Capitolul 6

Capitolul 6

Modelul cunostintelor structurate

Modelele de reprezentare prezentate anterior, respectiv logica cu predicate de ordinul I si regulile de productie, sint abordari caracterizate de putere expresiva, metode de inferenta puternice si validitate. Aceste modele nu dau, insa, nici o indicatie asupra modului de organizare si reprezentare interna a cunostintelor in sistem. Construirea bazelor de cunostinte mari si a sistemelor care exploateaza aceste cunostinte trebuie sa tina cont de eficienta reprezentarilor interne asociate unui model, de capacitatea de acces si modificare a cunostintelor. In plus, s-a constatat ca si la nivel simbolic, achizitia cunostintelor, intelegerea, utilizarea si intretinerea bazelor de cunostinte este dificila in lipsa unei organizari conceptuale adecvate. Aceste motive au dus la aparitia unei noi clase de modele de reprezentare a cunostintelor: cunostintele structurate. Spre deosebire de logica cu predicate de ordinul I in care exista o sintaxa si semantica unica, precisa si unanim acceptata, modelul cunostintelor structurate include mai multe paradigme de reprezentare si o adevarata multitudine de limbaje de descriere a cunostintelor.

Cele mai importante reprezentari structurate ale cunostintelor sint: retelele semantice si grafurile conceptuale, unitatile, numite in diverse abordari si cadre sau prototipuri, dependentele conceptuale si scenariile. Toate aceste modele prezinta o caracteristica comuna: ofera posibilitatea de a organiza si structura cunostintele in functie de relatiile existente intre obiectele universului problemei.

Paradigmele de reprezentare se numesc modele de cunostinte structurate tocmai datorita accentului fundamental pe care il pun pe structura cunostintelor in reprezentare, prin indexarea cunostintelor in functie de obiectele importante in sistem. Daca sistemul bazat pe cunostinte are nevoie de una din informatiile asociate unui astfel de obiect, structura de cunostinte asociata obiectului este regasita si toate faptele relevante despre acel obiect sint identificate deodata. Modelele cunostintelor structurate au asociate metode de inferenta specifice, incluse direct in reprezentare. In acest fel, anumite operatii care ar fi necesitat scrierea si executia unor reguli (logice sau de productie) explicite in alte reprezentari, sint executate automat de mecanismele inferentiale asociate structurii reprezentarii.

Modelul retelelor semantice, primul model structurat de reprezentare a cunostintelor, a fost introdus de Quillian in 1967 pentru a descrie semantica cuvintelor si a propozitiilor limbajului natural. Ulterior, retelele semantice au fost folosite ca metoda de reprezentare a cunostintelor in numeroase sisteme bazate pe cunostinte. De exemplu, Winston [1984] foloseste retelele semantice pentru a reprezenta si invata informatii despre lumea blocurilor, iar Hendrix [1977] foloseste modelul retelelor semantice partitionate pentru a obtine intreaga putere expresiva a calculului cu predicate. Sistemul SNePS, prescurtare de la Semantic Network Processing System, a fost conceput de Shapiro [1979] si a fost dezvoltat ulterior prin introducerea unor mecanisme suplimentare de reprezentare si rationament, cum ar fi contextele multiple si utilizarea convingerilor in rationamentul nemonoton [Kumar,1990].

Conceptul de cadru ca unitate fundamentala de reprezentare a unei structuri de cunostinte a fost propus pentru prima oara de Minsky [1975] intr-un sistem de intelegere a imaginilor. Primul limbaj bazat pe cadre a fost limbajul KRL, prescurtare de la numele Knowledge Representation Language, propus de Bobrow si Winograd [1977]. Limbajul a fost urmat de o multitudine de alte limbaje de acelasi tip, cum ar fi FRL, prescurtare de la numele Frame Representation Language, proiectat de Roberts, Goldstein in 1977, RLL [Greiner,Lenat,1980], KL-ONE [Brachman, Schmolze,1985], CYC [Lenat,s.a.,1990] si altele.

Dependentele conceptuale au fost introduse de Schank in 1973 pentru reprezentarea semnificatiei limbajului natural. Dependentele conceptuale reprezinta o teorie de modelare a cunostintelor despre evenimentele referite, de obicei, in propozitiile limbajului natural. Scenariile, introduse de Schank si Abelson in 1977 reprezinta o combinatie intre modelul cadrelor si dependentele conceptuale, permitind descrierea unei secvente tipice de evenimente intr-un context particular. O prezentare detaliata a diverselor modele structurate de reprezentare a cunostintelor poate fi gasita in Barr, s.a [1982], Patterson [1990], Luger si Stubblefield [1993], Rich si Knight [1991].

