Разработка и исследование моделей, методов и средств редактирования информационного наполнения компьютерных банков знаний

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владивосток - 2004

05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей.
Актуальность проблемы.
Исследования в области компьютерных систем, основанных на знаниях, проводимые уже более тридцати лет, показали потенциальную "‘ возможность существенного повышения эффективности работы во многих областях образовательной, научной и практической деятельности. Однако до настоящего времени разработка и внедрение таких систем тормозились из-за крайне высокой трудоемкости формирования и сопровождения качественных и современных баз знаний.
В последнее время было предпринято несколько попыток решения этой проблемы в отдельных предметных областях путем интегрирования знаний соответствующей области в единый компьютерный информационный ресурс и обеспечения возможности его коллективного развития и использования через сеть Интернет. Такие информационные ресурсы получили название специализированных компьютерных банков знаний. Необходимыми видами информационного наполнения специализированных банков знаний являются описания языков спецификации онтологий, онтологии различных уровней общности, знания и данные. Для создания и сопровождения информационного наполнения в каждом таком банке разрабатывались редакторы формализованной информации всех указанных видов. Такие редакторы предоставляли пользователям возможность коллективного формирования и развития этой информации и обеспечивали носителей информации соответствующих видов необходимой им интеллектуальной поддержкой. Ввиду высокой трудоемкости разработки таких редакторов, перспективным подходом к их созданию является использование генераторов редакторов формализованной информации. Значительный вклад в развитие данного подхода внесли А.С. Клещев, Е.И. Антонова, В.В. Грибова, G. van Heijst, Н. Eriksson и другие.
Однако до сих пор не было разработано ни единой технологии, ни общих программных средств для создания специализированных банков знаний. В результате, каждый такой банк знаний разрабатывался независимо от других, в нем использовалось свое собственное представление информации и специфические для него программные средства. Как следствие, эта информация и эти программные средства не могут быть использованы при создании новых банков, а разработка каждого нового банка остается чрезвычайно трудоемкой. Кроме того, эти банки знаний не предоставляют развитых средств доступа к хранимой информации внешним компьютерным системам, основанным на знаниях, что существенно затрудняет разработку таких систем. Между тем, необходимость создания новых систем, использующих информационное наполнение специализированных банков знаний, диктуется растущими потребностями практики и постоянным научно-техническим прогрессом. При создании средств редактирования информации для банков знаний технология генераторов редакторов не использовалась, поэтому для каждого нового банка и для каждого нового вида информации в нем разрабатывались новые редакторы. Существующие генераторы редакторов не могут быть непосредственно использованы для создания редакторов информационного наполнения банков знаний, поскольку обладают рядом существенных недостатков. А именно, область применения большинства из них жестко ограничена. Они не позволяют разрабатывать совместимые редакторы, поэтому информация, созданная с помощью одних редакторов, не может быть обработана другими. Часто используемый при создании генераторов объектно-ориентированный подход является неестественным для представления знаний и накладывает существенный отпечаток на организуемую интеллектуальную поддержку, которая оказывается неприемлемой для экспертов и специалистов предметных областей. Более того, ни один из генерируемых редакторов не предоставляет возможностей для коллективного редактирования.
Таким образом, разработка генератора редакторов формализованной информации различных уровней общности, предназначенного для создания и развития информационного наполнения специализированных банков знаний, является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование моделей, методов и средств редактирования и администрирования информационного наполнения специализированных банков знаний в сети Интернет, обеспечивающих необходимую интеллектуальную поддержку этих процессов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
- разработать концепцию информационного ресурса — многоцелевого банка знаний, являющегося совокупностью специализированных банков;
- разработать формализм для представления информации в многоцелевом банке знаний и модель процесса редактирования этой информации;
- разработать методы реализации средств доступа к информации, хранимой в многоцелевом банке знаний, средств редактирования этой информации, а также средств администрирования многоцелевого банказнаний;
- исследовать разработанные модели, методы и средства редактирования на соответствие предъявляемым к ним требованиям.
Методы исследования. Для решения указанных задач использовались: теория искусственных языков, элементы теории множеств и математической логики, теория графов, теория реляционных баз данных, а также методы объектно-ориентированного анализа и проектирования, Интернет- технологии, технология OMG CORBA, методы системного программирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- впервые разработана концепция многоцелевого информационного ресурса для поддержки практической, научной и образовательной деятельности в различных предметных областях;
- разработана единая модель представления различных видов информации различных уровней общности;
- предложена оригинальная схема взаимосвязи между различными уровнями общности информации;
- разработана и исследована обобщенная модель процесса приобретения и редактирования информации различных уровней общности, обеспечивающая необходимый для соответствующих классов носителей информации уровень интеллектуальной поддержки.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
- многоцелевой банк знаний используется в ИАПУ ДВО РАН в качестве единой платформы для создания, развития и исследования специализированных банков знаний в различных предметных областях, в том числе в области медицины, химии и оптимизирующих преобразований программ;
- многоцелевой банк знаний используется на кафедре Программного обеспечения ЭВМ ДВГУ в качестве единой платформы для моделирования комплексных учебных ситуаций в области компьютерной обработки информации, поддерживающей активные методы обучения, разработанные программные средства используются для поддержки учебных занятий по дисциплинам «Редактирование информации различных уровней общности», «Математические основы информатики» и «Системы искусственного интеллекта», а научные результаты диссертации - при чтении курсов лекций по специальности «Математическое обеспечение и администрирование информационных систем»;
- модель представления информации различных уровней общности используется для представления информации в банках знаний в области медицины, химии и оптимизации программ, может быть использована для представления и других видов информации;
- схема взаимосвязи между различными уровнями общности информации и программные средства доступа к информации многоцелевого банка знаний могут быть использованы при разработке новых программных средств для специализированных банков знаний;
- разработанное универсальное средство редактирования информации различных уровней общности используется для формирования и редактирования информации указанных выше специализированных банков знаний;
- разработанное средство администрирования используется для администрирования ресурсов многоцелевого банка знаний.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Азиатско-Тихоокеанской Конференции по Интеллектуальным Системам (Сеул, Ю.Корея, 2001 г.), Международном Аспирантском Консорциуме по Промышленным Информационным Системам (Анже, Франция, 2003 г.), 5й Международной Конференции по Промышленным Информационным Системам (Анже, Франция, 2003 г.), Дальневосточных школах-семинарах им. академика Е.В. Золотова (Владивосток, 2000, 2003 гг.), а также на совместных семинарах отдела Экспертных систем ИАПУ ДВО РАН и базовой кафедры ПО ЭВМ ИМКН ДВГУ в ИАПУ ДВО РАН.
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах.

