Лекции - Искусственный интеллект

Подождите немного. Документ загружается.

1. Разделение знания и управления. ПС – изящная модель

разделения знания и управления в компьютерной программе.

Управление обеспечивается циклом «распознание-действие»

продукционной системы. При этом знания о методах решения

задач сосредоточены непосредственно в правилах.

Преимущество такого разделения заключается в простоте

изменения базы знаний, при котором не требуется изменять код

программы управления. И, наоборот, это позволяет изменять

код управляющей части программы, не трогая набор правил

вывода.

2. Естественное соответствие поиску в пространстве

состояний. Компоненты ПС естественно отображаются в

логическую структуру поиска в пространстве состояний.

Последовательные состояния рабочей памяти составляют

вершины графа пространства состояний. Правила вывода –

набор возможных переходов между состояниями. Разрешение

конфликтов обеспечивает выбор перехода (ветви) в

пространстве состояний. Эти правила упрощают выполнение,

отладку и документирование алгоритмов поиска.

3. Модульность продукционных правил. Важный аспект

в моделировании ПС – это отсутствие синтаксического

взаимодействия между продукционными правилами. Правила

могут только влиять на активизацию других правил, изменяя

образец в рабочей памяти. Правила не могут «вызывать» другие

правила непосредственно, как подпрограммы. При этом они не

могут устанавливать значения переменных в других

продукционных правилах. Область действия переменных этих

правил ограничена отдельным правилом. Эта синтаксическая

независимость способствует разработке экспертных систем

путем последовательного добавления, удаления или изменения

знаний (правил) системы.

4. Управление на основе образцов. Задачи, решаемые с

помощью программ ИИ, требуют особой гибкости при

выполнении программы. Это вызвано еще и тем фактором, что

правила в ПС могут запускаться в любой последовательности.

Описание задачи, представляющее текущее состояние,

определяет конфликтное множество и, следовательно,

конкретный путь поиска и решения.

5. Возможности эвристического управления поиском.

6. Трассировка и трактовка. Модульность правил и

итерационный характер их выполнения облегчает контроль за

работой ПС. На каждой стадии «распознание-действие»

рассматривается некоторое правило. Поскольку каждое правило

соответствует отдельной «порции» знаний о методах решения

задач, содержание правила должно давать ясную

интерпретацию текущего состояния системы и действия. Более

того, цепочка правил, используемых в процессе решения,

отражает как путь на графе, так и цепочку рассуждений,

приводящую к решению задачи человека-эксперта.

7. Независимость от выбора языка. Модель управления

ПС не зависит от представления правил и рабочей памяти, если

это представление поддерживает сравнение с образцами.

8. Правдоподобная модель решения задачи человеком.

К недостаткам систем продукций можно отнести

следующие:

• отличие от структур знаний, свойственных человеку;

• неясность взаимных отношений правил;

• сложность оценки целостного образа знаний;

• низкая эффективность обработки знаний.

При разработке небольших систем (десятки правил)

проявляются в основном положительные стороны систем

продукций, однако при увеличении объема знаний более

заметными становятся слабые стороны.

5.4. Объектно-ориентированное представление знаний

фреймами

Фреймовая модель представления знаний основана на

теории фреймов М. Минского, которая представляет собой

систематизированную психологическую модель памяти

человека и его сознания. Эта теория имеет весьма абстрактный

характер, поэтому только на ее основе невозможно создание

конкретных языков представления знаний.

Описание свойств некоторого объекта или события

может быть выполнено с помощью фрейма. Достоинство

фрейма заключается в том, что элементы, присутствующие в

описании объекта или события, группируются в

самостоятельную структурную единицу и поэтому могут

извлекаться и обрабатываться как единое целое. Механизм

организации ссылок позволяет конструировать из отдельных

фреймов сложные сетевые структуры, т.е.реализовывать

необходимые для данной ПО связи между объектами,

событиями, понятиями.

Фреймом называется структура данных для представления

некоторого концептуального объекта.

Фрейм представляет собой поименованную структуру,

составленную из ряда описаний – слотов (рис. 5.3).

