Семантические сети

1 5. Семантические сети 5.1. Модели семантических сетей Стандартного определения семантической сети (СС) не существует, но обычно под ней подразумевают систему знаний, имеющую определенный смысл в виде целостного образа сети, узлы которой соответствуют понятиям и объектам, а дуги – отношениям и связям. Например, если "Иван" и "мальчик" являются узлами сети, то, установив между этими узлами связь "есть", получим смысловое предположение "Иван – это мальчик". Рассмотрим еще пример "Иван с весны до осени владел автомобилем марки "Нива". s s множество s вещь человек состояние s s s мужчина автомобиль владеет s «Жигули» e e владелец объект Q Иван начало весна конец e e e «Нива» осень время S – подмножество; e – элемент. Идея использования СС для запоминания сложных понятийных структур возникла первоначально в психологии. Существует большое количество различных методов построения СС от простейших, используемых в работах по психологии, до сложных методов, мало отличающихся от сетей фреймов. Однако в большинстве моделей стараются сохранить основной принцип неразде- 2 лимости синтаксических или структурных и семантико-прагматических знаний о внешнем мире. В качестве простой модели СС рассмотрим модель, получившую название TLC-модели (Teachable Language Comprehender: доступный механизм понимания языка). Здесь основой для определения значения того или иного понятия является множество взаимосвязей с другими понятиями (т.е. определение понятия дается через отношения с другими понятиями). Среди этих связей основными являются следующие:  класс, к которому принадлежит данное понятие;  свойства, выделяющие понятие из всех прочих понятий этого класса;  примеры данного понятия. В качестве примера покажем простейшую сеть для представления концептуального объекта "чайник". класс чайник свойство пример емкость металлический, фарфоровый, с носиком Металлический чайник Здесь с отношением "класс" ассоциируется значение емкость, со свойством – "металлический", "фарфоровый", "наличие носика", с примером – "металлический чайник. Рассмотрим еще один пример сети для представления концептуального объекта "автомобиль". Обратите внимание. Иерархия строится только на понятиях «класс», «пример». 3 машина класс колесный ход свойство свойство автомобиль класс преобразование энергии пример класс вес до 3 т тонн свойство легковой автомобиль “Нива” пример Отношения, определяющие сущности, имеющие место в реальном мире, могут быть расширены. Здесь, помимо классов, свойств и примеров могут быть использованы следующие отношения: "время, "место", "средство", "объект" и т.п. Модель TLC получила развитие в работах многих авторов, которые внесли свои существенные изменения. Так, например, вместо связи "класс" использовалась связь "есть нек." (есть некоторый), которая связывается предмет с более общим понятием. Вместо связи "свойство" использовались два глагола "имеет" и "есть". Глагол "имеет" употребляется в тех случаях, когда свойством оказывается наличие некоторого предмета или владение им, например, птица имеет крылья. Глагол "есть" используется тогда, когда свойство имеет характер качества, например, "канарейка есть желтая". Заметим, что "примерам" почти всегда соответствуют имена классов, т.е. "класс" и "пример" связывают одни и те же понятия, но направлены противоположно друг другу. Поэтому связь "пример" может быть исключена. Пример сети для представления концептуального объекта "животное" приведен ниже. 4 имеет животное кожа есть имеет крылья есть нек . нек. птица плавники рыба имеет имеет имеет перья есть есть нек . нек. нек. нерка есть есть есть акула страус канарейка имеет высокий есть опасна желтая ноги есть длинные жабры есть есть розовая съедобная есть тонкие Можно вводить еще отношения, например "может" – указывает характерное, но необязательное свойство, например, птица может летать, животное может двигаться и т.д. При рассмотрении способов представления разных видов информации в виде понятийных структур может возникнуть необходимость использования многих примеров одного и того же понятия, причем в каждом конкретном случае понятие может выступать в видоизмененной форме. Поэтому целесообразно ввести первичное и вторичное определения понятия. Под первичным определением понимается первое, основное определение. Другие же конкретные случаи использования этого понятия связаны с первичным понятием связью "есть нек." и определяются своими свойствами. Пример. голодный есть лев ухо есть нек. имеет есть нек. хищник Q есть нек. клыки есть нек. грива 5 Здесь узел Q через связи "есть нек." может в различном контексте представляться в виде уха, гривы и клыков. Это понятие созвучно понятию слотов и наследования во фреймовых моделях. Рассмотрим теперь средства, дающие возможность представлять в модели события и действия. Основная цель здесь состоит в выделении набора простых отношений, характеризующих основные компоненты события. В лингвистике различаются два