Практическая работа № 4
Исследование и создание фреймовых моделей
Цель работы. Исследование способов представления знаний посредством фреймовых моделей.
Модель представления знаний в виде фреймов
|
Фрейм – это структура данных, представляющая стереотипную ситуацию, вроде нахождения внутри некоторого рода жилой комнаты, или сбора на вечеринку по поводу дня рождения ребенка. К каждому фрейму присоединяется несколько видов информации. Часть этой информации – о том, как использовать фрейм. Часть о том, чего можно ожидать далее. Часть о том, что следует делать, если эти ожидания не подтвердятся. Фрейм представляет собой множество слотов. Каждый слот представляется определённой структурой данных – атрибутами слота. Структура фрейма приведена на рисунке 1.
|
Рисунок 1 - Структура фрейма
Основная идея фреймового подхода заключается в сосредоточении всей информации, относящейся к одному объекту в одной структуре данных, вместо распределения ее по базе знаний. Структура фрейма достаточно проста (рисунок 2): с представляемым понятием связывается список именованных атрибутов, называемых слотами. Каждый слот может иметь значение по умолчанию.
Рисунок 2 – Структура фрейма
Также со слотом могут быть связаны произвольные процедуры, выполняемые при смене его значения. Эти процедуры в литературе иногда именуются «демонами». Со слотом можно связать любое количество процедур, но наиболее часто используются следующие:
1. Процедура на событие «если добавлено» (IF-REMOVED). Выполняется, когда новая информация записывается в слот.
2. Процедура на событие «если удалено» (IF-ADDED). Выполняется, когда информация удаляется из слота.
3. Процедура на событие «по требованию» (IF-NEEDED). Выполняется, когда запрашивается информация из пустого слота.
Пример. Фрейм для понятия "Лекция". Ситуация "лекция" может быть определена как "чтение лектором учебного материала слушателям". Фрейм "лекция" может содержать слоты "предмет" (предмет, по которому проводится лекция), "лектор" (ФИО лектора), "аудитория" (место проведения лекции), "слушатели" (количество слушателей).
| Лекция | |
| Предмет | Базы знаний |
| Лектор | Иванов И.И. |
| Аудитория | 1-13 к 13 |
| Слушатели | Прикладная-информатика 1курс |
В данном случае "ЛЕКЦИЯ" - название фрейма; "ПРЕДМЕТ", "ЛЕКТОР", "АУДИТОРИЯ", "СЛУШАТЕЛИ - слоты; " Базы знаний ", "Иванов И.И.", "1-13 к 13 ", " Прикладная-информатика 1курс " - значения слотов.
Фрейм-прототип (протофрейм) - это фрейм, содержащий знания о самом понятии.
Например, фрейм понятия «Битва» можно изобразить следующим образом:
| Битва | |
| Субъект (кто?) | Х1 |
| Объект (с кем?) | Х2 |
| Место (где?) | Х3 |
| Время (когда?) | Х4 |
| Результат | Х5 |
В этом фрейме указаны имена слотов (субъект, объект и т. д.), но вместо их значений стоят переменные (X1, Х2 и т. д.).
Фрейм-экземпляр (экзофрейм) - это фрейм, содержащий конкретное описание понятия или знания.
В примере, наверное, основными для фрейма "Битва" можно считать слоты с именами "субъект" и "объект".Бутву осуществляет субъект Х1 с объектом X2 в месте Х3 во время Х4, при этом получается результат Х5. Подставляя вместо всех переменных конкретные значения, получим конкретный факт-описание:
| Куликовская битва | |
| Субъект (кто?) | Князь Дмитрий |
| Объект (с кем?) | Хан Мамай |
| Место (где?) | Куликово поле |
| Время (когда?) | Утром в сентябре 1380 года |
| Результат | Победа князя Дмитрия |
Исключение из фрейма любого слота делает его принципиально не полным, а иногда вообще бессмысленным.
Фрейм является простым, если он не содержит в себе других фреймов. Сложный (составной) фрейм содержит в себе два и более фрейма, и по существу представляет сеть фреймов. Фрейм 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.
Фреймы-прототипы, хранящиеся в базе знаний, позволяют реализовать наследование свойств одних фреймов от других. Аналогично тому, как в семантической сети наследование происходит по транзитивным отношениям («имеет частью», «это есть»), фреймы-экземпляры могут наследовать свойства фреймов-прототипов через специальные слоты АКО (A-Kind-Of = «это есть»). Слот АКО указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда неявно наследуются, то есть переносятся, список и значения слотов. Фреймы-экземпляры создаются в БЗ для отображения реальных объектов и ситуаций на основе поступающих данных. Возможно наследование свойств от нескольких прототипов. Такой вид наследования получи название «множественное наследование».
С помощью фреймовой модели можно представить все многообразие знаний о мире через: фреймы-структуры, для обозначения объектов и понятий (устройство, отчет, заказ); фреймы-роли (менеджер, пользователь, клиент); фреймы-сценарии (банкротство, собрание акционеров, тестирование); фреймы-ситуации (тревога, авария, рабочий режим устройства) и др.
В качестве примера можно рассмотреть формирование понятия заказ товара (рисунок 3).
Рисунок 3 - Описание знаний с помощью фреймов
Одной из характерных особенностей представления фреймами является назначение наследования (наследование атрибутов). Оно позволяет избежать дублирования информации и устранить противоречивые знания. Выводы во фреймовой системе исполняются обменом сообщениями между фреймами. Достоинствами фреймовой модели является естественность, наглядность представления и модульность, недостатком – отсутствие механизмов управления выводом. Отличие систем представления знаний, основанных на фреймах от систем управления базами данных, заключается в том, что в последних выполняется трансляция схемы БД и во время загрузки базы данных устанавливаются жесткие связи между экземплярами записей в соответствии со схемой. В базах знаний связи устанавливаются оперативно в зависимости от значения атрибутов или слотов в узле.
Фреймовая система не только описывает знания, но и может также использоваться человеком для написания алгоритмов вывода. Благодаря подобным свойствам, можно формально строить фреймовые системы в самом широком диапазоне.
