в языке и т.п.);

• конъюнктивные связи (логическое И);

• дизъюнктивные связи (логическое ИЛИ);
. связи по ИСКЛЮЧАЮЩЕМУ ИЛИ;

• отношения «близости»;

• отношения «сходства — различия»;

• отношения «причина — следствие» и др.

При построении семантической сети отсутствуют ограниче­ния на число элементов и связей. Поэтому систематизация отно­шений между объектами в сети необходима для дальнейшей фор­мализации. Пример семантической сети представлен на рис. 2.

Рис.2. Пример семантической сети, показывающей взаимоотношения птицы и самолета

Для реализации семантических сетей существуют специаль­ные сетевые языки: NET, язык реализации систем SIMER+MIR и др. Широко известны экспертные системы, использую­щие семантические сети в качестве языка представления знаний: PROSPECTOR, CASNET, TORUS.

Систематизация отношений конкретной семантической сети зависит от специфики знаний предметной области и является сложной задачей. Особого внимания заслуживают общезначи­мые отношения, присутствующие во многих предметных облас­тях. Именно на таких отношениях основана концепция семанти­ческой сети. В семантических сетях, так же как при фреймовом представлении знаний, декларативные и процедурные знания не разделены, следовательно, база знаний не отделена от механизма вывода. Процедура логического вывода обычно представляет со­вокупность процедур обработки сети. Семантические сети полу­чили широкое применение в системах распознавания речи и экс­пертных системах.