The 19th Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2005

1C3-01

制約自然言語の実装方式
The Implementation Methods of Formal Natural Language
太田 吉美Yoshimi Ota

宇宙航空研究開発機構
Japan Aerospace Exploration Agency
The Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) is developing the Emergent Synthesis Environment (ESE) for nextgeneration space systems. ESE aims at innovation of the conventional operating process, the increase in efficiency of theR&D, and the improvement in reliability of space systems. We are developing the Generic Information and Knowledge
Model (GIM) and the Formal Natural Language (FNL) used as the base of knowledge share environment of ESE. GIM is thegeneral-purpose semantic network model which used the predicate as the core, and has the important feature which can also
describe the syntax of natural language. The Formal Natural Language (FNL) describes GIM by the syntax of naturallanguage. GIM/FNL enables it to aim at accumulation, share, and practical use of information or knowledge covering the life
cycle of space systems. Thereby, the sharp improvement in efficiency of business and the reliability of space systems areexpectable.
Knowledge Model）をベースとする制約自然言語 FNL（FormalNatural Language）を開発している[太田 2004]。本論文では、制約自然言語 GIM/FNL の実装方式について報告する。

1. はじめに
これからの宇宙開発は、地球環境の保全、宇宙空間の平和利用、宇宙に関する新知識の獲得等を目指すとともに、開発された先端技術が産業界に波及することが期待される。
宇宙航空研究開発機構（JAXA）では、宇宙機システム開発のプロセスを抜本的に革新し、研究開発の効率化やシステムの信頼性を大幅に向上させる、技術知識基盤として、知的な一元的情報システム ESE（Emergent Synthesis Environment）の開発を推進している。
知的な一元情報システムでは、（１）知識共有環境、（２）設計解析統合環境、（３）業務協調環境、（４）創造的発見支援環境などの開発テーマに分け、研究開発を行っている（図１参照）。
宇宙機システムの開発を現在の 5 年から 2 年程度、開発コストを現在の１/3 程度に削減するのが当面の目標である。

2. GIM/FNL の概要
GIM/FNL は、いろいろなデータ構造の基本要素（オブジェク
トとオブジェクトの関連（アソシェーション）という要素）を抽出したもので、この基本要素を組み合わせることにより、複雑な現実世界を記述しょうとするものである（図 2 参照）。また、GIM/FNL は述語（動詞）を中心にした、意味ネットワークモデルであり、自然言語の構文（ステートメント）も記述できる重要な特徴がある。
階層構造

ｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄ指向

業務協調環境主語
述語 目的語(主格) (動詞) (対格)

PDCAサイクルの実践
経営指標

プロジェクト指標

業務指標

クリティカル
アイテム

調達

外部評価

知的エージェント

ﾈｯﾄﾜｰｸ構造

クロス・ファンクション・チーム

設計解析統合環境

JAXA-Net

宇宙機のライフサイクル支援
開発
計画

概念
設計

詳細
設計

解析

製造
組立検証

打上

運用
保守

知識共有環境

主語

述語
Association
is a part ofis classified as
is connected to

目的語
Objectautomobile
body
engine

GIML

role1

ｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄ

知識獲得
GIM/FNL
DWH

GIM-XML文の構造

UML格文法理論では、述語を中心に格情報を整理して意味を抽出する

創発
支援

廃棄検査

ERM

表形式

主語

知識連携プロトコル：一元管理のﾙｰﾙ(共通構造)、ESE共有用語辞書

GIM/ Object
FNL

自然言語
S + V + O

創造
支援環境

図 1 知的な一元情報システム ESE
JAXA の技術知識基盤である知的な一元情報システムの知
識 共 有 環 境 の 構 築 で は 、 GIM （ Generic Information &連絡先：太田吉美，宇宙航空研究開発機構 高度ミッション研
究センター，つくば市千現 2-1-1，TEL:029-868-2141，
Fax:029-868-2957 番号，ohta.yoshimi@jaxa.jp

GIM/FNL

＋辞書

role2

ｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄ

ｱｿｼｪｰｼｮﾝ
述語＋&

目的語

ERM:Entity Relation Model
UML: Unified Modeling Language

図 2 GIM/FNL の原理
IDEF1X[IDEF1X 1993]や EXPRESS-G のような ERM（EntityRelation Model ） [ISO103033-11] 、 UML （ Unified ModelingLanguage）[UML 1998]などでは、オブジェクトとオブジェクトの関連（アソシエーション）を連結する線分上（または線種やシンボル）に記述しているが、データベース等の実装段階では、この線分上の意味は、一般的には失われている。GIM/FNL ではこ-1-

