Семанти́ческая сеть — информационная модель предметной области , имеет вид ориентированного графа . Вершины графа соответствуют объектам предметной области, а дуги (рёбра) задают отношения между ними. Объектами могут быть: понятия , события , свойства, процессы . Таким образом, семантическая сеть — это один из способов представления знаний .

В названии соединены термины из двух наук: семантика в языкознании изучает смысл единиц языка, а сеть в математике представляет собой разновидность графа — набора вершин, соединённых дугами (рёбрами), которым присвоено некоторое число. В семантической сети роль вершин выполняют понятия базы знаний, а дуги (причем направленные) задают отношения между ними. Таким образом, семантическая сеть отражает семантику предметной области в виде понятий и отношений.

Неправильно приравнивать друг другу понятия «Семантическая сеть» ( англ. Semantic Network ) и « Семантическая паутина » ( англ. Semantic Web ). Хотя эти понятия не эквивалентны, тем не менее, они связаны (см. ).

История

Идея систематизации на основе каких-либо семантических отношений предлагалась ещё учёными ранней науки. Примером этого может служить биологическая классификация Карла Линнея 1735 г. Если рассматривать её как семантическую сеть, то в данной классификации используется отношение подмножества, современное (от англ. «A Kind Of», «разновидность»).

Прародителями современных семантических сетей можно считать , предложенные Чарльзом Пирсом в 1909 г . Они использовались для представления логических высказываний в виде особых диаграмм. Пирс назвал этот способ «логикой будущего».

Важным направлением в исследовании сетей стали работы немецкого психолога Отто Зельца 1913 и 1922 гг. В них для организации структур понятий и ассоциаций, а также изучения методов наследования свойств он использовал графы и семантические отношения. Исследователи (1973), Д. Норман (1975) и другие использовали эти работы для моделирования человеческой памяти и интеллектуальных свойств.

Компьютерные семантические сети были детально разработаны (англ.) в 1956 году в рамках проекта Кембриджского центра изучения языка по машинному переводу . Процесс машинного перевода подразделяется на 2 части: перевод исходного текста в промежуточную форму представления, а затем эта промежуточная форма транслируется на нужный язык. Такой промежуточной формой как раз и были семантические сети. В 1961 г. появилась работа (англ.) , в которой она, в частности, определяла базовый словарь для 15000 понятий. Эти исследования были продолжены Робертом Симмонсом (1966), Й. Уилксом (1972) и другими учёными.

Труды по семантическим сетям часто ссылаются на работу американского психолога Росса Квиллиана (Quillian) о « семантической памяти » .

Структура

Математика позволяет описать большинство явлений в окружающем мире в виде логических высказываний. Семантические сети возникли как попытка визуализации математических формул. Основным представлением для семантической сети является граф . Однако не стоит забывать, что за графическим изображением непременно стоит строгая математическая запись и что обе эти формы отображают одно и то же.

Графическое представление

Основной формой представления семантической сети является граф. Понятия семантической сети записываются в овалах или прямоугольниках и соединяются стрелками с подписями — дугами (см. рис.). Это наиболее удобно воспринимаемая человеком форма. ^{[ источник не указан 4400 дней ]} Её недостатки проявляются, когда мы начинаем строить более сложные сети или пытаемся учесть особенности естественного языка. Схемы семантических сетей, на которых указаны направления навигационных отношений, называют картами знаний, а их совокупность, позволяющая охватить большие участки семантической сети, атласом знания.

Математическая запись

В математике граф представляется множеством вершин V и множеством отношений между ними E. Используя аппарат математической логики, приходим к выводу, что каждая вершина соответствует элементу предметного множества, а дуга — предикату .

Лингвистическая запись

В лингвистике отношения фиксируются в словарях и в тезаурусах . В словарях в определениях через род и видовое отличие родовое понятие занимает определённое место. В тезаурусах в статье каждого термина могут быть указаны все возможные его связи с другими родственными по теме терминами. От таких тезаурусов необходимо отличать тезаурусы информационно-поисковые с перечнями ключевых слов в статьях, которые предназначены для работы дескрипторных поисковых систем.

Классификация семантических сетей

Для всех семантических сетей справедливо разделение по арности и количеству типов отношений.

