База правил

Рис. 1.14. Обратная цепочка рассуждений

Таким образом, результатом вывода является подтверждение цели «использовать – джип» при условии «дорога – ухабистая».

1.2.5. Модель представления знаний на основе семантических сетей

Семантической сетью является структура данных, имеющая определенный смысл как сеть. Стандартного определения семантической сети не существует, но обычно под ней подразумевают следующее:

Семантическая сеть - это система знаний, имеющая определенный смысл в виде целостного образа сети, узлы которой соответствуют понятиям и объектам, а дуги - отношениям между объектами [15,с.99].

Следовательно, всевозможные сети можно рассматривать как сети, входящие в состав семантической сети. В том числе к ним могут быть отнесены и сетевые структуры моделей БД.

Сама по себе семантическая сеть является моделью памяти и не раскрывает, каким образом осуществляется представления знаний. Поэтому в контексте знакомства с СОЗ семантические сети должны рассматриваться как метод представления знаний с возможностями структурирования этих знаний, процедурами их использования и механизмом вывода.

Описание иерархической структуры понятий и диаграмма представления

В иерархической структуре понятий существуют отношения, по крайней мере, двух типов:

• отношение включения или совпадения (IS - A);

• отношение «целое – часть» (PART - OF).

Например, в предложении

«человек» IS - A «млекопитающее»

основной мыслью является, что человек принадлежит к классу млекопитающих. Это означает, что имеет место отношение включения или совпадения. Для этих отношений характерным является то, что экземпляры понятий нижнего уровня содержат все атрибуты понятий верхнего уровня. Это свойство называется наследованием атрибутов между уровнями иерархии IS - A..

Отношение «целое – часть» можно иллюстрировать предложением

«нос» PART - OF «тела»,

которое характеризует то, что экземпляры понятия «нос» являются частью любого экземпляра понятия «тело».

Наиболее часто используется графическое представление семантических сетей в виде диаграммы. Так предложение

«все ласточки – птицы»

можно представить графом, содержащим две вершины соответствующие понятиям и дугу, указывающую отношение между ними (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Семантическая сеть - 1

Если ласточка имеет конкретное имя, например, Ласта, то семантическая сеть может быть расширенна (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Семантическая сеть - 2

Наряду с тем, что с помощью данной сети описаны два факта

«Ласта – ласточка»

«ласточка – птица»

из нее можно вынести, используя отношение наследования, факт

«Ласта – птица»

Этот факт показывает, что способ представления семантической сетью позволяет легко делать выводы благодаря иерархии наследования.

Семантическими сетями можно также представлять знания, касающиеся атрибутов объекта. Например, факт «Птицы имеют крылья» можно отобразить в виде рис. 1.17.

Рис. 1.17. Семантическая сеть - 3

Это означает, что, используя отношения «IS – A» и «PART – OF» можно вывести факт «Ласта имеет крылья».

Вершины в семантической сети обычно показывают объект проблемной области, концепт, ситуацию и т. п., а дуги - это отношения между ними. При расширении семантической сети в ней возникают дополнительные отношения. Например, если рассматриваемую сеть дополнить фактами «Ласта владеет гнездом» и «Ласта владеет гнездом с весны по осень», то получим семантическую сеть, изображенную на рис. 1.18. Здесь гнездо i – это конкретное гнездо, которым владеет Ласта, а для вершины ситуации (владеет j) определено несколько связей. Такая вершина называется надежной рамкой и определяет различные аргументы предиката ситуации.

Рис. 1.18. Семантическая сеть - 4

Семантическая сеть как Пролог - программа

Важнейшей концепцией формализма семантических сетей является иерархия понятий и связанное с ней наследование атрибутов между уровнями иерархии IS - A.

Если семантическую сеть рассматривать как описание отношений, которые поддерживаются между понятиями, то ее непосредственно, можно реализовать на языке Пролог.

На рис. 1.19 представлена структура сети, аналогичная примеру предыдущего раздела.

Рис. 1.19. Семантическая сеть - 5

Эта сеть может быть реализована в Пролог - программе

является (ласточка, птица)

является (Ласта, ласточка)

имеет (крылья, птица)

имеет (X,Y): - является (Y,Z), имеет (X, Z).

/* учитывает иерархию наследования */

При учете в модели знаний, представленных семантической сетью, такого свойства всех ласточек, что они черного цвета, в программу достаточно добавить факт:

имеет (черный_цвет, ласточка)

Если модель знаний будет дополнена общим свойством для всего класса птиц, таким, что они летают, то это приведет к добавлению в программу не только факта

летает (птица)

но и правила, которое должно реализовать иерархию наследования, т.е.

летает (Х):- является (Х, Y), летает (Y).

Элементы семантической сети

Семантическая сеть представляет собой ориентированный граф с помеченными (поименованными) дугами и вершинами. Основными элементами сети являются вершины и дуги. При этом вершинам семантической сети соответствуют понятия, события и свойства (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Вершины семантической сети

Понятия представляют собой сведения об абстрактных или физических объектах предметной области (реального мира).

События представляют собой действия, происходящие в реальном мире и определяют:

• указание типа действия;

• указание ролей, которые играют объекты в этом действии.

Свойства используются для уточнения понятий и событий. Применительно к понятиям они описывают их особенности и характеристики (цвет, размер, качество), а применительно к событиям - продолжительность, время, место.

