CC BY
273
ОНТОЛОГИЧЕСКИМ ПОДХОД К ОРГАНИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАЗНОРОДНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Брунилин Алексей Александрович,
адъюнкт, Военная академия связи, Россия, Санкт-Петербург, [email protected]
Куваев Валерий Олегович,
к.т.н., докторант, Военная академия связи, Россия, Санкт-Петербург, [email protected]
Саенко Игорь Борисович,
профессор, д.т.н., профессор, Военная академия связи,
Россия, Санкт-Петербург,
Ключевые слова: автоматизированная система специального назначения, информационное взаимодействие, онтология, реляционная база данных, семантическая модель.
Обеспечение информационного взаимодействия разнородных автоматизированных систем специального назначения (АС СН) является важной и достаточно сложной задачей, на решение которой в настоящее время направлены усилия и исследования многих специалистов и разработчиков специального программного обеспечения. Решение этой задачи имеет достаточно большое практическое значение, так как с развитием информационных технологий разработчики АС СН, стремясь максимально удовлетворить информационные потребности заказчика, внедряют всё новые и новые методы обработки данных. На практике это приводит к тому, что базы данных, среди которых до недавнего времени считаются наиболее прагматичными реляционные базы, нельзя более считать единственно возможным и наиболее эффективным средством хранения и обработки данных. Так, например, всё большее распространение приобретают XML- и RDF-базы данных, а также комплексные хранилища, сочетающие все перечисленные типы баз данных [1]. Статья рассматривает основные положения онтологического подхода к интеграции разнородных информационных ресурсов, лежащие в основе организации информационного взаимодействия разнородных автоматизированных систем специального назначения. Дано краткое определение онтологии в информатике. Рассмотрены результаты эксперимента по отображению реляционных баз данных в онтологии, представлены выводы по их применимости на практике. Предложена концепция онтологического похода к объединению гетерогенных автоматизированных систем на основе гибридного способа взаимодействия онтологий. Определены направления дальнейших исследований в данной области.
Для цитирования:
Брунилин А.А., Куваев В.О., Саенко И.Б. Онтологический подход к организации информационного взаимодействия разнородных автоматизированных систем специального назначения // Т-Сотт: Телекоммуникации и транспорт. -2015. - №2. - С. 69-73.
For citation:
Brunilin A.A., Kuvaev V.O., Saenko I.B. An ontological approach to information interaction organization of heterogeneous automated systems for special purposes // T-Comm. 2015. No.2. Pp. 69-73.
В различных отраслях человеческой деятельности используются не комплексные автоматизированные системы (моно-системы, являющиеся законченными программно-аппаратными комплексами), создающие единую информационную среду производства и управления отрасли, а более дешёвые в разработке и эксплуатации комплексы узкопрофильных автоматизированных систем.
Однако проблема информационного взаимодействия АС СН отчётливо видна даже c учетом абсолютных достоинств реализации идеи дробления автоматизированных систем по функциональному предназначению.
На практике в большинстве случаев разработкой профильных АС СН могут заниматься независимые предприятия-разработчики. Поэтому добиться полной унификации стандартов и протоколов обмена данными зачастую не представляется возможным . Тем не менее, в ходе ведения отраслевого проекта лицу, принимающему решение, или руководящему органу для выработки управляющих воздействий необходимо опираться на результаты комплексного анализа разнородной информации.
В качестве возможного подхода к решению указанной проблемы предлагается создание универсальной информационно-аналитической структуры, программная платформа которой предоставляла бы пользователю (то есть потребителю информационной услуги) возможность доступа к разнородной информации и даже к результатам её предварительного машинного анализа безотносительно к её природе, способам хранения и обработки. Указанные свойства данной информационной платформы позволяют предложить новый подход к организации взаимодействия АС СН, основанный на использовании особой разновидности баз знаний, называемой онтологией.
Термин "онтология" заимствован из гуманитарных наук, где он традиционно понимается как раздел философии, изучающий бытие, "всё сущее". Позже под онтологией стали понимать результат классификации, систематизацию знаний в различных предметных областях.
