Разработка онтологий по предметной области 'Мировые автопроизводители' в программной среде Protege 4.2

Разработка онтологий по предметной области 'Мировые автопроизводители' в программной среде Protege 4.2

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт космических и информационных технологий

КУРСОВАЯ РАБОТА

Разработка онтологий по предметной области “Мировые автопроизводители” в программной среде Protégé 4.2

Руководитель Сизова Т.Н.

Студент Цыпышев И.А.

Красноярск 2014

Введение

Темой данной курсовой работы является разработка онтологии в программной среде Protégé. На данный момент у термина “онтология” существует два значения: онтология в философии и онтология в информатике.

Онтология (в информатике) - это попытка всеобъемлющей и детальной формализации некоторой области знаний с помощью концептуальной схемы. Обычно такая схема состоит из структуры данных, содержащей все ревалентные классы объектов, их связи и правила (теоремы, ограничения), принятые в этой области.

Как правило, онтологии состоят из следующих элементов: понятия (классы), индивиды (экземпляры), отношения и атрибуты.

Индивиды (экземпляры) - это основные, нижнеуровневые компоненты онтологии. Индивиды могут представлять собой как физические объекты (люди, дом, планета) так и абстрактные (числа, слова). Одной из главных целей онтологии является классификация индивидов.

Понятия (классы) - абстрактные группы, коллекции или наборы объектов. Они могут включать в себя экземпляры, другие классы, либо же сочетания и того, и другого.

Атрибуты - Объекты в онтологии могут иметь атрибуты. Каждый атрибут имеет, по крайней мере, имя и значение, и используется для хранения информации, которая специфична для объекта и привязана к нему.

Отношения - обычно отношением является атрибут, значением которого является другой объект.

Термин “онтология” впервые появился в работе Томаса Грубера в 1993 году, в которой рассматривались различные аспекты взаимодействия интеллектуальных систем между собой и с человеком. Интеллектуальными системами называются программы, которые моделируют некоторые аспекты интеллектуальной деятельности человека. Онтология представляет собой описание декларативных знаний, предназначенное для чтения человеком и выполненное в виде классов с отношением иерархии между ними.

В настоящее время онтологии используются в процессе программирования как форма представления знаний о реальном мире или его части. Основными сферами применения являются: моделирование бизнес-процессов, семантическая паутина (Semantic Web), искусственный интеллект.

Чаще всего онтологии используют:

·        Для совместного использования людьми или программными агентами общего понимания структуры информации.

·        Для возможности повторного использования знаний в предметной области.

·        Для того чтобы сделать допущения в предметной области явными.

·        Для отделения знаний в предметной области от оперативных знаний.

·        Для анализа знаний в предметной области.

Построение онтологий - сложный и занимающий много времени процесс. Чтобы облегчить его, в середине 90-х годов начали создаваться первые среды для процесса разработки онтологий.

В настоящее время для создания и поддержки онтологий существует целый ряд инструментов, которые помимо общих функций редактирования и просмотра выполняют поддержку документирования онтологий, импорт и экспорт онтологий разных форматов и языков, поддержку графического редактирования, управления библиотеками онтологий и т.д.

Наиболее известными инструментами инженерии онтологий являются:

Система Ontolingua

Protégé

OntoEdit

OilEd

WebOnto

OntoSaurus

KADS22

В данной курсовой работе для разработки онтологии будет использована среда разработки Protégé версии 4.2.

Целью курсовой работы является разработка онтологии предметной области “Мировые автопроизводители” в программной среде Protégé 4.2.

Задачами курсовой работы в связи с указанной целью являются:

.        Составить глоссарий понятий предметной области.

.        Определить основные классы и подклассы и построить иерархию классов.

.        Определить атрибуты классов и свойства экземпляров.

.        Заполнить онтологию экземплярами.

.        Создать базовые запросы (DL Query).

protege онтология формализация

Глоссарий

Глоссарий - это словарь узкоспециализированных терминов в какой-либо отрасли знаний.

Для разработки онтологии первым шагом является составление глоссария (смотри Приложение А) основных терминов предметной области, которые в дальнейшем будут использоваться в качестве классов и подклассов.

Создание классов

Классы интерпретируются как множества, элементами которых являются экземпляры. Они описываются, используя формальные конструкции, которые декларируют требования для членства в классе. Классы могут быть организованы в иерархию отношений вида “подкласс - суперкласс (таксономия). Подклассы являются подмножествами своего суперкласса.

Учитывая то, что выбрана предметная область, “Мировые автопроизводители”, были определены следующие классы и их подклассы. В качестве основного класса выступает класс “Мировые автопроизводители”, имеющий подклассы в виде известных марок автомобилей. Так же имеем такие классы как “Страны” и “Классы авто”.

