CC BY
51УДК 004.822:004.89
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАТТЕРНОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОНТОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСА «ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ» Боровикова Олеся Игнатьевна
М.н.с., e-mail: [email protected] Загорулько Галина Борисовна
Н.с., e-mail: [email protected] Загорулько Юрий Алексеевич
К.т.н., зав. лабораторией, e-mail: [email protected] Шестаков Владимир Константинович
М.н.с., e-mail: [email protected] Институт систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева 6
Аннотация. В статье обсуждаются вопросы использования паттернов онтологического проектирования, которые позволяют описывать как типовые, так и специфические проблемы, возникающие при разработке онтологий, а также предлагаемые разработчиками рекомендации и соглашения для их решения. Описание проблем и паттернов, предлагаемых для их решения, даётся на примере разработки онтологии для информационно-аналитического интернет-ресурса по поддержке принятия решений.
Ключевые слова: онтология, разработка онтологии, паттерны онтологического проектирования, поддержка принятия решений
Введение. Разработку онтологий конкретных предметных областей значительно упрощает применение паттернов онтологического проектирования (Ontology Design Patterns) [10, 14], которые представляют собой описания проверенных на практике решений проблем онтологического моделирования. В настоящее время каталоги паттернов создаются в ряде проектов [5, 15]. Однако эти каталоги недостаточно полны и плохо систематизированы, что существенно затрудняет поиск необходимых для конкретной ситуации паттернов.
В статье обсуждаются паттерны онтологического проектирования, сложившиеся в результате решения проблем, с которыми авторы статьи столкнулись в процессе разработки онтологий для различных предметных областей. Описание проблем и паттернов даётся на
примере разработки онтологии для информационно-аналитического интернет-ресурса по поддержке принятия решений (ИАИР ППР) [1, 2]. Данный ресурс обеспечивает содержательный доступ к систематизированной информации, относящейся к области знаний «Поддержка принятия решений», методам её обработки, а также к методам решения типичных для данной области задач. Онтология является концептуальной основой ИАИР ППР и служит для формализации и систематизации различных видов знаний, данных, средств обработки и анализа информации, интегрируемых в информационное пространство ресурса, а также для организации удобного содержательного и функционального доступа к ним.
1. Паттерны онтологического проектирования. Паттерны онтологического проектирования позволяют описывать как типовые, так и специфические проблемы, возникающие при разработке онтологий, а также предлагаемые разработчиками рекомендации и соглашения для их решения. Основной каталог паттернов представлен на портале Ассоциации ODPA (Association for Ontology Design & Patterns) [5], созданного в рамках проекта NeOn [6].
В зависимости от проблем, возникающих при разработке онтологии, различают структурные паттерны, паттерны соответствия, паттерны содержания, паттерны логического вывода, паттерны представления и лексико-синтаксические паттерны [11].
Структурные паттерны задают общую структуру онтологии и фиксируют способы решения проблем представления ее элементов, вызванные ограничениями выразительных возможностей (экспрессивности) языков описания онтологий. Структурные паттерны являются предметно-независимыми, на их основе могут задаваться элементы онтологии для паттернов содержания.
Паттерны содержания задают способы представления фрагментов онтологий, на основе которых строятся онтологии целого класса предметных областей (ПО).
Паттерны логического вывода задают утверждения, на основе которых описываются правила для получения определенного результата логического вывода. Такие паттерны могут использоваться в паттернах другого типа и позволяют не только обеспечивать вывод неявно заданных в онтологии знаний, но и организовывать поиск элементов онтологии и осуществлять проверку корректности при их редактировании и создании.
Паттерны представления определяют соглашения по наименованию, аннотированию и визуализации элементов онтологии для конечного пользователя.
Следует заметить, что на данный момент не существует стандарта для описания паттернов, и они описываются в формате, предложенном на портале сообщества ODP [5, 13]. Схема описания паттерна включает его графическое представление, текстовое описание,
набор сценариев, примеров и ссылки на другие паттерны, в которых он используется, а также общую информацию о названии паттерна, его авторе и области применения.
2. Использование паттернов при разработке онтологии ИАИР ППР. Рассмотрим примеры структурных и содержательных паттернов, а также паттернов представления, использовавшихся при разработке онтологий для информационно-аналитического интернет-ресурса по поддержке принятия решений [2].
