Анализ и моделирование предметных областей, знания которых не структурированы

Первым этапом онтолого-ориентированного анализа [2] является определение адекватной концептуализации действительности для предметной области. Как следует из сказанного выше, концептуализация действительности есть множество подразумеваемых ситуаций, которые имеют место в предметной области. Отдельная ситуация соответствует информации, которая рассматривается при решении отдельной задачи профессиональной деятельности. При решении задач используется представленная вербально информация об объектах предметной области.

Поэтому первой задачей данного этапа является определение множества терминов, используемых для представления информации о ситуациях действительности.

Аналитик должен попросить эксперта, участвующего в анализе, сформировать возможно более полное множество терминов, используемых для представления действительности. Для того чтобы убедиться, что термины из данного множества позволяет представить все ситуации действительности, необходимо подготовить представительный список ситуаций действительности и представить ситуации из данного списка в виде частичных отображений уже выделенных терминов во множество некоторых значений. В процессе этой работы списки терминов, значений и ситуаций могут пополняться. Аналитик фиксирует смысл используемых терминов и значений, а также принципы представления с их помощью ситуаций.

Вводимые термины обозначают свойства объектов предметной области и отношений между ними, информация о которых используется при решении прикладных задач. Поэтому подзадачей данного этапа является определение множества задач профессиональной деятельности, подмножества объектов предметной области, которые являются объектами задач, свойств этих объектов и отношений между ними, которые используются в качестве входных данных и результатов решения задач. Выполнение данной задачи анализа позволяет уточнить, что понимается под ситуацией в предметной области.

Остальные термины, которые определяются на данном этапе, представляют промежуточные данные при решении задач.

Самостоятельную часть этого этапа составляет анализ списка значений. Каждое значение должно быть отнесено к некоторой величине, стандартной или нестандартной. Величина представляет собой множество значений и характеризуется некоторой конечной совокупностью функций и операций (функций от двух аргументов), обозначаемых специальными терминами, а также конечной совокупностью нефункциональных отношений, в которых значения этой величины могут находиться между собой. На данном этапе анализа составляется список всех использованных стандартных величин. В случае необходимости определяются требуемые нестандартные величины.

После того, как величины выделены, задается множество возможных значений для каждого термина (объем понятия, обозначенного термином). Определяется, совпадает ли объем понятия с величиной либо является ее подмножеством.

Если все ситуации из списка уже представлены как элементы концептуализации, величины выделены, а смысл всех терминов и принципы представления с их помощью ситуаций понятны аналитику, то можно считать, что этот этап успешно завершен и адекватная концептуализация действительности ПО определена.

Теперь перечислим все задачи данного этапа и их последовательность:

1.1. анализ множества задач профессиональной деятельности, определение для каждой задачи множества ее объектов, анализ свойств объектов задач и отношений между ними, которые используются в качестве входных данных и результатов решения задач;

1.2. подготовка представительного списка примеров ситуаций; определение множества терминов, используемых для представления ситуаций действительности;

1.3. анализ списка значений, определение используемых в предметной области величин;

1.4. представление примеров ситуаций из подготовленного списка с использованием введенных терминов, поиск и исправление ошибок данного этапа анализа.

Вторым этапом онтолого-ориентированного анализа [2] является построение для найденной концептуализации действительности адекватной онтологии действительности. Онтология действительности ПО содержит термины для описания ситуаций ПО и онтологические соглашения – ограничения целостности ситуаций.

Для построения онтологии действительности аналитик с помощью эксперта должен дать определения всех терминов концептуализации действительности (основных терминов онтологии действительности), используя в этих определениях термины, связанные с величинами, и термины концептуализации, уже получившие определения в онтологии действительности. Для каждого основного термина онтологии действительности необходимо определить объем понятия, обозначенного этим термином, как подмножество некоторой величины. Особое внимание уделяется рекурсивным определениям. При необходимости вводятся вспомогательные термины, для которых задаются значения, либо способ вычисления значения по значениям других терминов.

Далее формулируются онтологические соглашения. Некоторые онтологические соглашения могут быть предложены экспертом. Однако более систематическим способом их выделения является составление с помощью эксперта множества бессмысленных отображений множества названий понятий в множество всех значений. В результате будут получены описания таких ситуаций, которые не входят в концептуализацию действительности.

Попытка составления такого списка и обсуждение с экспертом причин, по которым описания этих ситуаций не входят в концептуализацию, могут привести к формулировке новых онтологических соглашений. Если же оказывается, что такое описание ситуации согласуется с онтологией, то либо некоторые онтологические соглашения должны быть уточнены, либо должны быть сформулированы новые онтологические соглашения.

