Software & Systems

Одним из подходов к созданию интеллектуальных систем является их разработка на основе онтологий. Это, с одной стороны, делает понятным для специалистов интерфейс таких систем, с другой стороны, повышает доверие пользователей к ним. Онтологии также являются средством обеспечения повторного использования информации, хранимой в базах знаний интеллектуальных систем, а также методов, применяемых при решении задач.

Если предметная область развивается (таким свойством обладают все области, связанные с наукой), то изменяются не только ее знания, но и используемая система понятий (онтология). Поэтому интеллектуальная система должна позволять хранение и редактирование и знаний, и онтологий.

Еще одним свойством областей, связанных с научной деятельностью, является наличие в них разных разделов, характеризующихся своей системой понятий, своими знаниями и своим множеством задач. Поэтому интеллектуальная система должна позволять хранить онтологию и знания каждого раздела, а также обеспечивать использование при решении задач тех информационных компонентов, которые в этом случае необходимы, то есть допускать интеграцию знаний и онтологий разных разделов области в рамках одного информационного ресурса. Средством обеспечения такой интеграции является метаонтология, являющаяся онтологией второго уровня и определяющая систему понятий, используемую при задании онтологий первого уровня – онтологий разделов области. Если предметная область имеет более сложную структуру, то интеллектуальная система должна позволять хранение онтологий разных уровней общности.

В работе в качестве примера сложноструктурированной области рассматривается химия, определяются компоненты интеллектуальной системы для нее, и рассматривается процесс ее разработки на основе метаонтологии химии.

Метаонтология химии является онтологией третьего уровня. Она определяет систему понятий, в терминах которой разрабатываются онтологии второго уровня для разных разделов химии (метаонтологии разделов), используемые уже при создании онтологий первого уровня (онтологий разделов). Метаонтология химии была построена в результате анализа онтологий физической и органической химии, а также некоторых разделов аналитической химии. Определим некоторые термины этой метаонтологии.

Типы объектов – этот термин позволяет определить множество типов химических объектов, изучаемых некоторым разделом химии. Множества объектов различных типов не пересекаются. Примерами типов объектов для физической химии являются химические элементы, вещества, реакции, фазы реакций, для органической химии – органические соединения, функциональные группы, радикалы, для рентгенофлуоресцентного анализа – оболочки, энергетические уровни, радиоактивные изотопы. Каждый тип объектов есть некоторое множество объектов, любой из которых может быть представлен некоторым обозначением, числом и т.д. Способ представления объектов каждого типа определяется при задании метаонтологии раздела. Конкретные объекты для каждого типа задаются знаниями раздела.

Термин собственные свойства объектов определяет имя конструктора, аргументом которого является тип объекта t, а результатом – множество конструкторов, у каждого из которых аргумент есть множество значений или множество кортежей m, а результат – множество функций, аргументом каждой из которых является объект типа t, а результатом – элемент множества m. В модели метаонтологии конструктор задается l-термом. Задание онтологии второго уровня состоит в конкретизации конструкторов, которые будут использоваться при определении терминов первого уровня – имен и областей значений для функций, используемых при описании различных собственных свойств объектов. Примерами собственных свойств для химического элемента являются его атомный номер, для реакции – ее реагенты и результаты. Значения свойств для каждого объекта фиксируются в знаниях предметной области.

Любой объект некоторого типа может иметь компоненты, которые являются объектами других типов. Термин типы компонент объектов обозначает функцию, которая сопоставляет типу объектов t непустое множество названий типов объектов – его компонент. Онтология второго уровня определяет значение данного термина. Термины, при помощи которых определяются компоненты объектов каждого типа, определяются онтологией первого уровня. Состав каждого объекта задается в знаниях.

Онтология, используемая для создания интеллектуальных систем, предназначенных не только для хранения, поиска и редактирования онтологий и знаний, а также для решения других задач профессиональной деятельности, должна определять систему понятий, при помощи которой задаются исходные данные таких задач, а также представляются результаты решений. Такая система понятий для химии должна позволять определять различные свойства физико-химических процессов для различных шагов этих процессов. Метаонтология химии содержит понятия, позволяющие определить такую терминологию для каждого раздела. Приведем примеры.

