CC BY
45Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 5 Курск: Науком, 2013. - 92 с., ил. ISBN 978-5-4297-0009-0
УДК 681.326
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 гг.», государственный контракт № 07.514.11.4135.
Уваров А.Н.
ПОДХОД К ОПИСАНИЮ ОБСТАНОВКИ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
Предложен метод формирования и корректировки онтологий информационно-аналитических систем, основанный на использовании модели нечетких когнитивных карт, описывающих концепты, используемые при решении подзадач. Составная иерархическая нечеткая когнитивная карта образует онтологию информационно-аналитической системы.
Ключевые слова: информационно-аналитическая система, нечеткие кгни-тивные карты, онтология, граф, взвешенный граф, ориентированный граф, концепт.
Uvarov A.N.
The approach to descriptions of conditions in information-measuring systems
The formation and updating method of ontology information-analytical systems, based on use of model indistinct kognitive cards is offered. Indistinct kognitive cards describе concepts, used at the decision of subtasks. Generated hierarchical indistinct kognitive card makes ontology of IAS.
Keywords: information-analytical system, indistinct kognitve cards, ontology, the count, the weighed count, the focused count, concept.
Проведенный анализ существующих на сегодняшний направлений по разработке распределенных онтологий показал, что в наибольшей степени предъявляемым при их создании отвечают НКК [1 - 3]. Однако НКК имеют ряд ограничений при формировании онтологий на их основе [1]:
25
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 5 Курск: Науком, 2013. - 92 с., ил. ISBN 978-5-4297-0009-0
1) не позволяют строить онтологии различных составных частей на различных уровнях системы;
2) не устраняют многозначность;
3) не содержат способов корректировки значений весов и концептов. Разработана модель распределенной онтологии на базе НКК. Данная
модель далее используется в качестве основы для формирования распределенных онтологий.
Формальная модель НКК определяется в соответствии с следующим выражением:
W = (CP, RC ,U), (1)
где CP = {CP1CPn} - концепты;
RC <= X XX - отношения концептов вида «если Ср»,
CPj, i, j = 1, n, i - характеристика отношений концептов.
U определяется следующим выражением:
U: CP х CP ^ Uj , (2)
где Uij - степень влияния концепта CPi на CPj;
Uij е[-1,1] (Lij ={0,1} или {-1,0,1});
Uj =0, если концепт CP не влияет на CPj;
U =1
если увеличение/усиление CPi приводит к увеличению/усиле-
нию CPj (граничный случай);
Uj =~1, если уменьшение/ослабление CPi приводит к
увеличению/усилению CPj (граничный случай).
Граничные случаи используются в случае, когда влияние концептов друг на друга можно однозначно охарактеризовать как «положительное» или «отрицательное». Если степень влияния концептов «слабая отрицательная», «средняя положительная» и т.п., Uij принимает значения из интервала [-1; 1].
Графическая интерпретация НКК в виде взвешенного ориентированного графа представлена на рисунке 1.
НКК описываются матрицами связанности, состоящими из дефазифи-цированных значений функций принадлежности нечетких множеств.
Для обеспечения реализации требований, предъявляемых к распределенным онтологиям, модель распределенной онтологии определяется в соответствии с следующим выражением [2]:
OM =(г, CP, cp*, u , V ,w, , r ), (3)
где T - множество подсистем ИАС, содержащих распределенную онтологию ОМ;
26
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 5 -Курск: Науком, 2013. - 92 с., ил. ISBN 978-5-4297-0009-0
Рис. 1 - Графическая интерпретация НКК в виде взвешенного ориентированного графа: узлы графа - концепты, дуги графа - взвешенные
двунаправленные отношения
СР ={CPi,..., СРп} - концепты (понятия) онтологии, описывающие сущности (объекты, процессы или явления) предметной области подсистем ИАС из T, п - количество концептов онтологии;
СР* - причинно-следственные отношения вида «если Ср,
то Cpj», заданные на концептах СР, i, j= Ш, i , СР*^ӣхӣ;
U - матрица весов (характеристик) отношений в СР*, U: СР хСР ^ uj,
здесь uij - степень (вес) влияния СР на СР], utj £ [-1; 1];
V - множество значений концептов из / V: СР
vi, A: С^ —— ai, здесь vi
- значение концепта Ср,
v
, i £ 11, п I
- вектор значений концептов
онтологии;
v
t
, i £ 11, n
- вектор, состоящий из элементов w‘Vi, которые называ-
ются внешними значениями концептов СР,, то есть данными об i-й наблюдаемой сущности предметной области, поступившими от источника данных в момент времени t;
R - отношение vV ^ v‘+1, обеспечивающее корректировку значений vi концептов СР с учетом времени t.
Модель распределенной онтологии содержит компоненты СР, СР*, U, описывающие соответственно концепты, отношения и веса отношений в моделях НКК. Компоненты Т, V, Wv, R являются расширением известных моделей НКК.
