CC BY
19
УДК 303.732.4 004.82 512.573
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СОПРОВОЖДЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СРЕД ОБЛАСТЕЙ ЗНАНИЙ
© 2005 г. К.И. Костенко, Б.Е. Левицкий
Requirements are determined for the algebraic systems offered as formal model of subject domains knowledge spaces and based on results of the analysis of knowledge acquisition, maintaining and applying technologies. The concept is developed for construction of the family of axiomatic algebraic systems that forms the set of interconnected formalized models of subject domains knowledge spaces. The structure of the carrier of basic algebraic system and structure of systems of knowledge processing operations (semantic operations) for problems of elicitation, providing decision, extraction, analyzing and spread of knowledge is investigated. The analysis of parameters of a class of knowledge adaptation operations closes the work.
Введение
В работе выполнен анализ системы параметров, предлагаемой в качестве основы формальной структурно-функциональной модели сложных информационных сред, обеспечивающих обслуживание информационных потребностей различных категорий пользователей в предметных и профессиональных знаниях. Естественной формой организации таких сред являются среды областей знаний (СОЗ) [1]. Формальное уточнение и систематическое исследование свойств параметров модели информационной СОЗ создает теоретическую основу для построения интегрированных интеллектуальных информационных сред в конкретных предметных областях, осуществляющих представление, накопление, обработку и эффективное использование (передачу) массивов предметных и профессиональных знаний.
1. Электронная библиотека как основа СОЗ
Публикации в специализированных изданиях являются важной формой первоначального представления новых знаний, наиболее существенные из которых включаются впоследствии в монографии и учебные пособия, образуя основной источник материалов для создания и развития массивов знаний отдельных предметных областей. Поэтому научные электронные библиотеки оказываются существенным источником материалов и знаний для построения сред развивающихся областей знаний (ОЗ) и их составной частью.
Основная задача, решаемая научными электронными библиотеками: предоставление пользователям доступа к документам на основе контекстного поиска и навигации в электронной среде, использующим метаданные, объединяемые в онтологию ОЗ [2], а также простейшую структуризацию материала, в которой к статье добавляются сведения об авторах, аннотация, ключевые слова, информация о порядке доступа. Эти возможности признаются недостаточными и малоэффективными для обеспечения продуктивной профессиональной деятельности [3, 4]. На базе полнотекстовых электронных коллекций сложно организовать единое, полное и связное представление существующих многообразий предметных и профессиональных знаний. Стандартными средствами электронных библиотек практически невозможно обеспечить организацию и использование процессов сбора, выделения и структуризации новых знаний, формирования причинно-следственных и иных связей между отдельными знаниями, научными работами и ре-
зультатами в них, представлять уровень конкретных работ и их значимость, проводить систематическую деятельность по удалению документов, содержащих устаревшие, неточные или повторяющиеся знания. Решение перечисленных и других задач должна обеспечить типовая структура СОЗ, практическая реализация которой основана на уточнении модели систем применяемых электронных библиотек, включая схемы структуризации отдельных документов, группирования и классификации материалов, семантического связывания отдельных элементов библиотек и их структурных компонент. Взаимодействие электронных библиотек с другими компонентами СОЗ реализуется на основе многозначного, многоуровневого семантического связывания, системы операций доступа и обработки структурированных электронных документов [5, 6].
2. Электронные информационные СОЗ
Электронной СОЗ называется всякий открытый информационный ресурс, обеспечивающий возможность единого и полного структурно-семантического представления массива предметных и профессиональных знаний и методов их обработки, организованный в форме иерархической семантической сети, создаваемой из элементарных знаний, которые по определенным правилам группируются в сложные [1, 5]. Развитие СОЗ является результатом процесса качественного и количественного изменения содержания, включающего деятельность по добавлению новых материалов, анализу и преобразованию информационных объектов в составе среды. Участвующие в процессе развития среды функциональные механизмы образуют множество внешних и внутренних операций, обеспечивающих первичную структуризацию новых материалов, обработку текущего содержимого среды, направленную на достижение соответствия развиваемому массиву первичных данных. Использование информационных СОЗ обеспечивается внутренними механизмами, организующими формирование и предоставление адаптированных к информационным потребностям пользователей фрагментов среды и сценариев работы с ними [5]. Уточнение требований к модели СОЗ дается в форме описания существенных структурно-функциональных свойств таких сред, представленных точными формулами, в которых конкретизируются основные информационные компоненты и функциональные механизмы, что позволяет рассматривать их в качестве аксиом, необходи-
мых для проведения исследования и преобразования знаний [1, 2].