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Специализированные банки знаний и генераторы редакторов информации (обзор литературы) 8
1.1. Специализированные банки знаний 8
1.2. Генераторы редакторов информации различных видов 13
1.3. Многоуровневые архитектуры моделирования 19
Выводы из обзора литературы и постановка задачи исследования 24
ГЛАВА 2. Концепция Многоцелевого банка знаний 26
2.1. Концепция и политика Многоцелевого банка знаний 26
2.2. Анализ основных задач Многоцелевого банка знаний 30
2.3. Структура информационного наполнения 35
2.4. Структура программного наполнения 37
2.5. Характеристики пользователей Многоцелевого банка знаний 38
2.6. Характеристики рассматриваемых видов информации 42
2.7. Особенности классов носителей рассматриваемых видов
информации 45
2.8. Требования к Многоцелевому банку знаний 47
2.9. Универсальный редактор информации различных уровней
общности 60
2.10. Неформальное описание процесса функционирования
Многоцелевого банка знаний 71
Выводы по главе 74
ГЛАВА 3. Модель процесса редактирования информации
различных уровней общности 76
3.1. Архитектура ИРУ О 76
3.2. Модель процесса редактирования ИРУ О 78
3.3. Сравнение Архитектуры ИРУ О с существующими
многоуровневыми архитектурами моделирования 80
3.4. Сравнение предложенной модели процесса редактирования с
существующими моделями 83
Выводы по главе 84
ГЛАВА 4. Особенности реализации Многоцелевого банка знаний и Редактора ИРУ О 86
4.1. Архитектура программной системы 86
4.2. Логика программной системы 88
4.3. Интерфейс программной системы 90
Выводы по главе 92
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование Редактора ИРУО 93
5.1. Технология использования Редактора ИРУО для
редактирования информации различных уровней общности 93
5.2. Цель и задачи эксперимента 94
5.3. Порядок проведения эксперимента 94
5.4. Материал для эксперимента 95
5.5. Экспериментальное исследование технологии использования
Редактора ИРУО для редактирования информации различных уровней общности 95
5.6. Результаты эксперимента 118
Выводы по главе 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
ЛИТЕРАТУРА 126
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список сокращений 131
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Язык ИРУО 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Операционная семантика Языка ИРУО 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Структура представления информации 194
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Примеры экранных форм Редактора ИРУО 211
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Пример модели содержательной онтологии
на ЯСО «Язык прикладной логики» 229
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Пример модели содержательной онтологии
на ЯСО «Instance OIL» 231
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Акт внедрения разработанного программного
обеспечения в ИАПУ ДВО РАН
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Акт внедрения разработанного программного обеспечения в ДВГУ