Особенности знаний, отличающие их от данных

Лекция. Основные понятия в области искусственного интеллекта

Область науки, получившая название «искусственный интеллект», имеет целью выявить принципиальные механизмы, лежащие в основе человеческой деятельности, чтобы применить их при решении конкретных научно-технических задач. «Разумные» системы создаются для работы в средах, где присутствие человека невозможно или опасно для жизни. Этим устройствам придется действовать в условиях большого разнообразия возможных ситуаций. Невозможно заранее описать эти ситуации с той степенью подробности и однозначности, которые позволили бы заложить в создаваемую систему жестко запрограммированные алгоритмы поведения. Поэтому системы, вооруженные искусственным интеллектом, должны располагать механизмами адаптации, которые позволили бы им строить программы целесообразной деятельности по решению поставленных перед ними задач на основании конкретной ситуации, складывающейся на данный момент в окружающей их среде.

Такая постановка проблемы выдвигает перед исследователями особые задачи, не возникавшие ранее при проектировании технических систем. К числу таких задач относятся: описание богатой внешней среды и ее отражение внутри системы (эту задачу называют задачей представления знаний); управление банком знаний, его пополнение, обнаружение противоречий и недостатка в знаниях; восприятие внешней среды с помощью различного рода рецепторов (зрительных, тактильных, слуховых и т.д.); понимание естественного языка, который служит для человека универсальным средством коммуникации; восприятие печатного текста и устной речи и преобразование содержащейся в сообщениях информации в форму представления знаний; планирование деятельности – задача, решение которой позволит системе формировать планы достижения цели с помощью имеющихся в ее распоряжении средств; адаптация и обучение на основе накопленного опыта.

Таково поле деятельности специалистов в области систем искусственного интеллекта. Оно лежит на стыке самых разнообразных дисциплин: программирования и психологии, техники и лингвистики, математики и физиологии.

Итак, теория искусственного интеллекта – это наука о знаниях, о том, как их извлекать, представлять в искусственных системах, перерабатывать внутри системы и использовать для решения практических задач. Другими словами, системы, изучаемые в рамках искусственного интеллекта и создаваемые в русле этой науки, - это системы, работа которых опирается на знания, отражающие семантику и прагматику того внешнего мира, в котором действуют интеллектуальные системы.

Таким образом, основными проблемами искусственного интеллекта являются представление и обработка знаний. Решение этих проблем состоит как в разработке эффективных моделей представления знаний, методов получения новых знаний, так и в создании программ и устройств, реализующих эти модели и методы.

Элементы искусственного интеллекта находят широкое применение для создания интеллектуальных программных средств ЭВМ, автоматизированных систем управления (АСУ), систем автоматизации проектирования (САПР), информационно-поисковых систем (ИПС), систем управления базами данных (СУБД), экспертных систем (ЭС), систем поддержки принятия решений (СППР), т.е. позволяют повысить уровень интеллектуальности создаваемых информационных систем.

Достижения в области искусственного интеллекта применяются в промышленности (открытие и разработка месторождений, космонавтика, автомобилестроение, химия, и т.д.), в экономике (финансы, страхование, и т.д.), в непромышленной сфере (транспорт, медицина, связь и т.д.), в сельском хозяйстве.

Средства искусственного интеллекта позволяют разрабатывать модели и программы решения задач, для которых неизвестны прямые и надежные методы решения. Такие задачи относятся к области творческой деятельности человека. Специалисты по искусственному интеллекту ставят такие научные проблемы, как доказательство математических теорем, диагностика заболеваний или неисправностей в оборудовании, финансовый анализ субъектов хозяйствования, синтез программ на основе спецификаций, понимание текста на естественном языке, анализ изображения и идентификация его содержимого, управление роботом и др.

Приведем определения основных понятий изучаемой дисциплины и рассмотрим различия между понятиями «данные» и «знания».

Информация – совокупность сведений, воспринимаемых из окружающей среды, выдаваемых в окружающую среду либо сохраняемых внутри информационной системы (ИС).

Данные – представленная в формализованном виде конкретная информация об объектах предметной области, их свойствах и взаимосвязях, отражающая события и ситуации в этой области.

Данные представляются в виде, позволяющем автоматизировать их сбор, хранение и дальнейшую обработку. Данные – это запись информации в соответствующем виде, пригодном для хранения, передачи, обработки и получения новой информации.