С помощью слотов идентифицируются основные

структурные элементы фрейма. Слот представляет собой

конструкцию из двух элементов: имени слота и значения слота

(или, как еще их называют шпации).

слоты

имя слота

значение слота

Рис. 5.3

Имя фрейма используется для идентификации

описываемого фреймом понятия. Имена слотов используются

для идентификации понятий, которые описывают основное

Имя фрейма

Имя 1:...

Имя 2:...

...

Имя k:...

понятие, представленное именем фрейма, причем в качестве

значений слотов могут указываться имена других фреймов, т.е.

реализовываться ссылки между фреймами.

Например, фрейм стол может быть записан в виде 3-х

слотов: слот НАЗНАЧЕНИЕ, слот ТИП и слот ЦВЕТ

следующим образом:

имя: СТОЛ

НАЗНАЧЕНИЕ: размещение предметов для

деятельности рук

ТИП: письменный

ЦВЕТ: коричневый

Рассмотрим пример фрейма с незаполненными шпациями,

кроме первого слота:

имя: СТАРОСТА

есть-нек: СТУДЕНТ

фамилия:...

имя:...

отчество:...

год рождения:...

адрес:..

стипендия:...

дата зачисления:...

дата отчисления:...

группа:...

Все слоты, кроме первого, пустые. Значением первого

слота является имя другого фрейма – СТУДЕНТ, описывающего

понятие более высокого уровня по отношению к понятию

СТАРОСТА. В разделе имени этого слота помечено, что эта

связь типа ЕСТЬ-НЕК, т.е. в данном примере первый слот

фрейма используется для построения иерархии типов и

организации механизма наследования свойств.

Итак, значением слота может быть имя, что означает

ссылку на другой фрейм. Кроме того, значение слота может

быть константой, т.е. содержать конкретное значение понятия,

определенного именем слота. Для указания этого используется

ключевое слово, например, АГРЕГАТ. Допускается задавать

множество значений, для чего также используется ключевое

слово, например, ИТЕРВАЛ. Допускается задавать значение по

умолчанию, в этом случае используется ключевое слово ПО

УМОЛЧАНИЮ. Сами значения будем заключать в круглые

скобки.

Рассмотрим пример заполненного фрейма:

имя: СТАРОСТА

есть-нек: СТУДЕНТ

фамилия: агрегат (Иванов)

имя: агрегат (Алексей)

отчество: агрегат (Ильич)

год рождения: агрегат (1987)

адрес: АДРЕС_ИВАНОВА

стипендия: СТИПЕНДИЯ_ИВАНОВА

дата-зачисления: агрегат (30.07.04)

дата-отчисления: по умолчанию (учится по н.в.)

группа: агрегат (ИТ041)

Ключевые слова называют еще фасетами слота.

Слот может содержать не только конкретное значение, но

также имя процедуры, позволяющей вычислить это значение по

заданному алгоритму. Например, слот с именем возраст может

содержать имя процедуры, которая вычисляет возраст человека

по дате рождения, записанной в другом слоте, и текущей дате.

Процедуры, располагающиеся в слотах, называются связанными

или присоединенными процедурами. Вызов связанной

процедуры осуществляется при обращении к слоту, в котором

она помещена. Заполнителями слота могут быть также правила

продукций, используемые для определения конкретного

значения. В слоте может содержаться не одно, а несколько

значений, т. е. в качестве структурных составляющих фреймов

могут использоваться данные сложных типов, а именно:

массивы, списки, множества, фреймы и т. д. Например, в слоте с

именем брат может содержаться список имен, если объект,

описываемый данным фреймом, имеет нескольких братьев.

Значение слота может представлять собой некоторый диапазон

или перечень возможных значений, арифметическое выражение,

фрагмент текста и т.д.

Для введения в сеть программ (прикладных процедур,

реализующих правила обработки данных) в качестве значения

слота указывается имя программы через ключевое слово.