• По количеству типов отношений, сети могут быть однородными и неоднородными .
  • Однородные сети обладают только одним типом отношений (стрелок), например, таковой является вышеупомянутая классификация биологических видов (с единственным отношением AKO ).
  • В неоднородных сетях количество типов отношений больше одного. Классические иллюстрации данной модели представления знаний представляют именно такие сети. Неоднородные сети представляют больший интерес для практических целей, но и большую сложность для исследования. Неоднородные сети можно представлять как переплетение древовидных многослойных структур. Примером такой сети может быть Семантическая сеть Википедии.
• По арности:
  • типичными являются сети с бинарными отношениями (связывающими ровно два понятия). Бинарные отношения очень просты и удобно изображаются на графе в виде стрелки между двух концептов. Кроме того, они играют исключительную роль в математике.
  • На практике, однако, могут понадобиться отношения, связывающие более двух объектов — N-арные . При этом возникает сложность — как изобразить подобную связь на графе, чтобы не запутаться. Концептуальные графы (см. ) снимают это затруднение, представляя каждое отношение в виде отдельного узла.
• По размеру:
  • Для решения конкретных задач, например, тех, которые решают системы искусственного интеллекта.
  • Семантическая сеть отраслевого масштаба должна служить базой для создания конкретных систем, не претендуя на всеобщее значение.
  • Глобальная семантическая сеть. Теоретически такая сеть должна существовать, поскольку всё в мире взаимосвязано . Возможно, когда-нибудь такой сетью станет Всемирная паутина .

Помимо концептуальных графов существуют и другие модификации семантических сетей, это является ещё одной основой для классификации ( по реализации ). См. более подробно в соответствующем разделе .

Семантические отношения

Количество типов отношений в семантической сети определяется её создателем, исходя из конкретных целей. В реальном мире их число стремится к бесконечности. Каждое отношение является, по сути, предикатом, простым или составным. Скорость работы с базой знаний зависит от того, насколько эффективно реализованы программы обработки нужных отношений.

Иерархические

Наиболее часто возникает потребность в описании отношений между элементами, множествами и частями объектов. Отношение между объектом и множеством, обозначающим, что объект принадлежит этому множеству, называется отношением классификации ( ISA ). Говорят, что множество (класс) классифицирует свои экземпляры . (пример: «Шарик является собакой» = Шарик является объектом типа собака ). Иногда это отношение именуют также MemberOf, InstanceOf или подобным образом. Связь ISA предполагает, что свойства объекта наследуются от множества. Обратное к ISA отношение используется для обозначения примеров, поэтому так и называется — «Example», или по-русски «Пример». Иерархические отношения образуют древовидную структуру .

• Отношение между надмножеством и подмножеством (называется AKO — «A Kind Of», «разновидность»). (Пример: «собака является животным» = тип с именем собака является подтипом типа животные ). Элемент подмножества называется гипонимом ( собака ), а надмножества — гиперонимом ( животное ), а само отношение называется отношением гипонимии . Альтернативные названия — «SubsetOf» и «Подмножество». Это отношение определяет, что каждый элемент первого множества входит и во второе (выполняется ISA для каждого элемента), а также логическую связь между самими подмножествами: что первое не больше второго и свойства первого множества наследуются от второго. Отношение АКО (Род-Вид) часто используется для навигации в информационном пространстве.

• Объект, как правило, состоит из нескольких частей, или элементов. Например, компьютер состоит из системного блока, монитора, клавиатуры, мыши и т. д. Важным отношением является HasPart , описывающее связь частей и целого — отношение меронимии . В этом случае свойства первого множества не наследуются вторым. Мероним и холоним — противоположные понятия:
  • Мероним — объект, являющийся частью для другого. ( Двигатель — мероним автомобиля .)
  • Холоним — объект, который включает в себя другое. (Например, у дома есть крыша. Дом — холоним крыши . Компьютер — холоним монитора .)

Часто в семантических сетях требуется определить отношения синонимии и антонимии . Эти связи либо дублируются явно в самой сети, либо определяются алгоритмической составляющей.

Вспомогательные

В семантических сетях часто используются также следующие отношения ^{[ источник не указан 1355 дней ]} :

• функциональные связи (определяемые обычно глаголами «производит», «влияет»…);
• количественные (больше, меньше, равно…);
• пространственные (далеко от, близко от, за, под, над…);
• временные (раньше, позже, в течение…);
• атрибутивные (иметь свойство, иметь значение);
• логические (И, ИЛИ, НЕ);
• лингвистические.

