Фреймы для представления знаний: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Чтобы организовать более «полное» функционирование сети подобия, рассмотрим следующую аналогию. В городе каждый человек может посетить любого другого жителя; однако мы не строим пути между всевозможными парами домов, а объединяем группы домов в «кварталы». Мы не соединяем один квартал с другим своей собственной дорогой, ибо знаем, что должны существовать улицы «совместного пользования». Мы не связываем дорогами один город с другим, а прокладываем магистрали между наиболее крупными областными (или другими) центрами. В пределах такой организации каждый ее член непосредственно соединен с другими на своем собственном «уровне», в первую очередь с теми, кто по смыслу наиболее им близок; кроме того, каждый индивидуум связан по крайней мере с небольшим числом ключевых членов групп более высоких уровней. Таким образом, между любыми двумя элементами сети существует (если вообще существует!) весьма короткий путь, состоящий из небольшого числа последовательных связей.

При решении задач поиска в подобных структурах используется иерархия связей, похожая чем-то на ту, что заложена в каждом почтовом адресе. Любой человек обладает определенными сведениями о каких-то обобщенных понятиях, например, он знает, где в его стране расположены наиболее крупные города. Населению крупного города обычно известны многие пригородные центры, а их жителям — близлежащие деревни. Ни одному из нас неизвестны все возможные в городе пути между любыми двумя домами, но зато человек может без труда запомнить самый короткий путь к своему другу, живущему в другом городе; этот путь будет лучше (короче), нежели тот, который согласно общему правилу должен проходить через главный населенный пункт его района. Для решения таких проблем используются адресные книги, с помощью которых выбираются стандартные маршруты между основными узлами в сети. Индивидуальные маршруты могут пролегать в обход главных узлов через хорошо знакомые пункты. И поскольку наши разветвленные службы транспорта успешно справляются со своими задачами, те же стандартные маршруты обеспечивают сравнительно небольшое число пересадок при движении из одного произвольного пункта в другой.

На каждом уровне имеются свои центры или капитолии. Они составляют основу групп следующих иерархических уровней. Например, между городами Нью-Хейвен и Сан-Хосе нет беспосадочной авиалинии, поскольку более рационально использовать магистральную воздушную трассу между Нью-Йорком и Сан-Франциско. Оба этих крупных города являются капитолиями на данном уровне объединения.

По мере роста сети следует ожидать, что появится необходимость в объединении тех элементов, на которые направлены наши указатели подобия. Решения относительно того, что считать главными отличительными признаками, а что второстепенными, будут оказывать значительное влияние на возможности всей системы в целом. Эти решения, накапливаясь, формируют концепты наших представлений об окружающем мире.

Таким образом, дивергенции и конвергенции указателей подобия, которые носят неслучайный характер и связаны с каждым D-различием, объединяют наш концептуальный мир вокруг d-групп и d-капитолиев. Отметим, что идеальным является вариант, когда в одной группе сосредоточены такие капитолии, для которых не существует ни одного более общего для них всех атрибута. В этом случае перекрестные «сходства» являются следствиями локальных соединений в нашей сети подобия. Они, несомненно, достаточны для объяснения того, каким образом мы можем предполагать, что же такое стул или игра, хотя не всегда при этом способны «логически» определить это понятие как элемент в некоторой иерархии классов. Для отражения в сети четких определений не требуется явная согласованность концептуальных групп, однако, она может понадобиться для преодоления затруднений при ориентированном на различия поиске путей, ведущих к поставленной цели.

Выбор капитолиев соответствует выбору таких стереотипов или типичных элементов, чьи заранее заготовленные значения (задания отсутствия) чрезвычайно полезны. Например, формы стульев могут быть самыми разными, поэтому следует тщательно отбирать те фреймы, которые могут стать главными капитолиями в «мире» стульев. Они будут использоваться для быстрого согласования и установления приоритетности среди самых разных различий. Те черты, который относятся к центральному элементу группы и имеют низший приоритет, либо отражают несущественные и в большинстве случаев отсутствующие свойства для всех типов стульев, либо, если требуется большая точность, служат в качестве указателей на локальные «города» и «деревни» в мире стульев. Указатели различия могут носить функциональный, а не только геометрический характер. Поэтому после первой неудачной попытки отнести заданный предмет необычной формы к классу «стулья», человек может проверить применимость к нему следующего функционального правила: «стул есть нечто такое, на чем можно сидеть». Это потребует проведения более глубокого анализа с привлечением таких понятий, как сила и сопротивляемость действию силы. Конечно, этот анализ не будет охватывать игрушечные стулья и стулья с таким утонченным украшением, что о применении их для сидения не может быть и речи. Их лучше рассматривать с помощью метода «оправданий», при котором причина ищется не в виде геометрических или функциональных объяснений, а на основе контекстов, связанных, например, с миром искусства или играми.