Системный подход к обслуживанию интеллектуальных информационных потребностей конкретных видов деятельности на основе обработки массивов предметных и профессиональных знаний приводит к задаче построения семейства взаимосвязанных, дополняющих и уточняющих структурно-функциональных моделей, разработка которых позволяет реализовать технологии решения следующих основных классов задач: извлечение, структуризация и размещение массивов профессиональных и предметных знаний, представленных электронными материалами разных типов; аналитическая обработка массива размещенных знаний предметной области, включающая анализ содержимого среды и процессов работы с ним, определение полноты и непротиворечивости данных, обобщение знаний и удаление избыточных знаний; формирование и передача пользователям фрагментов области знаний, адаптированных к профессиональному уровню и информационным потребностям, обеспечивающих появление у них систем собственных (внутренних) представлений о предметной области, практическое использование которых позволяет успешно осуществлять профессиональную деятельность.
Построение подходящего семейства моделей использует подход, основанный на развиваемой системе описаний множеств информационных объектов, комбинации которых образуют фрагменты СОЗ, а также совокупностей свойств знаний и методов их обработки [7]. Каждая из создаваемых моделей может быть построена в форме набора компонент, включающего множество структурированных объектов, а также семейства функциональных и логических операций над ними, определяющихся с помощью правил конструирования фрагментов информационной среды, структурных, семантических и других свойств таких фрагментов. Всякая модель СОЗ представляет собой специальную алгебраическую систему, образуемую точно определенным носителем (множеством элементов), а также множествами функциональных отображений и предикатов на носителе [8].
Базовая модель алгебраической системы для информационных сред произвольных ОЗ отражает наиболее общие свойства организации и обработки знаний, являясь объектом последующего расширения и уточнения. Определение совокупности таких свойств с целью последующего построения на их основе системы уточняющих друг друга аксиоматизируемых алгебраических систем [9], в которых последовательно конкретизируются и развиваются элементы, содержащиеся в предшествующих системах, является главной задачей настоящей работы. Множество разных алгебраических систем моделей ОЗ структурируется отношением порядка «обобщается», выполняемого для тех и только тех пар систем А и В, для которых существует гомоморфизм системы А в некоторую подсистему системы В [9]. Данное отношение удобно представлять в виде композиции двух специальных отношений: «является частью» и «является уточнением». Первое из
приведенных отношений отражает связь произвольной системы с системой, получаемой из неё добавлением новых функциональных или логических элементов, не выражаемых средствами исходной системы. Отношение «является уточнением» имеет место для таких пар систем А и В, для которых существует гомоморфизм А в подсистему системы В. Тогда отношение «обобщает» является произведением отношений «является частью» и «является уточнением».
На множестве алгебраических систем моделей ОЗ отношение порядка «обобщается» образует иерархию, в которой каждой модели соответствует совокупность используемых структур знаний и многообразие возможностей их обработки. Элементы нижних уровней такой иерархии образуют прототипы моделей, на основе которых разрабатываются реальные информационные среды для конкретных областей.
4. Информационный компонент модели СОЗ
Содержание СОЗ представляется с помощью сложной структуры, в которой реализуется представление массивов разнородных информационных объектов. В модели алгебраической системы СОЗ это содержание представлено специальным множеством - носителем системы, составленным из элементарных информационных объектов, а также комбинаций таких объектов, образующих составные фрагменты среды.