В информатике под "онтологией" понимается представление взаимосвязанных концептов (понятий) предметной области. В качестве базовой информационной единицы онтологии выступает так называемый "RDF-триплет" (RDF - Resource Description Framework, триплет - набор информационных сущностей "объект-предикат-субъект"). Предметная область, описанная таким способом, обладает компьютерной семантикой, то есть возможностью устанавливать и обрабатывать смысловые отношения между понятиями с помощью вычислительных машин.
Компьютерная семантика раскрывается математическим аппаратом дискрипционных логик (например, EL-логики), который является развитием стандартной семантики Тар-ского (логики первого порядка). К достоинствам EL-логи-ки можно отнести достаточную для обработки машинных суждений выразительность, а также сходимость вычислительных алгоритмов за конечное (обычно - полиномиальное) количество итераций [7 \ 2]. Указанные свойства обеспечивают возможность формирования и обработки запросов к онтологиям на основе программного механизма логического вывода [2 \3].
Суть онтологического подхода при решении проблемы организации информационного взаимодействия разнородных АС СН заключается в создании универсальных, кросс-платформенных информационных структур, использующих семантические метаописания данных, как собственных, так и надстроек к уже существующим разнородным информационным массивам, в том числе к базам данных различных архитектур.
Программные комплексы разработки онтологий обладают возможностью создания процедур логического вывода, то есть получения машинным способом новых (неявных) знаний на основании имеющихся (установленных, уже доказанных) фактов и отношений между ними. Это позволяет автоматизировать процедуры семантического (смыслового) анализа имеющейся информации и даёт возможность выработки предварительных рекомендаций на принятие управляющих решений.
Об актуальности проблемы взаимодействия автоматизированных систем свидетельствует тот факт, что на сегодняшний день консорциумом создания "Семантического веба" (W3C) уже стандартизованы не только несколько языков разработки онтологий - OWL и SWRL [3, 4 \ 4, 5], - но и спецификации языков отображения DM (Direct Mapping) и R2RML (Relational DataBase to Resource Description Framework Mapping Language) [5 \ 6].
Одним из основных достоинств онтологического подхода можно определить возможность как априорного, так и апостериорного анализа принятых решений, что даёт возможность постоянно расширять базу логического вывода онтологии. Это позволяет накапливать, систематизировать и, главное, предлагать в автоматизированном режиме наиболее эффективные управленческие воздействия для решения последующих информационных задач.
В основу предлагаемого подхода положим методику создания и использования онтологии для интеграции реляционных баз данных, предложенную в работе [6]. В данной работе на примере информационного объединения двух удалённых друг от друга и работающих под управлением разных СУБД баз данных демонстрируется результативность онтологического подхода. Несмотря на то, что создание запросов к разным реляционным базам данных само по себе не является технически сложной задачей, практическая реализация механизма интеграции разнородных реляционных баз данных посредствам отображения их в онтологические конструкции демонстрирует жизнеспособность данного подхода. При этом следует отметить, что применение для указанных целей онтологического подхода даёт возможность интеграции разнородных информационных ресурсов, включая нереляционные базы данных.
Практический опыт, аналогичный описанному в [6 \ 7], показал, что объединение даже реляционных сущностей под управлением различных СУБД (в эксперименте использовались базы данных, созданные в MySQL и Линтер-ВС под управлением Microsoft Windows-7 и МСВС-3.0 соответственно), связано с решением ряда практических вопросов. Выяснилось, что даже при наличии программного доступа из внешней оболочки к обеим базам данных (на-
Рис. 1. Схема применения онтологий для организации информационного взаимодействия АС СН
пример, через сервис ODBC - Open DataBase Connectivity, JDBC - Java DBC, и им подобные) использовать часть языковых конструкций языка SQL (Structured Query Language) в привычном виде не представляется возможным, так как. разработчики систем управления баз данных используют в качестве средства манипуляции данными так называемые "SQL-диалекты" - упрощённые версии стандартизованного языка структурированных запросов к базам данных. Это ограничение лишает конечного разработчика возможности в полной мере использовать выразительность и мощь классического языка SQL при создании внешних запросов к базам данных. По этой причине в ряде случаев для получения желаемых результатов приходится пользоваться приёмом дробления исходных запросов на более простые, производя впоследствии дополнительные действия по агрегированию и анализу полученных промежуточных результатов. Это, очевидно, влечёт увеличение суммарного времени выполнения запросов, а также усложняет сам процесс разработки.