The 19th Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2005の線分上の意味を関連（アソシエーション）として明示的に記述する。
GIM/FNL では、製品や技術･サービスのライフサイクル全般を支援する共通の知識モデルとして、オブジェクトと関連（アソシェーション）からなるコアモデルを規定する。コアモデルでは、対象とするものすべてをオブジェクトとして捉える。オブジェクトは、概念やモノなど定義対象の全てを記述するための入れ物（器）である。関連（アソシェーション）もオブジェクトの一つ（オブジェクトのサブタイプ）であり、オブジェクト間の関連付けを記述する器で、関連（アソシェーション）からオブジェクトには多数の手（ポインタ）を出すことができる。各々手にはそれぞれの役割があり、その役割の内容についても明示的に記述する。
GIM/FNL は、オブジェクト（object）間の多項関係を記述するモデルで、オブジェクト及びオブジェクト間の関係を関連（アソシエーション）で表現する非常にシンプルなモデルである（図 3 参照）。
オントロジー(Ontology)
知識を蓄積するための方法論
GIM/FNL= オブジェクトと関連による意味ネットワーク

Objectearth_
observing_satellite

ADEOS-II
ENGINE-1
ENGINE-1

objectrole:LIST[2:?] association
OF LIST[1:?]content

STRING

辞書
Class
automobile
body
enginetire
etc.

instance
partAssociation

is_classified_as
is_an_instance_of（is_a）

is_a_part_of

side1

is_connected_toRole 2classifierclasswholeside2

Objectsatellite
earth_observing_satellite

ADEOS-IITANK-1

図 4 GIM/FNL による記述例

role_name:
LIST[2:?]
GIMのEXPESS-G記述

Role 1classified

制約自然言語 （FNL） による表現
earth_observing_satellite is_classified_as satellite.
ADEOS-II is_an_instance_of earth_observing_satellite.
ENGINE-1 is_a_part_of ADEOS-II.
ENGINE-1 is_connected_to TANK-1.

GIM/FNL

GIM/FNL＋辞書●用語(Terminology,Class)●用語間の関連(Association)

宇宙機の例を GIM/FNL で表現すると、図 4 のようになる。
ここで、satellite、earth_observing_satellite は概念（クラス）で、ADEOS-II、ENGINE-1、TANK-1 は実体（インスタンス）であり、is classified as、is an instance of、is a part of、is connected to は関連（アソシェーション）である。

上記の例からわかるように、ADEOS-Ⅱが地球観測衛星であることを明示している。GIM/FNL が人にも機械（計算機）にも理解できる表現であることが分かる（図 5 参照）。

Association
is a part ofis classified as
is connected to
is a version ofetc.

・私は地球観測衛星です。
・私の名前はADEOS-IIです。
・私は推進系、通信機器、センサー大型アンテナ、太陽電池パネルなどから構成されています。

図 3 GIM/FNL と用語辞書
GIM/FNL は、EXPRESS[ISO103033-11]で次のように表せる。
SCHEMA gim-fnl_schema;
ENTITY objectSUPERTYPE OF (association);content:STRING;END_ENTITY;--object
ENTITY association
SUBTYPE OF(object);role_name:LIST [2:?] OF STRING;
role:LIST[2:?] OF LIST[1:?] OF object;
END_ENTITY;--association
END_SCHEMA;--gim-fnl_schema
GIM/FNL は、データ構造（コアモデル）を単一（ユニファイ）化にし、その内容であるオブジェクトと関連（アソシエーション）を辞書（リファレンス・ライブラリー）で規定する。この辞書を豊富にすることにより、知的資産の融合（Interoperability）が可能となる。
アプリケーション分野のオブジェクト及び関連（アソシエーション）の具体的な内容は、辞書として規定する。自動車を例に考えると、オブジェクトは自動車を構成する要素の用語（例えば、automobile、body、engine、tire など）が、関連（アソシエーション）には用語間の関連を表わす用語（例えば、is a part of、isclassified as、is connected to など）が入ることになる。関連（アソシェーション）では、情報・知識モデルの主要な概念である構成や分類などの用語を規定する。

