Фреймовая модель

Одна из разновидностей аппарата семантических сетей связана с концепцией фрейма. Фрейм можно рассматривать как фрагмент семантической сети, предназначенный для описания объекта (ситуации) предметной области со всей совокупностью присущих ему свойств. Марвин Минский, первый предложивший идею фреймов в 1975 г., описывает его следующим образом: фрейм — это структура данных, представляющих стереотипную ситуацию в данной предметной области. К каждому фрейму присоединяется несколько видов информации. Часть ее — о том, как использовать сам фрейм. Часть о том, чего можно ожидать далее. Часть о том, что следует делать, если эти ожидания подтвердятся.

Основная идея фреймового подхода к представлению знаний — более жесткое, чем при подходе, основанном на семантической сети, выделение объектов и ситуаций проблемной среды и их свойств, т.е. все, что касается объекта или ситуации и важно с позиций решаемых задач, не «размазывается по сети», а представляется во фрейме.

Фреймовый подход является частным случаем подхода к представлению знаний, основанного на семантических сетях. При фреймовом подходе, например, также выделяются обобщенные, конкретные и агрегатные фреймы для представления соответствующих типов объектов предметной области, выделяются и фундаментальные отношения. В то же время фреймовый подход позволяет более последовательно использовать некоторые новые механизмы представления знаний и, в первую очередь, процедурные знания.

Термин «фрейм» предложен для обозначения описания какого-либо объекта или явления, обладающего тем свойством, что удаление из этого описания любой его части приводит к потере свойств, характеризующих объект описания.

Фреймом называется структура для описания стереотипной ситуации, состоящая из характеристик этой ситуации (слотов) и значений этих характеристик (заполнителей слотов).

Слот может содержать не только конкретное значение, но и ссылку на имя процедуры (или саму процедуру), позволяющей вычислить его значение по заданному алгоритму, а также одну или несколько продукций (эвристик), с помощью которых это значение можно найти. Процедуры слота называются связанными процедурами, т.е. такими, которые могут активизироваться при выполнении некоторых условий (в частности, при изменении значений слота).

В слот может входить не одно, а несколько значений. Иногда слот включает компонент, называемый фасетом. Фасет может задавать диапазон возможных значений слота или же граничные значения заполнителя слота.

Для иллюстрации концепции фреймов приведем пример фреймового отражения понятия «Руководитель».

имя фрейма: РУКОВОДИТЕЛЬ

специальность: СЛУЖАЩИЙ

имя: агрегат (фамилия, имя, отчество)

возраст: агрегат (годы)

адрес: АДРЕС

отдел: диапазон (производство, администрация)

заработная плата: ЗАРПЛАТА

дата начала: агрегат (месяц, год)

до: агрегат (месяц, год)(по умолчанию: теперь)

Как видно часть слотов заполнена некими объектами, а не простыми именами. В данном примере используются три различных типа таких заполнителей слотов. Заполнитель слота может быть или константой, или именем другого фрейма. Простейшими из них являются те, что представлены прописными буквами (например, АДРЕС, ЗАРПЛАТА). Это имена других фреймов, на которые делается ссылка. Кроме того, существуют обозначения «агрегат» и «интервал». Обозначение «агрегат» указывает на то, что должно быть заданы определенные объекты, а обозначение «интервал» — на то, что должен быть выбран один из множества объектов.

Пример фрейма для заполнителя «ЗАРПЛАТА», относящегося к фрейму «РУКОВОДИТЕЛЬ», приведен на следующем рисунке.

имя фрейма: ЗАРПЛАТА

почасовая оплата: агрегат (рублей в час)

код налога: агрегат (код налога)

налог на дату: агрегат (месяц, год)

вычислить ((ОПЛАТА НАЛОГА) (налог))

На этом примере демонстрируется понятие «процедурное присоединение», которое дает возможность вставлять во фреймы обычные программы.

Фрейм чаще всего определяют как структуру данных для представления стереотипных ситуаций. При этом способ группирования множества конкретных ситуаций в стереотипную, как правило, не может быть определен строго. Чаще всего, стереотипные ситуации (для данной предметной области) выделяет исследователь, опираясь на опыт и данные наблюдений. Неформальные знания исследователя о предметной области можно рассматривать как систему понятий, определяющих представление о конкретных ситуациях. Каждое понятие связывается с конкретной ситуацией, а конкретные ситуации согласуются с соответствующей стереотипной. Если понятия представляют собой неформальные знания о стереотипной ситуации, то фреймы — это формализованные знания. Таким образом, фреймы соответствуют понятиям, отражающим объекты, явления, характеристики предметной области. Это дает основание рассматривать фрейм как семантический блок или модуль модели представления знаний. Сама же модель представления знаний строится в виде сети фреймов, т.е. системы определенным образом взаимосвязанных фреймов. Поэтому в моделях представления знаний на базе фреймов выделяют две части: набор фреймов, образующих библиотеку внутреннего представления знаний, и механизм их преобразования, связывания и т.п.

В наиболее общем виде фреймом называют структуру представления знаний следующего вида:

{n, (v₁, g₁, p₁), (v₂, g₂, p₂),…, (v_n, g_n, p_n)},

где n — имя фрейма;

v_i — имя слота;

g_i — значение слота;

p_i — процедура.

Процедура является возможным, но необязательным элементом слота. Имена фреймов используются как мнемонические элементы для конструирования сети фреймов. В качестве значений слотов могут выступать имена других фреймов, что обеспечивает связи между фреймами, их «вкладываемость» друг в друга.

Принцип «вкладываемости» фреймов позволяет реализовать на фреймовых сетях (как и на семантических) процессы наследования свойств.

Достоинства фреймовой модели:

— отображает концептуальную модель памяти человека;

— гибкость;

— наглядность.

Наиболее ярко достоинства фреймовых моделей проявляются в том случае, если родовидовые связи изменяются нечасто и предметная область насчитывает немного исключений.

Недостатки:

— фреймовые системы достаточно сложны по конструкции, что снижает скорость работы механизма вывода и увеличивает трудоемкость процедур внесения изменений в родовидовую иерархию;

— во фреймовых системах затруднена обработка исключений;

— при отражении сложных объектов реального мира фреймы становятся слишком громоздкими.