50__Онтологии. Основные понятия и типы онтологий.

Важнейшим элементом современных информационных технологий являются онтологии, которые позволяют производить автоматизированную обработку семантики информации, предоставленной через Интернет, с целью её эффективного использования (представления, преобразования, поиска). Соответствующий принцип обработки данных Интернета базируется на представлении Интернета как глобальной базы знаний и ориентирован не на осмысление информации человеком, а на обеспечение семантической интероперабельности информационных ресурсов, т.е. автоматизированную интерпретацию и обработку информации.

Онтологии являются новыми интеллектуальными средствами для поиска ресурсов в сети Интернет, новыми методами представления и обработки знаний и запросов. Они способны точно и эффективно описывать семантику данных для некоторой предметной области и решать проблему несовместимости и противоречивости понятий. Онтологии обладают собственными средствами обработки (логического вывода), соответствующими задачам семантической обработки информации.

Известны несколько подходов к определению понятия онтологии, но общепринятого определения до сих пор нет, поскольку в зависимости от каждой конкретной задачи удобно интерпретировать этот термин по-разному: от неформальных определений до описаний онтологий в понятиях и конструкциях логики и математики. Онтология - формальная спецификация разделяемой концептуализации, которая имеет место в некотором контексте предметной области. При этом под концептуализацией будем иметь ввиду, кроме сбора понятий, также всю информацию, касающуюся понятий - свойства, отношения, ограничения, аксиомы и утверждения о понятиях, необходимые для описания и решения задач в избранной предметной области.

Онтология - это точная спецификация некоторой предметной области. Формальное и декларативное представление, которое включает словарь (или имена) указателей на термины предметной области и логические выражения, которые описывают, что эти термины означают, как они соотносятся друг с другом, и как они могут или не могут быть связаны друг с другом.

Онтология предметной области определяет формальное приближение концептуализации. В онтологии зафиксирована та часть концептуализации, которая зависит от взгляда на мир применительно к конкретной области интересов. Неформально онтология состоит из терминов и правил использования этих терминов, ограничивающих их значения в рамках конкретной области. На формальном же уровне, онтология это система, состоящая из набора понятий и набора утверждений об этих понятиях, на основе которых можно строить классы, объекты, отношения, функции и теории.

Поскольку в каждой области могут существовать различные понимания одних и тех же терминов, онтология определяет соглашение о значении терминов и является посредником между человеко- и машинно-ориентированным уровнем представления информации. Онтология существует в рамках договоренностей между членами сообщества, например, между пользователями некоторой информационной системы. Концептуальное (или онтологическое) моделирование имеет дело с вопросом о том, как декларативным образом, допускающим повторное использование, описать предметную область, соответствующие словари типов, как ограничить использование этих данных, в предположении понимания того, что может быть выведено из этого описания.

Онтологию можно применять в качестве компоненты баз знаний, схемы объектов в объектно-ориентированных системах, концептуальной схемы базы данных, структурированного глоссария взаимодействующих сообществ, словаря для связи между агентами, определения классов для программных систем. Онтологии в том числе позволяют соответствующим программным средствам (интеллектуальным агентам) автоматически (без участия человека) определять смысл терминов использованных при описании ресурсов и сопоставлять его со смыслом поставленной задачи.

Цели создания онтологий Почему возникает потребность в разработке онтологии? Вот некоторые причины:

• Для совместного использования людьми или программными агентами общего понимания структуры информации.

• Для возможности повторного использования знаний в предметной области.

• Для того чтобы сделать допущения в предметной области явными.

• Для отделения знаний в предметной области от оперативных знаний.

• Для анализа знаний в предметной области.

Часто онтология предметной области сама по себе не является целью. Разработка онтологии сродни определению набора данных и их структуры для использования другими программами. Методы решения задач, доменно-независимые приложения и программные агенты используют в качестве данных онтологии и базы знаний, построенные на основе этих онтологий.

Типы онтологий Для онтологий характерны две особенности: они могут быть множественными (составными), в которых различаются представления контекста одного и того же домена, а могут идентифицировать абстрактные уровни онтологий (быть уровнем выше других онтологий). Что касается второго случая, то возможно идентифицировать несколько уровней абстракции, на каждом из которых могут быть определены онтологии. Например, в области каждой научной дисциплины можно определить онтологии, еще уровнем выше можно описать онтологии научных областей, находящихся на стыке отдельных научных дисциплин. Еще выше поставим онтологию научной дисциплины вообще. Следующим уровнем абстракции мы поставим общие категории структур знаний. Такого рода обобщение приводит к необходимости различать виды онтологий, чтобы организовывать их в библиотеки онтологий. 1. Предметно-ориентированные

• Специфичные для данного домена

• Медицина => кардиология => сердечная аритмия

• система управления светофорами

• Обобщение предметной области

• компоненты, органы, документы

2. Ориентированные на прикладную задачу

• Специфичные для данной задачи

• дизайн конфигурации, инструкция, планирование

• Обобщающие задачи

• решение проблем, напрмер, UPML

3. Базовая техническая онтология

• тепло, энергия, сила

4. Общие онтологии

• Категории верхнего уровня

• Элементы и измерения

Предметно-ориентированная онтология специфична для определенного типа артефактов. Примером может служить онтология для кораблей, нефтяных платформ, электрических цепей. Онтология предметной области обобщает понятия использующиеся в некоторых задачах домена, абстрагируясь от самих задач. Так онтология предметной области для конструирования кораблей должна быть независима от любых видов прикладных задач. Онтология, ориентированная на задачу - это обычно онтология, используемая приложением. Она содержит термины, которые мы используем при разработке системы прикладных программ выполняющих задачу. Она может отражать специфику приложения, а может также содержать некоторые общие характеристики. Часто нужно определить, как понять значение частей онтологии задачи для их повторного использования, и как построить часть онтологии задачи из существующей предметно-ориентированной онтологии.

Базовая техническая онтология описывает общие характеристики артефактов. Базовая техническая онтология обычно определяет знание, связанное c видами физических процессов: струя, тепло, энергия, мощность, электричество.

Обобщающая онтология описывает категории - понятия верхнего уровня. Это базовый механизм "разделения мира". Она связана с понятиями из онтологии (в философском смысле), например Аристотеля. Пример: такие понятия как физические, функциональные, поведенческие, отношение "часть-целое".

Требования к онтологиям

1. С одной стороны, онтология должна быть ограничена проблемной областью, чтобы можно было договориться об используемых понятиях, с другой стороны, для поддержки процесса интеграции знаний онтология должна выходить за пределы этой области

2. Онтология должна содержать концептуальные, а не эпизодические знания

3. Онтология не должна зависеть от естественного языка, используемого для описания знаний

4. Онтологии должны быть совместимы друг с другом на предмет дальнейшей интеграции и обмена содержащейся в них информацией

5. Онтология должна быть полезной для решения задачи в области, для которой данная онтология предназначена

6. Онтология должна поддерживать точные аксиомы вывода (должна быть хорошо специфицирована) и внутренне согласована со структурой, именами и содержимым для всех определенных в ней понятий

7. Онтология должна быть совместима с другими источниками/ресурсами знаний

8. Онтология должна быть хорошо структурированной

9. Онтология должна быть простой для понимания и для поиска понятия

10. Онтология должна запоминать и предоставлять информацию о своих предыдущих состояниях по мере развития

11. Онтология должна поддерживать следующие функции: возможность трансляции с одного языка/формата в другой, предоставлять возможность многократного использования, быть редактируемой, быть дополненной или дополнять другую онтологию, обеспечивать возможность совместного доступа пользователей.