図 5 私は地球観測衛星です

3. GIM/FNL の実装方式
GIM/FNL では、ISO10303 Part21（テキストファイル形式）[ISO103033-12] 、 GIML （ Generic Information & Knowledge
Model Language）、GIM-XML（eXtensible Markup Language）の 3 つの方式を実装した。
GIM/FNL の同じ内容をそれぞれ ISO10303 Part21、GIMXML、GIML で記述したものを比較すると、GIML による記述は、自然言語に限りなく近く、また、データ量としても最も少ないことが分かる（以下参照）。
[ISO10303 Part21]#10 = object ( ‘v-101’ );#20 = object ( ‘v-102’ );#21 = object ( ‘valve’ );#22 = association ( ‘is_an_instance_of’, ( ‘instance’,‘class’ ), ( ( #10, #20 ), ( #21 ) ) );-2-

The 19th Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2005
possesses、is_represented_by、has_property_of の８種類の関連用語を実装している。
日本語#30 = object ( ’10.0’ );#31 = object ( ‘Mpa’ );#32 = object ( ‘maximum’ );#33 = object ( ‘design’ );#34 = object ( ‘pressure’ );#120 = association ( ‘has_property_of’, ( ‘instance’,‘qualifier‘, ‘property’, ‘data’, ‘unit’ ), ( ( #10,#20 ), ( #32,#33 ), ( #34 ), ( #30 ),(#31) ) );英語
中国語

[GIM-XML]（XML スキーマの定義部分は省略した。）<object id=“v-101”><association id=“is_an_instance_of”><role role_name=“class”> “valve” </role></association><association id=“has_property_of”><role role_name=“qualifier”> “maximum”, “design”</role><role role_name=“property”> “pressure” </role><role role_name=“data”> “10.0” </role><role role_name=“unit”> “Mpa” </role></association></object><object id=“v-102”><association id=“is_an_instance_of”><role role_name=“class”> “valve” </role></association><association id=“has_property_of”><role role_name=“qualifier”> “maximum”, “design”</role><role role_name=“property”> “pressure” </role><role role_name=“data”> “10.0” </role><role role_name=“unit”> “Mpa” </role></association></object>v‑101
はvalve です。の開始位置は 225.54603,369.9746 mmです。の終了位置は 225.54603,344.9746 mmです。
はN‑0183̲sri̲1 に組み込まれます。
はline̲style̲solid を持っています。
v‑101
is a class of valve.
has property of starting location 225.54603,369.9746 mm.
has property of ending location 225.54603,344.9746 mm.
assembled to N‑0183̲sri̲1.
possessed line̲style̲solid.
v‑101是valve 的 class。
開始位置 225.54603,369.9746 mm。
結束位置 225.54603,344.9746 mm。
安装到 N‑0183̲sri̲1。
含有 line̲style̲solid。

図 6 GIM/FNL による多言語表現

fitting
分類名称である。
定義
配管継手
nt
fittingとは ping̲compone
pi類
ducer,...
上位分
elbow,re類
分
下位

分類名称 elbow
定義
elbowとは曲り管である。
上位分類 fitting
elbow
下位分類 long̲elbow,short̲

辞書整備（STEPの用語を含む）
項 目整備内容

共 通

組織,形状,物理量など約2,000語プラント分野

P&ID,3次元関連で約2,000語

宇宙分野

宇宙機、部品関連で約1,000語
図 7 辞書の整備状況[GIML]（GIML の文法は省略した。）
v-101 {
is_an_instance_of : valve;
has_property_of : maximum design pressure 10.0 Mpa;}
v-102 {
is_an_instance_of : valve;
has_property_of : maximum design pressure 10.0 Mpa;}
GIM/FNL の基本構造は、主語＋述語＋目的語で、主語や述語、目的語の取り得る内容を辞書で制限する。これにより、一般の自然言語処理の難しさを排除する。辞書は、英語、日本語、中国語、韓国語などの多言語に対応できる（図 6 参照）。
GIM/FNL の宇宙機システムへの展開では、既存のオントロジーとして、STEP（Standard for the Exchange of Product ModelData、ISO10303）に注目した。STEP では、製品や技術についての用語の整備が既に行われており膨大な知的資産となっている。そこで、STEP の基本リソースの部分を、GIM/FNL の辞書として展開している。現状では、あらゆる分野に共通する STEPでの形状や物理単位などの用語を中心に約 2000 語を整備した。また、プロセス・プラント分野の用語として約 2000 語、宇宙分野の用語として約 1000 語を整備している（図 7 参照）。
関連についての用語を表１に示す。現在、is_an_instance_of、
is_assembled、is_classified_as、is_connected_to、is_placed_on、

