Файл: Лекція 4. Моделі подання знань.doc

Мета: розглянути основні засобі подання знань, навчитися подавати фрейми у вигляді формул, дерева або таблиці, навчитися будувати мережну модель знань.

Використана література:

М.М.Глибовець, О.В.Олецький «Штучний інтелект» - К.: Вид.дім «КМ Академія», 2002. – 366 с.

План

Представлення знань.
Моделі подання знань.

1. Представлення знань

Для представлення знань в пам'яті системи розробляються різноманітні моделі представлення знань. В даний час в інтелектуальних системах використовуються чотири основних моделі знань:

1 - СЕМАНТИЧНІ МЕРЕЖІ

2 - ФРЕЙМИ

3 - ЛОГІЧНІ СИСТЕМИ

4 - ПРОДУКЦІЇ

Перша модель, можливо, найбільш близька до того, як представляються знання в текстах на природній мові. В її основі лежить ідея про те, що вся необхідна інформація може бути описана як сукупність трійок вигляду:

(aRb), де а і b два об'єкти або поняття, а R – двійкові відносини між ними.

Така модель може графічно представлятися у вигляді мережі, в якій вершинам відповідають об'єкти або поняття, а дугам – відносини між ними. Така модель носить назву семантичної мережі.

В деякому розумінні фреймові представлення знань, широко поширені в штучному інтелекті, також є видом семантичних мереж, для переходу до якого, треба задовольнити ряд обмежень синтаксичного характеру.

В інтелектуальних системах для зберігання і використовування знань створюються спеціальні представлення знань, що включають в свій склад всю сукупність процедур, необхідних для запису знань, витягання їх з пам'яті і підтримки сховища знань в робочому стані. Системи представлення знань часто оформляються як бази знань, що є природним розвитком баз даних. Теорія баз знань складає зараз помітну частину штучного інтелекту.

2. Моделі подання знань

2.1. Евристичні моделі представлення знань.

Мережна модель

Сукупність взаємозв'язаних понять утворює семантичну мережу понять. Ця мережа складається з понять різних категорій: об'єктів, властивостей, операцій, подій і т.д.

Якщо предметну область (ПО) розглядати як сукупність понять і зв'язків (відносин) між ними, то семантичні мережі дають можливість представляти знання об ПО в наочній і структурованій формі. Семантичні мережі забезпечують уявлення ПО у вигляді орієнтованого графа, вершинами якого виступають поняття, а ребрами – зв'язки між ними. Зв'язок між поняттями мережної моделі виражає мінімальний об'єм знань, найпростіший факт, що відноситься до двох понять.

ПО у будь-який момент часу може бути представлена у вигляді сукупності єств, понять і ситуацій, званої її станом. Кожній ситуації можна поставити у відповідність деяке твердження або думку про її істинність або помилковість.

Основа семантичної мережі – події, атрибути, комплекси ознак і процедури.

Події – це думки, факти, результати наглядів, рекомендації. Можуть представлятися словосполученнями і числами. Групуються тематично або функціонально в розділи. Діляться на ті, що характеризуються і характеризуючі (події-ознаки, наприклад, «йде дощ» для події «дощова погода»).

Атрибут – це характеризуюче подію, що має декілька значень. (Наприклад, «погода» атрибут «пори року»).

Декілька ознак можуть об'єднуватися в комплекс, що характеризує подію більшою мірою, ніж окрема ознака.

Процедура – це специфічний компонент мережі, що виконує перетворення інформації. Вона дозволяє обчислювати значення одних атрибутів на підставі інших, оперуючи як з числами, так і з символами.

Для висновку знання події в мережній моделі діляться на початкові(ознаки) і цільові(гіпотези).

Вузли можуть являти собою:

об’єкти – постійні елементи ПГ;
характеристики, що описують властивості об’єктів;
значення (константи, змінні) конкретних характеристик;
класи, що вказують на множину об’єктів з загальними характеристиками або на множину класів;
події, що відповідають діям, які відбулися в

Дуги (відношення) умовно поділяються на лінгвістичний (час, вид, стан, колір, розмір), логічний (заперечення, кон’юнкція, диз’юнкція, імплікація), теоретико-множинний (підмножина, частина і ціле, елемент множини, близькість) та квантифікаційний (числові характеристики, квантори загальності, існування, нечіткі квантори (багато, кілька, часто)) класи.

Дуга між об’єктами відповідає твердженню, між класом та об’єктом – породженню одиничного примірника, між класами – бінарному відношенню, між об’єктом та подією – покажчику на роль об’єкта в події.

Залежно від характеру відношень виділяють наступні види мереж:

Семантична мережа – модель подання знань за допомогою вузлів (поняття або об’єкт), пов’язаних спрямованими дугами (відношення між вузлами). Об’єктами служать – об’єкти-поняття (концепти), об’єкти-події або об’єкти-характеристики. Відношення можуть бути однаковими (однорідна мережа) або мати різний зріст (неоднорідна мережа). Сценарій – однорідна мережа для опису пов’язаних подій з відносинами несуворого порядку.

Функціональна мережа – містить вузли аргументи, з яких йдуть дуги у вузли, де поняття формують процедуру обробки аргументів.

За кількістю станів зв’язку існують дискретні (зв’язок або існує або ні) та аналогові (зв’язок характеризується прохідністю) семантичні мережі.

За кількістю об’єктів, які зв’язуються наявними відношеннями, розрізняють бінарні (два об’єкта) або n-арні мережі.