Введение Т в модель онтологии обеспечивает формирование НКК для подсистем ИАС, их групп и системы в целом, а также дает возможность формирования иерархических НКК, в узлах которых содержатся НКК различных подсистем ИАС и их групп.
Компонент V позволяет оценивать значения концептов НКК, w -данные, получаемые от источников, R - корректировать распределенные онтологии.
27
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 5 -Курск: Науком, 2013. - 92 с., ил. ISBN 978-5-4297-0009-0
Представленная модель онтологии в целом обеспечивает интерпретацию данных в рамках рассматриваемой системы за счет возможности объединения нескольких НКК в одну и использования в ней единых описаний одних и тех же понятий [4].
Разработанная модель распределенной онтологии обеспечивает:
1) описание причинно-следственных прямых и обратных связей S между концептами CP и в виде положительных и отрицательных значений матрицы связанности НКК;
2) реализацию возможности использования знаний экспертов в виде наборов концептов □ и характеристик отношений U;
3) формирование распределенных онтологий для всей системы, а также онтологий для групп и отдельных подсисстем, решающих частные подзадачи по формированию данных, путем существующей возможности объединения нескольких НКК в одну;
4) создавать иерархически упорядоченные системы понятий и отношений путем стратификации обобщенной НКК.
Разработанная модель распределенной онтологии на базе расширения модели НКК обеспечивает возможность формирования онтологий для отдельных подсистем, их групп и системы в целом и предусматривает возможность корректировки онтологий. С целью определения путей формирования распределенных онтологий на основе представленной модели разработан метод, обеспечивающего формирование и последующую корректировку распределенных онтологий.
Распределенные онтологии разрабатываются на основе статической, динамической и эпистемической компонент.
Статическая компонента онтологии содержит набор сущностей предметной области, а также их свойства и отношения [5].
Динамическая компонента онтологии определяет способы преобразования знаний о предметной области в процессе функционирования ИАС [5].
Статическая и динамическая онтологии в совокупности составляют модель предметной области ИАС, обладающую средствами корректировки используемых в ней понятий и отношений в соответствии с динамикой развития обстановки.
Эпистемическая компонента онтологии описывает знания, используемые для управления ее функционированием. Данная стратегия предусматривает функционирование на основе чередования функций:
1) формирования подструктур подсистем ИАС для решения частных задач (теоретической основой разработки являются методы теории активных систем);
2) сбора и обработки информации (разрабатывается на основе комбинирования методов объединения данных и решений).
Алгоритмизация процесса формирования распределенных онтологий основывается на использовании знаний экспертов для построения прототипа онтологии и последующего формирование иерархических НКК на их основе.
28
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 5 -Курск: Науком, 2013. - 92 с., ил. ISBN 978-5-4297-0009-0
Задача формирования распределенных онтологий для ИАС определяется следующим выражением:
0: E ^0' ^ O, (4)
где 0 - распределенная онтология;
Е - знания экспертов, E={CP,CP *, U},
CP - концепты предметной области,
CP * - отношения между концептами,
U - параметры, характеризующие отношения концептов (веса);
0' - прототип онтологии;
О - иерархическая нечеткая когнитивная карта.
Исходными данными формирования распределенных онтологий являются знания Е экспертов. Результатом является иерархическая НКК О, содержащая распределенную онтологию ИАС.
Постановка задачи формирования распределенных онтологий на основе разработанной модели позволила предложить соответствующий метод. Существо разработанного метода заключается в формировании распределенных онтологий в путем автоматизированного построения иерархических систем понятий и отношений с прямыми и обратными связями на основе иерархических НКК [6].
Метод формирования распределенных онтологий основан на использовании модели нечетких когнитивных карт и учитывает особенности формирования описаний обстановки, а также и требования, предъявляемые к онтологии.
Разработанный метод формирования распределенных онтологий, предполагает следующее:
Формируется глобальная задача при формировании описания обстановки, декомпозирующаяся на подзадачи ~ . Каждой подзадаче ставятся в соответствие данные мониторинга w необходимые для ее решения. На основе выделенных групп подзадач и данных для их решения осуществляется построение прототипа 0' онтологии на основании дерева целей и задач. Далее подзадачи назначаются подсистемы ИАС и формируются протоколы их взаимодействия по решению подзадач. НКК OA подсистем ИАС на основании суммирования матриц связанности НКК их предметных областей. НКК OM подсистем ИАС путем объединения матриц связанности НКК подсистем ИАС. Иерархической НКК О в соответствии с объединением матриц связанности НКК подсистем ИАС [1, 8 - 10].
Разработанная в соответствии с этим распределенная онтология представляет собой статическую компоненту онтологии, которая в дальнейшем может быть скорректирована.
