Структуры представления знаний.

Фрейм

 

/см. М.Минский. Фреймы для представления знаний. М., 1979/

 

Информация о мире, извлекаемая из опыта, хранится в памяти человека не в хаотическом беспорядке, а в виде разного рода связанных конструкций. В исследованиях по когнитивной психологии и в разработках по ИИ они получают разные названия:

- схемы (Bartlett 1932);

- сценарии (Shank, Abelson 1977);

- фреймы (Minsky 1977). и др.

Структуры знаний, именуемые фреймами, схемами, сценариями, планами и т.п., представляют собой пакеты информации (хранимые в памяти или создаваемые в ней по мере надобности из содержащихся в памяти компонентов), которые обеспечивают адекватную когнитивную обработку стандартных ситуаций (Минский 1979, Шенк 1980, Чарняк 1983, Дейк 1989 и др.).

Понятие фрейма было введено Марвином Минским в связи с изучением проблемы представления знаний в системах искусственного интеллекта. Фрейм – структура знаний, представляющая собой пакет информации об определенном фрагменте человеческого опыта (объекте, ситуации). Фреймы обеспечивают адекватную когнитивную обработку стереотипных ситуаций.

Фрейм – структура данных для понятийного представления стереотипных ситуаций в рамках общего контекста знаний о мире (например, нахождение в комнате, ритуал детского дня рождения и т.п.). С этих позиций дается описание механизмов человеческого мышления, распознавания образов, восприятия зрительной и слуховой информации и др.

Фрейм – минимально необходимая структурированная информация, которая однозначно определяет данный класс объектов; это совокупность признаков объекта или явления, позволяющая идентифицировать этот объект (явление), т.е. то минимальное описание, которое еще сохраняет сущность репрезентируемого объекта, позволяя тем самым вычленить его из окружающего мира. Любое сокращение этого описания, т.е. удаление одного из признаков, приводит к потере этой сущности. Фрейм соответствует обычно частотным, но иногда и непродуктивным стереотипам.

В памяти хранятся фреймовые репрезентации об известных объектах и личностях, знание о единицах, категориях и правилах языка, дискурса, коммуникации.

Фрейм – модель стереотипной ситуации. Фрейм представляет не одну конкретную ситуацию, а наиболее характерные, основные моменты ряда близких ситуаций.

Человек, пытаясь познать новую для себя ситуацию или по-новому взглянуть на уже привычные вещи, выбирает из своей памяти некоторую структуру данных (образ, фрейм) с таким расчетом, чтобы путем изменения в ней отдельных деталей сделать ее пригодной для понимания более широкого класса явлений или процессов. Фрейм согласовывается с данной конкретной ситуацией.

Фреймы содержат субфреймы (слоты). Например, фрейм КОМНАТА содержит субфреймы ОКНО, ДВЕРЬ, ПОТОЛОК, ПОЛЮ СТЕНА..

 

Формально (графически) фрейм представляют в виде сети из узлов и связей между ними. Узел – это понятие, которое может быть: задано в общем, явном, виде, а может быть не задано в явном виде. Если понятие не задано в явном виде, оно может быть конкретизировано в результате согласования данного фрейма с некоторой конкретной ситуацией, имеющей место во внешнем мире. Незаданные в явном виде узлы называются терминалами (слотами). Они образуют нижние уровни графовой структуры.

Вершинные уровни фрейма занимают узлы, соответствующие понятиям, заданным в явном виде. Это общие вещи, они четко определены, фиксированы и соответствуют вещам, всегда справедливым по отношению к предполагаемой ситуации. Совокупность заданных в явном виде узлов-понятий образует основу для “понимания” любой конкретной ситуации (для данного фрейма).

Каждый узел должен быть заполнен своим “заданием” (это те или иные характерные черты ситуации). Верхние узлы уже заполнены своими заданиями..

