知識を繋げる：オントロジー構築入門

知識を繋げる：オントロジー構築入門

はじめに

近頃は、人工知能がめざましく進化するのに伴い、人の知識を計算機に理解させる技術が大変重要になってきています。この技術の中核を担うものの一つに、存在論の構築があります。存在論とは、平たく言うと、ある専門分野における概念や言葉、更にはそれらの繋がりを整理して表したものです。人は言葉を理解する時、普段意識せずに膨大な背景知識を活用しています。例えば、「鳥」という言葉を耳にすると、空を飛ぶ、羽がある、卵を産むといった情報を自然と思い浮かべます。計算機にも同じように言葉を理解させるには、このような背景知識を分かりやすく示す必要があります。存在論はまさにそのような役割を果たし、計算機が知識を処理し、筋道を立てて考えるための土台となります。

存在論を構築することで、様々な利点が生まれます。例えば、異なるシステム間での情報共有が容易になります。それぞれのシステムが独自の言葉で情報を管理していると、システム同士が連携する際に、言葉の壁が生じてしまいます。しかし、共通の存在論を用いることで、システム間で意味を統一し、円滑な情報交換を実現できます。また、存在論は、新しい知識の発見や既存知識の矛盾点を明らかにするのにも役立ちます。概念間の関係性を視覚的に表現することで、隠れたパターンや関係性を見つけ出すことができます。更に、存在論に基づいた推論は、計算機が自律的に新しい知識を生成することを可能にします。例えば、「鳥は卵を産む」という知識と「ペンギンは鳥である」という知識から、「ペンギンは卵を産む」という新しい知識を導き出すことができます。このように、存在論は人工知能の発展に欠かせない技術であり、今後ますますその重要性が増していくと考えられます。計算機がより深く人の言葉を理解し、様々な分野で活躍するためには、質の高い存在論の構築と活用が不可欠です。

関係性の種類

知識を整理して体系化するために、概念同士の関係性をきちんと定めることはとても大切です。例えば、鳥やスズメといった概念を扱う場合、これらの概念はどのように関係しているのでしょうか。関係性を示す代表的なものとして、「上位概念と下位概念の関係」と「全体と部分の関係」があります。

まず、「上位概念と下位概念の関係」を見てみましょう。これは、「～は～の一種である」という関係で、「isa」という言葉を用いて表現します。例えば、「スズメ isa 鳥」と書きます。これは、「スズメは鳥の一種である」という意味です。鳥の中には、スズメ以外にもたくさんの種類がいます。つまり、鳥という大きなまとまりの中に、スズメという小さなまとまりが含まれているのです。このように、上位概念はより広い範囲を、下位概念はより狭い範囲を表します。

次に、「全体と部分の関係」について説明します。これは、「～は～の一部である」という関係で、「partof」という言葉を用いて表現します。例えば、「翼 partof 鳥」と書きます。これは、「翼は鳥の一部である」という意味です。鳥は翼以外にも、くちばしや足など様々な部分からできています。このように、全体はいくつかの部分が集まってできたものです。

これらの関係性を組み合わせることで、より複雑な知識を表すこともできます。例えば、「スズメの翼 partof スズメ」と「スズメ isa 鳥」という二つの関係が分かっていれば、「スズメの翼 partof 鳥」という関係も導き出すことができます。スズメの翼はスズメの一部であり、スズメは鳥の一種なので、スズメの翼は鳥の一部でもある、というわけです。さらに、物事が持つ性質を表す「属性」を用いることで、より詳しい情報を加えることができます。例えば、鳥が持つ属性の一つとして「色」があり、その値が「黒」であることを記述できます。このように、様々な関係性を定義することで、物事に関する知識をより深く、より豊かに表現することが可能になります。

構築の実際

知識を体系的にまとめる枠組みであるオントロジーを作る際には、まず何についてまとめたいのかを明確にする必要があります。例えば、鳥について調べたいのであれば、鳥に関するオントロジーを作るということになります。この時、鳥の種類や特徴、生態など、どのような側面に焦点を当てるのかを決めることが重要です。

次に、鳥に関する専門知識を集めます。図鑑や論文、専門家への聞き取りなど、様々な方法で情報を集め、鳥に関する理解を深めます。この段階で集めた情報は、オントロジーを作るための土台となります。

そして、集めた情報をもとに、鳥に関する重要な概念を抜き出します。例えば、「スズメ」「カラス」「翼」「羽」「飛ぶ」「鳴く」など、鳥を理解する上で欠かせない要素を選び出します。これらの概念が、オントロジーの構成要素となります。