表 1 関連（アソシェーション）用語#

asosciation

reverse assoc.

role 0role 11

is̲a̲synonym̲of̲is̲a̲synonym̲ofreference̲class̲namealternative2

is̲an̲instance̲ofinstance

class

3

is̲assembled̲fromwholepart4

is̲assigned̲to̲is̲assigned̲toassigned

assigning5

is̲classified̲as̲is̲classified̲asclassifiedclassifier6̲is̲assembled̲fromis̲collection̲of̲is̲collection̲of7is̲connected̲tois̲connected̲from

side1

side2

8

is̲described̲asdescribed

describing

9

is̲identified̲withidentified

identifier

10

involves

11

is̲placed̲on12possesses

13

is̲presented̲by14

is̲qualified̲as15

is̲represented̲by16

is̲referenced̲bywholerole 2role 4partvia

̲involves

involverinvolved

part

instance

placeby̲possesses

possessor

possessed̲is̲presented̲bypresented
qualifiedqualifier̲is̲represented̲byrepresented

representer

referredreferring̲is̲a̲version̲ofrole 3ofpresentervariable17

is̲a̲version̲ofsuccessor

predecessor

18

has̲property̲ofinstancequalifierpropertydata

19

boolean̲operate

result̲element

first̲operandboolean̲operator

second̲operandunit

GIM/FNL は、あらゆる製品や技術･サービスなどのライフサイクルに亘る、情報や知識を蓄積･共有･活用･創出することを支援できるモデルで、従来のデータ構造やデータベースなどの考え方を革新する技術でもある。
GIM/FNL システムは、GIM をベースに図面、表および数式などのさまざまな形式のデータや情報、知識を同一形式の知識の集まりである総合知として登録・管理し、さまざまな問題解決-3-

The 19th Annual Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence, 2005
要求に対し、ソリューションを提供するミドルウエアーである（図8 参照）。
情報や知識の共有化（標準化）が情報管理のプロセスをドラマチックに簡素化することができ、多くのメリットを生むことになる。
Web サービスやセマンティック Web の考え方は、既に現実のものとなっている。
制約
自然言語

2D

ソリューション
WEB

ソリューションの運用

ﾄﾗﾝｽﾚｰﾀ1

DB1

システム2

ﾄﾗﾝｽﾚｰﾀ2・・・DBn

ﾄﾗﾝｽﾚｰﾀn

辞書（概念・述語）定義エディタ
Word
Excel

HTML

GIML

論理学＋集合論＋オントロジー学

GIM-XML

GIM/FNL知識ベース
知識の実体(ｲﾝｽﾀﾝｽ)

ISO10303
Part21

辞書（概念、述語）
主語インタフェース

述語 目的語JAXA では GIM/FNL システムをベースとした、知的な一元的情報システム ESE の開発を推進しており、将来的には知的創造のプロセスを支援することを狙いとしている。
知的創造のプロセスは、主観的で言語化・形態化困難な暗黙知と、言語または形態に結晶化できる客観的な形式知の融合作用であり、その循環プロセスを通じて、知的資産が質・量的に発展する過程である。共同化とは、暗黙知から新たに暗黙知を得るプロセスで、表出化とは、暗黙知から新たに形式知を得るプロセスで、結合化とは、形式知から新たに形式知を得るプロセスで、内面化とは、形式知から新たな暗黙知を得るプロセスである（図 9 参照）[野中 1999]。
表出化