Информация, с которой имеет дело ЭВМ, разделяется на процедурную и декларативную.

Процедурная информация представляется программами, которые выполняются в процессе решения задач, а декларативная – данными, которые обрабатывают эти программы.

Любая интеллектуальная деятельность опирается на знания о предметной области, в которой ставятся и решаются задачи.

Предметной областью называют совокупность взаимосвязанных сведений, необходимых и достаточных для решения определенного множества задач. Знания о предметной области включают описания объектов, явлений, фактов, а также отношений между ними.

Знания – это обобщенная и формализованная информация о свойствах и законах предметной области, с помощью которой реализуются процессы решения задач, преобразования данных и самих знаний, и которая используется в процессе логического вывода.

Логический вывод – это генерирование новых утверждений (суждений) на основе исходных фактов, аксиом и правил вывода.

Знания с точки зрения решаемых задач в некоторой предметной области делят на 2 большие категории - факты и эвристики. Под фактами обычно понимают общеизвестные в данной предметной области истины, обстоятельства. Эвристики – это эмпирические алгоритмы, основанные на неформальных соображениях, которые ограничивают число вариантов решения и обеспечивают целенаправленность поведения решающей системы, не гарантируя, однако, получения наилучшего решения. Такие знания основаны на опыте специалиста (эксперта) в данной предметной области.

Со знаниями тесто связано понятие процедуры получения решений задач (стратегии обработки знаний). В ИИС такую процедуру называют механизмом вывода, логическим выводом или машиной вывода.

Знания, с которыми работает система, хранятся в базе знаний (БЗ).

Для организации взаимодействия с ИИС в ней должны быть средства общения с пользователем, т.е. интерфейс. Интерфейс обеспечивает работу с БЗ и механизмом вывода на языке достаточно высокого уровня, приближенном к профессиональному языку специалистов в той предметной области, к которой относится ИИС. Кроме того, в функции интерфейса входит поддержка диалога пользователя с системой, позволяющего пользователю получать объяснения действий системы, участвовать в поиске решения задачи, пополнять и корректировать базу знаний. Таким образом, основными частями ИИС являются:

Основой логических моделей является понятие формальной системы, задаваемой четверкой M = (T, P, A, F).

Множество T есть множество базовых элементов различной природы, например слов из некоторого ограниченного словаря. Предполагается, что существует процедура П(Т) проверки принадлежности произвольного элемента множеству Т.

Множество P есть множество синтаксических правил. С их помощью из элементов T образуют синтаксически правильные выражения, например, из слов ограниченного словаря строятся синтаксически правильные выражения. Должна существовать процедура П(Р), позволяющая определить, является ли

некоторое выражение синтаксически правильным.

В множестве Р выделяется подмножество А априорно истинных выражений (аксиом). Должна существовать процедура П(А) проверки принадлежности любого синтаксически правильного выражения множеству А.

Множество F есть множество семантических правил вывода. Применяя их к элементам А, можно получать новые синтаксически правильные выражения, к которым снова можно применять правила из F. Так формируется множество выводимых в данной формальной системе выражений. Если имеется процедура П(F), позволяющая определить для любого синтаксически правильного выражения является ли оно выводимым, то соответствующая формальная система называется разрешимой.

Для знаний, входящих в базу знаний, можно считать, что множество А образуют все информационные единицы, введенные в базу знаний, а с помощью правил вывода из них выводятся новые производные знания. Другими словами, формальная система представляет собой генератор новых знаний, образующих множество выводимых в данной системе знаний.

Данная модель лежит в основе построения многих дедуктивных ИИС. В таких системах база знаний описывается в виде предложений и аксиом теории, а механизм вывода реализует правила построения новых предложений из имеющихся в базе знаний. На вход системы поступает описание задачи на языке этой теории в виде запроса (предложения, теоремы), явно не представленного в БЗ. Процесс работы механизма вывода называют доказательством запроса (теоремы).

Использование логик различного типа при построении синтаксических и семантических правил порождает логические модели различных типов.

Исчисление высказываний изучает предложения, которые могут быть либо истинными, либо ложными. Не всякое предложение является высказыванием. Например, бессмысленно говорить об истинности вопросительных предложений. Не являются высказываниями предложения, для которых нет единого мнения о том, истинны эти предложения или ложны. По-видимому, далеко не все согласятся с утверждением «математическая логика – увлекательный предмет».

