CC BY
17
разрешения в различных проблемных ситуациях с учетом ограничений по финансовым затратам, времени выполнения проекта, гарантийному сро-
ку и другим критериям оценки. Поставленная многокритериальная задача решена с помощью метода анализа иерархий.
список литературы
1. Саати, Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий [Текст] / Т. Саати. -М.: Радио и связь, 1993.
2. Полещук, О.М. Применение семантических пространств для экспертного оценивания характери-
стик качества программных средств и нечеткого многокритериального выбора [Текст] /О.М. Полещук //Вестник Московского гос. ун-та. леса. -Лесной вестник. -2004. -№ 1 (32). -С. 120-125.
УДК 004.891
А.В. Востров, М.А. Курочкин
обнаружение конфликтов при интеграции экспертных систем на онтологических моделях
Методы построения экспертных систем, интеграции экспертных систем, их модификация для задач автоматизации и управления технологическими процессами производства в последнее время рассматриваются повсеместно. Актуальность этого направления исследований обусловлена компьютеризацией технологических процессов, комплексной автоматизацией производства и внедрением интеллектуальных методов управления производством. Особое внимание уделяется экспертным системам, которые аккумулируют знания и опыт решения прикладных задач ведущих специалистов или отдельных коллективов.
Создание АСУП и АСУТП на основе экспертных систем, их интеграция в единую систему сбора и обработки данных и оперативное управление данными - важная научная задача.
Информационная среда интегрированных независимых экспертных систем должна обеспечить конечному пользователю целостное, непротиворечивое представление предметных областей для разработки новых высокотехнологичных проектных решений. Однако субъективное представление знаний ведущих специалистов, перенесенное в конкретную экспертную систему, является объективной предпосылкой к возникновению конфликтов при работе с интегрированной средой. Если определить конфликт как наличие (возникновение) неразрешимого противоречия, то становится очевидной вся важность проблемы обнару-
жения конфликтов как в отдельной экспертной системе, так и в интегрированной информационной среде. Следует отметить, что в последнее десятилетие сформировалось отдельное направление научных исследований, посвященных согласованию неоднородных экспертных систем. В рамках этого направления рассматриваются вопросы неоднородности онтологических моделей, неоднородности спецификаций на уровне понятийной семантики, преобразования неоднородных данных между контекстами и др. [1]. Другая задача инженерии онтологий - задача «отображения онтологий» (ontology mapping), решением которой является установление соответствия между несколькими онтологиями, т. е. нахождение семантических связей подобных элементов из разных онтологий.
К проблеме отображения онтологий близка проблема выравнивания онтологий (ontology alignment), заключающаяся в том, чтобы установить различные виды соответствия между двумя онтологиями, а затем сохранить исходные онтологии вместе с информацией о найденных соответствиях с целью дальнейшего использования информации о взаимосвязях онтологий [2].
Сегодня известно несколько методов обнаружения противоречий на онтологиях [3]: автоматическая локализация противоречий; устранение статической противоречивости; устранение динамической противоречивости онтологий. Они по-
зволяют выявить противоречия при построении, отображении и выравнивании онтологий.
Расширение этих подходов при интеграции неоднородных онтологий наталкивается на проблему несоизмеримости моделей и их компонентов (синтаксиса языков, семантики примитивов, имен понятий и отношений, декомпозиции предметной области на понятия и др.).
В отличие от этих вопросов, проблема обнаружения конфликтов заключается в поиске неразрешимых противоречий, которые могут проявляться явно или неявно (в определенном контексте или в конкретной ситуации).
Возникновение конфликта при работе пользователя с интегрированной информационной средой приводит к фактической остановке интерактивного взаимодействия, т. к. у пользователя возникает нарушение понимания предметной области или вариантов решения прикладной задачи. Если невыявленные конфликты будут заложены в техническое решение, то его эксплуатация может привести к катастрофическим последствиям.
Рассмотрим более детально понятие «конфликт», возможности представления знаний в форме онтологий и методы формального описания конфликтов.
Определение конфликта на знаниях
Изначально понятие «конфликт» введено в социологии. Под конфликтом социологи понимали особое взаимодействие индивидов, групп и объединений, которое возникает при их несовместимых взглядах, позициях и интересах.
