Redes Semanticas Frames
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Inteligência Artificial
Redes Semânticas e Frames
Definição
• Redes• Semânticas• Redes Semânticas
Nós: o que deve ser representado por
um nó?
• Unidades de informação
–Gato–Mamífero–Mamífero–Casa
• Mas então cheira a objeto....
Nós: o que deve ser representado por
um nó?
• Verbos � conseqüentemente ações
Links: o que deve ser representado
como link?
• Relações entre nós/objetos
Redes Semânticas: Exemplos
• O gato comeu o rato
O gato comeu o rato
gato ratocomeu
gato rato
agente pacientecomeu
Redes Semânticas
• O gato comeu o rato
PretéritoPerfeito
Mamífero
comer
gatorato
agentepaciente
Mamífero
E-umE-um
tempo
Redes Semânticas
• Nó � armazena o significado
• Link � arco � relação–Programa
Redes Semânticas: links especiais
• E-um–Comportamento: Herança
• Parte-de–Composição
• Atributo–Característica
Redes Semânticas: Exemplo
• Meu Golf é prata. Ele é um carro normal com 4 portas, 4 pneus e um normal com 4 portas, 4 pneus e um motor, mas custou muito caro apesar de ser um Volkswagen.
Redes Semânticas: Exemplo
• “Escondido nas profundezas de uma galeria fuleira, o Cine-Buraco atrai galeria fuleira, o Cine-Buraco atrai cinéfilos com sessões de raridades.”
Redes Semânticas: Dever de Casa
• “ Carros e motos de oficinas mecânicas e revendedoras de veículos ocupam toda a larga calçada da Rua Siqueira Campos, tirando o espaço de Siqueira Campos, tirando o espaço de pedestres. A prática é uma das infrações cometidas por estabelecimentos comerciais que se apropriam do espaço público.”
Onde obter mais informações
• Outras sessões de treinamento
• Liste os livros, os artigos, as fontes eletrônicaseletrônicas
• Serviços de consultoria, outras fontes
Representação de Conhecimento:
Frames
• Nó possui mais informações• É-um é o único link permitido entre estas unidades de informação
• Frame– Nome– Nome– Atributos
• Valor(es)• Métodos • Daremos (métodos acionados por PUT ou GET ação)
• Links para outros métodos (válvula de escape)
Frames: Exemplo
• Meu Golf é prata. Ele é um carro normal com 4 portas, 4 pneus e um normal com 4 portas, 4 pneus e um motor, mas custou muito caro apesar de ser um Volkswagen.
Representação de Conhecimento
• Represente em Lógica, Redes Semânticas e Frames a seguinte sentença:
– “Salsa, hip-hop, pop, pagode. O ritmo muda, os – “Salsa, hip-hop, pop, pagode. O ritmo muda, os endereços são diferentes, mas o bairro onde todo tipo de público dança esses sons e um só: Copacabana.”
“O Globo, Zona Sul, 11/09”
Representação do Conhecimento
• Alguns formalismos de representação do conhecimento mais vocacionais para o desenvolvimento de Sistemas :
– Tuplas Objeto-Atributo-Valor e Listas de Propriedades
– Relações de Classificação e Pertinência (IS-A e IS-PART)
– Redes Semânticas
Tuplas Objeto-Atributo-Valor (O-A-V)
• Caracterizam os valores de determinados atributos de um dado objeto
• O objeto pode ser uma entidade física (carro) ou uma entidade conceptual (carro) ou uma entidade conceptual (empréstimo)
Objeto Atributo Valorhas is
Tuplas Objeto-Atributo-Valor (O-A-V)
• Exemplo• Tuplas associadas a um carro
• carro-marca-opel• carro-modelo-astra• carro-cilindrada-1400• carro-cilindrada-1400• carro-nºportas-4• carro-cor-verde
– As tuplas podem vir recheadas de valores numéricos que expressam a certeza, ou incerteza que se tem no conhecimento em causa.
