Информатика и программирование - Основы информатики, страница 12

- объекты, которые являются инициаторами события;

- объекты, на которые событие воздействует;

- объекты, характеризующие свойства события.

Все связи понятий, событий и свойств с действием (глаголом) называют падежами или падежными отношениями, которые относятся к классу лингвистических отношений (табл. 7 .11).

Таблица 7.11. Возможные падежи

Введение падежей позволяет перейти от поверхностной структуры к его смысловому содержанию.

Представим в виде семантической сети предложение: «Студент пришел в 18.50 с работы в университет на занятие, чтобы сдать лабораторную работу в компьютерном классе».

Выделим основные события в этом предложении, соответствующие действиям:

F1 – студент пришел;

F2 – пришел, чтобы сдать.

Схема семантической сети представлена на Рис. 7 .13.

Рис. 7.13. Представление знаний семантической сетью

Особенность семантических сетей как модели представления знаний состоит в единстве БЗ и механизма вывода новых знаний.

Рассмотрим метод сопоставления, который заключается в выполнении следующих шагов:

1) строится семантическая сеть, соответствующая структуре запроса;

2) сеть запроса сопоставляется с семантической сетью, в результате чего отыскивается искомый узел, который и является ответом.

Запрос «Куда пришел студент?» представим в виде сети (Рис. 7 .14).

Рис. 7.14. Семантическая сеть запроса «Куда пришел студент?»

Сопоставление общей сети с сетью запроса начинается с поиска вершины «пришел», имеющей дугу «агент», направленную от вершины «студент». Затем происходит переход по дуге «приемник», что приводит к ответу «в университет на занятие».

Наряду с методом сопоставления, в семантических сетях используется метод перекрестного поиска, состоящий из двух шагов:

1) поиск отношений между понятиями;

2) вершина, находящаяся на пересечении дуг, соответствующих отношениям в запросе, является ответом на запрос.

Сеть запроса «Что сделал студент в 18.50?» представлена на Рис. 7 .15.

Рис. 7.15. Семантическая сеть запроса
«Что сделал студент в 18.50?»

Сопоставление общей сети с сетью запроса начинается с поиска вершины, в которую сходятся дуги «агент» и «объект». В данной семантической сети присутствует одна вершина «пришел», и она связана падежами с вершинами «студент» и «в 18.50». Поэтому вершина «пришел» является ответом на этот запрос.

Любую семантическую сеть можно записать с помощью предикатов, то есть преобразовать семантические сети к логической модели представления знаний. Например, семантическую сеть, изображенную на Рис. 7 .12, можно описать с помощью предикатов

является (элемент, множество);

имеет (часть, объект),

следующим образом:

является (кашалот, кит);

является (Моби Дик, кашалот);

имеет (хвост, кит).

Отношение «студент – пришел» на Рис. 7 .13 можно описать предикатом

агент (инициатор, действие).

Другие отношения между объектами можно описать аналогичными предикатами.

Семантические сети, как модель представления знаний, имеют следующие преимущества:

- описание объектов и событий производится на уровне близком к естественному языку;

- возможность объединение нескольких семантических сетей в одну;

- возможность выделения фрагмента сети и использования ее в качестве автономной БЗ, содержащей все необходимые объекты, события и отношения между ними;

- небольшое число типов отношений между объектами и событиями.

7.5.Продукционные модели

Эта модель называется продукционной, так как все знания представляются в виде продукций – правил вида

ЕСЛИ A, ТО B,

где A – условная часть; B – заключительная часть.

Условная часть состоит из одного или нескольких высказываний, соединенных операциями конъюнкции. Заключение состоит из одного высказывания.

Если высказывания условной части истинны, то высказывание заключительной части тоже считается истинным.

Правила, условная часть которых истинна на некотором этапе логического вывода, образуют фронт готовых продукций.

Математические или программные средства, обрабатывающие знания, представленные правилами, называются продукционными системами или системами продукций.

Популярность продукционных моделей определяется следующими факторами:

- простой и точный механизм использования знаний: подавляющая часть человеческих знаний может быть записана в виде продукций;

- однородность: знания описываются по единому синтаксису;

- параллельность: одновременно могут обрабатываться несколько правил.

При большом числе продукций (более 1000) продуцкионная модель имеет, по крайней мере, два недостатка:

- усложняется проверка непротиворечивости продукций;

- усложняется проверка правильности работы логического вывода.

Системы продукций состоят из двух частей:

1) БЗ, состоящая из правил;

2) блок логического вывода новых знаний из правил БЗ.

Пример 7.37. Рассмотрим функционирование системы продукций, БЗ которой включает два правила.

правило П1 ЕСЛИ лето = жаркое И

осадков = мало

ТО урожай = плохой

правило П2 ЕСЛИ урожай = плохой

ТО цены_на_продукты = растут.

В правилах использовались высказывания, представляющие названия переменных и их значения.

Рассмотрим два способа логического вывода в продукционных моделях: прямую и обратную цепочки рассуждений. В прямой цепочке дано исходное истинное высказывание, которое служит для доказательства истинности новых высказываний. Далее производится перебор правил. Если условная часть правила является истинной, то и заключительная часть становится истинной.

Пусть известны два факта, то есть эти высказывания истинны:

лето = жаркое;

осадков = мало.

Прямая цепочка рассуждений будет состоять из следующих шагов.

1. Анализируется правило П1. Его условная часть истинна, так как оба высказывания из условной части истинны.

2. Так как условная часть правила П1 истинна, то заключительная часть правила П1 считается истинной. Следовательно, высказывание урожай = плохой является истинным.