Сопоставление конфликтов основывается на критериях вида «тип участника» и «вид структурных отношений» (Р. Дарендорф, Г. Зиммель, Л. Козер, М. Дойч и др.). Проведенные исследования позволили свести классификацию конфликтов по двум критериям: по типам участников -отдельные индивиды и групповые образования; по типам отношений - принадлежность участника к большей системе или его автономия на фоне общей социальной среды. Согласно типологии конфликтов Г. Зиммеля, конфликты можно разделить по характеру причин: объективные, субъективные (первые порождены объективными причинами, вторые - субъективными, личностными). Согласно типологии конфликтов Р. Дарендорфа, они подразделяются по источникам возникновения конфликта (конфликты интересов, ценностей, идентификации); по особенностям условий
происхождения конфликта (эндогенные, экзогенные); по отношению субъектов к конфликту.
В нашей задаче конфликтующие стороны представлены информационными системами, поэтому применение классических типологий, принятых в социологии, неконструктивно. В первую очередь, ввиду неформализованности категорий классификации и отсутствия одухотворенности конфликтующих сторон.
Для построения формальных моделей описания конфликтов на онтологиях воспользуемся классификацией М. Дойча, наиболее полно отражающей суть неразрешимых противоречий между абстрактными сущностями [4].
1. Подлинный (истинный) конфликт - существующий объективно и воспринимаемый адекватно.
2. Случайный (условный) - зависящий от легко изменяемых обстоятельств, что, однако, не осознается сторонами.
3. Смещенный (подмененный) - явный конфликт, за которым скрывается другой, невидимый конфликт, лежащий в основании явного.
4. Безатрибутивный (неверно приписанный) -конфликт между сторонами, ошибочно понявшими друг друга, и, как результат, по поводу ошибочно истолкованных проблем.
5. Латентный - конфликт, который должен был бы произойти, но которого нет, поскольку по тем или иным причинам он не осознается сторонами.
6. Ложный (фальшивый) - конфликт, существующий только в силу ошибок восприятия и понимания при отсутствии объективных оснований.
Предложенная классификация определяет суть шести типов противоречий и может быть сопоставлена с представлением знаний в форме онтологии. Классификация Дойча позволяет характеризовать конфликты как внутри одной онтологии, так и при интеграции нескольких он-тологий. Разработку и реализацию методов обнаружения конфликтов по Дойчу легко проиллюстрировать на представлении онтологий в виде графов.
В этом случае обнаружение конфликтов можно осуществлять на трех уровнях:
нулевой уровень - поиск конфликта внутри одной онтологии;
первый уровень - поиск конфликта при интеграции двух онтологий;
второй уровень - поиск конфликта при построении решения прикладной задачи.
На нулевом уровне происходит обнаружение конфликтов, причиной которых являются методические ошибки инженеров по знаниям. К ним относятся некорректность извлечения знаний при работе с экспертом, ошибки формализации знаний, неверное понимание сущностей и отношений предметной области и др.
На первом уровне обнаруживаются конфликты, определяемые субъективной оценкой предметной области авторами онтологии. В первую очередь, это мировоззренческие аспекты, определяемые научными школами, накопленным опытом решения сложных задач, индивидуальными приемами и методами работы эксперта.
На втором уровне обнаруживаются конфликты между фрагментами интегрированных онтоло-гий, на которых базируется решение прикладной задачи. Как правило, это неправильное использование локальных решений в прикладной задаче. Оно связано с технологической несовместимостью отдельных решений в сложном комплексе, изменением условий и параметров среды, возникновением новых ограничений и др.
Особенности описания знаний в форме онтологий
Рассмотрим формальное определение онтологии [5]. Онтологией будем называть кортеж вида О = (С, Я, К, РС), где С - набор вершин или понятий, Я - набор отношений Я = {Яр Я2, ..., Яп}, К - множество свойств понятий, Рс - множество антисимметричных, транзитивных, антирефлексивных бинарных отношений (отношений частичного порядка) на множестве понятий С, которые определяют связи между понятиями С и отношениями Я. Каждое понятие определяет концепт из области знаний и определяется в виде набора свойств С = {ср с2, ..., с}.
