2 Представлення знань предметної області за допомогою семантичних мереж

Поняття семантичні мережі основане на давній і дуже простій ідеї про те, що “ПАМ’ять формується через асоціації між поняттями. Поняття “асоціативна пам’ять” з’явилося ще в часи Арістотеля і увійшло в інформатику у зв’язку із працями по дослідженню простих асоціацій для представлення значення слів в базі данних. З тих пір цей формалізм був всебічно розвинутий для представлення багатьох класів данних, які використовуються в різноманітних предметних областях. До таких областей відносяться просторові зв’язки в простих фізичних системах, операції по керуванню механізмами, причинні та функціональні зв’язки в приборах і взаємозв’язки між симптомами в медицині.

Базовим функціональним елементом семантичної мережі слугує структура із двух компонентів – “вузлів” і зв’язуючих їх “дуг”. Кожний вузол представляє деяке поняття, а дуга – відношення між парами понять. Можно рахувати, що кожна із таких пар відношень представляє простий факт. Вузли помічаються ім’ям відповідного відношення. Рис.10, наприклад, представляє факт

“Сміт працює у виробничому відділі”.

працює в

Сміт виробничий відділ

Рис.10. Функціональний елемент семантичної мережі

Відмітимо, що дуга має напрямок, завдяки чому між поняттями в рамках визначеного факту виражається відношення “суб’єкт/об’єкт”. Більш того, любий із вузлів може бути з’єднаний із любим числом інших вузлів; в результаті цього забезпечується формування мережі фактів.

З позиції логіки базову структуру семантичної мережі можна розгянути в якості еквівалента предиката з двома аргументами (бінарний предикат); ці два аргумента представляються двома вузлами, а сам предикат – дугою з напрямком, що пов’язує ці вузли.

При розумному виборі позначень відношень можна виразити дуже складні сукупності фактів.

5

При розробці представлення у вигляді сематичної мережі особливу практичну зацікавленість має зв’язок виду “є” , що відображує належність до деякого класу об’єктів. Представлений на рис.11 мережевий елемент, наприклад, виражає, що

“Сміт є членом класу керівників” чи, просто говорячи,

“Сміт є керівником”

До інших видів зв’язків, що знайшли конкретне застосування для відображення загальних представлень про об’єкт (який представляється іменниками чи фразами із них), відноситься зв’язок “має”, що вказує на те, що одне поняття представляє частину іншого, а також зв’язок “є”, який вказує на те, що одне поняття слугує атрибутом іншого. Користуючись подібними відношеннями, можна представляти складні сукупності фактів. Рис.12. ілюструє одне із можливих представлень фактів, які відносяться до службовця “Сміт”. В число таких фактів увійшли :

“Сміт є керівником”

“Сміт працює у виробничому відділі, що знаходиться в будівлі 1” “Сміту 25 років”

“У Сміта блакитні очі”

є

Сміт керівник

Рис.11. Відношення “є”

будівля 1

місцезнаходження

виробничий відділ

працює в

має

блакитні очі Сміт

є

керівник

є

25 років

Рис.12. Факти, що відносяться до людини з ім’ям “Сміт”

6

Із діаграми на рис.12 випливає, що за допомогою мережевих елементів можуть бути побудовані досить складні комбінації фактів.

На мові Лісп базові елементи семантичної мережі можуть бути запраграмовані у вигляді спискової комбінації атом/властивість. Так, елемент, що представлений на рис.10, був би складений із наступних компонентів : атом – “Сміт”, властивість – “працює”, значення даної властивості – “виробничий відділ”. Базове визначення семантичної мережі не дозволяло представляти ситуації, в яких декількаокремих об’єктів є екземплярами одного і того же семантичного класу. Наприклад, можливий випадок, коли потрібно зафіксувати, що в деякій крмпанії працюють дві різні людини з одним і тим же ім’ям “Сміт”, причому один із них працює під керівництвом іншого. Рішення цієї проблеми зводиться до того, що вводяться два спеціальних вузла, позначені відповідно “СМ-1” і “СМ-2”, для ідентифікації двох індивідуумів з одним і тим же ім’ям “Сміт”. Відповідна мережа представлена на рис.13. Відмінність між приватними об’єктами і загальними поняттями має рішуче значення для семантичних мереж. Тому різним видам об’єків надаються різноманітні позначення. Приватному об’єкту відповідає термін “ознака” (ми користуємся нотацією Нормана-Румельхарта із застосуванням кутових дужок < > для ідентифікації вузлів із ознаками); для позначення загального поняття слугує термін “тип”, і спеціальний ідентифікатор в цьому випадку не застосовується.

керівник штат службовців

є Сміт є

ім’я ім’я

має

блакитні очі СМ-1

працює для

СМ-2

працює в працює в

є виробничий відділ

25 років

Рис.13. Факти, що відносяться до “СМ-1” і “СМ-2”

7

Давня популярність семантичних мереж обязана зв’язку “є”, в якому закладені великі можливості для побудови ієрархій понять. Типовий приклад такої ієрархії – вузол “службовець” на рис.14, що представляє розширену версію рис.13. Тут ми маємо справу із неглибокою ієрархією. Поняття “службовець” – на верхньому її рівні, два індивідуума “СМ-1” і “СМ-2” – на нижньому. Після задання такої ієрархії можна провести по мережі розподіл загальних фактів, які другорядно є атрибутами індивідуумів як членів класу “службовець”, замість представлення їх в якості атрибутів безпосередньо індивідуумів. До таких фактів відносяться, наприклад, те, що “службовцям” надається “дозвіл на паркування (автомашин)”, а “керівники” мають “ключи” від “вхідної двері закладу”, Відповідні розширення мережі приведено на рис.14. Ці факти можуть бути також вилучені із позначених вузлів, що представляють індивідуумів за допомогою “наслідування” ознак через зв’язок “є”.

