Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Представление знаний с использованием сетей фреймов в информационных технологиях выбора

#2 Февраль 2005

М

М.Г. Матвеев, д-р техн. наук, И.О. Павлов, канд. техн. наук, А.В. Ошивалов, Воронежская государственная технологическая академия

 

Представление знаний с использованием сетей фреймов в информационных технологиях выбора

 

Рассматриваются системная и программная модели информационных технологий выбора с использованием сетей, фреймов для представления знаний. Определены основные типы фреймов и имен слотов в программной модели.

 

Введение

Применение современной компьютерной техники значительно облегчает и совершенствует процессы управления в различных областях деятельности. Например, в организационном управлении, где ведущая роль в принятии решений принадлежит человеку, применениеЭВМ позволяет освободить лицо, принима­ющее решения (ЛПР), от рутинных вычислительных операций. Однако в этом случае ЭВМ используются в основном только как средство для автоматизации расчетов, связанных с обработкой количественной информации. В подобных системах человек (в виде ЛПР) дополняет и корректирует результаты количественной обработки на основе своего личного опыта и интуиции, используя, как правило, качественные критерии. В то же время новые информационные технологии в виде моделей представления знаний и соответствующих моделей выбора позволяют хотя бы частично автоматизировать и эту сферу организационного управления и превратить компьютер в самостоятельно действующее лицо и партнера человека в принятии решений [1].

Таким образом, одной из актуальных задач в области информационных технологий является задача разработки инструментальных средств поддержки принятия решений. Такие инструментальные средства были разработаны авторами статьи в виде программно-информационного комплекса ПРОТЕЙ. Комплекс включает в себя средства создания и ведения информационных баз, средства манипулирования информацией, блок связи с внешними модулями количественной обработки. Комплекс построен на основе модели информационной структуры и соответствующей модели выбора, которые удовлетворяют следующим требованиям, характерным для новых информационных технологий:

·        проблемно-независимое представление информации, т.е. представление информации в таком виде, который был бы инвариантен к широкому спектру решаемых задач и поддерживал по возможности несколько информационных технологий выбора;

·        обеспечение создания и корректировки базы знаний, данных и фактов на информационном уровне, т.е. без привлечения инженера-программиста;

·        поддержка выбора на качественном и количественном уровне;

·        возможность описания на информационном уровне различных правил выбора;

·        достаточно простой перевод модели в машинное представление.

Комплекс ПРОТЕЙ прошел промышленную апробацию при организационном управлении мясоперерабатывающим предприятием [2], опробован в виде демонстрационного прототипа в информационных процессах организации НИР в вузе. В настоящее время начаты работы по применению комплекса в системе центров занятости населения.

При разработке модели информационной структуры и соответствующей модели выбора применялись современные методы системного моделирования. В частности, использование теории выбора, элементов теории множеств, теории графов и исчисления предикатов позволило структурировать и формализовать информацию о предметной области и в итоге получить ее математическую модель. В свою очередь, модель послужила основой для построения структуры инструментальных программных средств реализации информационных технологий выбора и выбора языка для представления информации.

 

Системная модель унифицированной технологии выбора

Наиболее универсальным способом описания принятия решений является язык функций выбора [3]. В общем виде функцию выбора C(Z) можно представить следующим выражением:

                             (1)

где zi — объект из множества Z альтернативных объектов, выбираемых по некоторому механизму (условию) выбора у.

В свою очередь, условие выбора обычно представляется в виде кортежа [4]:

где σ - совокупность сведений о состоянии объекта; π - множество правил выбора.

Таким образом, для реализации выбора необходимо, чтобы модель включала описание множеств σ и π.

Часть сведений о состоянии объекта можно представить в виде множества его информационных характеристик, описываемых знаковой системой ; в свою очередь.

                                   (2)

где Аi, — множество имен свойств (атрибутов) i-го объекта; Di — множество доменов соответствующих атрибутов.

Наиболее общим описанием множества правил выбора л является отношение выбора [3]. Пусть на множестве атрибутов Аi и Aj установлены отношения Г  Di  Dj. Тогда любое правило выбора может быть описано посредством этого отношения, например:

          (3)

тогда π = <Г, Т>, где Т— тип выбора (соответствие, эквивалентность, предпочтение).

Отношения Г делятся на количественные  и качественные  [5].

Выбор по  возможен для всех типов:

·        хi удовлетворяет (соответствует) некоторому уравнению, в частности, это эквивалентность хi = хu;

·        хi предпочтительнее в смысле скалярного или векторного критерия.

Выбор по количественным отношениям на практике реализуется с помощью различных численных методов. В частности, выбор по типу соответствия и эквивалентности осуществляется путем решения соответствующих уравнений, а выбор по типу предпочтения - с помощью численных методов скалярной или векторной оптимизации.

Выбор по  возможен также для всех типов:

·        хi соответствует хj, хi эквивалентен хu, хi - предпочтительнее xj (на основе функции полезности).

Выбор по качественным отношениям реализуется с помощью методов логического выбора, в частности, на основе теории исчисления предикатов.