Важно подчеркнуть, что нет оснований ограничивать структуру памяти иерархией одного и того же вида, а понятие «уровень» объединения может не совпадать для разных типов различий, d-капитолии могут существовать не только в виде явных деклараций, но и в неявной форме, определяемой посредством сходящихся d-указателей, которые задают их местонахождение в структурах данных.

В системе GPS (General Problem Solver — универсальная программа для решения задач) А.Ньюэлла и Г.Саймона(1959) «различия» упорядочены в иерархию неизменной структуры. Если же приоритетность различий определять в зависимости от решаемых задач, то можно на базе тех же структур памяти достигнуть значительно большего; получающийся при этом решатель задач потеряет свое изящество и простоту, что явится своеобразной платой за отход от используемой в системе GPS логики предикатов первого порядка.

Следует, наконец, отметить и тот факт, что нет надобности создавать какой-то особый механизм для организации групповых структур. Можно предположить, что в процессе эволюции ранее образовавшиеся фреймы будут стремиться стать капитолиями для своих более поздних собратьев (если, конечно, это не очень противоречит опыту), поскольку всякий раз, когда использование одного стереотипа оказывается успешным, его центральное положение подчеркивается присоединением еще одного указателя. Иначе говоря, выделение новых центров знаний происходит в значительной степени под влиянием внешних факторов: словарного запаса, поведения окружающих нас объектов, знания общечеловеческой культуры, полученного нами в школе и семье. На каждом этапе структура уже приобретенных знаний оказывает решающее влияние на весь последующий ход их расширения и углубления. Описанные выше группы и формы представления знаний должны возникать в результате взаимодействия механизмов памяти с внешним миром.

3.6. Аналогии и альтернативные описания

Мы рассмотрели вопросы применения различных фреймов одной и той же системы для описания одной ситуации с помощью различных средств: для изменения положения при восприятии зрительных изображений и для смещения акцентов при использовании языка. Например, в эпизоде с волком и ягненком два фрейма используются в ситуационной паре типа «до — после». Иногда при поиске решений мы применяем два или большее число описаний, если ищем какие-то аналогии или используем разные виды анализа для оценки одной и той же ситуации. Для решения сложных задач использование одной проблемной области обычно оказывается недостаточным!

Предположим, что в вашем автомобиле стал разряжаться аккумулятор. Вы полагаете, что произошло короткое замыкание или неисправен генератор. Генератор можно представить себе как механическую систему: ротор снабжен ведомым колесом, приводимым в движение ремнем от двигателя. Тут же возникают вопросы: достаточно ли туго натянут ремень и имеется ли этот ремень вообще? С точки зрения механика выходным элементом является кабель, идущий от аккумулятора к каким-то другим устройствам: исправен ли он, хорошо ли затянуты болты, прижимаются ли щетки к коллектору? С точки зрения электрика генератор должен описываться иначе. Ротор рассматривается не как вращающееся устройство, а как катушка, индуцирующая магнитный поток. Щетки и коллектор выполняют роль электрических переключателей. Выходным параметром является электрический ток, протекающий по паре проводов, которые соединяют щетки, схему управления и аккумуляторные батареи.

Таким образом, ситуация описана нами в двух различных системах фреймов. В одной из них якорь является механическим ротором со шкивом, а другой — проводником в постоянно меняющемся магнитном поле. Одни и те же (или аналогичные) элементы совместно используются терминалами разных систем фреймов, и эти системы могут трансформироваться одна в другую.

Различия между двумя этими системами фреймов существенны. В «электрической» системе фреймов шасси автомобиля всегда соединено с одной из клемм аккумулятора. Тот, кто ставит диагноз о неисправности, должен использовать в своих рассуждениях и действиях оба вида представления. Если ток не течет, то часто это является следствием того, что проводник его не проводит. Для этого случая трансформация приводит к фрейму, с помощью которого можно установить, что прочное механическое соединение исключает обрыв в электрической цепи. Поэтому любое нарушение проводимости, выявленное путем электрических измерений, заставит нас искать неисправность в «механической» системе фреймов. В нашем обычном понимании «исправность» чего-либо есть синоним понятия «механическая исправность» и поэтому проводимый диагноз должен заканчиваться именно в «механической» системе. В конечном итоге мы можем обнаружить неисправное механическое соединение, выявить разболтавшееся крепление проводника, коррозию, износ и т. д.