Предложение «Шел снег» также не является высказыванием, так как, чтобы судить о его истинности, нужны дополнительные сведения о том, когда и где шел снег.

Объединяя предложения с помощью связок типа «и», «или», «если… то…», можно образовывать новые предложения.

В исчислении высказываний используется пять логических связок: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция, импликация и эквивалентность.

Конъюнкция (логическое И) истинна только тогда, когда оба составляющих ее высказывания истинны.

Дизъюнкция (логическое ИЛИ) ложна только тогда, когда ложны оба составляющих ее высказывания.

У импликации (соответствует связке «Если…, то…») первый операнд называется посылкой, а второй – заключением. Импликация ложна только тогда, когда ее посылка истинна, а заключение – ложно.

Логическая операция эквивалентность соответствует связке «тогда и только тогда». Ее результатом является истина, если оба высказывания или одновременно истинны, или одновременно ложны.

Логическое отрицание выполняется над одним высказыванием. Высказывание и его отрицание всегда имеют противоположные истинностные значения.

Символы, используемые для обозначений высказываний, называют атомами.

Правильно построенные формулы в логике высказываний рекурсивно определяются следующим образом:

«- логическое ЭКВИВАЛЕНТНО (эквиваленция);

Интерпретацией формулы называется приписывание каждому атому, входящему в формулу, истинностного значения (истина или ложь).

Формула, состоящая из n различных атомов, имеет 2 ⁿ различных интерпретаций.

Формула, истинная при всех интерпретациях, называется общезначимой (например, A Ú Ø A).

Формула, ложная при всех интерпретациях, называется противоречивой (например, A ÙØ A).

Формула, для которой существует хотя бы одна интерпретация, при которой она истинна, называется выполнимой.

Эквивалентными называются формулы, истинностные значения которых совпадают при всех интерпретациях. С помощью эквивалентных замен формулы можно преобразовывать из одной формы в другую.

Для преобразований формул исчисления высказываний применяют следующие эквивалентности:

Аппарат исчисления высказываний во многих случаях не позволяет удовлетворительно описать предметную область. Значительная часть предметных областей может быть описана средствами исчисления предикатов первого порядка. Для этого в рассмотрение вводятся:

а) константы, обозначающие индивидуальный объект или понятие;

б) переменные, которые в разное время могут обозначать разные объекты;

в) термы, простейшими из которых являются константы и переменные, а в более общем случае представляемые выражениями типа

, где

- функциональный символ, а

- термы;

г) предикаты, используемые для представления отношений между объектами в некоторой предметной области;

д) кванторы – средство задания количественных характеристик предметной области.

Предикат – это логическая функция, принимающая только истинностные значения «истина» или «ложь».

Предикат состоит из предикатного символа и соответствующего ему упорядоченного множества термов, являющихся его аргументами. Предикатный символ P используется для именования отношений между объектами. Если он имеет n аргументов, то называется n-местным предикатным символом.

Запись

, являющаяся простейшей (атомарной) формулой, означает, что истинно высказывание: объекты связаны отношением P.

С помощью тех же логических связок, что и в исчислении высказываний (И, ИЛИ, НЕ, СЛЕДУЕТ, ЭКВИВАЛЕНТНО), можно строить более сложные формулы.

Для определения областей действия переменных в формулах используются кванторы

(всеобщности) и

(существования). Кванторы позволяют строить высказывания о множестве объектов и формулировать утверждения, истинные для этого множества.

Формулы исчисления предикатов (ППФ – правильно построенные формулы) определяются рекурсивно следующим образом:

2. если A и B – формулы, то формулами являются и

3. если

- есть формула, то формулами являются и

Интерпретация формул в исчислении предикатов – это задание областей значений всем константам, функциональным и предикатным символам. Формула, интерпретируемая на области D, принимает значения истина или ложь по следующим правилам:

а) если заданы значения формул A и B, то истинностные значения формул Ø A, A Ù B, A Ú B, A ® B, A «B получаются по таблицам истинности, справедливым для исчисления высказываний;

б) формула

получает значение истина, если

для каждого

из D имеет значение истина, в противном случае ее значение – ложь.

в) формула

получает значение истина, если

хотя бы для одного

из D имеет значение истина, в противном случае ее значение – ложь.