Например, использовано ключевое слово ВЫЧИСЛИТЬ:

имя: СТИПЕНДИЯ_ИВАНОВА

начисление: вычислить (ОПЛАТА)

есть-нек: СТИПЕНДИЯ

Обрабатывая данный фрейм, управляющая программа

вызовет программу ОПЛАТА, которая вычислит

соответствующее значение слота «начисление».

Совокупность данных предметной области может быть

представлена множеством взаимосвязанных фреймов,

образующих единую фреймовую систему, в которой

объединяются декларативные и процедурные знания. Такая

система имеет, как правило, иерархическую структуру, в

которой фреймы соединены друг с другом с помощью

родовидовых связей. На верхнем уровне иерархии находится

фрейм, содержащий наиболее общую информацию, истинную

для всех остальных фреймов. Фреймы обладают способностью

наследовать значения характеристик своих родителей.

Например, фрейм АФРИКАНСКИЙ_СЛОН наследует от

фрейма СЛОН значение характеристики цвет=«серый».

Значение характеристики в дочернем фрейме может отличаться

от родительского, например, значением данного слота для

фрейма АЗИАТСКИЙ_СЛОН является цвет=«коричневый».

Над фреймами можно совершать некоторые теоретико-

множественные операции, например объединение и

пересечение. При объединении фреймов в результирующем

фрейме будут присутствовать все слоты, которые встречались в

исходных фреймах. В слотах, не являющихся общими, будут

сохранены исходные значения. Если в объединяемых фреймах

были одноименные слоты, в результирующем фрейме останется

один слот с таким именем, значение его определится в

результате объединения значений одноименных слотов. При

пересечении фреймов в результирующем фрейме будут

присутствовать только те слоты, которые имелись во всех

исходных фреймах. Вычислить результирующие значения

можно двумя способами. Первый способ состоит в том, что в

результирующем фрейме присутствуют только те значения,

которые совпадали в исходных фреймах. Во втором способе

результирующие значения находят путем пересечения значений

из исходных фреймов.

Фреймовые системы подразделяются на статические и

динамические, последние допускают изменение фреймов в

процессе решения задачи.

Пример фрейма РУКОВОДИТЕЛЬ

Имя слота Значение слота Тип значения слота

Имя Иванов И. И. Строка символов

Рожден 01.01.1975 Дата

Возраст age(дата, рожден) Процедура

Специальность Юрист Строка символов

Отдел Отдел кадров Строка символов

Зарплата 20000 Число

Адрес ДОМ_АДРЕС Фрейм

В общем случае структура данных фрейма может

содержать более широкий набор информации, в который входят

следующие атрибуты.

Имя фрейма. Оно служит для идентификации фрейма в

системе и должно быть уникальным. Фрейм представляет собой

совокупность слотов, число которых может быть произвольным.

Число слотов в каждом фрейме устанавливается

проектировщиком системы, при этом часть слотов определяется

самой системой для выполнения специфических функций

(системные слоты), примерами которых являются: слот-

указатель родителя данного фрейма (IS-А), слот-указатель

дочерних фреймов, слот для ввода имени пользователя, слот для

ввода даты определения фрейма, слот для ввода даты изменения

фрейма и т.д.

Имя слота. Оно должно быть уникальным в пределах

фрейма. Обычно имя слота представляет собой идентификатор,

который наделен определенной семантикой. В качестве имени

слота может выступать произвольный текст. Например, <Имя

слота> = Главный герой романа Ф. М. Достоевского «Идиот»,

значение слота>= Князь Мышкин. Имена системных слотов

обычно зарезервированы, в различных системах они могут

иметь различные значения. Примеры имен системных слотов:

IS-А, НАSРАRТ, RELATIONS и т.д. Системные слоты служат

для редактирования базы знаний и управления выводом во

фреймовой системе.

Указатели наследования. Они показывают, какую

информацию об атрибутах слотов из фрейма верхнего уровня

наследуют слоты с аналогичными именами в данном фрейме.

