Программные инструменты для построения и работы с онтологиями

Онтологии – это способ точного описания (специфицирования) структуры знаний предметной области (домена) в виде формальной логики, спроектированной для компьютерной обработки. Имеются многочисленные ссылки на использование онтологий и таксономий разработчиками основополагающих IT-решений по интеграции приложений корпоративного уровня (enterprise-applicationintegration (EAI)). Предлагаются платформы, популярно обозначаемые термином «семантическая интеграция», для обмена информацией между разнородными ресурсами, такими, как действующие БД, полуструктурированные репозитарии, отраслевые стандартные директории, словари типа WebXML и потоки неструктурированного контента, такого,

как текст и мультимедиа. Онтологии, например, используются для управления извлечением семантического содержания из коллекций обычных текстовых документов, описывающих медицинские исследования, потребительские товары и различные связанные с бизнесом темы.

Инициативы правительств многих стран направлены на усиление возможностей ИТ, имеющихся у федеральных агентств и объединяют использование онтологий с существующими инфраструктурами для выполнения аналитических оценок информации, приходящей из различных источников. Типичными примерами этого являются: антитеррористический интеллектуальный анализ, поддержка работы центров управления и принятия решений. Крупные сервисы по поиску в сети Web, такие, как Google и Yahoo,

используют основанные на онтологиях подходы для поиска и организации содержания сети Web. Google, который приобрел Applied Semantics, Inc., один из лидеров по разработке инструментов для извлечения семантики, предсказывает быстрое наращивание роли онтологий в разнообразных информационных ресурсах.

Процесс построения онтологий охватывает:

• Подробное описание (спецификацию) предметной области (проблемы).

• Фиксацию и анализ знаний домена.

• Концептуальное проектирование онтологии в интересах профессионального сообщества.

• Тестирование и итеративное конструирование.

• Публикацию онтологии как терминологии предметной области.

• Заполнение соответствующей базы знаний экземплярами понятий

онтологии.

Инструменты создания онтологий в большинстве своем требуют, чтобы их пользователи были обучены представлению знания и логике предикатов. Обычно онтологии строятся инженерами по знаниям, которые работают со специалистами по предметной области или экспертами по рассматриваемой теме.

Для масштабирования этого подхода на большое предприятие распределенная команда экспертов по рассматриваемым темам должна быть способна независимо выполнять некоторые виды деятельности.

Например, они должны быть способны вводить и корректировать знания напрямую и легко, без специальной подготовки в области представления знаний, выявлять или манипулировать ими.

Однако процесс построения онтологии, при всей его важности, не исчерпывает всех этапов жизненного цикла столь важного продукта. Специалисты по управлению знаниями сходятся в следующем понимании этапов жизненного цикла онтологии (рис. 4.3):

• Построение (creating).

• Заполнение (populating).

• Проверка (validating).

• Использование (deploying).

• Поддержка (maintaining).

• Развитие (evolving).

Рис. 4.3. Жизненный цикл онтологии

[Тузовский А.Ф., Чириков С.В., Ямпольский В.З. Системы управления знаниями (методы и технологии) / Под общ. ред.В.З. Ямпольского. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005. – 260 с].

В мире в настоящее время доступны многочисленные коммерческие и бесплатные (с открытым кодом) программные инструменты и системы для построения и использования онтологий в управлении знаниями, а также для их интеграции с инфраструктурой сетей Web и БД. Многие из них относятся к категории редакторов онтологий. Редактор онтологий – программа, предоставляющая графический интерфейс для удобного описания схем онтологий, редактирования структуры онтологии, для проверки ее согласованности, для представления онтологий с использованием выбранного языка описания. Однако редакторы не покрывают весь набор функций взаимодействия пользователей с онтологиями на всех этапах жизненного цикла. Поэтому многие доступные продукты расширяют для пользователей перечень функций и сервисов, реализуемых редактором. В качестве иллюстрации далее приводится описание Protégé 2000 (рис. 4.4).

