2.2.4. Фреймовая модель представления знаний
Понятие и структура фрейма.
Теория фреймов - это парадигма для представления знаний с целью использования этих знаний компьютером. Теория фреймов (теория представления знаний фреймами) была разработана Марвином Минским (США) в 70-е г.г. XX в. В ее основе лежит восприятие фактов посредством сопоставления полученной извне информации с конкретными элементами и значениями, а также с рамками, определенными для каждого объекта в памяти человека.Эта модель, как и семантическая сеть, имеет глубокое психологическое обоснование.
Минский разработал такую схему, в которой информация содержится в специальных ячейках, называемых фреймами, объединенными в сеть, называемую системой фреймов. Новый фрейм активизируется с наступлением новой ситуации. Отличительной его чертой является то, что он одновременно содержит большой объем знаний и в то же время является достаточно гибким для того, чтобы быть использованным как отдельный элемент БД. Термин «фрейм» был наиболее популярен в середине семидесятых годов, когда существовало много его толкований, отличных от интерпретации Минского.
Чтобы лучше понять эту теорию, рассмотрим один из примеров Минского, основанный на связи между ожиданием, ощущением и чувством человека, когда он открывает дверь и входит в комнату. Предположим, что вы собираетесь открыть дверь и зайти в комнату незнакомого вам дома. Находясь в доме, перед тем как открыть дверь, у вас имеются определенные представления о том, что вы увидите, войдя в комнату. Например, если вы увидите какой либо пейзаж или морской берег, поначалу вы с трудом узнаете их. Затем вы будете удивлены, и в конце концов дезориентированы, так как вы не сможете объяснить поступившую информацию и связать ее с теми представлениями, которые у вас имелись до того. Также у вас возникнут затруднения с тем, чтобы предсказать дальнейший ход событий. С аналитической точки зрения это можно объяснить как активизацию фрейма комнаты в момент открывания двери и его ведущую роль в интерпретации поступающей информации. Если бы вы увидели за дверью кровать, то фрейм комнаты приобрел бы более узкую форму и превратился бы во фрейм кровати. Другими словами, вы бы имели доступ к наиболее специфичному фрейму из всех доступных.
Термин фрейм (от английского слова frame, что означает «каркас» или «рамка») был предложен М.Минскимдля обозначения структуры знаний для восприятия пространственных сцен.
Фрейм – это структура для представления знаний, которая при заполнении ее соответствующими значениями превращается в описание конкретного факта, события или ситуации.
Фрейм является минимально возможным описание сущности какого-либо явления, события, ситуации, процесса или объекта. (Минимально возможное означает, что при дальнейшем упрощении описания теряется его полнота, оно перестает определять ту единицу знаний, для которой оно предназначено.)
В психологии и философии известно понятие абстрактного образа. Например, произнесение вслух слова «комната» порождает у слушающих образ комнаты: «жилое помещение с четырьмя стенами, полом, потолком, окнами и дверью, площадью 6-20 м2». Из этого описания ничего нельзя убрать (например, убрав окна, мы получим уже чулан, а не комнату), но в нем есть «дырки» или «слоты» — это незаполненные значения некоторых атрибутов — например, количество окон,.цвет стен, высота потолка, покрытие пола и др. В теории фреймов такой образ комнаты называется фреймом комнаты. Фреймом также называется и формализованная модель для отображения образа.
Структура фрейма. Фрейм имеет почти однородную структуру и состоит из стандартных единиц, называемых слотами. Каждая такая единица — слот — содержит название и свое значение.
Фрейм можно представить:
а) в виде цепочки:
Фрейм:<слот 1>, <слот 2>, … ,<слот N>.
или более подробно, как список свойств:
Имя ФРЕЙМА: <имя 1-го слота: значение 1-го слота>, <имя 2-го слота: значение 2-го слота>, <…>, <имя N-гo слота: значение N-гo слота>.
б) в виде таблицы:
Имя фрейма |
|
Имя слота 1 |
Значение слота 1 |
Имя слота 2 |
Значение слота 2 |
|
|
Имя слота N |
Значение слота N |
В качестве примера, рассмотрим 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 |
Физика |
Лектор |
Иванов И.И. |
Аудитория |
109 |
Слушатели |
Пи41 |
В данном случае "ЛЕКЦИЯ" - название фрейма; "ПРЕДМЕТ", "ЛЕКТОР", "АУДИТОРИЯ", "СЛУШАТЕЛИ - слоты; "Физика", "Иванов И.И.", "109", "ПИ41" - значения слотов.
Типы фреймов. Различают фреймы-прототипы, хранящиеся в базе знаний, и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных фактических ситуаций на основе поступающих данных.
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, Х2и 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.
Модель фрейма является достаточно универсальной, поскольку в состав фрейма могут входить слоты с именами действий, то фреймы годятся для представления как декларативных, так и процедурных знаний.
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.
Фреймовая модель представления знаний – это модель, в
которой структура знаний предметной области формализуется в виде совокупности взаимосвязанных фреймов, описывающих объекты, а свойства этих объектов и факты, относящиеся к ним, описываются в структурных элементах фрейма.
Чтобы представить семантическую сеть в виде совокупности фреймов, надо уметь представлять отношения между вершинами сети. Для этого также используются слоты фреймов. Эти слоты могут иметь имена вида "Связь Y", где Y есть имя того отношения (его тип), которое устанавливает данный фрейм-вершина с другим фреймом-вершиной.
Заметим также, что в качестве значения слота может выступать новый фрейм, что позволяет на множестве фреймов осуществлять иерархическую классификацию. Это очень удобное свойство фреймов, так как человеческие знания, как правило, упорядочены по общности.
Важнейшим свойством теории фреймов является заимствование из теории семантических сетей — так называемое наследование свойств. Во фреймах наследование происходит по АКО-связям (A-Kind-Of= это), которые связывают фреймы с фреймами, находящимися на уровень выше в иерархии, откуда неявно наследуются (переносятся) значения слотов.Слот АКО указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда неявно наследуются, то есть переносятся, значения аналогичных слотов.
ПРИМЕР: Понятие «Лектор».
ЧЕЛОВЕК |
|
AKO |
Млекопитающее |
УМЕЕТ |
Мыслить |
ЛЕКТОР |
|
AKO |
Человек |
ОБРАЗОВАНИЕ |
Высшее |
ВОЗРАСТ |
23-60 |
В данном случае представлено одно звено иерархии (ЧЕЛОВЕК-ЛЕКТОР). Здесь фрейм "ЧЕЛОВЕК" является обощающим для фрейма "ЛЕКТОР". Таким образом, фрейм "ЛЕКТОР" наследует от фрейма "ЧЕЛОВЕК" значение слота "УМЕЕТ" (а также других слотов, не показанных в примере). Цепочка наследования может быть продолжена вплоть до, например, фрейма "ЖИВОЕ СУЩЕСТВО".
Кроме того связь фреймов осуществляется по значению слота. Фрагмент сети фреймов представлен на рис.1.34. Такая структура позволяет систематизировать большой объем информации, оставляя ее при этом максимально удобной для использования. Кроме того, система (сеть) фреймов способна отражать концептуальную основу организации памяти человека.
Рис.1.3 Фрагмент сети фреймов.