После того, как онтология действительности построена, выполняется поиск ошибок в ее определении. Для этого используется список ситуаций, представленных как элементы концептуализации действительности ПО на предыдущем этапе. Для каждой ситуации из данного множества проверяется, что она соответствует онтологии действительности.

Ситуация соответствует онтологии действительности, если выполнены следующие условия:

- значение каждого термина, обозначающего основное понятие онтологии, в этой ситуации принадлежит объему этого понятия, определенному в онтологии;

- значение каждого термина, обозначающего вспомогательное понятие онтологии, в этой ситуации равно либо значению этого понятия, определенному в онтологии, либо результату вычисления с использованием способа вычисления, определенного для этого понятия в онтологии, причем значения других терминов, обозначающих понятия, участвующие в этом вычислении, берутся из этой же ситуации;

- каждое ограничение целостности ситуаций онтологии является истинным, если в нем каждый термин, обозначающий понятие, заменить его значением в этой ситуации.

Теперь перечислим все задачи данного этапа и их последовательность:

2.1. определение объемов понятий, обозначенных терминами для представления действительности;

2.2. формулировка онтологических соглашений – ограничений целостности действительности;

2.3. поиск ошибок в определении онтологии действительности.

Третьим этапом является онтолого-ориентированный анализ знаний предметной области. В процессе его выполнения определяются законы и закономерности предметной области, которые формулируются с использованием терминов онтологии действительности.

После того, как все этапы анализа выполнены, строится модель предметной области, которая состоит из следующих компонент:

- модели онтологии действительности (описание сортов терминов для описания ситуаций, запись ограничений целостности ситуаций);

- модели знаний в терминах модели онтологии действительности как множества ограничений на интерпретацию терминов онтологии действительности;

- моделей примеров ситуаций.

Далее выполняется проверка адекватности построенной модели и предметной области. Для каждого примера модели ситуации выполняется проверка того, что для этой модели критерий адекватности не нарушен.

Все этапы анализа и их содержание представлены в таблице 1.

3. ПРИМЕР АНАЛИЗА ДЛЯ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ "МЕДИЦИНСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЗАБОЛЕВАНИЙ ОСТРОГО ЖИВОТА"

Выполним анализ для предметной области "Медицинская диагностиказаболеваний острого живота" (пример взят из работ [3-4]).

1. Определение адекватной концептуализации действительности

1.1. Анализ множества задач профессиональной деятельности, определение для каждой задачи множества ее объектов, анализ свойств объектов задач и отношений между ними, которые используются в качестве входных данных и результатов решения задач

В данной предметной области решаются задачи диагностики заболеваний острого живота. Объектом задачи является пациент. Результатом решения задачи является диагноз пациента. Диагнозом пациента может быть "панкреатит"[1] либо "здоров". При определении диагноза входными данными являются значения кровяного давления у пациента в разные моменты наблюдения кровяного давления, напряжение мышц живота у пациента в разные моменты наблюдения напряжения мышц живота, а также суточный диурез в разные моменты наблюдения суточного диуреза у пациента.

1.2. Подготовка представительного списка примеров ситуаций; определение множества терминов, используемых для представления ситуаций действительности

Ситуация – это случай обращения пациента к врачу. Врач может наблюдать пациента в течение некоторого времени и на основании этих наблюдений в различные моменты времени может поставить диагноз. В каждой ситуации врач имеет дело только с одним пациентом. Если к врачу пришел другой пациент, то это уже другая ситуация. В данной задаче не рассматривается случай, когда пациент наблюдается у врача длительное время и врач, помимо одного заболевания, может обнаружить у пациента множество различных заболеваний. Считается, что заболевание у пациента всегда одно в ситуации. Если тот же пациент заболел вновь, то это уже другая ситуация. Поэтому представительный список примеров в данной области – это описание конкретных случаев обращения пациентов к врачу.

Заболевание рассматривается как процесс, протекающий во времени. Признаки "кровяное давление", "суточный диурез, "напряжение мышц живота" также рассматриваются как процессы, протекающие во времени. Каждый процесс-признак имеет периоды, характеризующиеся множествами значений признаков и имеющими определенную длительность у пациента, причем у разных пациентов длительность периодов проявления значений признаков может быть разной, но возможная длительность каждого периода определяется заболеванием, которым болен пациент.

Наблюдая пациента, врач выделяет периоды проявления значений признаков. Он может про каждый период сказать (например, на основании опроса пациента), сколько каждый период длился. Например, температура в течении суток от момента начала заболевания была 38 градусов, в течении следующих суток она понизилась и была 37 градусов, и через двое суток стала нормальной.

