Онтологии и онтологические системы

В результате изучения материала данной главы студент должен: знать

• • формальную модель онтологической системы;
• • технологию проектирования онтологий;
• • виды онтологий;
• • операции над онтологиями;
• • основные задачи, решаемые с помощью онтологии;
• • инструменты инженерии онтологий;
• • методологию инженерии знаний в онтологических системах; уметь
• • применять инструменты инженерии онтологий;
• • проектировать онтологии в среде Protege; владеть
• • инструментами инженерии онтологий;
• • навыками проектирования онтологий в среде Protege.

Понятие онтологии

Возникновение онтологий и их стремительное развитие связано с появлением в нашей реальности следующих новых факторов:

• • колоссальным ростом объемов информации, предъявляемых для обработки (анализа, использования) специалистам различных областей деятельности;
• • чрезвычайной зашумленностью этих потоков (повторы, противоречивость, разноуровневость и т. п.);
• • острой необходимостью в использовании одних и тех же знаний разными специалистами в разных целях;
• • всеобщей интернетизацией нашей жизни и острой необходимостью в структуризации информации для ее представления пользователям и более эффективного поиска;
• • необходимостью значительного сокращения времени на поиск нужной информации и принципиального повышения качества информационных услуг в Интернете.

Появление онтологий стало ответом ряда наук, связанных с информационными технологиями и системами искусственного интеллекта, на перечисленные проблемы. Именно они обеспечили возможность перехода на новый качественный уровень обработки и поиска информации, в том числе в Web-системах. Рассмотрим это понятие подробнее.

Онтология (от др.-греч. онтос — сущее, логос — учение, понятие) — термин, определяющий учение о бытии и о сущем.

Гносеология — учение о познании.

Автором термина «онтология» является X. Вольф (1679—1754). Ее предмет — изучение таких абстрактных и общих философских категорий, как бытие, субстанция, причина, действие, явление и т. д., сама же онтология претендовала на полное объяснение причин всех явлений^[1].

В информационных технологиях и интеллектуальных системах этот термин был принят для обозначения представлений о моделях мира (бытии, сущностях, причинных СВЯЗЯХ И Т.П.).

Наибольшее распространение получили следующие определения.

Онтология — формальная точная спецификация совместно используемой концептуализации.

Онтологии — базы знаний специального типа, которые могут читаться и пониматься, отчуждаться от разработчика и {или) физически разделяться их пользователями.

В этих определениях ключевыми являются понятия концептуализация (совместно используемая) и спецификация (формальная, точная). Раскроим смысл этих терминов.

Под концептуализацией понимается абстрактная модель явлений (процессов) в мире, составленная посредством определения существенных для описания данных явлений понятий, т. е. концептов.

Точность подразумевает, что типы используемых понятий и ограничения на область применения данных понятий явно определены.

Формальность означает, что онтология должна быть ориентирована на компьютерное представление, что исключает использование естественных языков в полной мере в связи с их неоднозначностью и сложностью.

Совместное использование — всеобщие знания, т. е. не персональные знания одного человека, а знания, принятые в группе, сообществе.

Для обеспечения совместного использования вводится понятие онтологического соглашения.

Онтологическое соглашение — объем словаря, достаточного для описания представляемых абстрактной моделью знаний, предназначенных для совместного использования.

Другими словами, онтология ссылается на конкретные понятия, взятые из специального словаря, используемого для описания некоторой реальности, и на множество толкований предполагаемых значений слов, входящих в словарь.

Еще одно определение онтологии, соответствующее спецификации FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents), используется в рамках технологии агентов.

Онтология — подробная спецификация структуры определенной проблемной области, включающей (1) словарь (список) логических констант и предикатных символов для описания предметной области и (2) набор логических высказываний, формулирующих существующие в данной проблемной области ограничения и определяющих интерпретацию словаря.

По сравнению с другими это определение является более формальным, оно представляет онтологию как формальную систему, в основе которой лежит словарь терминов с отношениями между ними, которые задаются в виде логических высказываний.

Таким образом, общим для всех определений онтологии является: словарь имен сущностей для представления и обмена знаниями по интересующей проблеме (тезаурус), набор связей и свойств, которые определяются между ними. Связи между сущностями могут быть как универсальными зависимостями типа «общее — частное», «часть — целое», «причина — следствие» и т. п., так и специфическими для соответствующей модели предметной области (МПрО), в том числе для словаря. Такой комплекс является не только скелетом МПрО, но он может и должен выступать в качестве основы семантико-прагматической структуры проблемно-ориентированного тезауруса.

Определяя сущности в онтологии, можно использовать различные модели представления знаний, как формальные (исчисление высказываний, исчисление предикатов), так и неформальные (фреймы, слоты, которых связываются ограничениями, обусловливающими допустимые сочетания их значений, продукции и семантические сети).

Таким образом, онтология — гоже модель предметной области, использующая все доступные средства представления знаний, релевантные данной области, но ориентированные на стандартизацию и унификацию форм представления знаний.

Естественно попытать установить различия между ЭС и онтологиями, поскольку и те и другие базируются на МПрО, используют одни те же модели представления знаний, технологии разработки и многое другое, принятое для ЭС.

Подчеркнем то новое, что привносят онтологии по сравнению, например, с экспертными системами. В основном — более энергичный акцент на следующих моментах:

• • онтология описывает всеобщие знания, принятые в группе, сообществе;
• • эти знания предназначены для совместного использования, в том числе для различных предметных областей;
• • совместное использование достигается за счет введения онтологического соглашения;
• • основным назначением онтологий является интеграция информации (всяческой), и ее представление в виде, удобном для совместного использования в целях решения различных прикладных задач;
• • повышенное внимание по сравнению с ЭС к точности и строгости (формальности), определения всех вводимых в словарь терминов и связей между ними, к разработке аппарата манипуляции с онтологиями.

Самое главное состоит в понимании, что основой онтологии, как и ЭС, является модель предметной области и, следовательно, все проблемы ЭС автоматически становятся также проблемами онтологий. Это, в частности, — проблемы инженерии знаний и их адекватного представления.

Специфика онтологий определяет необходимость создания нового по сравнению с ЭС теоретического, методического и программного инструментария, обеспечивающего разработку онтологий различных типов (от самой простой таксономии до онтологий со сложными системами отношений между элементами словарей), манипуляции с ними, использование для разных целей различными группами людей.

• [1] См.: Искусственный интеллект: справочник.