Преимущества эс. Задачи эс

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8

S = (1)

B – алфавит теории S, последовательности из символов составляют выражения теории S;

F – подмножество выражений, называемых формулами;

А – выделенное множество формул, называемых аксиомами, то есть априорно истинных формул;

R – конечное множество отношений между формулами, называемое правилами.

Наиболее распространенной формальной логической системой является исчисление предикатов – использование математической символики: знаков кванторов {, }, знаков пунктуации { ( , ) . }, связок { , , ,  } и т. д. С их помощью можно строить различные выражения – формулы.

Например: «Михаил дал книгу Владимиру».

На языке предикатов можно записать: Источник (х, Михаил) адресат (х, Владимир) объект (х, книга) или ДАТЬ (Михаил, Владимиру, книгу).

Основным достоинством использования исчисления предикатов является единообразие форм представления. Однако при доказательстве эвристик этим методом воспользоваться нельзя. Недостатком также является их монотонность, отсутствие средств для структурирования используемых элементов, недопустимость противоречий.

В отличие от логических моделей эвристические модели имеют разнообразный набор средств, передающих специфику проблемной области. Именно поэтому эвристические модели превосходят логические и по адекватности представления и по эффективности использования правил. К эвристическим относятся сетевые, фреймовые и продукционные модели. Рассмотрим способы представления знаний в этих моделях.

Семантическая сеть – это ориентированный граф, вершины которого соответствуют объектам, а дуги описывают отношения между вершинами.

Рис.4. Фрагмент семантической сети.

Фреймовые модели – представляют собой поименованную таблицу с некоторым количеством слотов–ячеек, имеющих свои имена и в процессе получающих некоторые значения. В качестве значения могут быть константы, ссылки на фреймы более высокого или более низкого уровня, а также некоторые вычислительные процедуры, например:

Фрейм

Имя–плащ

слоты	значения
входит в класс	верхняя одежда
принадлежит	Иванов
состояние	новый
воротник	стойка
рукава	реглан
размер	f (R, V, O, X)

f (R, V, O, X) – это вычислительные процедуры, вычисляющие размер Х по росту R, весу V, объему груди О.

Продукционные модели.

Представление знаний с помощью правил продукции – самая распространенная форма реализации БЗ. С помощью продукции можно описать практически любую систему знаний.

Правила продукций представлены в виде импликации:

p_i: s_i  d_i,

где p_i - правило продукции,

s_i - условие применения правила,

d_i - результат применения правила.

Например: Если пациент болен гриппом И

стадия заболевания начальная, ТО

температура высокая с вероятностью 0.95, И

головная боль с вероятностью 0.85.

ТО – заключение,

В настоящее время наиболее используемыми являются фрейм-структуры и продукционные системы. Фрейм-структуры используются в предметной области с четко выраженной иерархической структурой, например в системах автоматизации проектирования (САПР).

Контрольные вопросы:

Какие знания являются метазнаниями в ЭС?
Цель управляющих знаний.
В каких знаниях содержатся сведения о разработчиках ЭС?
Какие знания поддерживают пользовательский интерфейс?
Какие знания содержат понятия предметной области?
Какие методы представления знаний используются в ЭС?

Лекция 5 СЕМАНТИЧЕСКИЕ СЕТИ.

План лекции:

1.Представление семантической модели

2.Поиск в семантических сетях

3.Примеры семантических сетей

4.Раздновидности семантических сетей

Ключевые слова:

Семантическая модель, процедурные сети, интерпритация сети, классифицирующие сети,сценарий.

Семантическая сеть – это один из способов представления знаний. Изначально семантическая сеть была задумана как модель представления долговременной памяти в психологии, но впоследствии стала одним из способов представления знаний в ЭС.

Семантика – означает общие отношения между символами и объектами из этих символов.

Простейший образец семантической сети представлен на рис. 5.

Вершины – это объекты, дуги – это отношения. Семантическая модель не раскрывает сама по себе каким образом осуществляется представление знаний. Поэтому семантическая сеть рассматривается как метод представления знаний и структурирования знаний. При расширении семантической сети в ней возникают другие отношения:

IS –A (принадлежит) и PART OF (является частью) отношение:

целое  часть.

Ласточка IS – A птица, «нос» PART OF «тело».

Рис.5. Фрагмент семантической сети Куллиана.

Могут быть и другие отношения: владеет. Тогда семантическая сеть расширяется иерархически (вершина имеет две ветви). Кроме того, можно расширить сеть и другим отношением:

период  «весна – лето».

