CC BY
20
10, Клер A.M., Скрипкин С,К., Ворожцова Т.Н. Проблемы математического моделирования и оптимизации схем и параметров теплоэнергетических установок // Системные исследования проблем энергетики, - Новосибирск: Наука, 2000,
11. Максимов A.C. Модернизация СМПП и решение с ее помощью задач адаптации математических моделей теплофикационных турбин II Сб. трудов Научно-технический прогресс в энергетике, - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2004, - С, 120-129,
А.П.Костюченко
Разработка инструментальной системы для создания онтологий системных исследований в энергетике
Введение. Проведение системных исследований в энергетике предполагает комплексный подход, требующий совместного рассмотрения объектов энергетики, их функционирования и перспектив развития, В настоящее время отсутствуют компьютеризированные системы представления и обработки научных знаний в энергетике, Вместе с тем, необходимость их создания является актуальной, учитывая ряд факторов:
1) создание и развитие Интегрированной системы информационных ресурсов РАН (ИСИР РАН) и Информационной системы СО РАН, в которых желательно отражать результаты системных исследований в энергетике;
2) существующий разрыв между учеными старшего поколения и молодежью (отсутствие либо недостаточность среднего звена) и необходимость сохранения уникальных знаний старшего поколения;
3) выполняющаяся в ИСЭМ СО РАН разработка ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике, в рамках которой необходимо решать задачу общего понимания структуры информации и ее совместного использования.
Кроме того, необходимо учитывать существующую в Internet тенденцию перехода к семантическим Web, с тем, чтобы был возможен поиск не только по ключевым словам, но и по смыслу.
Существуют различные подходы, модели и языки описания знаний. Однако все большую и вполне заслуженную популярность последнее время приобретают онтологии. Онтологии позволяют осуществлять автоматизированную обработку семантики информации и ее представление, с целью эффективного использования (преобразования, поиска), Соответствующая технология базируется не на осмыслении информации человеком, а на обеспечении семантической интероперабельности информационных ресурсов, т.е. на автоматизированной интерпретации и обработке информации.
Актуальность разработки онтологий для системных исследований в энергетике приводит к необходимости использования программной среды для облегчения трудоемкого процесса построения онтологий. Несмотря на то, что, по данным консорциума W3C, уже существуют более 50 готовых инструментов редактирования онтологий [1], их основными недостатками являются:
1) слабая выразительность графического представления таксономии концептов;
2) ограниченный набор функциональных возможностей средств интероперабельности (некоторые инструменты не имеют возможности импорта/экспорта в формате OWL);
3) возможности расширяемости приложения зачастую отсутствуют;
4) неудобная реализация пользовательских интерфейсов.
Путь к решению проблемы выбора оптимального инструмента напрашивается сам по себе и заключается в создании собственной программной среды, учитывающей и исключающей недостатки существующих систем.
Проектирование инструмента для создания онтологий предполагает определение следующих ключевых моментов:
1) выбор методологии;
2) выбор языка хранения знаний;
3) формализм описания онтологий;
4) метод хранения онтологий (файлы/СУБД);
5) определение внутренних функциональных возможностей (проверка непротиворечивости);
6) определение сервисных функций (метод графического представления, импорт и экспорт в различные форматы).
Онтология в формальном стиле описывает взаимосвязи между объектами и свойства объектов конкретной предметной области. При этом онтология имеет вполне определенную структуру, состоящую из двух блоков [2]:
1) таксономии;
2) набора логических свойств предметной области и правил вывода.
Исходя из этого, можно предложить блочную композицию предложений по организации среды для создания онто-логий,
Таксономия. Базовая составляющая онтологии - таксономия - определяет классы объектов и взаимодействие между этими классами, Ключевыми здесь являются понятия подкласса, суперкласса и наследования. Например, класс «Электроэнергетические системы» является подклассом класса «ТЭК».
В данном случае прямоугольники изображают классы объектов, а стрелки обозначают наследование, Таким образом, можно сформулировать очевидные включения:
Класс (ЭНЕРГЕТИКА) с Класс(ТЭК)
Кпасс(ТЭК) с; Класс(ЭнергетическиеСистемы) и Класс(СистемыГазоснабжения)....
Рис. 1, Фрагмент таксономии ТЭК
Система классов, подклассов и свойств классов является универсальным и выразительным инструментом представления знаний, Можно формализовать большое количество отношений между элементами, описывая свойства класса, а значит (по схеме наследования), и его подклассов.
