ПРОЦЕДУРНЫЕ СЕМАНТИЧЕСКИЕ СЕТИ

 

Для отображения иерархических отношений между точками соприкосновения концептов, а также для установления связей между узлами, показывающими концепты и их экземпляры, используются отношения IS-A. Однако для чёткого разграничения вершин концептов и вершин экземпляров используются вязи типа instance-of, что позволило обойти упомянутую выше трудность, связанную с наследованием.

Левеск и др. в целях введения единой семантики в семантические сети предложили процедурные семантические сети. В этом случае сеть строится на основе класса (понятия), а вершины, дуги (отношения) и процедуры представлены как объекты. Процедурами определяются следующие основные действия над дугами (связями):

1) установление связи,

2) аннулирование связи,

3) подсчёт числа вершин, соединённых заданной дугой,

4) проверка наличия – отсутствия связи между заданными вершинами.

Существуют также процедуры, определяющие основные действия над вершинами, например:

1) определение экземпляра класса,

2) аннулирование экземпляра,

3) подсчёт числа экземпляров, принадлежащих к классу,

4) проверка принадлежности экземпляра к некоторому классу.

Благодаря этим процедурам семантическими сетями можно представлять процедурные знания.

Кроме того, здесь необходимо точное определение, касающееся наследования атрибутов между классами. Для этого атрибуты класса разделяют на атрибуты определения и атрибуты свойства, причём последние отображаются в качестве отношения между классами и не наследуется классом нижнего уровня. Далее, для того чтобы в случае представления одним экземпляром целого уровня не ограничивалась совпадением отношений иерархической структуры уровня этого экземпляра, необходимо использовать индивидуальную наследственность между этими двумя уровнями. Другими словами, процедура наследования заключается в том, что наследование самого атрибута осуществляется с помощью связи экземпляра (instance link), а наследование значений – через отношения IS-A. Кроме того, наследование значений атрибутов свойств не производится. По этой причине для наследования некоторым концептом (вершиной класса х) специфических атрибутов определения из класса верхнего уровня необходимо, чтобы он имел атрибут, соответствующий метаклассу, в котором х является экземпляром.

Для реализации семантических сетей существуют специальныесетевые языки, например NET. Широко известны экспертныесистемы, использующие семантические сети в качестве языка представления знаний - PROSPECTOR, CASNBT, TORUS.

Достоинства механизма семантических сетей: pнания хорошо структурированы, структура понятна человеку.

Недостатки:

• при большом объеме сети очень долго выполняются все операции,
• при большом объеме сети она трудно обозрима.

Фреймы

Фрейм (англ. frame - каркас или рамка) предложен М.Минским в 70-е гг. Как структура знаний для восприятия пространственных сцен. Эта модель, как и семантическая сеть, имеет глубокое психологическое обоснование.

В отношении знаний, представленных фреймами, предполагается, что в рамках формализма так называемого минимального представления можно применять различные способы управления выводом. В частности, характерными для такого подхода являются представление знаний в сравнительно больших единицах, называемых фреймами, введение иерархи. ческой структуры фреймов, основывающейся на степени абстракции, и возможность представления комбинации декларативных и процедурных знаний. Для проявления этих особенностей язык представления знаний фреймового типа применяется как в качестве средства для различных исследований представления знаний, так и для построения многоцелевых баз знаний в целях представления модели объекта, например: в САПР, работы с ней и получения вывода.

М. Минский дал довольно пространное и подробное изложение теории фреймов, опубликованной им в 1975 г.

Теория фреймов относится к психологическим понятиям, касающимся понимания того, что мы видим и слышим. Эти способы восприятия трактуются с последовательной точки зрения, на их основании осуществляется концептуальное моделирование, целесообразность полученных моделей исследуется вместе с раза личными проблемами, возникающими в этих двух областях.

