Модели представления знаний

Модели представления  знаний 

     1. Логико-лингвистические модели управления. 

В теории управления (область прикладной математики) имеется  ряд задач, для решения которых  неприемлемы традиционные методы, т.к.: 

1)    не  все цели управления объектом  могут быть выражены в виде количественных соотношений; 

2)    между  рядом параметров, оказывающих влияние  на процесс управления, не удается  установить точных количественных  зависимостей; 

3)    в  многошаговых процессах управления  содержание каждого шага не  может быть заранее однозначно определено; 

4)    существующие  способы описания объектов и  протекающих в них процессов  приводят к столь громоздким  конструкциям, что их практическое  использование не представляется  возможным. 

Если под объектом управления понимать экономические и социальные объекты, то к этому добавляются еще три причины: 

5)    цель  существования самого объекта  не может быть строго формализована; 

6)    в  результате эволюции меняется  структура и функции объекта,  что должно отражаться на эволюции  процесса управления; 

7)    элементы, входящие в структуру управляемого  объекта, могут иметь активную  природу: их поведение может  противоречить целям управления. 

В результате при  моделировании таких объектов используют логико-лингвистические модели, в  которых решающее значение имеют тексты на естественном языке. 

Под логико-лингвистической  моделью управления понимается такая  модель управления сложным объектом, в которой используется семантическая (смысловая, качественная) информация. 

Состояние объекта  характеризуется столь большим числом параметров и может зависеть от столь большого количества ситуаций, что невозможно заранее определить содержание каждого шага управления. В этом случае вместо алгоритма, предписывающего на каждом шаге его реализации некоторое однозначное решение, можно использовать совокупность указаний, представленных в виде некоторого исчисления. 

Языком исчисления выбирается язык, называемый языком представления  знаний. Аксиомами исчисления служат описания объекта управления, среды  и начальных состояний. Правила вывода – это правила перехода из одного состояния объекта управления и среды в другое. Теоремы – промежуточные  и конечные состояния системы. 

В логико-лингвистических  моделях систем управления в отличие  от традиционных содержатся: 

1) интерпретатор,  который отражает изменение блока  знаний о среде, содержимое  которого меняется в процессе  функционирования объекта управления: обновляется, уточняется, пополняется. 

2) модель знаний, которая отделена от механизма  порождения решений. Следствием этого факта является существенное упрощение описания системы управления и ее функционирования. Такой способ представления знаний в области интеллектуальных систем носит название декларативного представления знаний в отличие от процедурного способа представления знаний в виде алгоритмов управления; 

Для размещения базы знаний в компьютере с целью  ее использования для решения  прикладных задач, необходимо ее формальное описание с помощью математических моделей. Представление знаний возможно с помощью декларативных и процедурных моделей.  

Различие методов  концептуального моделирования  определяется теми формальными средствами, которые используются для описания ситуаций, происходящих в некоторой  предметной области: 

ü  - в семантических  сетях и фреймовых моделях – это понятия и их взаимосвязи,  

ü  - в логических моделях – предикаты и логические формулы,  

ü  - в объектно-ориентированном  подходе – объекты, классы и сообщения. 

2.     Декларативные модели представления  знаний. 

2.1  Сетевая  модель 

Совокупность взаимосвязанных понятий образует семантическую сеть понятий. Эта сеть состоит из понятий различных категорий: объектов, свойств, операций, событий и т.д. 

Если предметную область (ПО) рассматривать как совокупность понятий и связей (отношений) между  ними, то семантические сети дают возможность представлять знания о ПО в наглядной и структурированной форме. Семантические сети обеспечивают представление ПО в виде ориентированного графа, вершинами которого выступают понятия, а ребрами – связи между ними. Связь между понятиями сетевой модели выражает минимальный объем знаний, простейший факт, относящийся к двум понятиям. 

ПО в любой  момент времени может быть представлена в виде совокупностей сущностей, понятий и ситуаций, называемой ее состоянием. Каждой ситуации можно поставить в соответствие некоторое утверждение или суждение об ее истинности или ложности.  

Основа семантической  сети – события, атрибуты, комплексы  признаков и процедуры. 

События – это  суждения, факты, результаты наблюдений, рекомендации. Могут представляться словосочетаниями и числами. Группируются тематически или функционально  в разделы. Делятся на характеризуемые  и характеризующие (события-признаки, например, «идет дождь» для события «дождливая погода»). 

