Розробка онтологій

Размещено на http://www.allbest.ru

ПОНЯТТЯ ОНТОЛОГІЇ

Онтологія - як філософська дисципліна

Онтологія -- (лат. ontologia від дав.-гр. юн рід. п. грец. ьнфпт -- суще, те, що існує і грец. льгпт -- учення, наука) -- це вчення про буття, розділ філософії, у якому з'ясовуються фундаментальні проблеми існування, розвитку сутнісного, найважливішого. Поняття «онтологія» не має однозначного тлумачення у філософії, зокрема як не має його і в інформаційних системах.

Онтологія, будучи філософською дисципліною, вивчає об'єкти, властивості яких є загальними для всього сущого[1]. Коли ж природа об'єктів різна, то в залежності від контексту і цілей використання онтології, існують кілька інтерпретацій цього поняття. Одні дослідники розглядають онтологію як концептуальну "семантичну" сутність. Тоді онтологія є концептуальною системою, яка пропонується в якості базису певної бази знань (рис.1.). Інші дослідники трактують онтологію як спеціальний семантичний об'єкт, трактують її як уявлення концептуальної схеми логічної теорії, словник або специфікацію.

Онтології в чомусь схожі на тезауруси і таксономії, але насправді ширше них, оскільки надають додаткові засоби для опису структури описуваних даних. Оскільки за своєю суттю онтології - це інформація про інформацію, то вони є метаданими .

Мал.1.1 Визначення онтології Аристотеля

Онтологія в інформаційних технологіях

Для систем штучного інтелекту, які, як правило, є замкнутими системами, існує тільки те, що вже в них представлено або може бути представлено, тому в галузі штучного інтелекту найпоширенішим визначенням онтології є визначення, згідно з яким, онтологія є точною специфікацією концептуалізації. Точний зміст цієї інтерпретації залежить від розуміння термінів "специфікація" і "концептуалізація". Під концептуалізацією може розумітися деяка абстракція, тобто спрощене уявлення предметної області, збудованого для певної мети.

Концептуалізація включає об'єкти, поняття та інші сутності, які передбачаються в розглянутій області. З цієї точки зору кожна база знань, система штучного інтелекту або інтелектуальний агент явно або неявно фіксуються деякою концептуалізацією.

Онтологія предметної області визначає формальне наближення концептуалізації . В онтології зафіксована та частина концептуалізації, яка залежить від погляду на світ стосовно конкретної області інтересів.

Неформально онтологія складається з термінів і правил використання цих термінів, що обмежують їх значення в рамках конкретної області. На формальному ж рівні, онтологія це система, що складається з набору понять і набору тверджень про ці поняття, на основі яких можна будувати класи, об'єкти.

Оскільки в кожній області можуть існувати різні розуміння одних і тих же термінів, онтологія визначає угоду про значення термінів і є посередником між людиною - і машинно-орієнтованим рівнем представлення інформації. Онтологія існує в рамках домовленостей між членами спільноти, наприклад, між користувачами деякої інформаційної системи .

Концептуальне (або онтологічне) моделювання має справу з питанням про те, як декларативним чином, що допускає повторне використання, описати предметну область, відповідні типи словників, як обмежити використання цих даних, в припущенні розуміння того, що може бути виведено з цього опису .

З даного визначення також випливає, що окремими випадками онтологій є простий словник (наприклад, Dublin Core), тезаурус (у якому обмежено число відносин між термінами ) і т.д.

Онтологію можна застосовувати в якості:

компонента баз знань ;

схеми об'єктів в об'єктно-орієнтованих системах;

концептуальної схеми бази даних;

структурованого глосарію взаємодіючих спільнот;

словника для зв'язку між агентами;

визначення класів для програмних систем .

Онтології, в тому числі, дозволяють відповідним програмним засобам (інтелектуальним агентам) автоматично (без участі людини) визначати зміст термінів використаних при описі ресурсів і зіставляти його зі змістом поставленого завдання.

