11Онтологический подход и его применение. Методики построения онтологий (idef5).

Термин онтология в контексте искусственного интеллекта употребляется в контексте с такими понятиями как формализация, концептуализация, знания, модели знаний, системы и базы знаний.

Концептуализация- процесс перехода от представления предметной области на общеестественном языке к точной спецификации этого описания на некотором формальном языке ориентированном на компьютерное представление.

Самое распространенное определение: Онтология- есть точная (выраженная формальными средствами) спецификация концептуализаций.

С этой точки зрения каждая база знаний, система, основанная на знаниях или информационная система явно или неявно базируется на некоторой концептуализации. Множество понятий и отношений между ними отражаются в словаре, т.о. основа онтологии- множество представленных в ней терминов. Онтология состоит из терминов организованных определенным образом, их определений и атрибутов, а также связанных с ними аксиом и правил вывода. Онтология предметной области не является единственной, а зависит от целей её создания и задач, при решении которых планируется её применять.

Онтологический подход предполагает 6 интерпретаций понятия онтология:

1. Неформальная концептуальная система.

2. Формальный взгляд на семантику.

3. Спецификация концептуализации.

4. Представление концептуальной системы через логическую теорию

5. Словарь используемый логической теорией

6. Мета- уровневая спецификация логической теории.

Онтология- разновидность сетевой модели знаний о предметной области.

Основные задачи, решаемые с помощью онтологий.

1. Создание и использование базы знаний

2. Организация эффективного поиска в БД, информации в каталогах и базах знаний.

3. Создание систем, реализующих механизмы рассуждений(экспертные системы, советующие системы, системы искусственных интеллектов).

4. Организация поиска по смыслу в текстовой информации.

5. Семантический поиск в Интернет.

6. Представление смысла в мета данных об информационных ресурсах.

7. Построение и использование баз общих знаний для различных интеллектуальных систем.

8. Обеспечение общей терминологии для множества специалистов и совместно используемых приложений.

9. Многократное применение баз знаний и информационных массивов представляющих сведения о технических системах на разных стадиях ЖЦ.

10. Описание формальным языком естественно языковых конструкций.

Язык описания онтологий в IDEF5

Для поддержания процесса построения онтологий в IDEF5 существуют специальные онтологические языки: схематический язык (Schematic Language-SL) и язык доработок и уточнений (Elaboration Language-EL). SL является наглядным графическим языком, специально предназначенным для изложения компетентными специалистами в рассматриваемой области системы основных данных в форме онтологической информации (См. рисунок 1). Этот несложный язык позволяет естественным образом представлять основную информацию в начальном развитии онтологии и дополнять существующие онтологии новыми данными. EL представляет собой структурированный текстовой язык, который позволяет детально характеризовать элементы онтологии.

Язык SL позволяет строить разнообразные типы диаграмм и схем в IDEF5. Основная цель всех этих диаграмм - наглядно и визуально представлять основную онтологическую информацию.

Несмотря на кажущееся сходство, семантика и обозначения схематичного языка SL существенно отличается от семантики и обозначений других графических языков. Дело в том, что часть элементов графической схемы SL может быть изменен или вовсе не приниматься во внимание языком EL. Причина этого состоит в том, что основной целью применения SL является создание лишь вспомогательной структурированной конструкции онтологии, и графические элементы SL не несут достаточной информации для полного представления и анализа системы, тем самым они не предназначены для сохранения при конечном этапе проекта. Тщательный анализ, обеспечение полноты представления структуры данных, полученных в результате онтологического исследования, являются задачей применения языка EL.

Рисунок 1. Схематические графические изображения IDEF5

Виды схем и диаграмм IDEF5

Как правило, наиболее важные и заметные зависимости между объектами всегда являются преобладающими, когда конкретные люди высказывают свои знания и мнения, касающиеся той или иной системы. Подобные взаимосвязи явным образом описываются языками IDEF5. Всего существует четыре основных вида схем, которые наглядно используются для накопления информации об онтологии в достаточно прозрачной графической форме.