Заметим, что при создании паттерна, прежде всего, должны учитываться реальные выразительные и функциональные возможности языков и средств, с помощью которых будет осуществляться разработка онтологий. Так, например, онтология ИАИР ППР разрабатывается с использованием технологии создания интеллектуальных научных интернет-ресурсов (ИНИР), предложенной в ИСИ СО РАН [3]. Данная технология, основанная на авторской методологии разработки онтологий, в то же время использует средства технологии Semantic Web [12]. В частности, в рамках этой методологии онтологии разрабатываются на языке OWL [7] с использованием редактора Protégé. Эти средства помогают решить проблему переиспользования онтологий и многие другие проблемы онтологического инжиниринга, но они же создают и новые проблемы, требующие своего решения.
2.1. Структурные паттерны. Одной из самых острых проблем, возникающих при использовании языка OWL для конструирования онтологий, является то, что OWL обеспечивает представление только простых сущностей, в то время как в онтологии необходимо представлять сложные понятия и отношения.
При определении объектов и задании значений их атрибутов удобно использовать домены — области допустимых значений атрибутов, характеризующиеся названием и множеством элементарных значений. Наличие доменов не только позволяет контролировать ввод информации, но и повышает удобство этой операции, позволяя пользователю выбрать значение атрибута из заданного списка значений. Так как в OWL для задания таких доменов нет специальных средств, домены задаются перечислимым классом, являющимся наследником специально введенного служебного класса «Домен». Конкретный домен не имеет наследников и состоит из конечного набора различных индивидов, определяющих возможные значения заданного свойства (Object property) для объектов рассматриваемого
класса (рис. 1).
Рис. 1. Структурный паттерн представления области допустимых значений
Примерами таких доменов являются "Должность", "Тип организации", "Тип публикации", которые включают соответственно виды должностей в организации, типы организаций и типы публикаций.
Другой часто возникающей проблемой при разработке онтологии является потребность в представлении атрибутированных отношений между объектами. Для этих целей, как правило, используются обычные бинарные отношения, снабженные атрибутами, специализирующими связь между аргументами отношения [9]. Так как в языке OWL нет возможности задания атрибутов для отношений, был предложен структурный паттерн, предусматривающий введение служебного класса «Атрибутированное отношение» (рис. 2). Для представления конкретного типа отношения вводится класс — его наследник, объект которого связывается с каждым аргументом и атрибутом атрибутированного отношения. При этом нужно учитывать необходимость задания ограничений обязательности и единственности для аргументов, в то время как ограничения на число атрибутов (свойств) не задаются.
Данный паттерн позволяет явно указать порядок аргументов отношения, сохраняя информацию об ориентированности отношения, что важно для представления пользователю полной информации о характере связи между объектами.
Рис. 2. Структурный паттерн бинарного атрибутированного отношения
Приведем пример использования данного паттерна для задания отношения, описывающего участие Персоны в некоторой Деятельности. Аргументами такого отношения являются объекты классов Персона и Деятельность, а атрибутами "роль", "дата начала" и "дата окончания", служащие для задания дополнительной информации об отношении:
участвует Персона в Деятельности аргументы
Левый аргумент: Персона: Загорулько Ю.А.
Правый аргумент: Деятельность: Методы и технологии разработки ИНИР атрибуты
роль: руководитель дата начала: 2013 дата окончания: 2015. Приведенное отношение информирует нас о том, что Загорулько Ю.А. участвовал в проекте «Методы и технологии разработки ИНИР» с 2013 по 2015 год в качестве руководителя.
2.2. Паттерны содержания. Как было сказано выше, паттерны содержания задают способы представления фрагментов онтологий, на основе которых могут строиться онтологии ряда предметных областей (ПО). Фактически, предлагаемые в данной работе паттерны содержания являются фрагментами базовых онтологий, предоставляемых упомянутой выше технологией построения ИНИР [3], которые после конкретизации (специализации) содержащихся в них понятий и дополнения новыми понятиями становятся составными частями онтологий конкретных предметных областей.
Онтология ППР строится на основе следующих базовых онтологий: онтологии научного знания и научной деятельности, базовой онтологии задач и методов, а также базовой онтологии научных информационных ресурсов [3]. Покажем, как были конкретизированы предложенные паттерны для описания научной области «Поддержка принятия решений» [1].
Онтология научного знания содержит метапонятия и отношения, описывающие Предмет исследования, Объект исследования, Метод/Средство исследования, Результат/продукт, позволяющие выделить в рассматриваемой области значимые разделы и подразделы, установить ее связь со смежными разделами науки, задать типизацию предметов, объектов и методов исследования, описать результаты научной деятельности.
