Онтологический инжиниринг: основные направления исследований (в зарубежных странах)

УДК 004.89:004.4

Н.ГЯшина

ОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ИНЖИНИРИНГ: ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В рамках онтологического инжиниринга можно выделить ряд направлений исследований. Одно из них - разработка методологии и методов построения онтологий. Отдельно изучаются методы реинжиниринга онтологий, направленные на исследование моделей существующих онтологий и построение на их основе новых моделей, предназначенных для создания новых онтологий, ориентированных на решение новых задач. В соответствии с тенденциями Web 2.0 большое внимание уделяется методам коллективной разработки онтологий. Важным направлением исследований сегодня является работа по стандартизации средств представления онтологий и создание соответствующих средств онтологического инжиниринга. Исследователи в разных странах работают над автоматическим или инструментальным объединением онтологий. В результате обобщения опыта разных направлений исследований в области методологии и методов онтологического инжиниринга была построена схема, отражающая основные алгоритмы онтологического инжиниринга.

Ключевые слова: онтологический инжиниринг, онтологии, методологии и методы построения онтологий, реинжиниринг онтологий, интеграция онтологий, стандартизация

N.G. Yashina ONTOLOGICAL ENGINEERING: THE MAIN TREND OF SCIENTIFIC RESEARCHES

Within the framework of ontological engineering it is possible to select the row of directions of the research. One of them - development of methodologies and methods of building the ontology. Apart are studied methods of ontology reengineering, directed to study of existing models of ontology and building on their base of the new models, intended for making the new ontologies, oriented to decision of the new problems. In accordance with the trends of Web 2.0 large attention is paid to the methods of collective development of ontologies. The Important direction of the studies today is the work on standardizations of facilities of presentation of ontology and creation of corresponding facilities of ontological engineering. The Researchers in different countries work on automatic or instrumental infestation of ontologies. As a result of generalization of experience in different directions of studies in the field of methodologies and methods of ontological engineering there was built the scheme, reflecting the main algorithms of ontological engineering.

Key words: ontological engineering, ontologies, methodologies and methods of the building ontology, ontology reengineering, integration ontology, standardization

В течение последнего десятилетия возросло внимание к построению и использованию онтологий, которые широко используются в разработке интеллектуального обеспечения, в сфере искусственного интеллекта и информатики; областью применения онтологий могут быть, например, управление знаниями, обработка и поиск информации на естественном языке, электронная коммерция, интеллектуальная информационная интеграция, био-информатика, образование, а также семантик- веб. Онтологический инжиниринг имеет своей целью извлечение знаний в пределах конкретной области с помощью программных средств. С помощью онтологического инжиниринга возможно крупномасштабное представление таких абстрактных понятий как, например, действие, время, физические объекты и убеждения [16].

В рамках онтологического инжиниринга можно выделить ряд направлений исследований. Одно из них - разработка методологии и методов построения онтологий. Первые инструментальные средства построения онтологий были разработаны в рамках проекта Сус (США, 80-е гг. 20 в.) под руководством Д. Лената [9]. В 1998 г. М.Усколдом и М. Кингом была предложена методология проектирования онтологий [19], на базе которой была создана онтология моделирования бизнес-процессов Enterprise Ontology. В 2006 г. испанские ученые предложили методологию METHONTOLOGY, которая нашла широкое применение при построении онтологий в различных областях деятельности [6]. На основе опыта создания онтологии TOVE, также ориентированной на моделирование бизнес-процессов, в 2010 г. была разработана методология Michael Gruninger и Mark S. Fox (Канада) [18].

Отдельно изучаются методы реинжиниринга онтологий, направленные на исследование моделей существующих онтологий и построение на их основе новых моделей, предназначенных для создания новых онтологий, ориентированных на решение новых задач. Это направление онтологического инжиниринга базируется, в основном, на методике реинжиниринга программного обеспечения и рассматривается в работах А. Gomez-Perez [8] и других авторов.

В соответствии с тенденциями Web 2.0 большое внимание уделяется методам коллективной разработки онтологий. В этой области существует несколько подходов и, соответственно, инструментальных средств. Среди них можно выделить проект кооперативного Protege (США, 2008). Protege — это свободный, открытый редактор онтологий и фреймворк для построения баз знаний, который поддерживается значительным сообществом, состоящим из разработчиков и ученых, правительственных и корпоративных пользователей, использующих его для решения задач, связанных со знаниями, в таких разнообразных областях, как биомедицина, сбор знаний и корпоративное моделирование [15]. Кооперативный Protege отличается наличием поддержки аннотирования компонент онтологий и изменений, дискуссий, предложений, голосования, поиска и фильтрации, регистрации пользователей. Редактор поддерживает автономную и многопользовательскую работу. Аналогичные цели преследует европейский проект NeON (Networked Ontologies), реализованный при участии А. Gomez-Perez и др. [12] и обеспечивающий поддержку всего жизненного цикла онтологии, сетевую работу с онтологиями. NeON позволяет работать с большими объемами распределенных и взаимосвязанных семантических ресурсов в их динамике, модульности и контекстной зависимости и большим количеством онтологий; разрабатывать, тестировать и использовать онтологии в сети; обеспечивает поддержку для совместной разработки сетевых онтологий.