Термин число шагов процесса обозначает количество шагов конкретного физико-химического процесса. Термин типы объектов процесса обозначает множество типов объектов, которые рассматриваются как участники физико-химического процесса. Термин свойства компонентов процесса обозначает конструктор, аргументом которой является тип объектов t, результатом – множество конструкторов, аргументом каждого из которых является множество значений или кортежей значений m, результатом – функция, аргументами которой являются номер шага процесса и участник этого шага (объект типа t), а результатом – элемент множества m.

С использованием метаонтологии химии были построены онтологии второго и первого уровней для физической и органической химии, а также раздела рентгенофлуоресцентный анализ аналитической химии. Все онтологии представлены на сайте http://www.iacp.dvo.ru/is/.

Как видно из краткого описания, все онтологии первого и второго уровней, а также знания представляются модулями. Модуль онтологии второго уровня соответствует разделу предметной области, то есть для химии в настоящее время разработаны три модуля онтологии второго уровня. Модуль онтологии первого уровня и модуль знаний соответствуют подразделу раздела. Так, для органической химии онтология первого уровня (и знания) содержит 16 модулей, в которых определяется терминология, необходимая для описания функциональных групп, углеродного скелета, различных видов связей, структурных формул, пространственного расположения химических соединений, свойств химических реакций. В онтологии также рассмотрены различные виды классификации органических веществ и химических реакций, проходящих с участием органических веществ.

Редактирование онтологий и знаний

Развитие метаонтологий, онтологий и баз знаний разных разделов химии обеспечивается наличием редакторов метаонтологий, онтологий и знаний, причем редактор метаонтологий управляется метаонтологией химии, редактор онтологий – метаонтологией раздела, а редактор знаний – соответствующей онтологией.

Особенностью рассматриваемой области является наличие различных нестандартных величин, структура которых задается своей специализированной онтологией. Примером такой величины для органической химии является структурная формула. Если требуется внесение информации о структурных формулах, то используется специализированный графический редактор (компонент редактора знаний, который позволяет вносить эту информацию в привычном пользователю графическом виде). Вызов графического редактора управляется онтологией первого уровня. Введенная пользователем информация о структурной формуле автоматически преобразуется в вербальное представление в соответствии со структурой этого представления, задаваемой специализированной онтологией. При отображении хранящейся в базе знаний структурной формулы, используется специализированный компонент, преобразующий вербальное описание в графическое. Система позволяет расширять набор нестандартных величин и сопоставлять им специализированные компоненты для ввода/вывода значений.

Модули онтологии первого и второго уровней, а также модули знаний хранятся средствами реляционной СУБД. Каждому термину соответствует своя таблица. Структура базы знаний соответствует структуре онтологии. Каждому термину, описанному в онтологии, соответствует таблица в базе знаний. Схема базы данных для представления знаний автоматически определяется на основе задания терминов и связей между ними в онтологии.

Система для решения задач

Информация, хранимая в базах данных, используется подсистемой решения задач. Основные классы прикладных задач определяются в результате анализа предметной области. Для химии выделены пять основных классов: вычислительные задачи, задачи определения значения свойства (не числового), задачи определения класса соединения, задачи определения пути синтеза соединения, задачи прогнозирования физико-химических свойств.

При описании методов решения задач используются термины модели онтологии. Чем выше уровень онтологии, тем более общим является метод решения задачи. По описанию метода разрабатывается система для решения задач соответствующего класса – программный компонент интеллектуальной системы по химии.

Рассмотрим, например, спецификацию задачи определения пути синтеза соединения, при условии, что задано соединение, принадлежащее множеству соединений первого шага синтеза. Спецификация задачи определяет множества значений ее входных и выходных параметров и их связи с терминами онтологии органической химии.

Определим входные параметры данной задачи: c(Требуется синтезировать)=органические соединения, c(Соединение первого шага)=органические соединения.