Объектами исследования рассматриваемой ПО являются Проблемные ситуации, а Предметами — Цели и Задачи поддержки принятия решений, а также аспекты принятия решений, т.е. сущности, связанные с организацией процесса принятия решений: Этапы, которые проходят в процессе принятия решения, Альтернативы решения проблемной ситуации, Критерии оценки альтернатив, Шкалы, в которых делаются оценки, способы выражения Предпочтений ЛПР. Результатами в ПО ППР являются Методики, Модели и Программные продукты, которые могут применяться как непосредственно в процессе принятия решений, так и для создания других программных продуктов. Понятие «Раздел науки» для данной ПО включает в себя смежные научные дисциплины, результаты которых используются в ней.
Онтология научной деятельности является онтологией верхнего уровня и включает базовые понятия, относящиеся к организации научно-исследовательской деятельности, такие как Персона, Организация, Событие, Деятельность, Публикация, используемые для описания участников научной деятельности, мероприятий, научных программ и проектов, различного типа публикаций.
Во всех научных областях большую роль играет понятие Интернет-ресурса. Интернет-ресурсы могут быть связаны со всеми понятиями онтологии области знаний. Их описание строится на основе базовой онтологии научных информационных ресурсов, включающих класс Информационный ресурс в качестве основного класса.
Ввиду особой важности для научных областей и тесной связи друг с другом таких понятий, как Задача и Метод/средство исследования, описывающий их фрагмент выделен в отдельную онтологию, которая строится на основе базовой онтологии задач и методов, представленной на рис. 3.
Данный паттерн используется и при разработке фрагментов онтологии, описывающих конкретные методы [1].
Согласно методологии eXtreme Design [8] каждый паттерн должен снабжаться набором квалификационных вопросов, определяющих его контент (содержание). Рассмотренный паттерн отвечает на такие вопросы: на каких этапах принятия решений используется данный метод; какие задачи решает данный метод; какие вспомогательные методы нужны для его работы; какие входные данные принимает задача, решаемая данным методом; какое представление имеют входные данные, и на многие другие.
Следует учитывать, что при использовании составных содержательных паттернов могут возникнуть проблемы их сборки и интеграции [4].
Рис. 3. Фрагмент метаонтологии задач и методов ППР
2.3. Паттерны представления. При разработке ИАИР ППР была поставлена задача предоставления пользователям возможности настраивать отображение элементов онтологии и объектов при их показе на экране монитора. Для решения этой проблемы предлагается паттерн, позволяющий фиксировать порядок задания атрибутов объектов при визуализации и редактировании и хранить эти настройки непосредственно в онтологии.
Необходимый порядок атрибутов объекта при отображении его описания задается для каждого свойства класса при помощи специально введенного для этой цели свойства
(owl:AnnotationProperty) под названием order, значением которого является целое число. Заметим, что такие аннотационные свойства можно приписывать любому элементу онтологии: классу, свойству ObjectProperty или DataProperty, объекту.
При визуализации информации, хранящейся на ресурсе, объекты могут представляться полными или краткими ссылками. Полные ссылки используются для отображения списка объектов заданного класса, краткие — для ссылки на объект при описании другого объекта. Для полных ссылок выделено аннотационное свойство link, для кратких — shortlink. Значениями этих свойств также являются целые числа, задающие порядок вхождения атрибутов или отношений объекта в ссылку или краткую ссылку. Указание значений для кратких и полных ссылок предполагает вхождение этого свойства в ссылку.
Заключение. В статье рассмотрены вопросы использования паттернов онтологического проектирования для разработки онтологий. Была описана предложенная Ассоциацией ODPA классификация паттернов и подробно рассмотрены авторские паттерны, которые использовались при разработке ряда онтологий.