основных уровня языка. На уровне поверхностных структур представляются синтаксические структуры предложения. На другом уровне, уровне глубинных структур, представляется смысловое содержание предложений. Для обнаружения структуры события в предложении в первую очередь выделяют само действие, описываемое обычно глаголом. Далее необходимо найти лиц, которые действуют, и выделить предметы, над которыми это действие производится. Действующее лицо, осуществляющее действие, называется "агентом". Вещи, над которыми действие осуществляется, называются "объектами". Лицо, пользующееся результатом действия или испытывающее его, называется "адресатом". Пример, "Мать прибирает комнату сына". действие: уборка агент: мать объект: комната адресат: сын. Графическое представление результатов анализа этого предложения: мать агент прибирает объект комната адресат сын Эти структуры отображают смысл предложения. Они являются глубинными структурами. Поэтому предложение "Комната сына прибирается матерью" имеет то же графическое представление. В этом проявляется важное преимущество структурных методов СС, когда один и тот же смысл или семантика представляются одной и той же структурой. В рассмотренном примере использовались только три отношения: агент, объект и адресат, называемые падежами или падежными отношениями (падежами Филмора), кроме них употребляются такие, как  "условие" – логическая зависимость, существующая между двумя событиями: "Акула опасна, только если она голодная";  "инструмент" – предмет или устройство, вызывающее действие или являющееся орудием его осуществления: "Ураган разрушил дом";  "место" – указание на то, где происходит событие: "Из института он поехал на такси"; 6     "модальность" – указание в случае необходимости на особый вид поверхностной структуры: "Почему Вы туда поехали?"(модальность вопросительная); "цель" – указание на цель действия: "Иван повернул стоп-кран, чтобы остановить поезд"; "качество" – ограничение объема понятия: "Шторм был сильным"; "время" – указание на то, когда происходит событие: "Вчера был шторм". Пример. "Вчера на берегу я фотографировал своим новым аппаратом дом на набережной". Анализ: Действие: фотографировать Агент: Я Объект: дом на набережной Место: берег Инструмент: мой новый аппарат Время: вечер. Графическое представление результатов анализа: вчера аппарат есть есть есть новый место время нек. мой берег Q1 инструструмент фотогра- объект фировать агент есть дом нек. Q2 место набережная Я 5.2. Выводы в семантических сетях В иерархической структуре понятий существуют отношения по крайней мере двух типов: ISA – "род-вид" и has-part – "часть-целое". Иерархия показывается отношения включения понятия. Например, в предложении "Человек ISA млекопитающее" используется отношение включения "род-вид". При этом экземпляр нижнего уровня содержит в основном все атрибуты, которые имеет экземпляр понятия верхнего уровня. Это свойство называется наследованием атрибутов между уровнями иерархии ISA. Отношение "has-part" в предложении "рыба has-part плавники", показывает, что экземпляр "плавники" является частью любого экземпляра "рыба". Этот 7 способ показывает отношения между экземплярами класса. Рассмотрим предложение "все канарейки – птицы". Графическая форма приведена ниже канарейка ISA птица Если канарейке присвоить имя "Клава", то сеть расширится следующим образом: Клава ISA канарейка ISA птица В данном случае вместе с тем, что с помощью такой сети представлены два факта "Клава – канарейка" и "канарейка – птица", из нее, используя отношение ISA, можно вывести факт "Клава – птица". Расширим нашу сеть фактом "Птицы имеют крылья". Клава ISA канарейка ISA птица has_part крылья Используя отношения ISA и has part, можно вывести факт "Клава имеет крылья". Этот способ вывода называются наследованием свойств. Еще одно расширение сети фактами "канарейка – вид, подвергающийся опасности, изучается натуралистами": has_part птица крылья ISA Клава ISA канарейка ISA Вид, подвергающийся опасности изучается натуралисты 8 В сети, указанной выше, можно вывести заключение, что канарейка по имени Клава изучается натуралистами. Однако это заключение необязательно является правильным. Следовательно, в СС необходимо предусмотреть такие способы представления данных и способы вывода, которые обеспечивали бы одновременно управление наследованием. Особенность СС, которая в то же время является ее недостатком, заключается в целостности системы, выполненной на ее основе, не позволяющей разделить базу знаний и механизм выводов. Обычно интерпретация СС определяется с помощью использующих ее процедур. Типичным способом, лежащим в основе этих процедур, является способ сопоставления частей сетевой структуры. Этот способ основан на построении подсети, соответствующей вопросу, и сопоставлении ее с базой знаний. При этом для исчерпывающего сопоставления с базой знаний вершинам переменных подсети присваиваются гипотетические значения. Например, пусть мы в базе знаний имеем сеть, содержащую факт "Канарейка Клава владеет гнездом". ISA Клава канарейка ISA птица владелец объект владения владеть гнездо-К ISA птица ISA собственность Здесь "гнездо-К" – это конкретное гнездо, которым владеет Клава, оно является экземпляром понятия "гнездо". Вопрос "Чем владеет Клава?" представляется в виде следующей подсети: Клава владелец владеть ISA собственность объект владения ? 