Retelele semantice si unitatile pot fi caracterizate drept "structuri slabe" de reprezentare a cunostintelor deoarece modelul nu contine, in sine, informatii despre cunostintele specifice pe care le va reprezenta. Aceste structuri slabe pot fi puse in corespondenta cu strategiile de cautare neinformata, in care tehnica de cautare este independenta de caracteristicile problemei de rezolvat. Spre deosebire de aceste modele, dependentele conceptuale si scenariile pot fi caracterizate drept "structuri tari" de reprezentare a cunostintelor, deoarece ele includ notiuni specifice despre tipul obiectelor si relatiilor existente intre acestea. Structurile tari de reprezentare a cunostintelor pot fi puse in corespondenta, la nivelul controlului, cu strategiile de cautare informata, in care fiecare algoritm de cautare include informatie euristica specifica domeniului problemei.

6.1 De la reprezentarea logica la modelul cunostintelor structurate

Fie urmatoarele propozitii, care trebuie reprezentate intr-o baza de cunostinte:

Radu i-a trimis Ioanei o scrisoare.

Radu este student.

Ioana este eleva.

Adresa lui Radu este Luterana, 15.

Considerind logica cu predicate de ordinul I, aceste cunostinte pot fi reprezentate astfel:

Din punct de vedere al facilitatii de acces, este convenabil sa se grupeze faptele care refera un obiect important intr-o singura entitate. Acest lucru se poate face, pentru exemplul de mai sus, astfel:

Radu

Ioana

O schema de reprezentare in care faptele sint indexate in functie de entitati sau obiecte considerate importante in problema, se numeste o reprezentare orientata pe obiecte. Modelul cunostintelor structurate se bazeaza pe aceasta idee, avind deci mai multe caracteristici in comun cu limbajele orientate pe obiecte. Utilizind o reprezentare structurata a cunostintelor, informatiile continute de o predicatele Ocupatie si Adresa, pot fi exprimate astfel:

Radu Ioana

Ocupatie: student Ocupatie: elev

Adresa: luterana-15

Cele mai multe limbaje de descriere a cunostintelor structurate folosesc o forma de predicate binare pentru a reprezenta fapte despre obiecte, asa cum se vede in exemplu. In cazul in care exista predicate de aritate mai mare decit 2, se poate folosi o metoda simpla de transformare a acestora in predicate binare. In exemplul anterior, predicatul poate fi reformulat ca o conjunctie de predicate binare prin postularea existentei unui "eveniment de trimitere", astfel:

Predicatul ISA este folosit pentru a exprima apartenenta unui obiect (particular) la o multime. Aplicind skolemnizarea in formula de mai sus, se inlocuieste variabila cuantificata existential x cu o constanta t₁ si se obtine:

Aceasta exprimare a predicatului Trimite poate fi convenabil reprezentata ca un obiect structurat. In plus, daca se considera ca Radu si Ioana sint persoane, se poate folosi predicatul ISA pentru a-i caracteriza suplimentar ca membrii ai multimii tuturor persoanelor existente. Astfel, se obtine reprezentarea structurata a cunostintelor din Figura 6.1(a).

Entitatile descrise de aceasta reprezentare sint obiecte particulare sau instante. Se observa ca structurile care descriu cele doua persoane, Radu si Ioana, sint relativ asemanatoare. Daca ar trebui descris un alt eveniment de trimitere, cum ar fi trimiterea unei carti de catre Ioana lui Radu, acesta ar avea o structura asemanatoare cu T1. Pe baza acestor observatii, se constata necesitatea crearii unor obiecte generale, numite si obiecte generice sau clase, care sa descrie toti membrii unei multimi de obiecte. Pentru exemplul anterior se pot defini doua obiecte generice Eveniment-trimitere si Persoana, obiecte indicate in Figura 6.1(b).

Radu Ioana

ISA: Persoana ISA: Persoana

Ocupatie: student Ocupatie: elev

Adresa: luterana-15

T1

ISA: Eveniment-trimitere

Expeditor: Radu

Destinatar: Ioana

Obiect: scrisoare

(a)

Eveniment-trimitere Persoana

AKO: Eveniment AKO: Fiinta

Expeditor: Persoana Ocupatie: (student, elev, inginer)

Destinatar: Persoana Adresa: sir

Obiect: ClasaObiect

(b)