Для осознания того факта, что заданная информация в этих областях имеет единственный смысл, человеческая память прежде всего должна быть способна увязывать эту информацию со специальными концептуальными объектами. В противном случае не удастся систематизировать информацию, которая выглядит разрозненной. В основе теории фреймов лежит восприятие фактов посредством сопоставления полученной извне информации с конкретными элементами и значениями, а также с рамками, определенными для каждого концептуального объекта в нашей памяти. Структура, представляющая эти рамки, называется фреймом. Поскольку между различными концептуальными объектами имеются некоторые аналогии, то образуется иерархическая структура с классификационными и обобщающими свойствами. Собственно она представляет собой иерархическую структуру отношений типа «абстрактное — конкретное». Сложные объекты представлены комбинацией нескольких фреймов, другими словами, они соответствуют фреймовой сети. Кроме того, каждый фрейм дополняется связанными с ним фактами и процедурой, обеспечивающей выполнение запросов к другим фреймам.

Причиной, по которой представление знаний фреймами выглядит достаточно точным, является возможность более полного описания процесса мышления человека посредством определения крупной и структурированной основной единицы представления знаний и более тесной связи знаний, основанных на фактах, и процедурных знаний. Тем не менее, как было отмечено ее автором, теорию фреймов следует скорее отнести к теории постановки задач, чем к результативной теории. Можно считать, что она существенно повышает уровень и детализирует механизм памяти человека, выводов, понимания и обучения.

 

Теперь процитируем некоторые положения теории фреймов, касающиеся понятия фрейма.

«Суть этой теории заключается в следующем. Ког­да человек попадает в новую ситуацию (или ради­кально изменяет свое отношение к текущим обстоя­тельствам), он вызывает из своей памяти основную структуру, именуемую фреймом. Фрейм (рамка) — это единица представления знаний, запомненная в прошлом, детали которой при необходимости могут быть изменены согласно текущей ситуации. Фрейм представляет собой структуру данных, с помощью ко­торой можно, например, описать обстановку в вашей комнате или место, где вы хотите отпраздновать ро­ждение ребенка. Каждый фрейм может быть допол­нен различной информацией. Эта информация может касаться способов применения данного фрейма, по­следствий этого применения, действий, которые необходимо выполнить, если не оправдался прогноз и т, п.

Каждый фрейм можно рассматривать как сеть, со­стоящую из нескольких вершин и отношений. На са­мом верхнем уровне фрейма представлена фиксированная информация: факт, касающийся состояния объекта, который обычно считается истинным. На по­следующих уровнях расположено множество так на­зываемых терминальных слотов (терминалов), кото­рые обязательно должны быть заполнены конкретны­ми значениями и данными. В каждом слоте задается условие, которое должно выполняться при установле­нии соответствия между значениями (слот либо сам устанавливает соответствие, либо обычно это делает более мелкая составляющая фрейма). Простое условие указывается меткой, оно может содержать требова­ния, например, чтобы соответствие устанавливал поль­зователь, чтобы было достаточно полно описанное значение, чтобы был указатель специальных состав­ляющих фреймов и т. п. Сложные условия указы­вают отношения между фактами, соответствующими нескольким терминалам. Соединив множество фрей­мов, являющихся отношениями, можно построить фреймовую систему. Наиболее важный результат такого построения проявляется в возможности преобра­зования фреймов в одной системе. Фреймы исполь­зуются для экономичного проведения различных расчетов и обработки изображений.

При анализе видимого объекта различные фреймы одной системы описывают его с различных углов зре­ния и преобразование от одного фрейма к другому показывает результат перехода от одного пункта на­блюдения к другому. Что касается фреймов, не свя­занных со зрительными ощущениями, то различие между фреймами одной системы указывает на какие-либо действия, причинно-следственные отношения или изменение концептуальной точки зрения и т. п. В од­ной системе различные фреймы могут иметь общие терминалы. Это серьезный момент, на который сле­дует обратить внимание, поскольку благодаря ему возможно связывание информации, полученной с раз­личных точек зрения.