Терминальные узлы (терминалы), или слоты (ячейки), не заполнены заданиями. Они заполняются характерными примерами или данными в процессе приспособления фрейма к конкретной ситуации.

Каждый терминал может устанавливать условия, которым должны отвечать (удовлетворять) его задания. Простые условия устанавливаются (определяются) маркерами. Например, заданием терминала может быть: “лицо”, “предмет определенных размеров”, “действие”, “указатель на другой фрейм” и т.д.

Между заданиями нескольких терминалов можно установить связи.

Количество слотов соответствует количеству элементов, выделяемых в данном фрагменте опыта. Так, фрейм физического объекта состоит из слотов, соответствующих разнообразным аспектам или параметрам, выделенным на основе опыта общения человека с объектами данного типа.

Слот имеет имя, задающее сам параметр, и заполняется информацией о значении, которое данный параметр принимает у данного конкретного экземпляра.

Фрейм удобно представлять в виде таблицы, столбцы или строки которой соответствуют его слотам. (Пример фрейма «Зеркало» см. Кобозева 2000). Обычно в таких представлениях отражаются знания, используемые говорящими при порождении и понимании текстов.

“Понимание” происходит путем конкретизации терминалов и согласования возможных для каждого из них понятий с вполне определенной, существующей во внешнем мире обстановкой.

Терминалы фрейма, выбираемого для представления ситуации, обычно уже заполнены заданиями, которые наиболее вероятны в данной ситуации. Эти задания называются “заданиями отсутствия” (переменными). Они соответствуют заранее заготовленным значениям, но не обязательно присутствуют в конкретной ситуации. Задания отсутствия непрочно связаны со своими терминалами. Они могут быть вытеснены другими заданиями, которые лучше подходят к текущей ситуации.

После того как выбран фрейм для представления ситуации совершается процесс согласования фрейма с данной конкретной ситуацией. Этот процесс состоит в нахождении таких заданий для терминалов фрейма, которые совместимы с маркерами терминалов. Терминалам присваиваются такие значения, которые удовлетворяют всем условиям соответствующих маркеров. Процесс согласования частично контролируется информацией, связанной с фреймом, знанием текущих целей.

Если выбранный фрейм не удается согласовать с реальностью, т.е. если невозможно найти задания для терминалов, которые соответствующим образом согласуются с условиями маркера, то происходит обращение к сети поиска информации, с помощью которой соединяются между собой системы фреймов.

Более сложными условиями задаются отношения между понятиями, включенными в различные терминалы.

Группы фреймов объединяются в системы. Между фреймами системы устанавливаются отношения трансформации.

Одни и те же терминалы могут входить в несколько фреймов (использоваться разными фреймами) системы. Часто такое заполнение представляется как подфрейм – вложенный фрейм. Это позволяет координировать информацию от разных источников.

Различные фреймы относительно одной ситуации соответствуют:

- различным позициям наблюдателя (перемещение наблюдателя);

- различным действиям;

- разным причинно-следственным связям;

- разным точкам зрения.

В долговременной памяти хранится большой набор систем фреймов. Одна из них активизируется, когда данные и ожидание дают возможность предполагать, что она соответствует видимой картинке. У человека имеются специальные системы для представления наиболее важных объектов и для “основных форм”. Их сочетания образуют фреймы для новых применений.

Процесс согласования фрейма и реальной ситуации содержит следующие компоненты:

1) проверка на адекватность;

2) конкретизация;

3) управление.

Например, перед тем как войти в комнату, мы уже заранее знаем, что увидим. Часто люди предполагают наличие какой-то конкретной комнаты. В этом случае значения многих заданий терминалов уже определены.

Самый простой вариант фрейма комнаты – это подобие пустой внутренности коробки. Задания терминалов контролируются видимыми предметами. Если новая комната знакома недостаточно хорошо, нужно проводить более глубокий анализ сцен. Объем работы и здесь сокращается благодаря наличию субфреймов, с помощью которых можно выдвигать гипотезы о структуре и связях реальных объектов.