Использование экспертами и инженерами знаний паттернов онтологического проектирования позволяет сэкономить ресурсы и избежать ошибок при разработке онтологий. На основе паттернов обеспечивается согласованное представление всех сущностей онтологии.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 16-07-00569) и Президиума РАН (проект П.2П/1У.39-1 «Информационные, управляющие и интеллектуальные технологии и системы»).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1.Загорулько Г.Б. Разработка онтологии для интернет-ресурса поддержки принятия решений в слабоформализованных областях // Онтология проектирования. 2016. Т. 6, №4(22). С. 485-500. DOI: 10.18287/2223-9537-2016-6-4-485-500. 2.Загорулько Ю.А., Загорулько Г.Б., Шестаков В.К. Подход к разработке информационно-аналитического интернет-ресурса по поддержке принятия решений // Информационные технологии и системы [Электронный ресурс] : тр. Шестой Между-нар. науч. конф., Банное, Россия, 1-5 марта 2017 г. (ИТиС - 2017) : науч. электрон. изд. (1 файл 28,0 Мб) / отв. ред. Ю. С. Попков, А. В. Мельников. Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та. 2017. С. 113-116.
З.Загорулько Ю.А., Загорулько Г.Б., Боровикова О.И. Технология создания тематических интеллектуальных научных интернет-ресурсов, базирующаяся на онтологии // Программная инженерия. 2016. № 2. С. 51-60.
4.Ломов П.А. Автоматизация синтеза составных онтологических паттернов содержания // Онтология проектирования. 2016. Т.6, №2(20). C. 162-172. DOI: 10.18287/2223-9537-2016-6-2-162-172.
5.Портал Ассоциации ODPA (Association for Ontology Design & Patterns). Режим доступа: http://ontologydesignpatterns.org (дата обращения: 25.04.2017).
6.Проект NeOn. Режим доступа: http://www.neon-project.org (дата обращения: 25.04.2017)
7.Antoniou G., Harmelen F. Web Ontology Language: OWL // Handbook on Ontologies. Berlin: Springer Verlag, 2004. Pp. 67-92.
8.Blomqvist E., Hammar K., Presutti V. Engineering Ontologies with Patterns: The eXtreme Design Methodology // Hitzler P., Gangemi A., Janowicz K., Krisnadhi A., Presutti V. (ed.) / Ontology Engineering with Ontology Design Patterns. IOS Press, Studies on the Semantic Web, 2016. Pp. 23-50.
9.Dodds L., Davis I. Linked Data Patterns. 2012. Режим доступа: http://patterns.dataincubator.org/book (дата обращения 25.04.2017).
10. Gangemi A. Ontology Design Patterns for Semantic Web Content // Gil Y., Motta E., Ben-jamins V.R., Musen M.A. (eds). The Semantic Web - ISWC 2005. Lecture Notes in Computer Science. Springer, Berlin, Heidelberg. 2005. Vol. 3729. Pp. 262-276.
11. Hammar K. Towards an Ontology Design Pattern Quality Model // Linkoping Studies in Science and Technology Linkoping University. 2013. Vol. 1606. 159 p.
12. Hitzler P., Krotzsch V., Rudolph S. Foundations of Semantic Web Technologies. Chapman & Hall/CRC. 2009. 455 p.
13. Karima N., Hammar K., Hitzler P. How to Document Ontology Design Patterns // 7th Workshop on Ontology and Semantic Web Patterns (WOP2016). IOS Press. Kobe. Japan. 2016. In Proceedings of the 7th Workshop on Ontology and Semantic Web Patterns (WOP 2016). CEUR Workshop Proceedings. 2016.
14. Ontology Engineering with Ontology Design Patterns: Foundations and Applications. Studies on the Semantic Web / Hitzler P., Gangemi A., Janowicz K., Krisnadhi A., Presutti V. (eds.) IOS Press/AKA. 2016.
15. Ontology Design Patterns (ODPs) Public Catalog. Режим доступа: http://odps.sourceforge.net (дата обращения: 25.04.2017)
UDK 004.822:004.89
USE OF PATTERNS FOR THE DEVELOPMENT OF THE ONTOLOGY FOR THE INFORMATION-ANALYTICAL INTERNET RESOURCE "DECISION SUPPORT"
Olesya I. Borovikova
Junior Researcher, e-mail: [email protected] Galina B. Zagorulko Researcher of Laboratory "Artificial Intelligence", e-mail: [email protected]
Yury A. Zagorulko Dr., Head of Laboratory "Artificial Intelligence", e-mail: [email protected]
Vladimir K. Shestakov Junior Researcher, e-mail: [email protected] A.P. Ershov Institute of Informatics Systems Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences,
6, Acad. Lavrentjev pr., 630090, Novosibirsk, Russia
Abstract. The paper discusses the use of patterns of ontological design that allow us to describe both the typical and specific problems arising in the development of ontologies, as well as the recommendations and agreements proposed by the developers for their solution. The description of problems and patterns proposed for their solution is given on the example of the development of an ontology for the information-analytical Internet resource "Decision support".