Визначення онтології

У 1980-х роках термін «онтологія» перейшов з філософії в область інформатики, коли почав використовуватися дослідниками зі штучного інтелекту спочатку в області інженерії знань, при обробці природних мов, а потім у представленні знань. В кінці 1990-х років почалися активні дослідження можливостей використання онтології в таких областях, як інтеграція інформації, пошук інформації в інтернеті та управління знаннями. У 1980-х роках термін «онтологія» перейшов з філософії в область інформатики, коли почав використовуватися дослідниками зі штучного інтелекту спочатку в області інженерії знань, при обробці природних мов, а потім у представленні знань. В кінці 1990-х років почалися активні дослідження можливостей використання онтології в таких областях, як інтеграція інформації, пошук інформації в інтернеті та управління знаннями.

У всесвітній павутині онтології стали звичайним явищем. Онтології в мережі варіюються від великих таксономій, категоризуючих веб-сайти, до категоризації товарів, що продаються і їх характеристик.

Чіткого визначення терміну «онтологія» не існує. Онтологія часто визначається як логічна теорія, яка обмежує допустимі моделі логічного мови. Онтологія, в цьому випадку повинна забезпечувати аксіоми, які обмежують значення нелогічних символів (предикатів і функцій) логічного мови, що використовуються як «примітиви» для певних цілей представлення. Мета онтології - точно визначити сутність предмета в описуваній предметній області. Наприклад, у даній дипломній роботі розроблена онтологія товарів, які продаються в інтернет-магазині www.modamania.com.ua. Дані товари представляють собою одяг та аксесуари, тому якщо ми будемо говорити про товар в рамках даного web-сайту, то будемо розуміти, що йдеться про одяг та аксесуари, а не, наприклад, про комп'ютерні комплектуючі, чи товари харчування.

Існує і багато інших визначень [23]. У літературі з штучного інтелекту деякі визначення поняття онтології суперечать один одному. З огляду на мету онтології як філософської дисципліни, зокрема праць Аристотеля, а також встановлення спільного для всіх існуючих визначень з області інформаційних технологій, у даній дипломній роботі онтологія розуміється як модель певного об'єкта будь-якої предметної області у вигляді набору понять цієї предметної області та ієрархії між ними. Тобто онтологія представляє ієрархію понять області у вигляді деякої структури, яка визначає, а також встановлює сутність кожного екземпляра області через ієрархію цієї понять в цій області. Причому ця ієрархія є відношенням типу «клас-підклас» (is-a), яке впорядкує поняття предметної області в - таксономію понять. Таксономія не є математичним деревом, так як дозволяє одному поняттю-дитині мати кілька понять-батьків.

Необхідність для розробки онтологій

Для спільного використання людьми або програмними агентами загального розуміння структури інформації.

Для можливості повторного використання знань в предметній області.

Для того щоб зробити допущення в предметній області явними.

Для відділення знань в предметній області від оперативних знань .

Для аналізу знань в предметній області.

Спільне використання людьми або програмними агентами загального розуміння структури інформації є однією з найбільш загальних цілей розробки онтологій. Наприклад, нехай, кілька різних веб-сайтів містять інформацію з медицини або надають інформацію про платні медичні послуги, що оплачуються через Інтернет. Якщо ці веб-сайти спільно використовують і публікують одну і ту ж базову онтологію термінів, якими вони всі користуються, то комп'ютерні агенти можуть витягувати інформацію з цих різних сайтів і накопичувати її . Агенти можуть використовувати накопичену інформацію для відповідей на запити користувачів або як вхідні дані для інших додатків.

Забезпечення можливості використання знань предметної області стало однією з рушійних сил недавнього сплеску в вивченні онтологій. Наприклад, для моделей багатьох різних предметних областей необхідно сформулювати поняття часу. Цей термін включає поняття тимчасових інтервалів, моментів часу, відносних заходів часу і т.д. Якщо одна група вчених детально розробить таку онтологію, то інші можуть просто повторно використовувати її у своїх предметних областях. Крім того, якщо нам потрібно створити велику онтологію, ми можемо інтегрувати кілька існуючих онтологій, що описують частини великий предметної області. Ми також можемо повторно використовувати основну онтологію, і розширити її для опису , що цікавить нас предметної області.