Основные особенности этой теории проявляются в возможности прогнозирования и включения других процессов. Несколько терминалов одного фрейма обычно заранее определяются значениями по умолча­нию. Следовательно, даже когда не задана подробная информация, касающаяся некоторого места, данный фрейм все равно будет довольно информативен. Этот метод можно широко использовать для представления информации общего характера, анализа множества сходных задач, отработки техники решения задач ло­гическими методами, а также он может служить полезным средством распространения фреймовых систем. Поскольку значение по умолчанию не связано жестко с терминалом, его можно легко заменять на новую информацию, например для более точного со­гласования с соответствующей ситуацией. Следова­тельно, значение по умолчанию может использоваться в качестве переменной, либо в специальных случаях выводов на основании фактов, либо в общепризнан­ных случаях. Кроме того, оно может использоваться вместо логических ограничителей.

 

Фреймовые системы связаны с информационно-поисковыми сетями. Если фрейм-кандидат не соответ­ствует текущей проблеме, другими словами, если установление соответствия с терминалом не вполне отвечает условию метки, такая сеть задает другой фрейм. С помощью подобной межфреймовой струк­туры можно представлять знания, касающиеся фак­тов, сходств и другой информации, полезной для по­нимания. Когда некоторый фрейм выбирается в каче­стве единицы представления некоторого состояния, то в процессе согласования во все терминалы каждого фрейма подставляются такие значения, чтобы выпол­нялись условия в соответствующих местах. Подобный процесс согласования управляется информацией, до­полняющей фрейм (эта информация касается обра­ботки непредвиденных ситуаций), а также целью си­стемы в текущий момент времени. Далее, в случае если процесс согласования закончился неуспехом, ис­пользование полученной при этом информации пред­ставляет определенный интерес».

Данное изложение может показаться трудным для понимания, поэтому поясним его на простом примере,

На рис. 3.7 показана связь фрейма с дополни­тельной информацией.

Фрейм этого типа описывает только один концептуальный объект, а дополнитель­ная информация - это специфичная конкретная ин­формация для каждого фрейма. Важным а данном примере является то, что имеется некоторый физиче­ский объект, называемый комнатой, некоторый кон­цептуальный объект, называемый состоянием внутри этой комнаты, а также то, что дополнительная информация касается не только этих объектов, но и специ­фического управления ими.

 

Фрейм: основная структурная единица памяти, структура данных для представления некоторой ситуации. (Примеры: - ситуация в некоторой комнате; -момент ухода на празднование дня рождения ребенка)   Дополнительная информация: информация, которой дополняется каждый фрейм. (Примеры: - информация о способе обращения сданным фреймом; - информация о следующем действии; - информация о действии, которое надо выполнить, если данное предположение не оправдалось)

 

Рис.3.7. Связь фрейма с дополнительной информацией

 

Фрейм: арка Арка

 

Рис. 3.8. Пример фреймового представления арки

 

На рис. 3.8 показан пример фреймового представ­ления составной арки. В данном случае фрейм пред­ставлен в виде семантической сети. Однако, поскольку, фрейм состоит из множества терминальных слотов, то отношения между ними описываются с помощью их значений. Условия, ограничивающие значения, также добавляются к соответствующему слоту. Кроме того, поскольку детали А, В и С представлены другими фреймами, то слот фрейма арки дополнен указателями этих фреймов.