Определим выходные параметры данной задачи: c(Искомый процесс)={(v: (´ I[1,¥), seq химические реакции)) Length(p(2, v))=p(1, v)-1}. В данной задаче требуется определить число шагов синтеза, а также построить последовательность реакций, позволяющих синтезировать требуемое соединение; длина этой последовательности на единицу меньше числа шагов синтеза.

Зададим связи входных и выходных параметров с терминами онтологии органической химии:

p(1, Process)=число шагов процесса

Требуемое соединениеÎвещества процесса (число шагов процесса)

Соединение первого шагаÎвещества процесса(1)

(v: I[1, число шагов процесса-1]) p(v,p(2,Pro-cess))=реакции процесса(v).

Приведем спецификацию метода решения задачи, записанную средствами языка прикладной логики:

/({(v: химические реакции) Требуемое соединениеÎрезультаты(v)&Соединение первого шагаÎреагенты(v)}¹Æ Þчисло шагов процесса=2 & реакции процесса(1)Î{(v: химические реакции) Требуемое соединениеÎрезультаты(v)& Соединение первого шагаÎреагенты(v)}),

{(v: химические реакции) Требуемое соединениеÎрезультаты(v)&Соединение первого шагаÎреагенты(v)}=ÆÞреакции процесса(1)Î{(v: химические реакции) Соединение первого шагаÎреагенты(v)} & реакции процесса(число шагов процесса-1)Î{(v: химические реакции) Требуемое соединениеÎрезультаты(v)} & (v1: I[2, число шагов процесса-2]) реакции процесса(v1)Î{(v: химические реакции) реагенты(v)Íрезультаты(реакции процесса(v1-1))}.

Приведем комментарий к методу. Если существует реакция, множеству реагентов которой принадлежит Соединение первого шага, а множеству результатов – Требуемое соединение, то число шагов химического процесса равно двум, а данная реакция будет реакцией первого шага процесса. Если такой реакции нет, то требуемый процесс синтеза обладает следующими свойствами: число шагов процесса больше двух; реакцией первого шага является реакция, множеству реагентов которой принадлежит Соединение первого шага; реакцией предпоследнего шага является реакция, множеству результатов которой принадлежит Требуемое соединение; реакцией каждого шага с номером, начиная со второго, и до номера, равного разности числа шагов процесса и 2, является реакция, множество реагентов которой являются подмножеством результатов реакции предыдущего шага.

Очевидно, что при данной постановке задача может иметь множество решений. Метод решения представляет собой метод поиска вывода в исчислении. В задачах данного класса могут быть также указаны соединения (или их классы), которые могут или должны принимать участие в процессе синтеза, задан класс соединения, которое требуется синтезировать вместо его структурной формулы, задан класс соединения, представитель которого является соединением первого шага процесса. Система решения различных классов задач определения путей синтеза реализуется рекурсивной процедурой. Проверку условий, накладываемых спецификацией задачи на путь синтеза, выполняет соответствующая подпрограмма.

Обеспечение сопровожденияинтеллектуальной системы по химии

Развитие информационного наполнения интеллектуальной системы по химии обеспечивают редакторы этого наполнения. С помощью редактора метаонтологий может быть добавлен новый раздел предметной области, структура представления информации о котором фиксируется метаонтологией химии. С помощью редактора онтологий в соответствии со схемой, определяемой метаонтологией раздела, может либо изменяться существующая онтология, пополняясь новым модулем, либо создаваться новая модульная онтология нового раздела. С помощью редактора знаний в соответствии со схемой, задаваемой онтологией, может либо изменяться существующая модульная база знаний, либо создаваться новая модульная база знаний нового раздела.

Появление нового раздела может потребовать новых нестандартных величин для представления значений терминов этого раздела. В этом случае имени новой величины должны быть сопоставлены подсистемы, обеспечивающие ввод/вывод этих значений.

Хотя все основные классы задач определены при анализе предметной области и построении ее многоуровневой онтологии, развитие онтологии может приводить к необходимости расширения классов решаемых задач либо к необходимости использования более эффективных методов решения задач, являющихся частным случаем существующих задач. Это требует наличия подсистемы поддержки библиотеки методов решения задач, предоставляющей возможность добавления нового метода и использования хранящихся методов специалистами.