В отличие от описанного выше метода прямого связывания реляционных баз данных, объединение их посредством онтологий не вызывает существенных проблем. Создание массивов данных, полученных из различных источников при помощи упомянутых выше языков отображения DM или К2КИЬ, происходит в виде накопления RDF-трип-летов. Объединение полученных массивов осуществляется обычным добавлением между соответствующими информационными сущностями связи типа rdfs:SubClassOf или owl:EquivalentClass, после чего обращение к полученным онтологиям (например, через формирование запросов с использованием языка SPARQL) осуществляется без ограничений, как к единому информационному массиву.
Ограничением в области применимости отображения реляционных баз данных в онтологию выступает нечувствительность получаемой информационной структуры к изменениям данных, производимых над источником. Соответственно, применение данного метода видится целесообразным в системах со стабильной, не интенсивно обнов-
T-Comm #2-201 5
ляемой структурой и данными (словари, классификаторы и т.п.), либо в системах с малым объёмом вырабатываемой информации (например, комплексы периодически опрашиваемых внешних источников информации об обстановке).
Также необходимо иметь в виду, что ограничения на установление связей в онтологиях существенно более мягкие, чем в реляционных базах данных. Таким образом, объединение онтологий в условиях недостаточно точного инфологического анализа их структуры увеличивает вероятность установления ошибочных связей. Это обстоятельство способно привести к нежелательным вычислительным последствиям, что может выражаться в нарушении семантической связности понятий и классов, и, тем самым, не позволит считать онтологическую модель описания предметной области информационной задачи адекватной.
В качестве недостатков данного метода следует отметить более низкую производительность вычислений над онтологиями по сравнению с вычислениями в реляционных СУБД.
Несомненным достоинством применения семантического подхода как интегрирующего инструмента для разнородных автоматизированных систем видится возможность надстраивать онтологию над уже разработанными информационными комплексами. По сравнению с затратами на создание "единой АСУ отрасли", онтологический подход позволяет в значительной степени удешевить процесс разработки программного комплекса, работа которого также направлена на поддержку принятия решения, исходя из анализа разнородной информации.
На рисунке 1 представлен вариант концептуальной схемы применения онтологий для организации информационного взаимодействия АС СН.
В данном случае реализован гибридный способ взаимодействия онтологий, который подразумевает следующее: каждой из отраслевых АСУ соответствуют m онтологических моделей описания их предметных областей. При достаточно большом количестве связываемых систем логично избегать варианта создания внутри каждой отдельной онтологии описаний для остальных взаимодействующих систем. В пределе их количество равно . Это может привести к необходимости создания описаний взаимодействия, что будет нерациональным с позиций разработки и использования вычислительных ресурсов в ходе эксплуатации. Для того чтобы избежать подобной ситуации создаётся ещё одна -я онтологическая модель, которая будет объединять их и описывать в терминах дескриптивной логики механизмы логического вывода (взаимодействия) автоматизированных систем.
Отметим, что для объединения онтологий в данном случае используется более естественный для XML-конст-рукций способ включения, представляющий собой указание URI (Unique Resource Identifier) соответствующей онтологии в качестве параметра rdf:resource тэга <owl:>, например:
<owl:Ontology rdf:about="ACy-l">
<owl:imports rdf:resource="http://www./... /.ASU-l.ru/root"/>
</owl:Ontology>
При последующих обращениях можно будет ссылаться на соответствующую онтологию при помощи указания её псевдонима.
Дальнейшими шагами в развитии онтологического подхода к объединению АС СН представляются:
- практическая отработка объединения нереляционных баз данных;
- создание "программных агентов" - программ-администраторов, "отвечающих" за то или иное информационное (функциональное) направление (обслуживание информационной задачи) и "общающихся" между собой в рамках достижения главной информационной цели;
- разработка глобальных отраслевых онтологий с возможностью их дальнейшего использования в качестве опорных универсальных классификаторов.
Таким образом, применение онтологического подхода для организации информационного взаимодействия автоматизированных систем специального назначения имеет серьёзные практические перспективы и требует дальнейшей всесторонней разработки.
