Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование экспертных систем. Учебное пособие
.pdf
стема будет ограниченной в силу теоремы Геделя, как говорилось выше в историческом обзоре. Однако Лотфи Заде еще в 1965 году предложил теорию нечетких
множеств, которая может снять ограничения формализма. Точно так же как всякая
лингвистическая переменная имеет в этой теории функцию принадлежности, точно
так же описывается истинность логических операций и это сглаживание позволяет
решать уже гораздо более широкий круг задач.
1.7.3 Фреймовые экспертные системы
В отличие от моделей других типов во фреймовых моделях фиксируется
жесткая структура информационных единиц, которая называется протофреймом.
Внутри фрейма имеются слоты, конкретизируя которые мы можем актуализировать фрейм. Означивать слот можно практически чем угодно: числами или математическими соотношения, текстами на естественном языке или программами на
языках программирования, правилами вывода или ссылками на другие фреймы, а
так же на слоты данного фрейма или других фреймов. В качестве знаний в слоте
может выступать так же содержимое набора слотов более низкого уровня, что позволяет во фреймовых представлениях реализовать «принцип матрешки». При актуализации фрейма ему и его слотам присваиваются конкретные имена, затем происходит информационное наполнение слотов. Таким образом, из протофреймов получаются фреймы-экземпляры.
Этот переход от исходного протофрейма к фрейму-экземпляру может быть
многошаговым за счет постепенного уточнения значений слотов. С другой стороны, связи между фреймами могут задаваться так же значениями специального
слота с именем «Связь».
Обращаясь к истории, заметим, что американский психолог Ф. Бартлетт в
книге «Память» обнаружил, что при вербализации прошлого опыта люди регулярно пользуются стереотипными представлениями о действительности. «Такие
31
стереотипные фоновые знания Бартлетт называл схемами. Например, схема квартиры включает знания о кухне, ванной, прихожей, окнах и т. п.» Практически этот
подход совпадает с более поздним пониманием фрейма.
Наличие схематических представлений, поддерживаемых современным языковым сообществом, решающим образом влияет на форму порождаемого дискурса.
«Это явление было заново «открыто» в 1970-е годы, когда появился целый ряд альтернативных, но весьма близких по смыслу терминов. Так, американские специалисты в области искусственного интеллекта предложили термины «фрейм» и
«скрипт». «Фрейм» в большей степени является статической структурой (типа модели квартиры), а «скрипт» — динамической, отражающей скорее процесс (типа
поездки на дачу или посещения ресторана), хотя сам Минский предлагал использовать термин «фрейм» и для динамических стереотипных структур.
Однако, еще до Марвина Минского термин «фрейм», а также производные
слова «фрейминг» и «рейфрейминг», использовались Э. Гоффманом и его последователями в социологии и социальной психологии для обозначения различных способов видения общественно значимых проблем («ядерная энергетика может подводиться под фреймы «прогресс», «взбесившаяся технология», «сделка с дьяволом»»), а также средств, используемых для поддержания того или иного видения.
Особое значение эти термины приобрели в прикладной коммуникативно-психологической методике, известной как нейролингвистическое программирование
(НЛП).
Значительную роль в развитии «фреймовых представлений» сыграл американский лингвист Ч. Филлмор, который адаптировал понятие «фрейм» к нуждам
лингвистики. В своих статьях начала 1980-х годов он предложил концепцию фреймовой семантики, представляющую собой некоторую адаптацию понятия «фрейм»
для нужд лексической семантики. Причем здесь фреймы понимались как структуры для представления знаний, так же как ранее уже предложенной в искусственном интеллекте М. Минский.
Структура фрейма позволяет описывать, каким образом понимание языковых
32
выражений зависит от человеческих знаний о тех ситуациях, которые связаны с
этими выражениями: так, мы по-разному понимаем относительное расположение
сидящих в выражениях «кот на стене» и «муха на стене», обозначаемое предлогом
«на». Кот на стене может сидеть разве, что на картине. Синтезом идей падежной
грамматики, фреймовой семантики и взглядов на их роль в языке фразеологических
формул стала концепция конструкционной грамматики, разрабатываемая и преподаваемая Филлмором с 1990-х годов совместно с П.Кеем. «Конструкционная грамматика постулирует в качестве главной единицы языка комплексную грамматическую конструкцию, своего рода грамматический фрейм, в котором представлена
одновременно лексическая, грамматическая, синтаксическая и семантическая информация».
