Методическое пособие 391

3.По П1 ищем подтверждение «дорога (A,D)» и «дорога (D, A)». Анализируя содержимое рабочей памяти, приходим к выводу, что цель «прямая дорога (A,D)» не подтверждается.

4.Возвращаемся к П3 и выбираем новую цель: «транзитная дорога (A,D)».

5.По П2 эта цель подтверждается, т.к. в рабочей памяти есть факты Ф1 и Ф3. Ответом системы является: «Есть дорога

(A,D) - ABD».

Т.о., алгоритмически поиск решения представляет собой примитивный поиск подстроки в строке в цикле до первого решения, либо в бесконечном цикле, либо до первого повторения полученного решения. Для экономии времени и ресурсов ЭАМ ажно оптимально управлять этим поиском. Графическое представление пространства состояний значительно упрощает эту задачу (рис. 5).

Очевидно, возможны два решения: «А-В-Д» и «А-В-С-

Д».

A

B

C D

D

Рис. 3. Графическое представление пространства состояний

Вершину «А» называют «корнем дерева», «целевой вершиной» или «глобальной целью».

Вершины «В» и»С» - вычисляемыми (раскрываемыми, промежуточными) вершинами.

Вершину «Д» - терминальной, т.е. завершающей.

21

Здесь рассматривается только дерево-граф, т.е. связный граф без циклов (каждая вершина имеет только одну родительскую вершину, кроме вершины-корня без родителей).

Ребра, соединяющие вершины, имеют смысл присоединенных процедур, которые необходимо выполнить, чтобы совершить переход в следующее состояние (вершину). Процесс применения присоединенных процедур называют порождением вершин или перебором вариантов. При порождении новой вершины обязательно запоминается указатель на старую. В конце перебора совокупность этих указателей образует путь решения задачи.

Взависимости от того, раскрывают ли каждую возможную веточку дерева целей сразу до терминальных фактов, либо только на некоторую заданную глубину, различают две основные стратегии слепого перебора: «в ширину» и «в глубину».

Вметоде полного перебора в ширину вершины раскрываются в том порядке, в котором они строятся. Алгоритм следующий:

1. Начальная вершина раскрывается до тех пор, пока ее можно раскрыть. При этом образуются вершины первого уровня, которые в свою очередь раскрываются, образуя вершины второго уровня и т.д.

2. Расставляются указатели, ведущие от новых вершин к корню.

3. Проверяется, нет ли среди полученных вершин целевой. Если нет, то рассматривается первая порожденная вершина и к ней применяется тот же алгоритм и т.д.. пока среди полученных вершин не окажется целевой.

При переборе в глубину раскрываются те вершины, которые были построены последними. Процесс идет по самой левой ветви вершин. Чтобы ограничить перебор, вводится понятие глубины вершины в дереве перебора. Глубина корня дерева равна нулю, глубина любой последующей вершины

равна единице плюс глубина вершины, её

22

предшествующей.Если призаданной глубине раскрытия целевой вершины не получилось, необходимо вернуться в вершину, предшествующую раскрытой и еще раз применить к ней операцию раскрытия. И так до тех пор, пока не будет получена целевая вершина.

Методы полного перебора гарантируют решение задачи, если оно существует, а при наличии нескольких решений гарантирует оптимальное. Однако на практике эти методы используются для решения лишь небольших по размерности графа состояний задач. Для реальных случаев чаще всего используется дополнительная информация, основанная на предыдущем опыте или полученная на основании теоретических выводов, которая называется эвристической. Эта информация, организованная в правила, называется эвристиками и делает перебор упорядоченным. Эвристические алгоритмы применяются не для поиска оптимального решения, а для первого решения, удовлетворяющего некоторому критерию при заданных ограничениях.

Рассмотрим механизм управления выводом в продукционной системе. При выполнении условия применимости ядер продукции для группы продукций (так называемый фронт готовых продукций) возникает проблема выбора той продукции, которая в данный момент будет активизирована. Возможны два пути её решения: централизованный и децентрализованный. При централизованном управлении выполнением продукций решение об актуализации принимается специальной системой управления, а при децентрализованном определяется складывающейся в этот момент ситуацией. Если порядок выполнения продукций произволен, то решение определяется текущей ситуацией или системой управления; если порядок важен, то в продукциях должна содержаться информация о требованиях к этому порядку. Если в постусловиях продукций указывается имя продукции, которая должна выполняться после данной, то система продукций реализует некоторый алгоритм. Рассмотрим

23

несколько известных стратегий управления выполнением продукций:

-принцип «стопки книг». Основан на идее, что наиболее часто используемая продукция является наиболее полезной. Порядок выполнения определяется накопленной частотой использования продукций в прошлом;

-принцип наиболее длинного условия. В фронте готовых продукций выбираются та, у которой стало истинным наиболее длинное условие. Идея: частные правила, относящиеся к узкому классу ситуаций, важнее общих правил, относящихся к широкому классу ситуаций, т.к. первые учитывают больше информации о ситуации, чем вторые;

