АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗНАНИЯМИ НА ОСНОВЕ WIKI-ТЕХНОЛОГИИ И ИНТЕГРИРОВАННЫХ ОНТОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ
УДК 004.822
Д. И. МУРОМЦЕВ, В. А. ГОРОВОЙ, А. Н. ЗЛОБИН, Ю. В. КАТКОВ, И. Н. ПОЧИНОК
АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗНАНИЯМИ НА ОСНОВЕ WIKI-ТЕХНОЛОГИИ
И ИНТЕГРИРОВАННЫХ ОНТОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
Описывается архитектура и рассматриваются ключевые концепции построения системы управления корпоративными знаниями на базе онтологического моделирования и технологии Wiki. В качестве примера реализации подобного рода технологии рассмотрен прототип системы “OntolingeWiki”.
Ключевые слова: управление знаниями, онтологии, инженерия знаний, Wikiтехнология.
Введение. Потребность в системах управления корпоративными знаниями существует в различных областях — от добывающей и перерабатывающей отраслей промышленности до сфер образования и культуры. Среди причин значительного роста интереса к системам управления знаниями можно выделить следующие [1]:
— поиск необходимой информации работниками предприятий сопряжен со значительными временными затратами;
— опыт ведущих и наиболее квалифицированных сотрудников используется лишь в отдельных подразделениях предприятия и не распространяется на корпорацию в целом;
— ценная информация сокрыта в большом количестве документов и данных, доступ к которым затруднен;
— дорогостоящие ошибки повторяются вследствие недостаточной информированности сотрудников и игнорирования ими предыдущего опыта.
В настоящей статье описывается архитектура и рассматриваются ключевые концепции построения системы управления корпоративными знаниями на базе онтологического моделирования и технологии Wiki. В качестве примера реализации подобного рода технологии рассмотрен прототип системы “OntolingeWiki”.
Основная цель описываемой разработки — создание прототипа интегрированной среды накопления знаний [2]. Эта среда призвана объединить методы и средства формального управления знаниями (онтологического инжиниринга [3, 4]) и неформальный подход к структурированию информации (контента открытого Wiki-портала [5]). Использование онтологий в качестве основы для портала знаний имеет два преимущества: формирование хорошо структурированного портала, отражающего предметную область, и возможность предоставления данных, которые могут обрабатываться программными агентами. В последнее время тенденции к открытию хранилищ структурированных данных, представляемых в различных форматах, таких как RDF и OWL, обрели форму движения Linking Open Data [6]. В рамках этого движения разработчики предоставляют доступ к своим „машиночитаемым“ данным для всех желающих, что позволяет осуществлять различные совместные проекты с использованием
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
6 Д. И. Муромцев, В. А. Горовой, А. Н. Злобин и др.
разнообразных источников данных. Безусловно, наличие удобных инструментов, позволяющих формировать порталы на основе онтологий, будет способствовать развитию движения Linking Open Data. Одним из таких инструментов и является система “OntolingeWiki”.
Анализ требований к системе. Первая версия системы “OntolingeWiki” [7] была предназначена для организации управления знаниями при разработке образовательного портала музея оптических технологий Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. Прежде всего были определены основные элементы — акторы (в терминах методологии Rational Unified Process), взаимодействующие с системой (применялись шаблоны определения акторов и варианты использования системы, предложенные в работе [8]). В таблице приведено краткое описание действий акторов, анализ поведения которых учитывался при формировании функциональных требований к системе.
Актор
Пользовательшкольник Пользователь-студент Пользовательпреподаватель Пользователь-эксперт Администратор Браузер Инженер по знаниям
Действие
Взаимодействует с системой в познавательных целях, используя минимальный набор функций
Взаимодействует с системой в учебных и исследовательских целях Использует систему для проведения лекций обычно по заранее известному сценарию Предоставляет знания для системы Осуществляет установку/обновление/восстановление системы Обеспечивает доступ к системе для всех групп пользователей Производит оценку онтологии, отображенной средствами системы, по критериям когнитивной эргономичности, полноты и непротиворечивости
Следующим этапом проектирования стало определение процессов, наличие которых является обязательным для большинства систем управления знаниями. На рис. 1 представлена схема, отображающая основные этапы жизненного цикла контента и знаний внутри системы.
