Онтологии как средство формирования базы знаний по многоальтернативным системам Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Информационные технологии

УДК 521.6

ОНТОЛОГИИ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ БАЗЫ ЗНАНИЙ ПО МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНЫМ СИСТЕМАМ

Я.А. Харитонова, Е.С. Подвальный

Рассмотрено создание базы знаний классификации многоальтернативных систем моделирования и управления с помощью построения онтологических таблиц

Ключевые слова: онтология, многоальтернативные системы, классификация многоальтернативных систем

На данный момент перспективным направлением в моделировании является использование онтологий как спецификаций некоторой предметной области. Онтологии дают возможность вырабатывать концепцию предметной область . Онтологии помогают теоретически организовать накопленные знания -определить понятия, отношения и механизмы управления, необходимые для описания процессов решения задач в избранной предметной области. Так же преимущество использования онтологий - это возможность анализа, накопления и повторного использования знаний в предметной области, полученных из разных источников.

Н.С. Константинова, О.А. Митрофанова в работе [1] говорит, что онтологии сейчас используются для создания базы знаний.

Самое известное определение онтологии было составлено Студером в работе [2]: «Онтология - это явная формальная спецификация разделяемой концептуализации», где:

— под «концептуальной» моделью рассматривается абстрактная модель предметной области, описывающая систему понятий предметной области;

— под «разделяемой» моделью рассматривается согласованное понимание концептуальной модели определенной группой людей;

— «спецификация», модель рассматривает описание системы понятий в явном виде;

— «формальная», моделью рассматривается, что концептуальная модель является машиночитаемой;

— «явная» означает, что указан тип концептов, и ограничения на их использование явно определены.

Харитонова Яна Андреевна - ВГТУ, магистр, тел. (473) 243-77-18

Подвальный Евгений Семенович - РАНХиГС, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-77-18

Структура онтологии в общем виде состоит из набора элементов четырех категорий: аксиомы, отношения, понятия, и отдельные экземпляры.

Понятия - это выработка концепции класса всех представителей некой сущности или явления [3].

Классы (или понятия) - это общие категории, которые могут быть упорядочены иерархически. Каждый класс рассматривает группу индивидуальных сущностей, которые объединены на основании наличия общих свойств[4].

Экземпляры являются отдельными представителями явлений или класса сущностей, проще сказать конкретными элементами какой-либо категории.

Для многих компьютерных приложений (для информационного поиска, анализа текстов, извлечения знаний и в других информационных технологиях) онтологии применяют как источники данных. Это позволяет более эффективно обрабатывать сложную и разнообразную информацию. Использование онтологии, как способ представления знаний, позволяет приложениям распознавать те семантические отличия, которые являются само собой разумеющимися для людей, но не известны компьютеру.

Подвальный С.Л в работе [5] называет многоальтернативными системами (MAS: multi-alternative systems) такие информационно-измерительные и управляющие системы, в которых наиболее важные (критические) функции сбора, обработки, хранения и выдачи информации реализуются несколькими альтернативными способами. Это могут быть несколько устройств при аппаратной реализации, несколько алгоритмов математического обеспечения системы или несколько программных модулей программного обеспечения.

Рассмотрим создание онтологических таблиц на основе классификаций многоальтернативных систем.

Подвальный С.Л. в работе [6] приводит классификацию многоальтернативных систем (рис. 1).

-О

->

—>( II

Рис. 1. Классификационный граф многоальтернативных систем

Представим базу данных существующей классификации многоальтернативных систем в виде таблиц онтологии.

Создадим глоссарий терминов на основе классификации многоальтернативных систем. В табл. 1 представлен фрагмент таблицы глоссарий терминов.

Таблица 1 Фрагмент таблицы глоссария терминов

Термины Описание

Многоальтернативные системы Информационно -измерительные и управляющие системы, в которых наиболее важные (критические) функции сбора, обработки, хранения и выдачи информации реализуются несколькими альтернативными способами. Это могут быть несколько устройств при аппаратной реализации, несколько алгоритмов математического обеспечения системы либо несколько программных модулей программного обеспечения

Построим дерево классификации (рис.2) концептов, оно будет соответствовать существующей классификации многоальтернативных систем представленной на рис. 1.

Аппаратное обеспечение информационно - управляющих спст ем Программное обеспечение информационно - управляющих систем Математическое обеспечение информационно - управляющих систем

Рис. 2. Дерево классификации концептов

Продолжение существующей классификации многоальтернативных систем показано на рис. 3.

Аппаратное обеспечение ннффмацнонно-управляющнх систем

Рис. 3. Классификационный граф многоальтернативных систем (продолжение)

СПС1 - Системы с переменной структурой, работающие в скользящем режиме, СПС2-Системы с переменной структурой с выбором (селекцией) управляющего воздействия, СПС3-реконфигурирующийся системы.

Составим словарь концептов, смотрим табл. 2.

Таблица 2

Словарь концептов

Имя Экземпляр Ат-

кон- рибут эк-

цепта земпляра

Аппа- Системы с переменной Практиче-

ратное структурой управления, ский при-

обес- работающие в скользя- мер

пече- щем режиме.