-принцип метапродукций. Основан на идее ввода в

систему продукций специальных метапродукций, задачей которых является организация управления в системе продукций при возможности неоднозначного выбора у фронта готовых продукций;

-принцип «классной доски». Основан на идее спусковых функций. При его реализации в ИС выделяется рабочее поле памяти – аналог классной доски, на которой мелом пишут объявления и стирают их при необходимости. На этой доске параллельно выполняющиеся процессы находят информацию, инициирующую их запуск, и на неё выносят информацию о своей работе, которая может оказаться полезной для других процессов;

-принцип приоритетного выбора. Связан с введением статических или динамических приоритетов на продукции. Статические приоритеты оцениваются экспертом. Динамические вырабатываются в процессе функционирования системы продукций;

-управление по именам. Основано на задании для имен продукций, входящих в некоторую систему, формальной грамматики или других процедур, обеспечивающих сужение фронта готовых продукций и выбор из него очередной функции для выполнения.

24

Популярность продукционных моделей представления знаний определяется их общепризнанными достоинствами, главными из которых являются:

-возможность достаточно эффективно представлять почти все виды человеческих знаний;

-простота создания, понятность описания и объяснимость результатов применения продукций;

-продукции по своей топологии обладают свойством модульности и удаление из БЗ или добавление в нее новых правил не приводит к изменениям в других продукциях;

-наличие в правилах ссылок на сферу применения позволяет эффективно организовать память и повысить оперативность поиска;

-объединение системы продукций с семантической сетью повышает описательные и вычислительные возможности ИИС;

-простота организации параллельных вычислений, в которых все правила, входящие в арсенал готовых продукций, могут выполняться независимо и одновременно;

-любые модификации в системе продукций осуществляются достаточно просто и обладают свойством аддитивности и локальности;

-возможность однородного представления знаний стандартными форматами позволяет проводить необходимые изменения в случае обнаружения ошибок.

К недостаткам продукционных моделей можно отнести:

-невозможность исчерпывающе точного отображения взаимосвязи правил, что приводит к трудностям при проверке непротиворечивости в системе продукций и усложняет процедуру пополнения базы правил;

-сложность обеспечения целостности системы знаний, представляемой продукциями;

-применение только одного формата записи продукций приводит к громоздким, трудночитаемым выражениям в левой

25

части (антецеденте) правила и усложняет его написание и проверку.

Считается, что именно эти недостатки продукционных моделей ограничивают число продукций, применяемых в современных интеллектуальных системах. Таким образом, если объектом является небольшая задача, выявляются только сильные стороны системы продукций. В случаях увеличения объема знаний, при решении сложных задач необходима группировка правил для сокращения выбора.

2.2. Фреймовая модель представления знаний

В основе фреймовых моделей ПЗ лежит восприятие фактов через сопоставление полученной информации с конкретными элементами знаний и ограничениями, определенными для каждого конкретного объекта. Структурой, описывающей эти ограничения, и является фрейм. Главное назначение фрейма – быть формой представления концептуальных знаний. Иначе говоря, фрейм – это абстрактный образ для представления, восприятия некоторого стереотипа. Создание фреймовой модели ПЗ подразумевает предварительную классификацию сущностей ПО с определением иерархии всех классификационных категорий (концептов). В описаниях концептов указываются только такие их свойства, которые являются общими для всех реальных объектов данной ПО и характерны для рассматриваемой пространственно-временной ситуации. Такое описание называется концептуальной моделью ПО и составляет содержание концептуальной компоненты БЗ ИИС. Ситуационная компонента БЗ содержит факты (уже известные знания) о свойствах реальных объектов ПО и разного вида бинарных отношениях между ними, соответствующие их состоянию в реальном пространственно-временном измерении.

Фреймом называется структура знаний о свойствах сущности ПО (концептуального или реального объекта) и ее

26

отношениях к другим такой же категории сущностям рассматриваемой ПО. При создании фреймовой модели ПЗ применяются два типа фреймов: классификационные фреймы (КФ) и фреймы смысловых связок (ФСС).

Любой фрейм имеет имя, позволяющее однозначно идентифицировать описываемое им понятие (концепт) в пределах БЗ конкретной ИИС, и содержит описания (имена и текущие значения характеристик) его основных структурных элементов (неделимых частей). Каждое такое описание называется слотом. Имя слота в пределах одного фрейма должно быть уникальным. Слоты могут быть частными (свойственными одному фрейму) и системными, общими для БЗ конкретной ИИС. Имена системных слотов должны быть уникальными в пределах одной БЗ. Системные слоты предназначаются для выполнения системных процедур редактирования БЗ и управления выводом. Физически (на машинном носителе) слот состоит из нескольких информационных полей (полей данных), в которых помещаются имена и текущие значения структурных элементов понятия, представленного фреймом. Слоты КФ содержат имена характеристик (признаков) объекта и их значений, а слоты ФСС – названия типов бинарных связей данного объекта (концепта) с другими объектами ПО и количественные или качественные меры выражения этих связей. Совокупность КФ и ФСС служит основой для построения фрейм-фраз, образующих семантическую модель предметной области. В основе фреймовой модели представления знаний лежит восприятие фактов посредством сопоставления любой информации о новом объекте с конкретными элементами концептуальных знаний (то есть, знаний о свойствах концепта, который по совокупности признаков может быть взят в качестве прототипа). Слот может содержать не только конкретные значения характеристик, выраженные числами или качественными категориями. Вместо этого в нем может быть указана процедура вычисления

