Лабораторный практикум кузнецов. Основы интеллектуальных систем для гуманитариев
 Скачать 1.54 Mb.
|
|
Лабораторная работа 2 «Представление знаний. Семантическая сеть» Семантическая сеть — это ориентированный граф, вершины которого — понятия, а дуги — отношения между ними. Узлы в семантической сети обычно соответствуют объектам, концепциям, событиям или понятиям. Любой фрагмент сети, например одна вершина, две вершины и соединяющие их дуги, называют подсетью. Логический вывод (поиск решения) на семантической сети заключается в том, чтобы найти или сконструировать подсеть, удовлетворяющую некоторым условиям. Отношения, представляемые дугами, в семантической сети могут быть различными (таблица 2). Типы отношений выбираются в зависимости от вида семантической сети (таблица 3) и решаемой задачи. Таблица 2. Основные виды отношений в семантических сетях. Тип Описание Являться наследником (a- kind-of) задает иерархические связи между классами Являться экземпляром (is- a, например) определяет значение, описывает конкретный объект, понятие Это (are, eсть) может использоваться вместо связи a-kind-of в отношениях подразумевающих равенство или эквивалентность Являться частью (has-part) определяет структурные связи, описывает части или целые объекты Функциональные определяются обычно глаголами, отражают различные отношения (учить, владеть и т.д.) Количественные отображают количественные соотношения между вершинами (больше, меньше и т.д.) Пространственные отображают пространственные отношения между вершинами (близко, далеко и т.д.) Временные описывают временные связи между вершинами (скоро, долго, сейчас и т.д.) Атрибутивные описывают свойства объектов, понятий Логические описывают логические связи между вершинами (и, или, не) 15 Таблица 3.Типы семантических сетей. Тип Описание По типу знания Экстенсиональные описывает конкретные отношения данной ситуации Интенсиональные описывают имена классов объектов, а не индивидуальные имена объектов, связи отражают те отношения, которые всегда присущи объектам данного класса По типу ограничений на дуги и вершины Простые вершины сети не обладают внутренней структурой Иерархические вершины обладают внутренней структурой, в иерархической сети есть возможность разделять сеть на подсети и устанавливать отношения не только между вершинами, но и между подсетями (различные подсети, существующие в сети, могут быть упорядочены в виде дерева подсетей, вершины которого—подсети, а дуги — отношения видимости) Динамические (сценарии) сети с событиями По количеству типов отношений Однородные обладают только одним типом отношений Неоднородные количество типов отношений больше двух По арности отношений Бинарные все отношения в графе связывают ровно два понятия N-арные в сети есть отношения, связывающие более двух объектов Пример решения задачи Задача. Построить сетевую модель представления знаний в предметной области «Ресторан» (посещение ресторана). 16 Описание процесса решения. Для построения сетевой модели представления знаний необходимо выполнить следующие шаги: 1) Определить абстрактные объекты и понятия предметной области, необходимые для решения поставленной задачи. Оформить их в виде вершин. 2) Задать свойства для выделенных вершин, оформив их в виде вершин, связанных с исходными вершинами атрибутивными отношениями. 3) Задать связи между этими вершинами, используя функциональные, пространственные, количественные, логические, временные, атрибутивные отношения, а также отношения типа «являться наследником» и «являться частью». 4) Добавить конкретные объекты и понятия, описывающие решаемую задачу. Оформить их в виде вершин, связанных с уже существующими отношениями типа «являться экземпляром», «есть». 5) Проверить правильность установленных отношений (вершины и само отношение при правильном построении образуют предложение, например «Двигатель является частью автомобиля»). Решение. 1) Ключевые понятия данной предметной области – ресторан, тот, кто посещает ресторан (клиент) и те, кто его обслуживают (повара, метрдотели, официанты, для простоты ограничимся только официантами). У обслуживающего персонала и клиентов есть общие характеристики, поэтому целесообразно выделить общее абстрактное понятие – человек. Продукцией ресторана являются блюда, которые заказывают клиенты. Исходя из этого, вершины графа будут следующими: «Ресторан», «Человек», «Официант», «Клиент», «Заказ» и «Блюдо». 2) У этих объектов есть определенные свойства и атрибуты. Например, рестораны располагаются по определенным адресам, каждое блюдо из меню имеет свою цену. Поэтому добавим вершины «Адрес» и «Цена». 