Figura 6.1 O reprezentare structurata a cunostintelor

In definitia de mai sus se observa aparitia unui alt predicat important, AKO, care descrie incluziunea unei multimi intr-o alta multime. Predicatul AKO, specifica faptul ca obiectul generic Eveniment-trimitere face parte din clasa mai larga a evenimentelor si ca obiectul generic Persoana (deci multimea tuturor persoanelor) este inclus in clasa Fiinta (deci in multimea tuturor fiintelor). In logica cu predicate, aceste incluziuni s-ar fi exprimat astfel:

Cele doua predicate de apartenenta si de incluziune, ISA si respectiv AKO, definesc doua tipuri de relatii fundamentale in reprezentarea structurata a cunostintelor. Relatia de apartenenta a unui obiect la o multime defineste o relatie individual-generic, sau instanta-clasa si va fi notata in continuare, prin conventie, ISA (prescurtare de la IS A). Relatia de incluziune a unei multimi de obiecte intr-o alta multime defineste o relatie generic-generic, sau subclasa-clasa si va fi notata in continuare, prin conventie, AKO (prescurtare de la A Kind Of).

Semnificatia relatiilor ISA si AKO a fost mult discutata in literatura de specialitate deoarece aproape fiecare sistem bazat pe cunostinte structurate a folosit aceste relatii, sub un nume sau altul, cu semnificatii sau nuante semantice diferite. Intr-un articol foarte cunoscut, Brachman [1983] identifica urmatoarele interpretari al acestor relatii, existente in diverse sisteme.

Relatie generic-generic

subclasa-superclasa (exemplu: masini de curse-automobile)

specializare-generalizare (exemplu: magazin cu autoservire-magazin)

un fel de (exemplu: un catel este un fel de animal)

incluziune conceptuala (exemplu: un triunghi este un poligon)

multimi si tipul lor (exemplu: elefanti si o multime de elefanti)

restringerea valorilor (exemplu: trompa unui elefant este un cilindru de 1.3 metri)

Relatie individual-generic

apartenenta la o multime

proprietati ale obiectelor (exemplu: camila este maro)

abstractizarea (exemplu: ornitorincul este o specie pe cale de disparitie)

Reprezentarea structurata a cunostintelor poate fi deci privita ca o multime de obiecte particulare si/sau generice, fiecare obiect fiind descris printr-o multime de atribute (proprietati), numite de obicei sloturi, si valorile lor asociate. In exemplul anterior, obiectul particular Radu este descris prin atributele ISA, Ocupatie si Adresa, cu valorile asociate Persoana, student si luterana-15. Se observa ca valorile atributelor pot fi atit obiecte atomice (nestructurate) cit si obiecte structurate ale reprezentarii (instante sau obiecte generice). Se va vedea mai tirziu ca exista si alte tipuri de valori pentru atribute.

O astfel de reprezentare a cunostintelor poate fi imbogatita cu inferente specifice care opereaza pe structura reprezentarii. Aceste inferente au ca suport organizarea obiectelor bazei de cunostinte in clase si a claselor in ierarhii de clase, pe baza relatiilor ISA si AKO.

Forma de inferenta specifica fundamentala cunostintelor structurate este mostenirea proprietatilor, in care elemente ale unei clase mostenesc atribute si valori de la clasa sau de la superclasele in care aceasta clasa este inclusa. Mostenirea proprietatilor (atributelor) poate avea doua forme:

Aplicarea mostenirii proprietatilor de la clasa la instanta reprezinta corespondentul regulii Modus Ponens din logica cu predicate in reprezentarea structurata a cunostintelor. Aceasta inferenta specifica are urmatoarea forma: Daca un obiect O₁ este o particularizare (legat prin relatia ISA) a unui obiect generic O si obiectul O are un atribut (proprietate) A, atunci si instanta O₁ are atributul A.

Aplicarea mostenirii proprietatilor intre o clasa si o superclasa, deci de-a lungul unei relatii sau a unui lant de relatii AKO inseamna mostenirea atributelor de la clasa (obiect generic) la subclasa (obiect generic cu grad de generalitate mai mic). Daca o clasa C₁ este o subclasa a unei clase C (legata prin una sau mai multe relatii AKO) si clasa C are proprietatea A, atunci clasa C₁ are de asemenea proprietatea (atributul) A.

Mostenirea proprietatilor poate fi realizata mult mai eficient in cadrul modelului cunostintelor structurate decit in cazul altor modele, cum ar fi modelul logic in care aceste relatii trebuie definite explicit. Structurile descrise permit realizarea atit a mostenirii monotone (rationament monoton) cit si a mostenirii nemonotone prin prezenta valorilor implicite sau a exceptiilor (rationament nemonoton). Detalii suplimentare despre mostenirea proprietatilor si algoritmii utilizati vor fi prezentate in sectiunile urmatoare.