3.4.4. Объектно-структурный подход (осп)

Можно предложить в качестве базисной парадигмы методологии структурного анализа знаний и формирования поля знаний Р_Z обобщенный объектно-структурный подход (ОСП), последовательно разработанный от математического обоснования до технологии и программной реализации [Гаврилова, 1995]. Основные постулаты этой парадигмы заимствованы из ООП и расширены.

1. Системность (взаимосвязь между понятиями).

2. Абстрагирование (выявление существенных характеристик понятия, которые отличают его от других).

3. Иерархия (ранжирование на упорядоченные системы абстракций).

4. Типизация (выделение классов понятий с частичным наследованием свойств в подклассах).

5. Модульность (разбиение задачи на подзадачи или «возможные миры»).

6. Наглядность и простота нотации.

Использование пятого постулата ОСП в инженерии знаний позволяет строить глобальные БЗ с возможностью выделить локальные задачи с помощью горизонтальных и вертикальных сечений на отдельные модули пространства-описания предметной области.

Шестой постулат внесен в список последним, но не по значимости. В инженерии знаний формирование Р₇ традиционно является критической точкой [Гаврилова, Червинская, Яшин, 1988; Гаврилова, Червинская, 1992], так как создаваемая неформальная модель предметной области должна быть предельно ясной и лаконичной. Традиционно языком инженерии знаний были диаграммы, таблицы и другие графические элементы, способствующие наглядности представлений. Именно поэтому предлагаемый в данной работе подход к языку связан с возможной визуализацией процесса проектирования.

ОСП позволяет наглядно и компактно отобразить объекты и отношения предметной области на основе использования шести постулатов.

Объектно-структурный подход подразумевает интегрированное использование сформулированных выше постулатов от первой до последней стадий разработки БЗ интеллектуальных и обучающих систем. На основе ОСП предлагается алгоритм объектно-структурного анализа (ОСА) предметной области, позволяющего оптимизировать и упорядочить достаточно размытые процедуры структурирования знаний.

Стратификация знаний

Основы ОСА были предложены автором еще в работах [Гаврилова, 1989; Гаврилова, Красовская, 1990] и успешно применялись при разработке ЭС МИКРОЛЮШЕР [Гаврилова, Тишкин, Золотарев, 1989] и АВЭКС [Гаврилова, Минко-ва, Карапетян,1992].

ОСА подразумевает дезагрегацию ПО, как правило, на восемь страт или слоев (табл. 3.1 и 3.2).

Таблица 3.1.

Стратификация знаний предметной области

Объектно-структурный анализ подразумевает разработку и использование матрицы ОСА (см. табл. 3.2), которая позволяет всю собранную информацию дезагрегировать последовательно по слоям-стратам (вертикальный анализ), а затем по уровням — от уровня проблемы до уровня подзадачи (горизонтальный анализ). Или наоборот — сначала по уровням, а потом по стратам.

Таблица 3.2.

Матрица объектно-структурного анализа

При необходимости число страт может быть увеличено. В свою очередь знания каждой страты подвергаются дальнейшему ОСА и декомпозируются на составляющие

|| e_mn || ,

где m — номер уровня,

n — номер страты,

е_тп принадлежит множеству К всех концептов (понятий) предметной области.

(1)

Матрица (1) является матрицей над К. Пусть М(К) — совокупность всех mn матриц над К. Тогда можно определить клеточную матрицу Е, в которой

m = ml + ... + mk,

n = nl + ... + nl,

где m и n— целые положительные числа. Е Î M_m,n (К), и ее можно представить в виде:

(2)

где E_v Î М_m (К), n = l,...,k; v = 1,...,l.

Матрица Е является несимметричной, так как часть клеточных элементов E_mv могут подвергаться декомпозиции, а часть представляет некоторые базисные атомарные концепты из К, не подлежащие детализации.

Предлагаемый подход предполагает реализацию концепции последовательного генезиса ОСП через ОСА к объектно-структурной разработке (ОСР).