3) Определим для имеющихся вершин отношения и их типы, используя таблицу 2. 4) Добавим знание о конкретных фактах решаемой задачи. Пусть имеется два ресторана: «Вкуснятина» и «Вкусная еда», в первом работает официантка Марина, а во втором официант Сергей. Пѐтр решил пойти в ресторан «Вкусная еда» и сделал заказ официанту на 2 блюда: картофель фри 17 за 30 р., бифштекс за 130 р. Также известны адреса этих ресторанов и их специфика. Исходя из этого, добавим соответствующие вершины в граф и соединим их функциональными отношениями и отношениями типа «например или являться экземпляром». Полученный в результате граф изображен на рис. 3. 5) Осуществим проверку установленных связей. Например, возьмем вершину «Блюдо» и пройдем по установленным связям. Получаем следующую информацию: блюдо является частью заказа, примерами блюд могут служить картофель фри и бифштекс. Рис. 3. Семантическая сеть предметной области «Ресторан». Для получения ответа на какой-либо вопрос по этой задачи, необходимо найти соответствующий участок сети и, используя связи, получить результат. 18 Например, вопрос «Какова цена заказа Петра (сколько Петр заплатил за заказ)?» Из запроса понятно, что необходимо найти следующие вершины: «Цена», «Петр» и «Заказ» или «Заказ Петра». Часть семантической сети, находящаяся между этими вершинами, содержит ответ, а именно, частью заказа Петра являются картофель фри и бифштекс, которые стоят 30 и 130 р. соответственно. Больше информации о заказе Петра в модели нет, поэтому делаем вывод – Петр заплатил 160 р. Варианты заданий 1. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Аэропорт» (диспетчерская). 2. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Железная дорога» (продажа билетов). 3. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Торговый центр» (организация). 4. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Автозаправка» (обслуживание клиентов). 5. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Автопарк» (пассажирские перевозки). 6. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Компьютерные сети» (организация). 7. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Университет» (учебный процесс). 8. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Компьютерная безопасность» (средства и способы ее обеспечения). 9. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Компьютерная безопасность» (угрозы). 10. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Интернет-кафе» (организация и обслуживание). 11. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Разработка информационных систем» (ведение информационного проекта). 12. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Туристическое агентство» (работа с клиентами). 19 13. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Зоопарк» (организация). 14. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Кухня» (приготовление пищи). 15. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Больница» (прием больных). 16. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Кинопрокат» (ассортимент и работа с клиентами). 17. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Прокат автомобилей» (ассортимент и работа с клиентами). 18. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Операционные системы» (функционирование). 19. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Информационные системы» (виды и функционирование). 20. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Предприятие» (структура и функционирование). Лабораторная работа 3 «Представление знаний. Фреймовая модель» Фреймовая модель представления знаний была предложена М. Минским в 1979 году и является развитием семантических сетей. Фрейм (англ. frame) - абстрактный образ для представления некоторого стереотипа восприятия. Каждый фрейм имеет собственное название и список слотов и их значений. Значениями могут быть данные любого типа, а также название другого фрейма. Таким образом, фреймы образуют сеть. Кроме того, существует связь между фреймами типа АКО (a kind of), которая указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда неявно наследуются список и значения слотов. При этом возможно множественное наследование – перенос свойств от нескольких прототипов. Любой фрейм может быть представлен следующим образом: (ИМЯ ФРЕЙМА: (имя 1-го слота: значение 1-го слота), 20 (имя 2-го слота: значение 2-го слота), ……………. (имя N-гo слота: значение N-го слота)). Табличное представление слота выглядит следующим образом (таблица 4): Таблица 4. Структура