CC BY
58
УДК 004.89.002.53
Назначение и роль модульных онтологий в интегрированных
производственных системах
В.В.Горюнова,
к.т.н., доцент кафедры.ИТММБС Пензенской государственной технологической акаде.ммм.Е-таі1^уу17@таі1.т
М.В. Рычкова,
к.т.н., доцент каф. физика Пензенского государственного университета
В статье предлагается перспективный подход к разработке интегрированных производственных систем, представленный модульной организационной онтологической системной технологией, которая определяет механизм проектирования, функционирования и разработки систем управления базами данных интегрированных производственных систем с использованием декларативных онтологических модулей .
Ключевые слова: информационные технологии; интегрированные
производственные системы; онтологии
Appointment and role of modular ontologies in the integrated industrial systems
V.V.Gorjunova, the senior lecturer , Penza state Technological academy. Russia, E-mail:[email protected]
M.V.Rychkova, the senior lecturer , Penza state University Russia
In article the perspective approach to working out of the integrated industrial systems, presented by modular organizational ontologic system technology which defines the mechanism of designing, functioning and system engineering of management by databases of the integrated industrial systems with use of declarative ontologic modules is offered.
Keywords: information technology; integrated industrial systems; ontologies
Введение
Основной тенденций в развитии интегрированных производственных систем в настоящее время является переход от централизованных систем к распределенным интегрированным системам, использование центров обработки данных и аппаратно-программных аналитических и диагностических комплексов. А также применение современных технологий объектноориентированного анализа и моделирования , основанных на онтологиях [1].
Представленные к обсуждению в статье вопросы формального описания, создания и применения модульных онтологий используют богатейший теоретический материал по ряду взаимосвязанных научных направлений . содержащийся в трудах известных учёных В.Н.Вагина , Т.А.Гавриловой , Г.Н. Калянова, О.П. Кузнецова, В.В. Кульбы, Д.А. Новикова, Д.А.Поспелова, Э.А. Трахтенгерца, С.А. Юдицкого.Онтологические описания всегда опираются на определенную концепцию области, которая обычно задается в виде системы исходных объектов , отношений между ними и положений (аксиом). Само определение базовых понятий предметной области (агентов, процессов, атрибутов) вместе с основными отношениями между ними называется
концептуализацией. Поэтому онтологию часто понимают как «спецификацию концептуализации» [2].
Перспективным в направлении развития интеграции распределенных систем управления базами данных интегрированных производственных систем (ИПС) представляется подход определяемый модульной организационноонтологической системной технологией ( МОСТ-технологией ) , при котором схемы взаимодействия онтологий объектов систем создаются средствами самих объектов , при наделении их дополнительными свойствами принятия решений на уровне их допустимых полномочий.
Аспекты моделирования образов в интегрированных производственных системах
В работах [3, 4 ] определено конкретизированное понятие «онтология» как точное описание концептуализации знаний в виде множества используемых понятий (концептов) и набора парадигматических и синтагматических отношений.
Парадигматические отношения - отношения синонимии, омонимии, полисемии, обобщения «род-вид», агрегации «целое-часть», причинноследственные и другие отношения, которые превращают словарь понятий (концептов, категорий) в тезаурус. Синтагматические отношения отражают семантические ограничения в виде аксиом или логических правил, которые позволяют правильно строить переменные отношения понятий в конкретном контексте решения задачи.
Формализация семантической структуры знаний требует применения языков исчисления предикатов для отображения аксиоматики и объектноориентированного представления знаний для отображения таксономии используемых понятий. Наиболее пригодными языками с этой точки зрения являются KIF , семантические сети и фреймовые языки . Основное назначение языков представления знаний на базе RDF, DAML+OIL, OXML, SHOE, расширяющих языки разметки, заключается в возможности описания онтологии, аннотировании необходимых источников знаний концептами онтологии, по которым строятся индексы поиска знаний, подключающие источники знаний к интегрированным системам поддержки принятия решений.
Важным аспектом развития онтологии является ее распределяемость, т.е. онтология позволяет обособить части и расставить в них ссылки друг на друга.
Коллективное использование онтологий в INTRANET и INTERNET среде предполагает два способа реализации развивающихся онтологий :
■ расширение языков разметки HTML и XML в части отображения онтологического знания.