Заинтересовавшись идеями корпусной лингвистики в 1990-е годы, Филлмор
совместно с Д. Журавским возглавил долгосрочную (1997–2003) программу
FrameNet, направленную на создание компьютерного большого словаря лексических единиц и грамматических конструкций во фреймовом представлении и последующего создания онлайновой версии этого словаря.
В своей книге П.Джексон полагает, что представление понятий в мозге не
требует строгого формулирования набора свойств, которыми должна обладать та
или иная сущность, для обеспечения возможности ее рассмотрения в качестве
представителя определенной категории сущностей. Многие из тех категорий, которыми пользуемся люди, не имеют четкого определения, а базируются на довольно
расплывчатых представлениях. При этом создается впечатление, что человек
больше всего внимания обращает на бросающиеся в глаза свойства, которые ассоциируются с объектами, наиболее ярко представляющими свой класс, чем на точность их значений.
Такие фреймы и были названы фреймами прототипами.
В системе фреймов предпринимается попытка судить о классе объектов, используя представление знаний о фреймах-прототипах, которые хорошо представляют большинство разновидностей объектов данного класса, но параметры таких
33
фреймов не описываются полностью, и их предстоит еще выявить в процессе решения задачи, хотя бы в нечетком виде.
Точно так же А. П. Частиков выделяет фреймы-образцы, хранящиеся в базе
знаний, и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных ситуаций на основе поступающих данных.
Таким образом, модель фрейма является достаточно универсальной. Об этом
же говорит простейшая классификация фреймов по их содержанию:
фреймы-структуры, обозначающие цельные объекты или понятия
(заем, залог, вексель);
фреймы-роли, акцентирующие внимание системы на функциях (мене-
джер, кассир, клиент);
фреймы-сценарии, описывающие процессы (банкротство, собрание ак-
ционеров, празднование);
фреймы-ситуации, концентрирующиеся на условиях, в которых проис-
ходит действие (тревога, авария, рабочий режим устройства) и др.
Более строгая классификация используется в книге Л.А. Растригина. По его
теории, когда все параметры определены, фрейм называется фреймом-примером, а
обобщением многих фактов является фрейм-прототип.
Согласно Дж. Ф. Люгеру, слоты фрейма могут содержать информацию о:
Данных, идентифицирующих фрейм.
Взаимосвязи этого фрейма с другими фреймами. «Гостиничный теле-
фон» может служить специальным экземпляром «телефона», который в свою очередь может служить примером «механизма связи».
Дескрипторах требований для фрейма. Например, стандартный стул
должен иметь высоту сидения от 20 до 40 см, его задняя часть выше 60 см. и т. д.
Эти требования так же используются для определения соответствия новых объектов стереотипу уже введенного фрейма.
Процедурную информацию об условиях использования данной струк-
34
туры. В связи с этим важной особенностью фреймов является возможность присоединить к ячейке не только описание объекта, но и описание процесса в виде процедурного кода.
Информацию по умолчанию. Это значения ячейки, которые должны
быть приняты, если не найдены противоположные. Например, стулья имеют 4
ножки, на телефонах есть кнопки, гостиничные кровати заправляются персоналом.
Информацию для нового экземпляра. Многие слоты фрейма могут
оставаться незаполненными, пока не указано значение для отдельного экземпляра
или пока они не понадобятся для некоторого аспекта решения задачи. Например,
цвет кровати может оставаться неопределенным.
Примером фрейма может служить упомянутое выше описание гостиничного
номера из книги Люгера.
В свою очередь компоненты этого номера могут быть описаны рядом отдельных фреймов. Помимо кровати во фрейме должен быть представлен стул: ожидаемая высота — от 20 до 40 см, число ножек — 4, значение по умолчанию — предназначен для сидения.
С номером так же может быть связан другой фрейм, представляющий гостиничный телефон: вариант обычного телефона, но расчет за переговоры связывается
с оплатой гостиничного номера. По умолчанию существует специальный гостиничный коммутатор, и человек может дополнительно использовать этот телефон для
заказа еды в номер, одновременно принимая внешние звонки и получая другие
услуги.
Фрейм по содержанию можно представлять в виде семантической сети, которая состоит из определенных вершин, а так же связей между ними. На верхнем
уровне фрейм представляет собой задаваемое им явление или объект, тогда как на
нижних уровнях используются слоты, наполняемые конкретными значениями, относящимися к объекту или явлению, описываемому фреймом.