ние Системы с выбором (се- подкласс

ин- лекцией) управляющего подкласс

форма- воздействия

ционно Реконфигурирующиеся подкласс

- системы подкласс

управ-

ляю-

щих

систем

Теперь составим таблицу атрибутов экземпляра, которая будет представлена в табл.3.

Таблица 3

Атрибуты экземпляра_

Имя атрибута экземпляра Тип значения Единица измерения Точность Диапазон

Подкласс текстовый

Практический пример текстовый

Следующий шаг - создание таблицы экземпляров, которая представлена в табл. .7,-соответствующие экземпляры взяты из работ [7-11] применительно к процессам синтеза полимеров; классификации состояний в задачах

Многоальтернативные системы

Аппаратное обеспечение

информационно-управляющих

систем

Программное обеспечение

информационно-управляющих

систем

Математическое обеспечение (алгоритмическое)

диагностики; математических методов оптимизации.

Таблица 4

Экземпляры

Экзем- Атрибут Значение

пляр

Системы Практи- При управлении полетом

с пере- ческий

менной пример

структу-

рой

управле-

ния, ра-

ботаю-

щие в

скользя-

щем ре-

жиме.

Системы Под- Для процессов непре-

с выбо- класс рывной полимеризации в

ром (се- нефтехимическом про-

лекцией) изводстве предложена

управля- целая группа методов

ющего многоальтернативного

воздей- управления. Переключе-

ствия ние управления с одного канала (основного) на другой (резервный) и обратно осуществляется при использовании минимаксного по модулю критерия

Под- Системы для газотур-

класс бинного двигателя (ГТД). «Логико-динамические системы» с автоматической селекцией канала. Здесь одно и то же управление переключается на один из двух различных по динамике каналов.

Реконфи- Под- Варианты задаваемой

гуриру- класс реконфигурации, когда в

ющийся зависимости от режима

системы работы объекта: пуск -останов реактора; взлет-посадка летательного аппарата; номинальной -аварийной режим работы включаются разные подсистемы управления

Под- Реконфигурация аппа-

класс ратных средств может быть связана с отказами в измерительной либо исполнительной части

Подвальный С.Л., Васильев Е.М. в работе [11] сгруппировали системы многоальтерна-

тивного управления по способу выбора альтернатив:

- детерминированный выбор варианта управления из конечного множества альтернатив одного уровня иерархии, соответствующий наименее гибкому, но в то же время высшему уровню адаптивной специализации открытых систем;

- случайный выбор с последующим кратковременным сохранением (запоминанием) из конечного или бесконечного множества альтернатив нескольких уровней иерархии - соответствует гомеостазису с адаптацией;

- существенно неопределённая стратегия выбора управления из бесконечного множества иерархически организованных альтернатив, соответствующая ассоциативным формам адаптации с запоминанием (предвидением), свойственным организмам с развитой нервной системой.

Продолжение существующей классификации многоальтернативных систем показано на

тивных систем (продолжение)

Продолжим составление словарь концептов на основе существующей классификации многоальтернативных систем (рис.4), табл. 5.

Таблица 5

Продолжение словаря концептов_

Имя концепта Экземпляр Атрибут экземпляра

Программное обеспечение информационно - управляющих систем Тестопригодное ПО подкласс

подкласс

Отказоустойчивое ПО подклсс

подкласс

Адаптивное ПО подкласс

подкласс

подкласс

Скоростное (ЦОС) подкласс

подкласс

подкласс

подкласс

Таблица атрибутов экземпляра (табл. 3) остается без изменений.

Следующий шаг - продолжение создания таблицы экземпляров, которая представлена в табл. 6.

Таблица 6

Экземпляры_

Экземпляр Значение атрибута «подкласс»

Тестопригодное ПО Тестопригодное ПО эталоной модели

Автосопровождение программ

Экземпляр Значение атрибута «подкласс»

Отказоустойчивое ПО Зеркалирование оборудования и данных

Резервирование

Адаптивное ПО Интерактивное

Эволюционное

Статистический имитационный механизм оценки эффективности работы и формирования программного обеспечения

Скоростное (ЦОС) Многоальтернотивные системы обработки изображений

Многоальтернативные системы оценивания сигналов навигационных измерений

Многоальтернативные системы обнаружения и оценивания сигналов помехозащи-щённых систем радиосвязи

Многоальтернативная фильтрация и компенсация динамики в задачах косвенного контроля распределённых систем

Продолжение существующей классификации многоальтернативных систем показано на рис. 5.

Рис. 5. Классификационный граф многоальтернативных систем (продолжение)

Продолжим составление словарь концептов на основе существующей классификации многоальтернативных систем (рис.5), табл. 7.