При построении онтологии необходимо сформировать реализацию каждого элемента кортежа О и установить связи между его элементами. Состав каждого из четырех множеств регламентируется только экспертом. Поэтому число вариантов построения онтологий N соответствует декартову произведению этих множеств N = С х Я х К х РС .
Кроме этого, многообразие вариантов возрастает за счет того, что одни и те же понятия (сущности) в двух онтологиях могут иметь разные имена. В свою очередь, одно и то же имя в двух онтологиях может иметь разную интерпретацию.
Многообразие вариантов реализации онтологий и определяет область поиска конфликтов.
Если рассматривать конфликт как ситуацию, в которой обнаружено неразрешимое противоречие, то поиск конфликтов сводится к поиску противоречий на онтологических контекстах. Остановимся на структурно-семантическом подходе, который подразумевает описание понятий набором метаданных. Для анализа контекстов воспользуемся структурой онтологии в виде графа.
Под метаданными будем понимать структурированные данные, представляющие собой характеристики описываемых сущностей для целей их идентификации, поиска, оценки, управления [6]. Таким образом, метаданные представляют собой данные, описывающие связь объектов с другими объектами системы и само содержимое объектов.
Выделим два свойства отношений, характерных для метаданных, определяющих связи между объектами [1]:
идентификация - является ли утверждение об объекте идентифицирующим его свойством;
зависимость - может ли объект существовать без других объектов.
Опираясь на эти свойства, будем считать, что обнаружение конфликтов между отношениями на графе будет определять конфликт на онтологии.
В качестве содержимого метаданных будем использовать элементы онтологии, т. е. объекты знаний можно описать с помощью набора М(Мк,Мс ), где МК = {кр к2, ..., кт} представляет собой связь объекта с другими объектами системы (к. - значение свойств понятия, соответствующего объекту знаний, которые являются либо константами, либо ссылками на другие экземпляры метаданных), а МС описывает содержимое объектов. Для иллюстрации варианта поиска противоречия на графе остановимся подробнее на содержимом объектов, т. к. анализ связей объекта (Мк) можно отнести к известному классу задач исследования путей на графах (поиск путей в лабиринте, нахождение кратчайших путей во взвешенных графах и др.).
Множество МС = {^1, s2, ..., s|}} представляет собой набор утверждений вида s. = < /, г, о, р >, где г - субъект утверждения, о - объект утверждения, г - отношение между субъектом и объектом, р -весовой коэффициент, характеризующий степень существования данного утверждения (при р = 1 утверждение считается истинным, при р = 0 -незаданным).
Для дескриптивной логики любого класса противоречивость есть существование объекта эквивалентного пустому множеству. Для класса логик, в которых определено понятие отрицания предиката, можно утверждать, что существует < i, г , o, p > для всех i и o или, другими словами, предикат-отрицание.
Тогда противоречивость (четкая) Ог, - есть свойство онтологии, характеризующее онтологию, в которую одновременно входят по крайней мере два утверждения, < i, г, o > и < i, г , o > (степень достоверности здесь не важна) [7].
Противоречивость нечеткая Ог^. - есть свойство онтологии, характеризующее онтологию, в которую одновременно входят по крайней мере два утверждения < i, г, o, p > и < i, Г, o, p >, где p - настраиваемый порог достоверности [7].
Отметим, что для четкого пространства состояний онтологии порог достоверности равен единице, и он является частным случаем нечеткого пространства состояний. Поэтому, в случае возникновения противоречия, проще всего выявить конфликты, основанные на этих правилах противоречивости.
В рамках предложенного подхода становится возможным дать формальное описание конфликта. В этом случае конфликт K есть набор противоречий < t1, t2, ..., tp >, где ti = (MK,ат) представляет собой упорядоченную пару (Мк - множество утверждений s, которые привели к конфликту, am - тип противоречия в соответствии с шестью пунктами классификации Дойча). Конфликт K будет обнаружен на онтологии O, если хотя бы одно из t. будет получено. Анализ набора противоречий < t1, t2, ..., t > позволяет задать меру глубины конфликта K (какие противоречия присутствуют в данном наборе и в каком количестве, какие s. «задействованы»).
