Программные продукты и системы

Качество документального тематического поиска, то есть поиска документов, содержащих координированную информацию в заданном тематическом сегменте, не всегда удовлетворительно. Несмотря на наличие мощных поисковых систем для информационных ресурсов Интернета или для специализированных БД, процесс продолжает оставаться трудоемким и слабо поддерживается программно и методологически.

В данной статье описывается реализация ге- нетического алгоритма для выявления и отбора наиболее релевантных результатов, полученных в ходе последовательно выполняемых операций тематического поиска. Обсуждаются особенности тематического поиска, обосновывается применение генетического алгоритма, описываются компоненты целевой функции, рассматриваются основные шаги и параметры алгоритма. Описывается программная реализация: основные объектные модели, пользовательский интерфейс, основная библиотека алгоритма, модули морфологического анализа, семантического анализа сходства текстов, поиска, управления БД, управления метаданными.

Представляется, что описанные в настоящей статье подходы к организации тематического поиска могут быть успешно применены во многих областях (составление обзоров источников научно-технической, коммерческой и социальной информации, поиск ценной для коммерции информации, сбор информации о клиентах, определение новых областей при бизнес-планировании, конкурентный анализ и разведка, поиск инновационных решений, подбор и экспертиза учебно-методичес­ких материалов, анализ конкурсной документации и условий экспертизы, экспертиза проектов, подборка материалов для патентных исследований).

Особенности тематического поиска

Поисковые системы Интернета обладают мощными механизмами быстрого и во многих случаях качественного поиска необходимой информации. Каждый пользователь Интернета искал в сети конкретные факты и, как правило, находил либо точно то, что искал, либо что-то близкое. Поиск фактов – это поиск информационных объектов с определенными смысловыми и/или технологическими характеристиками. Результат такого поиска – описание объекта, события или явления с заданными значениями их свойств.

Другой вид поиска – тематический. Это поиск целых категорий (видов, родов) координированной информации в заданном тематическом сегменте, а не отдельных информационных объектов с заданными характеристиками (представителей этих категорий). Результатом тематического поиска, помимо набора фактов, следует считать сведения о ретроспективе, перспективе, взаимосвязях найденных информационных объектов, о текущих и вероятных трендах. Примеры тематического поиска: подборка материалов для патентных исследований или для обзоров источников научно-технической, коммерческой и социальной информации, поиск ценных коммерческих данных и т.п.

При тематическом поиске неизбежно возникает ряд вопросов. Как совместно оценить релевантность документов, найденных разными запросами? Является ли ранжирование результатов поисковой системой корректным с позиций ожиданий пользователя? Все ли результаты, доступные для непосредственной оценки, соответствуют ожиданиям пользователя? Все ли результаты, соответствующие ожиданиям пользователя, попали в число доступных для непосредственной оценки? Как отфильтровать документы, не относящиеся по сути к искомой тематике? Могут ли обнаруженные эффективные решения, относящихся к другим областям применения, успешно использоваться в данной области? Однозначно ответить на эти вопросы в рамках тривиальных решений невозможно.

Обоснование применения генетического алгоритма

Сложность формулировки точных запросов при тематическом поиске документов очевидна, и на это есть причины. Во-первых, искомая информация часто находится на стыке смежных областей. Во-вторых, одновременно с информацией о собственно предмете поиска (например инновациях) желательно получать сведения о применениях, рисках, особенностях, пользователях, авторах, правообладателях, производителях. В-третьих, обычной является  необходимость одновременного использования различных (иногда альтернативных) критериев отбора наиболее эффективных практик.

Как следствие, пользователи вынуждены применять в поисковых запросах множество сочетаний ключевых понятий, уточняя их в ходе анализа промежуточных результатов поиска. В итоге в распоряжении будет большой объем результатов поиска (тысячи документов), в той или иной степени релевантных сформулированным запросам. При этом все найденные документы подробно не рассматриваются (в большинстве случаев просматривается не более 2–3 страниц результатов поиска).

Порядок действий пользователей при выполнении ими тематического поиска во многом напоминает эволюционный процесс. Пользователи ищут эффективные наборы и сочетания ключевых слов в запросах, имея в виду получение максимально релевантных результатов и параллельно анализируя содержание найденных материалов. Однако не факт, что при этом они будут использовать какую-либо обоснованную методику. Обычными подходами являются использование пользователями собственного опыта работы с материалами заданной тематики и/или уточнение запросов ключевыми понятиями из уже найденных пертинентных текстов.