Человеческое мышление базируется на хранящихся в памяти фреймах. С их помощью человек:

- осознает зрительные образы (фреймы визуальных образов);

- понимает слова (семантические фреймы);

- понимает последовательности действий (фреймы-сценарии) и т.д.

 

Человек способен понимать не только известные, но и новые ситуации.

Итак, фреймы могут пониматься как эпистемические единицы, которые определяют наше восприятие стульев, журналов, бананов и других объектов действительности. Например, фрейм “Комната” включает слоты: стены, потолок, пол, окно, дверь, трехмерность замкнутого пространства комнаты, точку зрения относительно данного объекта (вне, внутри).

/При таком понимании фрейма трудно провести границу между фреймом и концептом./

 

Фрейм может рассматриваться как такая когнитивная структура в феноменологическом поле человека, которая основана на вероятностном знании о типических ситуациях и связанных с этим знанием ожиданиях по поводу свойств и отношений реальных или гипотетических объектов /см. Макаров 1998/. По своей структуре фрейм состоит из вершины (темы), т.е. макропропозиции, и слотов или терминалов, заполняемых пропозициями. Эта когнитивная структура организована вокруг какого-нибудь концепта. Она содержит самую существенную, типическую и потенциально возможную информацию, которая ассоциирована с данным концептом.

Фрейм – единица знаний, организованная вокруг некоторого понятия, но, в отличие от ассоциаций, содержащая данные о существенном, типичном и возможном для этого понятия. Фрейм обладает более или менее конвенциональной природой и поэтому конкретизирует, что в данной культуре характерно и типично, а что – нет. Особенно важно это по отношению к определенным эпизодам социального взаимодействия – поход в кино, поездка на поезде – и вообще по отношению к рутинным эпизодам. Фрейм организует наше понимание мира в целом, а тем самым и обыденное поведение (когда мы покупаем билет, платим за проезд, например). С каждым фреймом связаны несколько видов информации: об его использовании и о том, что следует ожидать затем, что делать, если ожидания не подтвердятся.

Фреймы имеют более или менее конвенциональную природу. Они способны определять и описывать то, что является самым характерным или типичным в данном социуме или обществе с его этно- и социокультурными особенностями. Так, фрейм “Семья” по-разному организован в сознании жителей южнокорейского села, немецкого города, дагестанского аула или индусской деревни: разными оказываются и слоты, и их количество, и наполнение (явно отличаются роли и статусы членов семьи, их права и обязанности, отношение к родственникам по мужской и по женской линии, включенность третьего-четвертого поколений).

 

Терминалы служат для хранения наиболее вероятных вопросов. Фрейм можно понимать как множество вопросов, которые необходимо задать относительно предполагаемой ситуации. Чтобы понять действие, о котором идет речь, приходится искать ответы на такие вопросы, как: В чем причина действия? Какова цель действия? Каковы последствия? На кого действие влияет? С помощью каких средств оно выполняется?

Вопросы могут касаться и сущностей, отличных от действия: Почему они говорят мне об этом? Как я могу выяснить об этом больше данных? Каким образом это поможет мне в реальной обстановке?

Люди обычно не разъясняют всех подробностей той мысли, которую они стремятся сообщить другим, поскольку стараются быть краткими и опускают вследствие этого предполагаемую и несущественную информацию.

 

Каждый фрейм в числе прочих элементов содержит множество терминалов, к которым присоединяются другие фреймы. Так, фрейм стула содержит информацию о том, что стул имеет сиденье, спинку и четыре ножки. Однако названные части стула подлежат описанию не в самом фрейме стула, а во фреймах, присоединенных к его терминалам.