Keywords: Ontology, ontology development, ontology design patterns, decision support
References
1.Zagorulko G.B. Razrabotka ontologii dlja internet-resursa podderzhki prinjatija reshenij v slaboformalizovannyh oblastjah [Development of ontology for intelligent scientific internet resource decision-making support in weakly formalized domains] // Ontologija proektirovanija = Ontology of Designing. 2016. v. 6, № 4(22). Pp. 485-500. DOI: 10.18287/2223-9537-2016-6-4-485-500 (in Russian)
2.Zagorulko Yu.A., Zagorulko G.B., Shestakov V.K. Podhod k razrabotke informacionno-analiticheskogo internet-resursa po podderzhke prinjatija reshenij [Approach to the development of information-analytical internet resource on decision support] //
«Информационные и математические технологии в науке и управлении» 2017 № 3 (7) 154
EopoeuKoea O.H., Загоруnbко r.E., Загоруnbко W.A., №ecmarne B.K.
Informacionnye tehnologii i sistemy: tr. Shestoj Mezhdunar. nauch. konf., Rossija, 1-5 marta 2017. = Information technologies and systems: proceedings of sixth international scientific conference. (1-5 March 2017, Chelyabinsk, Russia). Pp. 113-116 (in Russian)
3.Zagorulko Yu.A., Zagorulko G.B., Borovikova O.I. Tehnologija sozdanija tematicheskih intellektual'nyh nauchnyh internet-resursov, bazirujushhajasja na ontologii [Technology for building subject-based intelligent scientific internet resources based on ontology] // Programmnaja inzhenerija = Software Engineering. 2016. № 2. Pp. 51-60 (in Russian)
4.Lomov P.A. Avtomatizacija sinteza sostavnyh ontologicheskih patternov soderzhanija [Automation of synthesis of composite content ontology design pattern] // Ontologija proektirovanija = Ontology of Designing. 2016. v.6. № 2(20). Pp. 162-172. DOI: 10.18287/2223-9537-2016-6-2-162-172 (in Russian)
5.Association ODPA portal (Association for Ontology Design & Patterns). Available at: http://ontologydesignpatterns.org (last accessed 25.04.2017).
6.NeOn project. Available at: http://www.neon-project.org (last accessed 25.04.2017).
7.Antoniou G., Harmelen F. Web Ontology Language: OWL // Handbook on Ontologies. Berlin: Springer Verlag. 2004. Pp. 67-92.
8.Blomqvist E., Hammar K., Presutti V. Engineering Ontologies with Patterns: The eXtreme Design Methodology // Hitzler P., Gangemi A., Janowicz K., Krisnadhi A., Presutti V. (ed.) / Ontology Engineering with Ontology Design Patterns. IOS Press. Studies on the Semantic Web. 2016. Pp. 23-50.
9.Dodds L., Davis I. Linked Data Patterns. 2012. Available at: http://patterns.dataincubator.org/book (last accessed 25.04.2017).
10. Gangemi A. Ontology Design Patterns for Semantic Web Content // Gil Y., Motta E., Ben-jamins V.R., Musen M.A. (eds). The Semantic Web - ISWC 2005. Lecture Notes in Computer Science. Springer, Berlin, Heidelberg. 2005. Vol. 3729. Pp. 262-276.
11. Hammar K. Towards an Ontology Design Pattern Quality Model // Linköping Studies in Science and Technology Linköping University. 2013. Vol. 1606. 159 p.
12. Hitzler P., Krötzsch V., Rudolph S. Foundations of Semantic Web Technologies. Chapman & Hall/CRC. 2009. 455 p.
13. Karima N., Hammar K., Hitzler P. How to Document Ontology Design Patterns // 7th Workshop on Ontology and Semantic Web Patterns (WOP2016). IOS Press. Kobe. Japan. 2016.
In Proceedings of the 7th Workshop on Ontology and Semantic Web Patterns (WOP 2016). CEUR Workshop Proceedings. 2016.
14. Ontology Engineering with Ontology Design Patterns: Foundations and Applications. Studies on the Semantic Web / Hitzler P., Gangemi A., Janowicz K., Krisnadhi A., Presutti V. (eds.) IOS Press/AKA. 2016.
15. Ontology Design Patterns (ODPs) Public Catalog. Available at: http://odps.sourceforge.net (last accessed 25.04.2017).
