Методическое пособие 391

понятия для него создается фрейм-прототип и, если необходимо – шаблон фрейма-экземпляра. Фрейму-прототипу присваивается имя, называются все его слоты и некоторые из них заполняются значениями, свойственными понятиюконцепту. Если в БЗ необходимо ввести данные о конкретных экземплярах, то заполняются фреймыэкземпляры, в которых будут указаны только свойственные конкретным экземплярам значения слотов, общие для понятия-концепта свойства – наследуются. Сложные понятия представляются иерархической системой фреймов, а простые - одним фреймом.

Фреймовая структура хорошо соответствует представлению всего многообразия отношений, возможных между объектами реального мира. Фрейм эффективно моделирует фрагмент сетевой структуры, состоящей из простых и сложных объектов, представленных узлами (вершинами), и дуг, соединяющих вершины и отображающих бинарные отношения между объектами. Если в качестве значения слота будет выступать имя другого фрейма, то образуется сеть фреймов. Эту сеть можно рассматривать как семантическую сеть с блочной структурой, позволяющей реализовать альтернативные интерпретации предметных областей (представление ПО в разных прагматических аспектах). Фреймы такой сети, соединяя процедурные и декларативные знания, обеспечат любое преобразование информации как внутри фрейма, так и в его связях с другими фреймами.

Наличие бинарных отношений разного характера делают такую сеть достаточно мощной в семантическом отношении.

На рис. 6 приведен пример фрагмента иерархической структуры БЗ, основанной на фреймовом представлении информации. Фрагмент представлен тремя фреймами, два из которых наследуют какие-то свойства других («вышестоящих») фреймов, представляющих модели понятий более высоких уровней иерархии.

31

Как видно из рисунка, фрейм «Вест хайленд вайт» наследует свойства фреймов «Терьер» и «Собака», которые находятся на более высоком уровне иерархии. Например, на вопрос «любят ли вест хайленд вайт терьеры копать?» следует ответ «да», так как этим свойством обладают все терьеры, что указано во фрейме «Терьер». Наследование свойств может быть частичным, так как вес, рост, цвет для вест хайленд вайт терьеров не наследуется из фрейма «Терьер», поскольку значение этих слотов указано явно в своем собственном фрейме.

Собака

АКО Млекопитающее Умеет Лаять

Терьер

АКО Собака Назначение Охотничья Любит Копать

Вест хайленд вайт

АКО Терьер Рост 25-28 см Вес 6-10 кг Цвет Белый

Рис. 4. Пример сети фреймов

Таким образом, фреймовые модели предоставляют возможность организации сетевых структур знаний, основанных на выделении концептуальных понятий и их признаков. Основными достоинствами этих моделей являются:

- возможность сочетания в одной структуре декларативных и процедурных знаний;

32

-возможность иерархического построения БЗ в соответствии со степенью абстрактности понятий;

-возможность организации любой системы вывода на основе объектно-ориентированного принципа управления выводом и обменом свойствами и процедурами вычисления их значений между объектами;

-адекватное отображение концептуальной организации памяти человека и ее способности гибко и наглядно представлять сильно структурированные знания.

Фреймовые модели, если исключить из структур фреймов присоединенные процедуры, могут применяться в интеллектуальных системах, использующих продукционную модель представления процедурных знаний, для реализации декларативной компоненты базы знаний.

Недостатком фреймовых моделей является то, что создание на их основе интеллектуальных систем, потребует привлечения высоко профессиональных, системно мыслящих специалистов с практическим опытом создания фреймовых структур, и достаточно длительного времени на доведение системы до рабочего состояния.

2.3. Семантические сети

В зависимости от типов связей, используемых в сетевых моделях, различают классифицирующие сети, функциональные сети и сценарии. В классифицирующих сетях используются отношения структуризации. Такие сети позволяют в базах знаний вводить разные иерархические отношения между информационными единицами. Функциональные сети характеризуются наличием функциональных отношений. Их часто называют вычислительными моделями, т.к. они позволяют описывать процедуры "вычислений" одних информационных единиц через другие. В сценариях используются каузальные отношения, а также отношения типов "средство - результат", "орудие - действие" и т.п. Если в

33

сетевой модели допускаются связи различного типа, то ее обычно называют семантической (смысловой) сетью.

Семантические сети – это направленный граф с помеченными вершинами и дугами, причем вершины обозначают конкретные объекты, а дуги – отношения между ними. Например, факт «студент Иванов учится в ВГТУ» можно представить в виде семантической сети следующим образом:

Конкретные семантические сети при реализации могут существенно различаться. Один и тот же факт можно представить в виде семантической сети различным образом. Например:

Конкретный способ реализации семантической сети зависит от цели ее создания, характеристик предметной области и классов решаемых задач. При разумном выборе обозначений вершин и дуг с помощью семантической сети можно выразить очень сложные совокупности фактов.

Каждая дуга семантической сети имеет определенную направленность, благодаря чему между понятиями в рамках определенного факта выражается отношение «субъект-объект». Любая из вершин семантической сети может быть соединена с любым числом других вершин, в результате чего обеспечивается формирование сети фактов.

Всемантических сетях используются три типа вершин: - вершины-понятия (обычно это существительные); - вершины-свойства (прилагательные, наречия); - вершины-события (глаголы).

