24. Модели представления и обработки знаний: семантические сети и фреймы

Семантические сети

Термин семантическая означает смысловая, а сама семантика — это наука, устанавливающая отношения между символами и объектами, которые они обозначают, т.е. наука, определяющая смысл знаков. Семантическая сеть — это ориентированный граф, вершины которого — понятия, а дуги — отношения между ними. Семантическая сеть описывает знания в виде сетевых структур. Формально сеть можно задать в следующем виде: H = <I, C, G>, где

I – множество информационных единиц; C – множество типов связей между информационными единицами; G – отображение, задающее конкретные отношения из имеющихся типов C между элементами I.

Семантическая сеть как модель наиболее часто используется для представления декларативных знаний.

Как правило, различают экстенсиональные и интенсиональные семантические сети. Экстенсиональная семантическая сеть описывает конкретные отношения данной ситуации. Интенсиональная – имена классов объектов, а не индивидуальные имена объектов. Связи в интенсиональной сети отражают те отношения, которые всегда присущи объектам данного класса.

Например, «программист сел за компьютер и отладил программу». Объектами являются: программист (А1), компьютер (А2), программа (А3). Объекты связаны отношениями: сел за компьютер (р1), отладил (р2), загружена в компьютер программа (р3).

Понятиями обычно выступают абстрактные или конкретные объекты, а отношения. Характерной особенностью семантических сетей является обязательное наличие трех типов отношений: · класс — элемент класса; · свойство — значение; · пример элемента класса.

Самыми распространенными являются следующие типы отношений:

• быть элементом класса, то есть объект входит в состав данного класса (ВАЗ 2106 является автомобилем);

• иметь свойства, то есть задаются свойства объектов (жираф имеет длинную шею);

• иметь значение, то есть задается значение свойств объектов (человек может иметь двух братьев);

• является следствием, то есть отражается причинно-следственная связь (астеническое состояние является следствием перенесенного простудного заболевания).

Проблема поиска решения в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, отражающей поставленный запрос к базе. Преимущества заключаются в простоте и наглядности описания предметной области. Однако последнее свойство с усложнением семантической сети теряется и, кроме того, существенно увеличивается время вывода. Также к недостаткам семантических сетей относят сложность обработка различного рода исключений.

Фреймы

Фрейм (англ. frame — каркас или рамка) предложен М.Минским в 70-е гг. Фреймовая модель представляет собой систематизированную психологическую модель памяти человека и его сознания. Фрейм – структура данных для представления некоторого концептуального объекта. Информация, относящаяся к фрейму, содержится в составляющих его слотах. Слот (англ. slot – щель, прорезь) может быть терминальным (листом иерархии) или представлять собой фрейм нижнего уровня.

Фрейм — это единица представления знаний, детали которой могут изменяться в соответствии с текущей ситуацией. Фрейм - это минимально возможное описание сущности какого-либо явления, события, ситуации, процесса или объекта. Фрейм – это абстрактный образ для представления некоего стереотипа восприятия. Фреймом называется также и формализованная модель для отображения образа. Структуру фрейма можно представить так:

Имя фрейма:

(имя 1-го слота: значение 1-го слота)

(имя 2-го слота: значение 2-го слота)

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

(имя N-го слота: значение N-го слота)

В качестве примера рассмотрим фрейм для понятия «взятие»:

«Взятие»:

(Субъект, X1);

(Объект, Х2);

(Место, ХЗ);

(Время, Х4);

(Условие, Х5).

В этом фрейме указаны имена слотов (субъект, объект и т.д.), но вместо их значений стоят переменные (XI, Х2 и т.д.). Такой фрейм называется фреймом-прототипом, или протофреймом. Протофреймы хранят знания о самом понятии. Например, понятие «взять» связано с наличием слотов с указанными именами. Взятие осуществляет X1 в месте ХЗ во время Х4, если выполнено условие Х5. Берет X1 нечто, обозначенное как Х2. Подставляя вместо всех переменных конкретные значения, получим конкретный факт-описание:

«Взятие»:

(Субъект, Робот);

(Объект, Деталь);

(Место, Приемный бункер);

(Время, Х4);

(Условие, В бункере есть деталь, а у робота ее нет).

Различают фреймы-образцы, или прототипы, хранящиеся в базе знаний, и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных фактических ситуаций на основе поступающих данных. Модель фрейма является достаточно универсальной, поскольку позволяет отобразить все многообразие знаний о мире через:

· фреймы-структуры, использующиеся для обозначения объектов и понятий (заем, залог, вексель);

· фреймы-роли (менеджер, кассир, клиент);

· фреймы-сценарии (банкротство, собрание акционеров, празднование именин);

· фреймы-ситуации (тревога, авария, рабочий режим устройства) и др.

Формально фрейм – это тип данных вида: F = <N, S1, S2, S3>, где

N – имя объекта;

S1 – множество слотов, содержащих факты, определяющие декларативную семантику фрейма;

S2 – множество слотов, обеспечивающих связи с другими фреймами (каузальные, семантические и т. д.);

S3 – множество слотов, обеспечивающих преобразования, определяющие процедурную семантику фрейма.

Важнейшим свойством теории фреймов является заимствованное из теории семантических сетей наследование свойств. И во фреймах, и в семантических сетях наследование происходит по АКО-связям (A-Kind-Of = это). Слот АКО указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда неявно наследуются, т.е. переносятся, значения аналогичных слотов.

Основным преимуществом фреймов как модели представления знаний является способность отражать концептуальную основу организации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность. Специальные языки представления знаний в сетях фреймов FRL (Frame Representation Language)и другие позволяют эффективно строить промышленные ЭС. Широко известны такие фреймо-ориентированные экспертные системы, как ANALYST, МОДИС.