Представляется, что для решения задач обработки результатов тематического поиска документов целесообразно использовать генетический алгоритм (см., например, [1, 2]). Он может быть предназначен для организации эволюционного процесса, который

–      формирует устойчивую и эффективную популяцию поисковых запросов;

–      образует соответствующий поисковый образ документов или семантического ядра;

–      приводит к получению релевантного искомого множества искомых документов;

–      создает предпосылки для автоматического получения классифицированного и ассоциированного множества документов.

Целевая функция

Исходная позиция для определения целевой функции предусматривает, что множество эффективных результатов поиска должно формироваться документами, удовлетворяющими следующим условиям: они находятся в первых позициях ранжированного списка результатов поиска, построенного поисковой системой; присутствуют в списках результатов, полученных при выполнении как можно большего числа различных запросов; семантически близки к поисковому образу (набору ключевых понятий) документов заданной тематики, в том числе к эталонным текстам, формируемым при эволюции запросов.

Исходя из сказанного, целевую функцию для каждого i-го результата запроса можно определить как wi = f (p, r, s), где p – средний номер позиции документа в списке первых P результатов выполненных поисковых запросов (учитываются только те списки результатов, где данный документ присутствует); r – количество появлений документа в результатах выполнения N поисковых запросов (отметим, что r £ N и r = N, если документ появился в результатах выполнения всех запросов); s – семантическая близость текста найденного документа (или, по крайней мере, заголовка и сниппета – небольшого отрывка текста, используемого в качестве описания документа) и множества ключевых слов, формирующего поисковый образ документов заданной тематики.

Значение wi определяет ранг результата за- проса. Значение целевой функции для каждого запроса вычисляется как средний ранг результатов этого запроса, а значение целевой функции для популяции запросов – как средний ранг запросов этой популяции.

В таком виде целевая функция используется в текущей реализации алгоритма.

Описание алгоритма

На рисунке 1 приведена схема разработанного генетического алгоритма формирования эффективного множества запросов (алгоритма GAF). Опишем кратко основные шаги алгоритма.

1. Подготовка ключевых слов, формирующих поисковый образ множества документов заданной тематики.

2. Выбор поисковой системы. Текущая реализация алгоритма предусматривает выбор поисковых систем Bing или Google, а также использование XQuery для поиска в БД XML-документов.

3. Формирование исходной популяции запросов (хромосом или особей) – комбинации ключевых понятий (генов) из поискового образа документов.

4. Выполнение запросов популяции – формирование множества дескрипторов найденных документов (заголовок, описание, адрес текста).

5. Вычисление значений целевой функции на основе веса каждого результата поиска: wi= f5* p + + f6 * r + f7 * s, где f5, f6, f7 – весовые коэффициенты, являющиеся параметрами алгоритма.

6. Селекция лучших запросов по их пригодности или значению целевой функции.

7. Выбор родительских пар запросов для формирования следующего поколения (популяции) запросов. Использован генотипный аутбридинг.

8. Скрещивание запросов. Операция реализуется дискретной рекомбинацией или одноточечным кроссинговером. Особенностью является генерация запросов-потомков с использованием синонимов для одновременного расширения базы ключевых понятий и наследования семантики запросов-родителей.

9. Вероятностная мутация запросов.

10. Формирование новой популяции – элитарный отбор из объединенной популяции запросов-родителей и запросов-потомков.

11. Остановка алгоритма – достижение стабильности популяции запросов или заданного (предельного) числа проходов алгоритма.

Отметим, что более подробно эти шаги описаны в [3]. Общая архитектура приложения, реализующего генетический алгоритм, представлена на рисунке 2. Приложение построено на платформе .Net Framework.

Основная библиотека классов алгоритма GAF

Объектная модель основной библиотеки классов алгоритма GAF в пространстве имен rdomGAF реализует классы, описание которых вместе с основными членами представлено в таблице 1. На рисунке 3 приведено графическое изображение этой объектной модели.

Отметим, что в настоящее время для различных программных платформ разработано довольно большое количество реализаций генетических алгоритмов. Причем есть как достаточно старые (но не потерявшие своей актуальности) разработки [4], так и современные, например GeneHunter (http://www.neuroproject.ru/aboutproduct.php?info= ghinfo) или Genetic Algorithm Framework for .Net (http://johnnewcombe.net/gaf). С другой стороны, некоторые авторы делают попытки унификации и стандартизации подходов к разработкам [5], а другие ориентируются на специальное применение генетических алгоритмов [6, 7].

