Извлечение знаний

Извлечение знаний (англ. knowledge extraction) — создание знаний из структурированных (реляционных баз данных, XML) и неструктурированных источников (тексты, документы, изображения). Полученное знание должно иметь формат, позволяющий компьютерный ввод, и должно представлять знания так, чтобы облегчить логические выводы. Хотя по методике процесс подобен извлечению информации (обработке естественного языка, англ. Natural language processing, NLP) и процессу «Извлечения, Преобразования, Загрузки» (англ. Extract, Transform, Load, ETL, для хранилищ данных), главный критерий результата — создание структурированной информации или преобразование в реляционную схему. Это требует либо преобразования существующего формального знания (повторного использования идентификаторов или онтологий), либо генерацией схемы, основанной на исходных данных.

Группа RDB2RDF W3C^[1] занимается стандартизацией языка для извлечения среды описания ресурса (англ. resource description frameworks, RDF) из реляционной базы данных. Другой популярный пример извлечения знаний — преобразование Википедии в структурированные данные и отображение в существующее знание (см. DBpedia и Freebase).

После стандартизации языков представления знания, таких как «среда описания ресурса» (англ. Resource Description Framework, RDF) и «язык описания онтологий» (англ. Web Ontology Language, OWL), много исследований проводилось в этой области, особенно относительно преобразования реляционной базы данных в RDF, способности распознавания^[англ.], обнаружения знаний и обучения онтологий. Основной процесс использует традиционные методы извлечения информации и методы «извлечения, преобразования и загрузка» (англ. extract, transform, load, ETL), которые преобразуют данные из исходных форматов в структурированные форматы.

Следующие критерии могут быть использованы для попыток категоризации в этой теме (некоторые из них обеспечивают извлечение знаний из реляционных баз данных)^[2]:

1. DBpedia Spotlight, OpenCalais^[англ.], Dandelion dataTXT, Zemanta API, Extractiv и PoolParty Extractor анализируют произвольный текст с помощью распознавания именованных сущностей^[англ.], а затем разрешения неоднозначностей путём разрешения имён^[англ.] и связывания найденных сущностей в депозитарий знаний DBpedia^[3] (Dandelion dataTXT demo, или DBpedia Spotlight web demo, или PoolParty Extractor Demo).

Президент Обама призвал в среду Конгресс включить расширение налоговых каникул для студентов в пакет экономического стимулирования, утверждая, что эта политика даст более крепкую поддержку.

Так как Президент Обама связан в DBpedia с ресурсом LinkedData, дальнейшая информация может быть извлечена автоматически и Семантический механизм рассуждений может, например, сделать вывод, что упомянутая сущность является неким типом личности (используя FOAF) и президентом США (используя YAGO^[англ.]). Контрпримеры: Методы, которые только распознают сущности и не связывают со статьями в Википедии или другими объектами, не обеспечивают извлечение дальнейших структурированных данных и формального знания.

1. Triplify, D2R Server, Ultrawrap и Virtuoso^[англ.] прредставления RDF являются средствами, которые преобразуют реляционную базу данных в RDF. В течение это процесса эти средства позволяют повторное использование словарей и онтологии в процессе преобразования. Когда преобразуется типичная реляционная таблица с названием users, один столбец (например, name) или группа столбцов (например, first_name и last_name) должны обеспечивать унифицированный идентификатор создаваемой сущности. Обычно используется главный ключ. Любой другой столбец может быть извлечён как связанный с этой сущностью^[4]. Затем используются (и повторно используются) свойства с формально определённой семантикой для интерпретации информации. Например, столбец таблицы user, названный marriedTo (женат на/замужем за) может быть определён как семантическое отношение, а столбец homepage (домашняя страница) может быть преобразован в свойство из словаря FOAF с названием foaf: homepage, тем самым квалифицируя его как обратную функциональность. Тогда каждый вход таблицы user может быть сделан экземпляром класса foaf:Person (онтология Население). Кроме того, предметная область (в виде онтологии) может быть создана из status_id путём вручную созданных правил (если status_id равен 2, строка таблицы принадлежит классу Учитель) или (полу-)автоматическими методами (Обучение онтологий^[англ.]). Ниже приведён пример преобразования:

 :Peter :marriedTo :Mary .  
 :marriedTo OWL:SymmetricProperty .  
 :Peter foaf:homepage  <http://example.org/Peters_page> .  
 :Peter foaf:Person (Физическое лицо).   
 :Peter :Student (Студент).  
 :Claus :Teacher (Учитель).