27

значения этой характеристики на основе значений других слотов данного фрейма или ссылка на определенные слоты других фреймов, или ссылка на другой фрейм. Иначе говоря, значением слота может быть любая информация, которая может понадобиться как для описания концептов и реальных объектов, так и для определения (заимствования или вычисления) значений их характеристик. Если в качестве значения слота одного фрейма указано имя другого фрейма, то образуется сеть фреймов, а роль такого слота в модели представления знаний – отобразить отношение между фреймами. Возможность наследования одними объектами свойств других объектов является одной из главных особенностей фреймовой модели ПЗ. Эта возможность крайне важна в ситуациях, когда для представления новых состояний объекта используются базовые фреймы. Средства наследования свойств позволяют в различных фреймах использовать одинаковые фрагменты базовых фреймов. Для реализации процедуры наследования применяются специальные ссылки – указатели наследования. Эти указатели присутствуют в структуре фрейма лишь тогда, когда в модели ПЗ предполагается использовать отношение «абстракция – конкретность» в определении объекта. Так как между различными концептами существуют некоторые аналогии или ассоциативные связи, то образуется иерархическая структура с классификационными обобщающими свойствами. Эта структура отображает отношения типа «часть – целое». В отношениях этого типа наследование атрибутов (свойств) объектов запрещено. Указатели наследования показывают, какую информацию, составляющую содержание слота-донора (он, как правило, принадлежит фрейму более высокого уровня иерархии или базовому фрейму), наследует одноименный с ним слот данного фрейма. В конкретных системах указатели наследования именуются и процедурно организуются поразному.

28

Есть несколько способов получения слотом того или иного значения во фрейме-экземпляре:

-по умолчанию – от одноименного слота фреймапрототипа;

-наследованием свойства (значения) от фрейма, указанного в слоте АКО (аббревиатура, применяемая в качестве стандартного имени слота, значением которого является имя фрейма-родителя);

-по формуле, указанной в слоте;

-через присоединенную процедуру;

-через диалог с пользователем;

-из внешней, информационно сопряженной базы

данных.

Наследование свойств происходит с помощью, так называемых АКО-связей. Слот АКО адресует «свой» фрейм к фрейму более высокого уровня иерархии, откуда неявно переносятся (наследуются) значения одноименных слотов. В общем случае правило наследования свойств определяется специальными кодами, которыми снабжается наследуемое значение:

U – код уникального значения, наследование которого запрещено;

S – код свободно наследуемого значения;

R – код значения, наследуемого в пределах, указанных в одноименном слоте фрейма-родителя;

О – дополнительный код, разрешающий наследование уникального значения и запрещающий наследование значения, указанного предельными границами.

Кроме указателей наследования слот содержит ссылку, именуемую указатель типа данных. Она используется для выражения значения слота в виде прямого указания типа данных (вещественные, целые, булевы, тексты, списки, табличные и т.п.) или указывают имя фрейма, в котором есть одноименный слот, тип данных которого следует заимствовать.

29

Значение слота должно соответствовать указанному типу данных или условию наследования.

Специфичен по своему назначению слот, называемый «демон». Он представляет собой процедуру, которая должна выполняться автоматически при обращении к данному слоту. Например, при идентификации какого-либо объекта значение одного из слотов может быть не определено, но есть ссылка на соответствующий слот-демон. Демон типа IF-NEEDED задает процедуру вычисления отсутствующего значения или отыскания этого значения в слотах других фреймов. Демон типа IF-ADDED запускается при изменении значения слота, а демон типа IF-REMOVED предназначен для удаления значения слота.

В качестве значения слота, определяющего его роль, иногда используется специальная процедура, называемая присоединяемой. Она запускается в соответствии с предписанием, которое может быть получено даже из другого фрейма. В связи с этой особенностью присоединенной процедуры ее можно рассматривать как процедуру управления выводом. Это обстоятельство говорит о возможности использовать фреймы в продукционных моделях.

Обычно при фреймовой структуре представления декларативная компонента БЗ состоит из двух частей: базовые знания о концептуальных объектах и отношениях между ними, помещаемые во фреймахпрототипах (фреймах-образцах или базовых фреймах), и текущие знания о реальных объектах, помещаемые во фреймах-экземплярах.

Демоны, процедуры наследования и присоединенные процедуры в совокупности образуют процедурную компоненту БЗ, созданной на основе фреймовой модели ПЗ. Таким образом, фреймовая структура ПЗ представляет декларативные и процедурные знания, не разделяя их. Операции, входящие в состав процедур наследования, демонов и присоединенных процедур, позволяют реализовать любой из известных механизмов логического решения. При введении в БЗ нового

30