Пример онтологии, построенный на графовой модели
Для иллюстрации метода поиска противоречий построим модель онтологии предметной области «алгебраические структуры дискретной математики» в форме графа O = (М, R), где M - набор вершин, а R - набор ребер. Ограничимся представлением знаний в виде иерархии (дерева), что не умаляет общности решения поставленной задачи.
На этом примере хорошо представляются формальные понятия дискретной математики (кольцо целых чисел, поле вещественных чисел
и др.), а также связи между ними. Каждое понятие представлено вершиной из M, а направленное ребро описывает бинарные отношения между понятиями. Корневая вершина «алгебраическая структура» не имеет входящих дуг. Понятиями следующего уровня будут объекты «основа» и «сигнатура». Понятие «основа» имеет одно дочернее понятие «множество U». Понятие «сигнатура» содержит в себе три операции: «операция ф»; «операция у»; «операция £». Множество U включает в себя три подмножества, заданные объектами: «множество A»; «множество Б»; «множество С». Множество А имеет п элементов а1, а2, ..., ап, заданные соответствующими понятиями, множество Б содержит т элементов Ъ1, Ъ2, ..., Ът, а множество С не содержит элементов. Операция ф обладает двумя свойствами, отраженными в понятиях «свойство операции ф1» и «свойство операции ф2», операция у имеет одно свойство у1, а операция £ - три свойства: £1, £2, £3.
На рис. 1 приведен вариант построенной онтологии.
Предложенная модель достаточно проста для описания базовых понятий и позволяет проиллюстрировать введенное выше определение конфликта на знаниях. Например, рассматривая алгебраическую структуру «кольцо целых чисел» вида <2;+,*>, можно увидеть, что она укладывается в предложенную модель. Основой данной алгебры будет являться множество целых чисел 2, а сигнатура будет содержать две операции «+» и «*». Множество 2 может иметь подмножеством, например, множество натуральных чисел N где содержатся элементы 1, 2, 3, ...; или множество Р, содержащее четные целые элементы от 1 до 9: {2, 4, 6, 8}. Операция «+» имеет четыре свойства: ассоциативность, коммутативность, наличие нуля (нейтрального элемента по сложению) и обратного элемента по сложению. Операция «*» обладает тремя свойствами: ассоциативность, коммутативность и наличие единицы по умножению. Эта алгебраическая структура также обладает свойством дистрибутивности, общим для этих двух операций.
Воспользуемся представленной моделью для определения конфликта внутри одной онтологии.
Методы определения конфликта на онтологии
Подлинный конфликт (тип 1) определяется уже введенным понятием четкой или нечеткой
Рис. 1. Вариант онтологии предметной области «алгебраические структуры дискретной математики»
противоречивости. На рис. 2 представлен пример одновременного наличия реальной связи (сплошная линия) и несуществующей связи (штрихпун-ктирная линия) у субъекта «операция £,» (порог достоверности в этом случае равен единице и не указан). Необходимо отметить, что порог достоверности у этих связей обязательно совпадает.
Для условного конфликта (тип 2) необходимо учитывать порог достоверности, что приведет к одновременному вхождению в онтологию утверждений вида < г, г, о, р1 > , < г, г,о, р2 >, где р1 Ф р2 . На рисунке можно заметить, что у субъекта «операция ф» существуют совпадающие связи (т. е. одна и та же связь - для наглядности обозначены сплошной и пунктирной линией) с
одним и тем же объектом нижнего иерархического уровня. Пороги достоверности у совпадающих связей обязательно различны.
