Представление знаний

Представление знаний (англ. knowledge representation) — направление в исследованиях искусственного интеллекта, посвящённое представлению информации о мире в форме, которую было бы возможно использовать в компьютерных системах для решения сложных задач, таких как диагностирование заболеваний или ведение диалога на естественном языке. Представление знаний включает в себя психологические исследования по решению задач человеком для построения формализмов, которые упростили бы работу со сложными системами. Примерами формализмов представления знаний являются семантические сети, архитектуры систем, правила и онтологии.

Графы знаний

История

Пример семантической сети

Семантические сети были разработаны в 1960 году из-за растущей необходимости в инструменте для представления знаний, который мог бы охватить широкий спектр сущностей: объекты реального мира, события, ситуации и отвлечённые концепты и отношения, — в конце концов будучи применённым в задаче поддержания диалога на естественном языке. Основной целью разработки семантических сетей было решение множества задач, например, представление планов, действий, времени, верований и намерений. При этом способ решения этих задач должен был быть достаточно обобщённым.

В 1980-х гг. Гронингенский университет и университет Твенте начали работу над совместным проектом, названным "Графы знаний", базируясь на устройстве семантических сетей с рёбрами, ограниченными наперёд заданным количеством отношений — для упрощения алгебры на графах. В последовавшие десятилетия граница между понятиями "Графов знаний" и "Семантических сетей" размывалась всё больше.

В 2012 же году Google представили свою версию графа знаний.

Определение

Не существует формального определения графа знаний. Однако есть ряд аксиом, которым граф знаний должен удовлетворять .

1. Граф знаний определяется своей структурой.
2. Утверждения внутри графа знаний являются однозначными.
3. Граф знаний использует конечный набор типов отношений.
4. Все указанные сущности внутри графа знаний, включая типы и отношения, должны быть определены с использованием глобальных идентификаторов с однозначными обозначениями.
5. Утверждения в графе знаний должны иметь явно указанные источники.
6. Граф знаний может иметь оценки неопределённостей.

Применение

Вопросно-ответные системы. Самым распространённым применением графов знаний являются вопросно-ответные системы. Графы знаний располагают огромным количеством информации, доступ к которой проще всего получать посредством схемы вопрос-ответ.

Хранение информации исследований. Многие компании используют графы знаний для хранения результатов, полученных на разных стадиях исследований, которые могут быть использованы для построения понятных моделей, просчёта рисков, слежения за различными процессами и т. д.

Рекомендательные системы. Некоторые компании используют графы знаний как фундамент для своих рекомендательных систем. Здесь графы знаний позволяют находить связи между фильмами, телепрограммами, персоналиями и т. д. По выявленным связям можно пытаться предсказать индивидуальные предпочтения пользователя.

Управление цепочками поставок. Компании могут эффективно следить за перечнями различных составляющих, задействованного персонала, времени и др., что позволяет им передавать вещи более выгодно.

Открытые проблемы

1. Выявление лучших практик для построения графов знаний.
2. Динамически изменяемые знания.
3. Оценка корректности и полноты графа знаний.

Онтология

Понятие онтологии существует как в информатике, так и в философии, однако эти понятия похожи.

Определение:

Онтология (в информатике) — формализация знаний, включающая в себя представление, формальное именование и определение категорий, свойств и отношений между понятиями, данными и сущностями некоторой области знаний.

Формализация

Для формализации используется концептуальная схема.

Определение:

Концептуа́льная схе́ма — семантическая сеть из взаимосвязанных по определенным правилам понятий и концепций. Обычно такая схема состоит из структуры данных, содержащей все релевантные классы объектов, их связи и правила (теоремы, ограничения), принятые в этой области.

Философия

Термин «онтология» в информатике является производным от соответствующего древнего философского понятия.

Общее с философским понятием:

• И то, и другое — попытка представить сущности, идеи и события со всеми их взаимозависимыми свойствами и отношениями в соответствии с системой категорий.
• В обеих областях существует значительная работа по проблемам онтологической инженерии.

Отличия от философского понятия:

• Онтология в информатике должна иметь формат, который компьютер сможет легко обработать.
• Информационные онтологии создаются всегда с конкретными целями — решения конструкторских задач; они оцениваются больше с точки зрения применимости, чем полноты.

Каждая научная дисциплина или область знаний создает онтологии для ограничения сложности и организации данных в информацию и знания. Новые онтологии улучшают решение проблем в этой области. Перевод научных работ в каждой области — это проблема, облегченная, когда эксперты из разных стран поддерживают контролируемый словарь жаргона между каждым из своих языков.

Элементы

Общие компоненты онтологий включают в себя:

• Экземпляры (объекты) — базовые или "наземные" объекты.
• Классы (понятия) — наборы, коллекции, концепции, классы в программировании, типы объектов или виды вещей.
• Атрибуты — аспекты, свойства, признаки, характеристики или параметры, которые могут иметь объекты (и классы).
• Отношения — способы, которыми классы и индивиды могут быть связаны друг с другом.
• Термы функций — сложные структуры, образованные из определенных отношений, которые могут быть использованы вместо отдельного термина в высказывании.
• Ограничения — формально заявленные описания того, что должно быть истинным для того, чтобы какое-то утверждение было принято в качестве входных данных.
• Правила — высказывания в форме предложения if-then (антецедент-консеквент), описывающие логические выводы, которые могут быть сделаны из утверждения в определенной форме.
• Аксиомы — утверждения (включая правила) в логической форме, которые вместе составляют общую теорию, которую онтология описывает в своей области применения. Это определение отличается от определения "аксиом" в порождающей грамматике и формальной логике. В этих дисциплинах аксиомы включают только утверждения, утверждаемые как априорное знание. Здесь же "аксиомы" также включают в себя теорию, полученную из аксиоматических утверждений.
• События — изменение атрибутов или отношений.