Важным направлением исследований сегодня является работа по стандартизации средств представления онтологий и создание соответствующих средств онтологического инжиниринга. В этой области уже достигнуты определенные результаты: согласованное использование средств спецификации онтологий, разработанных в США (DAML) и в Европе (OIL) [2]; разработка консорциумом W3C стандарта на спецификацию онтологий - языка OWL [14]. Ведутся интенсивные исследования в области создания методов и методологии объединения и выравнивания онтологий, что является необходимым условием эффективного использования разнородной и разноформатной информации, взаимодействия распределенных информационных систем и ресурсов.

Среди работ в области интеграции онтологий, наиболее важны следующие: ONIONS (G. Steve и др.., 1997; A. Gangemi и др., 1999) [7], PROMPT (N. Noy и M. Musen, 2000 (предыдущее название SMART)) [13], OBSERVER (E. Mena и др., 2000) [11], Chimaera (D.L. McGuiness и др., 2000) [10], OntoMorph (H. Chalupsky, 2000)[1], FCA-Merge (G. Stumme и A. Maedche, 2001) [17], MAFRA (A. Maedche и др., 2002; J.T. Fernandez-Breis и R. Martinez-Bejar, 2002) [4], OntoMerge (D. Dou и др., 2002) [3], WI-ONTO (J.T. Fer-nandez-Breis и др., 2002) [5]. Исследователи в разных странах работают над автоматическим или инструментальным объединением онтологий. Однако и автоматическое объединение онтологий, и создание инструментальных средств, которые бы управляли пользователем в этом процессе, находятся на ранних стадиях развития.

В результате обобщения опыта разных направлений исследований в области методологии и методов онтологического инжиниринга была построена схема, отражающая основные алгоритмы онтологического инжиниринга (Рис. 1).

ФызпЙрение и четкое определят? понятий

ЖыаЕленйейяетк определял-:? множества свойств, характеризующих каждоепонятие Шыжвлениеп четкое определял;? родовидовых зависимостей между понятиями, задание гаксономий на множестве понятий.

-Выявление^четкое определяла другихпроизвольныхгйтнярныт связей между понятиями о указанием. кщакоиуттак связей они относятся, построение тезауруса. -Выявление и четкое опр^т?лял-:е аконш, ирактершунйОЙ углубленную семантику понятий. атрибутов и связей. -Построение жстенсионалсв

-11нгегр=ПИЯ ЗКЕИВа-лентных классов -Копирование свойств обоих исходных классов -Копирование связей обоих исходных классов -Привязка суперклассов обоих исхолных классов -Привя зка подклассов обоих исходных классов -Интеграция эквивалентных свой^щ^аосов -Интеграция эквивалентных свя з ей месяцу классами

-Копиров анэе классов е ивдавэеную онтологию -Копирование свойств в создав аемую онтологию -Копирование связей в создаваемую онтологию

—Ь.

реиьжкнкр

ннг окгологий

гтйндартиза пня средств представке

НИИ

окталэгий

-Создание и м одификапия разделов онтологии группой агентов -разработчиков -РеыензироЕ ание предпринятых модификаций рзЕ жшраЕ ныии участниками -Принятие мо-Лификший поел? СОГЛЛООЕЭИИЯ

-Координация работы агентаМИ-

координ агорами -Совместное конструирование базы знаний через Web

-Анализ концептуальной модели реализованной онтологии

¿Отображение ее е другую. более подходящую для решения новых задач, концептуальную модель -Реализация новой онтологии

-Создание срасгв спецификации онтологии. обеспечивающих еыеоднэ знаниях и проверку целостности знании -Создание срасгв поддержки целостности онтологических спецификации -Создание средств спецификации перекрестных ссылок между словзрямии конвертирования спецификаций.

Рис, 1, Алгоаитмы онтологичгского инжиниринга

Таким образом, онтологический инжиниринг находит свое применение на разных этапах построения и использования онтологий, соответственно, выделяются и различные направления исследований в данной области. И все они в комплексе призваны обеспечить возможность однозначного и экономичного представления информации; организации процедур анализа и обработки информации с учетом характера связей между объектами; обеспечения эффективного использования информации, информационного взаимодействия на различных уровнях.

