知識を構造化する：オントロジー構築入門

知識を構造化する：オントロジー構築入門

はじめに

近頃は、情報があふれる時代になりました。身の回りに溢れる膨大な情報をうまく活用するには、情報の意味や情報同士の繋がりをきちんと整理して、明確にする必要があります。そこで役立つのが、「オントロジー」と呼ばれる知識の体系化です。オントロジーとは、特定の分野における言葉や概念、そしてそれらの関係性を、コンピュータが理解できる形に整理したものです。例えるなら、コンピュータが読むための特別な辞書のようなものです。

このオントロジーを作ることで、バラバラだった情報が繋がり、コンピュータが情報を深く理解できるようになります。例えば、「りんご」という言葉を考えてみましょう。私たち人間は、「りんご」と聞いて、赤い果物であり、甘くて美味しい、秋に収穫されるといった多くの情報をすぐに思い浮かべられます。しかし、コンピュータは「りんご」という文字列を理解するだけで、その意味や関連情報は理解できません。そこで、オントロジーを用いて、「りんご」は「果物」の一種であり、「赤い」という色を持ち、「甘い」という味覚を持つといった情報を定義することで、コンピュータも「りんご」に関する知識を理解し、処理できるようになります。

オントロジーは、異なるシステム間での情報共有をスムーズにする上でも重要です。例えば、あるシステムでは「りんご」を「アップル」と呼んでいるかもしれません。このような場合、人間であれば同じものを指していると理解できますが、コンピュータは異なる文字列として認識してしまいます。オントロジーを導入することで、それぞれのシステムが「りんご」と「アップル」が同じものを指していると理解できるようになり、情報交換がスムーズに行えるようになります。

このように、オントロジーを構築することで、情報の整理、共有、活用が容易になり、様々な分野で役立ちます。本稿では、このオントロジーの作り方の基本的な考え方や方法について、詳しく説明していきます。

関係性の種類

物事の繋がりを体系的に表す枠組みを作るには、概念同士を適切な繋がりで結ぶことが欠かせません。この繋がりを関係性と呼び、いくつかの種類があります。中でも基本的なものが「上位概念」と「下位概念」の関係を表す「～は～の一種である」という関係です。例えば、「犬」は「哺乳類」の一種であり、「哺乳類」は「動物」の一種であるというように、より広い概念とより狭い概念を階層的に結びつけます。この関係を使うことで、知識を整理し、推論を可能にします。例えば、「犬は哺乳類の一種である」と「哺乳類は肺呼吸をする」という二つの情報から、「犬は肺呼吸をする」という新たな知識を導き出すことができます。

もう一つの重要な関係が「全体」と「部分」の関係を表す「～は～の一部である」という関係です。例えば、「車輪」は「車」の一部であり、「エンジン」も「車」の一部であるといった関係を表します。これは、複雑な物事を構成要素に分解して理解するのに役立ちます。また、「車」という全体を認識することで、その一部である「車輪」や「エンジン」の存在や役割を推測することも可能になります。

これらの基本的な関係に加えて、物事の性質や特徴を表す関係も重要です。例えば、「リンゴ」の「色」は「赤」である、「ボール」の「形」は「丸い」であるといった関係です。このような関係は、物事をより具体的に記述し、識別するのに役立ちます。これらの関係を適切に組み合わせることで、複雑な概念体系をより詳細に表現することができます。例えば、「赤いリンゴ」と「青いボール」を区別したり、「車輪が四つある車」を特定したりすることが可能になります。このように、様々な種類の関係を理解し、使い分けることで、より豊かで正確な知識表現が可能になります。

構築の手順

知識を体系的にまとめる枠組みを作る作業、つまりオントロジー構築は、いくつかの手順を踏むことで実現できます。まず何についてまとめたいのか、その範囲を明確にすることが重要です。例えば「乗り物」についてであれば、車や電車、飛行機など、具体的なものをリストアップします。この作業は、構築する知識の土台となるため、範囲が広すぎると全体像が掴みにくくなり、狭すぎると必要な情報が不足する可能性があります。

次に、リストアップしたものを繋げる作業を行います。例えば「車は乗り物である」や「車はタイヤを持つ」、「エンジンで動く」といった関係性を定義することで、それぞれの繋がりを明らかにします。さらに、これらの関係性を整理し、階層構造を作ることで、全体像を把握しやすくなります。「乗り物」の下に「自動車」「電車」「飛行機」といった分類を作り、さらに「自動車」の下に「乗用車」「トラック」「バス」といった具合に、より細かい分類を作っていくことで、複雑な知識体系を整理できます。

それに加えて、それぞれの項目に対して、より詳しい情報を加えることも重要です。例えば「車」には「最高速度」や「燃費」、「乗車定員」といった属性があります。これらの属性を定義することで、より詳細な情報を表現できるようになります。また、「車は道路を走る」といった制約を設けることで、知識の整合性を保つことができます。

こうして作った枠組みは、実際に使ってみて、問題がないかを確認する作業が必要です。作成した枠組みが、意図したとおりに機能するかどうかを検証し、不備があれば修正を行います。この検証と修正は、何度も繰り返すことで、より完成度の高いものへと近づいていきます。場合によっては、その分野に詳しい人の意見を聞くことで、より質の高い枠組みを作ることができます。