さらに、抜き出した概念同士の関係性を定義します。例えば、「スズメ」と「カラス」はどちらも「鳥」の一種なので、「スズメ」は「鳥」であり、「カラス」も「鳥」であるという関係性を定義します。また、「翼」は「鳥」の「一部」であり、「羽」も「鳥」の「一部」であるといった関係性も定義します。他にも、「鳥」は「飛ぶ」ことができ、「鳥」は「鳴く」ことができるといった関係性も定義できます。これらの関係性を定義することで、概念同士がどのように結びついているのかを明らかにします。

関係性を定義する際には、「上位概念」と「下位概念」の関係を表す「～の一種」や、「全体」と「部分」の関係を表す「～の一部」といった基本的な関係の他に、必要に応じて独自の表現を加えることもできます。例えば、鳥の食性について詳しく調べたい場合は、「～を食べる」という関係性を定義することで、どの鳥が何を食べているのかを表現できます。

最後に、定義した概念と関係性を、計算機が理解できる形に書き直します。専用の記述言語を用いることで、計算機がオントロジーの内容を読み取り、処理できるようになります。こうして、鳥に関する知識が整理され、計算機で扱えるようになります。近年は、こうした作業を支援する道具も開発されており、より手軽にオントロジーを作ることができるようになっています。

活用事例

知識を体系的に整理し、共有するための技術であるオントロジーは、様々な分野で活用され、その応用範囲は広がり続けています。医療の現場では、病気や症状、治療法などに関する情報を整理したオントロジーが作られています。これを利用することで、患者の症状を入力すると、考えられる病気を推測する診断支援システムの開発が可能になります。医師の経験や勘に頼るだけでなく、体系化された知識に基づいた診断を支援することで、診断の精度向上や、見落とし防止に繋がると期待されています。

製造業においても、オントロジーは力を発揮します。製品の部品や製造工程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を実現できます。例えば、ある部品の供給が止まった際に、代替可能な部品を迅速に特定したり、製造工程におけるボトルネックを分析したりすることが容易になります。これは、生産性の向上やコスト削減に大きく貢献するでしょう。

近年、注目を集めている知識グラフの構築においても、オントロジーは重要な役割を担っています。知識グラフとは、様々な情報を関連付けて巨大な知識の繋がりを作り上げる技術です。この知識の繋がりを作る際に、オントロジーが土台として必要になります。オントロジーによって情報を整理し、意味を明確にすることで、コンピュータが情報を理解し、処理することが可能になるのです。知識グラフは、検索エンジンの精度向上だけでなく、人工知能による質問応答システムの実現にも活用されています。例えば、ある歴史上の人物について質問すると、その人物の生きた時代背景や関係する出来事などを、関連付けて分かりやすく表示することができます。このように、オントロジーは、複雑な情報を整理し、活用するための基盤技術として、今後ますます重要になっていくと考えられます。

今後の展望

人工知能の技術が進歩するにつれて、物事の意味や関係性を表す知識体系であるオントロジーの重要性が増しています。膨大な量の情報を処理し、そこから新しい知見を見つける技術において、オントロジーはなくてはならないものとなるでしょう。

今後の課題として、まず大規模なオントロジーをどのように作るかという問題が挙げられます。複雑な現実世界を正しく反映した、網羅的で精緻なオントロジーを構築するには、多大な労力と専門知識が必要です。加えて、既に存在する様々なオントロジーをどのように繋げるかという問題も重要です。異なる組織や分野で開発されたオントロジーは、表現方法や用語が統一されていないため、そのままでは相互に利用することができません。これらのオントロジーを連携させることで、より広範な知識の活用が可能になり、人工知能の能力を飛躍的に向上させることができると考えられます。

これらの課題を解決できれば、より高度な人工知能を実現するための大きな一歩となります。例えば、人間のように言葉の意味を理解し、文脈に沿った適切な応答を生成する人工知能や、膨大なデータから複雑な因果関係を抽出し、未来を予測する人工知能などが実現可能になるかもしれません。

さらに、オントロジーを自動的に作る技術の開発も進んでいます。将来的には、特別な知識を持たない人でも、容易にオントロジーを作成できるようになる可能性があります。そうなれば、様々な分野でオントロジーが活用され、より便利な生活、より豊かな社会の実現に貢献していくでしょう。例えば、医療分野では、個々の患者の症状や体質に合わせた最適な治療法を提案するシステムや、教育分野では、生徒一人ひとりの学習状況に合わせた個別指導システムなどが実現するかもしれません。このように、オントロジーは、今後の社会を大きく変える可能性を秘めた重要な技術と言えるでしょう。