Смещенный конфликт (тип 3) определим следующим образом: есть утверждение < г1, г1, о1, р1 > и утверждение < г2, г2, о2, р2 >, причем о1 совпадает с г т. е. утверждение с индексом 1 является предшественником утверждения (или понятием более высокого уровня абстракции) с индексом 2. Тогда, если существует конфликт типа 1, типа 2, типа 4 или типа 5 для первого утверждения, он будет являться смещенным для второго утверждения. Из рис. 2 видно, что у трех субъектов существуют различные конфликты: субъект «операция ф» имеет конфликт типа 2, субъект «операция у»
Рис. 2. Пример смещенного конфликта (тип 3) на основе подлинного (тип 1), условного (тип 2) и латентного (тип 5) конфликтов (М---) несуществующая связь; ( ^.............) совпадающая связь
4
Рис. 3. Пример безатрибутивного конфликта (тип 4)
имеет конфликт типа 5 (см. ниже), субъект «операция £» имеет конфликт типа 1. Тогда для объекта «свойство операции ф1» (как и для объекта «свойство операции ф2») смещенным конфликтом будет являться условный конфликт субъекта «операция ф», т. к. объект «свойство операции ф1» является потомком данного объекта. Аналогично определяются смещенные конфликты для объектов, являющихся потомками субъектов «операция у» и «операция £».
Безатрибутивный конфликт (тип 4) рассмотрим как конфликт внутри утверждения вида
< i, г, о, р > , где указан либо несуществующий субъект, либо несуществующий объект, либо субъект и объект не могут иметь связь по определению (например, в соответствии с аксиомами РС). На рис. 3 можно увидеть следующие особенности:
указан несуществующий объект «операция о» для субъекта «сигнатура»;
указан несуществующий субъект «операция о» для объекта «свойство операции £3»;
субъект «сигнатура» и объект «множество и» не могут иметь связь по определению данной онтологической модели (см. рис. 1).
Данные варианты конфликтов относятся к безатрибутивным.
Под латентный конфликтом (тип 5) будем понимать конфликт на основе утверждений
< i, г1, о, р1 > и < i, г2, о, р2 > в случае, когда субъект и объект совпадают, но присутствует два вида связи с разным порогом достоверности. На рис. 2 этот случай обозначен двумя существующими
и несовпадающими связями между объектом и субъектом с разным порогом достоверности (субъектом является «сигнатура», а объектом -«операция у»),
К ложному конфликту (тип 6) отнесем случаи отсутствия уникальности среди понятий (субъектов или объектов) или связей.
На рис, 4 показано следующее: субъект «сигнатура» имеет два одинаковых объекта «операция ф» (один из них обведен пунктирной линией);
каждый двойной субъект «операция ф» имеет два одинаковых объекта «свойство операции ф1»;
субъект «операция £» имеет две одинаковые связи с одинаковым порогом значимости для объекта «свойство операции £1».
Таким образом, приведенные примеры раскрывают особенности представления противоречий для шести типов конфликта и демонстрируют полноту описания противоречий для хорошо формализованной предметной области,
Конфликты при интеграции онтологических моделей
Для поиска конфликтов при интеграции нескольких онтологий необходимо рассматривать два случая:
1) интегрирование однородных онтологий;
2) интегрирование неоднородных онтологий, В первом случае поиск конфликта осуществляется в два этапа:
построение выровненной модели с помощью методов ontology alignment;
Рис. 4. Пример ложного конфликта (тип 6)
обнаружение противоречий на выровненной модели (т. е. задача сводится к поиску конфликтов внутри одной онтологии).
Такое описание конфликтов является полным, т. к. соответствует примерам, рассмотренным выше.
Во втором случае поставленная задача не может быть решена. Можно рассматривать только некоторое приближение к ее решению, исследуя противоречия на каждом слое онтологической модели.
Введем следующие критерии поиска конфликта [1].
На слое моделей:
синтаксиса языков, определяющих онтологические модели;
семантикой примитивов, используемых в моделях.
На онтологическом слое: имен понятий и отношений; подхода к определению понятий; разбиения предметной области на понятия; покрытия предметной области. Определение каждого из критериев задается семантикой. Реализация этого метода предусматривает следующие шаги:
установление связей между понятиями на основе функций корреляции;
установление ассоциаций между понятиями на основе композиции ассоциаций между понятиями (понятия связываются, если существует «путь» из одного понятия в другое);
установление ассоциации между элементами
схем (элементы, субъекты или объекты онтологически релевантны, если между соответствующими им понятиями установлена ассоциация обобщения).
При этом под связью понимается любое прямое соединение между элементами онтологической модели, а под путем понимается соединение двух элементов посредством композиции связей.
В каждом слое можно осуществить поиск любого из шести типов противоречий, а сопоставление результатов поиска по всем слоям даст качественную оценку конфликта при интеграции неоднородных онтологий.