 

У каждого фрейма есть также набор характеристик, которых достаточно для активации фрейма в целом. Так, например, если мы не видим весь стул, а только некоторые его части, то они могут активировать весь фрейм. который, в свою очередь, активирует субфреймы. Эти субфреймы и проводят “поиск” тех частей стула, которые не видны, скрыты от взгляда и т.д. И наконец, даже если некоторые элементы, предусмотренные фреймом, будут совершенно недоступны наблюдению (человек, например, редко видит одновременно все ножки стула и никогда не видит все стороны ящика), эти недостающие элементы будут восстановлены “по умолчанию”. Когда человек читает про какой-то ботинок или стул, то соответствующие фреймы помогают “по умолчанию” воссоздать определенный образ ботинка или стула.

 

Умолчание играет важную роль. Когда мы, например, смотрим на сидящего человека, то даже если стул, на котором он сидит, полностью скрыт от нашего взгляда, мы все равно “видим” этот стул. Если специально не привлечь внимание к этому факту, мы никогда и не заметим фактическое отсутствие стула в поле зрения. Данное явление объясняется тем, что фрейм “сидеть” требует заполнения субфрейма “на чем-то”, и все это присоединяется к некоторому “типичному” фрейму стула “по принципу умолчания”.

 

Выбор фрейма может варьировать в зависимости от наблюдаемой ситуации. Если мы видим человека сидящего на чем-то в парке, то мы “приписываем по умолчанию” фрейм “парковой скамейки”. Если мы увидим ручку кресла, то фрейм будет заменен более подходящим фреймом “кресло”. Этот процесс происходит очень быстро, ибо ряд терминалов соотносимых фреймов уже заранее связан между собой, что существенно облегчает изменение неудачной интерпретации и коррекцию “обманутого ожидания” и позволяет быстро подбирать нужный фрейм. Переход от одного фрейма к другому происходит быстро, естественно и в силу этого недоступен для интроспекции.

 

Формирование системы взаимосвязанных фреймов осуществляется в течение всей жизни человека и определяется приобретением им соответствующего опыта. Новые фреймы возникают на основе пересмотра старых с сохранением общих для них терминалов. Межфреймовые связи каждый индивид устанавливает по-своему.

 

Фреймы и системы фреймов используются как на концептуальном, так и на перцептивном уровнях.

 

У каждого достаточно развитого человека имеются также более крупные системы фреймов, члены которых на первый взгляд кажутся совершенно различными. – например, вода и электричество, поэзия и музыка. Такие аналогии являются одним из самых могущественных инструментов мышления. Эти аналогии дают возможность увидеть какой-либо предмет или идею как бы “в свете” другого предмета или идеи, что позволяет применить знания и опыт, приобретенные в одной области для решения проблем в другой области. Именно таким образом осуществляется распространение знаний от одной научной парадигмы к другой.

 

Как обнаруживаются эти связи? Некоторые фреймы идентифицируются как сходные в силу того, что их терминалы присоединяют объекты одних и тех же видов. В более тонких случаях какие-то озарения посещают отдельных людей и только потом, сформировавшаяся идея получает распространение через культуру.

Каждый индивид должен располагать своими собственными методами установления новых межфреймовых связей.

 

Процесс мышления сопровождается сменой фреймов. Однако довольно часто вдруг выясняется, что какой-то из активированных фреймов оказался неподходящим.

Итак, фреймы – это эпистемические единицы, которые определяют наше восприятие стульев, журналов, бананов и других объектов действительности. Фрейм – это когнитивная структура в феноменологическом поле человека, это вероятностное знание о типичных ситуациях. С этим знанием связаны ожидания по поводу свойств и отношений реальных или гипотетических объектов.

Понятию “фрейм” соответствуют такие понятия, как “схема” в когнитивной психологии (F.Bartlett, M. Minsky).

 

Сцена

 

С определенными фреймами ассоциируются сцены. Под сценой понимаются не только зрительные, но и иные виды внутренних мысленных образов: межличностные процессы общения, стандартные сценарии поведения, предписываемые культурой, институциональные структуры и др.