Онтологии обычно кодируются с помощью языков онтологий — формальных языков, используемых для этой цели.

Примерами таковых являются OWL , KIF , Common Logic , CycL , DAML+OIL.

Построение при помощи методов машинного обучения

Векторные представления графов знаний

Тензорная модель представления графов знаний. [math]E_1 \dots E_n[/math] обозначают объкты, а [math]R_1 \dots R_m[/math] обозначают отношения

Для представления графовых данных используются семантика Cреды описания ресурса (англ. Resource Description Framework, RDF) где связи представляются триплетом "субъект — предикат — объект". Для моделирования бинарных отношений на графе удобно использовать трехсторонний тензор [math]X[/math], в котором две размерности образованы на основе связываемых объектов-узлов, а третья размерность содержит отношения между ними (см. иллюстрацию). Элемент тензора [math]x_{ijk} = 1[/math], когда существует отношение (i-й объект, k-е отношение, j-й объект). В противном случае для несуществующих или неизвестных отношений [math]x_{ijk} = 0[/math].

Обучение онтологий

Слоеный пирог обучения онтологий

Процесс получения онтологий начинается с вынесения множества терминов из текста и получения их синонимов. Далее они преобразуются во множество концептов. После чего выявляются связи между концептами, и в итоге формируются схемы аксиом и извлекаются аксиомы. Данный процесс называют слоеным пирогом обучения онтологии.

Алгоритмы, используемые в разных слоях при построении онтологии разбивают на 3 основные группы:

• Лингвистические
• Статистические
• Логические

Лингвистические методы

Лингвистические методы основаны на различных особеностях языка и играют ключевую роль на начальных стадиях обучения. В основном их используют для предобработки текста, а также в извлечении термов, концептов и связей.

Предобработка текста

На первой стадии текст предобрабатывается для уменьшения размерности и повышения точности обучаемой модели. Обычно для этого используют такие методы, как:

• Частеречная разметка (англ. Part-Of-Speech tagging, POS tagging)
• Лемматиза́ция (англ. Lemmatization)

Извлечение термов и концептов

Лингвистические техники также часто используют на этапе извлечения термов и концептов. Чтобы извлечь термы и концепты при помощи синтаксических структур слова помечают как части речи. Эта информация используется для извлечения синтаксических структур из предложений, таких как словосочетания и глагольные группы. Данные структуры анализируются на наличие различных слов и морфем для нахождения термов. К примеру словосочетание ‘acute appendicitis’ может быть извлечено в качестве кандидата на терм, т.к. является гипонимом к терму ‘appendicitis’. На китайских текстах данный метод достиг точности в [math]83.3\%[/math].

Распространёнными методами данного подхода являются:

• Рамки валентностей (англ. Subcategorization Frames)
• Извлечение коренных слов (англ. Seed Words Extraction)

Статистические методы

Статистические методы основаны на статистике и не полагаются на семантику языка. Большинство статистических методов преимущественно используют вероятностные техники и в основном применяются после предобработки текса лингвистическими методами на ранних этапах обучения (извлечение термов, конептов и связей).

Извлечение термов и концептов

На этом этапе используются следующие статистические методы:

• C/NC value
• Contrastive analysis
• Латентно-семантический анализ (англ. Latent Semantic Analysis)
• Кластеризация

Нахождение связей

Статистические методы также используют для выявления связей. Распространнными техниками являются:

• Категоризация термов (англ. Term subsumption)
• Анализ формальных понятий (англ. Formal Concept Analysis, FCA)
• Иерархическая кластеризация
• Добыча ассоциативных правил (англ. Association rule mining, ARM)

Индуктивное логическое программирование

Индуктивное логическое программирование (англ. Inductive Logic Programming, ILP) — раздел машинного обучения, который использует логическое программирование как форму представления примеров, фоновых знаний и гипотез. В онтологии ILP используется на последней стадии для генерации аксиом по схемам аксиом (полжительным и отрицательным примерам и фоновым знаниям).

Формирование онтологии

Для формировния целостной онтологии инпользуются различные оценки, например:

• Золотой стандарт (с использованием стандартной онтологии)
• Экспертная оценка (формирование онтологии людьми)

См. также

• Обработка естественного языка
• Кластеризация

Источники информации

• Wikipedia — Semantic network
• Википедия — Семантическая сеть
• Wikipedia — Knowledge graph
• Towards Data Science — Knowledge graph
• Authorea — What is a Knowledge Graph
• Wikipedia — Ontology
• Википедия — Онтология
• A survey of ontology learning techniques and applications — Muhammad Nabeel Asim, Muhammad Wasim, Muhammad Usman Ghani Khan, Waqar Mahmood, Hafiza Mahnoor Abbasi (2018)
• A Three-Way Model for Collective Learning on Multi-Relational Data — Maximilian Nickel, Volker Tresp, Hans-Peter Kriegel (2011)