В статье рассмотрена проблема поиска противоречий на одной или нескольких онтологиях и предложен подход к формализации такого понятия, как конфликт, предложена классификация конфликтов и рассмотрены варианты их обнаружения на хорошо формализуемой предметной области. Показано, что при интеграции нескольких однородных онтологий обнаружение конфликта разбивается на два этапа и сводится к поиску конфликта на одной онтологии. При интеграции неоднородных онтологий задача не может быть решена в полном объеме, но приближенное решение можно построить, анализируя противоречия на каждом слое онтологической модели.
При продолжении исследований необходимо рассмотреть варианты выбора меры конфликта, глубины конфликта и усовершенствовать методы обнаружения конфликтов для каждого из шести типов.
список л
1. Скворцов, Н.А. Вопросы согласования неоднородных онтологических моделей и онтологических контекстов [Текст] / Н.А. Скворцов // Симп. Онтологическое моделирование. -М.: ИПИ РАН, 2008.
2. Сухарь, Р.С. Методы отображения онтологий. Обзор [Текст] / Р.С. Сухарь, А.П. Карпенко // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. -2009. -№ 1. -C. 4
3. Haase, P. A Framework for Handling Inconsistency in Changing Ontologies [Текст] / P. Haase, Frank van Harmelen [et al.] // Lecture Notes in Computer Science. -Germany. -Springer-Verlag, 2005. -P. 353-367
4. Deutsch, N. The constructive and destructive processes [Текст] / N. Deutsch // New Haven - London,
1973. -P. 13-17.
5. Тузовский, А.Ф. Разработка систем управления знаниями на основе единой онтологической базы знаний [Текст] / А.Ф. Тузовский // Изв. Томского политехнического ун-та, 2007. -T. 310. -№ 2. -C. 182-185.
6. Task Force on Metadata. Summary Report [Электронный ресурс] // American Library Association. -1999. -June. -Режим доступа: www.libraries.psu.edu/tas/jca/ ccda/tf-meta3.html
7. Павлов, Д.А. О разрешении проблем противоречивости развивающихся онтологий [Текст] / Д.А. Павлов // Обробка шформацп в складних техшчних системах. -2007. -№ 3. -C. 65-72.
УДК 004.658.6
И.В. Бутенко
построение аналитических отчетов
в информационных системах на основе метаданных
Решение проблемы «информационного взрыва» в современных системах автоматизации производственных процессов требует создания эффективных методов извлечения необходимых данных и программных средств их поддержки.
Развитие информационных систем на этапе операционного учета (OLTP системы) можно определить как накопление данных о состоянии процессов. При этом жизненный цикл подобных систем измеряется уже десятилетиями. В том случае, когда происходит замена соответствующего ПО, необходимые данные обычно конвертируются в новые форматы. Особенность построения информационных систем на настоящий момент заключается в том, что объемы данных не позволяют двигаться по этому пути. Должна обеспечиваться преемственность на основе стандартизации описания данных и, тем самым, возможность обеспечения доступа без указанных преобразований. В связи с этим при создании новых информационных систем разработчики используют аппарат, базирующийся на метаданных (МД). Он предоставляет возможности описания и манипулирования метаданными в рамках либо общей модели CWM (Common Warehouse Metamodel), сформированной группой OMG (Object Management
Group) [7], либо модели конкретной метасистемы (МС).
Таким образом, современные архитектурные решения обеспечивают решение проблемы «информационного взрыва». Однако большое количество информационных систем, которые не были разработаны на базе последовательного системного использования МД, требуют аппарата поддержки и агрегирования в современные информационные пространства предприятий.
Особую потребность в МД испытывают быстро меняющиеся информационные системы. Например, банковские системы, системы бухгалтерского учета, аналитические системы.
Выходом из создавшегося положения является построение МС на основе уже существующих информационных систем. Она должна формировать общее информационное пространство и обеспечивать дальнейшее развитие системы. Это, в свою очередь, требует разработки сопутствующих методов, алгоритмов и программного обеспечения. В [3] предложено решение этих вопросов.
Модели описаний объектов для МС имеют следующий вид.
