Biểu diễn tri thức bằng frame

Khái niệm

Frame là một cấu trúc dữ liệu chứa đựng tất cả những tri thức liên quan đến một đối tượng cụ thể nào đó. Frames có liên hệ chặt chẽ đến khái niệm hướng đối tượng (thực ra frame là nguồn gốc của lập trình hướng đối tượng). Ngược lại với các phương pháp biểu diễn tri thức đã được đề cập đến, frame "đóng gói" toàn bộ một đối tượng, tình huống hoặc cả một vấn đề phức tạp thành một thực thể duy nhất có cấu trúc. Một frame bao hàm trong nó một khối lượng tương đối lớn tri thức về một đối tượng, sự kiện, vị trí, tình huống hoặc những yếu tố khác. Do đó, frame có thể giúp ta mô tả khá chi tiết một đối tượng.

Dưới một khía cạnh nào đó, người ta có thể xem phương pháp biểu diễn tri thức bằng frame chính là nguồn gốc của ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng. Ý tưởng của phương pháp này là "thay vì bắt người dùng sử dụng các công cụ phụ như dao mở để đồ hộp, ngày nay các hãng sản xuất đồ hộp thường gắn kèm các nắp mở đồ hộp ngay bên trên vỏ lon. Như vậy, người dùng sẽ không bao giờ phải lo lắng đến việc tìm một thiết bị để mở đồ hộp nữa!". Cũng vậy, ý tưởng chính của frame (hay của phương pháp lập trình hướng đối tượng) là khi biểu diễn một tri thức, ta sẽ "gắn kèm" những thao tác thường gặp trên tri thức này. Chẳng hạn như khi mô tả khái niệm về hình chữ nhật, ta sẽ gắn kèm cách tính chu vi, diện tích.

Frame thường được dùng để biểu diễn những tri thức "chuẩn" hoặc những tri thức được xây dựng dựa trên những kinh nghiệm hoặc các đặc điểm đã được hiểu biết cặn kẽ. Bộ não của con người chúng ta vẫn luôn "lưu trữ" rất nhiều các tri thức chung mà khi cần, chúng ta có thể "lấy ra" để vận dụng nó trong những vấn đề cần phải giải quyết. Frame là một công cụ thích hợp để biểu diễn những kiểu tri thức này.

Cấu trúc của frame

Mỗi một frame mô tả một đối tượng (object). Một frame bao gồm 2 thành phần cơ bản là slot và facet. Một slot là một thuộc tính đặc tả đối tượng được biểu diễn bởi frame. Ví dụ : trong frame mô tả xe hơi, có hai slot là trọng lượng và loại máy.

Mỗi slot có thể chứa một hoặc nhiều facet. Các facet (đôi lúc được gọi là slot "con") đặc tả một số thông tin hoặc thủ tục liên quan đến thuộc tính được mô tả bởi slot. Facet có nhiều loại khác nhau, sau đây là một số facet thường gặp.

Value (giá trị) : cho biết giá trị của thuộc tính đó (như xanh, đỏ, tím vàng nếu slot là màu xe).

Default (giá trị mặc định) : hệ thống sẽ tự động sử dụng giá trị trong facet này nếu slot là rỗng (nghĩa là chẳng có đặc tả nào!). Chẳng hạn trong frame về xe, xét slot về số lượng bánh. Slot này sẽ có giá trị 4. Nghĩa là, mặc định một chiếc xe hơi sẽ có 4 bánh!

Range (miền giá trị) : (tương tự như kiểu biến), cho biết giá trị slot có thể nhận những loại giá trị gì (như số nguyên, số thực, chữ cái, ...)

If added: mô tả một hành động sẽ được thi hành khi một giá trị trong slot được thêm vào (hoặc được hiệu chỉnh). Thủ tục thường được viết dưới dạng một script.

If needed : được sử dụng khi slot không có giá trị nào. Facet mô tả một hàm để tính ra giá trị của slot.

Tính kế thừa

Trong thực tế, một hệ thống trí tuệ nhân tạo thường sử dụng nhiều frame được liên kết với nhau theo một cách nào đó. Một trong những điểm thú vị của frame là tính phân cấp. Đặc tính này cho phép kế thừa các tính chất giữa các frame.

Hình sau đây cho thấy cấu trúc phân cấp của các loại hình hình học cơ bản. Gốc của cây ở trên cùng tương ứng với mức độ trừu tượng cao nhất. Các frame nằm ở dưới cùng (không có frame con nào) gọi là lá. Những frame nằm ở mức thấp hơn có thể thừa kế tất cả những tính chất của những frame cao hơn.