На данном этапе формулирования предложений требуется решить вопрос о выборе языка организации таксономии. В настоящее время существует и используется большое количество средств для представления знаний; ОКВС, OWL, OCML, OXML. Учитывая возможность применения онтологий в глобальной сети, нужно учесть, что важнейшей задачей при построении глобальной системы формализованных знаний является правильный выбор логической схемы, которая, с одной стороны, должна быть достаточно выразительной, а с другой - понятной специалистам. Очень важно, чтобы логическая схема была легкой с алгоритмической точки зрения, Кроме того, необходимо стандартизовать сам язык представления знаний, чтобы его могли одинаково понимать, как сегодня понимают, например, HTML. В качестве данной возможности У/З-консорциум сегодня развивает проект языка OWL (Web Ontology Language), удовлетворяющего вышеперечисленным критериям.
Правила вывода. Ключевым механизмом работы с онтологиями должна стать система вывода, которая позволит получать необходимые знания на основе имеющихся, Правила вывода должны определять весьма простую логическую систему, В языке онтологий OWL, если это перевести на язык логики первого порядка, допускаются [2]:
1) средства для построения иерархии классов объектов;
2) одноместные предикаты, определяющие принадлежность элемента классу;
3) двуместные отношения, связывающие два объекта друг с другом;
4) ограниченный набор свойств, которые могут характеризовать используемые предикаты, например, транзитивность, симметричность, функциональность, обратная функциональность и т.д.
Механизм вывода. Помимо средств записи знаний предметной области предполагается использование инструмента, способного делать необходимые умозаключения на основе имеющихся знаний. Таким средством могут послужить декларативные языки программирования, в частности Prolog. Prolog - логический язык программирования, на основе которого можно построить практически любую форму логических рассуждений, записанных в виде предикатов, Например, можно определить предикат «Синоним» и ввести в систему следующие правила:
Синоним(Х,У) |-> Синоним(У,Х)
Синоним(Х,У) , Chhohhm(X,Z) |-> Y=Z
Определив тем самым отношение «Синоним» как транзитивное и функциональное. Подобным образом накопление знаний в формате языка Prolog из записей в синтаксисе OWL представляется алгоритмически возможным. Применение логического языка в данном контексте предоставит возможность:
1) делать выводы из накопленных знаний, что приведет к возможности более полного моделирования онтологий;
2) проверки непротиворечивости (выявление конфликтов и несогласованностей, выявление семантических различий между терминами),
Интероперабельность. Существует еще один важный вопрос, который необходимо рассмотреть для того, чтобы организовать полноценную онтологию - это вопрос взаимодействия онтологий, Необходимо предоставить средства интеграции конкретной онтологии с другими, уже существующими или предусмотренными в будущем. Такая возможность уже реализована с применением стека протоколов, разработанных для идеи Semantic Web, учитывающей возможности повторного использования онтологий и общих словарей терминов в качестве своей основной парадигмы. Основные инструменты для реализации идеи Semantic Web предоставляют следующие возможности:
1) XML позволяет описать синтаксическую составляющую структурированных документов, но не имеет средств для отображения семантики документа;
2) XML Schema - язык, определяющий структуру XML документа, а также расширяющий XML типами данных;
3) RDF - это модель данных, основанная на описании объектов ("ресурсов") и отношений между ними;
4) RDF Schema - это словарь, описывающий свойства и классы RDF ресурсов. RDF Schema несет в себе семантическую составляющую, с помощью которой строится иерархия классов;
5) OWL добавляет дополнительные средства для описания классов и свойств; отношения между классами (например, непересекаемость), мощность, эквивалентность, разнообразные типы свойств, характеристики свойств, enumerated classes.
Интересно, что вышеописанный подход к реализации Semantic Web представляется как аналог разрабатывающихся сегодня проектов openSourse [3], где эксперты описывают определенные предметные области, а эти описания становятся частью более общей онтологии.
На рис, 2 изображена концептуальная схема среды разработки онтологий, спроектированной с учетом изложенных фактов.
Рис. 2. Концептуальная схема инструментальной системы
В качестве примера на рис.3 приведен пользовательский интерфейс описания классов реализованной инструментальной системы,
Для реализации инструментальной системы в качестве технологии для хранения онтологий был избран формат OWL DL. OWL DL обеспечивает максимальные выразительные возможности при сохранении вычислительной полноты (все выводы гарантированно вычислимы) и разрешимости (все вычисления будут завершаться в конечное время). Название этого подъязыка (из трех уровней стандарта OWL) включает аббревиатуру DL, указывающую, что он основан на логике описаний (Description Logics) - классе логик, представляющих собой разрешимые подмножества логик первого порядка. Этот подъязык включает все конструкции OWL, но они должны использоваться с определенными ограничениями, которые в предлагаемой системе находятся под контролем машины вывода, Структурная схема ИС приведена на рис. 4.