Терминами для представления ситуаций являются: диагноз, кровяное давление, напряжение мышц живота, суточный диурез, моменты наблюдения, разбиение оси времени для пациента.

1.3. Анализ списка значений, определение используемых в предметной области величин

Для представления значения свойства "диагноз" используются скалярные значения "панкреатит" и "здоров". Для представления значения свойства "кровяное давление" используется отображение, сопоставляющее моментам наблюдения кровяного давления скалярные значения "нормальное", "повышенное", "пониженное". Для представления значения свойства "суточный диурез" используется отображение, сопоставляющее моментам наблюдения суточного диуреза скалярные значения "нормальное", "повышенное", "пониженное. Для представления значения свойства "напряжения мышц живота" используется отображение, сопоставляющее моментам наблюдения напряжения мышц живота скалярные значения "присутствует" и "отсутствует". Для представления значения свойства "моменты наблюдения" используется отображение, сопоставляющее скалярным значениям "кровяное давление", "напряжение мышц живота", "суточный диурез" множества моментов наблюдения этих признаков - размерных значений с размерностью "час". Для представления значения свойства "разбиение оси времени для пациента" используется отображение, сопоставляющее скалярным значениям "кровяное давление", "напряжение мышц живота", "суточный диурез" последовательность моментов времени, задающих моменты начала и окончания периодов.

Таким образом, в данной предметной области используются следующие скалярные величины:

- величина, значениями которой являются "панкреатит" и "здоров" (величина 1);

- величина, значениями которой являются "нормальное", "повышенное", "пониженное" (величина 2);

- величина, значениями которой являются "присутствует" и "отсутствует" (величина 3);

- величина, значениями которой являются "кровяное давление", "напряжение мышц живота", "суточный диурез" (величина 4).

В данной предметной области используется размерная величина с размерностью "час" (величина 5), а также величина последовательностей, составленных из элементов размерной величины с размерностью "час" (величина 6).

В данной предметной области используются следующие величины отображений:

- величина отображений (величина 7), область определения которых есть подмножество размерной величины 5, а область значения – скалярная величина 2;

- величина отображений (величина 8), область определения которых есть подмножество размерной величины 5, а область значения – скалярная величина 3;

- величина отображений (величина 9), область определения которых есть скалярная величина 4, а область значений – подмножество размерной величины 5;

- величина отображений (величина 10), область определения которых есть скалярная величина 4, а область значений есть подмножество величины последовательностей 6.

1.4. Представление примеров ситуаций из подготовленного списка с использованием введенных терминов, поиск и исправление ошибок данного этапа анализа

Представим примеры ситуаций.

1) Рассмотрим пример первой ситуации, которая имеет место в данной предметной области: на прием к врачу пришел пациент А.

Диагноз пациента - панкреатит.

Напряжение мышц живота отсутствует через 12 часов после начала заболевания. Напряжение мышц живота отсутствует через 36 часов после начала заболевания. Напряжение мышц живота присутствует через 60 часов после начала заболевания.

Кровяное давление является нормальным через 12 часов после начала заболевания. Кровяное давление является высоким через 60 часов после начала заболевания.

Суточный диурез является низким через 36 часов после начала заболевания. Суточный диурез является нормальным через 60 часов после начала заболевания.

Первый период динамики напряжения мышц живота начался в момент начала заболевания и закончился через 40 часов после начала заболевания, второй период динамики напряжения мышц живота начался через 40 часов после начала заболевания и закончился через 70 часов после начала заболевания.

Первый период динамики кровяного давления начался в момент начала заболевания и закончился через 20 часов после начала заболевания, второй период динамики кровяного давления начался через 20 часов после начала заболевания и закончился через 70 часов после начала заболевания.

Первый период динамики суточного диуреза начался в момент начала заболевания и закончился через 50 часов после начала заболевания, второй период динамики суточного диуреза начался через 50 часов после начала заболевания и закончился через 70 часов после начала заболевания.

2) Рассмотрим пример второй ситуации, которая имеет место в данной предметной области: на прием к врачу пришел пациент Б.

Диагноз пациента - панкреатит.

Напряжение мышц живота отсутствует через 20 часов после начала заболевания. Напряжение мышц живота отсутствует через 40 часов после начала заболевания. Напряжение мышц живота присутствует через 70 часов после начала заболевания.

Кровяное давление является высоким через 40 часов после начала заболевания. Кровяное давление является высоким через 70 часов после начала заболевания.

Суточный диурез является низким через 40 часов после начала заболевания. Суточный диурез является нормальным через 70 часов после начала заболевания.

