Фреймовые модели представления знаний. Конкретизация фрейма, связи между фреймами
Термин фрейм (от англ. frame – рамка, каркас) предложен Марвином Минским, одним из пионеров ИИ, в 70-е годы для обозначения структуры знаний для восприятия пространственных сцен. Эта модель, как и семантическая сеть, имеет глубокое психологическое обоснование.
Фрейм – это абстрактный образ для представления некоего стереотипа восприятия.
Отправным моментом для данной теории служит тот факт, что человек, пытаясь познать новую для себя ситуацию или по-новому взглянуть на уже привычные вещи, выбирает из своей памяти некоторую структуру данных (образ), называемую нами фреймом, с таким расчетом, чтобы путем изменения в ней отдельных деталей сделать ее пригодной для понимания более широкого класса явлений или процессов.
Фрейм является структурой данных для представления стереотипной ситуации. С каждым фреймом ассоциирована информация разных видов. Одна ее часть указывает, каким образом следует использовать данный фрейм, другая - что предположительно может повлечь за собой его выполнение, третья - что следует предпринять, если эти ожидания не подтвердятся.
Фрейм можно представлять себе в виде сети, состоящей из узлов и связей между ними. "Верхние уровни" фрейма четко определены, поскольку образованы такими понятиями, которые всегда справедливы по отношению к предполагаемой ситуации. На более низких уровнях имеется много особых вершин-терминалов или "ячеек", которые должны быть заполнены характерными примерами или данными.
Фреймы:
фреймы-образцы, или прототипы (протофреймы), хранящиеся в базе знаний;
фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных фактических ситуаций на основе поступающих данных.
Во фреймовых моделях фиксируется жесткая структура информационных единиц, которая называется фреймом-прототипом (протофреймом). В общем виде она выглядит следующим образом:
(Имя фрейма:
Имя слота 1 (значение слота 1);
Имя слота 2 (значение слота 2);
...
Имя слота К (значение слота К)
)
При конкретизации фрейма ему и слотам присваивают конкретные имена и происходит заполнение слотов. Из протофреймов получаются фреймы-экземпляры. Экземпляр фрейма - фрейм, в котором определены значения слотов.
Переход от исходного протофрейма к фрейму-экземпляру может быть многошаговым, за счет постепенного уточнения значений слотов.
Значением слота может быть:
числа или математические соотношения;
тексты на естественном языке;
программы;
правила вывода;
ссылки на другие слоты данного фрейма или других фреймов;
набор слотов более низкого уровня – реализация принципа «матрешки».
Если в качестве значения слота выступает имя другого фрейма, то образуются сети фреймов.
Существует несколько способов получения слотом значений во фрейме-экземпляре:
по умолчанию от фрейма-образца (Default-значение);
через наследование свойств от фрейма, указанного в слоте АКО;
по формуле, указанной в слоте;
через присоединенную процедуру;
явно из диалога с пользователем;
из базы данных.
Пример:
Протофрейм (фрейм-прототип):
(Список студентов:
Фамилия (значение слота 1);
Год рождения (значение слота 2);
Специальность (значение слота 3);
Средний балл (значение слота 4)
)
Фрейм-экземпляр:
(Список студентов:
Фамилия (Иванов-Петров-Сидоров)
Год рождения (1980-1981-1982)
Специальность (ОЗИ-САПР-ПО)
Средний балл (4-4-5)
)
Связи между фреймами могут задаваться значениями специального слота с именем «Связь».
Важнейшее свойство теории фреймов – заимствование из теории семантических сетей наследования свойств. И во фреймах и в семантических сетях наследование происходит по AKO-связям (A-Kind-Of = это).
Слот AKO указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда неявно наследуются, то есть переносятся, значения аналогичных слотов.
Пример:
В сети фреймов понятие «ученик» наследует свойства фреймов «ребенок» и «человек», которые находятся на более высоком уровне иерархии.
На
вопрос «любят ли ученики сладкое»
следует ответ «да», так как этим свойством
обладают все дети, что указано во фрейме
«ребенок». Наследование свойств может
быть частичным, так как возраст учеников
не наследуется из фрейма «ребенок»,
поскольку указан явно в своем собственном
фрейме.
Основное преимущество фреймов как модели представления знаний – эта модель отражает концептуальную основу организации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность.
Специальные языки представления фреймов:
FRL (Frame Representation Language),
KRL (Knowledge Representation Language),
фреймовая «оболочка» Карра
широко известны фрейм-ориентированные ЭС ANALYST, МОДИС, TRISTAN, ALTERID и др.