На рис. 3.9 показан пример фреймовой системы, касающейся углов зрения арки. В данном случае за первый угол зрения принят вид спереди на арку. Если повернуть ее на 90° по часовой стрелке, как показано на позиции 2, будут видны только детали А и В. Когда мы рассматриваем некоторый объект, например под углом зрения 2, то вызвав из памяти фрейм угла зрения 1, можно предположить, что данный объект является аркой. Таким способом компенсируется тот факт, что деталь С не видна. Если при повороте на 90 этого объекта против часовой стрелки его вид совпа­дает с фреймом угла зрения 1, предположение было правильным. В противном случае вызывается другой фрейм и проводится его сопоставление. В данном слу­чае может быть использован указатель сходства. Фреймовая система

Арка

 

Изменение

угла зрения

 

 

Угол зрения 1 Угол зрения 2

 

 

Видна

 

 

Не видна

Деталь

 

Рис. 3.9. Пример фреймовой системы, зависящей от угла зрения

 

Ниже рассмотрены основные свойства фреймов. (1) Базовый тип. При эффективном использовании фреймовой системы, подобной показанной на рис. 3.9, можно добиться быстрого понимания сущности дан­ного предмета и его состояния, однако для запомина­ния различных позиций в виде фреймов необходима память. Поэтому только наиболее важные объекты данного предмета запоминаются в виде базовых фреймов, на основании которых строятся фреймы для новых состояний. При этом каждый фрейм содержит слот, оснащенный указателем подструктуры, который позволяет различным фреймам совместно использо­вать одинаковые части. Такая подструктура не изме­няется при изменении угла зрения. Благодаря этому Свойству возможно представление и использование информации, полученной в различное время и с раз­личных участков, в качестве независимой информа­ции, связанной с данным углом зрения (т. е. в каче­стве знаний),

(2) Процесс сопоставления. Процесс, в ходе которого проверяется правильность выбора фрейма, называется процессом сопоставления. Обычно этот процесс осу­ществляется в соответствии с текущей целью и инфор­мацией (значениями), содержащейся в данном фрей­ме. Другими словами, фрейм содержит условия, огра­ничивающие значения слота, а цель используется для определения, какое из этих условий, имея отношение к данной ситуации, является релевантным.

В итоге процесс сопоставления фрейма осуществ­ляется следующим образом:

1) сначала с помощью предположения и интуиции вы­бирается некоторый базовый фрейм, и с помощью знаний, основанных на выявленных особенностях, релевантности или с помощью подфреймов, предпола­гаемых наиболее релевантными, данный фрейм сам подтверждает или не подтверждает свою релевант­ность. При этом в соответствии с текущей целью опре­деляется, какое ограничение слота следует использо­вать при сопоставлении. При подтверждении процесс сопоставления завершается.

В противном случае:

2) если в данном фрейме имеется слот, в котором воз­никла ошибка, касающаяся, например, условия согла­сованности с информацией, заданной по умолчанию,
то необходима информация, обеспечивающая присваи­вание надлежащего значения данному слоту. Напри­мер, если в процессе сопоставления фрейма «угол зре­ния 1», показанного на рис. 3.11, в качестве информа­ции задаются только детали А, В, то для данного фрейма необходима информация, касающаяся дета­ли С. Присваивание требуемой информации данному слоту должно не противоречить ограничениям слота и ожиданиям, Если сопоставление оканчивается успехом даже при следующих обстоятельствах (в ка­честве примера):

 

— поле зрения справа,

— должна быть видна деталь С; если не видно, повернуть вправо на 90°,

— деталь А подпирается деталью В,

— нет соединения В с А, то

3) в качестве последнего шага управление передается другому надлежащему фрейму из этой системы. Если и этот фрейм не подходит, то управление передается соответствующему фрейму из другой фреймовой системы. В таком процессе используется информация о преобразовании (например о перемене угла зрения, изменении места и т. п.).

Если и это сопоставление оканчивается неуспехом, то это означает, что задача не имеет решения.