Для выявления прототипа фрейма в семантической сети достаточно выявить
подсеть, состоящую из некоторой сущности и характеризующую ее свойства (а так
35
же события, связанные с нею, ее признаки и атрибуты). Например, если под событием понимать отправление Поезда №1, тогда информация об отправлении из
Санкт-Петербурга в 23 часа 55 минут и прибытии в Москву в 7 часов 55 минут означает соответствующую ему подсеть.
Отправление Поезда №1 считается истинным событием, если имеют место
приведенные значения атрибутов, т. е. оно обладает соответствующими свойствами. Этот граф может быть представлен в табличной форме, аналогичной представлению реляционной структуре данных.
При представлении таблицы в виде фрейма поля записи становятся содержанием слотов, а столбцы их именами. Таблица содержит имена и значения слотов, а
уже ее название структурируется как имя фрейма.
Модель фрейма была предложена М. Минским с целью борьбы с высокой
размерностью сетевых моделей. В этом смысле каждый фрейм можно рассматривать как фрагмент сети, объединяющий сущности на основе семантической близости. Так с помощью фрейма можно задать такую локальную ситуацию, как обстановка в комнате, при составлении сетевой модели квартиры.
При этом, однако, принципиальными особенностями фреймовой модели, отличающими ее от реляционной модели данных, являются:
возможность смешанного заполнения слотов константами и перемен-
ными;
узаконенная определением фрейма возможность наличия пустых слотов;
возможность размещения в слотах указателей на другие фреймы (насле-
дование частей) для создания сети;
возможность размещения в слотах имен выполняемых процедур.
Использование механизма ссылок позволяет реализовывать сложные модели
представления знаний путем детализации любых понятий, связанных с фреймом.
В вышеприведенном примере могут потребоваться знания о других поездах. Тогда
в соответствующий слот вместо поезда №1 будет помещена ссылка на список поездов. Там так же могут быть помещены сведения, отражающие уровень сервиса в
36
поездах, о количестве свободных мест и т. д. В свою очередь, если потребуется
пояснить характеристики свободных мест (купе, плацкарт, верхнее, нижнее), по
ссылке заводится соответствующий фрейм, содержащий и эти характеристики.
Аналогичным образом детализируется уровень сервиса.
Таким образом, с помощью ссылок формируется иерархическая фреймовая
сеть. Дочерний фрейм в этой сети, на который делается ссылка, находится в отношении Part Of к своему родителю.
Возможность размещения процедур в слотах делает фреймовая модель смешанной моделью представления знаний, в которой могут быть заложены как декларативная, так и процедурная составляющие.
Можно по-другому определить фрейм-прототип как фрейм, у которого значения слотов являются переменными, а фреймом-экземпляром при этом станет
фрейм, у которого все слоты являются константами. Фреймы-экземпляры находятся в отношении Is A к фрейму-прототипу.
Поскольку фреймы представляются как некоторое множество информационных единиц, к ним можно применять теоретико-множественные операции, например, такие как объединение и пересечение. При выполнении объединения в результирующий фрейм необходимо включать все слоты, встречающиеся в исходных
фреймах. При этом в слотах, не являющихся общими, остаются прежние значения,
слоты с одинаковыми именами объединяют свои значения. При определении пересечения фреймов в результирующем фрейме должны присутствовать только общие
для исходных фреймов слоты. Значения же слотов вычисляются по-разному. Когда
в результирующем фрейме присутствуют общие для исходных фреймов значения,
выбирается оно. Если же значения слотов в исходных фреймов разные, то пересечению подвергаются уже слоты. Фреймовые системы можно подразделить на статические и динамические, последние допускают изменение содержания своих слотов в процессе решения задачи.
А. П. Частиков выделяет в качестве важнейшего свойства теории фреймов
так называемое наследование свойств. Во фреймах наследование происходит по
37
виду АКО (A — Kind — Of — Это) связей. Слот АКО указывает на фрейм более
высокого уровня иерархии, откуда неявно наследуются, т. е. переносятся, значения
аналогичных слотов. Наследование может быть частичным, при этом часть свойств
не наследуется.
