13. ОНТОЛОГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Настоящая глава представляет собой введение в область искусственного интеллекта интересующуюся онтологиями. Определено понятие онтологии, рассмотрены назначение онтологий, методология их создания. Особое внимание уделено применению онтологий. Подробно описан подход к созданию и использованию онтологии в области проектирования сложных систем.

В книге подробно рассмотрены языки исчислений, которые могут быть использованы для описания свойств различных сред и выявления (вывода) новых. Составление подобных описаний, особенно для сложных сред, непростая задача. Описания подобного типа стали называть онтологиями. Появился новый раздел искусственного интеллекта, посвященный созданию и использованию онтологий. Возникают следующие вопросы:

Что означает термин «онтология»?

Какие перспективы связывают с использованием онтологий?

Что является теоретическим базисом онтологии?

Ответам на эти вопросы посвящен следующий раздел.

13.1. Введение в онтологию

13.1.1. Что означает термин «онтология»?

Люди, организации и программные системы взаимосвязаны между собой. Способ выражения знаний даже об одних и тех же вещах и на одном и том же языке может быть столь различным, что это приводит к непониманию между людьми даже при разговоре об одном и том же предмете. Об этом много написано, в том числе в литературе, не имеющей прямого отношения к искусственному интеллекту. Непонимание становится еще более значительным в случае обмена информацией между людьми, организациями и программами. Возможности взаимодействия программных моделей, созданных в различных организациях, возможности повторного использования и распространения этих моделей весьма ограничены. Это в свою очередь приводит к повторным усилиям по созданию программных моделей, мало отличающихся от уже созданных. Такая ситуация напоминает повторное изобретение велосипеда.

Спрашивается, как можно избежать такого рода изобретений? Естественный ответ — это устранить или свести к минимуму концептуальную и терминологическую путаницу и установить однозначное понимание языка, используемого для формирования требований и спецификаций сложных систем. Такой язык должен прежде всего служить средством коммуникации между людьми, имеющими различный взгляд на одни и те же веши, взаимодействия между программными системами путем трансляции в него и из него, инструментальной поддержки для повторного использования благодаря формальной спецификации, унификации представления различных моделей, автоматизации проверки корректности, переводимости различных методов моделирования в унифицированное представление.

Онтологией называют представленные на некотором языке, обладающем перечисленными ранее свойствами, знания о некоторой области интересов (среде, мире). Онтологии непременно сопутствует некоторая концепция этой области интересов. Чаще всего эта концепция выражается посредством определения базовых объектов (индивидуумов, атрибутов, процессов) и отношений между ними. Определение этих объектов и отношений между ними обычно называют концептуализацией. На определенном этапе концептуализация может быть неявной (или ментальной, т.е. существующей только в чьей-то голове). Онтология является явным представлением некоторой концептуализации и может иметь несколько форм представления: неформальную на каком-либо естественном языке; полуформальную на каком-либо структурированном подмножестве естественного языка;

слабоформализованную на каком-либо языке из области искусственного интеллекта с формальным синтаксисом;

формализованную на каком-либо языке из области искусственного интеллекта с формальным синтаксисом, семантикой, значимым и полным механизмом вывода.

Следующее определение онтологии, обобщает различные определения онтологий: онтологией является общепринятая и общедоступная концептуализация определенной области знаний (мира, среды), содержащая базис для моделирования этой области знаний и определяющая протоколы для взаимодействия между агентами, которые используют знания из этой области, и наконец, включающая соглашения о представлении теоретических основ данной области знаний.

13.1.2. Перспективы, связываемые с онтологиями

Литературные источники богаты описанием различных онтологий и ожидаемых от их использования перспектив. Эти перспективы можно подразделить на следующие категории: улучшение взаимодействия; унификация обмена данными;

формализация процессов спецификации, повышения надежности и обеспечения многократности использования.

Улучшение взаимодействия связывают с уже упомянутыми надеждами на уменьшение терминологической и концептуальной путаницы и неоднозначности понимания на основе осуществления следующих мероприятий.

