Albatross

isa

Colour

Brown

\ ^^ movingmethod

;olour /

Black and white

Albert

\ isa

\

Ross

is a \

\act

ActrVe_at night

<^

Walk

Рис, 15.5. Пример семантической сети

Обратите внимание, что отношение принадлежности (обозначается как "isa") иногда связывает класс объектов с суперклассом этого класса (животные — это су­перкласс класса птиц), а иногда — экземпляр класса с самим классом (Альберт яв­ляется альбатросом).

Данные, представленные с помощью сети такого рода, можно немедленно пере­вести на язык фактов Prolog, например, следующим образом:

isa( bird, animal) . % Птица - это животное

isa ( ross, albatross). % Росс - альбатрос

raoving_method( bird, fly).% Способ передвижения птиц - полет

moving_method< kiwi,walk). % Способ передвижения киви - ходьба

Кроме явно указанных фактов, на основании информации в этой сети могут быть выведены некоторые другие факты. Способы вывода других фактов встраиваются в

Глава 15.Представление знаний и экспертные системы

средства представления семантической сети конкретного типа как часть этого пред­ставления. К типичному встроенному способу вывода относится наследование. По­этому в сети, приведенной на рис. 15.5, тот факт, что "альбатрос летает", может быть унаследован от факта "птицы летают". Аналогичным образом с помощью наследова­ния могут быть получены факты "Росс летает" и "Ким ходит". Факты наследуются с использованием отношения isa. На языке Prolog можно указать следующим обра­зом, что способ передвижения наследуется: moving_m_ethod ( X, Method) :-

isa [ X, superx), % Восхождение по иерархии isa

moving_iri_eth₀d{ SuperX, Method). Но если бы для каждого отношения пришлось задавать отдельное правило насле­дования, то программа стала бы довольно громоздкой. Поэтому проще задать сле­дующим образом более общее правило, касающееся фактов: "Факты могут быть либо явно заданы в сети, либо унаследованы":

(act(Fact) :- i Факт - не переменная; Fact = Rel ( Argl, Дгд2) Fact, !. % Факт задан в сети явно - наследование не требуется

fact (Fact) :-

Fact =.. [ Rel, Argl, Arg2J,

isa с arclt Su.erArgl, S Восхождение по иерархии isa

Su_cp_terF S a uperFact) Re¹' *"***", "**'

Теперь программе обработки этой семантической сети можно задать некоторые вопросы, например, следующим образом:

7- fact) moving method[ kim, Method) ) . Method = walk ~

Этот факт унаследован от явно заданного факта, что киви не летают, а ходят. С другой стороны, ответ на следующий вопрос является совсем иным:

?- fact ( moving method ( albert, Method)). Method - fly ^-

Этот факт был унаследован от класса bird. Обратите внимание на то, что унасле­дованным становится тот факт, который был получен первым при перемещении вверх по иерархии isa.

Фреймы

Б представлении знаний в виде фреймов факты ассоциируются с объектами. В этом контексте под "объектом" подразумевается конкретный физический объект либо более абстрактное понятие, такое как класс объектов или ситуация. Например, в виде фреймов удобно представить типичную ситуацию обмена мнениями или си­туацию игрового конфликта. Подобные ситуации, как правило, имеют некоторую общую, стереотипную структуру, которая может быть дополнена сведениями о кон­кретном событии.

Фрейм — это структура данных, компоненты которой называются слотами. Сло­ты обозначаются именами и применяются для размещения в них информации раз­личного рода. Поэтому в слотах можно найти элементарные значения, ссылки на другие фреймы или процедуры, с помощью которых на основе какой-то иной инфор­мации может быть вычислено значение слота. Слот может также оставаться незапол­ненным. Незаполненные слоты могут заполняться с применением логического выво­да. Как и в семантических сетях, наиболее широко применяемым принципом логи­ческого вывода является наследование. Если фрейм представляет собой класс объектов (таких как альбатросы), а другой фрейм - суперкласс этого класса (такой как птицы), то фрейм класса может наследовать значения от фрейма суперкласса.

Некоторые знания о птицах можно поместить во фреймы, например, следующим образом:

Часть II. Применение языка Prolog в области искусственного интеллекта

FRAME: bird

a_kind_of: animal

moving_methcd: fly

|

active_at: daylight Этот фрейм содержит сведения о классе всех птиц. Три его слота сообщают о том, что птицы относятся (a_kir.d_of) к животным (животные — это суперкласс птиц), что типичным способом передвижения птиц (moving ir.ethod) является полет и что птицы являются активными (activeat) в дневное время. Ниже приведены фреймы для двух подклассов птиц — альбатросов и киви.