Створення явних припущень в предметній області, що лежать в основі реалізації, дає можливість легко змінити ці припущення при зміні наших знань про предметну область. Жорстке кодування припущень про світ на мові програмування призводить до того, що ці припущення не тільки складно знайти і зрозуміти, але і також складно змінити, особливо не програмісту. Крім того, явні специфікації знань в предметній області корисні для нових користувачів, які повинні дізнатися значення термінів предметної області.

Відділення знань предметної області від оперативних знань - це ще один варіант загального застосування онтологій . Ми можемо описати задачу конфігурування продукту з його компонентів відповідно до необхідної специфікації і впровадити програму, яка робить цю конфігурацію незалежну від продукту і самих компонентів []. Після цього ми можемо розробити онтологію компонентів і характеристик ЕОМ і застосувати цей алгоритм для конфігурування нестандартних ЕОМ. Ми також можемо використовувати той же алгоритм для конфігурування ліфтів, якщо ми надамо йому онтологію компонентів ліфта [3].

Аналіз знань в предметній області можливий, коли є декларативна специфікація термінів. Формальний аналіз термінів надзвичайно цінний як при спробі повторного використання існуючих онтологій, так і при їх розширенні [4].

Часто онтологія предметної області сама по собі не є метою. Розробка онтології те саме що і набір даних та їх структури для використання іншими програмами. Методи рішення задач, доменно-незалежні програми та програмні агенти використовують дані онтології і бази знань, побудовані на основі цих онтологій. Наприклад, у додатку А розроблено онтологію товарів одягу, що продаються на веб-сайті (www.modamania.com.ua). Потім цю онтологію можна буде використовувати як основу для реалізації семантичного пошуку на сайті або ж зручного фільтра товарі.

Склад онтології

Онтологія - явне формальне описання понять в аналізованої предметної області (класів (іноді їх називають поняттями)), властивостей кожного поняття (слотів (іноді їх називають ролями або властивостями)), і обмежень, накладених на слоти (фацетів (іноді їх називають обмеженнями ролей)). Онтологія разом з набором індивідуальних примірників класів утворює базу знань. Насправді, важко визначити, де закінчується онтологія і де починається база знань. У центрі більшості онтологій знаходяться класи. Класи описують поняття предметної області. Наприклад, клас товари представляє всі товари. Конкретні товари - екземпляри цього класу. Клас може мати підкласи , які представляють більш конкретні поняття, ніж надклас. Наприклад, ми можемо розділити клас всіх товарів на взуття, головні убори, виробнича та побутові. Слоти описують властивості класів та екземплярів : товар чоловіча шапка `Adidas', розміру `М', чорного кольору, має закупівельну ціну б, ціну на сайті в, ціна в інших магазинах г. Ми можемо сказати, що на рівні класу у екземплярів класу Товар є слоти , які описують ціну, назву бренда, артикул, стиль, розмір, кількість та ін..

На практиці розробка онтології включає:

визначення класів в онтології ;

розташування класів у таксономічну ієрархію (підклас - надклас ) ;

визначення слотів і опис допустимих значень цих слотів ;

заповнення значень слотів екземплярами.

Після цього ми можемо створити базу знань, визначивши окремі екземпляри цих класів, ввівши в певний слот значення і додаткові обмеження для слотів.

Мал.1 Деякі класи та їх слоти з онтології товарів

Простий метод розробки онтологій

Визначення масштабу онтології

Пропонується почати розробку онтології з визначення її області та масштабу. Тобто, відповімо на кілька основних питань :

1 . Яку область охоплюватиме онтологія ?

2 . Для чого ми збираємося використовувати онтологію ?

3 . На які типи питань повинна давати відповіді інформація в онтології?

4 . Хто буде використовувати і підтримувати онтологію ?

Відповіді на ці питання можуть змінитися під час процесу проектування онтології, але в будь-який заданий момент часу вони допомагають обмежити масштаб моделі .

Розглянемо онтологію товарів, яку ми представили раніше. Область поданої онтології - представлення товарів одягу. Цю онтологію планує використовувати інтернет-магазину для реалізації семантичного пошуку, для підвищення рівня продаж.