При построении представления реляционной базы данных (РБД, англ. relational database) стартовой точкой часто служит диаграмма сущность-связь (англ. entity-relationship diagram, ERD). Обычно каждая сущность представлена как таблица базы данных, каждое свойство сущности становится столбцом в этой таблице, а связь между сущностями показывается внешними ключами. Каждая таблица обычно определяет конкретный класс сущностей, а каждый столбец определяет одно из свойств этой сущности. Каждая строка в таблице описывает экземпляр сущности, однозначно определённый главным ключом. Строки таблицы вместе описывают набор сущностей. В эквивалентном RDF представлении того же набора сущности:

• Каждый столбец в таблице является свойством (то есть предикатом)
• Каждое значение в столбце является свойством атрибута (то есть является объектом)
• Каждый ключ строки представляет ID сущности (то есть субъектом)
• Каждая строка представляет экземпляр сущности
• Каждая строка (экземпляр сущности) представляется в RDF коллекцией кортежей с общим субъектом (ID сущности).

Таким образом, чтобы выразить эквивалентное представление, основанное на семантике RDF, базовый алгоритм будет выглядеть следующим образом:

1. создаём схему RDF (RDFS) класса для каждой таблицы
2. преобразуем все главные ключи и внешние ключи в IRI идентификаторы
3. назначаем IRI предикат каждому столбцу
4. назначаем rdf: type предикат каждой строке, связывая его с IRI идентификатором RDFS класса
5. Для каждого столбца, не являющегося ни частью главного ключа, ни частью внешнего ключа, строим тройку, содержащую IRI главного ключа в качестве субъекта (подлежащего), IRI столбца в качестве предиката и значения столбца в качестве объекта.

Раннее упоминание базового или прямого отображения можно найти в сравнении Тимом Бернерсом-Ли ER-модели с RDF моделью^[4].

1:1 отображение, упомянутое выше представляет старые данные как RDF напрямую, а дополнительная доработка может быть использована для улучшения полноценности вывода RDF соответственно заданному сценарию использования. Как правило, информация теряется в течение преобразования диаграммы сущность-связь (англ. entity-relationship diagram, ERD) в реляционные таблицы (детальное описание можно найти в статье «Объектно-реляционная потеря соответствия^[англ.]») и должна быть восстановлена путём обратного проектирования. С концептуальной точки зрения подходы для извлечения могут прийти с двух направлений. Первое направление пытается извлечь или обучить (с помощью машинного обучения) OWL схему из заданной схемы базы данных. Ранние подходы использовали фиксированное количество созданных вручную правил отображения для улучшения 1:1 отображения^[5][6][7]. Более тщательно разработанные методы использовали эвристические или обучающие алгоритмы для порождения схематической информации (методы частично совпадают с обучением онтологий^[англ.]). В то время как некоторые подходы пытаются извлечь информацию из структуры, присущей SQL схеме^[8] (анализируя, например, внешние ключи), другие подходы анализируют содержимое и значения в таблицах для создания концептуальных иерархий^[9] (например, столбцы с малым числом значений являются кандидатами стать категориями). Второе направление пытается отобразить схему и её содержимое в существующую онтологию предметной области (см. также «Отображение онтологий»). Часто, однако, подходящая онтология предметной области не существует и её сначала следует создать.

Поскольку XML структурирован в виде дерева, любые данные легко представить в формате RDF, который структурирован в виде графа. XML2 RDF является одним примером подхода, который использует пустые узлы RDF и преобразует элементы и атрибуты XML в свойства RDF. Случай, однако, более сложен, чем в случае реляционных баз данных. В реляционных таблицах главный ключ является идеальным кандидатом для субъекта выделенных троек. XML элемент, однако, может быть преобразован — в зависимости о контекста — как субъект, как предикат или как объект тройки. XSLT может быть использован как стандартный язык преобразования для ручного преобразования XML в RDF.