Таблица атрибутов экземпляра (табл. 3) остается без изменений. Следующий шаг -продолжение создания таблицы экземпляров, которая представлена в табл. 8

Таблица 8

Экземпляры

Экземпляр Значение

САПР Многоальтернативная оптимизация

Многоатрибутивная оптимизация

Многокритериальный синтез структур

Принятие решений Экспертные системы и оценки

Многоуровневые процедуры принятия решений

Логические методы и структурный анализ

Принятие решений в условиях риска

Диагностика Объектов сосредоточенных

Объектов пространственно-распределенных

Нечеткие модели классификации

Моделирование Динамические (нестационарные) режимы

Статические (стационарные) режимы

Модели объектов с распределенными параметрами

Нечеткие модели

Таблица 7 Продолжение словаря концептов

Имя кон- Экземпляр Атрибут эк-

цепта земпляра

Математи- САПР подкласс

ческое подкласс

обеспече- подкласс

ние ин- Принятие решений подкласс

формаци- подкласс

онно - подкласс

управляю- подкласс

щих си- Диагностика подкласс

стем подкласс

подкласс

Моделирование подкласс

подкласс

подкласс

подкласс

Пример создания онтологических таблиц классификации многоальтернативных систем показывает вариант создания базы знаний с помощью онтологии.

В современном обществе все больше и больше развиваются наукоемкие области человеческой деятельности, что провоцирует возрастание роли компьютерных технологий.

В наш век поток информации сильно увеличился, появилась необходимость поиска новых способов представления, хранения, систематизации, формализации, и автоматической обработки. Поэтому к всеобъемлющим базам знаний, которые можно использовать для различных практических целей, растет интерес.

Работа выполнена по договору № 1450/300-13 от 24 февраля между ОАО «Турбонасос» и ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках проекта «Создание высокотехнологичного производства магистральных нефтяных насосов нового поколения с использованием методов многокритериальной оптимизации и уникальной экспериментальной базы» (Постановление правительства Российской Федерации № 218 от 9.04.2010)

Литература

1. Митрофанова О.А., Константинова Н.С. Онтологии как системы хранения знаний / Всероссийский конкурсный отбор обзорно-аналитических статей по приоритетному направлению "Информационно-телекоммуникационные системы" - 2008 - T.48. №2. - С. 1 -54.

2. Studer R. Knowledge engineering: principles and methods / Studer R., Benjamins R., Fensel D. // Data and Knowledge Engineering. - 1998. - № 25. - P. 161 - 197.

3. Понятие в онтологии - Режим доступа: http://www.ahmerov.com/book_465_chapter_7_5._LOGICHE SKIE_OPERAII_S_PONJATIJAMI_(OBSHHAJA_KLASSI FIKAIJA).html.

4. Игумнова Т.Н. Применение онтологий в системах поддержки процессов коллективного выбора / Т.Н. Игумнов. Режим доступа http://yandex.ru/yandsearch7text.

5. Подвальный, С. Л. Многоальтернативные системы: обзор и классификация [Текст] / С. Л. Подвальный // Системы управления и информационные технологии. -2012 . - Т. 48. - № 2. - С. 4-13.

6. Подвальный, С. Л. Многоальтернативные системы с переменной структурой автоматического управления процессами непрерывной полимеризации [Текст] / С. Л. Подвальный // Системы управления и информационные технологии. - 2011. - Т. 46. - № 4.1. - С. 175-178.

7. Подвальный, С. Л. Концепция многоальтернативного управления открытыми системами: истоки, состояние и перспективы [Текст] / С. Л. Подвальный, Е. М. Васильев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т.9. - № 2. - С. 4-20.

8. Подвальный, С. Л. Методы многомерной классификации в задачах медицинской диагностики [Текст] / С. Л. Подвальный, А. С. Матасов, И. А. Бырко // Машиностроитель. - 2002. - № 8. - С. 59.

9. Дорофеев, Д. В. Синтез многомерного модального регулятора в АСУТП полимеризации бутадиен-стирольных каучуков [Текст] / Д. В. Дорофеев, С. Л. Подвальный // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2002. -№ 6. - С. 24.

10. Подвальный С. Л. Решение задач градиентной оптимизации каскадно-реакторных схем с использованием сопряженных систем [Текст] / С. Л. Подвальный // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 2. - С. 27-32.

11. Подвальный С. Л. Васильев Е.М. Многоальтернативные системы: концепция, состояние и перспективы. // Управление большими системами. Вып. 48. М.: ИПУ РАН. 2014. С.6-58.

12. Подвальный, С.Л. Проблемы разработки интеллектуальных систем многоальтернативного моделирования [Текст] / С.Л. Подвальный, Т.М. Леденева, А.Д. По-валяев, Е.С. Подвальный // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. -№ 3-1. - С. 19-23.

Воронежский государственный технический университет

Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации (Воронежский филиал)

ONTOLOGY AS A MEANS OF FORMING A KNOWLEDGE BASE ON MULTIALTERNATIVE SYSTEMS

Y.A. Kharitonova, E.S. Podvalny

How to create a knowledge base classification Multi-alternative systems modeling and control by constructing tables ontological

Key words: ontology, Multi-alternative system, classification systems Multi-alternative