Схемы представления содержания конкретных ОЗ, используемые в существующих моделях, обычно связаны с применяемыми в этих областях структурами разделов и результатов, используемыми классификациями понятий, а также видами смысловых (семантических) зависимостей между ними. Системные представления о структурной организации интеллектуальных информационных сред основываются на схемах классификации и индексирования информационных объектов (материалов), использовании многоуровневой системы онтологий, включающей как онтологии массива предметных знаний, так и онтологии процессов создания (сопровождения) и предоставления (использования) знаний [5]. Собственно предметные знания представлены одним или несколькими массивами слабоструктурированных документов [10].
Структура носителя для всякой алгебраической системы СОЗ включает семейство компонент, используемых основными операциями обработки знаний, и имеет вид многоуровневой системы информационных объектов.
Верхний концептуальный уровень образуется данными, отражающими наиболее общие представления о содержании предметной области и средствах их конструирования. Этот уровень образуют:
• язык представления предметных знаний, включающий систему специальных терминов и ме-тапонятий, используемых для определения правил построения структур знаний и описания их свойств;
• правила построения и проверки правильности представления знаний в среде;
• система типов (классов) семантических зависимостей информационных объектов в составе среды, которые структурированы с использованием таких соотношений, как общее-частное, совместимость, независимость, допустимые правила комбинирования семантических зависимостей;
• структура предметной области (области знаний), имеющая вид иерархии наименований отдельных разделов (фрагментов) и их структурированных описаний (аннотаций разделов);
• иерархия основных знаний и результатов предметной области, основанная на именованных, структурированных представлениях, многозначной классификации и связывании между собой причинно-следственными и иными видами семантической зависимости, отдельных знаний, а также описаниями областей и условий их практического применения;
• система целей и задач предметной области, включающая ссылки на используемые для их решения результаты, в том числе из смежных ОЗ.
Функциональные механизмы построения компонент носителя алгебраической системы, относящихся к рассматриваемому уровню, связаны с факторизацией содержания области знаний, обеспечивающей полное и связное представление содержания предметной области, отражающее наиболее существенные знания и соотношения между ними.
Уровень отдельных направлений (тематик) ОЗ образует массив специализированных профессиональных знаний, в который входят следующие компоненты:
• словари описаний специальных терминов, применяемых в отдельных разделах ОЗ, составленных из сведений, конкретизирующие их структуру и содержание, а также варианты их применения в представлении знаний;
• сценарии и методики применения знаний в профессиональной деятельности, образуемые в форме подборок фрагментов СОЗ, связанных зависимостями, отражающими порядок использования фрагментов при решении задач пользователей;
• актуальные направления развития предметной области и решаемые задачи, образованные системами новых знаний и результатов, гипотезами, программами и планами исследований.
На этом уровне отражаются знания, предоставляемые пользователям для решения профессиональных задач, обучения и консультирования, сведения о тенденциях выполняемых исследований.
Уровень элементарных знаний представлен:
• классификатором элементарных знаний, имеющим вид иерархии типов простейших (атомарных) знаний, которым сопоставлены описания, включающие сведения о содержимом и свойствах соответствующих информационных объектов;
• типовыми структурами элементарных знаний, применяемыми в предметной области, специфицирующими основные схемы структуризации полнотекстовых документов разных типов;
• базой элементарных (атомарных) знаний разных типов.
Уровень первичных информационных объектов образуют материалы, в которых содержатся новые знания о предметной области, создаваемые вне электронной среды знаний этой области, добавляемые в форме специальных структурированных объектов с целью последующей обработки и извлечения новых знаний и их отображение в компонентах других уровней среды. Распространенным видом первичных информационных объектов являются научные публикации.