Можно провести аналогию между фреймом и модулем технического устройства и рамкой в кино. Ч.Филлмор использует термин “модуль” как синоним термина “фрейм”. Фреймы комбинируются в более крупные модули.

Фрейм иногда понимают как родовое обозначение набора понятий типа: схема, сценарий, когнитивная модель, как система категорий, структурированных в соответствии с мотивирующим контекстом.

Сцена и фрейм соотносятся посредством “перспективы”: в сценах и ситуациях можно выделить функции, исполняемые теми или иными участниками. По ходу речи одни участники выдвигаются на первый план, а другие оказываются на втором плане. Иерархия превосходства, или выделенности, предопределяет, что именно в первую очередь является кандидатом на такое выдвижение.

Фреймы-сценарии (сценарные фреймы)

Знания о мире строятся в виде фреймов-сценариев. Фрейм-сценарий – типовая структура для некоторого динамического фрагмента мира (ситуации), включающая характерные элементы этого фрагмента. Сценарий содержит стандартную последовательность событий, обусловленную некой реккурентной ситуацией (Шенк, Абельсон 1977).

Сценарии можно определить как абстрактные, схематические, иерархически организованные наборы пропозиций, конечные позиции которых являются незаполненными. Их наполнение производится по умолчанию.

Сценарии могут быть приложимы к различным ситуациям путем заполнения терминальных позиций конкретной информацией. Сценарий направляет наши намерения, действия, понимание того, что происходит.

Сценарий описывает упорядоченную во времени последовательность стереотипных событий.

Сценарий – связанная каузальная цепочка действий. Он может разветвляться на множество возможных путей. Они сходятся в особо характерных для сценария точках – элементарных действиях.

Стереотипные, присущие какой-либо культуре социальные ситуации могут быть представлены в памяти в форме сценариев таким образом, что люди могут взаимодействовать друг с другом или общаться на основе этого общего знания. Сценарии хранятся в семантической или социальной долговременной памяти.

Фрейм-сценарий – собрание вопросов, которые надо задать, и способы ответа на них. Вопросы могут вызывать из памяти новые фреймы. Разные люди могут задавать разное количество вопросов относительно одной и той же ситуации. Число и характер вопросов зависит от базы знаний. Полное понимание может и не быть достигнуто из-за отсутствия у человека необходимой системы фреймов.

Сценарии организуют поведение и его интерпретацию. Для сценариев характерна ситуативная привязанность и конвенциональность.

Сценарии иногда описывают последовательности сцен, событий или действий, которые имеют полностью или частично ритуализованную природу, например, светские, религиозные или военные церемонии.

В языке и мышлении мы кратко выражаем и условно представляем сложные ситуации и целые эпизоды с помощью слов и символов.

Смысл понятия “торговля” может быть описан с помощью следующих фреймов:

 

Первый фрейм Второй фрейм

А имеет Х А имеет У

В имеет У В имеет Х

 

Ситуацию можно представить разными фреймами (с разных точек зрения).

 

Сценарий “Ресторан” с точки зрения посетителя.

Роли: посетитель, официант.

Цель: получить пищу, чтобы утолить голод.

Сцена 1. Вход

войти в ресторан;

найти пустые столы;

выбрать стол;

направиться к месту;

сесть.

Сцена 2. Заказ

получить меню;

прочитать;

сделать выбор;

заказать.

Сцена 4. Еда

Сцена 5.Уход

попросить счет;

оплатить.

Средства выполнения действий могут варьироваться по обстоятельствам.

 

Сценарий представляет собой набор объединенных временными и причинными связями понятий низшего уровня, описывающий упорядоченную во времени последовательность стереотипных событий. Примером описания некоторой разворачивающейся во времени ситуации с помощью сценария может служить представление последовательности событий, связанных с посещением врача, магазина и т.п.