Разработанный метод формирования распределенных представляет собой последовательную реализацию следующих основных этапов.
1. Построение прототипа онтологии.
2. Построение онтологий предметных областей.
29
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 5 Курск: Науком, 2013. - 92 с., ил. ISBN 978-5-4297-0009-0
3. Построение онтологий ИАС.
4. Построение распределенной онтологии.
5. Корректировка распределенной онтологии.
Прототип онтологии строится путем дифференцации глобальной задачи Z на подзадачи. Онтологии предметных областей строятся путем формального представления частных онтологий. Суммирование и объединение и предусматривает корректировку матриц связанности НКК.
Существующие способы суммирования НКК предусматривают построение матриц связанности агрегированных НКК на основе матриц связанности однородных НКК (НКК одной предметной области, сформированные из одних и тех же наборов концептов CP, отношений CP *, но с использованием различных весов Uj ). В них отсутствует возможность формирования агрегированных НКК, содержащих веса различных знаков.
В рамках разработанного метода матрица связанности (весов отношений) U агрегированной НКК формируется в соответствии с следующим выражением:
U —rel'
IU
п
n —
(5)
где U - матрица связанности агрегированной НКК;
Un - матрицы связанности НКК предметной области, построенная каждым из N экспертов;
rel ’ - функция стандартизации, преобразующая элементы матриц к интервалу [-1, 1], при Этом rel ' =tan(x).
Обеспечивается формирование онтологий предметной области на основе однородных НКК и учитывает веса Uij различных знаков за счет использования функции гиперболического тангенса.
Существующие способы объединения НКК предусматривают построение обобщенных матриц связанности на основе матриц связанности разнородных НКК (НКК состоящие из различных наборов концептов C, отношений S и весов Lj различных знаков). В них отсутствует возможность строить обобщенные матрицы связанности разнородных НКК.
В рамках разработанного метода построение обобщенной матрицы связанности реализуется путем комбинирования матриц связанности НКК. При этом обобщенная матрица связанности НКК в общем виде представляет собой:
□U1 0 ... П
П 0 U =П U2 0П 0П
П 0 ... П
П . П
П U П
(6)
где U - матрица связанности обобщенной нечеткой когнитивной карты;
Ui - матрица связанности нечеткой когнитивной карты i-й предметной области.
Таким образом, разработан метод формирования распределенной онтологии ИАС, основанный на использовании модели НКК, учитывающий осо-
30
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 5 -Курск: Науком, 2013. - 92 с., ил. ISBN 978-5-4297-0009-0
бенности формирования описаний ситуаций и требования, предъявляемые к распределенной онтологии.
Библиографический список
1 Максимов, В.И., Качаев, С.В., Корноушко, Е.К. Концептуальное моделирование и мониторинг проблемных и конфликтных ситуаций при целенаправленном развитии региона [Текст] / В.И. Максимов, С.В. Качаев, Е.К. Корноушко // Современные технологии управления для администраций городов и регионов. - М.: Фонд «Проблемы управления», 1998.
2 Девятков, В.В. Онтологии и проектирование систем [Текст] / В.В. Девятков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. №1.
3 Миргалеев, А.Т. Оценка неопределенности понятий онтологии при многоагентном формировании описаний угроз локальной безопасности [Текст] / А.Т. Миргалеев [и др.] // Материалы междунар. конф. «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий», Москва, 2003 г. -М.: Радио и связь, 2003.
4 Ларичев, О.И., Мовшович, Е.М. Качественные методы принятия решений [Текст] / О.И. Ларичев, Е.М. Мовшович. - М.: Наука, 1996.
5 Тарасов, В.Б. От многоагентых систем к интеллектуальным организациям: философия, психология, информатика [Текст] / В.Б. Тарасов. - М.: Эдиториал УРСС, 2002.
6 Концепция формирования и развития единого информационного пространства России и соответствующих государственных информационных ресурсов. - М., 1995.
7 Тихомиров, А.В., Тимофеев, С.Г., Джуромский, Д.С. Концепция построения ЕИП [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://npo1.kansstel.ru/research/appliance/articles/eip.htm - Загл. с экрана.
8 Бокша, В.В., Силов, В.Б. Нечетко-целевое управление системами с заданным конечным положением [Текст] / В.В. Бокша, В.Б, Силов. - Автоматика. N 9, 1985. - С. 3-8.
9 Городецкий, В.И. Визуальный синтез классифицирующих предикатов и их применение для мета-классификации [Текст] / В.И. Городецкий, В. Самойлов // Труды Таганрогского радиотехнического института, 4, 5-16, 2001.
10 Анализ документов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http : //inforaz .narod.ru/analiz-2.html - Загл. с экрана.
11 Минский, М. Структура для представления знания [Текст].— В сб. Психология машинного зрения. Под ред. П.Уинстона.— М.: Мир, 1978.
31