• Exemplo– Previsão do tempo: chuva com 60% de certeza – (previsão- tempo-chuva – CF = 0.6)
Listas de Propriedades
• No exemplo – carro-marca-opel– carro-modelo-astra– carro-cilindrada-1400– carro-nºportas-4– carro-nºportas-4– carro-cor-verde
• O nome do objeto aparece muitas vezes.– Usa-se listas de propriedades, nas quais para um dado objeto temos uma lista de pares atributo-valor.
– Lista de propriedades para o carro:• carro-[marca-opel, modelo-astra, cilindrada-1400, nº portas-4, cor-verde,...].
Limitações
• As tuplas e as listas de propriedades têm limitações quando se pretende representar conhecimento declarativo sobre atributos de objetos que estejam em modificação.
• Nessas situações o conhecimento é dinâmico e • Nessas situações o conhecimento é dinâmico e temos que modificar o valor de um atributo. – Exemplo: – Tuplas dinâmicas que se referem ao estado de um disjuntor (aberto ou fechado) e ao modo de operação de uma linha (manual ou automático):• Disjuntor_D - estado-aberto• Linha_L - modo_operação - manual.
Relações de Classificação (IS-A)
Animal Selvagem
IS-A
Animal
Animal DomésticoCanino Felino
Lobo Cão Gato Tigre
IS-AIS-A
IS-A
IS-A
IS-A
IS-A IS-A IS-A IS-A IS-A IS-A
Relações de Pertinência (IS-PART)
• As relações de pertinência (IS-PART) organizam o conhecimento através da composição ou decomposição de componentes.
Tampo
Mobiliário deCozinha
Assento
Mesa
Pernas da Cadeira
Cadeira
Encosto
IS-PART
IS-PART
IS-PART
IS-PART
Pernas da Mesa
IS-PART IS-PART
IS-PART
Relações de Classificação (IS-A) e de
Pertinência (IS-PART)
• As relações IS-A e IS-PART podem ser combinadas na mesma representação.
Computador
teclado
Pentium 4
CPU
.......
IS-PART
IS-A
monitor
IS-PART IS-PART
....... .......
Redes Semânticas
• São um método de representação do conhecimento através de um grafo direto composto por nós e arcos
• Os nós representam objetos (físicos ou abstratos), as suas propriedades e valoresas suas propriedades e valores
• Os arcos representam relações entre os nós• As relações IS-A e IS-PART são vulgarmente usadas como etiquetas dos arcos, podem ser usadas outras etiquetas à nossa escolha (tem, desloca-se, respira, etc) que capturam conhecimento
Redes Semânticas
ArAsas
tem respira
IS-A
Pingüim
AnimalAveCanárioAmarelus
Vôo
Andar
Black&White IS-AIS-A
IS-A
deslocação
deslocação
IS-A
Modo de Operação
• Quando se coloca uma questão a um Nó, • Este procura nos seus arcos locais por uma etiqueta que coincida com a questão
• Se não existir procura a resposta via as suas ligações IS_A, ou seja, passa a questão até um Nó ligações IS_A, ou seja, passa a questão até um Nó que contenha um arco com a resposta.
• Deslocação Amarelus ?
Utilizadordeslocação
AveCanárioAmarelusdeslocação deslocação
Vôo
deslocaçãovôovôovôo
Inferência sobre Redes Semânticas
• Para descrever o processo de inferência nas Redes Semânticas vamos usar lógica:
• Cada ligação
Relação
• É traduzido para relação (Obj1,Obj2) • Deslocação Amarelus ?
– Is_a (Amarelus,Canário).– Is_a (Canário, Ave).– Deslocação(Ave,Vôo).
Obj1 Obj2Relação
Inferência sobre Redes Semânticas
• O tratamento de exceções no mecanismo de herança faz-se impondo uma restrição ao mecanismo de herança
� algo dito explicitamente sobrepõe-se aos fatos herdados
Deslocação Black & White?Deslocação Black & White?• Is_a (Black & White, Pingüim).• deslocação(Pingüim, andar).• Is_a (Pingüim, Ave).• Is_a (Ave, animal).• Respira(Ave, Ar).