Исходя из приведенной системной модели всю информацию об объекте можно разделить следующим образом:

·        данные— множество информационных характеристик объекта, описываемых формулой (2);

·        факты - установленные отношения Г (качественные и количественные);

·        знания — правила установления отношений на основе формулы (3).

Из представленной системной модели следует структурный состав основных компонентов инструментальных программных средств реализации информационных технологий выбора - баз данных и комплекса программных средств, интерпретирующих эти данные.

Для отображения множества информационных характеристик объекта (данных), уже установленных (например, проектным регламентом) качественных и количественных отношений Г (фактов), а также правил установления дополнительных, необходимых для реализации однозначного выбора отношений Г (знаний) требуется база знаний (БЗ), в которой содержится эта информация.

Для установления отношений Г, т.е. задания правил, необходимы механизмы обеспечения связи с пользователем и механизмы автоматического извлечения знаний по имеющейся информации. Эти функции выполняет интеллектуальный интерфейс.

Для осуществления выбора по количественным отношениям используются различные численные методы. Эти методы реализуются в виде разнообразных

программных блоков, обеспечивающих обработку информации. Использовать программные блоки в ходе решения задачи позволяет исполнительная система.

Таким образом, структура инструментальных программных средств реализации информационных технологий выбора содержит в себе следующие элементы (см. рисунок): интеллектуальный интерфейс пользователя 1; базу знаний 2; исполнительную систему 3.

Структурный состав инструментальных средств реализации информационных технологий выбора

 

Интеллектуальный интерфейс включает в себя средства, обеспечивающие взаимодействие между пользователем и вычислительной системой в ходе решения задачи. В интеллектуальном интерфейсе выделяют решатель и систему общения.

Решатель — совокупность средств, обеспечивающих в диалоге с пользователем автоматический синтез программы решения задачи из программных модулей исполнительной системы. Решатель формирует из программных модулей исполнительной системы последовательность, позволяющую получить требуемое решение на основании введенных исходных данных.

Система общения включает в себя средства трансляции и средства обеспечения взаимопонимания пользователя и ЭВМ в виде диалоговых средств общения.

База знаний строится как двухуровневая структура, включающая интенсиональную информацию (знания) и экстенсиональную (факты и данные).

Исполнительная система представляет собой совокупность средств, выполняющих программы. Она содержит библиотеку программных модулей планирования, управления, вычисления и других программно реализованных информационных технологий.

Как видно на схеме, база знаний является основой инструментальных средств реализации информационных технологий выбора. Одной из наиболее удобных форм представления информации является представление в виде сетей фреймов [6].

В рамках данного рассмотрения фреймом будем называть специальную информационную структуру, отображающую некоторую часть множества информационных характеристик объекта (2) и отношения Г, заданные на этом множестве. Слоты — это некоторые подструктуры фрейма, отображающие свойства объекта, соответствующие им атрибуты и их значения (2), либо задающие одно из отношений Г. Связь между объектами предметной области организуется путем указания в качестве значений некоторых слотов одного фрейма имен других фреймов. При этом для уменьшения информационной избыточности во фреймовых системах реализуются принципы иерархии и наследования информации [7]. Эти принципы позволяют общую (глобальную) или повторяющуюся в системе информацию хранить в отдельном фрейме, а во всех остальных указывать лишь ссылку на место хранения этой информации. Такие ссылки реализуют отношения наследования и иерархии. Для реализации количественных отношений фрейм может содержать обращение к процедурам, оформленное в виде ссылки на соответствующую процедуру исполнительной системы.

Интенсиональные и экстенсиональные описания состояний находят свое отражение в фреймовых системах в виде соответственно фреймов-прототипов (ФПТ) и фреймов-примеров (ФП) [8]. Фреймы-прототипы, как интенсиональные описания объектов, должны содержать знания о правилах установления отношений на множестве информационных характеристик объекта, в то время как фреймы-примеры образуют базу фактов и данных, отображающую текущее состояние. Оба типа фреймов имеют одинаковую структуру:

<ИФ, {ИС}>б

где ИФ - имя фрейма; ИС - имя слота.

Полученные структуры фрейма-прототипа и фрейма-примера представляют собой унифицированные элементы для построения семантических сетей фреймов интенсиональной и экстенсиональной составляющих базы знаний.

 

Элементы модели на основе сетей фреймов

При рассмотрении системной модели было показано, что модель должна позволять описывать часть сведений о состоянии объекта о, представляемом в виде множества его информационных характеристик, каждая из которых задается кортежем

xi = <Ai, Di>.

Для этого используется "простой" тип имени слота во фрейме-прототипе (4)-(9).

Отношения выбора  удобнее всего описывать с помощью исчисления предикатов:

,

где P(t1, t2) — предикат, задающий одно из отношений Г.

Представление P(t1, t2) является элементарной формулой. Из элементарных с помощью логических связок  строятся сложные формулы (высказывания). В свою очередь, t — терм, представляющий собой предметную переменную или константу либо формулу.