5. Семантические операции СОЗ
Семантическими операциями называются операции обработки объектов в составе информационной СОЗ, в которых отражаются основные виды профессиональной деятельности, применяемые специалистами как при получении и накоплении знаний, так и при их анализе и использовании для решения профессиональных задач. Определим неформальные требования к свойствам семантических операций:
a) семантической операции может быть сопоставлено имя содержательного процесса, входящего в состав словаря понятий существующих философских и педагогических моделей или определяемого с использованием элементов такого словаря, включаемое в состав сигнатуры алгебраических систем;
b) всякая операция должна отражать существенные свойства соответствующих ей понятий;
c) операции являются монотонными относительно смыслового содержания обрабатываемых информационных объектов;
ф каждая операция допускает вербальное описание, которое может быть уточнено вплоть до полной формализации.
В структуре всякой алгебраической системы СОЗ семантические операции на множестве информационных объектов разбиваются на классы логических операций (предикатов) и функциональных преобразований, результатами которых являются элементы носителя (информационные объекты). Возможность определения полной и окончательной структурированной системы точно определенных семантических операций, допускающих алгоритмическую реализацию и имеющих практическое применение, представляется маловероятной из-за очевидного многообразия форматов представления знаний и методов их обработки. Учет всех таких возможностей в рамках одной системы чреват получением громоздкой и негибкой модели. Используемый в настоящей работе подход позволяет сформировать систему классов функциональных преобразований и предметных предикатов, для которых обеспечивается преемственность и возможность развития разнообразных свойств семантических операций. При таком подходе верхние уровни системы определений отдельной семантической операции являются менее формализованными и точными, обобщающими, которые уточняются в элементах более низких уровней. Анализ существующих примеров информационных документальных сред, разработанных для отдельных ОЗ и применяемых в них технологий извлечения и структуризации знаний,
позволяет сформировать начальную систему семантических операций, которые должны быть определены и исследованы в составе начальной алгебраической системы для СОЗ, используемой в качестве основы построения других алгебраических систем.
Операции декомпозиции первичных информационных объектов
Исходными данными операций декомпозиции являются первичные материалы, содержащие знания, создаваемые вне информационной СОЗ, включаемые в состав среды после предварительной обработки, позволяющей построить их начальное структурированное представление. Основными операциями декомпозиции являются:
• фрагментация первичных информационных объектов, осуществляемая серией последовательных разбиений всего объекта на содержательные компоненты вплоть до неделимых частей, рассматриваемых как элементарные знания;
• построение типовых структур информационных объектов среды, основанное на установлении подобия и сходства структур первичных материалов, позволяющих осуществить их формальное определение их классификацию.
Операции анализа компонентов среды и синтеза новых знаний
Анализ компонентов среды связан с решением задач, относящихся к изучению системы представленных знаний и процессов их использования. Результатом выполнения таких операций является изменение объектов, уже представленных в составе СОЗ, а также генерация новых объектов, рассматриваемая как синтез новых знаний. К данному классу можно отнести семейства операции:
• сравнения знаний, включающее определение сходства их содержания, выделение фрагмента более высокого уровня или более общего из сравниваемых фрагментов, проверку эквивалентности таких фрагментов;
• унификации, связанной с нахождением общего содержания, несовместных сведений, взаимодополняющей информации в составе нескольких фрагментов среды;
• обобщений, позволяющих преобразовывать совокупности фрагментов знаний в знание, обобщающее содержание таких совокупностей (например, для преобразования массива отдельных фактов в обобщенный факт или эмпирический закон);
• порождения новых структурных элементов СОЗ, основанного на ассоциациях между применяемыми структурами и представляемыми на их основе информационными объектами;
• генерации гипотез, состоящей в определении возможных направлений развития СОЗ, целей и ожидаемых результатов исследований, подтверждаемых потоком размещаемых в среде первичных информационных объектов.