共同化

Socialization

暗黙知

Externalization

情報・知識共有環境

形式知

暗黙知

JAXAﾌﾞﾗｳｻﾞ

JAXA-Net

経営ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ

経営
戦略書

ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ
計画書

解析
図書

電気図書

調達・生産 検査・打上 運用・廃棄
ﾄﾞｷｭﾒﾝﾄ
ﾄﾞｷｭﾒﾝﾄ
ﾃﾞｰﾀ

設計
図書

調達･生産 打上支援 運用・廃棄
ｼｽﾃﾑ
ｼｽﾃﾑ
ｼｽﾃﾑ

設計検証
ｼｽﾃﾑ

情報共有プロトコル：共通構造、共有辞書、一元管理のﾙｰﾙ
データウェアハウス
情報実体(経営・ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ指標、設計・生産情報、運用情報、事故事例、ノウハウ)

形式知

内面化

結合化

形式知

図 9 知的創造プロセス（将来）GIM/FNL は、述語を中心とする知識モデルであり、知識処理の理論である述語論理として取り扱うことができる。また、
GIM/FNL は一つのオントロジーであり、知識としての意味を表現できる。論理学に「意味の理論」であるオントロジー[溝口1999]を加えることにより、様々な問題解決を試みることの可能性が広がる。今後は、GIM/FNL の応用としてこれを検討したい（図 10 参照）。

形式知

暗黙知

経営戦略 ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄｼｽﾃﾑ 管理ｼｽﾃﾑ

調達・生産 検査・打上 運用・廃棄開発･設計
機械
図書

論理学、オントロジーに基づいた
GIM/FNL

制約自然言語（FNL）
実体（インスタンス）概念
オントロジー（意味の理論）

UnicodeURI

GIM: Generic Information & Knowledge Model, FNL: Formal Natural Language,
URI: URI: Universal Resource Identifiers

図 10 GIM/FNL の位置付け

図 8 GIM/FNL のシステム構成

暗黙知

マルチ
メディア

論理学（集合論）

知識ベース層

DB2

・・・
システムn

最適化

知識処理エンジン

アプリケーション
システム1

推論機能

文章

GIM

知識処理層

論理検索

人にも機械にも理解できる形式

表

3D

問題提示

図表

プレゼン
テーション層Webサービス

問題解決支援アプリケーション

4. まとめ
宇宙開発のライフサイクルに亘る業務支援システムでは、知識共通プロトコルで連携し、データウェアハウスにより、一元的に情報や知識を蓄積・管理し、これを Web で共有することが実現できる。これにより、新たな創造や創発を発揮できる環境を提供することが可能となる。
GIM/FNL は、情報や知識の表現方法（オブジェクトと関連（アソシエーション）からなるシンプルな構造）を共通にし、オブジェクトや関連（アソシエーション）の内容を辞書（情報や知識を共有するための用語辞書）として規定（標準化）することにより、情報や知識を表現するものである。この辞書を拡張・拡充することにより、情報や知識を体系的に「積み上げる」（オントロジー）[溝口 1999]ことができる画期的な技術である。
GIM/FNL は、宇宙航空分野だけでなく、あらゆる分野の技術知識基盤の中核として適用できる。
以上のような環境が実現できるようになると、業務も大きく変わる。例えば、宇宙開発に係わる情報や知識を、だれでもが、いつでも、どこでも、個別なシステムを使わなくて、Web 環境で検索・閲覧・活用できる。
また、情報や知識、各種指標の共有により、業務をシームレス（整流）化でき、業務の効率化や継続的な改善（Plan、Do、Check、Action のスパイラル・サイクル）が図れる。また、情報や知識の共有により、エンジニアリングの質や信頼性が大幅に向上する。さらに、調達先やユーザーとの情報連携も可能となる。

参考文献[太田 2004] 太田,大庭: 制約自然言語の提案, The 18th Annual
Conference of the Japanese Society for Artificial Intelligence,
2004[ISO103033-11] ISO 10303-11: Part 11: Description methods:
The EXPRESS language reference manual[ISO103033-12] ISO 10303-12: Part 12: Implementation
methods: Clear Text Encoding[IDEF1X 1993] IDEF1X (ICAM Definition Language 1Extended), FIPS PUB 184, NIST (1993)[UML 1998] マーチン･ファウラー,ケンドール･スコット:UML モ
デリングのエッセンス (1998)[野中 1999] 野中,紺野:知識経営のすすめ, ちくま新書 (1999)[溝口 1999] 溝口: オントロジー研究の基礎と応用, 人工知能学
会誌 Vol.14, No.6 (1999)-4-