Таким образом, для задания множества π необходимо, чтобы модель позволяла описывать предметные переменные и константы, а также строить из них формулы.

Для задания предметных переменных и констант в модели используются три типа имен во фрейме-прототипе:

·        тип имени "константа" задает предметную константу — имя фрейма-примера для обработки:

                                      (4)

·        "простой" тип  имени задает предметную константу — имя слота в текущем фрейме (4)-(8):

                                (5)

·        тип имени "переменная" задает предметную переменную - имя фрейма-примера, соответствующего некоторому условию:

                                   (6)

Кроме того, тип имени "константа" обеспечивает создание сети фреймов, а тип имени "переменная" позволяет установить возможность задания связи между фреймами и при наличии такой возможности задает требуемую связь.

Логические связки ,  задаются самой структурой фрейма-прототипа:

·        слоты в списке слотов находятся в отношении ;

·        отношение  задается отношением фрейм - слот:

                            (7)

Отрицание задается специальным символом отрицания.

Для задания связки - используется "служебный" тип имени, обеспечивающий запись правил АВ, причем А и В сами могут быть построены с помощью вышеперечисленных связок, т.е. являются формулами (4), (6), (8):

                                    (8)

Эквивалентность не имеет специального типа имени, так как может быть задана правилами.

Все вышеперечисленное относится к логическому выводу на качественных шкалах; для использования количественных шкал и, соответственно, задания количественных отношений  вводится тип имени "функция", который задает некоторую количественную обработку параметров и возвращение результата, качественного или количественного:

               (9)

Стремление к эффективной программной реализации моделей представления знаний привело к разработке большого числа языков представления знаний.

Общими свойствами языков представления знаний высокого уровня является наличие следующих средств:

·        описания типов данных и процедур управления более сложных, чем в универсальных языках программирования;

·        встроенных механизмов представления, поиска и обработки информации;

·        механизмов построения дедуктивных алгоритмов.

В качестве языка для систем искусственного интеллекта и организации баз знаний широко применяется язык ПРОЛОГ, являющийся языком высокого уровня, основанным на математической логике. Основная единица программы в ПРОЛОГе - описание отношения, а программа представляет собой множество описаний отношений и базу данных, содержащую факты-экземпляры отношений. Все запросы в языке ПРОЛОГ формулируются в терминах введенных или встроенных отношений.

Работа ПРОЛОГа основана на поиске с возвратом, а основными приемами программирования является манипулирование списками и рекурсия [9]. Это делает описанную выше структуру фрейма естественной для данного языка и позволяет достаточно просто и естественно описывать ее с помощью предиката с соответствующей структурой. На основании вышеизложенного в качестве языка программирования для создания инструментального программного средства реализации информационных технологий выбора был выбран язык ПРОЛОГ.

 

* * *

 

Применение модели знаний на основе фреймов и фреймовых сетей при реализации инструментальных средств позволяет описывать достаточно широкий класс технологических объектов. Используемая унифицированная структура фреймов и небольшое число стандартных правил обработки позволяют описывать более сложные правила обработки и делают систему гибкой в построении различных объектно-ориентированных структур знаний. Построенная модель информационной структуры и соответствующая модель выбора удовлетворяют поставленным требованиям, характерным для новых информационных технологий, а именно: проблемно-независимое представление информации, обеспечение создания и корректировки базы знаний, данных и фактов на информационном уровне, поддержка выбора на качественном и количественном уровне, возможность описания на информационном уровне различных правил выбора, достаточно простой перевод модели в машинное представление.

 

Список литературы

1. Попов Э.В. Экспертные системы: решение информационных задач в диалоге с ЭВМ. М.: Наука, 1987. 283 с.

2. Астаппн Н.И., Матвеев М.Г. Синтез задач ситуационного управления  перерабатывающим предприятием // Научно-техн. сб. мясной и холодильной промышленности РА сельскохоз. наук. 1994. № 2. С. 19-22.

3. Айзерман М.А., Алесекров Ф.Т. Выбор вариантов. Основы теории. М.: Наука, 1990. 240 с.

4. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математичес­кие основы. М.: Мир, 1978. 311с.

5. Шоломов Л.А. Логические методы исследования дискретных моделей выбора. М.: Наука, 1989. 288 с.

6. Матвеев М.Г., Сысоев В.В. Концепция  информационных технологий управления перерабатывающими производствами // Информационная бионика и моделирование. М.: ГОСИФТП РАН, 1995. С. 25-31.

7. Минский М. Фреймы для представления знаний. М., 1979.

8. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: В 9 кн. Кн. б. Техническая имитация интеллекта / В.М. Назаретов. Д.П. Ким. Под ред. И.М. Макарова. М.: Высш. шк., 1986. 144 с.

9. Марселлус Д. Программирование экспертных систем на Турбо-ПРОЛОГЕ. М.: Финансы и статистика, 1994. 256 с.

 

ПРИНЯТИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ И МЕТОДЫ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, № 10. 1997

 

Ключевые слова: Представление знаний, принятие решений, фреймы, слоты, функции выбора, PROLOG, логический вывод.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2023 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)