Рассуждения на основе моделей (достоинства и недостатки).

Преимущества рассуждений на основе моделей сводятся к следующему.

1. Возможность использовать при решении задач функциональные и структурные знания о предметной области. Это увеличивает эффективность механизма рассуждений при решении различных задач, включая те. которые не были предусмотрены при разработке системы.

2. Механизмы рассуждений на основе моделей обычно очень эффективны. Они являются мощными и гибкими средствами решения задач, поскольку, как и люди, часто возвращаются к исходным данным при столкновении с новой проблемой.

3. Некоторые знания можно использовать в разных задачах. Системы рассуждений на основе моделей зачастую базируются на теоретических научных знаниях. Поскольку наука обычно оперирует общими теориями, такое обобщение часто расширяет возможности механизма рассуждений на основе моделей.

4. Обычно системы рассуждений, основанные на моделях, обеспечивают причинные объяснения. Таким образом пользователям можно передать более глубокое понимание причин неисправности, которое может сыграть важную образовательную роль (см. также раздел 16.2).

Недостатки рассуждений на основе моделей таковы.

1. Отсутствие экспериментального (описательного) знания предметной области. Эвристические методы, используемые при рассуждениях на основе правил, отражают важный класс экспертных оценок.

2. Необходимость точной модели предметной области. Знания из многих областей имеют строгую научную основу, которую можно использовать в рассуждениях на основе моделей. Однако во многих сферах, например, в некоторых медицинских направлениях, большинстве проблем проектирования или финансовых приложениях, хорошо определенная научная теория отсутствует. В таких случаях подходы, основанные на моделях, не могут быть использованы.

3. Высокая сложность. Рассуждения, основанные на моделях, обычно ведутся на детализированном уровне, что приводит к значительным усложнениям. Именно по этой причине эксперты в первую очередь разрабатывают эвристики.

4. Исключительные ситуации. Необычные обстоятельства, например, замыкание или взаимодействие множества неисправностей электронных компонентов, могут изменить функциональность системы таким образом, что ее трудно будет предсказать.

Гибридные системы.

Важной областью исследований является комбинация различных моделей рассуждений. В гибридной архитектуре, объединяющей несколько парадигм, эффективность одного подхода может компенсировать слабости другого. Комбинируя различные подходы, можно обойти недостатки, присущие каждому из них в отдельности.

Например, сочетание рассуждений на основе правил и опыта может обеспечить следующие преимущества.

1. Просмотр известных случаев до начала рассуждений на основе правил позволяет снизить затраты на поиск.

2. Примеры и исключения можно сохранять в базе данных ситуаций.

3. Результаты поиска можно сохранить для будущего использования. При этом механизм рассуждений позволит избежать затрат на повторный поиск.

Комбинация рассуждений на основе правил и моделей открывает следующие возможности.

1. Объяснения дополняются функциональными знаниями. Это может быть полезно в обучающих системах.

2. Повышается устойчивость системы при отказах. При отсутствии эвристических правил, используемых в данном случае, механизм рассуждений может прибегнуть к рассуждениям от исходных принципов.

3. Поиск на основе модели дополняется эвристическим поиском. Это может помочь в сложных рассуждениях, основанных на модели, и обеспечивает возможность выбора.

Комбинация рассуждений на основе моделей и опыта дает следующие преимущества.

1. Более разумное объяснение ситуаций.

2. Проверка аналогичных случаев до начала более экстенсивного поиска посредством рассуждений на основе моделей.

3. Обеспечение записи примеров и исключений в базу данных случаев, которые могут быть использованы для управления выводом на основе модели.

4. Запись результатов вывода на основе моделей для будущего использования.

Гибридные методы заслуживают внимания как исследователей, так и разработчиков приложений. Однако построение таких систем требует решения целого ряда проблем. Необходимо определить метод рассуждения для данной ситуации, момент изменения метода рассуждения, выяснить различия между методами рассуждения, разработать представления, обеспечивающие совместное использование знаний. Далее будут рассмотрены вопросы планирования или организации частей знаний дли решения более сложных проблем.

Семантические сети.

Семантическая сеть — информационная модель предметной области, имеющая вид ориентированного графа, вершины которого соответствуют объектам предметной области, а дуги (рёбра) задают отношения между ними. Объектами могут быть понятия, события, свойства, процессы. Таким образом, семантическая сеть является одним из способов представления знаний. В названии соединены термины из двух наук: семантика в языкознании изучает смысл единиц языка, а сеть в математике представляет собой разновидность графа — набора вершин, соединённых дугами (рёбрами). В семантической сети роль вершин выполняют понятия базы знаний, а дуги (причем направленные) задают отношения между ними. Таким образом, семантическая сеть отражает семантику предметной области в виде понятий и отношений.