Этот инструмент разработала Knowledge Modeling Group (KMG) Стэнфордского университета (Stanford University) как часть проекта Protégé, выполняемого в течение последних 15 лет и включающего разработку набора инструментов моделирования знаний [Gennari J., Musen M.A., Fergerson R.W., et al., 2002]. Текущая версия редактора онтологий Protégé является расширяемым приложением с открытым кодом, которое теперь доступно как бесплатное ПО по условиям открытого кода Mozilla Public License и совместимо с широким набором языков представления знаний.

Эта система позволяет пользователям строить онтологию предметной области, настраивать формы для ввода описаний экземпляров и вводить сами данные. Этот инструмент может быть легко расширен для работы с другими, основанными на знаниях, приложениями. Например, графические элементы (widgets) могут быть добавлены для таблиц и диаграмм. Protégé может также использоваться другими приложениями для получения доступа к данным. Protégé позволяет пользователям одновременно работать с понятиями (классами) и их экземплярами. Это обеспечивается единым графическим интерфейсом, верхний уровень которого состоит из перекрывающихся панелей (закладок) для компактного представления информации. Панель «Classes» используется для определения классов и иерархий классов, слотов и ограничений на значения слотов, отношений между классами и свойств этих отношений. Панель «Instances» используется для ввода экземпляров понятий (классов), описанных в онтологии. Для ввода описаний экземпляров используются формы, основанные на типах слотов (свойств) понятий, которые были описаны. Созданная автоматически системой форма для описания экземпляров может быть изменена путем задания порядка расположения полей на экране, изменения их размера, заголовков и свойств слотов.

Основным предположением Protégé 2000 является то, что системы, основанные на знаниях, обычно являются очень дорогими для построения и поддержки. Например, предполагается, что разработка систем, основанных на знаниях, выполняется командой, которая включает как разработчиков онтологии, так и экспертов в предметной области, которые могут быть менее знакомыми с компьютерной программой. Protégé 2000 спроектирован таким образом, чтобы направлять действия разработчиков и экспертов в процессе разработки системы. Он позволяет разработчикам повторно использовать онтологии и методы решения задач, тем самым сокращая время, требуемое для их разработки и поддержки. Несколько приложений могут использовать одну и ту же онтологию для решения различных задач, и один и тот же метод решения задач может использоваться с различными онтологиями.

Рис. 4.4. Окно системы Protégé 2000

Основные особенности системы Protégé 2000:

• Импортируемые форматы

- XML, RDF(S), XML Schema и OWL при использовании plugin.

• Экспортируемые форматы

- XML, RDF(S), XML Schema, FLogic, CLIPS and Java HTML.

• Графическое представление

- с помощью GraphViz plug-in (просмотр классов и глобальных свойств);

- с помощью Jambalaya plug-in (вкладываемое графическое представление).

• Проверка согласованности

- с использованием plug-ins (PAL and FaCT).

• Ограниченная многопользовательская поддержка

- в Protégé 2.0 были добавлены новые возможности поддержки многопользовательской работы. Это предназначалось для опытных пользователей Protégé. Группа пользователей может читать одну и ту же БД и последовательно выполнять ее изменения или вносить изменения, которые не приводят к взаимным конфликтам. Однако нет поддержки ситуации, когда несколько пользователей пытаются изменять один и тот же элемент онтологии или оповещений об изменениях, сделанных другими пользователями. Одновременное изменение одной и той же части онтологии может привести к проблемам.

• Web-поддержка

- с помощью Protégé-OWL plug-in;

- Protégé не предоставляет прямой возможности доступа к онтологии через Web-сеть, но это может быть просто сделано. Многие пользователи работают с удаленными онтологиями в Web-сети с использованием servlets. В этом случае Protégé может выполняться как applet. Сейчас доступна новая версия Protégé Web Browser.

Он может быть загружен со страницы plug-ins системы Protégé.

The Protégé Web Browser дает пользователям возможность просматривать Protégé онтологии и БЗ в их Web-браузерах, без необходимости станавливать локально приложение Protégé.

• Дополнительные особенности:

- слияние с помощью Anchor-PROMPT plug-in;

- нет возможности добавить новый базовый тип;

- расширенная архитектура plug-in.

