Фрейм-представление. 
Искусственный интеллект. 
Инженерия знаний

Еще одним популярным средством представления знаний, разработанным в рамках сетевой модели, является фрейм-представление. Автор этого термина, М. Минский [15], первоначально определял фрейм как структуру данных, предназначенную для представления стереотипной ситуации. В современных фрейм-системах с каждым фреймом ассоциируется разнообразная информация о некотором понятии, явлении или объекте [23]. Фрейм может быть представлен в виде сети из узлов и отношений (по этой причине он и отнесен к сетевым моделям). «Верхние уровни» фрейма фиксированы и включают сущности, всегда истинные, в ситуации, описываемой данным фреймом. «Нижние уровни» содержат терминалы или слоты, т. е. «ячейки», которые заполняются конкретной информацией (данными) при активации фрейма.

Фрейм состоит из имени и отдельных информационных единиц, называемых слотами:

F: [h v,>, 2, v₂>, … ],

где F — имя фрейма, г, — имя слота, а V, — - значение слога.

В отличие от семантических сетей во фрейм-представлении фиксируется жесткая структура информационных единиц, которая задается в фрейме-прототипе, или протофрейме. Конкретные фреймы, или фреймы экземпляры, задаются путем конкретизации протофрейма и, следовательно, имеют такую же структуру, как и соответствующий протофрейм.

В качестве значений слотов фрейма могут выступать имена других фреймов, что обеспечивает связывание фреймов между собой. В частности, это позволяет организовать иерархию фреймов и наследование свойств по этой иерархии. Кроме того, значением слотов могут быть имена процедур, каждая из которых вызывается в определенной ситуации, например, при присваивании слоту нового значения, удалении старого значения слота, выдачи значения слота и т. п., что делает фреймы активными участниками процесса обработки информации.

Примером слота с пустым значением, из которого запрашивается информация, может служить слот Возраст. Значение возраста в слоте нет смысла хранить, так как он постоянно меняется. Гораздо удобнее связать с этим слотом процедуру, которая будет вычислять актуальный возраст по заданной в другом слоте дате рождения.

Включение во фрейм-представление аппарата предположений и ожиданий усиливает его изобразительные и операционные возможности. Так, слотам фрейма по умолчанию могут быть приписаны некоторые стандартные значения. Это позволяет анализировать с помощью фреймов ситуации, в которых отсутствует упоминание о целом ряде деталей. В дальнейшем стандартные значения, присвоенные по умолчанию, могут быть заменены более подходящими значениями, которые будут получены в процессе обработки текущей ситуации.

Родственные фреймы связываются в систему фреймов. Важно, что различные фреймы одной и той же системы используют общее множество слотов. Благодаря этому становится возможным координирование информации, полученной из различных источников.

Системы фреймов, в свою очередь, организуются в информационнопоисковую сеть, которая используется, когда предложенный фрейм оказывается непригодным для данной ситуации, т. е. его слотам не могут быть присвоены значения, удовлетворяющие связанным с ними условиям. В подобных ситуациях сеть используется для того, чтобы предложить какойнибудь другой фрейм.

Проиллюстрируем работу системы, основанной на фреймах.

Предположим, что понятие письменного отчета организовано так, как показано на рис. 3.5. Допустим, что узел Отчет № 2 имеет структуру, представленную на рис. 3.6, и предположим, что делается запрос: Дайте отчет о продвижении проекта по теме ВС-32. Тогда информационнопоисковая система проанализирует запрос и внесет ВС-32 в слот Тема экземпляра фрейма ОТЧЕТ О ПРОДВИЖЕНИИ (в данном случае узла Отчет № 2).

Рис. 3.5. Понятие письменного отчета.

Далее все действия выполняются автоматически.

• 1. Выполняется процедура Если-добавлено, связанная со слотом Тема, поскольку в этот слот было введено значение. Эта процедура осуществляет поиск (в базе данных системы) руководителя проекта по теме ВС-32. Допустим, что имя руководителя проекта Сергей Петров. Процедура вписывает это имя в слот Автор отчета о продвижении работ (Отчет № 2).
• 2. Выполняется процедура Если-добавлено, связанная со слотом Автор. Она начинает составлять сообщение для Петрова, но обнаруживает, что у нее нет нужного значения слота Дата представления.
• 3. Указанная выше процедура активирует процедуру Если-требуется, связанную со слотом Дата представления. Процедура Если-требуется определяет текущую дату, используя календарь базы данных, и решает, что дата 30 сентября ближайшая к ней. Эта процедура вписывает 30 сентября в слот Дата представления.

Рис. 3.6. Фрейм отчета о продвижении

4. На следующем шаге процедура Если-добавлено, связанная со слотом Автор, обнаружит, что еще одно значение, которое нужно включить в сообщение, — объем (число страниц) отчета, отсутствует. Слот Объем не связан с процедурами, однако выше узла Отчет № 2 существует узел общей концепции отчета о продвижении работ (ОТЧЕТ О ПРОДВИЖЕНИИ). Предположим, что он содержит значение объема отчета — 2 страницы. Процедура использует это значение и составляет следующее сообщение: Сергей Петров, представьте, пожалуйста, отчет о продвижении работ по проекту темы ВС-32 к 30 сентября. Предполагаемый объем отчета — 2 страницы.

Если в какой-то момент имя Сергей Петров будет удалено из слота Автор, то система автоматически отправит ему сообщение о том, что отчет о продвижении темы ВС-32 не требуется (поскольку сработает процедура Если-удалено).

Основным недостатком фрейм-представления является отсутствие общей теории. В нем много эвристик и вариантов решения.

К главным достоинствам фрейм-представления можно отнести иерархичность описания понятий предметной области и достаточно естественное объединение в рамках одного средства как декларативного, так и процедурного компонентов представления знаний.

Следует заметить, что фрейм-представление является не конкретным языком представления знаний, а идеологической концепцией, реализуемой в каждом конкретном языке.

Наиболее известными языками представления знаний на основе фреймов являются KRL (knowledge representation language) и FRL (frame representation language).

Контрольные вопросы

• 1. Какие модели представления знаний Вы знаете?
• 2. Особенности сетевой модели. Какие средства представления знаний можно причислить к сетевой модели?
• 3. Что такое семантическая сеть как математический объект?
• 4. На каких принципах основана классификация семантических сетей? Приведите примеры различных видов семантических сетей.
• 5. Отличие простых и иерархических семантических сетей.
• 6. Отличие однородных и неоднородных семантических сетей.
• 7. Назовите основные типы отношений в семантической сети.
• 8. Что такое фрейм? Приведите типичную структуру.
• 9. Назовите самые существенные особенности фрейм-представления. Что общего у фреймов с семантическими сетями и каковы отличия?
• 10. Что такое присоединенные процедуры? Их роль в фрейме.
• 11. Приведите пример фрейма с присоединенными процедурами.