Вкачестве вершин также могут использоваться словосочетания.

34

Семантические отношения, использующиеся в семантических сетях, можно разделить на следующие основные группы:

1. Лингвистические отношения. К ним относятся:

-падежные отношения, включающие в себя отношения типа «объект», «условие», «время», «агент», «место», «инструмент», «цель», «время»;

-атрибутивные, к которым относят форму, размер, цвет

ит.д.;

-глагольные, представляющие собой характеристики глаголов (время, наклонение).

2. Логические отношения, обеспечивающие выполнение операций исчисления высказываний (конъюнкция, дизъюнкция, импликация, отрицание и т.д.).

3. Квантифицированные отношения, использующие кванторы общности и существования.

4. Теоретико-множественные (множествоподмножество, часть-целое, род-вид и т.д.).

К наиболее важным видам связей, нашедших представление в семантических сетях, относятся связи типа «является» (или «is-a», или «род-вид»), связь типа имеет (или «part-of», или «часть-целое») и связь «есть».

Связь «есть» указывает на то, что одно понятие служит характеристикой другого.

Связь «имеет» указывает на то, что один объект представляет собой часть другого. При этом в качестве частей объекта могут быть представлены его структурные элементы, характеристики и т.д. Например, «птица имеет крылья», «служащий имеет ФИО, адрес». Эта связь тесно связана с понятием агрегации, которая широко применяется в семантических сетях. С помощью агрегации осуществляется объединение различных объектов в единое целое по структурному принципу. Агрегация позволяет раскрыть структуру объектов. Допускается многократное применение

35

агрегации. Обратный процесс носит название поисковой детализации.

Связь типа «является» отражает принадлежность элемента к некоторому классу объектов. Например, «доцент является преподавателем». Эта связь соотносится с понятием обобщения. Если агрегация выражает структурные аспекты типизации, то обобщение – классификационные аспекты. Классификация типов выражается иерархией обобщения, а структура – иерархией агрегаций.

Отношение «является» тесно связано с понятием наследования – важнейшей чертой семантических сетей. При построении иерархии объектов с помощью этого отношения объект нижнего уровня содержит в основном те же атрибуты, что и объект верхнего уровня. Это свойство называется наследованием атрибутов в семантических сетях.

Например, факт «доцент является сотрудником вуза»:

Если доценту присвоить имя, то сеть можно расширить:

При этом с помощью иерархии наследования можно сделать вывод: «Иванов является сотрудником вуза». Вывод такого типа основан на наследовании свойств.

Иерархия, построенная на основе наследования, обеспечивает эффективный способ упрощения представления знаний и сокращение объема информации, которую требуется запомнить для каждой конкретной вершины. Это позволяет в значительной мере ускорить процесс обработки знаний, а также извлекать информацию с помощью запросов общего характера.

36

Однако вывод, полученный с помощью наследования, не всегда бывает достоверным (рис. 5).

Рис. 5. Пример реализации семантической сети

Можно сделать вывод: «Иванов принимает экзамены», что не обязательно является правильным. Поэтому при конкретной реализации семантических сетей можно запретить наследование определенных свойств.

Различают интенсиональные (понятийные) и экстенсиональные (описательные, конкретизирующие) семантические сети. Первые описывают предметную область на обобщенном, концептуальном уровне. Во вторых, производится конкретизация и наполнение фактическими данными.

Рассмотрим несколько подходов к построению семантических сетей. Например, факт «Программист Иванов сорока лет работает в банке, расположенном в корпусе А под руководством Петрова». Семантическая сеть может выглядеть, как представлено на рис. 6

37

Рис. 6. Пример реализации семантической сети

Пусть необходимо дополнить имеющуюся информацию следующим фактом: «с 01.01.04г. по 01.01.05г.». Тогда представленная выше структура будет непригодной. В данном случае вершинами необходимо представлять не только объекты, но и ситуации, действия (рис. 7).

38

Рис. 7. Пример реализации семантической сети

Распространенной формой представления семантических сетей является представление с использованием падежных отношений. Примерный набор подобных отношений

втипичном случае включает в себя:

-агент-исполнитель (имитатор действия, выражаемого глаголом);

-объект-существительное, на которое распространяется действие или состояние, выражаемое глаголом;

-местоположение – место действия или состояния, выражаемого глаголом;

-датив – лицо, к которому имеет отношение действие или состояние, выражаемое глаголом.

39

Также могут использоваться отношения: условие, инструмент, цель, время и т.д. (рис. 8).

Рис. 8. Пример реализации семантической сети с падежными отношениями

Это некоторые варианты построения семантических сетей по данному фрагменту иерархии. Можно сделать иное назначение дуг и вершин и получить другой вариант модели.

Обычно интерпретация семантических сетей и логический вывод реализуются с помощью управляющих процедур. Процедурами определяются основные действия над семантическими сетями, способы манипулирования данными, стратегии организации поиска в семантических сетях, структурирования информации и т.д. К процедурам, определяющим основные действия над дугами семантических сетей, можно отнести: установление или аннулирование связи между заданными вершинами, подсчет числа дуг, выходящих из заданной вершины и др.

40