Операции пополнения СОЗ
С помощью таких операций производится изменение содержимого СОЗ, вызванное появлением в ее составе новых информационных объектов, кото-
рые поступают от внешних источников данных как результат декомпозиции первичных материалов и не могут быть получены в результате операции синтеза. Операции данного класса представлены отображениями:
• определения видов семантической зависимости между информационными объектами СОЗ, дополненными действиями по включению в информационную среду информационных объектов, представляющих такие связи;
• классификации новых фрагментов знаний, позволяющей определять разделы среды, в которых размещаются представления первичных материалов, дополненных действиями по добавлению к среде или удалению фрагментов материалов в случае совпадения содержимого.
Операции передачи и контроля знаний
Задачи практического использования информации, размещенной в составе СОЗ, решаются с помощью операций, обеспечивающих формирование фрагментов системы знаний, соответствующих информационным потребностям пользователей, а также контроль знаний. К таким операциям относятся:
• адаптация среды к профессиональному уровню и информационным потребностям пользователя, включающая адаптацию содержания элементарных информационных объектов и структурную адаптацию фрагментов среды [11];
• моделирование и конструирование процессов решения профессиональных задач и профессиональной деятельности;
• контроль знания основных результатов предметной области, закономерностей и правил профессиональной деятельности;
• контроль знания общей структуры предметной области, современного состояния развития, актуальных целей и задач исследования, возможных направлений дальнейшего развития.
Определенная выше система общих классов семантических операций задаёт общие требования к множеству операций алгебраической системы, предлагаемой в качестве начального прототипа модели для СОЗ. Перечисленные в ней типы операций являются элементами множеств отображений и предикатов для носителя такой алгебраической системы, а их исследование имеет целью изучение возможностей СОЗ и выбор направлений дальнейшего развития модели.
6. Адаптация фрагментов СОЗ
Операции адаптации осуществляют обработку материалов информационной среды, обеспечивающую требуемый уровень представления содержащихся в них знаний. Содержательные представления о свойствах процессов адаптации предполагают их монотонность относительно смыслового содержания информационных объектов, что позволяет считать адаптацию семантической операцией, а многие из обозначенных выше семантических операций интерпретировать как адаптирующие преобразования. Например, такая распространенная операция как унификация знаний, представленных не-
сколькими информационными объектами, может рассматриваться как взаимная адаптация этих объектов. Классификация видов и форм адаптации является хорошо разработанной и отражает результаты многостороннего и детального анализа содержательных представлений, основанных на многочисленных примерах практической реализации механизмов адаптации в конкретных информационных средах [11-13, 15]. Эта классификация может быть использована для построения формализованной иерархии процессов адаптации информационных объектов, основанной на точных формулировках таких понятий, как уровень профессиональных знаний пользователя и уровень среды. Уровень фрагмента среды представляется значениями системы специальных параметров, для которых определены подходящие отношения порядка, позволяющие сравнивать различные уровни представления знаний. Примерами параметров, используемых в конкретных примерах адаптивных информационных систем, являются:
• предметные словари, для которых определены подмножества, соответствующие разным уровням представления знаний, и задано отношение порядка, основанное на включении множеств;
• структуры представления знаний, определяющие их разнообразие и выразительные возможности, сложность и полноту изложения;
• системы разделов и результатов предметной области, определяющие полноту представления содержания предметной области;
• качественные показатели представленной информации, соответствующие стилю изложения материала, его точности, строгости, абстрактности, детальности.
Для организации метаданных СОЗ применяются различные модели, включающие:
• структуризацию множеств значений параметров в виде иерархий в отношениях являться и быть частью, позволяющую учитывать зависимость значений при сравнении подмножеств областей значений понятий, используемых в составе фрагментов среды;
• словари синонимов, совпадения смысла понятий, сочетаемости понятий из различных словарей, а также таких информационных единиц, как предложение, формализованное правило, структурированный текст;
• классификацию структур фрагментов информационной среды, основанную на правилах, позволяющих оценивать выразительные возможности отдельных структур, а также значимость отдельных элементов таких структур и связей между ними;
• схемы трансформации структур знаний в эквивалентные или адаптированные структуры, изменения содержимого элементарных информационных объектов, обычно представляемые в форме рекурсивных правил [12];
• систему правил оценки величины сходства и близости содержания отдельных информационных объектов, позволяющую реализовать выбор объектов требуемого уровня из списков таких объектов.