Получается иерархическая структура понятия ЮКО (рис. 7). Ее можно разбить на подсхемы. Большой проблемой для семантических сетей является то, что результат вывода не гарантирует достоверности, так как вывод есть просто наследование свойств ветви is-a.

Для отображения иерархических отношений между объектами и введения единой семантики в семантические сети было предложено использовать процедурные сети. Сеть строится на основе класса (понятия); вершины, дуги и процедуры представлены как объекты.

Процедурами определяются следующие основные действия над дугами:

установление связи;
аннулирование связи;
подсчет числа вершин, соединенных дугой;
проверка наличия или отсутствия связи.

Рис.6. Решение в семантической сети.

Существуют и другие процедуры, такие как:

определение экземпляра класса;
проверка принадлежности экземпляра к классу и т. д.

Благодаря этим процедурам семантическими сетями можно представлять знания.

Особенностью семантических сетей является целостность системы, не позволяющей разделить базу знаний и механизм выводов.

Обычно интерпретация семантических сетей определяется с помощью процедур. Эти процедуры основаны на нескольких способах, но наиболее типичный – способ сопоставления частей сетевой структуры - основан на построении подсети, соответствующей вопросу, и сопоставления ее с базой данных сети.

Например, вопрос: Чем владеет ласточка по имени ЮКО?

Получается подсеть по вопросу. Сначала отыскивается вершина ВЛАДЕТЬ, от нее ветвь ВЛАДЕЛЕЦ и далее к вершине ЮКО, а затем следует соединение с вершиной, которая показывает ветвь «собственность».

Рис.7.Реализация вывода в сети.

Примером реализации семантических сетей являются системы PROSPECTOR, KAS.

Утверждения могут быть истинными и ложными. Утверждения делятся на логические и описательные. Логические утверждения являются булевской комбинацией других утверждений. Для учета неопределенности с каждым утверждением связывают коэффициент неопределенности. Он либо вводится пользователем, либо вычисляется по формуле Байеса. Каждое правило содержит две меры: одна используется, если условие истинно, другая, если условие ложно.

Модель проблемной области представляется в виде «сети выводов». Эта сеть связывает результаты наблюдений с наиболее важными гипотезами.

Дуги в сети соответствуют правилам.

<правило>: = (если <условие>, то <мера И> <мера Л> <действие>)

<условие>: = <утверждение>

<утверждение>: = <логич. утверждение> | <описат. утверждение>

<логич. утверж.>: = (И{утверж.}) | (ИЛИ{утверж.}) | (нет <утверж.>)

<действие>: = <описат. утверждение>

PROSPECTOR – консультационная система для оказания помощи при разведке полезных ископаемых. (Р. Дуд). База знаний о разных месторождениях представлена в виде сети выводов. Узлами сети представлены утверждения и факты, например, «слюда – силикат» и т. д.

Истинность и ложность утверждения содержат неопределенности. Каждое утверждение определяется как пространство подсети и показывает предположительное существование вещества, имеющего специфические свойства или состоящего в специфической связи.

Отношения множеств терминов «элемент – часть» по веществам описаны с помощью классификационной сети: биотит – это слюда, слюда – это силикат, силикат – это минерал.

PROSPECTOR снабжен интерфейсом естественного языка.

TORUS – система управления базой данных СУБД, целью которой является распознавание семантики. Все объекты системы представлены узлами сети. Все узлы делятся на 4 типа: сущности; события, относящиеся к действию; свойства, описывающие состояния; конкретные значения свойств.

Узлы семантической сети имеют иерархическое расположение, на верхних уровнях –общие концепты, события, свойства, значения, на нижних – каждый из этих объектов в отдельности.

Между уровнями установлены отношения при помощи сценариев. Сценарий верхнего уровня функционирует как правило вывода. Объединив несколько сценариев, можно построить семантическую сеть.

Система CASNET (Куликовский).

Предназначена для диагностики заболевания глаукомой. Знания представлены разновидностью семантической сети – каузальной сетью.

Узлы сети (плоскости) представляют состояние системы, а дуги каузальные отношения.

CASNET имеет иерархическую структуру данных. Выделяются несколько уровней – плоскостей. Например:

плоскость категории болезни (пл. постановки диагноза);
плоскость патологическое состояние;
плоскость наблюдения.

В первой плоскости содержатся множество способов лечения болезни. В зависимости от категорий, категория  лечение (метод).

Существуют следующие разновидности сетевых моделей.

