12 Semantische Netze und Frames

12.1 Semantische Netze

Semantische Netze sind eine Methode zur Wissensrepräsentation in der symbolischen Künstlichen Intelligenz. Sie stellen Wissen in graphischer Form dar und bestehen aus Knoten (Konzepte, Objekte) und Kanten (Beziehungen zwischen den Konzepten).

12.1.1 Struktur eines Semantischen Netzes

Ein Semantisches Netz setzt sich aus folgenden Elementen zusammen:

  1. Knoten (Entitäten): Repräsentieren Objekte, Konzepte oder Begriffe.
  2. Kanten (Relationen): Beschreiben Beziehungen zwischen den Knoten.
  3. Hierarchische Vererbung: Eigenschaften können von allgemeinen zu spezifischen Konzepten vererbt werden.

12.1.2 Beispiel eines Semantischen Netzes

Angenommen, wir wollen Wissen über Tiere darstellen:

          Lebewesen
              │
     ┌────────┴────────┐
     │                 │
   Tier              Pflanze
     │
┌────┴─────┐
│          │
Säugetier  Vogel
│          │
Hund      Spatz

Hier können wir bestimmte Beziehungen definieren:

12.1.3 Vorteile von Semantischen Netzen

✅ Anschaulichkeit: Wissen wird in einer intuitiven, graphischen Form dargestellt.
✅ Vererbung: Gemeinsame Eigenschaften können von übergeordneten Knoten übernommen werden.
✅ Einfache Erweiterbarkeit: Neue Knoten und Beziehungen können hinzugefügt werden.

12.1.4 Nachteile von Semantischen Netzen

❌ Mehrdeutigkeiten: Manche Konzepte lassen sich nicht eindeutig hierarchisch einordnen.
❌ Unflexibilität bei komplexen Relationen: Netze müssen mit zusätzlichen Regeln ergänzt werden.
❌ Skalierungsprobleme: Große Wissensnetze werden schnell unübersichtlich.

12.2 Frames

Frames sind eine weiterentwickelte Form der Wissensrepräsentation und basieren auf strukturierten Datenobjekten. Sie wurden entwickelt, um Wissen über Objekte, deren Eigenschaften und Beziehungen kompakter zu organisieren.

12.2.1 Struktur eines Frames

Ein Frame besteht aus Slots (Attribute, Eigenschaften) und Werten (Daten, Fakten).

12.2.1.1 Beispiel für einen Frame:

Frame: Hund

12.2.2 Vorteile von Frames

✅ Strukturierte Darstellung: Klare Trennung von Objekten und Eigenschaften.
✅ Flexibilität: Kann mit Default-Werten (z. B. „Hunde haben Fell“) und Ausnahmen umgehen.
✅ Modularität: Frames können hierarchisch organisiert werden und ermöglichen Vererbung.

12.2.3 Nachteile von Frames

❌ Eingeschränkte Inferenzmöglichkeiten: Frames allein können keine komplexen Schlussfolgerungen ziehen.
❌ Manuelle Modellierung: Die Erstellung von Frame-Systemen erfordert detailliertes Domänenwissen.
❌ Unzureichend für unscharfe Konzepte: Unscharfes oder probabilistisches Wissen kann schwer modelliert werden.

12.3 Vergleich: Semantische Netze vs. Frames

Merkmal Semantische Netze Frames
Repräsentationsform Graphenstruktur Objektbasierte Struktur
Hauptanwendungsgebiet Hierarchien, Beziehungen zwischen Objekten Strukturierte Wissensrepräsentation
Vererbung Ja (von Knoten zu Knoten) Ja (von übergeordneten Frames)
Flexibilität Gut für einfache Relationen Gut für komplexe Objektmodelle
Eignung für große Wissensbasen Begrenzt durch Skalierungsprobleme Bessere Skalierbarkeit durch Modularität

12.4 Anwendungen von Semantischen Netzen und Frames

📌 Natürliche Sprachverarbeitung (NLP): Begriffsnetze zur semantischen Analyse von Texten.
📌 Expertensysteme: Nutzung von Frames zur Darstellung medizinischer Diagnosen.
📌 Wissensgraphen (z. B. Google Knowledge Graph): Kombination aus Semantischen Netzen und Frames zur Repräsentation von Fakten.
📌 Robotik und autonome Systeme: Wissensrepräsentation über Objekte und deren Eigenschaften in der Umgebung.