В дану онтологію будуть включені поняття, які описують різні типи товарів, поняття хорошого і поганого поєднання товарів та особистих стилів одягу, поняття про поєднання одягу та видів роботи та ін.

Онтологія буде використовуватиметься для того, щоб допомогти відвідувачам сайту вирішити, який одяг підходить для заняття йогою, для роботи програмістом.

Перелік важливих термінів онтології

Корисно скласти список всіх термінів, про які ми хотіли б сказати що-небудь або які хотіли б пояснити користувачеві. Які терміни ми б хотіли розглянути? Які властивості мають ці терміни? Що б ми хотіли сказати про ці термінах? Наприклад, в число важливих термінів, пов'язаних з товарами одягу, входять одяг, ціна, виробник, якість, колір одягу, розмір одягу, стилб одягу; стать одягу, тобто чоловіча, жіноча; вікова категорія і т.д. На початку важливо отримати повний список термінів, не турбуючись про перетин понять, які вони представляють, про відносини між термінами, про можливі властивості понять або про те, чим є поняття - клас або слот .

Наступні два кроки - розробка ієрархії класів і визначення властивостей понять (слотів) - тісно переплетені. Складно виконати спочатку один з них, а потім - інший. Зазвичай в ієрархії ми даємо кілька формулювань понять і потім описуємо властивості цих понять і т.д. Також ці два кроки - найважливіші кроки в процесі проектування онтології. Тут ми опишемо їх коротенько, а потім у наступних двох розділах розглянемо більш складні проблеми, які необхідно взяти до уваги, що часто зустрічаються труднощі, рішення, які потрібно прийняти, і т.д.

Визначення класів та ієрархії класів

Існує кілька можливих підходів для розробки ієрархії класів []:

Процес спадної розробки починається з визначення найзагальніших понять предметної області з подальшою конкретизацією понять. Наприклад, ми можемо почати з створення класу для загального поняття Товари. Потім ми конкретизуємо класи Побутовий одяг, створюючи його підкласи : Верхній, Домашній, Повсякденний та ін. Ми можемо ще далі категоризувати клас Верхній, наприклад, в Костюм, Куртка, Пальто і т.д.

Процес висхідної розробки починається з визначення самих конкретних класів, листя ієрархії, з подальшою угрупованням цих класів в більш загальні поняття. Наприклад, спочатку ми визначаємо класи для товарів Шкільна форма і Військова форма. Потім ми створюємо загальний надклас для двох цих класів - Формений одяг, який, у свою чергу є підкласом Виробничий.

Процес комбінованої розробки - це поєднання спадного і висхідного підходів : спочатку ми визначаємо більш помітні поняття, а потім відповідним чином узагальнюємо і обмежуємо їх. Ми могли б почати з кількох понять вищого рівня, таких як Товари, і декількох конкретних понять, таких як Пальто, Шуба. Потім ми можемо співвіднести їх з поняттям середнього рівня, таким як Верхній. Після цього нам може знадобитися сформувати всі класи товарів Побутового призначення, формуючи таким чином ряд понять середнього рівня.

Рис. 2. Різні рівні таксономії Товарів: Товар, Побутовий одяг, Головні убори, Взуття, Виробнича - більш загальні поняття, верхній рівень. Рубашка, Військова форма - самі конкретні класи в ієрархії, нижній рівень.

Жоден з цих трьох методів не краще за інших за своєю суттю. Вибір підходу у великій мірі залежить від особистого погляду на предметну область. Якщо розробник схильний до розгляду предметної області зверху вниз, то йому, можливо, більше підійде спадний метод. Часто для багатьох розробників онтологій найпростішим є комбінований метод , так як поняття, що перебувають «посередині», мають тенденцію бути самими наочними поняттями в предметної області.

Якщо ви схильні робити спочатку саму загальну класифікацію товарів одягу, то вам більше підійде спадний метод . Якщо ви б почали наводити конкретні приклади , то більш підходящим є висхідний метод .