Литература
1. Котенко И.В., Саенко И.Б., Полубелоеа О.В. Перспективные системы хранения данных для мониторинга и управления безопасностью информации // Труды СПИИРАН. - 2013. - Вып. 2 (25). - С.113-134.
2. Конев Б.Ю. Онтология и представление знаний. -http://www.lektorium.tv/speaker/2680 [Request date: 30.11.2014].
3. Полубелоеа О.В., Котенко И.В., Саенко И.Б. Онтологический подход к построению интеллектуальных сервисов хранения и обработки событий безопасности // Труды Конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям "IS&IT'l2". Научное издание в 4-х томах. - М.: Физматлит, 2012. - Т.2. -С. 394-399.
4. OWL 2 Web Ontology Language Document Overview (Second Edition). W3C Recommendation 11 December 2012. -http://www.w3.org/TR/owl2-overview [Request date: 30.11.2014].
5. SWRL: A Semantic Web Rule Language Combining OWL and RuleML. W3C Member Submission 21 May 2004. -http://www.w3.org/Submission/SWRL [Request date: 30.11.2014].
6. R2RML: RDB to RDF Mapping Language. W3C Proposed Recommendation 14 August 2012. -http://www.w3.org/TR/20l2/PR-r2rml-20l208l4 [Request date: 30.11.2014].
7. Колесова А.О., Наместникоеа А.М. Интеграция реляционных данных на основе онтологического подхода // Четырнадцатая национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием КИИ-2014 (24-27 сентября 2014 года, г. Казань, Россия): Труды конференции. Т.3. - Казань: Изд-во РИЦ "Школа". - 20l4. - С. l46-l54.
COMPUTER SCIENCE
AN ONTOLOGICAL APPROACH TO INFORMATION INTERACTION ORGANIZATION OF HETEROGENEOUS AUTOMATED SYSTEMS FOR SPECIAL PURPOSES
Alexey Brunilin,
Military Academy of Communications, postgraduate student, St. Petersburg, Russia, [email protected]
Valery Kuvaev,
Military Academy of Communications, doctoral student, St. Petersburg, Russia, [email protected]
Igor Saenko,
Military Academy of Communications, professor, St. Petersburg, Russia, [email protected]
Abstract
The article deals with the main provisions of the ontological approach to integrating heterogeneous information resources. These provisions are the basis of the information interaction of heterogeneous automated systems for special purposes. A brief definition of ontology in computer science has been done. The experimental results on displaying relational databases in the ontology were considered. Conclusions on their applicability in practice were presented. The concept of ontological approach to integrate heterogeneous systems based on hybrid method of interaction of ontologies was offered. Directions for further research in this area were identified.
Keywords: automated system for special purposes-, information interaction, relational database, ontology, semantic model. References
1. Kotenko, I, Saenko, I, Polubelova, O 2013, 'Perspective storage systems for monitoring and information security managing', Proceedings of SPIIRAS, No. 2 (25), pp. 113-134 [in Russian].
2. Konev B.Y. Ontology and knowledge representation. http://www.lektorium.tv/speaker/2680 [request date: 30.11.2014] (in Russian).
3. Polubelova, O, Kotenko, I, Saenko, I 2012, 'Ontological approach to building intelligent services for storing and processing security events', Proceedings of the Congress on intelligent systems and information technology 'IS IT'12', Scientific publication in 4 volumes, Physmathlit, Vol. 2, pp. 394-399 [in Russian].
4. OWL 2 Web Ontology Language Document Overview (Second Edition), W3C Recommendation 11 December 2012, http://www.w3.org/TR/owl2-overview [request date: 30.11.2014].
5. SWRL: A Semantic Web Rule Language Combining OWL and RuleML, W3C Member Submission 21 May 2004, http://www.w3.org/ Submission/SWRL [request date: 30.11.2014].
6. R2RML: RDB to RDF Mapping Language, W3C Proposed Recommendation 14 August 2012, http://www.w3.org/TR/20l2/PR-r2rml-20120814 [request date: 30.11.2014].
7. Kolesova, A, Namestnikova, A 2014, 'Integration of relational data based on ontological approach', Proceedings of the Fourteenth national conference on artificial intelligence with international participation 'KII-2014' (24-27 September 2014, Kazan, Russia), Vol. 3, RIC "School", pp. 146-154 [in Russian].