Но почему генератор должен быть представлен двумя отдельными системами фреймов, а не одной объединенной структурой? Я полагаю, что в рамках таких сложных задач человек не может сразу представлять себе очень большое число различных подробностей. В каждый момент времени человек должен мыслить в пределах разумно простой структуры. Я утверждаю, что любая проблема, которую вообще может решить человек, вырабатывается в каждый момент времени в рамках небольшого контекста и что ключевые операции, используемые при поиске решений, связаны с формированием соответствующей рабочей среды.

Действительно, поиск неисправности в предыдущем примере требует одновременной работы сразу с тремя фреймами: визуальным, электрическим и механическим. Если данные электрических измерений указывают на неисправность механического соединения, то визуальный фрейм используется человеком при ее отыскании.

Существуют ли общие методы построения компетентных систем фреймов? На этот вопрос можно ответить и положительно, и отрицательно! В самом деле, нам известны некоторые во многом очень ценные стратегии для приспособления уже существующих фреймов к новым целям; вместе с тем следует подчеркнуть, что люди не обладают каким-то единым и таинственным механизмом, позволяющим решать все сложные проблемы. Мы не должны впадать в крайность и требовать существования таких теорий человеческого поведения, которые объясняли бы невозможные вещи!

Не следует ожидать, что для любой ситуации можно будет отыскать или, в крайнем случае, построить в точности соответствующий ей фрейм. Нам, однако, предстоит много поработать над этим вопросом; важно напомнить здесь и о том вкладе общечеловеческой культуры, который был сделан ею в разработку вопросов оценивания сложности различных проблем. Опытному механику при выполнении своей обычной работы нет нужды что-либо изобретать; у него уже сформировано представление, например, о двигателе как совокупности систем зажигания, смазки, охлаждения, синхронизации, смешивания топлива, трансмиссии, сжатия и т.д. Система охлаждения подразделяется на схему циркуляции жидкости, воздушного потока и др. Большинство из таких «обычных» проблем решается систематическим применением аналогий, которое обеспечивается трансформациями между парами фреймов-структур. Элементы огромной сети знаний, приобретенных в школе, из книг, в процессе профессионального обучения, а также из других источников, накрепко связаны друг с другом указателями различия и релевантности. Нет сомнения в том, что культура оказывает большое влияние на формирование такой сети благодаря обычному использованию одинаковых слов при объяснении различных мнений об одних и тех же предметах или явлениях.

Что можно сказать о взаимодействии между элементами фреймов-структур, которое тесно связано со всеми рассматриваемыми здесь вопросами? Гештальт-психолог потребовал бы выполнения такого синтеза (на базе имеющихся у человека сведений), при котором двигатель будет представляться как единое целое. Неплохо, однако, для начала вспомнить, что автомеханик сможет выявить неисправность (если вообще сможет ее отыскать), возникшую как результат взаимодействия трех или более элементов двигателя, только после изнуряющей замены многих его исправных частей. Следует признать, что стремление к полным синтетическим представлениям нецелесообразно и не может выступать в качестве требования для теоретических построений. В действительности должна существовать некоторая структура, объединяющая различные концептуальные типы фрейма «двигатель». Но она тоже может быть относительно простой. К уже рассмотренным типам фрейма «двигатель» следует, видимо, добавить еще один — суперфрейм, терминалы которого будут указывать на первые три типа фрейма (электрический, механический и визуальный) и, будучи связанными друг с другом указателями, сообщать, как и когда именно следует использовать эти субфреймы. Каждая сложная «понимающая» система, по всей вероятности, содержит подобные структуры суперфреймов, которые управляют использованием субфреймов.

Заманчивой кажется идея о том, что более крупные понятия формируются на подсознательном уровне человеческого мышления. По наблюдениям X.Пуанкаре, после периода умственной активности, за которым следует более длительный период ее спада, на человека находит внезапное озарение. Подсознательную деятельность (если следовать взглядам X.Пуанкаре) следует рассматривать как комбинаторный эвристический поиск, в котором вероятность успеха зависит в первую очередь от качества ингредиентов, введенных во время активной умственной работы; эти элементы объединяются самыми разными способами до тех пор, пока не будет получена такая конфигурация, которая выдержит определенный вид проверки.

Итак, продуктом вдохновения является не полностью детализированное решение, а «точка отсчета» или план, доведенный до сознательного уровня мышления, потому что он прошел через порог «эстетической разумности».