У П. Джексона имеется так же и множественное наследование. В настоящее
время является общепризнанным, что некоторый фрейм может наследовать информацию от множества предшественников в системе фреймов. В результате граф,
представляющий связи между фреймами, становится больше похожим на решетку,
чем на дерево, поскольку каждый узел не обязательно имеет единственного предшественника. В дальнейшем такой вид сетей фреймов стал встречаться довольно
часто, хотя в подавляющем большинстве структур сохраняется все-таки единственность корня.
Множественность предшественников во фреймовой сети не влечет за собой
никаких проблем до тех пор, однако, пока информация, поступающая из различных
источников наследования, не становится противоречивой.
В интеллектуальных системах с фреймовым представлением знаний существует три метода управления логическим выводом: с использованием демонов, с
использованием присоединенных процедур и наконец, с использованием механизма наследования. В то же время последний метод является единственным для
фреймовых объектно-ориентированных систем.
Управленческие функции механизма наследования заключаются в целенаправленном поиске и определении значений слотов фреймов нижележащих уровней по значениям слотов фреймов, расположенных над ними, и, кроме того, в запуске присоединенных к фреймам процедур и демонов.
Основным механизмом вывода на фреймовой модели является сопоставление (matching). При этом различают синтаксическое сопоставление, когда сравнивается лишь структура единиц знания (фреймов или слотов), и семантическое сопоставление, когда сравнивается содержимое этих единиц. Результат сопоставле-
38
ния тоже может быть разным: бинарным или параметрическим (введенный параметр отражает степень сопоставимости образцов).
Представление знаний на основе фреймовой модели используется в ряде языков, описывающих знания. В них присоединенные процедуры реализуются на
ЛИСПе. К таким языкам относятся FRL, KRL и др. Фреймовую модель можно создавать и на обычных языках программирования, например С++.
Как видим из предыдущего описания, фреймовая модель достаточно универсальна, что приводит к такому разнообразию конкретных реализаций, в которых
достоинства и недостатки относятся уже скорее не к фреймовой идеологии, а к конкретной реализации. Фреймовые языки имеют следующие характерные особенности:
Иерархичность модели представления понятий предметной области и
отвечающей ей совокупности экземпляров.
Реализация связей и закономерностей предметной области присоеди-
ненными процедурами.
Семантичность сопоставления понятий при поиске по образцу.
В настоящее время универсальным средством для представления знаний являются объектно-ориентированные языки программирования, которые хорошо
приспособлены для реализации всех достоинств и особенностей фреймовой модели
и в частности основного ее преимущества: использования фрейма как способа
представления знаний, что отличается наглядностью и гибкостью в употреблении.
Кроме того, фреймовая структура согласуется с современными представлениями о хранении и манипулировании информацией в памяти человека.
Основной недостаток фреймовых систем — отсутствие специального механизма управления выводом. Вывод обычно реализуется с помощью процедур,
встроенных во фреймы.
1.7.4 Сетевые экспертные системы
39
В основе моделей базы знаний экспертной системы этого типа лежит конструкция, названная ранее семантической сетью. «Сетевые модели можно формально задать в виде H < I;C1;C2; : : : ;Cn;G>. Здесь I — множество информационных единиц, C1;C2; : : : ;Cn — множество типов связей между информационными
единицами; отображение G задает между информационными единицами, входящими в I, связи из заданного набора типов связей. В зависимости от типов связей,
используемых в модели, 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, так как они позволяют описывать процедуры «вычислений» одних
информационных единиц через другие. В сценариях используются каузальные вычисления, а также отношения типов «средство-результат», «орудие-действие» и т.
п.»
Таким образом, если в графовой модели в узлах находятся смысловые объекты и допускаются связи различного типа, то ее обычно называют семантической
сетью.
Исторически уже Фрег представил логические формулы в виде деревьев, которые, однако, нельзя в полной мере считать семантическими сетями. Еще одним
пионером в этой области является Чарльз Сандерз Пирс, который использовал графовые представления в органической химии.
Он ввел формулировки правил вывода с использованием экзистенциоанальных графов. Известны примеры применения сетей в психологии. Так Зельц использовал графы для представления наследственности некоторых характеристик в
иерархии концептов. Эти научные изыскания Зельца затем имели огромное влияние на изучение тактики игры в шахматы. Его исследования, в свою очередь, повлияли на таких теоретиков в области экспертных систем, как Саймон и Ньюэлл.
В лингвистике первым ученым, занимавшимся разработкой графических
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]