1. Диаграмма классификации. Диаграмма классификации обеспечивает механизм для логической систематизации знаний, накопленных при изучении системы. Существует два типа таких диаграмм:Диаграмма строгой классификации (Description Subsumption - DS) и диаграмма естественной или видовой классификации (Natural Kind Classification - NKC). Основное отличие диаграммы DS заключается в том, что определяющие свойства классов высшего и всех последующих уровней являются необходимым и достаточным признаком принадлежности объекта к тому или иному классу. На рисунке 2 приведен пример такой диаграммы, построенной на основе тривиальной возможности классификации многоугольников по количеству углов. Из геометрии известно точное математическое определение многоугольника, суть определяющих свойств родительского класса. Определяющим свойством каждого дочернего класса дополнительно является количество углов в многоугольнике. Очевидно, зная это определяющее свойство для любого многоугольника, можно однозначно отнести его к тому или иному дочернему классу. С помощью диаграмм DS, как правило, классифицируются логические объекты.

Диаграммы естественной классификации или же диаграммы NKC, наоборот, не предполагают того, что свойства класса являются необходимым и достаточным признаком для принадлежности к ним тех или иных объектов. В этом виде диаграмм определение свойств класса является более общим. Пример такой диаграммы также приведен на рис.2.

2. Композиционная схема. Композиционные схемы (Composition Schematics) являются механизмом графического представления состава классов онтологии и фактически представляют собой инструменты онтологического исследования по принципу "Что из чего состоит". В частности, композиционные схемы позволяют наглядно отображать состав объектов, относящихся к тому или иному классу. На рисунке 3 изображена композиционная схема шариковой ручки, относящейся к классу шариковых автоматических ручек. В данном случае шариковая ручка является системой, к которой мы применяем методы онтологического исследования. С помощью композиционной схемы мы наглядно документируем, что авторучка состоит из нижней и верхней трубки, нижняя трубка в свою очередь включает в себя кнопку и фиксирующий механизм, а верхняя трубка включает в себя стержень и пружину.

3. Схема взаимосвязей. Схемы взаимосвязей (Relation Schematics) позволяют разработчикам визуализировать и изучать взаимосвязи между различными классами объектов в системе. В некоторых случаях схемы взаимосвязей используются для отображения зависимостей между самими же классовыми взаимосвязями. Мотивацией для развития подобной возможности послужило то тривиальное правило, что все вновь разработанные концепции всегда базируются на уже существующих и изученных. Это тесно согласуется с теорией Новака и Гоуэна (Novak & Gowin, 1984), суть которой в том, что изучение любой системы часто происходит от частного к общему, то есть, происходит изыскание и исследование новой частной информации, влияющее на конечные характеристики более общей концепции, к которой эта информация имела прямое отношение. Исходя из этой гипотезы, естественным образом изучения новой или плохо понимаемой взаимосвязи является соотнесение ее с достаточно изученной взаимосвязью, для исследования характеристик их сосуществования.

4. Диаграмма состояния объекта. Диаграмма состояния объекта (Object State Schemantic)позволяет документировать тот или иной процесс с точки зрения изменения состояния объекта. В происходящих процессах могут произойти два типа изменения объекта: объект может поменять свое состояние или класс. Между этими двумя видами изменений по сути не существует принципиальной разницы: объекты, относящиеся к определенному классу K в начальном состоянии в течение процесса могут просто перейти к его дочернему или просто родственному классу. Например, полученная в процессе нагревания теплая вода, уже относится не к классу ВОДА, а к его дочернему классу ТЕПЛАЯ ВОДА. Однако при формальном описании процесса, во избежание путаницы, целесообразно разделять оба вида изменений, и для такого разделения используется обозначения следующего вида: "класс:состояние". Например теплая вода будет описываться следующим образом: "вода:теплая", холодная - "вода:холодная" и так далее. Таким образом, диаграммы состояния в IDEF5 наглядно представляют изменения состояния или класса объекта в течение всего хода процесса. Пример такой диаграммы приведен на рис.4