Значения перечисленных и других возможных параметров могут быть сопоставлены каждому конкретному фрагменту СОЗ. Построение системы уровней адаптации для содержимого СОЗ предполагает определение совокупности именованных наборов значений выбранных параметров, которые характеризуют содержательные требования к объему и качеству извлекаемых и предоставляемых знаний, после чего осуществляется поиск и преобразование соответствующих фрагментов СОЗ. Процесс адаптации фрагмента ОЗ приводит к уточнению его структурных свойств и содержания элементарных информационных объектов в его составе [11, 13]. Трансформация фрагмента знаний некоторого уровня к предшествующему или смежному элементу в иерархии уровней может рассматриваться как проекция его структуры и содержания на другой уровень, определяемый новыми значениями системы применяемых параметров. В простейшем случае такая трансформация может представлять собой переход к другому стилю изложения, изменение применяемого терминологического словаря, объёма включаемых во фрагмент сведений, используемых структур элементарных информационных объектов и схем их компоновки в сложные фрагменты и процессы [12, 14]. Формальное уточнение адаптации как операции проектирования фрагмента среды на заданный уровень позволяет перевести изучение этого понятия с дескриптивных и содержательных представлений на точные и логически обоснованные системы свойств и алгоритмов адаптации.
Заключение
Определенная в работе система уровней и классов информационных объектов СОЗ и составляемые из них структуры порождают начальное многообразие интерпретаций элементов носителя алгебраической системы модели такой среды. Приведенная классификация семантических операций СОЗ определяет сигнатуру алгебраической системы, являющейся начальной моделью среды, множествами функций и предикатов которой представляются все такие операции. Следующий этап развития исследуемой в работе модели состоит в формальном описании такой сигнатуры, развитии и изучении свойств систем параметров и свойств семантических операций, позволяющем исследовать сопоставляемые им и другим возможным семантическим операциям системы функций и предикатов в составе алгебраической системы. Главной целью этих исследований является создание формальной теории, лежащей в основе технологии проектирования и применения информационных сред различных ОЗ.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №03-07-96800).
Литература
1. Костенко К.И., Левицкий Б.Е. // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2004. №1. С. 17-22.
2. Aroyo Ь, Dicheva D., Cristea А. // LNCS 2363. 2002. Р. 270-280.
3. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб., 2001.
4. Kalfoglou Y., Schorlemmer M. // The Knowledge Engineering Review. 2003. Vol. 18.№ 1. Р. 1-31.
5. Borgman C.L. // LNCS 2555. 2002. Р. 1-13.
6. Plant R., Gamble R. // The Knowledge Engineering Review. 2003. Vol. 18. № 1. Р. 47-81.
7. Feng L., Jeusfeld M., Hoppenbrouwers J. // LNCS 2555. 2002. Р. 495-506.
8. Общая алгебра. Т. 2/ Под общ. редакцией Л.А. Скорня-кова. М., 1991.
9. ЕршовЮ.Л., Палютин Е.А. Математическая логика. М., 1978.
10. Coleman A.S. et al. // LNCS 2163. 2001. Р. 251-262.
11. Bergmann R. // LNAI 2432. 2002. Р. 219-239.
12. Maneth S., Neven F. // LNCS 1949. 2000. Р. 80-98.
13. Brusilovsky P. // User Modeling and User Adapted Interaction. 2001. Vol. 11 (1/2). Р. 87-110.
14. Aitken S, Curtis J. // LNAI 2473. 2002. Р. 108-113.
15. Костенко К.И., Левицкий Б.Е. Управление знаниями в задаче адаптивного обучения на базе информационных сред предметной области. Сб. докладов научно-практической конференции РБП-СУЗ. М. 2004. С. 250-254.
Кубанский государственный университет_24 января 2005 г.