Первый период динамики напряжения мышц живота начался в момент начала заболевания и закончился через 45 часов после начала заболевания, второй период динамики напряжения мышц живота начался через 45 часов после начала заболевания и закончился через 80 часов после начала заболевания.

Первый период динамики кровяного давления начался в момент начала заболевания и закончился через 22 часа после начала заболевания, второй период динамики кровяного давления начался через 22 часа после начала заболевания и закончился через 80 часов после начала заболевания.

Первый период динамики суточного диуреза начался в момент начала заболевания и закончился через 50 часов после начала заболевания, второй период динамики суточного диуреза начался через 50 часов после начала заболевания и закончился через 80 часов после начала заболевания.

2. Построение онтологии действительности

2.1. Определение объемов понятий, обозначенных терминами для представления действительности

Объем понятия, обозначенного термином "диагноз", совпадает с величиной 1. Объемы понятий, обозначенных терминами "кровяное давление" и "суточный диурез", совпадают с величиной 7. Объем понятия, обозначенного термином "напряжения мышц живота", совпадает с величиной 8. Объем понятия, обозначенного термином "моменты наблюдения", совпадает с величиной 9. Объем понятия "разбиение оси времени для пациента" совпадает с величиной 10.

2.2. Формулировка онтологических соглашений – ограничений целостности действительности

В данной модели используется лишь одно онтологическое соглашение: для каждого признака начало первого периода динамики совпадает с началом заболевания.

3. Анализ знаний предметной области

Запишем утверждения знаний предметной области.

I. Утверждения, связывающие между собой состояние "здоров" и наблюдаемые значения признаков:

1. Если пациент здоров, то значение признака напряжение мышц живота, наблюдаемое в любой момент времени, является нормальным значением этого признака.

2. Если пациент здоров, то значение признака кровяное давление, наблюдаемое в любой момент времени, является нормальным значением этого признака.

3. Если пациент здоров, то значение признака суточный диурез, наблюдаемое в любой момент времени, является нормальным значением этого признака.

II. Утверждения, задающие число элементов в разбиении оси времени пациента:

4. Если пациент болен панкреатитом, то число элементов в разбиении оси времени пациента для напряжения мышц живота равно 3.

5. Если пациент болен панкреатитом, то число элементов в разбиении оси времени пациента для кровяного давления равно 3.

6. Если пациент болен панкреатитом, то число элементов в разбиении оси времени пациента для суточного диуреза равно 3.

III. Утверждения, связывающие между собой диагноз и наблюдаемые значения при этом диагнозе:

7. Если момент наблюдения принадлежит первому периоду динамики признака напряжение мышц живота (входящего в клиническую картину заболевания панкреатит) и пациент болен панкреатитом, то значение, наблюдаемое в этот момент, есть "отсутствует".

8. Если момент наблюдения принадлежит второму периоду динамики признака напряжение мышц живота (входящего в клиническую картину заболевания панкреатит) и пациент болен панкреатитом, то значение, наблюдаемое в этот момент, есть "присутствует".

9. Если момент наблюдения принадлежит первому периоду динамики признака суточный диурез (входящего в клиническую картину заболевания панкреатит) и пациент болен панкреатитом, то значение, наблюдаемое в этот момент, есть "низкое".

10. Если момент наблюдения принадлежит второму периоду динамики признака суточный диурез (входящего в клиническую картину заболевания панкреатит) и пациент болен панкреатитом, то значение, наблюдаемое в этот момент, есть "нормальное".

11. Если момент наблюдения принадлежит первому периоду динамики признака кровяное давление (входящего в клиническую картину заболевания панкреатит) и пациент болен панкреатитом, то значение, наблюдаемое в этот момент, есть "нормальное".

12. Если момент наблюдения принадлежит второму периоду динамики признака кровяное давление (входящего в клиническую картину заболевания панкреатит) и пациент болен панкреатитом, то значение, наблюдаемое в этот момент, есть "высокое".

IV. Утверждения, определяющие длительность периодов динамики:

13. Для панкреатита первый период динамики напряжения мышц живота длится от 24 до 48 часов.

14. Для панкреатита второй период динамики напряжения мышц живота длится от 1 до 144 часов.

15. Для панкреатита первый период динамики кровяного давления длится от 1 до 24 часов.

16. Для панкреатита второй период динамики кровяного давления длится от 1 до 144 часов.

17. Для панкреатита первый период динамики признака суточный диурез длится от 48 до 72 часов.

18. Для панкреатита второй период динамики признака суточный диурез длится от 1 до 144 часов.