■ декомпозиция и модульность онтологических представлений
Исходя из приведённых выше заключений , допустимо сделать вывод о
необходимости разработки модульной организационно-онтологической
технологии состоящей из отдельных декларативных онтологических модулей, создаваемых на основе декларативных образов.
В рамках разработки модульной онтологической системной технологии, образ трактуется авторами как концептуально-целевой сценарий
функционирования онтологической системы, состоящей из онтологических
блоков ( объектов, описываемых «постоянными » определёнными терминами ). Дадим определение, согласно которому образ - это способ функционирования системы в виде множества действий (операторов), выполняемых в определенном порядке и направленных на достижение определенных целей. В образе отображаются два уровня составляющих, выполняемых в системе: целевые действия и элементарные работы. Действия направлены на достижение основных целей системы, они обладают высокой степенью автономности, функционируют преимущественно параллельно и могут вступать во взаимодействие. Действия подразделяются на базовые управляющие и поддерживающие ресурсные.
Настраиваемый шаблон образа - это ориентированный граф с вершинами двух типов, сопоставленных с позициями {P} и переходами {T}, в котором дугами соединены только вершины разного типа. Вершины-переходы (дополнительно помечаются описанием динамики переменных в концептуальных (горизонтальных ) сценариях, а вершины-позиции помечаются описанием управляющих воздействий в целевых (вертикальных) сценариях. События, инициирующие переходы между операторами образа, представляют собой композицию элементарных (базовых) событий .Такая
графоаналитическая конструкция (без учета пометок вершин) соответствует модели «сеть Петри».
Последняя является динамической моделью: в вершины позиции сети Петри помещаются маркеры, которые могут перемещаться между позициями в результате «срабатывания» переходов. Срабатывание перехода в сети Петри определяется правилом: в каждой его входной позиции должен быть маркер, а в каждой выходной позиции маркер должен отсутствовать. Взаимовлияния определяются как взаимодействия между элементами внутри множеств целей, действий и показателей, с учетом связей между этими множествами и воздействий внешней среды [5,6]. Множество с заданными на нем взаимодействиями образует сеть, изображаемую в виде «нагруженного» ориентированного двудольного графа
Декларативная онтологическая модель системы отображает взаимодействие задач с декларантами ( условиями выбора) элементов потоков, заключающееся во внесении операцией элементов в декларант
онтологического модуля, изъятии операцией элементов из декларанта, преобразовании элементов внутри декларанта согласно заданному (для данного декларанта) жизненному циклу объектов - элементов потока. Декларанты, для которых моделируется только внесение/изъятие элементов потока, будем называть пассивными, а для которых, кроме того, моделируется и реализация жизненного цикла - активными. Последние соответствуют используемой в объектно-ориентированном подходе конструкции «класс». Система реализуют процессы, которые состоят из отдельных целенаправленных операций, выполняемых в определенном порядке. При этом элементы i-го уровня (i = 0, 1, ..., N-1, где N - число уровней) реализует процессы на базе операций, реализуемых образами i + 1-го уровня. Иными словами, имеет место иерархия процессов, в ходе которых и осуществляется движение потоков.
Активная декларативная модель представляет собой детализацию потокового сценария с учетом динамики развития образов в ходе выполнения
операций и передачи образов от одних операций к другим. Т.е. , в рамках предлагаемой авторами модульной онтологической системной технологии , систематизация знаний на уровне операций позволяет интегрировать разнородные источники знаний на основе единой много аспектной таксономии, представляемой в общем словаре по заданному аспекту или набору аспектов, средствами единого формального аппарата ( сети Петри и продукционные системы).
Изложенное выше, позволяет применять в качестве формальной основы для описания активной потоковой модели сеть Петри, позиции которой сопоставлены классам, а переходы - межклассовым взаимодействиям. Такое формальное представление активной потоковой модели будем называть исполнительной схемой образа. Создаваемая по исполнительной схеме формальная модель на основе сети Петри формирует экспертную схему онтологического блока ( РSgram-у ), которая при использовании механизма редукции на сетях Петри иерархизируется и превращается в Тgram-у декларативного онтологического модуля и служит основой формирования декларативного онтологического модуля (ДОМ).
Исходя из исследований, проводимых в рамках концептуально-целевого подхода, онтология ОС может быть отображена в виде структуры графа. Тогда пусть онтология Ont есть некоторый граф Ont = <N,E>, (1)
где N - узлы онтологии, E - отношения между узлами (ориентированные дуги).