Переваги ММ

Недоліки ММ

Структурованість знань у мережі (Мережа легко добудовується)
Багатовимірність (Враховуються численні типи відношень)
Ефективний пошук (Відношення визначають шляхи доступу до бази знань)
Відображення структури і зв’язаності, властивих знанням, явним чином.

Зниження однорідності мережі за умови збільшення типів об’єктів
Важко знаходити факти, віддалені від початку пошуку.

Приклад: (а –поняття, r - відношення)

а1 r1 a2 r2 a3 a4 r3 a5

Іванов відправив поштою з Київа книгу для Петрова

Фреймова модель

Фрейм (від. frame - рамка) – модель подання знань, яка при заповненні її елементів (слотів) певними значеннями перетворюється в опис конкретного факту, події, процесу.

Слот (валентність) – складова частина фрейма, яка може бути заповненим елементом даних певного типу. Слот характеризує деяку властивість або зв’язок поняття, що описується фреймом.

Кожний фрейм можна розглядати як семантичну мережу, що складається з виділених вершин і зв'язків.

Фреймова модель заснована на принципі фрагментації знань.

Основа фреймової моделі – слот, який складається з імені деякої ознаки, значень цієї ознаки і зв'язку з іншими слотами.

Наприклад, опис ситуації «Студент Іванов одержав книгу А. Я. Архангельського «100 компонентів Delphi» в бібліотеці ТГПУ ним. Л. Н. Товстого в р. Тулі» може бути представлено таким чином:

ОТРИМАННЯ:

ОБЕКТ (КНИГА: (Автор, А. Я. Архангельський) (Назва, 100 компонентів Delphi));

АГЕНТ (СТУДЕНТ: (Прізвище, Іванов));

МІСЦЕ: (БІБЛІОТЕКА: (Назва, ТГПУ) (Розташування, Тула)).

Тут ОБ'ЄКТ, АГЕНТ і МІСЦЕ – це ролі, які грають слоти КНИГА, СТУДЕНТ і БІБЛІОТЕКА в рамках фрейма ОТРИМАННЯ.

Фреймову модель можна представити у вигляді таблиці, у якої на відміну від реляційної моделі даних є ряд особливостей:

можливість змішаного заповнення слотів константами і змінними;
можливість наявності порожніх слотів;
розміщення в слотах покажчиків на інші фрейми для створення мережі;
розміщення в слотах імен виконуваних процедур.

Фрейм можне подати у вигляді формули, таблиці або дерева (мережи).

Варіант запису формули:

F(<S>, <g₁, h₁>,<g₂, h₂>,…,<g_n, h_n>),

Де f - ім’я фрейма, S – слот із родовим або суперпоняттям, інше – набір слотів, у яких g - ім’я слота, h – значення слота, що описують властивості, які відрізняються в даного об’єкта від родового поняття. Імена слотів можуть вказувати на їх зміст (спадкоємність, користувача, дату створення).

Варіант запису у вигляді таблиці:

Унікальне ім’я фрейма Слот 1	Покажчик фрейма-батька	Покажчик типів даних слота
Ім’я слота Слот 2		Покажчик типів даних слота	Значення слота	Демон
Ім’я слота Слот 3	...	...	...	...
	...	...	...	...
Ім’я слота Слот n	...	...	...	...

Родове поняття знаходиться на верхньому рівні.

Покажчик фрейма-батька (інформація про атрибути слотів вищого фрейма, що успадковують слоти з такими ж іменами в фреймах нащадках) застосовується для побудови ієрархії, у не ієрархічних системах його немає. Напр.: U (unique) – фрейми можуть мати слоти різного призначення, S (same) – усі слоти повинні мати однакові значення, R (range) – значення слотів фреймів-батьків визначають межи значень для слотів фреймів-нащадків.

Покажчик типів даних з урахуванням спадковості вказує, які величини припускаються в значенні слота. Напр.: TEXT, REAL, INTEGER, LIST, BOOL, FRAME.

Демон – це прихована або віртуально приєднана процедура, що автоматично виконується при наявності певних умов, зміні бази знань. Напр.: демон if-needed виконується коли до слота йде звертання, if-added –в слот підставляється значення, if-removed – стирається. Приєднана процедура виконується за вказівкою, що приходить з іншого фрейма.

За станом фрейми поділяють на фрейм-прототип (протофрейм, фрейм-інтенсіал), в якого частина або всі слоти не мають значень, та фрейм-екземпляр, слоти якого заповнені конкретними значеннями і який являє собою опис, що має значення істини.

За функцією фрейми поділяються на фрейм-опис, що моделює властивості або ситуації, та рольові фрейми, що для імен слотів використовують назви ролей сукупність яких і визначає зміст усього фрейма.

Варіант запису у вигляді дерева (мережи):

Фрейми мають властивість укладеності, тому що в значенні слота може виступати система імен нижчого рівня. Для всебічного опису об’єкта застосовуються фрейми з загальними елементами. Різні фрейми описують об’єкт з різних сторін, тобто вони повинні мати загальний елемент (покажчик) і різні термінальні слоти.

Переваги Фреймів	Недоліки Фреймів
Укладеність, що забезпечує структурованість, спадковість і зв’язаність знань Внутрішня інтерпретованість (Значення мають характер посилань)	Непристосованість до подання процедурних знань

Приклад: Фрейм інформації про наявність місць

Ім’я слота	Значеня слота	if-needed	if-removed	if-added
Дата	25.02.2001	Коли?
Маршрут	Київ-Прага
Місця	Бізнес-клас		Обнуління табло	Бронювання місця