Указатели наследования характерны для фреймовых систем

иерархического типа, основанных на отношениях типа

«абстрактное - конкретное». В конкретных системах указатели

наследования могут быть организованы различными способами

и иметь разные обозначения:

U (Unique) — значение слота не наследуется;

S (Same) — значение слота наследуется;

R (Range) — значения слота должны находиться в

пределах интервала значений, указанных в одноименном слоте

родительского фрейма;

О (Override) — при отсутствии значения в текущем слоте

оно наследуется из фрейма верхнего уровня, однако в случае

определения значения текущего слота оно может быть

уникальным. Этот тип указателя выполняет одновременно

функции указателей U и S.

Указатель типа данных. Он показывает тип значения

слота. Наиболее употребляемые типы: frame — указатель на

фрейм; real — вещественное число; integer — целое число;

boolean — логический тип; text — фрагмент текста; list —

список; table — таблица; expression — выражение; lisp —

связанная процедура и т.д.

Значение слота. Оно должно соответствовать указанному

типу данных и условию наследования.

Демоны. Демоном называется процедура, автоматически

запускаемая при выполнении некоторого условия. Демоны

автоматически запускаются при обращении к

соответствующему слоту. Типы демонов связаны с условием

запуска процедуры. Демон с условием IF-NEEDED запускается,

если в момент обращения к слоту его значение не было

установлено. Демон типа 1F-ADDED запускается при попытке

изменения значения слота. Демон IF-REMOVED запускается

при попытке удаления значения слота. Возможны также другие

типы демонов. Демон является разновидностью связанной

процедуры.

Присоединенная процедура. В качестве значения слота

может использоваться процедура, называемая служебной в

языке Лисп или методом в языках объектно-ориентированного

программирования. Присоединенная процедура запускается по

сообщению переданному из другого фрейма. Демоны и

присоединенные процедуры являются процедурными знаниями,

объединенными вместе с декларативными в единую систему.

Эти процедурные знания являются средствами управления

выводом во фреймовых системах, причем с их помощью можно

реализовать любой механизм вывода. Представление таких

знаний и заполнение ими интеллектуальных систем - весьма

нелегкое дело, которое требует дополнительных затрат труда и

времени разработчиков ИИС. Поэтому проектирование

фреймовых систем выполняется как правило, специалистами,

имеющими высокий уровень квалификации в области

искусственного интеллекта.

Пример сети фреймов приведен на рис. 5.4 [5]. На нем

понятие УЧЕНИК наследует свойства фреймов РЕБЕНОК и

ЧЕЛОВЕК, которые находятся на более высоких уровнях

иерархии. Если будет задан вопрос «Любят ли ученики

сладкое?», то следует ответ «да», так как этим свойством

обладают все дети что указано во фрейме РЕБЕНОК.

Наследование свойств может быть частичным, например

«возраст» для учеников не наследуется из фрейма «ребенок»,

так как явно указан в собственном фрейме

Рис. 5.4. Пример иерархии фреймов

Рассмотрим примеры, поясняющие построение сети

фреймов, в которой учитываются различия между категориями

обобщений знак-тип и тип-тип и управляющая структура

реализует наследование свойств в соответствии с иерархией

типов.

Пример.

имя: СТАРОСТА-Х

есть-нек: СТАРОСТА

стипендия: СТИПЕНДИЯ-Х

адрес: АДРЕС-Х

дата-зачисления: агрегат (30.07.2003)

дата-отчисления: по умолчанию (учится по н.в.)

группа: агрегат (ИТ031)

есть-нек: СТУДЕНТ-Х

где Х – системный номер экземпляра фрейма (например,

адрес расположения в памяти системы).

имя: СТАРОСТА

есть-нек: СТУДЕНТ

имя: СПОРТСМЕН-Х1

есть-нек: СПОРТСМЕН

Млекопита

ющее

Мысли

ть

IS-A

Умеет

Учится

IS-A

Возраст

Носит

Ребенок

В школе

7-17 лет

Форму

Возраст

IS-A

Рост

Люби

Человек

0-16 лет

50-180 см

Сладкое

ЧЕЛОВЕК

РЕБЕНОК

УЧЕНИК