� herda todas as características da superclasse exceto aquelas explícitas no próprio Nó
Características Redes Semânticas
• Simplicidade de representação - devido às características de herança
• Amarelus herda todas as propriedades de Aves• As Redes Semânticas estão na origem da Programação Orientada a Objetos
• Permitem uma redução no tempo de pesquisa, visto que os nós estão diretamente ligados aos nós vizinhos com interesse
Características Redes Semânticas
• Desvantagens:
• Podem permitir inferências inválidas• Não têm uma norma de interpretação - a interpretação depende dos programas que a manipulam. depende dos programas que a manipulam.
Exemplo
• Uma ave é um animal.• A maneira normal de movimentação das aves é voar.• Uma ave está ativa durante o dia.• Um albatroz é uma ave.• Uma albatroz é preto e branco.• O tamanho normal do albatroz é 115 cm.• O tamanho normal do albatroz é 115 cm.• O Alberto é um albatroz.• O tamanho do Alberto é 120 cm.• Um pingüim é uma ave.• Um pingüim é branco e preto.• A maneira normal de movimentação dos pingüins é andar.
• O Tweety é um pingüim.
Exemplo
• Questões:
– Qual o método de movimentação do Alberto ?
– Qual o método de movimentação do Tweety ?
Exemplo
IS-A DiurnaTweety
IS-A
deslocação
Andar
Pingüim
Albatroz
AnimalAvePreto eBranco
Vôo
115 cm
Alberto IS-A
IS-A
IS-A
cor deslocação
tamanho
IS-A
atividade
120 cm
tamanho
cor
Redes Semânticas
• Vantagens: –Flexibilidade, inteligibilidade, maleabilidade, simplicidade e herança.
• Mecanismos de Inferência: • Mecanismos de Inferência: • Dois mecanismos de inferência:
– Herança: serve para inferir propriedades "default" dos elementos de uma classe, como por exemplo: filho, neto, sogro, etc Herança
– Filtragem: serve apenas para focar conceitos específicos.
Redes Semânticas
• Raciocínio: – Dois tipos:
• Propagação de ativação: busca encontrar um caminho entre dois nodos
• Mapeamento de estruturas: realiza consultas baseado em partes de grafosem partes de grafos
• Dificuldades: – Definir a herança– Encontrar uma semântica exata do nó e das suas ligações
– Fazer representações canônicas em domínios específicos
– Representar crenças, hipóteses e o fator tempo
Frames (quadros) e objetos
Modelo de representação de conhecimento onde um elemento de um domínio é representado por um conjunto de características.
“Um frame possui um nome que identifica o “Um frame possui um nome que identifica o conceito por ele definido e um conjunto de atributos (slots). Um frame é uma estrutura de dados complexa, útil para modelar objetos do mundo real. Assemelham-se a registros de um banco de dados porém mais poderosos e expressivos.”
Minsky, M.A. A Framework for Representing Knowledge. McGraw-Hill, New York, 1975.
Frames: Origem
Surgiu com os estudos de Minsky sobre a representação do conhecimento e o
processo de observação visual, processo de observação visual, através da comparação entre as
propriedades observadas nos objetos e os padrões estereotipados,
previamente definidos na memória.
Frames: Definição
• São conjuntos de slots (campos) e de valores, cuja estrutura contém informações referentes a determinados objetos, as quais são armazenadas de forma hierárquica.
• Os frames podem ser criados a partir de uma coleção • Os frames podem ser criados a partir de uma coleção de frames (já existentes) conectados entre si. Isto se torna possível uma vez que um atributo de um frame pode ser outro frame.
• "Um frame é uma coleção de atributos, em geral chamados de escaninhos (slots), e valores a eles associados (e possivelmente restrições a estes valores) que descrevem alguma entidade do mundo." [RICH, 93].
Frames: Características
• Modelo híbrido de representação dos conhecimentos – Cada frame representa uma classe (um conjunto) ou uma instância de um elemento de uma classe.
– A ligação entre os frames é descrita – A ligação entre os frames é descrita principalmente nos slots é-um.
• Tipos de Frames: – Frames Construtores: São frames que funcionam como esquemas para a construção de outros frames.
– Frames de Instância: São frames específicos, construídos a partir do frame construtor.