Формула A есть логическое следствие формул

, тогда и только тогда, когда для любой интерпретации, в которой формула

истинна, формула A также истинна.

Кроме формул эквивалентных преобразований, приведенных для исчисления высказываний, в исчислении предикатов справедливы следующие:

По познавательному назначению различают два типа фреймов: фрейм – прототип и фрейм – пример. Фрейм – прототип отражает знания об абстрактных стереотипных понятиях, которые являются классами каких-то конкретных объектов. Фреймы-прототипы отражают интенсиональные знания, т.е. обобщенные знания о закономерностях, присущих рассматриваемому классу объектов. Фреймы – примеры отражают знания о конкретных фактах предметной области, или так называемые экстенсиональные знания. Переход от фрейма-прототипа к фрейму-экземпляру выполняется при проведении процедуры означивания фрейма-прототипа в процессе работы механизма логического вывода.

В качестве примера рассмотрим упрощенную схему фрейма – прототипа понятия ДАТА:

<ДАТА> (<МЕСЯЦ><имя>)(<ДЕНЬ><целые числа {1,2,…, 31}>)

(<ГОД><функция>)(<ДЕНЬ НЕДЕЛИ><перечень {ПНД,ВТР,…,ВСК}>

Имя фрейма – прототипа – ДАТА. В слоте МЕСЯЦ на месте значения записано ИМЯ, т.е. значением слота может быть любое буквенное выражение. Значением слота ДЕНЬ являются целые числа, причем перечень их приведен в слоте. В слоте ГОД указана функция, которая может реализовать следующие действия. Если во входном предложении указан год, то он вносится в поле значения слота во фрейме – примере; если год не указан, то отсутствующее значение заполняется текущим годом. Такого рода функции называются функциями, выполняемыми по умолчанию.

В слоте ДЕНЬ НЕДЕЛИ также определена функция, которая при обработке входного сообщения будет вызываться автоматически для проверки на непро-

тиворечивость значения дня недели, указанного пользователем, либо вычисле-

ния этого значения, если пользователь его не указал.

Конкретный фрейм – пример фрейма ДАТА может выглядеть следующим образом:

Метка ISA обозначает, что данный фрейм является фреймом – примером. Здесь заполнены только 2 слота. Значения остальных могут быть вычислены с помощью соответствующих процедур.

Процедуры, включаемые в слот, делят на два типа: процедуры – демоны и

Процедуры – демоны активизируются автоматически каждый раз, когда данные попадают в соответствующий фрейм – пример или удаляются из него. Так, процедура, встроенная в слот ДЕНЬ НЕДЕЛИ в описанном выше примере, является представителем процедуры – демона. С помощью процедур этого типа выполняются все рутинные операции, связанные с ведением баз данных и знаний.

Процедуры – слуги активизируются только по запросу. Примером такой процедуры является функция, встроенная в слот ГОД в фрейме – прототипе ДАТА, которая вызывается только в том случае, если пользователь не указал год.

на фрейм Ребенок. Наследование слота «любит» из фрейма Ребенок.

Ответ: 6-17 – значение слота «возраст» берется из фрейма Ученик. Значение из фрейма Ребенок не берется, т.к. значение указано явно в самом фрейме «ученик», относительно которого задается вопрос.

По функциональному назначению различают следующие виды фреймов:

- фреймы – операции (например, фрейм «процесс синтеза корректирующих устройств», слоты: модель, алгоритм расчета, параметры и т.д.);

- фреймы – ситуации (например, фрейм «Аварийный режим работы аналогового датчика», слоты: напряжение, сила тока и т.д.);

- фреймы – сценарии (например, фрейм «Тушение пожара», слоты: место пожара, средства тушения и т.д.).

Фреймовая модель представления знаний используется в языках FRL (Frame Representation Language), KRL (Knowledge Representation Language) и др.

Во фреймовых языках основной операцией является поиск по образцу. Образец представляет собой фрейм, в котором заполнены не все структурные единицы, а только те, по которым среди фреймов, хранящихся в памяти системы, будут отыскиваться нужные фреймы. Образец может, например, содержать имя фрейма, а также имя некоторого слота во фрейме с указанием значения слота. Такой образец проверяет наличие в памяти системы фрейма с данным именем и данным значением слота, указанного в образце. В образце может быть указано имя некоторого слота и его значение. Тогда процедура поиска по образцу должна обеспечить выборку всех фреймов, в которых содержится слот с таким именем и таким значением слота, как у образца. Наконец, может быть задана некоторая логическая функция от имени фрейма, каких-то имен слотов и значений слотов. Таким образом, логический вывод в сети фреймов основан на операции сопоставления.