В рамках онтологии будем выделять три подграфа, которые составляют основу представления предлагаемых авторами декларативных моделей онтологий.
1. T-граф - концептуальная часть онтологии. На данном графе узлами являются классы T и отношения R, а дугами базовые отношения, вводимые структурой организационной системы.
2. А-граф - объектно-целевой граф. Его узлами является множество объектов-целей онтологии, дуги - отношения между объектами-целями, как вводимые целевой структурой, так и введенные на T-графе отношения R.
3. ТА-граф - связующий между концептуальным и объектным. В качестве узлов содержит классы T и объекты A, принадлежащие этим классам, в качестве дуг здесь выступают отношения принадлежности объекта классу. Данный граф является двудольным.[7-9 ]
Ont = T+ A + TA (2)
Принимая во внимание содержательную часть трех подграфов графа (2) часть его узлов в ряде случаев выступает в качестве дуг (отношения R), независимое рассмотрение описанных подграфов по отдельности снимает данную коллизию.
Исходя из поставленной задачи дуги Т-, ТА- и А-графов являются нечеткими, нечеткость которых выражается в существовании либо функции принадлежности m(x), либо непосредственно ее значения, интерпретируемых как уверенность в существовании данного отношения.
Также возможна и более глубокая декомпозиция, зависящая от специфических особенностей онтологии. Предлагаемое разложение
универсально и легко осуществляемо в рамках существующих прикладных реализаций структуры онтологии.
Заключение
В заключении авторы ещё раз хотели бы подчеркнуть основную роль модульных онтологий в ИПС, которая сводится к обеспечению следующих возможностей:
1. Повышение интегрированности производственных систем на основе представления того, что предполагает процесс согласования и часто остается неявным. В отличие от экспертных систем модульные онтологии формализуют неявные предположения в концептуализацию. Декларативное представление концептуализации в онтологиях на основе средств сетей Петри и продукционных систем делает онтологии динамическими.
2. Стандартизация на основе описания целевого декларативного пространства в виде словаря, согласованного среди пользователей-экспертов на базе единообразных декларативных схем .
3. Систематизация знаний, которая позволяет интегрировать разнородные источники знаний на основе единой много аспектной таксономии, представляемой в общем словаре, средствами единого формального аппарата ( сети Петри и продукционные системы для данной технологии ), отражающего статику и динамику системы.
4. Создание целостной методики декларативного моделирования процессов согласования решений по управлению данными в ИПС (на основе сетей Петри и продукционных систем ) .
Список использованных источников
1. Гаврилова, Т.А. Формирование прикладных онтологии // КИИ-2006: тр. X нац. конф. по искусственному интеллекту, Обнинск, 26-28 сентября 2006 г. - М.: Физматлит, 2006. - Т. 2.
2. Горюнова В.В. Концептуальные спецификации эксплуатационнотехнологических процессов. Монография. Пенза, ПАИИ. 2009 г.
3. Горюнова В.В. , Молодцова Ю.В., Сотникова А.А. Использование
принципов модульной онтологической системной технологии в интегрированных медицинских производственных системах
«Нейрокомпьютеры: разработка, применение» №3 за 2011 г. 3-7 с.
5 Горюнова В.В. Модульная разработка онтологий интегрированных производственных систем // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева сер. Технология машиностроения - 2009. - №4. - 10 с
6 Горюнова, В.В. Декларативное моделирование распределенных систем управления промышленными процессами [Текст] /В.В. Горюнова// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.- 2009.- №11.- 4 с.
7 Горюнова В.В., Молодцова Ю.В., Сёмин Д.В. Методология использования концептуальных спецификаций интегрированных сред // Автоматизация и современные технологии. - 2010. - №8. - 10 с.
Сведения об авторах:
1. Горюнова Валентина Викторовна - канд. техн. наук, доцент кафедры "Информационные технологии и менеджмент в медицинских и биотехнических системах" Пензенской государственной технологической академии.
440028, г. Пенза, пр. Байдукова 1-а Т. (8412) 49-69-77, e-mail: [email protected] Область научных интересов: информатика, производственные системы, онтологии, системы поддержки и принятия решений, биотехнические системы.
2. Рычкова Марина Васильевна - доцент каф. физика ПГУ
440600, г. Пенза, ул. Красная, 40. (8412) 51-56-01, e-mail: [email protected] Область научных интересов: информатика, производственные технологии