• Хранение онтологий

- файл и СУБД (посредством JDBC).

В качестве примера использования Protégé 2000 для описания онтологий на рис. 4.5 приводится онтология «Управление знаниями».

Рис. 4.5. Таксономия понятия «Управление знаниями» и используемых теорий, методов, процессов

[Тузовский А.Ф., Чириков С.В., Ямпольский В.З. Системы управления знаниями (методы и технологии) / Под общ. ред.В.З. Ямпольского. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005. – 260 с].

Этот пример, с одной стороны, иллюстрирует работу программного инструмента Protégé 2000, а с другой – структуру столь сложного понятия, как «Управление знаниями», рассмотрению которого посвящены основные разделы настоящей монографии. Для создания онтологии «Управление знаниями» использовался редактор Protégé версии 3.0, разработанный в лаборатории медицинской информатики медицинского университета Стэнфорда.

Графический интерфейс редактора (рис. 4.6) позволяет инженеру по знаниям визуально конструировать онтологию, не задумываясь о том, как она будет храниться в памяти компьютера.

Рис. 4.6. Интерфейс редактора онтологий Protégé 3.0

Воспользовавшись соответствующей функцией Protégé, можно сохранить онтологию в одном из доступных форматов представления знаний. Для увеличения числа форматов, доступных Protégé, могут быть подключены соответствующие модули расширения редактора – плагины. В данном случае онтология была записана на языке OWL (Ontology Web Language) с использованием OWL-плагина.

В табл. 4.2 приведен обширный, но далекий от исчерпывающего список доступных образцов инструментов и краткое описание их возможностей [Polikoff I.]. Ряд коммерческих инструментов и систем поддерживает многие, иногда все, стадии жизненного цикла онтологий. В этом случае инструменты помещены в категорию, в которой их возможности реализованы наиболее сильно.

Таблица 4.2.

Инструменты и системы для работы с онтологиями

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте понятие инструметальные средства работы со знаниями.

2. Охарактеризуйте эволюцию развития инструментальных средств.

3. Дайте классификацию офисного программного обеспечения .

4. Охарактеризуйте программное обеспечение информационных систем.

5. Приведите примеры программных инструментов для построения и работы с онтологиями.

Учебная литература

1. Трофимова Л.А. Управление знаниями : учебное пособие / Л.А. Трофимова, В.В. Трофимов. – СПб. : Изд-во СПбГУЭФ, 2012. – 77 с.

2. Мильнер Б.З. Инновационное развитие. Экономика, интеллектуальные ресурсы, управление знаниями / Б.З. Мильнер, В.Л. Макаров, В.И. Маевский. М. : Инфра-М, 2010. 624 с.

3. Управление знаниями / под ред. Т. Андреевой, Т. Гутниковой. М. : Альпина Бизнес Букс, 2006. 208 с.

4. Мильнер Б.З. Управление знаниями в корпорациях / Б.З. Мильнер, З.П. Румянцева, В.Г. Смирнова, А.В. Блинникова. М. : Дело, 2006, 304 с.

5. Джанетто К. Управление знаниями: Руководство по внедрению корпоративной системы управления знаниями / К. Джанетто, Э. Уиллер. М. : Добрая книга, 2005. 192 с.

6. Орлова Т.М. Управление знаниями: Как превратить знания в капитал / Т.М. Орлова, А.Л. Гапоненко. М. : Эксмо, 2008. 400 с.

7. Тузовский А.Ф., Чириков С.В., Ямпольский В.З. Системы управления знаниями (методы и технологии) / Под общ. ред. В.З. Ямпольского. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005. – 260 с.

8. Гуленко В.В. Менеджмент слаженной команды. Соционика для руководителей АСТ, Астрель; 2003 г. http://bookap.info/socionica/gulenco2/

9. Мильнер Б.З. Концепция управления знаниями в современных организациях. Институт экономики РАН. Государственный университет управления. Российский журнал менеджмента №1, 2003 г. с.57-76,

10. http://www.rfbr.ru/pics/20742ref/uprznan.pdf Аналитический обзор «Управление знаниями»