Несмотря на то, что терминология и их структура различаются, существуют сходства, присущие практически всем семантическим сетям:

1. узлы семантических сетей представляют собой концепты предметов, событий, состояний;

2. различные узлы одного концепта относятся к различным значениям, если они не помечено, что они относятся к одному концепту;

3. дуги семантических сетей создают отношения между узлами-концептами (пометки над дугами указывают на тип отношения);

4. некоторые отношения между концептами представляют собой лингвистические падежи, такие как агент, объект, реципиент и инструмент (другие означают временные, пространственные, логические отношения и отношения между отдельными предложениями;

5. концепты организованы по уровням в соответствии со степенью обобщенности так как, например, сущность, живое существо, животное, плотоядное.

Однако существуют и различия: понятие значения с точки зрения философии; методы представления кванторов общности и существования и логических операторов; способы манипулирования сетями и правила вывода, терминология. Все это варьируется от автора к автору. Несмотря не некоторые различия, сети удобны для чтения и обработки компьютером, а также достаточно мощны, чтобы представить семантику естественного языка.

Сценарии.

Сценарий (script) – это структурированное представление, описывающее стереотипную последовательность событий в частном контексте. Сценарии первоначально были предложены, как средство для организации структур концептуальной зависимости в описаниях типовых ситуаций. Сценарии используются в системах понимания естественного языка для организации базы знаний в терминах ситуаций, которые система должна понимать.

Сценарий включает следующие компоненты:

- Начальные условия, которые должны быть истинными при вызове сценария.

- Результаты или факты, которые являются истинными, когда сценарий завершается.

- Предположения, которые поддерживают контекст сценария.

- Роли являются действиями, которые совершают отдельные участники.

- Сцены. Сценарий разбивается на последовательность сцен, каждая из которых представляет временные аспекты сценария.

Элементы сценария – основные части семантического значения – представляются отношениями концептуальной зависимости. Собранные вместе во фреймоподобной структуре, они представляют последовательность значений или событий.

Фреймы.

Фреймы – схема представления, во многом подобная сценариям и ориентированная на включение в строго организованные структуры данных неявных (подразумеваемых) информационных связей, существующих в предметной области. Это представление поддерживает организацию знаний в более сложные единицы, которые отображают структуру объектов этой области.

«Вот суть теории фреймов. Когда некто встречается с новой ситуацией (или существенно меняет свою точку зрения на проблему), он выбирает из памяти структуру, называемую фреймом. Этот сохранённый каркас при необходимости должен быть адаптирован и приведён в соответствие с реальным изменением деталей.»

Например, достаточно один раз остановиться в гостинице, чтобы составить представление о всех гостиничных номерах – там почти всегда есть кровать, ванная, место для чемодана и т.д. Но могут быть и варьируемые факторы – цвета, расположение мебели, некоторые детали интерьера. С данным фреймом так же связана информация, принимаемая по умолчанию. Если нет простыней – можно вызвать горничную и так далее. Нам не надо подстраивать сознание для каждого нового гостиничного номера, все элементы обобщенного номера организуются в концептуальную структуру, к которой мы обращаемся, когда останавливаемся в гостинице.

Понятие фрейма.

Под фреймом понимается однажды определенная единица представления знаний, которую можно изменять лишь в деталях согласно текущей ситуации. Теория фреймов предложена М. Минским в 1974 г.

В основе данной модели представления знаний лежит свойство концептуальных объектов иметь аналогии, которые позволяют строить иерархические структуры отношений типа "абстрактное-конкретное".

Каждый фрейм следует рассматривать как сеть из нескольких вершин и отношений. На самом верхнем уровне фрейма представляется фиксированная информация о состоянии моделируемого объекта, которая является истинной вне зависимости от контекста рассмотрения объекта и соответствует имени фрейма. Следующий уровень - уровень терминальных слотов (терминалов), который отражает относящуюся к моделируемому объекту конкретную информацию. В каждом слоте задается условие, которое должно выполняться при установлении соответствия между значениями (слот либо сам устанавливает соответствие, либо обычно это делает более мелкая составляющая фрейма). В одной системе различные фреймы могут иметь общие терминалы. Несколько терминалов одного фрейма обычно заранее определяются значениями по умолчанию, что позволяет представлять информацию общего характера при решении сходных задач. Среди слотов отдельного фрейма выделяют слоты, определяемые системой и определяемые пользователем. Примерами системных слотов могут служить : IS_A (указание на фрейм-родитель), слот указателей дочерних фреймов, слоты дат создания и изменения информации фрейма.

Фреймы, соответствующие описанию отдельных объектов, называются шаблонами, а фреймы верхнего уровня, используемые для представления этих шаблонов, называются фреймами классов.

Основные свойства фреймов.