Ієрархія, побудована на основі “наслідування”, забезпечує ефективний спосіб спрощення представлення знань і скорочення об’єму інформації, яку потрібно запам’ятати для кожного окремого вузла. Це дає можливість в значній мірі підвисити швидкість процесу оброблення знань (що відноситься до вузла запам’ятована інформація може бути обмежена тільки часто використованої; при звертані до іншої інформації застосовується принцип “наслідування”), а також вилучати інформацію за допомогою запитів загального характеру (деяка інформація про індивідуум “Сміт” як керівника може бути вилучена просто із знання його службового положення в компанії; при цьому немає необхідності знати його ім’я).

Приведені раніше приклади представлення знань у вигляді семантичних мереж були обмежені відношеннями між існуючими чи фразами, складеними із іменників. Але це занадто жорстке обмеження. Більшість із цих фактів, що нам хочеться використати в програмах, створених на основі знань, можуть стосуватися “випадків”; остані часто обмежені часом і простором. Наприклад, може потребуватися зафіксування твердження

“Сміт-2 пропрацював на Сміта-1 з квітня 1972 до травня 1999року”.

Його неможливо представити за допомогою до сих пір застосованої нотації. Існує дуже просте і разом з тим виключно ефективне рішення. Потрібно тільки розробити представлення відносно дієслівників в доповнення до іменників. Так само забезпечуючи відмінність між типами і ознаками, візьмемо вербальний вузол ознаки для представлення конкретної події, а вузол типу – для представлення “праобразу” події. В результаті отримаємо мережу, приведену на рис.15.

8

Конкретна подія, яка заключається в роботі в когось, позначена “Р-1”. Її утворення від вузла праобразу “робота” вказується за допомогою дуги “дія”. Відмітимо, що по відношеню дієслівника дуга “діяЙ” еквівалентна дузі “є”. Після ідентифікації події “Р-1” можна провести прив’язання бінарних відношень, за допомогою яких представляються поняття про роботу, такі, як дата початку (через зв’язок “від”) і дата закінчення (через зв’язок “до”).

може мати

службовець дозвіл паркування

є є

може мати

ключі від вхідної двері керівник штат службовців

Сміт

є є

має блакитні очі

ім’я ім’я працює для

СМ-1 СМ-2

працює в працює в є

виробничий відділ

40 років

Рис.14. Факти, що відносяться до службовця “Сміт” Робота

дія

до травень 1999

від

Р-1 квітень 1972

датів (dative) агент

СМ-1 СМ-2

Рис.15. Представлення події, пов’язаного із дієслівником

Для окремих систем були розроблені несуперечливі повні набори вербальних відношень. Вони отримали назву “відмінникових відношень” у відповідності з теорією “відмінникової граматики”, розробленої Ч. Філлмором. В цій теорії приймаються спроби представити поверхову

9

структуру речень у вигляді невеликих замкнених наборів “відмінникових” відношень між іменниками (чи фразами із іменників) і дієслівниками в рамках глибиних структур речень. Приблизний набір подібних відношень може в типовому випадку мати :

· Агент – виконавець (ініціатор) дії, вираженого дієслівом;

· Об’єкт – іменник, на яке розповсюджується дія чи стан, виражені дієсловом;

· Місцеположення - місце дії чи стану, виражене дієслівником;

· Датів – особа, до якої має відношення дія чи стан, виражені дієсловом.

робота

дія

до від

А подія В

датів агент

С Е

Рис.16. Праобраз події “робота”

Як відмічалось, подія, на яку вказує зв’язок “дія”, володіє властивостями “праобразу”. Воно може бути представлене так, як зображено на рис.16. Тут позначення відмінківна дугах відносяться до відповідних змінних, які для реальної події замінюються значеннями відповідних дійсних іменників (чи фраз, складених із іменників). В даному випадку це “СМ-1”, “СМ-2”, “квітень 1972” та “травень 1999”. Структура із праобразом дуже близька до представлення із застосуванням фреймів, описана в наступному розділі, і може бути з успіхом використана при організації обробки знань. Важливу роль грають позначення варіантів, що допомагають ідентифікувати об’єкти речення, які відносяться до змінних (це дає системі критерій “ймовірності”), а також присвоєння змінним “визначені значення”, тобто значення, які приймають змінні при відсутності в прямому вигляді альтернативних значень (це дозволяє системі продовжити дію, якщо не відбулося введення даних в прямому виді). На мал.3.8 для відношення “до” задане визначене значення : індивідуум продовжує працювати (по замовченю : тепер), яке необхідно використати при відсутності конкретної інформації про те, коли індивідуум перестав працювати.

10