框架表示法：槽、侧面、实例与框架系统

在知识表示的发展过程中框架表示法Frame Representation是一种很有代表性的方法。它把知识看作围绕某个对象组织起来的结构用“框架”描述对象用“槽”描述对象的属性或方面用“槽值”填写具体内容。与逻辑表示相比框架表示更接近人们对对象的整体认识方式与语义网络相比它更强调对象内部的结构组织。因此理解框架、槽、侧面、实例与框架系统对于把握结构化知识表示非常重要。一、什么是框架表示法框架表示法把一个对象、事件或概念表示为一个带有属性结构的知识单元这个知识单元称为框架Frame。一个框架不是一句孤立陈述而是一组围绕同一对象组织起来的属性描述。例如要表示“寝室”这个对象就可以围绕它组织下列内容• 寝室号• 寝室地址• 寝室人员性别• 床位数量• 家具配置• 空调这样“寝室”就不再只是一个词而成为一个带有多个属性位的结构。框架表示法的重要特点是它把知识表示的重点从“单条关系”转向“围绕对象组织的属性整体”。这使它非常适合表示结构较稳定、属性较明确的知识。二、什么是槽与槽值在框架中每一个用于描述对象某一方面属性的部分称为槽Slot。槽中填写的具体内容称为槽值Slot Value。例如在“寝室”这个框架中“寝室号”是槽“101”是槽值。再如在“计算机主机”这个框架中“品牌”是槽“联想”是槽值。因此可以简单理解为• 框架描述对象的整体结构• 槽描述对象的某项属性• 槽值该属性的具体取值可以用下面的简单示意表示这种结构这种结构比单句陈述更适合表示“一个对象包含多个属性”的知识。三、什么是侧面在框架表示法中某些槽除了保存槽值之外还可以带有对该槽的进一步说明。这类关于槽本身的补充信息称为侧面Facet。侧面可以理解为“对槽的进一步限定或说明”。它说明的不是对象本身而是槽应当怎样取值、默认取什么值、值的类型是什么或者该值如何获得。例如在“学生”框架中设有“年龄”这一槽则它可以带有如下侧面• 取值类型整数• 默认值18• 取值范围15~60这里• “年龄”是槽• “取值类型”“默认值”“取值范围”可以看作这个槽的侧面因此侧面的作用在于让框架表示法不仅能记录对象有哪些属性还能进一步说明这些属性应如何理解和使用。从层级上看可以理解为• 框架描述对象整体• 槽描述对象的主要属性• 侧面描述槽的附加说明或限制条件这说明框架表示法不仅适合表达对象结构也适合表达属性层面的约束信息。四、什么是实例框架框架既可以表示一个一般概念也可以表示一个具体对象。当某个一般框架中的槽被具体对象的实际取值填充后就形成了实例框架Instance Frame。例如“寝室”可以是一个一般框架“101 室”则可以是一个实例框架。一般框架可能写成寝室号寝室地址寝室人员性别床位数量家具配置空调而实例框架则写成寝室号101寝室地址某路某楼寝室人员性别女床位数量4家具配置书桌 4、椅子 4、衣柜 4空调有由此可以看出一般框架相当于模板实例框架相当于该模板下的具体对象。这与知识图谱中的“类—实例”关系非常接近。类提供一般结构实例给出具体内容。五、什么是框架系统在实际知识表示中往往不是只用一个框架而是要用一组彼此联系的框架。这组相互关联的框架就构成框架系统Frame System。框架之间的联系主要有两类。1、横向联系如果一个框架的某个槽值引用了另一个框架那么两个框架之间就建立了横向联系。例如“学生”框架中的“所在学院”槽可以指向“学院”框架“课程”框架中的“授课教师”槽可以指向“教师”框架。2、纵向联系如果一个下层框架继承上层框架的槽、默认值或部分属性那么它们之间就建立了纵向联系。例如“研究生”框架可以继承“学生”框架的属性“硕士生”框架可以继承“研究生”框架的属性。可以用下面这幅图作一个简要说明这说明框架系统不是孤立结构而是一组带有关联和层级的知识单元。六、框架表示法如何进行推理框架表示法不只用于存储知识还能支持一定的推理。其中最常见的是继承、匹配和填槽。1、继承推理如果下层框架与上层框架之间存在继承关系那么下层框架在没有特殊说明时可以继承上层框架的槽、默认值或部分槽值。例如“学生”框架有“学院”槽“研究生”继承“学生”那么“研究生”也默认具有“学院”这一槽。继承推理的意义在于减少重复表示使共性知识保留在上层框架中由下层框架自动获得。2、匹配推理匹配Matching是指根据已知条件在知识库中寻找与之最相符的框架。例如若已有一个问题框架性别男籍贯湖南年龄25专业人工智能那么系统可以用这些条件去匹配知识库中的“硕士生”实例框架找出最符合条件的对象。3、填槽当某些槽值未知时可以通过继承、默认值或匹配结果对其进行填充。因此填槽Slot Filling既是补全知识的过程也常常引发新的推理。在很多框架系统中槽不仅可以保存当前值还可以设置默认值、约束或求值方法。也正因为如此填槽并不只是“补空”而是框架系统利用已有结构自动完善知识的重要方式。这说明框架表示法虽然不像逻辑系统那样强调公式推演但它仍然具备较强的结构化推理能力。七、框架表示法的优点与局限框架表示法之所以长期被使用是因为它有很明显的优点。优点主要有第一它比较直观。它符合人们围绕对象整体来认识事物的习惯。第二它结构清楚。对象、属性、属性说明之间的层次关系较明确。第三它适合表示复杂对象。对于带有多个属性和内部层次的知识框架表示法比单一陈述更合适。第四它便于继承与匹配。它支持在框架系统中进行属性继承、条件匹配和槽值填充。局限主要有第一它的形式化程度有限。与严格逻辑系统相比框架表示法在语义约定上不够统一。第二它对开放领域中大规模、关系高度交织的知识表达能力有限。对象内部结构清晰时效果较好但面对复杂关系网络时表达会变得笨重。第三它的推理能力通常依赖具体设计。继承和匹配较常见但更复杂的逻辑推理往往需要其他方法配合。因此框架表示法特别适合表示“对象及其属性结构”但在处理大规模关系网络时通常需要与语义网络、规则表示或知识图谱结合使用。 小结框架表示法以对象为中心组织知识用槽和侧面描述属性结构用实例框架表示具体对象并通过框架系统支持继承、匹配和填槽。它是理解结构化知识表示的重要方法。“点赞有美意赞赏是鼓励”