4.7.1. Семантические сети

Большая часть семантических моделей (систем представления знаний) создана на базе семантических сетей. Этот термин обозначает целый класс подходов, для которых общим является использование графических схем с узлами, соединенными дугами. Узлы (вершины сети) представляют некоторые понятия (объекты, события, явления), а дуги – отношения между ними. Семантические модели являются объектно-ориентированными и обеспечивают в достаточной мере такой признак, как связность, реализуя четыре типа связей между объектами: классификацию, агрегирование, обобщение, ассоциациюразличные типы связей между объектами.

Основная идея моделирования при помощи семантических сетей заключается в том, что модель представляет данные о реальных объектах и связях между ними прямым способом, что существенно облегчает доступ к знаниям: начиная движение от некоторого понятия, по дугам отношений можно достичь других понятий.

Возьмем, например, следующую фразу: «Программист сел за компьютер и отладил программу». Здесь выделяется три объекта: программист (a1), компьютер (a2) и программа (a3). Эти объекты связаны отношениями: сел за (r1), отладил (r2), загружена в (r3). К отношениям, явно выраженным в тексте, отнесено и отношение «загружена в» («программа загружена в компьютер»).

Использование семантических моделей позволяет представить в базе знаний знания о любой предметной области и осуществить автоматическое построение семантических сетей непосредственно из текста.

К основным достоинствам семантических сетей можно отнести: представление средств для выражения ограничений; описание связей между объектами; определение операций над объектами.

Накладывая ограничения на описание вершины дуг, можно получить сети различного вида. Если вершины не имеют собственной внутренней структуры, то такие сети называют простыми. В противном случае они являются иерархическими сетями. Одно из основных отличий иерархических семантических сетей от простых состоит в возможности разделить сеть на подсети и установить отношения не только между вершинами, но и между пространствами.

Характерной особенностью некоторых семантических сетей является интегрированное описание процедурной семантики (прагматики) и статической семантики – допустимые операции над объектами определяются совместно с определением структур данных.

Наряду с достоинствами семантические модели обладают некоторыми недостатками. В семантических сетях нет специальных средств, позволяющих определить временные зависимости, поэтому временные значения и события трактуются как обычные понятия. Произвольная структура и различные типы вершин и связей усложняют процедуру обработки информации. Стремление устранить эти недостатки послужило причиной появления особых типов семантических сетей: синтагматические цепи, сценарии, фреймы и т.п.

4.7.2. Системы фреймов

Фреймы – это фрагменты знания, предназначенные для представления стандартных ситуаций. Термин «фрейм» (frame – рамка) был предложен М. Минским. Фреймы имеют вид структурированных наборов компонентов ситуации, называемых слотами. Слот может указывать на другой фрейм, устанавливая тем самым связь между двумя фреймами. Могут устанавливаться общие связи типа связи по обобщению, с каждым фреймом ассоциируется разнообразная информация (в том числе и процедуры), например, ожидаемые процедуры ситуации, способы получения информации о слотах, значения, принимаемые по умолчанию, правила вывода.

Формальная структура фрейма имеет следующий вид:

f[<N1,V1>,<N2,V2>.....<Nk,Vk>],

где f – имя фрейма;

пара <Ni,Vi> – i-й слот,

Ni – имя слота

и Vi – его значение.

Значение слота может быть представлено последовательностью

<K1><L1>; . . . ; <Kn><Tn>;<R1>; . . . ; <Rm>,

где Ki – имена атрибутов, характерных для данного слота;

Li – значения этих атрибутов или множества их значений;

Rj – различные ссылки на другие слоты.

Каждый фрейм как структура хранит знания о предметной области (фрейм-прототип), а при заполнении слотов значениями превращается в конкретный фрейм события или явления. Фреймы можно разделить на две группы: фреймы-описания и ролевые фреймы.

Рассмотрим примеры.

Фрейм-описание:

[<овощи>,<помидоры, Болгария 30 т>,<перец, Венгрия 10 т>,<баклажаны, Молдова 20 т>]

Ролевой фрейм:

[<доставить>,<что, прокат 10 т>,<откуда, Гомель>,<куда, Минск>,<чем, авто>,<когда, май>]

Во фрейме-описании в качестве имен слотов задан вид продукции, а значение слота характеризует массу и производителя конкретного вида продукции. В ролевом фрейме в качестве имен слотов выступают вопросительные слова, ответы на которые являются значениями слотов, для данного примера представлены уже описания конкретных фреймов, которые могут называться либо фреймами-примерами, либо фреймами-экземплярами. Если в приведенном примере убрать значения слотов, оставив только имена, то получим так называемый фрейм-прототип.

Достоинства фрейма-представления во многом основываются на включении в него предположений и ожиданий. Это достигается за счет присвоения по умолчанию слотам фрейма стандартных ситуаций. В процессе поиска решений эти значения могут быть заменены более достоверными. Некоторые переменные выделены таким образом, что об их значениях система должна спросить пользователя. Часть переменных определяется посредством встроенных процедур, называемых внутренними. По мере присвоения переменным определенных значений осуществляется вызов других процедур. Этот тип представления комбинирует декларативные и процедурные знания.

Фреймовые модели обеспечивают требования структурированности и связности. Это достигается за счет свойств наследования и вложенности, которыми обладают фреймы, т.е. в качестве слотов может выступать система имен слотов более низкого уровня, а также слоты могут быть использованы как вызовы каких-либо процедур для выполнения.

Для многих предметных областей фреймовые модели являются основным способом формализации знаний.