Графическое представление таксономии. В качестве- методологии для графического представления таксономии используется стандарт IDEF5, а именно схематический язык SL (Schematic Language). SL является наглядным графическим языком, специально предназначенным для изложения компетентными специалистами в рассматриваемой области системы основных знаний в форме онтологий [4], Этот язык позволяет естественным образом представлять основное содержание онтологии и дополнять существующие онтологии новыми знаниями.
йайл Нсйс'<ч
Р«окт«осгэдо#ы {.Гцвфичеею» Лйает*».*»«« |
-•т х)
Масс* |Олы( Счт>ясги|
ШМШШ
Злектрсочергетячеоч« с-тете»-*; ■ Системы г&зослабжеинг Системы
Системы ужп&бхкыя
З^бда - Участки Шахте
Рис. 3. Пример интерфейса описания классов
Рис. 4. Структурная схема ИС
51 позволяет строить разнообразные типы диаграмм и схем в ЮЕР5. Основная цель всех этих диаграмм - наглядно и визуально представлять основное содержание онтологии. Графические средства описания структуры объектов предметной области реализуют возможность представления знаний в разрезе:
1) классификации;
2) композиции;
3) схемы взаимосвязей;
4) процессов изменения объектов [5].
Это делает возможным определять наиболее полезные свойства инструментальной системы для повышения эффективности описания модели предметной области. Стандарт ЮЕР5 предоставляет структурированную методологию, с помощью которой можно наглядно и эффективно разрабатывать, поддерживать и изучать эту онтологию. Пример композиционной схемы в терминах ЮЕР5 приведен на рис. 5,
шшшшшвшштшштшмтшшшт.\
оапл Проект
Рвцачср сгадаарс! Г^дамвске* rpttcratn^a \ Компсэщмсикя схена j Kfláosttj.kaíAmoí-MsncxsMa ] Сш-ч е^Ц^Цбссймй
-ТЗК
Злектрсонвргвткчвслив системы ÜtJTíbíbí гаэогнайжгчия Системы нвфге;иабжамия
С№«в(«ы у л««иа$жеии*
Участии
Разрезы
Обвгсп!гельные озЗрнкн У row-tu? 6-vsbi Сйётемы т«пясо<абягжя
системы
' 5 -
\
}
Уч.
да
/ ч
X лXхл
XJ
л
Проект: ехда>! ■Текуш^й кла:с: Ша.чтг| ;Xí'Í¿ W>.r ' ■■^SÜu -. '^-'.'-- '' ■ -v W: • Щ
Рис. 5. Пример таксономии ТЭК
Заключение. Можно довольно долго дискутировать по поводу достоинств и недостатков описанных средств и технологий. Однозначно можно сказать, что стандартизация описания знаний в области онтологий играет решающую роль на пути создания Semantic Web и, в лице OWL, предоставляет мощный инструмент, учитывающий и предоставляющий все возможности для применения наиболее грамотного подхода к описанию онтологий. Организация машины вывода и средств графического представления даст возможность выявления новых свойств предметной области уже в процессе ее создания, за счет наглядности и логического контроля.
Библиографический список
1. Овдей О.М., Проскудина Г.Ю. Обзор инструментов инженерии онтологий // Журнал Электронные Библиотеки // www.elbib,ru/index.phtml?page=elbib/rus/journal/2004/part4.
2. Манцивода A.B. Онтологии - дорога в будущее /
3. http://teacode.com/concept/eor/sp6.html.
4. Манцивода A.B. Семантический Интернет / http://teacode.com/concept/eor/sp2htmi.
5. Костюченко А,П. Построение онтологий для системных исследований в энергетике// Труды X Байкальской Всероссийской Конференции, Информационные и математические технологии в науке технике и образовании, - Иркутск, 2005, - Н. 1.
6. Верников Г.А, Обзор стандарта IDEF5. Описание стандарта онтологического моделирования IDEF5, //http://www.vpg, ru/main.mhtml?PublD=25.
О.М.Попова
Построение геоинформационной системы электрических сетей
В лаборатории проблем развития электроэнергетических систем ИСЭМ СО РАН разработана первая версия геоинформационной системы (ГИС) развивающихся электрических сетей. Она создана в увязке с оптимизационной моделью и предназначена для визуализации и анализа вариантов развития основной элек-
трической сети электроэнергетической системы (ЭЭС) [1-3]. В настоящее время разрабатывается вторая версия рассматриваемой системы, на рис. 1 показаны ее основные компоненты,
Работа программы ElectNet, связанной с Maplnfo по технологии OLE Automation, подробно рассмотрена
