Семантические сети

Семантические сети и фреймы

Сетевая модель представления знаний является более наглядной, нежели продукционная. Она позволяет более ясно структурировать информацию и представлять ее в графическом виде.

Понятие семантической сети основано на древней и очень простой идее о том, что «память» формируется через ассоциации между понятиями. Понятие «ассоциативная память» появилось еще во времена Аристотеля. В информатику оно вошло в связи с работами по использованию простых ассоциаций для представления значений слов в базе данных. Разработка семантических сетей относится к 1960 г., когда они использовались для моделирования обработки естественного языка, для представления смысла (семантики) выражения. Отсюда и происходит их название. Квиллиан предположил, что наша способность понимать язык может быть охарактеризована некоторым множеством базовых понятий (концептов) и правил. Так с помощью 100 базовых понятий был смоделирован словарь в 15 000 слов. Процесс восприятия текста включает в себя «создание некоторого рода мысленного символического представления». Квиллиан первым предложил использовать для моделирования человеческой памяти сетевые структуры. Теперь же они используются в качестве структуры, пригодной для представления информации общего вида.

Базовыми функциональными элементами семантической сети служит структура из двух компонентов – узлов и связывающих их дуг. Таким образом, семантической сетью называется ориентированный граф с конечными вершинами. Каждый его узел представляет собой некоторое понятие, а дуга – отношение между парой понятий. Можно считать, что каждая из таких пар отношений представляет простой факт. Узлы в семантической сети соответствуют объектам, понятиям или событиям. Они обладают определенной маркировкой, позволяющий идентифицировать этот узел.

Основной принцип семантической сети: знания, которые семантически связаны между собой (связаны по смыслу) должны храниться рядом. В семантической сети имеется два типа дуг:

1.
является (is)

2.
имеет частью (has part)

Дуги обладают свойством транзитивности – устанавливают отношения иерархии наследования в сети (элементы низкого уровня наследуют свойства высокого)

В качестве простого примера семантической сети рассмотрим предположения:

«Студент Иванов является мужчиной»; «Мужчина является человеком»

Студент Иванов мужчиной человеком.

Очевидно, что отношение «является» транзитивно, т.е. из этой сети мы можем вывести третье утверждение, хотя оно и не было сформулировано в чистом виде «Студент Иванов является человеком». Свойство транзитивности позволяет экономить память, поскольку информация о сходных узлах может не повторяться в каждом узле сети, а храниться в одном центральном узле. Это свойство модели памяти получило наименование когнитивной экономии. Например, на рис. 4.1 информация об узле с маркировкой «сердечная мышца» присоединена к узлу с маркировкой «система органов кровообращения», а информация о том, что сердечная мышца является частью человека задана неявно.

Рис. 2. Диаграмма семантической сети.

Квиллиан также ввел разделение между видами узлов. Один вид узлов он назвал узлами-типами. Такой узел представляет концепт, связанный с конфигурацией других узлов, узлов-лексем. Это в определенной степени напоминает толковый словарь, в котором каждое понятие определяется другими понятиями, также присутствующими в этом словаре, причем и их смысл толкуется с помощью еще каких либо понятий в этом словаре.

Например, можно определить смысл слова «машина» как конструкцию из связанных компонентов, которые передают усилия для выполнения определенной работы. Это потребует присоединения узла-типа для слова «машина» к узлам-лексемам «конструкция», «компонент» и т.д. Однако в дополнение к связям, сформированным для определения смысла, могут существовать связи к другим узлам-лексемам, например «телетайп», «офис». Эти связи представляют знания о том, что телетайпы являются одним из видов машин, которые используются в офисе.

Проблема поиска решений в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, отражающей поставленный запрос к базе.

Существует довольно обширный перечень проблем, при решении которых представление, базирующееся на формализме семантических сетей, оказывается весьма полезным. И использование узлов и связей в сети для представления понятий и отношений может показаться само сбой разумеющимся. Однако следует учитывать следующие недостатки семантических сетей:

·
В различных вариантах спецификаций структуры сети далеко не всегда можно четко определить смысл маркировки узлов. Так если рассмотреть узел-тип, имеющий маркировку «телетайп», то часто бывает непонятно, представляет ли этот узел понятие «телетайп», или класс всех агрегатов типа «телетайп», или какой-то конкретный телетайп. Аналогично, и узел-лексема открыт для множества толкований. Разные толкования влекут за собой и разный характер влияния этого узла на другие узлы сети. Иначе говоря, семантические сети являются логически неадекватными.

·
Процесс поиска информации в сети сам по себе знаниями не управляется. Другими словами, этот механизм не предполагает наличия какого-либо знания о том, как искать нужную нам информацию в представленных знаниях. Таким образом, сети является эвристически неадекватными.

Эти два недостатка иногда усиливают друг друга. Например. Если невозможно представить логическое отрицание или исключение (логическая неадекватность), то это приведет к определенным «провалам» в знаниях, которые к тому же нельзя ликвидировать, прекратив поиск в этом направлении (эвристическая неадекватность). Одним из способов ликвидировать эти недостатки является переход к специальному представлению узлов в сети и унификация связей между узлами (фреймами).