Атрибут – это  характеризующее событие, имеющее  несколько значений. (Например, «погода» атрибут «времени года»). 

Несколько признаков  могут объединяться в комплекс, характеризующий  событие в большей степени, чем  отдельный признак. 

Процедура –  это специфический компонент  сети, выполняющий преобразование информации. Она позволяет вычислять значения одних атрибутов на основании  других, оперируя как с числами, так  и с символами. 

Для вывода знания события в сетевой модели делятся на исходные(признаки) и целевые(гипотезы). 

2.2  Фреймовая  модель 

Фрейм – это  некоторая структура для представления  знаний которая при ее заполнении соответствующими значениями превращается в описание конкретного факта, события  или ситуации. Каждый фрейм можно рассматривать как семантическую сеть, состоящую из выделенных вершин и связей. 

Фреймовая модель основана на принципе фрагментации знаний. 

Основа фреймовой  модели – слот, который состоит  из имени некоторого признака, значений этого признака и связи с другими слотами. 

Например, описание ситуации «Студент Иванов получил книгу  А. Я. Архангельского «100 компонентов Delphi»  в библиотеке ТГПУ им. Л. Н. Толстого в г. Туле» может быть представлено следующим образом: 

ПОЛУЧЕНИЕ: 

ОБЕКТ (КНИГА: (Автор, А. Я. Архангельский), (Название, 100 компонентов Delphi)); 

АГЕНТ (СТУДЕНТ: (Фамилия, Иванов)); 

МЕСТО: (БИБЛИОТЕКА: (Название, ТГПУ), (Расположение, Тула)). 

Здесь ОБЪЕКТ, АГЕНТ  и МЕСТО – это роли, которые  играют слоты КНИГА, СТУДЕНТ и  БИБЛИОТЕКА в рамках фрейма ПОЛУЧЕНИЕ. 

Фреймовую модель можно представить в виде таблицы, у которой в отличие от реляционной  модели данных есть ряд особенностей:  

ü    возможность  смешанного заполнения слотов константами  и переменными; 

ü    возможность  наличия пустых слотов; 

ü    размещение в слотах указателей на другие фреймы для создания сети; 

ü    размещение в слотах имен выполняемых процедур. 

3.     Декларативные модели представления  знаний. 

3.1  Логическая  модель. 

В основе логического  способа представления знаний лежит идея описания знаний о предметной области в виде некоторого множества утверждений, выраженных в виде логических формул, и получение решения построением вывода в некоторой формальной (дедуктивной) системе. 

Знания, которые  могут быть представлены с помощью логики предикатов, являются либо фактами, либо правилами. При использовании логических методов сначала анализируется структура предметной области, затем выбираются соответствующие обозначения и в заключении формируются логические формулы, представляющие собой закономерности рассматриваемой области. Множество таких формул является логической программой, содержащей информацию о ПО. 

Например, в качестве языка логического программирования можно использовать ПРОЛОГ, а совокупность логических формул, состоящую из запроса, множества предложений программы и интерпретатора языка, можно рассматривать как алгоритм решения задач приложений. 

3.2  Продукционная  модель. 

Продукционная модель представления знаний является развитием логических моделей в  направлении эффективности представления и вывода знания.  

Продукция –  это выражение, содержащее ядро, интерпретируемое фразой «Если А, то В», имя, сферу  применения, условие применимости ядра и постусловие, представляющее собой  процедуру, которую следует выполнить  после успешной реализации ядра. Все части, кроме ядра, являются необязательными. 

Взаимосвязанный набор продукций образует систему. Основная проблема вывода знания в  системе продукций является выбор  для анализа очередной продукции. Конкурирующие продукции образуют фронт. 

Преимущества  продукционной модели: 

ü    простота и ясность основной единицы –  продукции; 

ü    независимость  продукций и легкость модификации  БЗ; 

ü    строгость, простота и изученность механизма  логического вывода. 

Недостатки: 

ü    малая  степень стуктуризации БЗ; 

ü    неясность  взаимных отношений продукций; 

ü    неуниверсальность. 

Наибольшее применение для реализации продукционных моделей  получил язык ПРОЛОГ.