Фреймовая модель: особенности, назначение, сферы применения, достоинства и недостатки

Введение

Актуальность. Известно, что развитие науки базируется на получении объективных и системно-организованных знаний, которые помогают людям рационально организовать свою деятельность и решать различные проблемы, возникающие в ее процессе. Современные компьютерные технологии обусловили развитие инженерии знаний - области науки об искусственном интеллекте, изучающей методы и средства получения, представления, структурирования и использования знаний. Инженерия знаний связана с разработкой баз знаний и экспертных систем.
База знаний - это совокупность фактов и правил логического вывода в выбранной предметной области. Правила логического вывода - это правила преобразования исходной системы фактов (суждений) в новую систему фактов (заключений).
Для сохранения знаний в компьютерной системе с возможностью их дальнейшей автоматизированной обработки используют различные методы, модели представления (представления) знаний. Примерами методов представления четких знаний являются: логика первого порядка, язык программирования, реляционные системы, продукционная модель, фреймовая модель, семантические сети.
Эти методы можно реализовать различными формальными языками представления знаний, например класса онтологий.
Целью работы является обобщение и систематизация основных понятий о фреймовой модели, выявлении ее ключевых особенностей, сферы применения, определении достоинств и недостатков.
Согласно поставленной цели предлагается решить следующие задачи для ее достижения:
рассмотреть ключевые особенности и назначение фреймовой модели;
выявить основные достоинства и недостатки фреймовой модели;
систематизировать основные области применения фреймовой модели.
Основные методы исследования: описание, обобщение, системный подход, синтез.
Предметом рассмотрения является фреймовая модель.
Объектом исследования является особенности, назначение, преимущества и недостатки фреймовой модели.

1. Особенности и назначение, достоинства и недостатки фреймовой модели

На сегодняшний день под фреймом понимают определенное знание о стереотипных действиях и ситуации, которые вербализируются на естественном языке [1].
В то же время фреймы - это своеобразные упаковки знаний не только по экстралингвистической действительности, но и по чисто языковой системе.
По мнению лингвистов, по значению каждого слова стоит определенный прототип фрейма, который зародился на почве прошлого опыта, впечатлений и соотносится с определенным концептом в долговременной памяти [2].
По мнению Новодранова, "фрейм отражает знания об определенной сфере действительности и представляет его в виде организованной определенным образом структуры. Он соотносится с концептуальной моделью этой сферы знания и представляется в виде каркаса или древовидного графа" [3].
По словам Л. Нефедова, фреймы "помогают устанавливать связность текста, смысловое развертывание речи, восполнять недостающие семантические лакуны, то есть адекватно воспринимать латентную информацию [4].
В общем понимании фрейм - это определенный пакет информации для представления стереотипной ситуации. Фреймы "поставляют" контекстные ожидания, которые позволяют прогнозировать будущие события на почве схожих по структуре событий, которые происходили ранее.
Так, Ч. Филмор определяет фрейм как наиболее значимый тип структуры семантического поля.
Несмотря на то, что к понятию лингвистического фрейма и не была изначально включена идея о соответствии понятия какой-либо структуре сознания, она приводила к мысли о упорядоченном наборе величин

.
Фреймовая модель (в переводе с англ. "рамка, каркас") представляет определенный объект, который изучается как структура данных. Информация об объекте хранится в составляющих фреймах слотах и ​​образует целую иерархическую сеть. Главным преимуществом фреймовой модели представления знаний является то, что она отражает основу организации человеческой памяти, а также является простой и наглядной.
Эта модель базируется на восприятии человеком окружающего мира, на психологии человека. Когда человек попадает в какую-то ситуацию, она идентифицирует ее некоторой типовой структуре, имеющейся в ее памяти. Эта и является фреймом - декларативным представлением типовой ситуации, дополненной процедурной информацией о возможности и пути ее использования.
Фреймовая модель (ФМ) представления знаний широко используется при разработке систем искусственного интеллекта (ИИ). Это одна из базовых моделей, она легла в основу и парадигмы объектно-ориентированного программирования (ООП).
Однако экспертные системы на основе ФМ обычно узко специализированы и не всегда доступны для изучения.
В качестве основных особенностей ФМ отметим, что информационная структура фрейма состоит из имени, выполняет роль идентификатора, и слотов. Идентификатор, присваиваемый фрейму, должен иметь уникальное имя, единственное в данной фреймовой (сетевой) системе.
Каждый фрейм включает произвольное число слотов, при этом некоторые из них определяются самой системой, а другие задаются пользователем. Как правило, существующие инструментальные системы и оболочки для построения ИС обеспечены каким-то одним из упомянутых выше средств представления и обработки знаний. В то же время при создании прикладных ИС часто возникает необходимость их комплексного использования, поскольку ни одно из этих средств, взятое в отдельности, не может обеспечить в полном объеме потребностей разработки реальной прикладной системы. В связи с этим инструментальные средства разработки ИС должны включать различные взаимодополняющие друг друга методы и средства представления и обработки знаний. При этом возможны различные способы интеграции таких средств, начиная с интеграции на уровне подсистем и компонентов ИС и заканчивая интеграцией на уровне единого формализма.
При реализации фреймовой модели важна эффективная организация хранения значений слотов. Охарактеризуем процедурные компоненты фреймовой сети. Процедуры означивания занимают верхний уровень в иерархии процедур. Активизация фреймовой сети начинается с запуска на выполнение процедуры означивания корня фрейма, представляющего целевой атрибут [6]. Процедура означивания может запускаться на выполнение в следующих случаях: пользователем при инициировании порождения данных; внешней по отношению к фреймовой сети процедурой; внутренней процедурой-демоном «если-нужно» фрейма, стоящего в иерархии выше, по отношению к данному; внутренней процедурой-демоном «если-добавлено» фрейма, стоящего в иерархии ниже (повторный запуск). В общем виде структура фрейма-прототипа изображена на рис.2.


Рис. 1 Структура фрейма-прототипа

К основным преимуществам фреймовой модели относят:
эффективность структурированного описания сложных понятий и решение задач различными способами различной вырожденности родовидовых связей;
возможность экономии рабочей памяти компьютера, поскольку значение слотов хранятся в единственном экземпляре и включаются только в один фрейм, содержащий слот с данным именем;
допустимость вычисления значения любого слота с помощью соответствующих процедур или эвристически.
К типовым недостаткам фреймовой модели относят: относительно высокую их сложность, что увеличивает трудоемкость внесения изменений в родовидовую иерархию и вследствие чего понижается скорость работы механизма заключения, имеется значительная трудоемкость процессов обработки исключений.


2