Наибольшая порция информации, содержащаяся в бизнес-документе (около 80 %^[11]), закодирована в естественном языке и потому не структурирована. Поскольку неструктурированные данные является, скорее, сложной задачей для извлечения знания, требуются более изощрённые методы, которые обычно дают худшие результаты по сравнению со структурированными данными. Однако возможность приобрести огромное количество извлечённых знаний компенсирует увеличивающуюся сложность и ухудшающееся качество извлечения. Далее источники на естественном языке понимаются как источники информации, в которых данные приведены как неструктурированные текстовые данные. Если данный текст вставлен в документ с разметкой (например, HTML-документ), упомянутые системы обычно удаляют элементы разметки автоматически.

Традиционное извлечение информации (англ. information extraction, IE^[12])^[13] — это технология обработки естественного языка, которая извлекает информацию из текстов на естественном языке и структурирует их подходящим образом. Виды информации, которые следует извлечь, должны быть указаны в модели перед началом процесса обработки, вот почему весь процесс традиционного извлечения информации зависим от рассматриваемой предметной области. ИЗ (англ. IE) распадается на следующие пять подзадач.

• Распознавание именованных сущностей^[англ.] (англ. Named entity recognition, NER)
• Разрешение кореференции(англ. Coreference resolution, CO)
• Построение элементов шаблона (ПЭ, англ. Template element construction, TE) (или Добавление атрибутов к сущностям)
• Выявление связей между сущностями (ВС, англ. Template relation construction, TR)
• Построение полного описания события (ППО, англ. Template scenario production, ST)

Задача распознавания именованных сущностей заключается в узнавании и категоризации всех именованных сущностей, содержащихся в тексте (назначение именованным сущностям предопределённые категории). Это работает путём применения методов, основанных на грамматике, или на статистических моделях.

Разрешение кореференции устанавливает эквивалентные сущности, которые были распознаны в тексте алгоритмом NER. Есть два связанных вида отношения эквавалентности. Первое отношение относится к связи между двумя различными сущностями (например, IBM Europe и IBM), а второе относится к связи между сущностью и её анафорической ссылкой (например, it и IBM). Оба вида могут быть распознаны разрешением кореференции.

Во время построения элементов шаблона система IE устанавливает описательные свойства сущностей, распознанные системами NER и CO. Эти свойства соответствуют обычным качествам, как «красный» или «большой».

Выявление связей между отдельными сущностями устанавливает отношения, которые существуют между элементами шаблона. Эти отношения могут быть нескольких видов, такие как работает-для или расположено-в, с ограничением, что как область, так и диапазон соответствуют сущностям.

Полные описания событий, которые проводятся в тексте, распознаются и структурируются согласно сущностям, распознанных системами NER и CO, а отношения распознаются системой ВС.

Извлечение информации на основе онтологий (англ. Ontology-based information extraction, OBIE)^[11] является подобластью извлечения информации, в которой используется по меньшей мере одна онтология для управления процессом извлечения информации из текста на естественном языке. Система OBIE использует методы традиционного извлечения информации для распознавания понятий, сущностей и отношений использованных онтологий в тексте, которые будут структурированы в онтологию после процесса. Таким образом, вводимые онтологии формируют модель извлекаемой информации.

Обучение онтологий (англ. Ontology learning, OL) это автоматическое или полуавтоматическое создание онтологий, включая извлечение соответствующих терминов объектной области из текста естественного языка. Так как построение онтологий вручную требует крайне интенсивной работы и затрат времени, существует большой стимул для автоматизации процесса.

Во время семантического аннотирования (англ. semantic annotation, SA)^[14] текст на естественном языке сопровождается метаданными (часто представимы в атрибутах RDF^[англ.], англ. Resource Description Framework in Attributes), которые должны сделать семантику содержащихся элементов понимаемыми машинами. В этом процессе, который обычно является полуавтоматическим, знания извлекаются в том смысле, что устанавливается связь между лексическими элементами и, например, понятиями из онтологий. Таким образом получаем знания, которые открывают значение сущности в обрабатываемом контексте, а потому определяет значение текста в воспринимаемой машиной информации^[англ.] с возможностью делать логические выводы. Семантическая аннотация обычно расщепляется на следующие две подзадачи.