Frames: Características
• Funcionalidades: – Adição, consulta e remoção de atributos– Criação e remoção de frames.– Representação de casos e estruturas – Representação de casos e estruturas complexas
• Não existe uma distinção clara entre redes semânticas e sistemas de frames, mas quanto maior a estruturação do sistema maiores as chances de ser considerado um frame.
Frames versus OOP
De certo modo, o paradigma de representação de conhecimento através de
frames é idêntico a que veio a ser consagrado apenas alguns anos mais tarde, consagrado apenas alguns anos mais tarde,
como o paradigma de programação orientada para objetos (não enquanto
paradigma de programação, mas apenas de representação do conhecimento).
Frames: Relações de Herança e
Composição
• Os enquadramentos organizam conhecimento e procedimentos num único “pacote”, formando taxonomias único “pacote”, formando taxonomias estruturadas em torno de relações:–De herança (IS-A) e–Composição (PART-OF).
Frames: componentes
• Componentes básicos de um Frame:– Nome;– Lista de pais;– Atributos (ou ainda “slots”, em inglês);
• Componentes básicos de um atributo:• Componentes básicos de um atributo:– Nome;– Valor;– Procedimento adjacente “if-needed” (daemon);– Procedimento adjacente “if-changed” (daemon);– Outros procedimentos adjacentes.
Frames
• A noção de sistema de frame proposta por Minsky consiste de uma coleção de frames relacionados, muitos deles compartilhando dos mesmos subcomponentes – aos quais chamou de terminais – articulados em uma Rede Semântica de recuperação. Esta rede Rede Semântica de recuperação. Esta rede semântica de recuperação deve:– Reconhecer a situação como pertencendo a uma determinada categoria - o reconhecimento de que se está em um quarto, por exemplo.
– Interpretar a situação em termos da categoria -Reconhecimento de que um quarto está em uma casa.
Frames
–Prever o que pode surgir em uma situação – como a expectativa de ver uma mobília.
–Reinterpretar a situação quando:• Da falha de prever – como no caso de • Da falha de prever – como no caso de identificar um hidrante flutuante, quando a situação prevista é de um quarto
• A categoria não pode ser encontrada para interpretar a situação – como no caso de se perceber que não se está em um quarto, mas não existem outras alternativas hipotéticas.
Estrutura dos Frames
• Nome, cujo valor é o nome do próprio frame.• Ako, cujo valor é o nome do frame hierarquicamente superior.
• Cada frame possui um frame hierarquicamente superior, fornecendo assim hierarquicamente superior, fornecendo assim a base do mecanismo de herança. Um frame especial é a raiz dessa hierarquia de herança.
• Cada slot possui um nome único ao frame em que está definido. Os slots consistem de um conjunto de atributos — denominados facetas — de valores particulares.
Frames: Características
• Tipo: indica o tipo de dado — inteiro, real, símbolo, string, etc.
• Domínio: descreve os valores possíveis para o slot —faixa entre 10 e 100, por exemplo.
• Valor: especifica o único valor possível — número de lados de um triângulo.lados de um triângulo.
• Valor default: especifica o valor assumido pelo slot caso não haja nenhuma informação a seu respeito.
• Aponta frame: permite que o slot seja descrito por um frame.
• if-added, if-needed, if-removed: contém métodos para determinar o valor do slot — procedimentos externos, conjunto de regras de produção, etc.
Exemplo: Sala de Jantar
Frame Sala de Jantar
Ako Sala
Mesa Teto
Parede Esquerda
Parede Frontal
Parede Direita
PortaPiso
Representação Abstrata do Frame
< Nome do Frame >
< Nome do Slot >
< Nome da faceta > : valor
< Nome do Slot >
< Nome da faceta > : valor
< Nome da faceta > : valor
< Nome do Slot >
< Nome da faceta > : valor
< Nome da faceta > : valor
Exemplo: Frame Cadeira
Cadeira
sub_classes
ako
número_de_pés
domínio : [Cadeira_de_jardim, Cadeira _de_praia]
tipo : inteiro
número_de_péstipo : inteiro
estilodomínio : [inglês, Luis_XIV]
número_de_braçostipo : inteiro
materialtipo : stringdomínio : [madeira, latão]
cor_predominantetipo : stringdomínio : [castanho_claro, castanho_escuro]
Exemplo: Frame Cadeira_de_Antônio
Cadeira_de_Antônio
ako
valor : Cadeira_de_jardim
estilo
valor : inglês
número_de_pés
valor : 4
Frames: Herança de Propriedades
• Herança de valor;
• Herança de procedimentos;
• Herança de valor por default.