Последний этап формализации требований к системе заключался в создании сценария работы с порталом знаний. Основными стадиями этого этапа стали следующие:
— разработка инженером по знаниям с помощью экспертов онтологии предметной области портала;
— автоматическое создание системой структуры портала (названий/имен разделов и документов, формирование ссылок между ними);
— разработка контента портала в Wiki-стиле экспертами предметной области (к разработке также допускаются преподаватели по смежным областям);
— перевод портала в режим „только для чтения“; контент портала и графическое представление понятий системы могут служить учебным и демонстрационным материалом для пользователей-школьников и пользователей-студентов.
Функции системы. В соответствии с анализом задач, поставленных перед системой, а также ранее полученными результатами [2] были выделены следующие основные функции, объединенные в три группы.
Ввод контента и наполнение базы знаний: — импорт одной или нескольких онтологий в качестве шаблона структуры портала; — создание, редактирование и хранение тематических статей (контента портала). Управление контентом: — поддержка нескольких разделов, описываемых разными онтологиями; — отображение тематической статьи; — создание системы ссылок между тематическими статьями на основе представляемых ими концептов онтологии и связей между ними; — вывод результатов поисковых запросов по тематической базе данных Интернетресурсов;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
Архитектура системы управления знаниями на основе Wiki-технологии
7
— отображение информации о концепте, описываемом определенной статьей. Представление структуры знаний: — визуализация структуры знаний, представленных в портале, в виде дерева отношений наследования и отношений класс—индивид между концептами онтологии; — визуализация множества отношений между концептами в виде „облака тегов“ (набора ключевых слов); — визуализация множества близких к определенной тематической статье концептов в форме графа отношений. Важно отметить, что реализация всех пунктов последней группы подразумевает интерактивную визуализацию: т.е. их введение в портал направлено в первую очередь на поддержку навигации по порталу и его структуре, а не на поддержку обзора формальной модели, лежащей в его основе.
Неструктурированный контент
Внешние источники контента
Описание предметной области
Экспертное накопление
знаний
Структурированный контент
Построение модели знаний
Уточнение требуемого
состава контента Модель знаний
Хранилище информации
Онтология
Уточнение требуемой структуры контента
Связанное с формальной моделью представление
контента Внешнее совместное
представление контента и знаний
Интеграция контента и модели знаний
Изучение
Обобщение
Распространение
Рис. 1
Классификация и форматы данных. Обрабатываемые в системе данные можно разделить на три основных класса:
1) формальная модель знаний в виде онтологии; 2) контент портала; 3) онтологическая структура портала, представляемая в виде направленного графа отношений между статьями. Логика работы системы управления порталом знаний заключается в преобразовании данных первого и второго классов в данные третьего класса. Важно отметить, что данные имеют множество видов представления. Модель знаний. Для описания формальных моделей знаний применяются специализированные языки онтологий. В системе “OntolingeWiki” используется основанный на XML язык OWL — Web Ontology Language [9], что обусловлено: — распространенностью языка в области web-онтологий;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
8 Д. И. Муромцев, В. А. Горовой, А. Н. Злобин и др.
— поддержкой со стороны консорциума W3C — организации, решающей формальные вопросы развития Интернета (в частности, поиска новых путей развития и внедрения новых технологий);
— широкой поддержкой, осуществляемой различными инструментальными средствами разработки онтологий.
Контент портала. Контент портала представляет собой форматированный текст, содержащий гиперссылки и дополнительные мультимедиа-материалы. Для описания статей все Wiki-инструменты предоставляют свои, сравнительно простые языки разметки, используемые системе в качестве формата хранения контента.
Онтологическая структура портала. По сути, этот класс данных формируется динамически на основе хранимой онтологии предметной области путем исключения не используемых в выбранном контексте понятий. Так как алгоритм получения ссылок между элементами онтологии и Wiki-страницами зависит только от выбранной онтологии и является вполне детерминированным, хранение данных этого класса оказывается избыточным: они формируются в процессе обработки запросов и используются при поиске или создании страниц портала.
Логическая структура системы. Сложность и разнородность задач, решаемых системой, повлекла за собой значительные трудности на этапе построения и формализации структуры программных средств. На верхнем уровне система разделена на модули в соответствии с выполняемыми функциями. Данное разделение обусловлено желанием максимально использовать для решения некоторых задач готовые программные средства с минимальной модификацией.