При разработке основной библиотеки классов обсуждаемого в статье алгоритма GAF авторами было принято решение об оригинальной реализации основных генетических операций и сопутствующих процедур алгоритма. Это обусловлено следующими причинами:

–      особенности вычисления значений целевой функции, которые предусматривают выполнение поисковых операций средствами какой-либо поисковой системы и последующую групповую обработку результатов поиска;

–      представление поисковых запросов как хромосом, состоящих из генов (ключевых слов), закодированных с помощью номинальной шкалы;

–      принятые специфические интерпретации базовых генетических операций – обмен понятийными элементами поисковых запросов и использование синонимии;

–      необходимость исследований, анализа и выполнения потенциальных улучшающих модификаций алгоритма;

–      планируемое использование разработанного генетического алгоритма в качестве основы интеллектуального поискового приложения, работающего на платформе для мобильных устройств.

Указанные причины не позволяют использовать только имеющиеся решения при реализации генетических алгоритмов.

Модуль морфологического анализа и лемматизации запросов

В этом модуле для первоначальной обработки слов поисковых запросов и результатов поиска (сниппетов и текстовых документов) используется библиотека phpMorphy (http://phpmorphy.sourcefor­ge.net/dokuwiki/manual) c бинарными русским и английским словарями (http://phpmorphy.sourcefor­ge.net).

При реализации алгоритма была применена программная оболочка, которая в пространстве имен MorphyService реализует классы, описанные вместе с их основными членами в таблице 2. На рисунке 4 приведено графическое изображение укрупненной объектной модели MorphyService.

Модуль семантического анализа сходства текстов

Модуль обеспечивает вычисление количественного значения семантической близости s(d0, d1) найденного документа di (или, по крайней мере, его заголовка и сниппета) и квазидокумента d0 (множества ключевых слов), формирующего поисковый образ документов заданной тематики. Отметим, что в качестве альтернативы d0 могут быть использованы эталонные тексты, адаптивно формируемые в ходе выполнения алгоритма.

Модуль использует экспериментальную платформу, реализующую модель векторного пространства документов [8]. Для доступа к указанной платформе используются объекты класса TextSimilarity (см. табл. 2).

Для вычисления s использована модификация модели, в которой каждый документ интерпретируется как вектор  где wt,d = tft,d * idft,d. Здесь tft,d – частота использования термина в документе; idft,d – величина, обратная числу документов массива, содержащих данный термин, , где P – общее число документов, найденных при выполнении запроса (документы в SERP); Pt – число документов, содержащих данный термин; M – число терминов в P документах. Близость текстов s интерпретирована как косинусная мера близости , где в числителе скалярное произведение векторов документов  и , а в знаменателе – произведение евклидовых норм этих векторов.

Модули поиска

Модули поиска для Bing и Google реализованы на базе Bing Search API (http://datamarket.azure. com/dataset/bing/search) и Google Custom Search API (https://developers.google.com/custom-search/ json-api/v1/overview) соответственно. Модуль поиска в БД XML-документов реализован на базе W3C XML Query (http://www.w3.org/XML/Query).

Все модули выполняют поисковые запросы к соответствующим хранилищам данных и обеспечивают унифицированное представление коллекций результатов. Для активизации модулей поиска из методов класса Search (см. табл. 2) разработан следующий общий программный интерфейс (для C#): public List GoogleSearch(string SearchExpression, int ResultNumber), где List – типизированный список объектов класса rdomGAF.SearchResult (см. описание классов основной библиотеки классов алгоритма); SearchExpression – текст запроса (строка); Result­Number – количество возвращаемых результатов в списке List.

Отметим, что Bing Search API и Google Custom Search API должны быть лицензированы для коммерческого применения и требуют регистрации приложений.

Модуль управления БД

Модуль обеспечивает доступ к используемым словарям, служебным таблицам, а также сохранение результатов работы алгоритма в реляционной БД. Реализует слой доступа к данным общей архитектуры ПО [9].

Для обеспечения операций манипулирования данными используются объекты класса SqlHelper (см. табл. 2). При реализации класса SqlHelper использовались компоненты пространства имен System.Data.SqlClient, которое является поставщиком данных платформы .Net Framework (набором классов) для доступа к БД SQL Server и  включает службы доступа к данным ADO.NET.

Перечень основных таблиц используемой БД с их описанием представлены в таблице 3.