фрейма. ИМЯ ФРЕЙМА Имя слота Значение слота Способ получения значения Демон При табличном представлении фрейма кроме уже описанных составляющих фрейма указываются и дополнительные параметры. Способ получения значения определяет, как именно устанавливается значение конкретного слота. Существует несколько способов (таблица 5), выбор способа зависит от свойств самих данных. Таблица 5. Способы получения значений слотов. Способ Описание По умолчанию от прототипа (родителя) Слоту присваивается значение, определенное по умолчанию во фрейме-прототипе, некоторые стандартные значения. Через наследование Отличается от первого способа тем, что значение задано в специальном слоте родительского фрейма, соединенного с текущим связью AKO. По формуле Слоту назначается формула, результат вычисления которой является значением слота. Через присоединенную процедуру Слоту назначается процедура, позволяющая получить значение слота алгоритмически. Из внешних источников данных При использовании модели в интеллектуальных системах данные, являющиеся значениями слотов, могут поступать из баз данных, от системы датчиков, от пользователя. В теории фреймов допускается, чтобы к слотам присоединялись различные специальные процедуры. Для этого используются так называемые демоны. Демоном (таблица 6) называется процедура, автоматически 21 запускаемая при выполнении некоторого условия (события) при обращении к соответствующему слоту. Демонов может быть несколько. Наиболее похож механизм присоединенных процедур к триггерам в реляционных базах данных. Таблица 6. Наиболее распространенные демоны. Демон Событие Описание IF-REMOVED если удалено Выполняется, когда информация удаляется из слота. IF-ADDED если добавлено Выполняется, когда новая информация записывается в слот. IF-NEEDED по требованию Выполняется, когда запрашивается информация из пустого слота. IF-DEFAULT по умолчанию Выполняется, когда устанавливается значение по умолчанию. Существует несколько видов фреймов, которые позволяют описать предметную область и решаемую задачу. В таблице 7 представлены наиболее распространенные типы фреймов, указаны типы знаний, которые они отображают, а также примеры фреймов данного типа из различных предметных областей. Таблица 7 .Типы фреймов. Тип фрейма Тип знания Описание Пример По познавательному назначению Фреймы- прототипы (шаблоны, образцы) интенси- ональные отражают знания об абстрактных стереотипных понятиях, которые являются классами каких-то конкретных объектов человек, автомобиль Фреймы- экземпляры (примеры) экстенси- ональные отражают знания о конкретных фактах предметной области Иванов И.И., ВАЗ-2110 По функциональному назначению Фреймы- деклара- отображают абстрактные и заем, залог, 22 структуры (объекты) тивные конкретные предметы и понятия предметной области (содержат набор характеристик, описывающий объект или понятие) вексель, человек, лекция Фреймы- операции процедур- ные отображают различные процессы преобразования или использования объектов предметной области (содержат набор характеристик процесса) процессы получения заѐма, синтеза устройств Фреймы- ситуации прагмати- ческие отображают типичные ситуации, в которых могут находиться фреймы объекты и фреймы роли (содержат набор характеристик, идентифицирующих ситуацию) авария, тревога, рабочий режим устройства Фреймы- сценарии техноло- гические отображают развитие ситуации, типовую структуру для некоторого действия, понятия, события, отображает динамику (содержат набор характеристик, позволяющих обеспечить развитие системы по данному сценарию) банкротство, празднование именин, сдача экзамена Фреймы- роли функцио- нальные отображают типичную роль, выполняемую фреймом- объектом в определенной ситуации (содержат набор характеристик роли) менеджер, кассир, клиент, студент, преподаватель Пример решения задачи Задача. Построить фреймовую модель представления знаний в предметной области «Ресторан» (посещение ресторана). 23 Описание процесса решения. Для построения фреймовой модели представления знаний необходимо выполнить следующие шаги: 1) Определить абстрактные объекты и понятия предметной области, необходимые для решения поставленной задачи. Оформить их в виде фреймов-прототипов (фреймов-объектов, фреймов-ролей). 2) Задать конкретные объекты предметной области. Оформить их в виде фреймов-экземпляров (фреймов-объектов, фреймов-ролей). 3) Определить набор возможных ситуаций. Оформить их в виде фреймов-ситуаций (прототипы). Если существуют прецеденты по ситуациям в предметной области, добавить фреймы-экземпляры (фреймы-ситуации). 