9 Проводится сопоставление для ответа на вопрос. При этом сначала отыскивается вершина "владеть", имеющая ветвь "владелец", направленную в вершину "Клава", затем следует соединение с вершиной, которая показывает ветвь "собственность" и ответ на вопрос. Рассмотрим еще один вопрос "существует ли птица, которая владеет гнездом?". Подсеть вопроса имеет вид: ISA птица-? птица владелец объект владения владеть ISA гнездо-? птица ISA собственность Однако эта подсеть не годится для непосредственного сопоставления с базой знаний. Для сопоставления из узла "Клава" к узлу "птица" проводится дуга ISA, означающая, что Клава является птицей. Теперь становится возможным сопоставление "владеть" – "владеть", "гнездо-?" – "гнездо-К", "гнездо" – "гнездо". Ответ: "Да – это Клава". Рассмотрим способ вывода, именуемый перекрестным поиском. Этот способ означает поиск отношений между концептуальными объектами и ответ на вопрос путем обнаружения узла, в котором пересекаются дуги, идущие от двух различных узлов. Например, пусть дан факт "Иван дал книгу Петру". Сеть, представляющая данный факт, приведена ниже. давать ISA Иван дающий объект Q1 берущий Петр Q2 ISA книга 10 На вопрос "какие отношения между Иваном и Петром" можно получить ответ "Иван дал книгу Петру". Рассмотрим семантическую сеть специального вида, носящую название "функциональная семантическая сеть" (ФСС). Она представляется в виде графа с вершинами двух типов. Вершинам одного типа соответствуют различные параметры, участвующие в решении задачи. Эти параметры могут либо задаваться как исходные данные, либо вычисляться по ходу выполнения будущей программы решения задач. Вершинам второго типа соответствуют функциональные отношения, связывающие между собой эти параметры. Поясним, как используется ФСС при решении конкретных задач, связанных с планированием вычислений. Пусть проблемная область - это планиметрия треугольника. Фрагмент ФСС, соответствующий этой проблемной области показан ниже.  a b hc         0 R1 c    R2  R4 R3 a b  0 sin  sin  c b  0 sin  sin  hc  b sin  0   b a   c hc R6 R5 a bc-p0 S  R7 p p p p (  a)( - b)( - c) - S  0 2 2 2 2 p 1 hc c  0 2  S  Здесь кружки соответствуют параметрам, а прямоугольники – функциональным отношениям между ними. Будем считать, что все отношения имеют 11 разрешение относительно всех входящих в них параметров. Каждому такому разрешению соответствует специальный программный модуль. Так, например, отношение R6 будет иметь три различных разрешения, показанных ниже. hc hc R6 S=½hcc R6 c=2S/hc S c S R6 hc=2S/c c Пусть пользователь задумал решить задачу: "Найти площадь треугольника S по известной стороне c и известным прилегающим углам  и  ." Известны два метода вывода или планирования в ФСС. Первый - метод распространяющейся волны. В наиболее простой форме он может быть описан следующим образом. По условию задачи c, и  известны. Тогда в ФСС как бы возбуждаются вершины, соответствующие этим параметрам. Это возбуждение распространяется от них по ребрам к вершинам- прямоугольникам. Условием возбуждения этих вершин является возбуждение (m - 1) ребра, подходящих к ним, где m - число ребер, подходящих к вершинампрямоугольникам. Возбуждение вершины-прямоугольника соответствует разрешению отношения, написанного внутри прямоугольника относительно параметра, которому соответствует невозбужденное ребро. В нашем примере возбуждение вершин c, и  приведет на следующем шаге к возбуждению вершины-прямоугольника R1 и разрешению относительно . Далее возбуждение от вершин c, и  будет передано к вершине-прямоугольнику R4, которая возбудиться, дав разрешение относительно b. После этого произойдет возбуждение вершины-прямоугольника R3, которая даст разрешение относительно hc и, наконец, возбудится вершина- прямоугольник R6, дав разрешение относительно S. Возбуждение вершины, соответствующей S, прекратит распространение волны. Рассмотрим алгоритм паросочетания для планирования вычислений в ФСС. Этот алгоритм хорошо известен в теории графов. С его помощью находится взаимно однозначное соответствие между вершинами, соотносимыми с параметрами, и вершинами-прямоугольниками. Граф для решения нашей задачи имеет вид 12 R2 R1   R4 R3  a R5 b c R6 hc R7 p S После первого этапа работы алгоритма, когда найден искомый параметр, надо найти минимальную замкнутую систему отношений, позволяющую решить поставленную пользователем задачу. Так как в нашем случае определять а и периметр треугольника p нет необходимости, то минимальной замкнутой системой является система отношений: R1, R4, R3, R6.