1. Извлечение терминологии
2. Связывание именованных сущностей

На уровне извлечения терминологии из текста извлекаются лексические термины. С этой целью лексический анализатор сначала определяет границы слов и выделяет аббревиатуры. Затем из текста извлекаются термины, которые соответствуют понятиям, с помощью словаря специфичных области исследования для связывания сущностей.

При связывании сущностей^[15] устанавливается связь между извлечёнными лексическими членами из текста-источника и понятиями из онтологии или базы знаний, такой как DBpedia. Для этого кандидаты в понятия выявляются согласно определённым значениям элемента с помощью словаря. Наконец, анализируется контекст терминов для определения наиболее подходящего разрешения многозначности и термину назначается правильное понятие.

Следующие критерии могут быть использованы для категоризации средств, которые извлекают знание из текстов на естественном языке.

Следующая таблица описывает некоторые средства для извлечения знаний из источников естественного языка.

Обнаружение знаний описывает процесс автоматического поиска больших объёмов данных для моделей, которые могут считаться знанием о данных^[33]. Это часто описывается как извлечение знания из входных данных. Обнаружение знаний разрабатывается для анализа данных и тесно связано как с методологией, так и терминологией^[34].

Наиболее известная ветвь интеллектуального анализа данных — обнаружение знаний, известное также как обнаружение знаний в базах данных. Как и многие другие формы обнаружения знаний, этот анализ создаёт абстракции входных данных. Знание, приобретённое в результате этого процесса, может стать дополнительными данными, которые могут быть использованы для дальнейшего использования и поисков. Часто выходные данные процесса обнаружения знаний не имеет практической ценности, так что обнаружение активного знания^[англ.], известное также как «Анализ данных по предметной области^[англ.]»^[35], предназначено для обнаружения и извлечения (имеющего практическое значение) активного знания и выводов из этого знания.

Другое перспективное приложение обнаружения знаний находится в области модернизации программного обеспечения^[англ.], обнаружения слабых мест и соответствия стандартам, которое вовлекает понимание существующего программного обеспечения. Этот процесс связан с понятием обратной разработки. Обычно знание, получаемое из существующего программного обеспечения, представляется в виде моделей, к которым могут быть сделаны конкретные запросы, если необходимо. Модель сущность — связь является частым форматом, представляющим знание и получаемым из существующего программного обеспечения. Консорциум Object Management Group разработал спецификацию метамодели обнаружения знаний^[англ.] (англ. Knowledge Discovery Metamodel, KDM), которая определяет онтологию для программных ресурсов и их связей, предназначенную для обнаружения знаний в существующем коде. Обнаружение знаний из известных программных систем, известное также как интеллектуальный анализ программного обеспечения^[англ.], тесно связано с интеллектуальным анализом данных, поскольку существующие программные находки имеют огромное значение для управления рисками и коммерческую ценность^[англ.], которые служат ключевыми элементами для анализа и развития программных систем. Вместо анализа индивидуальных наборов данных интеллектуальный анализ программного обеспечения^[англ.] фокусируется на метаданных, таких как производственный поток (например, поток данных, поток управления, схема вызовов), архитектуре, схемах баз данных и деловых правилах/терминах/процессах.

• Базы данных
  • Реляционные данные^[англ.]
  • База данных
  • Хранилище документов^[англ.]
  • Хранилище данных
• Программное обеспечение^[англ.]
  • Исходный код
  • Конфигурационные файлы
  • Скрипты сборки
• Текст
  • Извлечения понятий^[англ.]
• Графы^[англ.]
  • Интеллектуальный анализ молекул^[англ.]
• Последовательности^[англ.]
  • Интеллектуальный анализ потока данных^[англ.]
  • Дрейф концепции^[англ.]
• Web

• Модель данных
• Метаданные
• Метамодели
• Онтология
• Представление знаний
• Тег (метаданные)
• Деловые правила^[англ.]
• Метамодель обнаружения знаний^[англ.]
• Нотация и модель бизнес-процессов
• Промежуточное представление
• Среда описания ресурса
• Метрики программного обеспечения

• Кластерный анализ
• Археология данных