Классифицирующие сети (таксономические). В них используются отношения структуризации. Такие сети позволяют в базах знаний вводить разные иерархические отношения между информационными единицами.
Функциональные сети. Характеризуются наличием функциональных отношений. Их часто называют вычислительными моделями, так как они позволяют описывать процедуры вычислений одних информационных единиц через другие.
Сценарии. Описывают известные стандартные ситуации реального мира. Такие знания позволяют восстановить информацию, пропущенную в описании ситуации, предсказать появление новых фактов, которые можно ожидать в данной ситуации.

Сценарием называется формализованное описание стандартной последовательности взаимосвязанных фактов. В Интел. системах сценарии используются в процедурах естественно-языковых текстов планирования поведения, обучения, принятия решений, управления изменениями среды и др.

Контрольные вопросы:

Что означает семантика?
Что входит в семантическую сеть?
Какие типы отношений составляют иерархическую семантическую модель?
Какие типы процедур используются в процедурных сетях?
Какой способ управления используется в семантических моделях?
Разновидности семантических моделей

Лекция 6. ФРЕЙМЫ.

План лекции:

1.Представление фрейма

2.Основные свойства фреймов

3.Структура фрейма.

Ключевые слова:

Фрейм, слот демон, базовый тип, иерархическая структура фрейма, мегафреймовые системы

Стремление разработать представление, соединяющее в себе достоинства различных моделей, привело к созданию фрейм – представления.

Фрейм – это декларативное представление данных, предназначенное для представления некоторой стандартной ситуации.

С каждым фреймом ассоциируется разнообразная информация: как пользоваться данным фреймом? Каковы ожидаемые результаты? Что делать, если результаты не устаивают пользователя?
Фрейм можно представить следующей конструкцией:

f = [ 1, v₁> , < r₂, v₂> ,…, < r_n, v_n> ],

где

f - имя фрейма,

r_i- имя слота,

v_i- значение слота.

Фрейм можно представить в виде сети, где «верхние уровни» фрейма фиксированы и представляют сущности, всегда истинные в ситуации, описываемой данным фреймом. «Нижние уровни» заканчиваются слотами, которые заполняются конкретной информацией при вызове фрейма (по аналогии с описанием процедуры в программировании и вызовом процедуры). С каждым слотом фрейма связаны описания условий, которые должны быть соблюдены, чтобы могло произойти означивание слота.
В качестве значений слота могут выступать имена других фреймов, что обеспечивает связь между фреймами.
Родственные фреймы связываются в систему фреймов.

Эффективность фрейм – представления основана на включении в него предположений и ожиданий. Слотам фрейма можно заранее приписать по умолчанию некоторые стандартные значения. Это позволяет анализировать ситуации, в которых отсутствует упоминание о целом роде деталей. При необходимости значения слотов можно изменить.

Фреймовые системы связаны с информационно-поисковыми системами (сетями). Если один фрейм не отвечает текущей проблеме, то такая сеть представляет другой фрейм. С помощью подобной межфреймовой сети можно представлять знания, касающиеся фактов, сходств и другой информации, полезной для понимания.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ФРЕЙМОВ.

Базовый тип. Фрейм, включающий наиболее важные объекты данного предмета, называется базовым. При изменении состояния необходимо строить новые фреймы. При этом новый фрейм содержит слот, оснащенный указателем подструктуры, который позволяет разным фреймам совместно использовать одинаковые части. Такая подструктура не изменяется при изменении состояния. Благодаря этому свойству возможно представление и использование информации, полученной в разное время и при разных состояниях объекта (то есть в качестве знаний).
Процесс сопоставления. Процесс, в ходе которого проверяется правильность выбора фрейма, называется процессом сопоставления. Обычно этот процесс осуществляется в соответствии с целью и содержимым фрейма. Другими словами фрейм содержит условия, ограничивающие значения слота, а цель используется для определения, какое из этих условий выполнимо. Сопоставление идет в несколько этапов:

На интуиции выбирается некоторый базовый фрейм, и на основании подреймов и знаний данный фрейм подтверждает свою релевантность. При этом определяется, какое ограничение слота следует использовать при сопоставлении. При подтверждении данного фрейма процесс останавливается.
Если фрейм не подтверждается, то проверяются значения слотов, где могла возникнуть ошибка, и если возможно присваивается надлежащее значение данному слоту.
Если даже при этом не подтверждается данный фрейм, то управление передается другому фрейму из этой системы. Если и этот фрейм не подходит, то выбирается другой и так далее, пока будут проверены все фреймы из системы. В случае неудачи система останавливается, так как задача не имеет решения.