Схема, отображающая основные компоненты системы “OntolingeWiki” и потоки данных между ними и пользователями, представлена на рис. 2.
Эксперт
Wiki-система
Пользователь
Контент
Знания
Требования к структуре контента
Контент
Структурированное представление данных и знаний
Онтология
Сведения о структуре визуализации знаний
Инженер
Портал
ПК пользователя
Рис. 2
Wiki-система. Этот компонент системы “OntolingeWiki” представляет собой стандартный Wiki-инструмент с базовым для таких средств набором функций. Была выбрана Wikiсистема с открытым исходным кодом DokuWiki [10]; основные причины такого выбора:
— большое количество свободно распространяемых подключаемых модулей; — значительный опыт разработчиков; — простой и переносимый формат хранения контента. Как было отмечено выше, Wiki-разметка имеет довольно простой формат. Приведем несколько примеров разметки текста в DokuWiki:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
Архитектура системы управления знаниями на основе Wiki-технологии
9
Заголовки: ====== Заголовок 1-го уровня ====== ... == Заголовок 5-го уровня ==
Форматирование: **жирный**, //курсив//, __подчеркнутый__ текст
Оформление ссылок: [[http://google.com|Google]] — внешние [[optics:personal:newton|Ньютон]] — внутренние В современных Wiki-системах приняты два основных способа группировки контента: по категориям или по пространствам имен. В DokuWiki доминирующим средством являются пространства имен, но также поддерживается способ группировки данных по тэгам. Поддержка в DokuWiki подключаемых модулей (плагинов) обеспечивает такие преимущества, как поддержка типов содержимого Wiki-портала, расширение функциональности системы без необходимости перехода на новую версию ядра. Wiki-система потребовала минимальной доработки, которая заключалась в создании версии, функционирующей в режиме „только контент“, без использования дополнительных элементов редактирования и навигации по порталу. Средство разработки онтологий. Этот инструмент используется инженерами по знаниям в процессе создания онтологии предметной области. В соответствии с предложенной архитектурой системы единственная связь данного ее компонента с остальными может осуществляться через файлы формата OWL. В качестве данного инструмента был выбран свободно распространяемый редактор онтологий Protégé [11], разрабатываемый группой сотрудников Стэнфордского университета (США) при поддержке большого сообщества волонтеров. Пригодность Protégé для редактирования онтологий определяется следующими возможностями: — стабильностью и поддержкой всех средств текущей версии языка OWL; — распространением по лицензии GPL; — несколькими видами визуализации онтологий; — интуитивно понятным интерфейсом пользователя и наличием большого количества документации; — поддержкой подключаемых модулей. Портал. Основная идея, заложенная в функционирование данного блока, — загрузка „декораций“ для Wiki-контента, таких как: — представление общей структуры знаний и формализованных знаний о концепте; — отображение близких и связанных концептов; — интеграция поисковых систем в портал. Данный блок реализован как web-модуль на языке Java [12]. На уровне web-приложения можно выделить несколько компонентов: аналитический модуль, модуль визуализации и модуль декорирования. Аналитический модуль отвечает за формирование структуры портала на основе онтологии, в том числе определение места хранения (адреса) фрагмента контента, связанного с определенным концептом. Этот модуль осуществляет первичную обработку OWL-документа (непосредственно для работы с этим форматом и получения модели онтологии используется библиотека Jena [13]). В результате создается ряд промежуточных представлений онтологии, которые используются остальными модулями приложения. Модуль визуализации структуры знаний состоит из двух частей. Первая — апплет
(англ. applet, букв. от application — приложение — и let — суффикс: ≈ программный компонент) HyperGraph [14] — загружается браузером клиента и осуществляет визуализацию структуры портала в виде графа в гиперболическом пространстве [15]. Данный апплет поддерживает отображение надписей и изображений в узлах графа, а также встраивание в них
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
10 Д. И. Муромцев, В. А. Горовой, А. Н. Злобин и др. гиперссылок. Таким образом, он полностью обеспечивает возможность интерактивной навигации по структуре портала. Всевозможные настройки внешнего вида портала (цвета, шрифты и т.п.) также поддерживаются этим модулем. Вторая часть модуля визуализации — собственно модуль приложения — позволяет выполнять трансляцию онтологических описаний в формат данных, совместимый с представлением в виде графа.
Модуль „декорирования“ контента представляет собой набор динамических страниц (JSP), объединяющих следующие элементы отображения: меню навигации, область отображения Wiki-контента, описание структуры онтологии, описание отдельных концептов, результаты поисковых запросов, сформированных по имени концепта. С использованием результатов анализа онтологии и сформированной структуры портала модуль „декорирования“ поддерживает пользовательскую сессию посредством запоминания текущей онтологии, выбранного концепта и режима отображения. На основе этих данных отображается общая структура онтологии, статья о выбранном концепте, его формальное описание, результаты поиска по соответствующему запросу в Интернете.
Интерфейс пользователя. Пример интерфейса пользователя системы “OntolingeWiki” приведен на рис. 3.
Рис. 3
Для организации данных портала используется блочная верстка. В верхнем блоке отображены средства визуализации структуры портала. Первое средство — это граф концептов, отображающий отношения наследования между классами и отношения принадлежности между классами и индивидами. Узлы графа являются ссылками на соответствующие Wiki-страницы (открываются также внутри портала). Второе средство — это „облако“ типов связей. Входящие в него элементы являются ссылками на страницы с формальным описанием типа связи.
В блоке, расположенном справа, находится меню портала. В нем содержатся основные команды навигации (перейти к главной странице раздела, перейти к описанию онтологии, сменить раздел, перейти к разделу помощи) и команды управления режимом просмотра (показывать только граф, показывать только статью).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
Архитектура системы управления знаниями на основе Wiki-технологии
11
В основном блоке в зависимости от режима просмотра могут быть отображены: общие сведения о разделе, описание онтологии или описание конкретного концепта. Описание концепта может быть осуществлено в нескольких режимах:
— формальное описание — в этом режиме отображается информация из онтологии: имя, связи и т.д.;
— Wiki-статья — в этом режиме отображается соответствующая Wiki-страница; — результаты поиска — здесь отображаются результаты тематического поиска по заранее подготовленному списку источников информации (используется Google Custom Search [16]).
Заключение. Возможность доступа к „машиночитаемым“ структурированным данным для всех желающих, обозначившаяся в форме движения Linking Open Data, демонстрирует важность и актуальность интеграции разнородных источников информации в единое семантическое пространство — базу знаний или корпоративную память. Очевидно, что подобное объединение информационных ресурсов позволит поднять многие проекты на качественно новый уровень за счет использования различных источников данных и знаний. Однако для работы в этом новом информационном пространстве требуется построение специализированных систем управления знаниями аналогично тому, как в свое время системы управления данными позволили совершить качественный скачок в работе с базами данных.
Рассмотренные в настоящей статье архитектура и ключевые концепции построения систем управления корпоративными знаниями на базе онтологического моделирования и технологии Wiki были успешно применены на практике при создании прототипа интегрированной среды накопления знаний “OntolingeWiki”. Показано, что успеха при разработке подобного класса систем можно добиться за счет объединения методов и средств формального управления знаниями, включая онтологический инжиниринг, и неформального подхода к структурированию контента, например, на основе открытого Wiki-портала. Система “OntolingeWiki” была успешно реализована и опробована при разработке справочно-обучающего портала по оптике для музея оптических технологий СПбГУ ИТМО [17].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаврилова Т. А., Муромцев Д. И. Интеллектуальные технологии в менеджменте. СПб: Изд-во ВШМ СПбГУ, 2007.
2. Гаврилова Т. А., Горовой В. А., Злобин А. Н. и др. Интеграция Wiki-технологии и онтологического моделирования в задаче управления знаниями предприятия // Тр. 11-й Нац. конф. по искусственному интеллекту „КИИ-2008“. Дубна, 2008. Т. 2. С. 360—368.
3. Gruber T. R. A translation approach to portable ontologies // Knowledge Acquisition. 1993. N 5 (2). Р. 199—220.
4. Guarino N., Giaretta P. Ontologies and Knowledge Bases: Towards a Terminological Clarification. Towards Very Large Knowledge Bases: Knowledge Building & Knowledge Sharing. 1995. IOS Press: 25—32 [Электронный ресурс]: .
5. The Wiki Principle. The Economist, 2006 [Электронный ресурс, англ.]: .
6. Linking Open Data, 2008 [Электронный ресурс, англ.]: .
7. Горовой В. А., Муромцев Д. И. Реализация технологии активного обучения на базе онтологического моделирования // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2009. № 2(60). С. 107—114.
8. RUP Glossary 7.2.0. IBM Rational Corp., 2010 [Электронный ресурс, англ.]: .
9. OWL — Web Ontology Language. Overview, 2004 [Электронный ресурс, англ.]: .
10. DokuWiki, 2010 [Электронный ресурс, англ.]: .
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
12 С. В. Кулешов
11. Рrotégé , 2009 [Электронный ресурс, англ.]: .
12. Java EE Web Application Technologies, 2010 [Электронный ресурс, англ.]: .
13. Jena – A Semantic Web Framework for Java, 2010 [Электронный ресурс, англ.]: .
14. The HyperGraph Homepage, 2003 [Электронный ресурс, англ.]: .
15. Munzner T. 3D Hyperbolic Quasi-Hierarchical Graphs., 2003 [Электронный ресурс, англ.]: .
16. Система пользовательского поиска, 2010 [Электронный ресурс]: .
17. Муромцев Д. И., Баландин Е. А., Катков Ю. В., Починок И. Н. Опыт использования онтологий верхнего уровня при проектировании базы знаний музея оптических технологий // Материалы Всерос. конф. „Знания— Онтологии — Теории“ (ЗОНТ-09). Новосибирск, 2009. Т. 1. С. 165—172.
Сведения об авторах
Дмитрий Ильич Муромцев
— канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный универ-
ситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра проек-
тирования компьютерных систем; E-mail: mouromtsev@mail.ifmo.ru
Владимир Андреевич Горовой — Высшая школа менеджмента Санкт-Петербургского государственного
университета, кафедра информационных технологий в менеджменте;
ассистент; E-mail: a.malinin@gmail.com
Алексей Николаевич Злобин — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информа-
ционных технологий, механики и оптики, кафедра проектирования ком-
пьютерных систем; E-mail: alexey.zlobin@gmail.com
Юрий Валериевич Катков
— аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информа-
ционных технологий, механики и оптики, кафедра проектирования ком-
пьютерных систем; E-mail: ganqturgon@gmail.com
Ирина Николаевна Починок — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информа-
ционных технологий, механики и оптики, кафедра проектирования ком-
пьютерных систем; E-mail: i.pochinok@gmail.com
Рекомендована кафедрой проектирования компьютерных систем СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 08.02.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
УДК 004.822
Д. И. МУРОМЦЕВ, В. А. ГОРОВОЙ, А. Н. ЗЛОБИН, Ю. В. КАТКОВ, И. Н. ПОЧИНОК
АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗНАНИЯМИ НА ОСНОВЕ WIKI-ТЕХНОЛОГИИ
И ИНТЕГРИРОВАННЫХ ОНТОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
Описывается архитектура и рассматриваются ключевые концепции построения системы управления корпоративными знаниями на базе онтологического моделирования и технологии Wiki. В качестве примера реализации подобного рода технологии рассмотрен прототип системы “OntolingeWiki”.
Ключевые слова: управление знаниями, онтологии, инженерия знаний, Wikiтехнология.
Введение. Потребность в системах управления корпоративными знаниями существует в различных областях — от добывающей и перерабатывающей отраслей промышленности до сфер образования и культуры. Среди причин значительного роста интереса к системам управления знаниями можно выделить следующие [1]:
— поиск необходимой информации работниками предприятий сопряжен со значительными временными затратами;
— опыт ведущих и наиболее квалифицированных сотрудников используется лишь в отдельных подразделениях предприятия и не распространяется на корпорацию в целом;
— ценная информация сокрыта в большом количестве документов и данных, доступ к которым затруднен;
— дорогостоящие ошибки повторяются вследствие недостаточной информированности сотрудников и игнорирования ими предыдущего опыта.
В настоящей статье описывается архитектура и рассматриваются ключевые концепции построения системы управления корпоративными знаниями на базе онтологического моделирования и технологии Wiki. В качестве примера реализации подобного рода технологии рассмотрен прототип системы “OntolingeWiki”.
