redes semanticas frames

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.


• 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.


• 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 do Slot >



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.


• 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.


• 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.


–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


–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

redes semanticas frames

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