Этот список может сколь угодно продолжаться: в реальном мире количество отношений огромно. Например, между понятиями может использоваться отношение «совершенно разные вещи» или подобное: Не_имеют_отношения_друг_к_другу(Солнце, Кухонный_чайник) .

Особенности использования некоторых типов отношений

В семантической сети в качестве понятий могут быть как экземпляры объектов, так и их множества. Использование одних и тех же отношений и для элементов, и для коллекций может привести к недоразумениям. Подобные ошибки в работе некоторых первых систем были описаны в статье « Искусственный интеллект сталкивается с естественной глупостью».

Рассмотрим пример — четыре предложения:

1. У Павла есть отец по имени Алексей.
2. Для Павла найдётся отец из множества мужчин.
3. Найдется человек, для которого Алексей — отец.
4. У каждого человека есть отец из множества мужчин.

Для человека ясен смысл этих фраз и многие не задумываясь поставили бы во всех четырёх случаях отношение есть отец . Однако это является ошибкой: в первом случае, действительно, описывается отношение между двумя экземплярами, но во втором и третьем — между экземпляром и множеством, а в четвёртом — отношение между представителями из двух множеств. В математической записи это выглядит так, соответственно для предложений 1—4:

  I.  ∃ павел & ∃ алексей : отец(алексей, павел);
 IIа. ∃ павел → ∃ x ∈ мужчины : отец(x, павел);
 IIб. ∃ алексей → ∃ y ∈ люди : отец(алексей, y);
III.  ∀ y ∈ люди → ∃ x ∈ мужчины : отец(x, y);

Мы видим, что случаи IIа и IIб различаются только порядком следования переменных в предикате, однако для правильности сети это может сыграть важную роль. В примере перечислены лишь 4 рода отношений, всего же для бинарной сети их существует девять. Они различаются кванторами ∃ и ∀, а также порядком переменных.

Графически для отличия всех этих случаев применяют специальные форму пометок отношений на графе: например, отношения первого рода оставляют без изменений, второго — обводят прямоугольной рамкой из точек, третьего — тире, а четвёртого — тире-точка. Либо можно просто написать рядом индекс типа отношения.

Наиболее часто встречающаяся путаница возникает насчёт отношения ISA . Поэтому во многих современных работах принимается, что ISA обозначает связь между экземпляром и множеством (вышеописанный случай IIб): Мурка ISA кошка . Одиночная рамка при этом не используется. Если требуется определить отношение эквивалентности (случай I), для этого может вводиться специальное отношение (хотя для семантической сети нужда в нём небольшая). ISA можно использовать для обозначения вхождения элементов одного множества в другое (случай III), однако так делать не рекомендуется. Для обозначения подмножеств применяется ещё одно специальное отношение — AKO . Различие между «ISA в рамке» и AKO заключается в том, что последнее отвечает ещё и за наследование свойств самих множеств, а не только элементов.

Использование семантических сетей

Семантизация

Семантизация — процесс изменения текстов, в которых выделяются семантические отношения без изменения их содержания. В Википедии существуют проекты по семантизации статей и Дерева категорий.

• Семантизация статей производится, в основном, путём использования шаблонов, при этом некоторые категории создаются автоматически.
• Семантизация Дерева категорий заключается в соблюдении транзитивности , создании метакатегорий и организации структуры подкатегорий , используя значимые критерии.

Семантическая паутина

Концепция организации гипертекста напоминает однородную бинарную семантическую сеть, однако здесь есть существенное отличие:

1. Связь, осуществляемая гиперссылкой, не имеет семантики, то есть не описывает смысла этой связи. Назначение семантической сети состоит в том, чтобы описать взаимосвязи объектов, а не дополнительную информацию по предметной области. Человек может разобраться, зачем нужна та или иная гиперссылка, но компьютеру эта связь не понятна.
2. Страницы, связываемые гиперссылками, являются документами , описывающими, как правило, проблемную ситуацию в целом. В семантической сети вершины (то, что связывают отношения) представляют собой понятия или объекты реального мира .

Попытка создания семантической сети на основе Всемирной паутины получила название семантической паутины . Эта концепция подразумевает использование языка RDF (языка разметки на основе XML ) и призвана придать ссылкам некий смысл, понятный компьютерным системам. Это позволит превратить Интернет в распределённую базу знаний глобального масштаба.

Программное обеспечение

• WordNet
• SNePS

См. также

• Тезаурус
• Онтология (информатика)
• Объектно-ориентированное программирование
• Класс (теория множеств)
• Диаграмма связей

Примечания