Таблица 3

Основные таблицы БД

Table 3

General database tables

Для обеспечения операций сохранения результатов работы алгоритма используется структура данных, общий вид XML-схемы которой следующий:

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<xs:schema
xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"
xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"
attributeFormDefault="unqualified"
elementFormDefault="qualified">
<xsd:element name="GAF">
<xsd:complexType>
<xsd:sequence>
<xsd:element name="ErrorText" />
<xsd:element
name="sqlhelper">...</xsd:element>
<xsd:element
name="KeyWords">...</xsd:element>
<xsd:element name="KeyWordsGenerated" />
<xsd:element
name="Populations">...</xsd:element>
<xsd:element
name="Options">...</xsd:element>
<xsd:element
name="InitPopulation">...</xsd:element>
<xsd:element
name="CurrentPopulation">...</xsd:element>
<xsd:element name="StopReason"
type="xsd:string" />
</xsd:sequence>
</xsd:complexType>
</xsd:element>
</xs:schema>

При реализации модуля был применен класс System.Xml.Serialization.XmlSerializer платформы .Net Framework с базовыми методами XmlSeriali­zer.Serialize() и XmlSerializer.Deserialize().

Модуль управления метаданными

Параметры алгоритма, поддерживаемые модулем управления метаданными, организованы на базе XML-схем. Представим функциональные группы параметров.

Основные параметры: g1 – используемая поисковая система; g2 – количество запросов в каждой из генерируемых алгоритмом популяций запросов; g3 – количество ключевых слов в каждом генерируемом алгоритмом запросе; g4 – исходный набор ключевых слов и понятий, используемый для генерации запросов.

Параметры для расчета значения целевой функции: f1 – количество результатов поиска, возвращаемых после выполнения запроса; f2 – количество результатов поиска, возвращаемых после выполнения запросов популяции; f3 – количество результатов поиска, возвращаемых после выполнения запросов всех популяций; f4 – коэффициент, учитывающий расположение найденных документов на одном сервере; f5 – весовой коэффициент для аргумента p целевой функции при расчете ранга результата поиска; f6 – весовой коэффициент для аргумента r целевой функции при расчете ранга результата поиска; f7 – весовой коэффициент для аргумента s целевой функции при расчете ранга результата поиска; f8 – способ вычисления целевой функции для групп результатов поиска при выполнении отдельных запросов или для популяции запросов.

Параметры генетических операций: c1 – множитель для вычисления критерия отбора запросов-родителей при скрещивании; m1 – вероятность мутации запроса.

Параметры завершения алгоритма: e1 – заданное число проходов алгоритма; e2 – предельное значение для среднеквадратичного отклонения целевой функции σ; e3 – предельное число проходов алгоритма.

Служебные параметры: индикатор автоматического сохранения результатов работы алгоритма, имена файлов для сохранения результатов и параметров, строка для связи с БД и т.п.

Для доступа к метаданным алгоритма используются объекты класса Options (см. табл. 2).

Пользовательский интерфейс

Пользовательский интерфейс (UI) реализован на базе Windows Forms – интерфейса программирования приложений .Net Framework для организации их взаимодействия с пользователями. Интерфейс обеспечивает рабочий цикл алгоритма GAF и показывает ход выполнения его отдельных шагов. Соответственно обеспечивается слой представления (то есть компоненты UI и логика представления) согласно [9].

Основная панель приложения, реализующего обсуждаемый генетический алгоритм GAF, и фрагмент панели для задания параметров алгоритма GAF представлены на сайте: http://www.sw­sys.ru/uploaded/image/2014-4-dop/8.jpg, http://www. swsys.ru/uploaded/image/2014-4-dop/9.jpg.

Таким образом, генетический алгоритм, программная реализация которого описана в настоящей статье, является одним из элементов ПО разрабатываемой интеллектуальной системы информационной поддержки инноваций в науке и образовании [9, 10]. Он играет важную роль в обеспечении адаптивности функционирования поисковых механизмов: повышает эффективность тематического поиска документов за счет улучшения качества поисковых запросов и точности оценки релевантности результатов поиска.

Разработанное ПО алгоритма создает достаточно широкий базис для дальнейших исследований и разработок. Основными направлениями могут быть следующие.

Исследование поведения алгоритма на представительной номенклатуре запросов для различных тематик. В частности, интерес могут представлять зависимости значений целевой функции от количества запросов популяции, количества ключевых слов в запросе, количества проходов алгоритма и других параметров.

Уточнение целевой функции. Одно из предложений – введение аргумента, учитывающего условия, задаваемые поисковому агенту параметрами уже найденных документов.

Развитие интерпретаций эволюционных операций (кроссинговера и мутации) в контексте создания эффективных поисковых запросов. Так, представляет интерес выявление новых значимых ключевых понятий в процессе обработки результатов поиска для предотвращения преждевременной сходимости.

Кроме того, интерес представляют совершенствование реализации алгоритма, особенно в части приемлемой скорости вычислений; разработка web-сервиса для обеспечения публичного использования рассмотренной реализации генетического алгоритма как дополнения поисковых систем, а также мобильная версия пользовательского интерфейса.