Các frame cha sẽ cung cấp những mô tả tổng quát về thực thể. Frame có cấp càng cao thì mức độ tổng quát càng cao. Thông thường, frame cha sẽ bao gồm các định nghĩa của các thuộc tính. Còn các frame con sẽ chứa đựng giá trị thực sự của các thuộc tính này.

Một ví dụ biểu diễn các đối tượng hình học bằng frame

Các kiểu dữ liệu cơ bản :

Area : numeric; // diện tích

Height : numeric; //chiều cao

Perimeter : numberic; //chu vi

Side : numeric; //cạnh

Diagonal : numeric; //đường chéo

Radius : numeric; //bán kính

Angle : numeric; //góc

Diameter : numeric; //đường kính

pi : (val:numeric = 3.14159)

Frame : CIRCLE (hình tròn)

r : radius;

s : area;

p : perimeter;

d : diameter;

d = 2 × r;

s = pi × r²;

p = 2 × pi × r;

Frame RECTANGLE (hình chữ nhật)

b₁ : side;

b₂ : side;

s : area;

p : perimeter;

s = b₁ × b₂;

p = 2 × (b₁+b₂);

d² = b₁² + b₂²;

Frame SQUARE (hình vuông)

Là : RECTANGLE

b₁ = b₂;

Frame RHOMBUS (hình thoi)

b : side;

d₁ : diagonal;

d₂ : diagonal;

s : area;

p : perimeter;

alpha₁ : angle;

alpha₂ : angle;

h : height;

cos (alpha₂/2) × d₁ = h;

s = d₁ × d₂ / 2;

p = 4 × b;

s = b × h;

cos (alpha₂/2)/(2× b) = d₂;

Chúng ta có thể dễ dàng khai báo các đối tượng hình học khác theo cách này. Sau khi đã biểu diễn các tri thức về các hình hình học cơ bản xong, ta có thể vận dụng nó để giải các bài toán hình học, chẳng hạn bài toán tính diện tích. Ví dụ, cho hình vuông k và vòng tròn nội tiếp c, biết cạnh hình vuông có chiều dài là x, hãy viết chương trình để tính diện tích phần tô đen.

Dễ thấy rằng, diện tích phần tô đen chính là hiệu giữa diện tích hình vuông và diện tích hình tròn nội tiếp. Dĩ nhiên là bạn cũng có thể viết một chương trình bình thường để tính toán, nhưng khi đã "tích hợp" các tri thức về tính diện tích bên trong biểu diễn, chương trình của chúng ta trở nên rất gọn nhẹ. Bạn hãy lưu ý 3 lệnh được in đậm trong ví dụ dưới. Lệnh đầu tiên sẽ "đặc tả" lại giả thiết "hình vuông có cạnh với chiều dài x", lệnh kế tiếp đặc tả giả thiết "hình tròn nội tiếp", còn lệnh thứ 3 mô tả việc tính diện tích bằng cách lấy diện tích hình vuông trừ cho diện tích hình tròn.

VAR x, s : numeric; k : square; c : circle;

BEGIN

<Nhập x>;

k.b 1 := x;

c.d := x;

s := k.s – c.s;

END.

Như vậy, chương trình máy tính của chúng ta đã hoạt động khá giống như việc "mô tả" các giải bài toán bằng ngôn ngữ tự nhiên. Hãy nghĩ xa hơn một tí. Các bài toán hình học thường được mô tả bằng các ngôn từ khá chính xác (chẳng hạn như : cho một tam giác với chiều cao xuất phát từ đỉnh A là 5, chiều dài cạnh đáy là 6, ....). Do đó, về mặt nguyên tác, chúng ta vẫn có thể xây dựng một chương trình để "hiểu" những đề bài này (theo như cách mà chúng ta vừa làm). Sau đó, người dùng có thể hoàn toàn nhờ máy tính giải giúp bài toán cho mình bằng cách mô tả lời giải cho máy tính (chứ không cần phải lập trình). Bạn có cảm giác điều này thật thú vị không? Đây chính là bước đi đầu tiên trong việc tạo ra một chương trình trợ giúp cho việc giải các bài toán hình học trên máy tính với giao tiếp bằng ngôn ngữ tự nhiên!

Để tăng thêm sức mạnh cho hệ thống này, người ta thường cài đặt một mạng ngữ nghĩa ngay bên trong mỗi frame. Chẳng hạn, ta có thể có một frame TRIANGLE, trong đó cài đặt một mạng ngữ nghĩa (giống như ở ví dụ trong phần mạng ngữ nghĩa) để đặc tả mối liên hệ giữa các yếu tố tam giác (thay vì sử dụng các công thức liên hệ đơn giản như ví dụ trên).