4) Описать динамику развития ситуаций (переход от одних к другим) через набор сцен. Оформить их в виде фреймов-сценариев. 5) Добавить фреймы-объекты сценариев и сцен, которые отражают данные конкретной задачи. Решение. 1) Ключевые понятия данной предметной области – ресторан, тот, кто посещает ресторан (клиент) и те, кто его обслуживают (повара, метрдотели, официанты, для простоты ограничимся только официантами). У обслуживающего персонала и клиентов есть общие характеристики, поэтому целесообразно выделить общее абстрактное понятие – человек. Тогда фреймы «Ресторан» и «Человек» являются прототипами-образцами, а фреймы «Официант» и «Клиент» - прототипами-ролями. Также нужно определить основные слоты фреймов – характеристики, имеющие значения для решаемой задачи. 24 Фреймы-наследники содержат все слоты своих родителей, они явно прописываются только в случае изменения какого-либо параметра. 2) Фреймы-образцы описывают конкретную ситуацию: какие рестораны имеются в городе, как именно организовывается посещение, кто является посетителем, кто работает в выбранном ресторане и т.д. Поэтому определим следующие фреймы-образцы, являющиеся наследниками фреймов-прототипов: 25 26 3) Фреймы-ситуации описывают возможные ситуации. В ресторане клиент попадает в несколько типичные ситуаций: заказ и оплата. Возможны и другие не типичные ситуации: клиент подавился, у клиента нет наличности для оплаты счета и т.д. Рассмотрим типичные ситуации (их может быть больше): 27 4) Ситуации возникают после наступления каких-то событий, выполнения условий и могут следовать одна за другой. Динамику предметной области можно отобразить в фреймах-сценариях. Их может быть множество, опишем наиболее общий и типичный сценарий посещения ресторана: 5) Пусть в рамках нашей задачи Пѐтр посетил ресторан «Вкусная еда». Тогда фреймы будут заполнены следующим образом: 28 Взаимосвязь различных видов фреймов отображается графически в виде графа (рис. 4). 29 Рис. 4. Схема фреймов для предметной области «Ресторан». Использование фреймовой модели аналогично семантической, только в процессе получения ответа кроме вершин учитываются и слоты. Например, получить ответ на вопрос «Кто работает официантом в ресторане ―Вкусная еда‖?» можно следующим образом: из запроса понятно, что необходимо 30 найти фрейм «Ресторан ―Вкусная еда‖» и проследить связь с фреймом «Сергей», являющимся наследником фрейма «Официант». Также можно найти слот «Место работы» и проверив его значение во фреймах наследниках фрейма «Официант» определить, что официантом в ресторане ―Вкусная еда‖ работает Сергей. Варианты заданий 1. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Аэропорт» (диспетчерская). 2. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Железная дорога» (продажа билетов). 3. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Торговый центр» (организация). 4. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Автозаправка» (обслуживание клиентов). 5. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Автопарк» (пассажирские перевозки). 6. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Компьютерные сети» (организация). 7. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Университет» (учебный процесс). 8. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Компьютерная безопасность» (средства и способы ее обеспечения). 9. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Компьютерная безопасность» (угрозы). 10. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Интернет-кафе» (организация и обслуживание). 11. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Разработка информационных систем» (ведение информационного проекта). 12. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Туристическое агентство» (работа с клиентами). 13. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Зоопарк» (организация). 31 14. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Кухня» (приготовление пищи). 15. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Больница» (прием больных). 16. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Кинопрокат» (ассортимент и работа с клиентами). 17. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Прокат автомобилей» (ассортимент и работа с клиентами). 18. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Операционные системы» (функционирование). 19. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Информационные системы» (виды и функционирование). 20. Построить продукционную модель представления знаний в предметной области «Предприятие» (структура и функционирование). |