Аннотация: В статье рассматривается основныe аспектs и роли разработки, а также использованиe онтологий в системах, базирующихся на знаниях, для составления описаний основных понятий в конкретных предметных областях.
Ключевые слова: Онтология, база знаний, экспертная система, объектная модель, система поддержки принятия решений.
Введение
Определим роль, которую играют онтологии в системах, основанных на знаниях (далее СОЗ), а также основные аспекты их разработки и использования в подобных системах. Данная работа рассматривает различные подходы, применяемые для использования онтологий в СОЗ. Для обоснования в качестве примера рассматриваются системы поддержки принятия решений (СППР) и экспертные системы (ЭС).
1.Онтологии и их роль в системах, основанных на знаниях
Программные системы, накапливающие знания, которыми владеют компетентные специалисты в отдельных предметных областях, и распространяющие данный эмпирический опыт посредством консультирования менее квалифицированных в конкретных вопросах пользователей, называются экспертными системами.
Основной и наиболее значимый компонент ЭС – это база знаний. Мощность экспертной системы определяется именно полнотой и непротиворечивостью наличествующих в ней знаний. Эти же характеристики будут определять и качество решений, получаемых при помощи системы.
Онтология может выступать в роли каркаса базы знаний, то есть создавать основу, используемую для описания ключевых понятий, относящихся к конкретной предметной области (ПО). Также онтология может являться фундаментом для интегрирования баз данных, которые содержат фактические знания, незаменимые для полноценного функционирования ЭС.
Автоматизированная интерактивная информационно-аналитическая система, позволяющая лицу, принимающему решения (ЛПР), пользоваться определенными моделями и данными, чтобы решать задачи профессионального и слабо формализуемого характера, называется системой поддержки принятия решений.
На практике ЭС и СППР являются системами почти одного класса. В частности, в состав СППР нередко входит несколько разных ЭС. Таким образом, можно утверждать, что все сказанное выше о роли онтологии в ЭС будет действовать и в отношении СППР. Но есть аспекты применения онтологий, специфичных для СППР.
К примеру, так как задачи, решаемые СППР, отличаются плохой формализуемостью, то крайне важно обладать детализированным, непротиворечивым и логичным описанием конкретной области проблем, в которой СППР может оказать содействие в решении задач ЛПР. Чтобы создать подобное описание, онтология – просто незаменимый инструмент.
СППР, как правило, используют огромные массивы знаний разнородного характера, а также разнообразных данных. А так как с помощью онтологии можно явно описать семантику знаний и данных, то она служит базисом для интеграции и совместного применения разных данных при решении разных задач.
Онтологии, создаваемые для области знаний конкретных систем, можно также использовать при разработке СОЗ. Таким образом, можно пользоваться знаниями, проверенными на практике. А это в свою очередь гарантирует высокое качество создаваемых систем, а также потенциальную интегрируемость их с уже разработанными системами.
2.Разработка и использование онтологии в СОЗ: основные аспекты
При создании онтологии перед разработчиком встает масса вопросов. Рассмотрим основные из них, возникающие в процессе создания и функционирования СОЗ.
Построение онтологии – это важнейший этап в процессе разработки СОЗ. Чтобы облегчить этот процесс и ускорить его можно использовать следующие методологии:
- Когнитивные методики и средства, используемые для формирования концептуальных моделей, которые позволяют выделять ключевые понятия и устанавливать связи между ними.
- Средства формализации и создания онтологии, которые позволяют представлять их в разном формате.
Онтологии являются средством, инструментом представления знаний. Вместе с тем они сами могут использовать разные модели представления. Самая распространенная из них – это семантические сети, которые содержат данные сложно-структурированного типа. Чтобы организовать логические выводы в семантической сети применяют системы продукционных правил. Еще одна модель представления онтологий и организации логических выводов – это сеть фреймов.
Онтология при разработке СОЗ может применяться для:
- формулирования и фиксирования общего знания, которое разделяют все эксперты в конкретной предметной области;
- создания основной концепции предметной области, которая служит для описания семантики используемых данных;
- организации использования знаний;
- разработки компонентов системы, которые будут выступать как высокоуровневая спецификация;
- описания функционала СОЗ, то есть видов задач, которые система способна решить;
- создания хранилищ данных, оснащенных высокоуровневым интерфейсом.
3.Системы поддержки принятия решений, их архитектура и применение в ней онтологии
Как правило, СППР обладает достаточно гибкой архитектурой, которая позволяет подключать разные методики решения задач и решатели. Полноценными компонентами СППР могут выступать две онтологии, которые взаимосвязаны. Они будут настраивать систему на определенную предметную область, а также конкретные виды задач, решаемых СППР.
Рис.1 – Онтология предметной области (фрагмент)
Для схематичного представления конкретной модели предметной области, показывающей ключевые понятия и связи между ними, используется онтология предметной области (рис.1). В системе, показанной на рисунке, онтология предметной области выступает в следующих ипостасях:
- как высокоуровневый интерфейс, обеспечивающий доступ к внутреннему хранилищу данных, которые представлены в виде объектов предметной области;
- устанавливает формат представления данных в СППР, как объектов, выступающих в виде единицы понятий онтологии, а также взаимоотношений между ними, что способствует упрощению и унификации обмена информацией между отдельными модулями и компонентами разнородного характера внутри СППР.
Для описания типов задач, решаемых системой, используется онтология задач (рис.2). То есть, она определяет функциональность системы. В нее входят описания задач, а также модулей, которые реализуют решения этих задач и решателей, используемых ими.
Рис.2 – Онтология задач (фрагмент)
Заключение
Данная статья раскрывает роль онтологий в системах, основанных на знаниях, и рассматривает аспекты их использования при разработке СОЗ. Онтологии обладают свойствами, которые, в принципе, присущи и прочим понятиям фундаментального характера, используемым в СОЗ, до того как появились онтологии. Они используются и в настоящее время. Модели предметных областей, схемы баз данных, а также семантические сети во многом пересекаются с онтологиями. Но в информатике и в сфере искусственного интеллекта онтологии представляют собой наиболее концептуальные и общие понятия моделируемых областей, абстрагированные полностью от конкретных моделей представления знаний, а также их практической реализации.
Литература
- Попов Э.В. Экспертные системы: Решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ. М.: Наука, 2007.– 348 с.
- Лапшин В.А. Онтологии в компьютерных системах. М.: Научный мир, 2010.