Дуги графа семантической сети отображают многообразие семантических отношений, которые условно можно разделить на четыре класса (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Классификация семантических отношений

Лингвистические отношения отображают смысловую взаимосвязь между событиями, между событиями и понятиями или свойствами. Лингвистические отношения бывают:

• глагольные (время, вид, род, залог, наклонение);

• атрибутивные (цвет, размер, форма);

• падежными (см. ниже).

Логические отношения - это операции, используемые в исчислении высказываний (алгебра логики): дизъюнкция, конъюнкция, инверсия, импликация.

Теоретико-множественные отношения - это отношение подмножества, отношение части целого, отношение множества и элемента. Примерами таких отношений являются IS-A, PART-OF.

Квантифицированные отношения - это логические кванторы общности и существования. Они используются для представления таких знаний как «Любой станок надо ремонтировать», «Существует работник А, обслуживающий склад Б».

Рассмотренные выше примеры семантических сетей отображали знания о структуре понятий и их взаимосвязях. Далее рассмотрим использование семантических сетей для представления событий и действий.

Представление структуры понятий семантической сетью

Основой для определения любого понятия является множество его отношений с другими понятиями. Обязательными отношениями являются:

• класс, которому принадлежит данное понятие;

• свойства, выделяющие понятие из всех понятий данного класса;

• примеры (экземпляры) данного понятия.

Так как термы, используемые в определении понятия, сами являются понятиями, то их определение организуется по той же схеме. В итоге связи понятий образуют структуру, в общем случае сетевую, в которой используется как минимум два типа связей (IS - A и PART – OF).

Пример: Семантическая сеть, отображающая связи понятий при описании знаний о структуре понятия юридическое лицо будет иметь вид (рис. 1.22):

Рис. 1.22. Пример семантической сети

Так для понятия «предприятие» в этой сети:

• определен класс, которому оно принадлежит, и все свойства которого оно наследует («Юридическое лицо»);

• выделено 3 свойства, которые выделяют это понятие из всех остальных понятий класса «Юридическое лицо»;

• определен экземпляр данного понятия (объекта), а именно «З-д «Салют».

Представление событий семантической сетью

При представлении событий предварительно выделяются простые отношения, которые характеризуют основные компоненты события. В первую очередь из события выделяется действие, которые обычно описываются глаголом. Далее определяются:

• объекты, которые действуют;

• объекты, над которыми эти действия выполняются.

Все связи понятий, событий и свойств с действием (глаголом) называют падежами или падежными отношениями, которые относятся к классу лингвистических отношений. Обычно рассматривают следующие падежи (Таблица 1.5).

Падеж	Лингвистическое (падежное) отношение, определяющее связь действия с:
агент	предметом, являющимся инициатором действия
объект	предметом, подвергающимся действию
источник	размещение предмета перед действием
приемник	размещение предмета после действия
время	моментом выполнения действия
место	местом проведения действия
цель	действием другого события

Таблица 1.5 Основные падежи

Так, например, семантическая структура знания о событии «Директор завода «Салют» остановил 30.03.96 цех №4 чтобы заменить оборудование» будет представлена в виде рис. 1.23.

Рис. 1.23. Пример семантической структуры

Получение вывода с помощью семантической сети

Особенность семантической сети как модели знаний состоит в единстве БЗ и механизма вывода. При формировании запроса к БЗ:

• строится семантическая сеть, отражающая структуру запроса;

• вывод обеспечивается за счет сопоставления общей сети БЗ и сети для запроса.

Рассмотрим пример семантической сети отражающий подчиненность сотрудников организации (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Семантическая сеть «Подчиненность сотрудников организации»

Приведенные связи показывают подчиненность первого сотрудника. Остальные сотрудники связываются через вершины сети. Остальные сотрудники связываются через вершины сети «руководит 2», «руководит 3» и т.д.

Запрос: «Кто руководит Сидоровым?» представим в виде подсети (рис. 1.25).

Составление общей сети с сетью запроса начинается с поиска вершины «руководит», имеющий ветвь «объект», направленную к вершине «Сидоров». Затем производится переход по ветви «агент», что и приводит к ответу «Петров».

Рис. 1.25. Семантическая сеть «Кто руководит Сидоровым?»

Наряду с методом сопоставления, в семантических сетях используется метод перекрестного поиска, при котором осуществляется:

• поиск отношения между понятиями;

• ответ на запрос формируется путем обнаружения вершины, в которой пересекаются дуги, идущие из друг вершин.

Пример представления знаний семантической сетью

Результатом представления знаний, содержащихся в предложении: «Если станок закончил обработку, робот грузит кассету с деталями на робокар, который перевозит их на склад».

Выделим основные факты этих знаний, соответствующие действиям:

F1 - станок закончил обработку

F2 - робот грузит

F3 - робокар перевозит

F4 - кассета содержит детали

Заметим, что при описании фраз естественного языка факты часто называют высказываниями. Схема семантической сети будет следующей (рис. 1.26):

агент

цель

Р

объект

место

агент

агент

объект

объект

объект

ис. 1.26. Построение семантической сети

Необходимо отметить ряд преимуществ семантической сети:

• описание понятий и событий производится на уровне, очень близком к естественному языку;

• обеспечивается возможность сцепления различных фрагментов сети;

• отношение между понятиями и событиями образуют достаточно небольшое и хорошо формализованное множество;

• для каждой операции над данными и знаниями можно выделить из полной сети, представляющей всю семантику (или все знания), некоторый ее участок, который охватывает необходимые в данном запросе смысловые характеристики.