1). Базовый тип (базовый фрейм) - с его помощью запоминаются наиболее важные компоненты исследуемого объекта. На основании базовых фреймов строятся фреймы для новых состояний исследуемого объекта. При этом каждый фрейм содержит слот, оснащенный указателем подструктуры, который позволяет различным фреймам совместно использовать одинаковые части.

2). Процесс сопоставления - в ходе его проверяется правильность выбора фрейма. Вначале в соответствии с текущей целью делается попытка подтверждения релевантности некоторого базового фрейма (в т.ч. с помощью подфреймов), при подтверждении процесс сопоставления завершается. В противном случае для слота, в котором возникла ошибка, делается попытка присваивания надлежащего значения с учетом наложенных слотом ограничений. В случае неуспеха управление передается другому надлежащему фрейму из рассматриваемой системы, затем - соответствующему фрейму из другой фреймовой системы и т.д. пока не произойдет успешного сопоставления. В противном случае для данной фреймовой системы рассматриваемая поисковая задача решения не имеет и требуется либо переформулировать текущую цель, либо пересмотреть содержательную часть фреймовой модели, включая накладываемые слотами ограничения.

3). Иерархическая структура. Ее особенность заключается в том, что информация об атрибутах, которую содержит фрейм верхнего уровня, совместно используется всеми фреймами нижних уровней, связанных с ним.

4). Межфреймовые сети - образуются путем соединения фреймов, описывающих объекты с небольшими различиями, с использованием указателей различия.

Основные свойства фреймов (продолжение)

5). Значение по умолчанию - под ним понимается значение слота, полученное путем распределения человеком-экспертом конкретных значений между терминальными слотами фрейма. Выводы, получаемые на основании значений по умолчанию, называются выводами по умолчанию. С их помощью можно восполнить недостатки изначально заданной информации. Как правило, когда используется подобный способ вывода, предполагается наличие эффективно действующих межфреймовых сетей и демонов.

6). Отношения "абстрактное-конкретное" и "целое-часть". Отношения "абстрактное-конкретное" (IS_A) характерны тем, что на верхних уровнях иерархии расположены более абстрактные объекты, а на нижних уровнях - более конкретные объекты, причем объекты нижних уровней наследуют атрибуты объектов верхних уровней. Отношение "целое-часть" (PART_OF) касается структурированных объектов и показывает, что объект нижнего уровня является частью объекта верхнего уровня. В отношениях этого типа нельзя использовать наследование атрибутов.

Структура данных фрейма.

1). Имя фрейма - присваиваемый фрейму идентификатор, для заданной фреймовой системы имя фрейма должно быть уникально.

2). Имя слота - присваиваемый слоту идентификатор. Слот должен иметь уникальное имя во фрейме, к которому он принадлежит.

3). Указатели наследования - с их помощью определяется, какую информацию об атрибутах слотов фрейма верхнего уровня наследуют слоты с такими же именами во фрейме нижнего уровня. Типичные указатели наследования : U (Unique, уникальный) - слот наследуется, но данные в каждом фрейме могут принимать любые значения; S (Same, такой же) - наследование тех же значений данных; R (Range) - значения слотов фрейма нижнего уровня должны находиться в пределах, указанных значениями слотов фрейма верхнего уровня; O - выполняет одновременно функции указателей U и S, при отсутствии указаний работает как S.

4). Указание типа данных : FRAME (указатель на другой фрейм), INTEGER (целый), REAL (действительный), BOOL (булевский), LISP (присоединенная процедура), TEXT (текст), LIST (список), TABLE (таблица), EXPRESSION (выражение).

5). Значение слота - должно совпадать с указанным типом данных этого слота. Кроме того, должно выполняться условие наследования.

Структура данных фрейма : демоны и присоединенные процедуры.

6). Демон - особая разновидность присоединенной процедуры, которая запускается при выполнении некоторого условия, определяемого значением соответствующего слота. Пример : демон IF-NEEDED запускается, если в момент обращения к слоту его значение не было установлено, IF-ADDED запускается при подстановке в слот значения, IF-REMOVED - при стирании значения слота.

7). Присоединенная процедура является программой процедурного типа, которая является значением слота и запускается по сообщению, переданному из другого фрейма. Демоны и присоединенные процедуры являются процедурными знаниями из представляемых фреймовой моделью.

В языке представления знаний фреймами отсутствует специальный механизм управления выводом, поэтому разработчик (в литературе, в частности, в [1] используется термин "пользователь" применительно к фреймовой модели именно как к формализму) должен реализовать данный механизм с помощью присоединенной процедуры. Достоинство : высокая универсальность языка, что позволяет писать любую программу управления выводом с помощью присоединенной процедуры (помимо иерархического и сетевого представления знаний). Недостаток : требуется высокая квалификация разработчика.