Сценарии могут вырабатываться в результате интерпретации текста (ключевые слова, идей текста).

Существенные для проведения рассуждений тематические структуры или сценарии вызываются из памяти с помощью ключевых слов или ценных для этих рассуждений идей.

 

Фреймы и сценарии хранятся в памяти. Однако сценарии не хранятся в памяти в “готовом виде”. Мы строим сценарии по мере необходимости.

 

Р. Шенк выделяет четыре уровня памяти:

- на первом уровне хранятся образы вполне конкретных событий, например, конкретное посещение зубного врача;

- на втором уровне хранятся обобщенные образы, вобравшие в себя все конкретные события одного типа, например все посещения зубного врача;

- на третьем уровне хранится информация о ситуации в целом, например, факт, что в кабинете есть специальное кресло;

- четвертый уровень – уровень интенциональной памяти, он содержит более абстрактную информацию о том, как надо решать свои проблемы, например, относительно лечения зубов.

 

Скрипт – один из типов структур сознания, вид фрейма. Привычные ситуации описываются скриптами как стереотипные смены событий. Большинство скриптов усваивается в детстве в результате прямого опыта или при наблюдении за другими людьми. Мало кто лично участвовал в ограблении банка, угоне самолета и т.п., но из книг, телевидения и кино, почти все примерно представляют себе, как это делается, т.е.обладают соответствующим скриптом.

Первоначально скрипты, планы и т.п. рассматривались как структуры данных, удобные для умозаключений, осуществляемых по ходу реконструкции причинно-следственных отношений, лежащих в основе какого-либо повествования. С помощью скриптов можно моделировать, например, составление рассказов. Так, рассказ о походе в ресторан можно представить через указание на скрипт “ресторан”. По ходу чтения рассказа, например, о походе в ресторан накапливаются множества значений скрипта, но запомнить нужно только необычные, выдающиеся, новые сведения, а не стереотипную информацию. Скрипт (омар, Джон, “Метрополь”) достаточен для того, чтобы воспроизвести простенькое повествование о том, как Джон ел омара в ресторане “Метрополь”.

Важным свойством скрипта является повторяемость слотов, ролей, единиц и т.п., входящих в структуры текстообразования.

Скрипт понимают как набор ожиданий о том, что в воспринимаемой ситуации должно произойти дальше. Многие ситуации в жизни можно проинтерпретировать так, как будто участники этих ситуаций “играют” свою роль, заранее заготовленную в “тексте” некоторой пьесы. Официантка следует роли официантки, клиент – роли клиента. Жизненный опыт означает часто знание того, как поступать и как другие поступят в конкретных стереотипных ситуациях. Это знание и называется скриптом. Мы живем, следуя своим скриптам, или предписаниям. Чем больше скриптов в нашем сознании, тем в большем числе ситуаций мы чувствуем себя комфортно, т.е. способны эффективно играть разные роли. В большинстве случаев мышление – поиск имеющихся скриптов и сличение со старыми (готовыми) имеющимися, а не порождение новых идей и вопросов. Но скрипты не дают полных ответов.

 

Структуры знаний играют существенную роль в функционировании естественного языка. С их помощью устанавливается связность текста на микро- и макроуровне, обеспечивается вывод необходимых умозаключений. Они “поставляют” контекстные ожидания, позволяющие прогнозировать будущие события на основе ранее встречавшихся сходных по структуре событий.

Энгельгардт не захотел слушать разговоров о талантливости Шевченко и необходимости свободы для его дальнейшего развития. ….. Торг длился долго. Энгельгардт в конце концов назначил за Шевченко выкуп в две тысячи пятьсот рублей и не захотел уступить ни копейки. Сумма по тем временам была огромна. Она делала освобождение Шевченко почти невозможным К. Паустовский).

С помощью структур знания человеческое мышление осознает зрительные образы, понимает слова, понимает последовательности действий и т.д.