Рассмотренный выше процесс сопоставления касался только одного фрейма, но и в сложных визуаль­ных или текстовых объектах аналогичный процесс следует вводить в полный процесс обработки. (3) Иерархическая структура. Фрейм обычно соответствует представлению общего понятия с классифика­ционной иерархической структурой, как показано на рис. 3.10. Особенность такой иерархической структуры заключается в том, что информация об атрибутах, которую содержит фрейм верхнего уровня, совместно используется всеми фреймами нижних уровней, свя­занных с ним. Например, атрибут «животное передви­гается» является общим и для птиц, и для канарейки, которая находится на самом нижнем уровне. Если бы человеческая память имела подобную структуру, то можно было бы систематизировать и запоминать схожие понятия, избегать лишних сложностей, касаю­щихся информации об атрибутах, и добавлять новые понятия или знания в соответствующие позиции в этой иерархии (обучение). При этом упрощалось бы обна­ружение противоречий в знаниях и управление после­довательностью, и если можно было бы понять, что это птица даже без использования конкретных зна­ний (например, что это «курица»), то заметно повысилась бы гибкость системы, например, появилась бы возможность получения выводов на основании знаний о птицах и животных. (Следует отметить, что такая иерархическая структура свойственна не только для представления знаний фреймами. Например, в языке представления знаний, объединяющем фреймы и продукционные системы, иногда используется часть такой структуры в качестве базы данных продукционной си­стемы. В данном случае такую систему также можно назвать фреймовой, однако, хотя она значительно мощнее продукционной системы, по своей универсальности она уступает универсальной фреймовой си­стеме.)

 

 

Имеют покров

Животные Передвигаются

Едят

Дышат

 

Имеют плавники

Имеют крылья Рыбы Плавают

 

Птицы Летают Имеют жабры

Имеют оперенье

 

Длинные ноги

 

Большой рост Кусает Розовый

Съедобный

Поет Не летает Опасна

Страус Акула Лосось На

Желтая нерест

плывет

Канарейка вверх по реке

 

 

Рис. 3.10. Концептуальная схема классификационной иерархиче­ской структуры

 

(4) Межфреймовые сети. Запоминание концептуаль­ного объекта, имеющего классификационную иерархи­ческую структуру, легко поясняется фреймовой мо­делью, однако, как уже было сказано выше, если «процесс сопоставления» окончился неуспехом, воз­никает необходимость поиска фрейма, подобного пре­дыдущему. Такой поиск, осуществляемый с использо­ванием указателей различия, возможен благодаря соединению фреймов, описывающих объекты с не­большими различиями, с данными указателями и об­разованию сети подобных фреймов.

На рис. 3.11 показан пример так называемой сети Уинстона. Если при сопоставлении фрейма «стул» вы­яснилось, что объект слишком велик и у него отсут­ствует спинка, то с помощью указателя различия ищется фрейм «стол». Если окажется, что объект слишком широк и отсутствует спинка, можно выполнить эффективный поиск фрейма «скамейка» с помощью другого указателя различия.

 

Скамейка

 

Нет спинки, слишком широк

Стул

Слишком высок, нет спинки

 

 

Стол Табурет в баре

 

Слишком велик, нет спинки

Кухонный

стол

Письменный

Выдвижной стол Нет пространства

Ящик для ног

 

 

Рис. 3.11. Сеть подобия по Уинстону

 

В данном примере были рассмотрены указатели различия, однако семантические сети можно строить с помощью всевозможных других указателей и с их помощью с высокой эффективностью выполнять раз­личные выводы. (В таких случаях следует считать, что фреймовая система включает семантическую сеть.) (5) Значение по умолчанию. Когда человек рассма­тривает нечто и думает о том, что бы это значило, или мысленно представляет себе что-то и думает, что бы это значило, то данный процесс можно предста­вить как распределение конкретных значений между терминальными слотами фрейма. При этом в случае мысленного представления пределы, касающиеся рас­пределения этих значений, широки. В таких случаях предполагаемое значение называется значением по умолчанию. Например, при чтении предложения «Таро взял мяч» воображение читателя рисует не абстракт­ный мяч, а вполне конкретный, например мяч для игры в теннис или гольф. Кроме того, этот мяч дол­жен в его сознании обладать определенными атрибу­тами, например, размером, цветом и массой, значения которых подразумеваются по умолчанию.