Иерархическая структура системы фреймов. Особенностью иерархической структуры является то, что информация об атрибутах фрейма на верхнем уровне совместно используется всеми фреймами нижних уровней, связанных с ним.

Рассмотрим пример (рис. 8). Все конкретные виды животных, параметры которых хранятся на нижнем уровне, используют информацию верхнего уровня, то есть имеют покров, дышат, передвигаются, едят. Такая структура свойственна фреймовой и фреймово-продукционной системе, то есть это особенность фреймов.

Межфреймовые сети. Для поиска подобных фреймов при нахождении
решения задачи необходимо родственные фреймы объединить в сеть с помощью указателей. На рис. 9 показана сеть подобия по Уинстону.

Если параметры условия не подходят к стулу, смотрят параметры стола и так далее при помощи указателей. В таких случаях говорят. Что фреймовая система включает семантическую сеть.

Значения по умолчанию. Когда человек рассматривает что-то, он перебирает пункты, характеризующие его, то есть все предполагаемые значения по умолчанию. Это позволяет в долговременной памяти не держать лишней информации, которая в нужный момент может пополниться из значений слотов по умолчанию. Это расширяет возможности системы, но может следует придерживаться правила: пока не получены конкретные терминальные значения, слоты по умолчанию используются во фрейме, но в долгосрочную память не заносятся.

Например, мальчик держит мяч. Если нет поясняющей информации, то можно при выводе дать любую информацию.

Мяч  теннисный  красный  большой

футбольный белый маленький

баскетбольный цветной

детский и т. д.

Отношения «абстрактное – конкретное», «целое – часть». Рассмотренная выше иерархическая структура основывается на отношениях «абстрактное – конкретное», но есть и «целое – часть», где объекты нижнего уровня являются частью объекта верхнего уровня (Рис. 10).

Рис. 10. Отношение «целое-часть»

СТРУКТУРА ДАННЫХ ФРЕЙМА.

Фрейм представлен определенной структурой данных.

Рис.11 Структура фрейма.

Имя фрейма. Это идентификатор (уникальное в системе).
Имя слота (уникальное во фрейме).
Указатель наследования. Эти указатели касаются только иерархических фреймовых систем, основанных на отношении «абстрактное – конкретное». Они показывают, какую информацию данный слот наследует из фреймов верхнего уровня (имена слотов одинаковые) (V - уникальный, S: такой же, R - установление границ, О: игнорировать).
Тип данных FRAME -указатель, INTEGER - целый, REAL - действительный, BOOL - логический, LISP – присоединенная процедура, TEXT - текст, TABLE - таблица, EXPRESSION - выражение, LIST – список и т. д.
Значение слота.
Демон – процедура, автоматически запускаемая при выполнении некоторого условия.

С каждым слотом можно связать любое число процедур. Три типа процедур чаще всего связаны со слотами:

Процедура «если добавлено». Выполняется, когда любая новая информация помещается в слот.
Процедура «если удалено». Выполняется при удалении из слота.
Процедура «если нужно». Выполняется, когда запрашивается информация из слота, а он пустой.

Эти процедуры могут следить за приписыванием информации к данному узлу и проверять, что при изменении значения производятся соответствующие действия. Фреймовые модели хороши в тех предметных областях, где ожидание относительно формы и содержания данных играют важную роль, например, интерпретация визуальной информации, понимание речи.

Рассмотрим пример. Специалист запрашивает «Мне нужен отчет о продвижении проекта по биологической газификации».

Интерфейсная программа анализирует это требование и записывает в слот «тема» название темы. Далее все происходит автоматически.

Процедура «ЕСЛИ ДОБАВЛЕНО» срабатывает, так как слот «тема» записана тема. Эта процедура ищет в базе данных руководителя проекта этой темы и вносит имя в слот «руководитель».
Процедура «ЕСЛИ ДОБАВЛЕНО» срабатывает опять, так как в слот «руководитель» вписано Ф. И. О. Эта процедура начинает составлять сообщение, чтобы отправить его по адресу, но обнаруживает, что нет значения слота «дата исполнения».
Начинает работать процедура «ЕСЛИ НУЖНО». Она находит текущую дату в календаре базы данных и записывает ее в слот «дата».
Далее процедура «ЕСЛИ ДОБАВЛЕНО» находит, что нет сообщения об объеме, но слот «объем» не связан с процедурами. Поэтому процедура идет выше узла в узел «общей концепции отчета» и откуда выбирает объем отчета.

Когда все компоненты заполнены, печатается сообщение.

Контрольные вопросы:

1 .Что входит в состав фрейма?