FRAME; albatross a_kind_of: bird colour: black and_white size: 115

FRAME kiwi a kind of: bird movingjriethod: walk active at: night colour: brown size: 40

Альбатрос — это очень типичная птица, которая наследует от фрейма птиц спо­собность летать и дневную активность. Поэтому во фрейме albatross нет никаких сведений о способе передвижения moving method и периоде активности active at. С другой стороны, киви — это довольно нетипичная птица, поэтому при ее описании необходимо перекрыть обычные значения movingjuethod и active_at, характерные для птиц. Может быть также определен конкретный экземпляр класса, например альбатрос по имени Альберт, следующим образом:

FRAME Albert instance of: albatross size: 120"

Обратите внимание на различие между двумя отношениями, a_kind_of и instance_of. Первое является отношением между классом и суперклассом, а вто­рое — отношением между членом класса и классом.

Информация о фреймах, применяемых здесь в качестве примера, может быть представлена на языке Prolog в виде множества фактов, таким образом, чтобы один факт определял значение каждого отдельного слота. Такую задачу можно выполнить несколькими способами. А в данном разделе используется следующий формат для представления таких фактов: Frame_name( Slot, Value]

Преимущество этого формата состоит в том. что теперь все факты о конкретном фрейме собраны в виде отношения, имя которого совпадает с именем самого фрейма. В листинге 15.10 показаны некоторые фреймы в таком формате.

Листинг 15.10. Некоторые примеры фреймов

% Фрейм представлен в виде множества фактов Prolog:
% frame name ( Slot, Value)

Здесь "Value - либо простое значение, либо процедура

% Фрейм bird - определение типичной птицы

bird) a kind_of, animal). bird( moving_method, fly) . bird{ active_at, daylight).

% Фрейм albatross; альбатрос - это типичная птица, но для его определения % нужны дополнительные факты: он черно-белкй и имеет в среднем длину 115 см

albatross С a_kind_of, bird).

Глава 15,Представление знаний и экспертные системы 351

albatross { colour, black_and_white) . albatross; size, 115) .

% Фрейм kiwi; киви - довольно нетипичная птица, поскольку она ходит, % а не летает, и активна в ночное время

kiwi[ a_kind_of, bird) . kiwi [ moving_method, walk) . kiwi( active_at, night) . kiwi( size, 40) . kiwi ( colour, bro«n) .

% Фрейм albert - экземпляр йзрослого альбатроса

albert( instance_of, albatross). albert( size, 120).

% Фрейм ross - экземпляр альбатроса-птениа

ross( instance of, albatross). rossi size, 40").

% Фрейм animal - слот relative size получает свое значение i в результате выполнения процедуры relative_size

animal ( relative size, execute ( relative size( Object, Value) , object, Value) ).

Для использования подобного набора фреймов необходима процедура, позволяю­щая осуществлять выборку фактов о значениях слотов. Реализуем такую процедуру выборки фактов как процедуру Prolog следующим образом:

value( Frame, Slot, Value)

где Value - значение слога Slot во фрейме Frame. Если слот заполнен определен­ным значением (так что его значение явно задано во фрейме), то оно и принимается в качестве требуемого значения; в противном случае происходит получение нужного значения с помощью логического вывода, например наследования. Чтобы найти зна­чение с помощью наследования, необходимо перейти от текущего фрейма к более общему фрейму в соответствии с отношением a kind of или instance of между фреймами. Такой переход ведет к "родительскому фрейму", и искомое значение мо­жет быть найдено э этом фрейме явно или с помощью дальнейшего наследования. Эта операция непосредственной выборки или выборки путем наследования может быть определена на языке Prolog- следующим образом:

value { Frame, Slot, Value) :-

Query =.. [ Frame, Slot, Value],

call С Query), !. % Получение значения с помощью непосредственной выборки

value) Frame, Slot, Value) :-

parent { Frame, Parent Frame) , % Фрейм более общего типа

value ( ParentFrame, Slot, Value).

parent( Frame, ParentFrame) :-

( Query =.. { Frame, a_kind_of, Parent Frame]

Query =.. [ Frame, instance_of, ParentFrame]), call £ Query).

Эта процедура вполне позволяет находить значения во фреймах, показанных в листинге 15.10, например, с помощью следующих вопросов:

?- valuet albert, active_at, AlbertTime). AlbertTime = daylight

?- valuet kiwi, active_at, KiwiTirae). KiwiTime = night

352 Часть li.Применение языка Prolog в области искусственного интеллекта

Теперь рассмотрим более сложный случай логического вывода, при котором в слоте определена процедура вычисления значения вместо самого значения. Напри­мер, в одном из слотов для всех животных может быть задан их размер, установлен­ный с учетом типичного размера взрослого экземпляра особи соответствующего вида. В таком случае относительные размеры двух альбатросов, описанных в листин­ге 15.10, заданные в процентах, составляют: Альберт- 104%, Росс - 35%. Эти цифры получены кик соотношение (и процентах) между размером конкретного инди­видуума и типичным размером представителя класса этого индивидуума. Например, для альбатроса Росс это значение получено следующим образом:

40/115 * 100%= 34.78%

Итак, значение для слота relativesize получено путем выполнения некоторой процедуры. Эта процедура является в равной степениприменимой для всех живот­ных, поэтому целесообразно определить слот relative_size во фрейме animal иввести в этот слот определение соответствующей процедуры. Теперь интерпретатор фреймов value должен быть способен ответить на такой вопрос:

?- value( ross, relative_size, R} . R = 34.78

Способ получения этого результата должен состоять примерно в следующем. Про­цедура начинает поиск с фрейма ross и, не обнаружив значения для relative size, поднимаемся вверх по цепочке отношений instance_of (чтобы пе­рейти к фрейму albatross), a_k±nd_of (чтобы перейти к фрейму bird), и снова a_M.nd._of, чтобы, наконец, дойти до фрейма animal. Здесь обнаруживается проце­дура вычисления относительного размера. Для этой процедуры требуются значения из слота size фреймов ross и albatross. Эти значения могут быть получены с по­мощью наследования из существующей процедуры value. Остается лишь дополнить процедуру value, чтобы она учитывала случаи, в которых требуется выполнить про­цедуру в определенном слоте. Прежде чем это сделать, необходимо продумать, как такая процедура может быть (косвенно) представлена в виде содержимого слота, Предположим, что процедура вычисления относительного размера представлена в виде предиката Prolog следующим образом:

relativesize c Object, RelativeSize) :-

value ( ObjClass, size, ClassSize),

RelativeSize is objSize/ClassSize * 100. % процентная доля от размера класса

Теперь в слот relative_size фрейма animal можно ввести вызов этой процеду­ры. Чтобы предотвратить потерю параметров Object (Объект) и RelativeSize (Относительный размер) при взаимодействии фреймов, необходимо также определить их как часть информации слота relative size. Все содержимое этого слота можно собрать в один терм Prolog, например, как показано ниже. execute! relative_size ( Object, RelSize), Object, RelSize}

После этого слот relative_size фрейма animal определяется таким образом: animal! relative_size, execute! relative_size£ Obj, Val), Obj, Val)).

Теперь можно приступить к модификации процедуры value для обработки с ее помощью процедурных слогов. Прежде всего мы должны учесть, что информация, находящаяся в слоте, может представлять собой вызов процедуры, поэтому для ее дальнейшей обработки необходимо осуществить этот вызов. Для такого вызова в ка­честве параметров могут потребоваться значения слогов первоначально рассматри­ваемого фрейма. В старой версии процедуры value этот фрейм исчезал из памяти после перехода по иерархическому дереву к более общим фреймам. Поэтому необхо­димо определить первоначальный фрейм в качестве дополнительного параметра. Эта задача решается в следующем фрагменте программы:

value! Frame, Slot, Value):-

value{ Frame, Frame, Slot, Value).

Глава 15. Представление знаний и экспертные системы

% Непосредственная выборка информации из слота (супер) фрейма value) frame, SuperFrame, Slot, Value) ;-

Query-. . [ SuperFrame, Slot, Information],

call* Query!, % Значение, полученное с помощью непосредственной выборки

process< information, Frame, Value), !. % Информация может быть задана либо

% в виде значения, лиСо как вызов процедуры % Логический вывод значения с помощью наследования value) Frame, SuperFrame, Slot, Value) :-

paren tt SuperFrame, FarentSuperFrame),

value! Frame, FarentSuperFrame, Slot, Value). % process) Information, Frame, Value)

process! execute! Goal, Frame, Value), Frame, Value) :— ! ,

call ( Goal) . process! Value, _, Value). ч Значение, а не вызов процедуры

Введя указанное дополнение в интерпретатор фреймов, мы вступили в область применения такого подхода к программированию, как объектно-ориентированное программирование. Хотя при описании указанного подхода обычно применяется иная терминология, его реализация фактически основана на активизации выполне­ния процедур, которые принадлежат к разным фреймам.

Применение логического вывода, основанного на переходе между фреймами, ха­рактеризуется многими нюансами, которые здесь не рассматриваются. Коснемся лишь вопроса множественного наследования. Необходимость в его использовании возникает, если фрейм имеет больше одного "родительского" фрейма (согласно отно­шению instance_of или a_kind_of). При этом унаследованное значение слота мо­жет быть получено больше чем от одного родительского фрейма, и возникает вопрос, на каком из них следует остановиться. Процедура value в том виде, в каком она оп­ределена в этом разделе, просто принимает первое обнаруженное значение, которое найдено с помощью поиска в глубину среди фреймов, обладающих способностью пре­доставить такое значение. Но могут оказаться более приемлемыми другие стратегии или правила выбора среди нескольких альтернатив.