表現方法

物事の繋がりや概念といった知識を整理して表現する枠組みを、オントロジーと言います。このオントロジーを実際に形にするには、様々なやり方があります。よく使われる方法として、コンピュータが理解しやすい言葉で書き表す方法があります。例えば、ウェブオントロジー言語（OWL）やリソース記述枠組み（RDF）といったものが、これに当たります。これらの言葉を使うことで、コンピュータは知識の内容を理解し、情報を処理したり、他のコンピュータと情報をやり取りしたりすることができるようになります。特に、ウェブ上で情報を共有したい場合、OWLやRDFは大変役に立ちます。

一方で、人間にとって分かりやすい図を使って表現する方法もあります。統一モデリング言語（UML）などが、この例です。UMLは、図形や記号を使って視覚的に分かりやすく知識を整理できるので、人間が理解しやすく、議論もしやすいため、複雑な知識を共有したり、関係性を整理する際に役立ちます。

その他にも、自然言語、つまり私たちが普段使っている言葉でオントロジーを書き表す方法もあります。ただし、自然言語は人によって解釈が異なる場合があるので、コンピュータが正確に理解するのは難しい場合があります。

このように、オントロジーの表現方法は様々で、それぞれにメリットとデメリットがあります。例えば、コンピュータでの処理を重視するならOWLやRDF、人間が理解しやすいようにしたいならUML、といった具合です。ですから、何のためにオントロジーを作るのか、誰と共有するのかといった目的をしっかりと考えて、目的に合った表現方法を選ぶことが大切です。適切な表現方法を選ぶことで、オントロジーをより効果的に活用し、知識の共有や利用を進めることができます。

活用事例

知識を体系的に整理して表現する手法であるオントロジーは、様々な分野で活用され、私たちの生活をより良くする様々な場面で役立っています。

医療分野では、病気や症状、治療法などに関する情報をオントロジーとして表現することで、医師の診断を支援するシステムの開発に役立っています。例えば、患者の症状を入力すると、考えられる病気を絞り込んだり、適切な検査を提案したりすることができます。また、新薬開発においても、薬の効果や副作用に関する情報をオントロジーとして整理することで、研究開発の効率化に繋がります。

製造業では、製品の部品構成や製造プロセスに関する情報をオントロジーとして表現することで、生産管理システムの効率化に貢献しています。例えば、ある部品の在庫が不足した場合、代替可能な部品を自動的に探し出したり、製造工程における問題点を早期に発見したりすることができます。また、製品設計の段階で、過去の設計情報や部品情報を活用することで、設計の品質向上や期間短縮にも役立ちます。

電子商取引においては、商品の分類や属性情報、顧客の購買履歴などをオントロジーとして表現することで、検索機能の向上やおすすめ商品の提示精度の向上に役立っています。例えば、顧客が過去に購入した商品や閲覧した商品に基づいて、その顧客が興味を持つ可能性のある商品を提案したり、検索キーワードから顧客のニーズを的確に捉え、最適な商品を表示したりすることができます。

このように、オントロジーは様々な分野で知識の共有や活用を促進する重要な技術となっています。蓄積された情報を整理し、相互に関連付けることで、新たな知見の発見や問題解決に役立ち、私たちの社会をより豊かにする可能性を秘めています。今後、人工知能技術の発展とともに、ますます多くの分野でオントロジーが活用されていくことが期待されます。

まとめ

知識を整理して、誰でも同じように理解できるようにすることは、とても大切なことです。この知識の整理方法の一つとして、「存在論構築」というものがあります。存在論構築とは、ものの意味や、もの同士の関係を明確にすることで、知識を体系化し、共有しやすくする技術です。

例えば、「りんご」というものを考えましょう。りんごは「果物」であり、「種」や「皮」といった部分からできています。このような関係性を、「is-a関係」（りんご is-a 果物）、「part-of関係」（種 part-of りんご）といった言葉で表現します。これらの関係性を適切に用いることで、複雑な概念、例えば「果物」には「りんご」以外にも「みかん」や「ぶどう」など様々な種類があることや、それぞれの果物がどのような特徴を持っているのかといったことを、整理された形で表現することができます。

コンピュータに知識を理解させるためには、人間が使う言葉ではなく、コンピュータが理解できる言葉で知識を表現する必要があります。存在論で整理した知識は、「OWL」や「RDF」といった特別な書き方で表現することで、コンピュータが理解できる形になります。これにより、コンピュータは知識を処理したり、新しい知識を生み出したりすることが可能になります。

この存在論構築は、医療や製造業、インターネット上の買い物など、様々な分野で既に活用されています。医療の分野では、病気や症状、薬などの情報を整理することで、より正確な診断や治療に役立てられています。製造業では、製品の部品や製造工程に関する情報を整理することで、効率的な生産管理を実現しています。インターネット上の買い物では、商品の種類や特徴を整理することで、利用者が欲しい商品を見つけやすくしています。

今後、情報量はますます増え続けると考えられます。だからこそ、存在論構築技術はますます重要になっていくでしょう。適切な存在論を構築することで、より高度な知識処理や情報活用が可能となり、様々な分野での発展に大きく貢献することが期待されます。