Представление знаний семантическими сетями
Семантика - раздел языкознания, изучающий значение единиц языка, прежде всего его слов и словосочетаний. В более общем смысле, семантика определяет смысл знаков (образов, обозначений) и их сочетаний.
Семантическая сеть (смысловая сеть) - модель предметной области, представленная в виде графа, вершинами которого являются понятия, а дуги (ребра) - отношения между ними.
В качестве понятий обычно выступают объекты (константы или параметры, определяющие физические или абстрактные объекты), события (отражают действия, происходящие в предметной области, и определяются указанием типа действия и роли объектов), свойства (используются для представления состояния или для изменения понятия или события), значения. В качестве отношений наиболее часто используются следующие (смысловая классификация:
- таксономические ("класс - подкласс - экземпляр", "множество - подмножество - элемент" и т.п.). Данный тип отношения называют также отношением AKO (англ. A Kind Of - является разновидностью), IS A (является, это есть) или гипонимии (гипероним - общая сущность; гипоним - частная сущность);
- структурные ("часть - целое"). Данный тип отношения называют также отношением Part of (является частью), Has part (состоит из, включает в себя), агрегации (лат. aggregatio - присоединение), композиции (лат. compositio - составление, связывание, сложение, соединение) или меронимии (холоним - сущность, включающая в себя другие; мероним - сущность, являющаяся частью другой);
- родовые ("предок" - "потомок");
- производственные ("начальник" - "подчиненный");
- функциональные (определяемые обычно глаголами "производит", "влияет" и т.п.);
- количественные (больше, меньше, равно и т.п.);
- пространственные (далеко от, близко от, за, под, над и т.п.);
- временные (раньше, позже, в течение и т.п.);
- атрибутивные (иметь свойство, иметь значение);
- логические (И, ИЛИ, НЕ);
- казуальные (причинно-следственные).
Отношения можно также классифицировать по степени участия (арности) понятий в отношениях:
- унарное (рекурсивное) - отношение связывает понятие само с собой;
- бинарное - отношение связывает два понятия;
- N-арное - отношение, связывающее более двух понятий.
Приведем пример двух простых семантических сетей. Одна из них (рис.5.1а) описывает понятие "помидор", а другая (рис. 5.1б) описывает факт "Маша укрепила стул клеем".
Рис.5.1. Примеры семантических сетей
В разных вариациях семантических сетей для отображения понятий используются различные геометрические примитивы: прямоугольники, овалы, прямоугольники со скругленными углами и т.п.
Проблема поиска решения в семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего поставленному запросу. Например, вопрос "Какого цвета помидор?" можно графически представить в виде подсети.
Рис.5.2. Представление вопроса в виде подсети
Наложение подсети вопроса на сеть, описывающую предметную область, дает ответ - "красный".
Семантические сети широко используются в экспертных системах в качестве языка представления знаний (например, в экспертной системе PROSPECTOR), в системах распознавания речи и понимания естественного языка. Непосредственное отношение к сетевым моделям имеют исследования по реляционным, сетевым и иерархическим БД.
Классификация семантических сетей
Классифицировать семантические сети можно по следующим признакам:
- по количеству типов отношений:
- однородные (с единственным типом отношений);
- неоднородные (с различными типами отношений);
- по назначению. Обычно совпадает с преобладающим типом отношений, например:
- классифицирующие - позволяют описывать различные иерархические отношения между понятиями. Могут содержать таксономические, структурные, родовые и производственные отношения. В частности, если известную биологическую классификацию Карла Линнея (жизнь - домен - царство - тип - класс - порядок - семейство - род - вид) представить в виде семантической сети, то отношения между понятиями разных уровней можно рассматривать одновременно как таксономические и структурные (например, семейство является одновременно разновидностью и частью порядка);
- функциональные - вычислительные модели, позволяющие описывать процедуры вычислений одних информационных единиц через другие;
- сценарии - используются для описания каузальных отношений (причинно-следственных или устанавливающих влияние одних явлений или фактов на другие), а также отношений типа "средство - результат", "орудие - действие" и т.п.;
- другие
Пример сети:
Ограничения целостности:
- сетевая модель не дает (точнее, не содержит) ясного представления о структуре предметной области, поэтому формирование и модификация такой модели затруднительны;
- сетевые модели представляют собой пассивные структуры, для обработки которых необходим специальный аппарат формального вывода;
- проблема поиска решения в семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего подсети, отражающей поставленный запрос. Это, в свою очередь, обуславливает сложность поиска решения в семантических сетях;
- представление, использование и модификация знаний при описании систем реального уровня сложности оказывается трудоемкой процедурой, особенно при наличии множественных отношений между ее понятиями.