Что же касается взглядов X.Пуанкаре, то он, видимо, придерживался (по крайней мере, в данном вопросе) концепции холизма, ибо в его понимании «элегантные» математические объекты есть не что иное, как объекты, «элементы которых расположены настолько гармонично, что ум в состоянии охватить их всех сразу, целиком и в то же время представлять себе все возможные подробности». Из нерассмотренных остался еще вопрос о том, требуется ли для работы фильтров, которые передают на сознательный уровень новые описательные комбинации, проведение активного их анализа или действия таких фильтров смогут получить объяснение на основе более простых операций согласования и поиска информации. К несчастью, математики, за исключением X.Пуанкаре, Д.Пойа и некоторых других, не сумели внести значительный вклад в понимание механизмов решения задач. Мне кажется, что это все же не было следствием их приверженности концепции «элегантности», которая передавалась от одного поколения другому как почитаемое, но не объяснимое и не проанализированное качество. В любом случае я не вижу оснований считать, что подсознательная деятельность отличается либо мощными параллельными вычислениями, либо необычным синтезом, предусматриваемым философией холизма. Более правдоподобно выглядит предположение о проводимых на этом уровне быстрых и неглубоких исследованиях с привлечением тех данных, которые были подготовлены в процессе активного анализа материала. Аспект подсознательного может только указать на отсутствие «аннотации» и какой-либо регистрации мыслительных операций: в противном случае мы получили бы возможность рассмотрения и анализа этих процессов. Вопрос относительно сложности фильтров остается, по-прежнему, открытым.

3.7. Резюме. Использование фреймов в эвристическом поиске

За последние десять лет широкое распространение получила идея о том, что важны все аспекты представления информации с помощью «пространства задачи»; однако мысль о том, что описания могут быть полезны и для самих программ, и для авторов этих программ, не стала столь же популярной. Прогресс в понимании этого ключевого момента был фактически задержан остроумными схемами, созданными для того, чтобы избежать явных манипуляций описаниями.

Основным устремлением, особенно при доказательстве теорем и моделировании игр, была разработка средств, ведущих к систематическому уменьшению протяженности поиска в пространстве задачи. Иногда простая задача может быть решена при помощи последовательного перебора допустимых методов решения: перебор производится до тех пор, пока один из методов не даст положительного результата. В более сложных ситуациях используются усовершенствованные локальные правила поведения, а также варианты «восхождения к вершине» в пределах пространства задачи. Однако если нам и удается таким способом решить определенную задачу, мы получаем мало сведений о пространстве задачи и, следовательно, не повышаем свою квалификацию, что весьма пригодилось бы нам в будущем. Наиболее разработанными в эвристических методах являются игровые методы поиска решений, в которых используются различные стратегии для уменьшения дерева перебора, оценки терминальных вершин и выработки разумного хода. Однако даже в тех системах, где применяются различные способы организации иерархий символьных целей, отсутствует «осознанный» самой системой подход к процессу поиска решений и не совершенствуется качество представления информации. Я предлагаю следующее более совершенное и мощное правило.

Главной целью при решении задач должно быть стремление лучше понять пространство задачи и найти такие представления, в рамках которых данная задача решается довольно просто. Цель поиска состоит в том, чтобы получить информацию для формирования надлежащего представления, а не для нахождения решения, как это обычно предполагается; после того, как удастся соответствующим образом представить это пространство задачи, решение найти будет значительно легче.

В частности, я являюсь противником того, что значимость интеллектуального эксперимента должна оцениваться либо относительно категорий «неудача — частичный успех — успех», либо с помощью таких понятий, как «улучшение ситуации» и «уменьшение различия». Применение какого-то метода или изменение представления могут быть ценными лишь в том случае, когда они ведут к совершенствованию стратегии проведения последующих экспериментов. В более ранних формулировках роли стратегий в эвристическом поиске эти возможности не были выделены, хотя в неявной форме они содержались в рассуждениях о задачах планирования.

Каким образом можно объединить новое правило с классической стратегией минимакса? Пусть мы находимся в определенном узле А дерева решения (играя в какую-нибудь игру, например, шахматы) и исследуем два (или более) возможных хода, скажем В и С. Каждый из этих ходов получает значения оценок V(B) и V(C). Затем оба этих значения объединяются с помощью функции М для того, чтобы выработать одну общую оценку

S(A) = M( V(B), V(C) ) .

По существу, с помощью функции М должны подводиться итоги поиска на всем дереве ниже узла А и определяться оценка позиции А.