1. Создание в конкретной области человеческой деятельности (среде) унифицирующего нормативного ядра понятий, которое позволило бы достичь однозначного семантического толкования основных объектов и процессов этой области. Предполагается, что это нормативное ядро является семантической основой для порождения, переопределения и интерпретации новых понятий.

2. Создание однозначно понимаемого множества отношений между понятиями нормативного ядра, допускающего исследование динамических и статических аспектов среды, влияния на нее различных факторов, вывод и планирование ситуаций.

3. Обеспечение совместимости онтологий, разработанных различными коллективами путем широкого использования полисинонимии и ретрансл ируемости.

4. Обеспечение возможности коллективной работы по согласованию и унификации онтологий и их нормативного ядра.

Унификацию обмена данными связывают с созданием интегрированных инструментальных программных средств, построенных на основе использования нормативного ядра и множества отношений. Эти средства должны обеспечивать возможность обмена данными для созданных или создаваемых на базе онтологий систем моделирования сред и выступают как средство межъязыкового общения, как своеобразный декларативный язык, на который переводятся другие языки и из которого перевод осуществляется в индивидуальный язык пользователя. Эти средства должны иметь в своем составе поддерживаемые, развивающиеся и доступные для использования извне библиотеки онтологий.

Формализацию процессов спецификации, повышения надежности и обеспечения многократности использования связывают с ролью онтологий, которую они призваны играть для развития систем моделирования сред. Язык онтологии выступает в этом случае как средство спецификации таких систем и является декларативным. Роль онтологии зависит от степени выразительности, формализованности и других свойств декларативного языка онтологии. Повышение надежности систем моделирования связывают с возможностью и удобством полуформального и формального анализа декларативного описания на языке онтологии. При этом, говоря о формальном анализе, полагают, что описание допускает формальный вывод (доказательство) наличия тех или иных свойств среды. Обеспечение многократности использования предполагает наличие в онтологии

метауровня, позволяющего настроить онтологию на конкретную задачу применения, определить степень ее пригодности для решения конкретной задачи и модифицировать или расширить ее, если это необходимо.

13.1.3. Создание онтологий

Несмотря на то что в литературе имеется много информации о создании онтологий, какой-либо общепринятой или тем более стандартизованной процедуры их создания не существует. Процесс разработки онтологий во многом схож с развитием программных моделей сложных систем. Типичными являются следующие этапы создания конкретной онтологии.

1. Постановка задачи. На этом этапе изучается среда, для которой создается онтология, обдумывается, зачем нужна онтология, как и кем она будет использоваться.

2. Построение онтологии. Этот этап разбивается на три подэтапа: формализация понятий, кодирование и интеграция. В процессе формализации понятий осуществляется: а) выявление основных объектов и отношений предметной области (среды), б) текстовое описание этих объектов и отношений, в) сопоставление этим объектам термов, а отношениям — утверждений (аксиом). В процессе кодирования формируется описание на каком-либо формальном языке результатов предыдущего подэтапа. Обычно кодирование включает: а) выбор формального языка для кодирования, б) кодирование в выбранном языке термов и базовых отношений, в) описание с использованием введенных кодов термов и базовых отношений формул, соответствующих утверждениям. Подэтап интеграции выполняется параллельно двум упомянутым и требует тщательного обдумывания, каким образом вновь создаваемая онтология будет интегрироваться с уже существующими.

3. Формирование вопросов. На этом этапе осуществляется обдумывание и формальное описание вопросов, на которые онтология должна давать ответы, выбирается программная среда для реализации онтологии.

В следующем разделе на примере конкретной среды достаточно подробно рассмотрим процесс разработки и использования онтологии. Еще раз заметим, что принципиальным для создания онтологий является не процедурный, а декларативный подход. Теоретической основой большинства языков, используемых для кодирования онтологий, являются различные исчисления, в основе которых, как правило, лежит логика предикатов первого порядка с равенством. Используются и другие логики в качестве теоретической основы для онтологий.