3. Происходит переход к правилу П2 и анализируется его условная часть. Условная часть является истинной, так как высказывание урожай = плохой истинно.

4. Условная часть правила П2 является истинной, поэтому и заключительная часть этого правила является истинной. А значит высказывание цены_на_продукты = растут является истинным.

В результате прямой цепочки рассуждений при условии истинности высказываний

лето = жаркое;

осадков = мало.

были выведены следующие факты

урожай = плохой;

цены_на_продукты = растут. □

При обратной цепочке рассуждений анализируются заключительные части правил. Задачей обратной цепочки является доказательство истинности высказывания. В качестве исходных данных задаются уже известные истинные высказывания.

Пример 7.38. Пусть БЗ включается два правила и два факта, что и в предыдущем примере. Необходимо доказать истинность высказывания цены_на_продукты = растут.

Обратная цепочка рассуждений включает следующие шаги.

1. Производится поиск правила, в заключительной части которого находится это высказывание. Это правило П2.

2. Анализируется условная часть правила П2, состоящая из высказывания урожай = плохой. Истинность этого высказывания неизвестна, поэтому производится поиск правила, заключительная часть которого содержит высказывание урожай = плохой. Это правило П1.

3. Анализируется условная часть правила П1. Она является истинной, так как оба высказывания условной части истинны. Следовательно, высказывание урожай = плохой является истинным.

4. Условная часть правила П2 является истинной, что доказывает истинность высказывания цены_на_продукты = растут.

В результате обратной цепочки рассуждений доказана истинность высказывания цены_на_продукты = растут.□

В рассмотренном примере в БЗ находились всего два правила, но в реальных системах продукций число правил может достигать тысячи. Поэтому возникает проблема выбора продукции, которая будет активизирована в данной ситуации. Решение этой задачи возлагается на систему управления продукциями.

Рассмотрим несколько стратегий выбора продукций. Основная их идея сводится к сокращению фронта готовых продукций.

1. Принцип «стопки книг». Стратегия основана на идее, что наиболее используемая продукция является наиболее полезной. Готовые продукции образуют «стопку», в которой порядок определяется накопленной частотой использования в прошлом. На самом верху стопки находится продукция, у которой частота использования максимальна. Этот принцип особенно хорош, когда частота использования подсчитывается с учетом некоторой ситуации, в которой ранее исполнялась продукция, и это использование имело положительную оценку.

2. Принцип наиболее длинного условия. Стратегия заключается в выборе из фронта готовых продукций той, у которой стало истинным наиболее «длинное» условие. Этот принцип опирается на соображении, что частные правила, относящиеся к узкому классу ситуаций, важнее общих правил, относящихся к широкому классу, так как первые учитывают больше информации о ситуации, чем вторые. Трудность использования данного принципа состоит в том, что необходимо заранее упорядочить условия по вхождению друг в друга по отношению «ЧАСТНОЕ – ОБЩЕЕ».

3. Принцип метапродукций. В систему продукций вводятся специальных метапродукций, задачей которых является организация управления в системе продукций в случае неоднозначного выбора из фронта готовых продукций. Пример метапродукции:

ЕСЛИ (A) И (Существуют продукции, в условной части которых есть B) ТО (продукции, в условной части которых есть C, следует активизировать раньше, чем продукции, содержащие в условной части B),

где A, B, C – некоторые условия.

4. Принцип «классной доски». При реализации этой стратегии выделяется специальное рабочее поле памяти – аналог классной доски, на которой мелом пишут объявления и стирают их по мере необходимости. На этой «доске» выполняющиеся процессы осуществляют следующие действия:

- находят знания, инициирующие их активизацию;

- выносят информацию о своей работе, которая может оказаться необходимой для других процессов.

5. Принцип приоритетного выбора. Стратегия связана с введением статических или динамических приоритетов для продукций. Статические приоритеты могут формироваться априорно на основании сведений о важности продукционных правил в данной предметной области. Эти сведения, как правило, предоставляет эксперт. Динамические приоритеты вырабатываются в процессе функционирования продукционной системы и могут отражать, например, такой параметр, как время нахождения во фронте готовых продукций.

7.6.Фреймы

Основная идея фреймового подхода заключается в представлении понятий или ситуаций в виде фрейма.

Фрейм – это структура для описания понятий или ситуаций, состоящая из их значений характеристик.

Фрейм можно рассматривать как фрагмент семантической сети, предназначенный для описания объектов и всех их свойств.

Фрейм состоит из слотов. Слот соответсвует некоторой характеристике объекта, представленного фреймом. Значением слота может быть текстовым или числовым. Другие ферймы могут являться значением слота.

Для управления значения слота, со слотом может быть связана процедура. Процедура запускается при выполнении действия над значением слота или фреймом целиком. Со слотами могут быть связаны следующие процедуры:

1. ЕСЛИ – ДОБАВЛЕНО: выполняется, когда новая информация помещается в слот;

2. ЕСЛИ – УДАЛЕНО: выполняется при удалении информации из слота;

3. ЕСЛИ – НУЖНО: выполняется, когда запрашивается информация из слота, а он пуст.

Процедуры связываются с определенным слотом или фреймом целиком. С одним слотом могут быть связаны несколько процедур.

Рассмотрим основные особенности фреймов, как модели представления знаний.

1. Базовый тип. Базовые фреймы используются для наглядного представления наиболее важных объектов предметной области. На основе базовых фреймов строятся фреймы для новых объектов. При этом каждый дочерний фрейм содержит слот-указатель на родительский фрейм.

2. Процесс сопоставления. Во фреймовых системах осуществляется поиск фрейма, который соответствует цели (данной ситуации), то есть сопоставляются значения слота фрейма и значения атрибутов цели.