Литература

1.     Гладков Л.А., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы. 2-е изд. М.: Физматлит, 2006. 320 с.

2.     Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы; [пер. с польск. И.Д. Рудинского]. 2-е изд. М.: Горячая линия–Телеком, 2013. 384 c.

3.     Иванов В.К. Основные шаги генетического алгоритма фильтрации результатов тематического поиска документов // Инновации в науке. 2013. № 25. С. 8–15.

4.     Wall M. Galib: A C++ library of genetic algorithm components. Mechanical Engineering Department, Massachusetts Institute of Technology, 1996, 101 p.

5.     Сергиенко А.Б., Галушин П.В., Бухтояров В.В. [и др.]. Генетический алгоритм. Стандарт: Ч. 1: Описание стандартного генетического алгоритма (сГА). Красноярск: Изд-во СибГАУ, 2010. 384 c.

6.     Пушкарева Г.В. Разработка и реализация гибридного генетического алгоритма для автоматизированного проектирования маршрутов обхода геометрических объектов: дис…канд. техн. наук: Н., 2004. 168 c.

7.     Подлазова А.В. Генетические алгоритмы на примерах решения задач раскроя // Проблемы управления. 2008. № 2. C. 57–63.

8.     Salton G., Wong A., Yang C.S. A Vector Space Model for Automatic Indexing. Communications of the ACM, 1975, vol. 18, no. 11, pp. 613–620.

9.     Иванов В.К., Палюх Б.В., Сотников А.Н. Архитектура интеллектуальной системы информационной поддержки инноваций в науке и образовании // Программные продукты и системы. 2013. № 4. C. 197–202.

10.  Ivanov V.K., Palyukh B.V., Sotnikov A.N. Intelligent subject search support in science and education. Innovative Information Technologies. Materials of the III Intern. Scientific-Рractical Conf. Part 2. Innovative Information Technologies in Science, Moscow, 2014, pp. 34–40.

References

1.  Gladkov L.A., Kureychik V.V., Kureychik V.M.  Geneticheskie algoritmy  [Genetic algorithms]. 2nd ed., Moscow,
Fizmatlit Publ., 2006, 320 p.

2.  Rutkovskaya D., Pilinsky M., Rutkovsky  L.  Neural networks, genetic algorithms and unsharp systems  (Russ. ed.:
Rudinskiy I.D. Moscow, Goryachaya Liniya–Telekom Publ., 2006, 452 p.).

3.  Ivanov V.K. Basic steps of a genetic algorithm for screening results after  documents subject search.  Innovatsii v
nauke [Innovations in Science]. 2013, no. 25, pp. 8–15 (in Russ.).

4.  Wall M.  Galib: A C++ library of genetic algorithm components. Mechanical Engineering Department,
Massachusetts Institute of Technology, 1996, 101 p.

5.  Sergienko A.B., Galushin P.V., Bukhtoyarov V.V.  Geneticheskiy algoritm. Standart: Ch. 1: Opisanie standartnogo
geneticheskogo algoritma (sGA)  [A  Genetic Algorithm. Standard:  Part  1: A  Description  of  Standard Genetic Algorithm].
Krasnoyarsk, SibSAU Publ., 2010, 384 p.

6.  Pushkareva G.V.  Razrabotka  i realizatsiya gibridnogo geneticheskogo algoritma dlya avtomatizirovannogo
proektirovaniya marshrutov obkhoda geometricheskikh obyektov  [Demelopment and implementation of a hybrid  genetic
algorithm for automated design of routs avoiding geometric objects]. PhD Thesis, Novosibirsk, 2004, 168 p.

7.  Podlazova A.V. Genetic algorithms with solution examples.  Problemy upravleniya  [Control  Sciences]. 2008, no.  2,
pp. 57–63 (in Russ.).

8.  Salton G., Wong A., Yang C.S. A Vector Space Model for Automatic Indexing.  Communications of the ACM. 1975,
vol. 18, no. 11, pp. 613–620.

9.  Ivanov V.K., Palyukh B.V., Sotnikov A.N. Architecture of intelligent information support system for innovations in
science and education. Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 2013, no. 4, pp. 197–202 (in Russ.).

10.  Ivanov V.K., Palyukh B.V., Sotnikov A.N. Intelligent subject search support in science and education. Innovative
Information Technologies.  Proc. 3rd Int. Scientific-Рractical Conf. Part 2. Innovative Information Technologies in Science.
Moscow, 2014, pp. 34–40.