Об этом руководстве

Мы основываемся на нашем опыте использования Protege-2000 (Protege 2000), Ontolingua (Ontolingua 1997), Chimaera (Chimaera 2000) в качестве сред для редактирования онтологий. В этом руководстве для наших примеров мы используем Protege-2000.

Пример вина и еды, который мы используем на протяжении всей статьи, сделан на основе примерной базы знаний, которая представлена в статье, описывающей CLASSIC – систему представления знаний, основанную на описательно-логическом подходе (Brachman et al. 1991). В учебном пособии по CLASSIC (McGuinness et al. 1994) этот пример получил дальнейшее развитие. Protege-2000 и другие фреймовые системы описывают онтологии декларативным образом, определяя явным образом, какова классовая иерархия и к каким классам принадлежат индивидные концепты.

Некоторые идеи по разработке онтологий в этом руководстве берут свое начало в литературе по объектно-ориентированному проектированию (Rumbaugh et al. 1991; Booch et al. 1997). Однако разработка онтологий отличается от проектирования классов и отношений в объектно-ориентированном программировании. Объектно-ориентированное программирование сосредотачивается главным образом на методах классов – программист принимает проектные решения, основанные на операторных свойствах класса, тогда как разработчик онтологии принимает эти решения, основываясь на структурных свойствах класса. В результате структура класса и отношения между классами в онтологии отличаются от структуры подобной предметной области в объектно-ориентированной программе.

Невозможно охватить все трудности, которые, возможно, придется преодолеть разработчику онтологии, и в этом руководстве мы не пытаемся затронуть их всех. Вместо этого мы пытаемся дать отправную точку, исходное руководство, которое могло бы помочь неопытному проектировщику онтологий в их разработке. В конце мы предлагаем источники, в которых можно посмотреть пояснения к более сложным структурам и механизмам разработки, если они потребуются для предметной области.

В конечном счете, единственной правильной методологии разработки онтологий не существует, и мы не пытались определить таковую. Представленные здесь идеи мы мы сочли полезными, исходя из нашего опыта разработки онтологий. В конце этого руководства мы предлагаем список ссылок на альтернативные методологии.

2. Из чего состоит онтология?

В литературе по искусственному интеллекту содержится много определений понятия онтологии, многие из которых противоречат друг другу. В этой статье онтология – формальное явное описание понятий в рассматриваемой предметной области (классов (иногда их называют понятиями)), свойств каждого понятия, описывающих различные своства и атрибуты понятия (слотов (иногда их называют ролями или свойствами)), и ограничений, наложенных на слоты (фацетов (иногда их называют ограничениями ролей)). Онтология вместе с набором индивидуальных экземпляров классов образует базу знаний. В действительности, трудно определить, где кончается онтология и где начинается база знаний.

В центре большинства онтологий находятся классы. Классы описывают понятия предметной области. Например, класс вин представляет все вина. Конкретные вина – экземпляры этого класса. Вино Bordeaux в бокале перед вами, когда вы читаете этот документ, – это экземпляр класса вин Bordeaux. Класс может иметь подклассы, которые представляют более конкретные понятия, чем надкласс. Например, мы можем разделить класс всех вин на красные, белые и розовые вина. В качестве альтернативы мы можем разделить класс всех вин на игристые и не игристые вина.

Слоты описывают свойства классов и экземпляров: вино Chвteau Lafite Rothschild Pauillac - крепкое, оно производится на винном заводе Chвteau Lafite Rothschild. У нас есть два слота, которые описывают вино в этом примере: слот крепость со значением «крепкое» и слот производитель со значением «винный завод Chвteau Lafite Rothschild». Мы можем сказать, что на уровне класса у экземпляров класса Вино есть слоты, которые описывают вкус, крепость, уровень сахара, производителя вина и т.д.[1]

Все экземпляры класса Вино и его подкласс Pauillac имеют слот производитель, значение которого является экземпляром класса Винный завод (Рис. 1). Все экземпляры класса Винный завод имеют слот производит, относящийся ко всем винам (экземплярам класса Вино и его подклассов), которые производятся на этом заводе.

На практике разработка онтологии включает:

· определение классов в онтологии;

· расположение классов в таксономическую иерархию (подкласс – надкласс);

· определение слотов и описание допускаемых значений этих слотов;

· заполнение значений слотов экземпляров.

После этого мы можем создать базу знаний, определив отдельные экземпляры этих классов, введя в определенный слот значение и дополнительные ограничения для слота.

Рис. 1. Некоторые классы в области вин, экземпляры и отношения между ними. Черным мы обозначили классы, а красным – экземпляры. Прямые связи обозначают слоты и внутренние связи, такие как «экземпляр [класса]» и «подкласс [класса]».

3. Простая методология инженерии знаний

Как мы сказали выше, не существует единственного «правильного» способа или методологии разработки онтологий. Здесь мы обсуждаем общие моменты, которые нужно учитывать, и предлагаем один из возможных способов разработки онтологии. Мы описываем итеративный подход к разработке онтологии: мы начинаем с первого чернового просмотра онтологии. Затем мы проверяем и уточняем получаемую онтологию и добавляем детали. Попутно мы обсуждаем решения, касающиеся моделирования, которые должен принять разработчик, а также «за» и «против» и результаты принятия различных решений.

Во-первых, мы бы хотели выделить некоторые фундаментальные правила разработки онтологии, к которым мы будем неоднократно обращаться. Эти правила могут показаться довольно категоричными. Тем не менее, во многих случаях они могут помочь принять проектные решения.

1) Не существует единственного правильного способа моделирования предметной области – всегда существуют жизнеспособные альтернативы. Лучшее решение почти всегда зависит от предполагаемого приложения и ожидаемых расширений.

2) Разработка онтологии – это обязательно итеративный процесс.

3) Понятия в онтологии должны быть близки к объектам (физическим или логическим) и отношениям в интересующей вас предметной области. Скорее всего, это существительные (объекты) или глаголы (отношения) в предложениях, которые описывают вашу предметную область.

То есть, знание того, для чего вы собираетесь использовать онтологию и насколько детальной или общей она будет, повлияет на многие решения, касающиеся моделирования. Среди нескольких жизнеспособных альтернатив нам нужно определить, какая поможет лучше решить поставленную задачу и будет более наглядной, более расширяемой и более простой в обслуживании. Нам также нужно помнить, что онтология – это модель реального мира и понятия в онтологии должны отражать эту реальность. После того, как мы определим начальную версию онтологии, мы можем оценить и отладить ее, используя ее в приложениях или в методах решения задач и/или обсудив ее с экспертами предметной области. В результате почти наверняка нам нужно будет пересмотреть начальную онтологию. Этот процесс итеративного проектирования, вероятно, будет продолжаться в течение всего жизненного цикла онтологии.

Шаг 1. Определение области и масштаба онтологии

Мы предлагаем начать разработку онтологии с определения ее области и масштаба. То есть, ответим на несколько основных вопросов:

1. Какую область будет охватывать онтология?

2. Для чего мы собираемся использовать онтологию?

3. На какие типы вопросов должна давать ответы информация в онтологии?

4. Кто будет использовать и поддерживать онтологию?

Ответы на эти вопросы могут измениться во время процесса проектирования онтологии, но в любой заданный момент времени они помогают ограничить масштаб модели.

Рассмотрим онтологию вина и еды, которую мы представили ранее. Область нашей онтологии – представление еды и вин. Мы собираемся использовать эту онтологию для приложений, которые будут предлагать хорошие сочетания вин и еды.

Конечно, в нашу онтологию будут включены понятия, описывающие различные типы вин, основные виды еды, понятие хорошего и плохого сочетания вина и еды. В то же время, маловероятно, что онтология будет включать понятия для управления инвентарем на винном заводе или служащими в ресторане, даже хотя эти понятия отчасти связаны с понятиями вина и еды.

Если онтология, которую мы проектируем, будет использоваться для помощи при обработке естественного языка статей в журналах о винах, то, возможно, понадобится включить в онтологию синонимов понятий и информации о частях речи. Если онтология будет использоваться для того, чтобы помочь посетителям ресторана решить, какое вино заказать, нам нужно будет включить информацию о розничных ценах. Если она будет использоваться для помощи покупателям вина в создании запасов в винном погребе, то могут понадобиться сведения об оптовых ценах и о наличии вин. Если люди, которые будут поддерживать онтологию, опишут предметную область языком, отличающимся от языка пользователей онтологии, то нам может потребоваться предоставить таблицу соответствий между языками.

Вопросы для проверки компетентности

Один из способов определить масштаб онтологии – это набросать список вопросов, на которые должна ответить база знаний, основанная на онтологии, т.е. вопросы для проверки компетентности (Gruninger and Fox 1995). Эти вопросы будут служить лакмусовой бумажкой: Содержит ли онтология достаточно информации для ответа на эти типы вопросов? Требуется ли для ответов особый уровень детализации или представление определенной области? Эти вопросы для проверки компетентности являются всего лишь формальными и не должны быть исчерпывающими.

В области вина и еды возможны следующие вопросы для проверки компетентности:

1. Какие характеристики вина мне следует учитывать при выборе вина?

2. Вино Bordeaux красное или белое?

3. Хорошо ли сочетается Cabernet Sauvignon с морскими продуктами?

4. Какое вино лучше всего подойдет к жареному мясу?

5. Какие характеристики вина влияют на его сочетаемость с блюдом?

6. Влияет ли с год производства вина на его букет или крепость?

7. Какие урожаи Napa Zinfandel были хорошими?

Судя по этому списку вопросов, онтология будет включать информацию о различных характеристиках вина и типах вин, годах производства вин (хороших и плохих), классификациях еды, которые нужно учесть при выборе подходящего вина, рекомендуемых сочетаниях вина и еды.

Шаг 2. Рассмотрение вариантов повторного использования существующих онтологий

Почти всегда стоит учесть, что сделал кто-то еще, и проверить, можем ли мы улучшить и расширить существующие источники для нашей конкретной предметной области и задачи. Повторное использование существующих онтологий может быть необходимым, если нашей системе нужно взаимодействовать с другими приложениями, которые уже вошли в отдельные онтологии или контролируемые словари. Многие онтологии уже доступны в электронном виде и могут быть импортированы в используемую Вами среду проектирования онтологии. Формализм онтологии часто не имеет значения, т.к. многие системы представления знаний могут импортировать и экспортировать онтологии. Даже если система представления знаний не может работать напрямую с отдельным формализмом, задача перевода онтологии из одного формализма в другой обычно не является сложной.

В литературе и всемирной паутине существуют библиотеки повторно используемых онтологий. Например, мы можем использовать библиотеку онтологий Ontolingua (http://www.ksl.stanford.edu/software/ontolingua/) или библиотеку онтологий DAML (http://www.daml.org/ontologies/). Существует также ряд общедоступных коммерческих онтологий (например, UNSPSC (www.unspsc.org), RosettaNet (www.rosettanet.org), DMOZ (www.dmoz.org)).

К примеру, база знаний по французским винам уже может существовать. Если мы можем импортировать эту базу знаний и онтологию, на которой она основана, то у нас будет не только классификация французских вин, но и первый шаг к классификации характеристик вин, использующихся для разделения и описания вин. Списки свойств вина уже могут быть доступны на коммерческих веб-сайтах, таких как http://www.wines.com/, которые клиенты используют при покупке вин.

Тем не менее, в этом руководстве мы будем считать, что соответствующих онтологий еще не существует, и начнем разрабатывать онтологию с нуля.

Шаг 3. Перечисление важных терминов в онтологии

Полезно составить список всех терминов, о которых мы хотели бы сказать что-либо или которые хотели бы объяснить пользователю. Какие термины мы бы хотели рассмотреть? Какие свойства имеют эти термины? Что бы мы хотели сказать об этих терминах? Например, в число важных терминов, связанных с винами, входят вино, виноград, винный завод, местоположение, цвет вина, его крепость, вкус и содержание сахара; различные виды еды, такие как рыба и черное мясо; типы вина, такие как белое вино и т.д. В начале важно получить полный список терминов, не беспокоясь о пересечении понятий, которые они представляют, об отношениях между терминами, о возможных свойствах понятий или о том, чем являются понятия – классами или слотами.

Следующие два шага – разработка иерархии классов и определение свойств понятий (слотов) – тесно переплетены. Сложно выполнить сначала один из них, а потом – другой. Обычно в иерархии мы даем несколько формулировок понятий и затем описываем свойства этих понятий и т.д. Также эти два шага – самые важные шаги в процессе проектирования онтологии. Здесь мы опишем их вкратце, а затем в следующих двух главах рассмотрим более сложные проблемы, которые необходимо принять во внимание, часто встречающиеся трудности, решения, которые нужно принять, и т.д.

Шаг 4. Определение классов и иерархии классов

Существует несколько возможных подходов для разработки иерархии классов (Uschold and Gruninger 1996):

§ Процесс нисходящей разработки начинается с определения самых общих понятий предметной области с последующей конкретизацией понятий. Например, мы можем начать с создания классов для общих понятий Вино и Еда. Затем мы конкретизируем класс Вино, создавая его подклассы: Белое вино, Красное вино, Розовое вино. Мы можем еще дальше категоризировать класс Красное Вино, например, в Syrah, Red Burgundy, Cabernet Sauvignon и т.д.

§ Процесс восходящей разработки начинается с определения самых конкретных классов, листьев иерархии, с последующей группировкой этих классов в более общие понятия. Например, сначала мы определяем классы для вин Pauillac и Margaux. Затем мы создаем общий надкласс для двух этих классов – Medoc, который, в свою очередь является подклассом Bordeaux.

§ Процесс комбинированной разработки – это сочетание нисходящего и восходящего подходов: Сначала мы определяем более заметные понятия, а затем соответствующим образом обобщаем и ограничиваем их. Мы могли бы начать с нескольких понятий высшего уровня, таких как Вино, и нескольких конкретных понятий, таких как Margaux. Затем мы можем соотнести их с понятием среднего уровня, таким как Medoc. После этого нам может понадобиться сформировать все классы вин из области Франции, формируя таким образом ряд понятий среднего уровня.