Литература

1. Chalupsky, H. OntoMorph: a translation system for symbolic knowledge / H. Chalupsky // 7th International Conference on Principles of Knowledge Representation and Reasoning (KR'00), Breckenridge, Colorado, April 2000. -San Francisco, California: Morgan Kaufmann Publishers, 2000. -P. 471-482.

2. DAML+OIL Reference Description / Dan Connolly, Frank van Harmelen, Ian Horrocks, Deborah L. McGuinness, Peter F. Patel-Schneider, Lynn Andrea Stein // W3C Note 18 December 2001.

3. Dou, D. Ontology translation by ontology

1. Chalupsky, H. OntoMorph: a translation system for symbolic knowledge / H. Chalupsky // 7th International Conference on Principles of Knowledge Representation and Reasoning (KR'00), Breckenridge, Colorado, April 2000. -San Francisco, California: Morgan Kaufmann Publishers, 2000. -R. 471-482.

2. DAML+OIL Reference Description / Dan Connolly, Frank van Harmelen, Ian Horrocks, Deborah L. McGuinness, Peter F. Pa-tel-Schneider, Lynn Andrea Stein // W3C Note 18 December 2001.

3. Dou, D. Ontology translation by ontology

merging and automated reasoning / D. Dou, D. McDermott, P. Qi // In Proceedings of the EKAW Workshop on Ontologies for Multi-Agent Systems. -Sigüenza, Spain, 2002.

4. Fernandez-Breis, J.T. A cooperative framework to integrate ontologies / J.T. Fernandez-Breis, R. Martinez-Béjar// International Journal of HumanComputer Studies. - 2002. - 56 (6). - Р. 665-720.

5. Fernandez-Breis, J.T. WI-ONTO: A web tool for the automatic integration of ontologies / J.T. FernandezBreis, M. Menarguez, R. Valencia, P.J. Vivancos // CAEPIA'2005. -2005. - Vol. I. - Р. 253-262.

6. Ferndndez, M. METHONTOLOGY: From Ontological Art Towards Ontological Engineering. AAAI Technical Report SS-97-06 / M. Ferndndez, A. Gomez-Perez, N. Juristo. - Madrid, 2006.

7. Gangemi, A. An Overview of the ONIONS Project: Applying Ontologies to the Integration of Medical Terminologies / A. Gangemi, D.M. Pisanelli, G. Steve // Data and Knowledge Engineering. - 1999. - V. 31. - P. 183-220.

8. Gomez-Perez, A. Ontological Reengineering and Reuse / A. Gomez-Perez, M.D. Rojas / / Proc. of 11th Europian Workshop on Knowledge Acquisition, Modelling and Management. - Springer Verslag, 1999.

9. Lenat, D. Building Large Knowledge Based Systems: Representation and Inference in the Cyc Project / D. Lenat, R.V. Guha. - Reading, Massachusetts: Addison-Wesley, 1989.

10. McGuinness, D.L. An environment for merging and testing large ontologies / D.L. McGuinness, R. Fikes, J. Rice, S. Wilder //7th International Conference on Principles of Knowledge Representation and Reasoning (KR'00), Breckenridge, Colorado, April 2000. - San Francisco, California: Morgan Kaufmann Publishers, 2000. - P.483-493.

11. Mena, E. OBSERVER: An Approach for Query Processing in Global Information Systems based on Interoperation across Pre-existing Ontologies / E. Mena, A. Illarramendi, V. Kashyap, A Sheth // International journal of Distributed and Parallel Databases (DAPD). -2000. - Vol. 8, N 2. -P. 223-271.

12. Noy, N. PROMPT: Algorithm and Tool for Automated Ontology Merging and Alignment / N. Noy, M. Musen // Proceedings of the Seventeenth National Conference on Artificial Intelligence (AAAI-2000). -Austin, Texas, 2000.

13. OWL Web Ontology Language Guide / K.M. Smith, Ch. Welty, D.L. McGuinness // W3C Recommendation, 10 February 2004. -http://www.w3.org/TR/2004/REC-owl-guide-20040210/.

14. Stumme, G. FCA-Merge: Bottom-Up Merging of Ontologies / G. Stumme, A. Maedche // IJCAI 2001 -Proceedings of the 17th International Joint Conference on Artificial Intelligent. -Seattle, USA, 2001.