2. Что такое «базовый тип» фрейма?

3. Для чего нужны межфреймовые сети?

4. Как используются знания «по умолчанию»?

5. Что такое «Демон»?

6. Чем отличается «Демон» от присоединенной процедуры?

.

лекция 7 . УПРАВЛЕНИЕ ВЫВОДОМ ВО ФРЕЙМОВЫХ СИСТЕМАХ.

План лекции:

1.3 способа управления выводом.

2.Пример вывода в фреймов модель.

3.Языки, предназначенные знаний фреймами.

4.Примеры фреймовых моделей.

Ключевые слова:

Демоны, присоединённые процедуры, наследования, механизм вывода.

Во фреймовых системах используются три способа управления выводом: два – с помощью присоединенных процедур –демона и служебной процедуры и один – с помощью механизма наследования. Последний можно назвать единственным основным механизмом управления выводом, которым оснащаются фреймовые системы. С помощью третьего способа, то есть использования механизма наследования, базирующегося на отношениях «конкретное – абстрактное» (или IS –A), осуществляется автоматически поиск и определение значений слотов фрейма верхнего уровня и присоединенных процедур служебного типа.

Например: Фреймовое представление конференции (рис.13).

Иерархические фреймовые структуры базируются на отношениях IS – A между фреймами, описывающими некоторую конференцию. Все фреймы должны содержать информацию о дате, месте, названии темы, докладчике. Таким образом, на самом верхнем уровне определен фрейм КОНФЕРЕНЦИЯ.

Конференции разделяются на коммерческие и по развитию. Они составляют дочерние фреймы. В них могут быть добавлены слоты: объем торговли и бюджет.

В момент обращения к слоту ТЕМА фрейма «4 конференция» его значение не определено, поэтому запускается механизм наследования и осуществляется поиск значения этого слота во фрейме верхнего уровня, если и там отсутствует, то поиск осуществляется еще выше. Это поиск 3 типа (наследование).

Для организации поиска с помощью демонов рассмотрим рис. 12

В данном фрейме для каждого слота можно указать 3 типа демонов:

If added c именем Бронирование
If needed c именем Кто
If removed …

Демон «If added» автоматически запускается при подстановке в слот МЕСТО какого-то значения, например, «конференц-зал».

Демон «If needed», присоединенный к слоту «докладчик». Если значение слота NIL (пусто) генерирует запрос КТО? И подставляет его значение из входных данных.

Таким образом, демоны запускаются автоматически.

Присоединенная процедура – это процедура, которая позволяет конкретизировать слот на основе означенного фрейма более низкого уровня.

Рис.12. Использование демонов во фреймах.

ЯЗЫКИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ ФРЕЙМАМИ.

Существует множество языков представления знаний фреймами. Например, язык FMS, на его основе реализованы многие другие системы. В качестве языка разработки системы FMS был использован LISP.

Система FMS состоит из 4 основных модулей: редактор фреймов, модуль проверки правил, исполнительный механизм, модуль системных функций.

Рис.14. Структура системы FMS

Редактор используется для диалогового построения фреймовых систем и обновления базы данных.
Модуль проверки правил служит для выявления ошибок в базе данных. Найденные ошибки простые исправляются редактором. Обнаружение противоречий между фреймами – это сложная задача, которую решает данный блок.
Модуль системных функций содержит группу ЛИСП-функций, облегчающих написание присоединенных процедур. Основные системные функции:
- управление фреймом
- управление слотом
- вызов другого фрейма
- функции проверки типа данных, определен ли фрейм и т. д.
- прочие функции (запись в файл, составление списка единичной глубины).

Исполнительный механизм – запускает присоединенную процедуру специального фрейма, которая в свою очередь инициирует работу механизма вывода МВ. МВ передает сообщение в некоторый фрейм в БЗ, БЗ возвращает в МВ некоторое значение в качестве результата выполнения. МВ оценивает это значение, снова передает в БЗ сообщение, но теперь уже другому фрейму и так далее продвигается от начального значения к целевому.

Примером реализации данного подхода является базовая система RLL (1980г), предметная область которой – построение ЭС. Цель RLL помочь инженеру по знаниям в конструировании и модификации некоторой экспертной системы.

С помощью RLL реализована система EURISKO (1983г). Фреймы используются для представления всех видов данных и знаний более сложных, чем список значений. В виде фреймов представляются все объекты, правила, слоты фреймов, механизмы выводов. Фреймы организованы в сеть.

Пример представления правила в виде фрейма.

Blog

Преимущества эс. Задачи эс

S = (1)