Алгоритм ОСА

Алгоритм ОСА (объектно-структурного анализа) предназначен для детального практического структурирования знаний ПО. В основе ОСА заложен алгоритм заполнения ОСА-матрицы Е_mn. Алгоритм содержит последовательность аналитических процедур, позволяющих упростить и оптимизировать процесс структурирования. Алгоритм разделяется на две составляющие:

• А_I. Глобальный (вертикальный) анализ, включающий разбиение ПО на методологические страты (чтио-знания, кяк-знания и т. д.) на уровне всей ПО. В результате заполняется первый столбец матрицы (2).

• А_II. Анализ страт (горизонтальный), включающий построение многоуровневых структур по отдельным стратам. Число уровней п определяется особенностями стратифицированных знаний ПО и может существенно отличаться для разных страт. С точки зрения методологии n < 3 свидетельствует о слабой проработке ПО.

Первый уровень соответствует уровню всей ПО (уровень области). Второй — уровню проблемы, выделенной для решения. Третий — уровню конкретной решаемой задачи. Дальнейшие уровни соответствуют подзадачам, если имеет смысл их выделять.

При этом возможно как последовательное применение восходящей (bottom-up) и нисходящей концепций (top-down),.так и их одновременное применение.

Глобальный анализ

Технология глобального анализа сводится к разбиению пространства основной задачи структурирования ПО на подзадачи, соответствующие особенностям ПО. Для разработки интеллектуальных систем существует минимальный набор s-страт, обеспечивающий формирование БЗ. Минимальный набор включает три страты:

• s₃ — формирование концептуальной структуры S_k;

• s₄ — формирование функциональной структуры S_f;

• s₇ — формирование подсистемы объяснений S_o.

Формирование остальных страт позволяет существенно оптимизировать процесс разработки и избежать многих традиционных ошибок проектирования. Страты s₄ и s₅ являются дополнительными и формируются в случаях, когда знания предметной области существенно зависят от временных и пространственных параметров (системы реального времени, планирование действий роботов и т. п.).

Алгоритм А_1 глобального анализа может быть кратко сформулирован следующим образом:

• А_1_1. Собрать все материалы по идентификации задачи и по результатам извлечения знаний.

• А_1_2. Выбрать набор страт N, подлежащих формированию (Nmin = 3).

• А_1_3. Отобрать всю информацию по первой выбранной страте (i- 1, где i — номер из выбранного набора страт N).

• А_1_4. Повторить шаг А_1_3 для i+1 для всех выбранных страт до i  N.

• А_1_5. Если часть информации останется неиспользованной, увеличить число страт и повторить для новых страт шаг А_1_3; иначе перейти к последовательной реализации алгоритмов горизонтального анализа страт А_2.

Анализ страт

Последовательность шагов горизонтального анализа зависит от номера страты, но фактически сводится к реализации дуальной концепции структурирования для решения конкретной подзадачи.

Ниже предлагается алгоритм ОСА для одной из обязательных страт s₃ (ЧТО-анализ), результатом которого является формирование концептуальной структуры предметной области S_k.

• А_2_3_1. Из группы информации, соответствующей ЧТО-страте, выбрать все значимые понятия и сформулировать соответствующие концепты.

• А_2_3_2. Выявить имеющиеся иерархии и зафиксировать их графически в виде структуры.

• А_2_3_3. Детализировать концепты, пользуясь нисходящей концепцией (top-down).

• А_2_3_4. Образовать метапонятия по концепции (bottom-up).

• А_2_3_5. Исключить повторы, избыточность и синонимию.

• А_2_3_6. Обсудить понятия, не вошедшие в структуру S_f, с экспертом и перенести их в другие страты или исключить.

• А_2_3_7. Полученный граф или набор графов разделить на уровни и обозначить — согласно матрице ОСА (1).

Аналогичные алгоритмы разработаны для всех страт и апробированы при разработке экспертных систем ПРОГОР и АВЭКС.