Frames: Múltipla Herança de
Propriedades
Revestimento_Cerâmicoako
valor : Revestimento
cordefault : azul
Azulejoako
Azulejo_1ako
valor : azulejo
corvalor : branca
valor : Revestimento_Cerâmico
cordefault : branca
O tratamento de múltipla herança é uma questão em aberto tanto na área de Inteligência Artificial quanto na área de Programação Orientada a Objetos [Girardi 90].
Questões sobre Frames
• Como reconhecer e acessar frames?
• Qual o tamanho dos frames?
• Como utilizar os frames?
Sistemas Baseados em Frames
• FRL - [Roberts 77] é uma linguagem baseada em frames adaptada diretamente da proposta original de Minsky. FRL fornece um mecanismo de inferência não explícito. As inferências devem ser codificadas nos procedimentos associados ser codificadas nos procedimentos associados aos slots.
• KRL - [Bobrow 77a] é uma outra linguagem de Representação de Conhecimento baseada em frames. Ao contrário da FRL, a KRL oferece um mecanismo de inferência na forma de casamento de padrões.
Sistemas Baseados em Frames
• KL-ONE - [Brachman 79] é uma outra importante linguagem de Representação de Conhecimento baseada em frames. KL-ONE faz uma forte utilização da relação de especialização. Embora não exista classificação, existe a distinção entre conceitos descrevendo conjuntos de objetos e conceitos descrevendo existe a distinção entre conceitos descrevendo conjuntos de objetos e conceitos descrevendo indivíduos.
• GUS -[Bobrow 77b] foi projetado como um protótipo de um sistema automático para reservas de viagens —desempenha um agente de viagens em uma conversação com um cliente que deseja fazer uma viagem a uma cidade da Califórnia.
Sistemas Baseados em Frames
• NUDGE - [Goldstein 77] é um sistema baseado em frames que foi utilizado para o entendimento de solicitações, possivelmente incompletas e inconsistentes, para planejamento de atividades administrativas. Foi implementado na linguagem FRL.administrativas. Foi implementado na linguagem FRL.
• STAR-PLAN - O sistema STAR-PLAN [Fergunson 85] serve como uma ajuda inteligente à operação, diagnóstico e correções de mal funcionamento de satélites. É capaz de atuar sozinho como um simulador para treinamento de operadores e peritos em diagnósticos.
Frames: Vantagens e Desvantagens
• Vantagens:–Capturam a maneira que especialistas pensam a respeito de seu conhecimento,
– Fornecem uma representação estrutural – Fornecem uma representação estrutural concisa de relações,
–Suportam uma técnica de definição por especialização que é fácil de ser utilizada pela maioria dos especialistas.
Frames: Vantagens e Desvantagens
–Linguagens baseadas em frames poderosas• Relações taxonômicas entre os frames capacitam as informações descritivas a serem compartilhadas entre múltiplos frames — via compartilhadas entre múltiplos frames — via herança — e também devido ao fato que a estrutura interna dos frames capacita a manutenção automática de restrições semânticas.
–Domínio do conhecimento pode ser mais efetivamente utilizado
Frames: Vantagens e Desvantagens
–Mais facilmente entendido pelos usuários,–Forma declarativa, ao invés da forma procedimental.
• Desvantagens:–Um tipo de relação explícita
Frames
• Vantagens: – Os frames são bem adaptados ao raciocínio humano, flexíveis e fáceis de usar, embora não tenham uma metodologia de implementação específica.
– Herança automática dos atributos – Estruturação de grande quantidade de – Estruturação de grande quantidade de conhecimentos.
• Dificuldades: – Não possui uma definição formal de método, o que ocasiona perda da simplicidade e da uniformidade
– Não apresenta uma metodologia específica para a implementação