15. TOVE Ontology Project -http://www.eil.utoronto.ca/enterprise-modelling/tove/index.html

16. Uschold, M. The Enterprise Ontology / M. Uschold, M. King, S. Moralee, Y. Zorgios // The Knowledge Engineering Review. - 1998. -Vol. 13, Special Issue on Putting Ontologies to Use.

17. Официальный сайт NeON. -

merging and automated reasoning / D. Dou, D. McDermott, P. Qi // In Proceedings of the EKAW Workshop on Ontologies for Multi-Agent Systems. -Sigüenza, Spain, 2002.

4. Fernandez-Breis, J.T. A cooperative framework to integrate ontologies / J.T. Fernandez-Breis, R. Martinez-Béjar// International Journal of HumanComputer Studies. - 2002. - 56 (6). - R. 665-720.

5. Fernandez-Breis, J.T. WI-ONTO: A web tool for the automatic integration of ontologies / J.T. Fernandez-Breis, M. Menarguez, R. Valencia, P.J. Vivancos // CAEPIA'2005. -2005. - Vol. I. - R. 253262.

6. Ferndndez, M. METHONTOLOGY: From Ontological Art Towards Ontological Engi-neering. AAAI Technical Report SS-97-06 / M. Ferndndez, A. Gomez-Perez, N. Juristo. - Madrid, 2006.

7. Gangemi, A. An Overview of the ONIONS Project: Applying Ontologies to the Integration of Medical Terminologies / A. Gangemi, D.M. Pisanelli, G. Steve // Data and Knowledge Engineering. - 1999. - V. 31. - P. 183-220.

8. Gomez-Perez, A. Ontological Reen-gineering and Reuse / A. Gomez-Perez, M.D. Rojas // Proc. of 11th Europian Workshop on Knowledge Acquisition, Modelling and Management. - Springer Verslag, 1999.

9. Lenat, D. Building Large Knowledge Based Systems: Representation and Inference in the Cyc Project / D. Lenat, R.V. Guha. - Reading, Massachusetts: Addison-Wes-ley, 1989.

10. McGuinness, D.L. An environment for merging and testing large ontologies / D.L. McGuinness, R. Fikes, J. Rice, S. Wilder //7th International Conference on Principles of Knowledge Representation and Reasoning (KR'00), Breckenridge, Colorado, April 2000. - San Francisco, California: Morgan Kaufmann Publishers, 2000. - P.483-493.

11. Mena, E. OBSERVER: An Approach for Query Processing in Global Information Systems based on Interoperation across Pre-existing Ontologies / E. Mena, A. Illarramendi, V. Kashyap, A. Sheth // International journal of Distributed and Parallel Databases (DAPD). -2000. - Vol. 8, N 2. -P. 223-271.

12. Noy, N. PROMPT: Algorithm and Tool for Au-tomated Ontology Merging and Alignment / N. Noy, M. Musen // Proceedings of the Seventeenth National Conference on Artificial Intelligence (AAAI-2000). -Aus-tin, Texas, 2000.

13. OWL Web Ontology Language Guide / K.M. Smith, Ch. Welty, D.L. McGuinness // W3C Recommendation, 10 February 2004. -http://www.w3.org/TR/2004/REC-owl-guide-20040210/.

14. Stumme, G. FCA-Merge: Bottom-Up Merging of Ontologies / G. Stumme, A. Maedche // IJCAI 2001 -Proceedings of the 17th International Joint Conference on Artificial Intelligent. -Seattle, USA, 2001.

15. TOVE Ontology Project. -http://www.eil.utoronto.ca/enterprise-modelling/tove/index.html

16. Uschold, M. The En-terprise Ontology / M. Uschold, M. King, S. Moralee, Y. Zorgios // The Knowledge Engineering Review. - 1998. -Vol. 13,

http://www.neon-project.org/nw/About_NeOn

18. Официальный сайт Protege. -http://protege.stanford.edu/

19. Smith, Barry Beyond Concepts: Ontology as Reality Representation / Barry Smith // Proceedings of FOIS 2004. International Conference on Formal Ontology and Information Systems, Turin, 4-6 November 2004. -http://ontology.buffalo.edu/bfo/BeyondConcepts.pdf

Special Issue on Putting Ontologies to Use.

17. Oficial'nyj sajt NeON. - http://www.neon-project.org/nw/About_NeOn

18. Oficial'nyj sajt Protege. -http://protege.stanford.edu/

19. Smith, Barry Beyond Concepts: Ontology as Reality Representation / Barry Smith // Proceedings of FOIS 2004. International Conference on Formal Ontology and Information Systems, Turin, 4-6 November 2004. -

http://ontology.buffalo.edu/bfo/BeyondConcepts.pdf