Другими процедурами, характерными для фреймовых языков, являются процедуры наполнения слотов данными, а также процедуры введения в систему новых фреймов-прототипов (т.е. новых знаний) и введения новых связей между ними.

Рассмотрим фрагмент описания из "мира блоков" (рис. 4.7) в виде фреймов на языке FRL.

Слот AKO указывает на то, что объекты B 1 и B 2 являются подтипом объекта Cube и наследуют его свойства, а именно, length = width = height. Процедура - демон IF-DEFAULT заполняет значения слотов по умолчанию.

Допустим, роботу дается приказ «Возьми желтый предмет, который поддерживает пирамиду». На языке представления знаний вопрос записывается так:

Программа сопоставления с образцом находит в базе знаний описание объектов:

Ответ получен: X = B 3, Y = P 2, и роботу выдается команда take (object B 3).

Достоинства фреймов как модели представления знаний – возможность структуризации базы знаний благодаря свойствам иерархичности и наследования. Недостатком является сложность организации логического вывода.

Лекция. Основы построения продукционной системы

Иногда, для того чтобы решить, какое правило следует активизировать, желательно использовать конкретные знания, а не следовать общей стратегии разрешения конфликтов. С этой целью в некоторые интерпретаторы правил включены средства, позволяющие программисту сформулировать и ввести в программу метаправила. Метаправила определяют правила, по которым выполняется отбор из списка заявок тех правил, которые следует рассматривать в первую очередь или, более того, выполнять обязательно.

Метаправила позволяют значительно сузить круг правил - кандидатов на основании какого-либо критерия или изменить порядок приоритетов правил. Метаправила часто используют знания из конкретной предметной области. Примером может служить приведенное ниже метаправило, относящееся к сис-

ЕСЛИ (1) инфекция относится к классу pelvic-abscess, и

(2) существуют правила, в предпосылках которых упоминается

(3) существуют правила, в предпосылках которых упоминается

ТО с уверенность 0.4 приоритет следует отдать первым из перечисленных правил.

Лекция. Основные понятия в области искусственного интеллекта

Информация, с которой имеет дело ЭВМ, разделяется на процедурную и декларативную.

Знания, с которыми работает система, хранятся в базе знаний (БЗ).

Особенности знаний, отличающие их от данных

Пример. Пусть в качестве предметной области выступают родственные связи. Объектами этой предметной области являются такие понятия, как мать,

На языке Пролог эти факты описываются следующим образом:

Здесь «отец» является именем отношения или предикатом, а «виктор», «таня» и «владимир» - константами.

Пусть X, Y, Z – переменные. Используя переменные X и Z, можно в общем случае записать отношение «X является отцом Z» на языке Пролог:

Используя предикат «отец» и переменные X, Y, Z, сформулируем новое отношение «дед», а именно:

Такая форма записи отношения «Если.…То» называется продукционным правилом, продукцией или просто правилом.

На языке Пролог отношения «дед» записывается следующим образом:

На примере отношения «дед» сформулирована общая закономерность определения понятия «дед» через понятие «отец». Имя «владимир», взятое вне зависимости от отношения, ни о чем не свидетельствует. Возможно это имя человека или наименование города. Точно так же рассматриваются числовые или другие данные, например, в файле данных. Данное, взятое вместе с отношением, определяет некоторый смысл и таким образом представляет собой знание.

Рассмотрим особенности знаний, в которых заключается их отличие от данных.

1. Интерпретируемость. Данные, хранимые в памяти ЭВМ, могут интерпретироваться только соответствующей программой. Данные без программы не несут никакой информации, в то время как знания имеют интерпретацию, так как они содержат одновременно и данные, и соответствующие им имена, описания, отношения, т.е. вместе с данными представлены информационные структуры, которые позволяют не только хранить знания, но и использовать их.

2. Структурированность. Выполняется декомпозиция сложных объектов на более простые и установление связей между ними. Одни информационные единицы вкладываю

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: