Стандарт моделирования онтологий IDEF5

Исторически, понятие онтологии появилось в одной из ветвей философии, называемой метафизикой, которая изучает устройство реального мира. Основной характерной чертой онтологического анализа является, в частности, разделение реального мира на составляющие его классы объектов и определение их онтологий, или же совокупности фундаментальных свойств, которые определяют их изменения и поведение. Таким образом, естественная наука представляет собой типичный пример онтологического исследования. Например, атомная физика классифицирует и изучает свойства наиболее фундаментальных объектов реального мира, таких как элементарные частицы, а биология, в свою очередь, описывает характерные свойства живых организмов, населяющих планету.

Однако фундаментальные и естественные науки не обладают достаточным инструментарием для того, чтобы полностью охватить область, представляющую интерес для онтологического исследования. Например, существует большое количество сложных формаций или систем, созданных и поддерживаемых человеком, таких как производственные фабрики, военные базы, коммерческие предприятия и т.д. Эти формации представляют собой совокупность взаимосвязанных между собой объектов и процессов, в которых эти объекты тем или иным образом участвуют. Онтологическое исследование подобных сложных систем позволяет накопить ценную информацию об их работе, результаты анализа которой будут иметь решающее значение при проведении процесса реорганизации существующих и построении новых систем.

Методология IDEF5 обеспечивает наглядное представление данных, полученных в результате обработки онтологических знаний, в простой естественной графической форме.

Рассмотрим особенности данного стандарта, используя работу [48].

Онтологический анализ обычно начинается с составления словаря терминов, который используется при обсуждении и исследовании характеристик объектов и процессов, составляющих рассматриваемую систему, а также создания системы точных определений понятий, соответствующих этим терминам. Кроме того, документируются основные логические взаимосвязи между понятиями. Результатом этого анализа является онтология системы или же совокупность терминов, точных определений их понятий и взаимосвязей между ними.

Таким образом, онтология включает в себя термины и правила, согласно которым эти термины могут быть скомбинированы для построения достоверных утверждений о состоянии рассматриваемой системы в некоторый момент времени. Кроме того, на основе этих утверждений, могут быть сделаны соответствующие выводы, позволяющие вносить изменения в систему, для повышения эффективности ее функционирования.

В любой системе существует две основные категории предметов: сами объекты, составляющие систему (физические и интеллектуальные) и взаимосвязи между этими объектами. В терминах онтологии, понятие взаимосвязи однозначно описывает или, другими словами, является точным дескриптором зависимости между объектами системы в реальном мире, а термины – являются, соответственно, точными дескрипторами самих реальных объектов.

При построении онтологии, в первую очередь происходит создание списка или базы данных дескрипторов и с помощью них, если их набор достаточен, создается модель системы. При этом существует огромное количество утверждений, достоверно отображающих состояние системы в различных аспектах, а построенная онтологическим способом модель должна выбирать из них наиболее полезные для эффективного рассмотрения в том или ином контексте. Кроме того, модель помогает описывать поведение объектов и соответствующие изменения взаимосвязей между ними или, другими словами, поведение системы. Таким образом, онтология представляет собой словарь данных, включающий в себя и терминологию, и модель поведения системы.

Процесс построения онтологии, согласно методологии IDEF5 состоит из пяти основных действий:

1. Изучение и систематизирование начальных условий. В рамках этого действия устанавливаются основные цели и контексты проекта по разработке онтологии, а также распределяются роли между членами проекта.

2. Сбор и накапливание данных. На этом этапе происходит сбор и накапливание необходимых начальных данных для построения онтологии.

3. Анализ данных. Эта стадия заключается в анализе и группировке собранных данных и предназначена для облегчения построения терминологии.

4. Начальное развитие онтологии. На этом этапе формируется предварительная онтология, на основе отобранных данных. Создается и документируется словарь терминов. Описываются правила и ограничения, согласно которым на базе введенной терминологии могут быть сформированы достоверные утверждения, описывающие состояние системы.

5. Уточнение и утверждение онтологии. Заключительная стадия процесса. Построение модели, которая на основе существующих утверждений, позволяет формировать необходимые новые утверждения.

Для поддержания процесса построения онтологий в IDEF5 существуют специальные онтологические языки: схематический язык (Schematic Language – SL) и язык доработок и уточнений (Elaboration Language – EL). SL является наглядным графическим языком, специально предназначенным для изложения компетентными специалистами в рассматриваемой области системы основных данных в форме онтологической информации (рис. 3.39).

Этот несложный язык позволяет естественным образом представлять основную информацию в процессе развития онтологии и дополнять существующие онтологии новыми данными. Язык SL позволяет строить разнообразные типы диаграмм и схем в IDEF5. Основная цель всех этих диаграмм – наглядно и визуально представлять основную онтологическую информацию. EL представляет собой структурированный текстовой язык, который позволяет детально характеризовать элементы онтологии.

Несмотря на кажущееся сходство, семантика и обозначения схематического языка SL существенно отличается от семантики и обозначений других графических языков. Дело в том, что часть элементов графической схемы SL может быть изменена или вовсе не приниматься во внимание языком EL. Причина этого состоит в том, что основной целью применения SL является создание лишь вспомогательной структурированной конструкции онтологии и графические элементы SL не несут достаточной информации для полного представления и анализа системы, тем самым они не предназначены для сохранения на конечном этапе проекта. Тщательный анализ, обеспечение полноты представления структуры данных, полученных в результате онтологического исследования, являются задачей применения языка EL.

Как правило, наиболее важные и заметные зависимости между объектами всегда являются преобладающими, когда конкретные люди высказывают свои знания и мнения, касающиеся той или иной системы. Подобные взаимосвязи явным образом описываются языками IDEF5. Всего существует четыре основных вида схем, которые наглядно используются для накопления информации об онтологии в достаточно прозрачной графической форме.

1. Диаграмма классификации. Диаграмма классификации обеспечивает механизм для логической систематизации знаний, накопленных при изучении системы. Существует два типа таких диаграмм: диаграмма строгой классификации (Description Subsumption – DS) и диаграмма естественной или видовой классификации (Natural Kind Classification – NKC). Основное отличие диаграммы DS заключается в том, что определяющие свойства классов высшего и всех последующих уровней являются необходимым и достаточным признаком принадлежности объекта к тому или иному классу. На рисунке 3.40 приведен пример такой диаграммы, построенной на основе тривиальной возможности классификации многоугольников по количеству углов. Из геометрии известно точное математическое определение многоугольника, суть определяющих свойств родительского класса. Определяющим свойством каждого дочернего класса дополнительно является количество углов в многоугольнике. Очевидно, зная это определяющее свойство для любого многоугольника, можно однозначно отнести его к тому или иному дочернему классу. С помощью диаграмм DS, как правило, классифицируются логические объекты. Диаграммы естественной классификации или же диаграммы NKC, наоборот, не предполагают того, что свойства класса являются необходимым и достаточным признаком для принадлежности к ним тех или иных объектов. В этом виде диаграмм определение свойств класса является более общим. Пример такой диаграммы также приведен на рис. 3.40.

2. Композиционная схема. Композиционные схемы (Composition Schematic) являются механизмом графического представления состава объектов онтологии и фактически представляют собой инструменты онтологического исследования по принципу «Что из чего состоит». В частности, композиционные схемы позволяют наглядно отображать состав объектов, относящихся к тому или иному классу. На рисунке 3.41 изображена композиционная схема шариковой ручки, относящейся к классу шариковых автоматических ручек. В данном случае шариковая ручка является системой, к которой мы применяем методы онтологического исследования. С помощью композиционной схемы мы наглядно документируем, что авторучка состоит из нижней и верхней трубки, нижняя трубка в свою очередь включает в себя кнопку и фиксирующий механизм, а верхняя трубка включает в себя стержень и пружину.

3. Схема взаимосвязей. Схемы взаимосвязей (Relation Schematic) позволяют разработчикам визуализировать и изучать взаимосвязи между различными классами объектов в системе. В некоторых случаях схемы взаимосвязей используются для отображения зависимостей между самими же классовыми взаимосвязями. Мотивацией для развития подобной возможности послужило то тривиальное правило, что все вновь разработанные концепции всегда базируются на уже существующих и изученных. Это тесно согласуется с теорией, суть которой состоит в том, что изучение любой системы часто происходит от частного к общему, то есть, происходит изыскание и исследование новой частной информации, влияющее на конечные характеристики более общей концепции, к которой эта информация имела прямое отношение. Исходя из этой гипотезы, естественным способом изучения новой или плохо понимаемой взаимосвязи является соотнесение ее с достаточно изученной взаимосвязью.