В Protégé 4.2 создание классов осуществляется в закладке “Classes”. (Рисунок 1). Изначально пустая онтология содержит один класс с именем THING. Класс THING - это класс, представляющий набор, содержащий все объекты предметной области.

Рисунок 1 - Создание классов

Для создания класса “Мировые автопроизводители” необходимо убедиться, что выбрана закладка “Classes”, затем нажать кнопку “Добавить подкласс” (см. Рисунок 2). Эта кнопка создает новый класс как подкласс выбранного класса (в данном случае как подкласс класса THING). Отобразится диалоговое окно для ввода названия нашего класса, после ввода необходимо нажать Enter. (Рисунок 3).

Рисунок 2 - Создание классов

Таким же образом создаются подклассы класса “Мировые автопроизводители”. Необходимо отметить, что например класс “Bmw” является родственным классом по отношении к классу “Toyota”, поэтому для создания родственных классов необходимо использовать кнопку “Создать родственный класс”.

В результате получена следующая иерархия классов.

Рисунок 4 - Иерархия классов

Также полученный результат можно построить в виде графа в закладке “OntoGraf”.

Рисунок 5 - Дерево классов

Определение атрибутов класса и свойств экземпляров

В Protégé 4.2 существует два основных типа свойств: свойства объекта (Object Properties) и свойства типов данных (Data Properties). Свойствами объекта являются отношения между двумя экземплярами.

В Protégé 4.2 по умолчанию автоматически создаются свойства объектов верхнего уровня (TopObjectProperties), по аналогии с классом THING. (Рисунок 6). Для создания свойств объекта необходимо перейти в закладку “Object Properties”.

Рисунок 6 - Создание свойств объекта

Свойства объекта создаются подобным способом, как и классы.

Рисунок 7 - Создание свойств объекта

Рисунок 8 - Характеристики свойств объектов

Функциональные свойства (Functional) - если свойство является функциональным, то для данного индивида (экземпляра) может существовать не более одного индивида, который имеет отношение к первому индивиду через это свойство.

Обратные функциональные свойства (Inverse functional) - если свойство является обратным функциональному свойству, то это значит, что свойство является обратным функциональным.

Транзитивные свойства (Transitive) - если свойство транзитивное и свойство связывает индивида a и индивида b, а также индивида b связывает с индивидом c, то мы можем вывести, что индивид a связан с индивидом c через это свойство.

Симметричные свойства (Simmetric) - если свойство p симметричное, и свойство связывает индивида a с индивидом b, то индивид b связан также с индивидом a через свойство p.

Асимметричные свойства (Asimmetric) - если свойство p асимметричное, и свойство связывает индивида a с индивидом b, то индивид b не может быть связан с индивидом a через свойство p.

Рефлексивные свойства (Reflexive) - свойство p называется рефлексивным, когда индивид a должен быть связан с собой.

Иррефлексивные свойства (Irreflexive) - если свойство p иррефлексивное, то оно может быть охарактеризовано как свойство, которое связывает индивида a с индивидом b, где индивид a и индивид b обязательно разные.

Пример транзитивного свойства представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 - Пример транзитивного свойства

Помимо этого каждое свойство объекта может иметь соответствующее обратное свойство. Если некоторое свойство связывает индивида a с некоторым индивидом b, то его обратное свойство связывает индивид b с индивидом a.

В данной работе в качестве примера для классов онтологии будут созданы следующие свойства объектов: имеет такой же класс как(Все подклассы класса “Мировые автопроизводители”), относится к классу(Классы авто), по качеству производства(Все подклассы класса “Мировые автопроизводители”), производится в (Страны),по расходу топлива экономичнее чем(Все подклассы класса “Мировые автопроизводители”), имеет схожесть(Все подклассы класса “Мировые автопроизводители”)

В скобках указаны классы, чьи экземпляры будут обладать перечисленными свойствами.

Окончательный список свойств объектов представлен на Рисунке 10.

Рисунок 10 - Список свойств объектов

Свойства типов данных (атрибуты класса) - описывают связи между индивидом и значения данных.

Для создания свойств типов данных в Protégé 4.2 необходимо перейти в закладку “Data Properties”. (Рисунок 11).

Процесс создания аналогичен созданию классов и свойств объекта.

Рисунок 11 - Создание свойств типов данных

В качестве примера для классов онтологии будут созданы следующие свойства типов данных:Кол-во пассажирских мест, кол-во цилиндров, коробка переключения передач, объем двигателя, привод, разгон до 100км/ч, расположение руля,расход топлива на 100 км/ч.

Окончательный список свойств типов данных представлен на Рисунке 12.

Рисунок 12 - Свойства типов данных

Создание экземпляров класса

Последним этапом создание онтологии является заполнения классов экземплярами.

Для создания экземпляров в Protégé 4.2 необходимо перейти в закладку “Individuals”, нажать на иконку add individuals и задать имя экземпляра.

Рисунок 13 - Создание экземпляра

В рамках данной курсовой работы было создано 66 экземпляров, которые распределены по классам следующим образом:Классы авто(6),Мировые автопроизводители(Bmw(11), citroen(3), ford(4), jaguar(2), lada(7), peugeot(4), skoda(3), toyota(13), газ(6)), страны(7). С полным списком экземпляров каждого класса можно ознакомиться в Приложении Б.

После создания экземпляров, необходимо задать свойства объектов между экземплярами классов. (Рисунок 14).

Рисунок 14 - Заполнение свойств объектов между экземплярами класса

Помимо этого для каждого экземпляра необходимо заполнить атрибуты классов. (Рисунок 15).

Рисунок 15 - Заполнение атрибутов класса для экземпляра этого класса

При заполнении атрибутов класса необходимо указывать тип данных, для данной онтологии для каждого атрибута используется тип данных “string”, так как это универсальный тип данных, позволяющий использовать как цифры, так и символы.

Создание DL-query запросов

Последним этапом данной курсовой работы является создание базовых DL-Query запросов. Запросы отразят результат работы, а также могут помочь с поиском интересующей информации в заполненной онтологии.

Для создания запросов необходимо перейти в закладку DL-Query, а также на вкладке “Reasoner” выбрать “Start reasoner”. (Рисунок 16).

Рисунок 16 - Создание запросов

К примеру, мы хотим вывести все подклассы класса “Мировые автопроизводители”. Для этого в запросном окне необходимо написать названия класса и выбрать на панели объектов “Descendant classes”. (Рисунок 17).

Рисунок 17 - Поиск подклассов класса Мировые автопроизводители

В качестве еще одного примера мы можем найти, все спортивные машины. Для этого в окно запросов необходимо написать (Мировые автопроизводители and относится к классу value спортивный класс) и на панели объектов выбрать “Individuals”. Результат запроса отображен на Рисунке 18.

Рисунок 18 - Поиск спортивных автомобилей

Заключение

В ходе работы была создана онтология по предметной области “Мировые автопроизводители”. В нее входят 11 классов и подклассов, 6 свойств объектов, 8 атрибутов класса и 66 экземпляров. Также составлено несколько DL-Query запросов, показывающих работу онтологии. Данную онтологию в дальнейшем можно использовать как основу для создания электронной энциклопедии по автопризводителям. Онтологию можно расширять, добавлять нерассмотренные разделы предметной области, добавлять новые связи между объектами и увеличить количество характеристик каждого экземпляра. DL-Query запросы, могут послужить программисту инструментом, с помощью которого он может извлечь любую интересующую его информацию.

Список использованных источников

1)      A Practical Guide To Building OW: Ontologies Using Protégé 4 and CO-ODE Tools: практический справочник / Matthew Horridge - The University of Munchester: 2009. - 109 с.

)        Ontology Development 101: A Guide to creating Your First Ontology: практический справочник / Natalya F. Noy, Deborah L. McGuinness - Stanford University: 2001. - 25 c.

)        Онтологический инжиниринг знаний в системе Protégé: методическое пособие / Д.И. Муромцев - СПб:СПб ГУ ИТМО: 2007. - 62 с.

)        Овдей О.М. Обзор инструментов инженерии онтологий / О.М. Овдей, Г.Ю. Проскудина // Журнал ЭБ. - 2004 - №4.

)        Формирование прикладных онтологий / Гаврилова Т.А. Труды XX национальной конференции по Искусственному Интеллекту с международным участием - КИ-2006, т. 2 - Москва: изд-во Физматлит, 2006 г.

Приложение А

ГЛОССАРИЙ

Цилиндр- механическая часть поршневого двигателя внутреннего сгорания представляет собой рабочую камеру объемного вытеснения.

Расход топлива- количество топлива затраченное на преодоление определенного расстояния.

КПП- Коробка переключения передач, предназначена для изменения частоты и крутящего момента на ведущих колесах в более широких пределах, чем это может обеспечить двигатель транспортного средства.

Объем двигателя- важнейший конструктивный параметр (характеристика) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), выражаемый в кубических сантиметрах (см³) или литрах (л)