Несомненно эти значения вызываются ассоциативно на основании личного опыта читателя. Подобные значения по умол­чанию слабо связаны со слотами и далее они посте­пенно заменяются на достоверную информацию.

Это основывается на следующем предположении: «Пока не распределены терминальные значения, реше­ние о занесении в долговременную память не прини­мается. До этого момента во фрейме хранится значе­ние по умолчанию, хотя и слабо связанное с ним». Выводы, получаемые на основании значений по умол­чанию, называются выводами по умолчанию. По этим выводам можно продолжить получение вывода и вос­полнить недостатки заданной информации. Эта функ­ция обычно расширяет возможности системы, в то же время существует опасность получения неправильных выводов на основе ошибочных представлений.

Вывод по умолчанию выполняет весьма важную функцию при распознавании образов или речи. На­пример, если видна только часть образа, то, заменив оставшиеся части значениями по умолчанию, можно обрисовать полный образ. Точно также, используя значение по умолчанию, можно восстановить смысл контекста, из которого выхвачены отдельные предло­жения. В качестве примера рассмотрим следующий текст:

Ханако приглашена на день рождения Таро. Она полагала, что он любит заводить юлу. Она направилась в свою комнату и потрясла ко­пилку.

Копилка не издала никакого звука,

Из подобного текста мы можем без труда восста­новить полное содержание. Для этого необходимо понять в целом, о чем говорится в приведенных предложениях. Можно легко понять, что главной темой первого предложения является некий день рождения. Сосредоточившись вокруг фрейма, касающегося дня рождения, и действуя далее подобным образом, мож­но подходящим способом присваивать значение сло­там и выстроить цепочку фреймов:

день рождения —> подарок —> юла —> юлы_нет —> купить —> деньги —> копилка —> потрясти — > звука нет —> денег нет —> обратиться к матери —> и т. д,

Здесь подчеркнутые места или значения по умол­чанию устанавливают связь между фреймами, в приведенных предложениях они отсутствуют. Когда используется такой способ вывода, предполагается, что кроме значений по умолчанию, существуют эффектив­но действующие межфреймовая сеть и демоны.

нижних уровней наследуют атрибуты объектов верхних уровней. Эти отношения еще назы­вают отношениями типа IS-А или (6) Отношения «абстрактное — конкретное» и «це­лое — часть». Рассмотренная выше иерархическая структура основывается на отношениях «абстракт­ное—конкретное», однако помимо такого типа струк­тур существуют и другие, основанные на отношениях «целое — часть».

Отношения «абстрактное—конкретное» характер­ны тем, что на верхних уровнях, как показано на рис. 3.10, расположены абстрактные объекты (концеп­ты), а на нижних уровнях — конкретные объекты, причем объекты KIND-OF. Такие названия объясняются формами записи «канарейка IS-А птица» (канарейка есть птица) и «канарейка is а KIND-OF птица» (канарейка— это разновидность птиц).

Еще одно отношение «целое — часть» касается структурированных объектов и показывает, что объект нижнего уровня является частью объекта верхнего уровня. Например стена является структур­ным элементом аудитории, однако она не является аудиторией, поэтому объект «стена» не наследует атрибут «аудитория», являющийся объектом верхнего уровня. Скорее наследование атрибутов выполняется на основании отношения IS-A типа «тело — стена — стена аудитории — стена аудитории А». Заметим, что в теории фреймов Минского рассматривались оба типа этих отношений, однако разделения их, подобно приведенному здесь, сделано не было.

Практическое применение во фреймовых системах получили лишь отношения «абстрактное-конкретное». Тем не менее иногда требуется описывать и управлять структурированным объектом, например в САПР, поэтому в таких случаях не обойтись без обработки отношений типа «целое — часть». При этом составляющие системы описываются отношениями IS-A, а структура — отношениями PART-OF. Однако в отношениях типа PART-OF нельзя использовать наследование атрибутов, из-за чего не видны преимущества модели представления знаний фреймами. В таких случаях необходимы другие методы.