Лекция 4. Представление знаний. Cемантические сети и системы фреймов.

Семантические сети наряду с системами правил являются весьма распространенным способом представления знаний в интеллектуальных системах. Особое значение этот способ представления знаний приобретает в связи с развитием сети интернет. Кроме ряда особенностей, позволяющих применять семантические сети в тех случаях, когда системы правил не применимы, семантические сети обладают следующим важным свойством: они дают возможность соединения в одном представлении синтаксиса и семантики или синтаксического и семантического аспекта описаний знаний предметной области. Происходит это благодаря тому, что в семантических сетях наряду с переменными для обозначения тех или иных объектов (элементов множеств, некоторых конструкций из них) присутствуют и сами эти элементы и конструкции; присутствуют и связи, сопоставляющие тем или иным переменным множества допустимых интерпретаций. Эти обстоятельства позволяют во многих случаях резко уменьшить реальную вычислительную сложность решаемых задач.

4.1. Простые и расширенные семантические сети.

Понятие семантической сети возникло в 1966 г. году в работах М.Р.Квиллиана [7] при попытке описания семантики глагола с помощью графа специального вида. Это описание было составлено из вершин, в которых находились лексические единицы анализируемого предложения и «ассоциативных» дуг, служащих для описания ссылок одних вершин на другие. Для таких описаний М.Р. Квиллиан ввел термин «семантическая память». Каждой вершине в семантической памяти соответствовала некоторая «страница», содержащая определение соответствующего вершине понятия. Каждый из указателей относился к одному из следующих типов: подкласс, дизъюнкция, конъюнкция, свойство, субъект.

Такие структуры обладали некоторыми дедуктивными свойствами, порождаемыми отношениями «подкласс» и «свойство». Один из механизмов вывода в семантической сети Квиллиана состоял в распространении активности и поиске по пересечению. Пути от начальных вершин к общей вершине определяют некоторое отношение между двумя лексическими единицами. Иначе говоря, речь шла об обнаружении неявно (имплицитно) заданной информации для дальнейшего ее использования в интеллектуальной системе.

Роберт Ковальский из Эдинбурга в 1979 г. [8] ввел понятия простых и расширенных семантических сетей, использовав клаузальную логику для их определения.

Для рассмотрения семантических сетей такого вида вернемся к языку исчисления предикатов первого порядка, а именно, к его клаузальной форме.

Клауза есть выражение вида B₁ , B₂ ,..., B_m  A₁,...,A_n

где B₁ , B₂ ,..., B_m суть атомарные формулы, n и m.

Атомарные формулы A₁,...,A_n суть совместные посылки клаузы, а B₁ , B₂ ,..., B_m суть альтернативные заключения. (Множество клауз совместно, если оно истинно в одной из моделей языка).

Если клауза содержит переменные x₁, x₂,…,x_k, то она соответствует формуле с квантором всеобщности: x₁, x₂ ,…, x_k (B₁  B₂ ...  B_m, если A₁^,…,^ A_n.)

Если n=0, то клаузу следует интерпретировать так:

 x₁, x₂,…, x_k, (B₁  B₂ ...  B_m.). Если m=0, то интерпретация такова:  x₁, x₂,…, x_k A₁^,…,^ A_n.

Если n=m=0 то клауза является тождественно ложным высказыванием и записывается .

Если клауза содержит не более одной атомарной формулы в заключении, т.е.m1, то клауза называется клаузой Хорна или Хорновской клаузой.

Простая семантическая сеть может рассматриваться как форма записи утверждений клаузальной логики без свободных переменных. Например, клауза P(a,b)  в языке простых семантических сетей изображается как дуга, помеченная меткой P и направленная из a в b:

a P b

рис.1.3.1.

В расширенных семантических сетях, как и в простых, вершины сопоставляются индивидам, а ребра – бинарным отношениям.

Однако, вершины в расширенных семантических сетях могут соответствовать константным символам, переменным или термам, содержащим функциональные символы. Атомарные формулы, соответствующие условиям клауз описываются с помощью двойных дуг, а заключения - одинарных. Клаузы, содержащие более одной атомарной формулы, можно выделять как подсети. Например, расширенная семантическая сеть на рис.1.3.2.

нравится

М эри X

нравится нравится

Боб

Джон логика

Является нравится нравится

Человек у

Рис.1.3.2.

соответствует множеству клауз:

Джону нравится Мери 

Джон является человеком

Мери нравится Джон, Мери нравится БобМери нравится x

Бобу нравится yy нравится логика

Наклонная прямая отделяет подсеть, содержащую условия (левая верхняя полуплоскость) от подсети заключений.

Помимо изобразительных возможностей, семантические сети обладают более серьезными достоинствами. То обстоятельство, что вся информация об индивиде представлена в единственном месте – в одной вершине, означает, что вся эта информация непосредственно доступна в этой вершине, что, в свою очередь сокращает время поиска, в частности, при выполнении унификации и подстановки в задачах логического вывода.

Существует еще одна, более тонкая особенность расширенных семантических сетей – они позволяют интегрировать в одном представлении синтаксис и семантику (т.е. интерпретацию) клаузальных форм. Это позволяет в процессе вывода обеспечивать взаимодействие синтаксических и семантических, теоретико-модельных подходов, что, в свою очередь, также является фактором, зачастую делающим вывод более эффективным.