4. Диаграмма состояния объекта. Диаграмма состояния объекта (Object State Schematic) позволяет документировать тот или иной процесс с точки зрения изменения состояния объекта. В происходящих процессах могут произойти два типа изменения объекта: объект может поменять свое состояние или класс. Между этими двумя видами изменений по сути не существует принципиальной разницы: объекты, относящиеся к определенному классу в начальном состоянии в течение процесса могут перейти к дочернему или просто родственному классу. Например, полученная в процессе нагревания теплая вода, уже относится не к классу ВОДА, а к его дочернему классу ТЕПЛАЯ ВОДА. Однако при формальном описании процесса, во избежание путаницы, целесообразно разделять эти виды изменений и для такого разделения используется обозначение следующего вида: «класс: состояние». Например, теплая вода будет описываться следующим образом: «вода: теплая», холодная – «вода: холодная» и так далее. Таким образом, диаграммы состояния в IDEF5 наглядно представляют изменения состояния или класса объекта в течение всего процесса. Пример такой диаграммы приведен на рис. 3.42.

Суммируя вышеизложенное, отметим, что строение и свойства любой системы могут быть эффективно исследованы и задокументированы при помощи следующих средств: словаря терминов, используемых при описании характеристик объектов и процессов, имеющих отношение к рассматриваемой системе, точных и однозначных определений всех терминов этого словаря и классификации логических взаимосвязей между этими терминами. Набор этих средств, по сути, и является онтологией системы, а стандарт IDEF5 предоставляет структурированную графоаналитическую методологию, с помощью которой можно наглядно и эффективно разрабатывать, поддерживать и изучать эту онтологию.

Онтология ресторанного бизнеса может быть представлена с помощью средств, предлагаемых стандартом IDEF5, например, следующим образом. На рисунке 3.43 представлена композиционная схема ресторана. На рисунке 3.44 представлена диаграмма классификации (NKC) видов информации, необходимой для функционирования ресторана.

Схема взаимосвязей может быть составлена как для классов представленных в композиционной схеме, так и для классов представленных на диаграмме классификации. Схема взаимосвязей классов информации (см. рис. 3.44) будет подобна диаграмме IDEF1, однако, будет учитывать большее число ее видов.

Диаграмма состояний объекта с точностью до обозначений будет подобна диаграмме OSTN стандарта IDEF3, если в качестве объекта будет выбран посетитель ресторана.

В заключении рассмотрения серии стандартов Icam Definition следует отметить, что упомянутые стандарты представляют собой хорошо структурированную и продуманную аналитическую технологию. Данная серия стандартов аналогична технологии 3VM, однако, является, с одной стороны, более строгой и формализованной, а, с другой стороны, обладающей более широкими возможностями. При этом функционально технология DFD в более формализованном виде и с дополнительными возможностями представлена в стандарте IDEF0 (SADT), технология ERD – в стандарте IDEF1X, технология STD – в стандарте IDEF3 (OSTN-диаграммы). Стандарт же IDEF5 обеспечивает все эти и другие возможности в менее формализованном виде, расширяя, таким образом, сферу применения данной серии стандартов.

Опыт применения технологии Icam Definition показывает, что комплексное использование рассмотренных стандартов позволяет проанализировать систему (предметную область) достаточно целостно. Стандарты данной технологии являются конструктивно дополняющими друг драга частями. Это позволяет при их совместном использовании в рамках итерационного процесса обнаруживать и устранять неточности, ошибки или пропуски информации. Например, при разработке функциональной SADT-модели ресторана, в первоначальном варианте этой модели были пропущены информационные потоки «меню» и «цены», необходимые для приема заказа от посетителя. Информационный анализ процесса приема заказа с помощью IDEF1-диаграммы позволил выявить и устранить этот пропуск, так как потребовал в явном виде определить все необходимые данные.

Несмотря на перечисленные достоинства технологии Icam Definition, она обладает всеми недостатками, приведенными при завершении рассмотрения технологии 3VM.

Выводы

1. Для решения сложных проблем используются методы анализа, предоставляющие в распоряжение аналитика визуальные графоаналитические средства для построения моделей бизнес-систем и бизнес-процессов.

2. Технология системно-структурного анализа, представленная несколькими стандартами серии Icam Definition, аналогична технологии 3VM. При этом DFD-даграммы в более формализованном виде и с дополнительными возможностями соответствуют стандарту функционального моделирования IDEF0 (SADT), ERD-диаграммы – стандарту информационного моделирования IDEF1, STD-диаграммы – стандарту моделирования сценариев IDEF3 (OSTN-диаграммы).

3. Стандарт же онтологического моделирования IDEF5 обеспечивает все эти и другие возможности в менее формализованном виде. Комплексное использование рассмотренных стандартов позволяет проанализировать систему (предметную область) достаточно целостно. Недостатки данной технологии аналогичны технологии 3VM.

Дата добавления: 2014-12-27