Методологии создания и жизненный цикл онтологий. Кратко

Краткий ответ на экзаменационный вопрос по курсу СИИ — системы искусственного интеллекта (все вопросы).

Методологию и «жизненный цикл» создания онтологии обсудим на примере подхода METHONTOLOGY, разработанного Гомез-Перезом (Gomez-Perez) с коллегами, в рамках которого реализуются принципы Грубера, а также разработано программное окружение спецификации онтологии ODE (Ontology Design Environment).

В рамках этого подхода выделяются следующие процедуры в «жизненном цикле» создания онтологии: управление проектом, собственно разработка и поддержка разработки.

Процедуры управления проектом включают планирование, контроль и гарантии качества. Планирование определяет, какие задачи должны быть выполнены, как они организуются, как много времени и какие ресурсы нужны для их выполнения. Контроль гарантирует, что запланированные задачи выполнены и именно так, как это предполагалось. Гарантии качества нужны для того, чтобы быть уверенным в том, что компоненты и продукт в целом находятся на заданном уровне.

Собственно разработка включает спецификацию, концептуализацию, формализацию и реализацию. Спецификация определяет цели создания онтологии, ее предполагаемое использование и потенциальных пользователей. Концептуализация обеспечивает структурирование предметных знаний в виде значимой эксплицитной модели. Формализация трансформирует концептуальную модель в формальную или «вычислительную». Наконец, в процессе реализации вычислительная модель программируется на соответствующем языке представления знаний.

Процедуры поддержки включают действия, выполняемые одновременно с разработкой, без которых онтология не может быть построена. Они представлены процедурами приобретения знаний, оценки, интеграции, документирования и управления конфигурациями. Приобретение знаний аккумулирует знания в заданной предметной области. Оценка дает технические решения по оценке онтологии, соответствующего программного обеспечения и документации как в процессе выполнения каждой фазы, так и между фазами. Интеграция требуется, когда строится новая онтология с использованием уже существующих. Документирование дает детальную, понятную и исчерпывающую Информацию о каждой фазе и продукте в целом. Управление конфигурациями необходимо для архивации всех версий документации, программного обеспечения и кода онтологии, а также для контроля за изменениями.

Общая схема «жизненного цикла» создания онтологии в рамках подхода МЕТHONTOLOGY представлена на рис.

Согласно обсуждаемой методологии сначала здесь строится глоссарий терминов, включающий все термины (концепты и их экземпляры, атрибуты, действия и т. п.), важные для предметной области, и их естественно-языковые описания.

Когда глоссарий терминов достигает «существенного» объема, строятся деревья классификации концептов. Как правило, при этом используются отношения типа subclass-of и некоторые другие таксономические отношения. Таким образом, идентифицируются основные таксономии предметной области, а каждая таксономия, согласно рассматриваемой методологии, дает в конечном счете онтологию.

Следующим шагом является построение «Ad hoc» диаграмм бинарных отношений, целью создания которых является фиксация отношений между концептами одной или разных онтологии. Заметим, что в дальнейшем эти диаграммы могут послужить исходным материалом для интеграции разных онтологии.

После построения представлений, фиксированных выше, для каждого дерева классификации концептов строятся:

• Словарь концептов (Concept Dictionary), содержащий все концепты предметной области, экземпляры таких концептов, атрибуты экземпляров концептов, отношения, источником которых является концепт, а также (опционально) синонимы и акронимы концепта. Фрагмент такого словаря представлен в табл. 8.3.

Табл. 8.3.

Имя концепта	Экземпляр	Атрибуты экземпляра	Отношение
Academic-Staff	-		Supervises
		Age First-Name Last-Name Photo Weight	Has-Publications Editor-of
Researcher	Gomez-Perez	-	Cooperates-with Research-Interest Member-of-Research-Group
...	...	...	...

• Таблица бинарных отношений (Table of Binary Relations) для каждого «Ad hoc» отношения, исходный концепт которого содержится в классификационном дереве. Для каждого отношения фиксируется его имя, имена концепта-источника и целевого концепта, инверсное отношение и т. п. характеристики. Пример двух таблиц этого тина представлен в табл. 8.4, 8.5.

Табл. 8.4. Фрагмент описания отношения Employs

Имя отношения	Employs
Исходный концепт	Organization
Кардинальность	(1, n)
Целостный концепт	Employee
Математические свойства	-
Инверсные отношения	Affiliation
Ссылки	-


Табл. 8.5. Фрагмент описания отношения Affiliation


Имя отношения	Affiliation
Исходный концепт	Employee
Кардинальность	(1, n)
Целостный концепт	Organization
Математические свойства	-
Инверсные отношения	Employs
Ссылки	-
Таблица атрибутов экземпляра (Instance Attribute Table) для каждого экземпляра из словаря концептов. Основные характеристики здесь следующие: имя атрибута, тип значения, единица измерения, точность, диапазон изменения, значение «по умолчанию», атрибуты, которые могут быть выведены с использованием данного, формула или правило для вывода атрибута и др. Пример описания атрибутов экземпляра Weight показан в табл. 8.6.
Табл. 8.6.
Имя атрибута экземпляра	Weight
Тип значения	Mass-Quantity
Единица измерения	Kilogram
Точность	0.001
Диапазон	[0, 200]
Значение "по умолчанию"	-
Кардинальность	(1, 1)
Выводится из атрибута экземпляра	-
Выводится из атрибута класса	-
Выводится из констант	-
;Формула	-
Таблица атрибутов класса (Class Attribute Table) для каждого класса из словаря концептов с аналогичными характеристиками.
Таблица логических аксиом (Logical Axioms Table), в которой даются определения концептов через всегда истинные логические выражения. Определение каждой аксиомы включает ее имя, естественно-языковое описание, концепт, к которому аксиома относится, атрибуты, используемые в аксиоме, логическое выражение, формально описывающее аксиому, и др. Пример описания аксиомы приведен в табл. 8.7.
Табл. 8.7.
Имя аксиомы	The-Head-Of-Project-Works-In-The-Project
Описание	"Работник, являющийся руководителем проекта,  работает в проекте"
Концепт	Employee
Ссылочные атрибуты	-
Переменные	E, P
Определение	Forall (E, P) Employs (E) and Head-Of-Project (E, P) => Works-At-Project (E, P)
Таблица констант (Constants Table), где для каждой константы указывается ее имя, естественно-языковое описание, тип значения, само значение, единица измерения, атрибуты, которые могут быть выведены с использованием данной константы, и т. п.
Таблица формулы (Formula Table) для каждой формулы, включенной в таблицу атрибутов экземпляра. Каждая таблица этого типа, помимо собственно формулы, должна специфицировать ее имя, атрибут, выводимый с помощью этой формулы, естественно-языковое описание, точность, ограничения, при которых возможно использовать формулу, и др.
Деревья классификации атрибутов (Attribute Classification Trees), которые графически показывают соответствующие атрибуты и константы, используемые для вывода значения корневого атрибута и формулы, применяемые для этого. По сути дела, эти деревья используются для проверки того, что все атрибуты, представленные в формуле, имеют описания и ни один из атрибутов не пропущен.
Таблица экземпляров (Instance Table) для каждого входа в словарь концептов. Здесь специфицируется имя экземпляра, его атрибуты и их значения. Пример фрагмента таблицы экземпляров представлен в табл. 8.8.

Табл. 8.8.

Рекомендуемая литература: страница 292, Базы знаний интеллектуальных систем, Гаврилова Т.А.