На рис. 2 показано возможное деление на различные уровни обобщения.

Рис. 2. Различные уровни таксономии Вино: Вино, Красное вино, Белое вино, Розовое вино – более общие понятия, верхний уровень. Pauillac и Margaux – самые конкретные классы в иерархии, нижний уровень.

Ни один из этих трех методов не лучше других по своей сути. Выбор подхода в большой степени зависит от личного взгляда на предметную область. Если разработчик склонен к рассмотрению предметной области сверху вниз, то ему, возможно, больше подойдет нисходящий метод. Часто для многих разработчиков онтологий самым простым является комбинированный метод, т.к. понятия, находящиеся «посередине», имеют тенденцию быть самыми наглядными понятиями в предметной области (Rosch 1978).

Если вы склонны делать сначала самую общую классификацию вин, то вам больше подойдет нисходящий метод. Если вы бы начали приводить конкретные примеры, то более подходящим является восходящий метод.

Какой метод мы бы ни избрали, обычно мы начинаем с определения классов. Из списка, составленного в Шаге 3, мы выбираем термины, которые описывают объекты, существующие независимо, а не термины, которые описывают эти объекты. В онтологии эти термины будут классами и станут точками привязки в иерархии классов[2]. Мы организуем классы в иерархическую таксономию, задавая вопрос: если объект является экземпляром одного класса, будет ли он обязательно (т.е. по определению) экземпляром некоторого другого класса?

Если класс А – надкласс класса В, то каждый экземпляр В также является экземпляром А.

Другими словами, класс В представляет собой понятие, которое является «разновидностью» А.

Например, каждое вино Pinot Noir – обязательно красное вино. Поэтому класс Pinot Noir – подкласс класса Красное вино.

На рис. 2 показана часть иерархии классов онтологии по винам. В 4-й главе детально рассмотрено, что нужно искать при определении иерархии классов.

Рис. 3. Слоты класса Вино и фацеты этих слотов. Значок “I” рядом со слотом производитель указывает, что у слота есть обратный слот (Глава 5.1.).

Шаг 5. Определение свойств классов – слотов

Классы сами по себе не предоставляют достаточно информации для ответа на вопросы проверки компетентности из Шага 1. После определения некоторого количества классов мы должны описать внутреннюю структуру понятий.

Мы уже выбрали классы из списка терминов, который мы создали на Шаге 3. Большинство оставшихся терминов, вероятно, будут свойствами этих классов. Эти термины включают, к примеру, цвет вина, его крепость, вкус и содержание сахара, а также местоположение винного завода.

Для каждого свойства из списка мы должны определить, какой класс оно описывает. Эти свойства станут слотами, привязанными к классам. Таким образом, у класса Вино будут следующие слоты: цвет, крепость, вкус и сахар. А у класса Винный завод будет слот местоположение.

Вообще, в онтологии слотами могут стать несколько типов свойств объектов:

- «внутренние» свойства, такие как вкус вина;

- «внешние» свойства, такие как название вина и область, в которой оно было произведено;

- части, если объект имеет структуру; они могут быть как физическими, так и абстрактными «частями» (например, блюда, входящие в обед);

- отношения с другими индивидными концептами; это отношения между отдельными членами класса и другими элементами (например, производитель вина, представляющий отношение между вином и винным заводом, и виноград, из которого произведено вино).

Таким образом, в дополнение к ранее определенным свойствам, к классу Вино нам нужно добавить следующие слоты: название, область, производитель, виноград. На рис. 3 показаны слоты класса Вино.

Все подклассы класса наследуют слот этого класса. Например, все слоты класса Вино будут унаследованы всеми подклассами этого класса, включая Красное Вино и Белое Вино. К классу Красное Вино мы добавим дополнительный слот уровень танина (низкий, средний или высокий). Слот уровень танина будет унаследован всеми классами, представляющими красные вина (такие как Bordeaux и Beaujolais).

Слот должен быть привязан к самому общему классу, у которого может быть данное свойство. Например, крепость и цвет вина нужно будет привязать к классу Вино, т.к. это самый общий класс, чьи экземпляры будут иметь крепость и цвет.

Шаг 6. Определение фацетов слотов

Слоты могут иметь различные фацеты, которые описывают тип значения, разрешенные значения, число значений (мощность) и другие свойства значений, которые может принимать слот. Например, значение слота название (как в «название вина») – одна строка. То есть, название – это слот с типом значения Строка. Слот производит (как в выражении «винный завод производит эти вина») может иметь множественные значения, которые являются экземплярами класса Вино. То есть, производит – это слот с типом значения Экземпляр, и разрешенным классом является Вино.

Сейчас мы опишем несколько общих фацетов.