Який метод ми б не обрали, зазвичай ми починаємо з визначення класів. Зі списку, складеного в в попередньому кроці, ми вибираємо терміни, які описують об'єкти, що існують незалежно, а не терміни, які описують ці об'єкти. В онтології ці терміни будуть класами і стануть точками прив'язки в ієрархії класів [2] . Ми організуємо класи в ієрархічну таксономії, задаючи питання: якщо об'єкт є екземпляром одного класу, чи буде він обов'язково (тобто за визначенням) єкземпляром деякого іншого класу?

Якщо клас А - надклас класу В, то кожен екземпляр В також є екземпляром А.

Іншими словами, клас В являє собою поняття, що є «різновидом » А. На рис. 2 показана частина ієрархії класів онтології по призначенням товарів одягу.

Визначення властивостей класів - слотів

Класи самі по собі не пропонують достатньо інформації для відповіді на питання перевірки компетентності. Після визначення деякої кількості класів ми повинні описати внутрішню структуру понять.

Ми вже вибрали класи зі списку термінів, який ми створили на вище. Більшість залишилися термінів, ймовірно, будуть властивостями цих класів. Ці терміни включають, наприклад, колір товару, його ціну, розмір і кількість, артикул, а також назву бренда.

Для кожної властивості зі списку ми повинні визначити, який клас вона описує. Ці властивості стануть слотами, прив'язаними до класів. Таким чином, у класу Товар будуть наступні слоти: артикул, назва бренда, а також він успадкує слоти з класів, які наслідує (Ціна, Стиль, Опис, Розмір) кількість одиниць певного розміру, стать, колір, умови доглядання.

Взагалі, в онтології слотами можуть стати декілька типів властивостей об'єктів:

- «Внутрішні » властивості , такі як артикул товара;

- « Зовнішні » властивості , такі як колір та ціна на сайті;

Слот повинен бути прив'язаний до самого загального класу, у якого може бути дана властивість. Наприклад, артикул та назву бренда повинен мати кожний товар.

Створення екземплярів

Останній крок - це створення окремих екземплярів класів в ієрархії . Для визначення окремого екземпляра класу потрібно (1) вибрати клас, (2) створити окремий екземпляр цього класу і (3) ввести значення слотів. Наприклад, ми можемо створити окремий екземпляр кросівки “NIKE” - для подання певного типу товару Взуття. Кросівки “NIKE” - це екземпляр класу Кросівки, що представляє клас Взуття. У цього примірника визначені наступні значення слотів (рис. 5 ) :

- Кількість: б

- Розмір: 39

- Закупівельна ціна: в

- Ціна на сайті : г

- Ціна в інших магазинах : д

- Назва бренда: NIKE

- Атикул: 000057812

- Колір : Білий та ін..

Реалізація онтології

онтологія слот товар екземпляр

Онтологія товарів була реалізована в програмному середовищі Protйgй 4.3. Це дало можливість згенерувати програмний код об'явлених класів на мові програмування Java, а також описати онтології для майбутніх модифікацій на мові опису онтологій RDF(код даної онтології прикріплено в додатку Б).

Онтологію товарів було впроваджено на сайті www.modamania.com.ua, що дало можливість структурувати інформацію по товарах, а також зручно і динамічно категоризувати товари для швидкого пошуку їх покупцями.

Впроваджену онтологію можна легко редагувати(видаляти, добавляти, переписувати) завдяки розробленим функціям(код прикріплено в додатку Г). Це дало можливість створювати нові види товарів, та модифікувати існуючі. (мал.2)

На момент написання дипломної роботи кількість екземплярів для онтології товарів становила близько 20 000 тис. одиниць.

Мал.1 Скріншот програми по редагуванню онтології

Висновки

Онтологія (в сфері ІТ) - це специфікацією предметної області у вигляді набору понять цієї предметної області та ієрархії між ними .

Мета онтології - точно визначити сутність предмета в описуваній предметній області.

Розроблена онтологія була впровадження в інтернет-магазин www.modamania.com.ua і представляє собою зручний інструмент для пошуку товара по відповідним категоріям та властивостям.

Концептуальне моделювання онтологій дуже подібне до моделювання в об'єктно-орієнтованому програмуванні, але онтології надають багатшу формальну семантику та використовуються для інших задач ніж моделі ООП.

Размещено на Allbest.ru