Основная цель описываемой разработки — создание прототипа интегрированной среды накопления знаний [2]. Эта среда призвана объединить методы и средства формального управления знаниями (онтологического инжиниринга [3, 4]) и неформальный подход к структурированию информации (контента открытого Wiki-портала [5]). Использование онтологий в качестве основы для портала знаний имеет два преимущества: формирование хорошо структурированного портала, отражающего предметную область, и возможность предоставления данных, которые могут обрабатываться программными агентами. В последнее время тенденции к открытию хранилищ структурированных данных, представляемых в различных форматах, таких как RDF и OWL, обрели форму движения Linking Open Data [6]. В рамках этого движения разработчики предоставляют доступ к своим „машиночитаемым“ данным для всех желающих, что позволяет осуществлять различные совместные проекты с использованием
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
6 Д. И. Муромцев, В. А. Горовой, А. Н. Злобин и др.
разнообразных источников данных. Безусловно, наличие удобных инструментов, позволяющих формировать порталы на основе онтологий, будет способствовать развитию движения Linking Open Data. Одним из таких инструментов и является система “OntolingeWiki”.
Анализ требований к системе. Первая версия системы “OntolingeWiki” [7] была предназначена для организации управления знаниями при разработке образовательного портала музея оптических технологий Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. Прежде всего были определены основные элементы — акторы (в терминах методологии Rational Unified Process), взаимодействующие с системой (применялись шаблоны определения акторов и варианты использования системы, предложенные в работе [8]). В таблице приведено краткое описание действий акторов, анализ поведения которых учитывался при формировании функциональных требований к системе.
Актор
Пользовательшкольник Пользователь-студент Пользовательпреподаватель Пользователь-эксперт Администратор Браузер Инженер по знаниям
Действие
Взаимодействует с системой в познавательных целях, используя минимальный набор функций
Взаимодействует с системой в учебных и исследовательских целях Использует систему для проведения лекций обычно по заранее известному сценарию Предоставляет знания для системы Осуществляет установку/обновление/восстановление системы Обеспечивает доступ к системе для всех групп пользователей Производит оценку онтологии, отображенной средствами системы, по критериям когнитивной эргономичности, полноты и непротиворечивости
Следующим этапом проектирования стало определение процессов, наличие которых является обязательным для большинства систем управления знаниями. На рис. 1 представлена схема, отображающая основные этапы жизненного цикла контента и знаний внутри системы.
Последний этап формализации требований к системе заключался в создании сценария работы с порталом знаний. Основными стадиями этого этапа стали следующие:
— разработка инженером по знаниям с помощью экспертов онтологии предметной области портала;
— автоматическое создание системой структуры портала (названий/имен разделов и документов, формирование ссылок между ними);
— разработка контента портала в Wiki-стиле экспертами предметной области (к разработке также допускаются преподаватели по смежным областям);
— перевод портала в режим „только для чтения“; контент портала и графическое представление понятий системы могут служить учебным и демонстрационным материалом для пользователей-школьников и пользователей-студентов.
Функции системы. В соответствии с анализом задач, поставленных перед системой, а также ранее полученными результатами [2] были выделены следующие основные функции, объединенные в три группы.
Ввод контента и наполнение базы знаний: — импорт одной или нескольких онтологий в качестве шаблона структуры портала; — создание, редактирование и хранение тематических статей (контента портала). Управление контентом: — поддержка нескольких разделов, описываемых разными онтологиями; — отображение тематической статьи; — создание системы ссылок между тематическими статьями на основе представляемых ими концептов онтологии и связей между ними; — вывод результатов поисковых запросов по тематической базе данных Интернетресурсов;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
Архитектура системы управления знаниями на основе Wiki-технологии
7
— отображение информации о концепте, описываемом определенной статьей. Представление структуры знаний: — визуализация структуры знаний, представленных в портале, в виде дерева отношений наследования и отношений класс—индивид между концептами онтологии; — визуализация множества отношений между концептами в виде „облака тегов“ (набора ключевых слов); — визуализация множества близких к определенной тематической статье концептов в форме графа отношений. Важно отметить, что реализация всех пунктов последней группы подразумевает интерактивную визуализацию: т.е. их введение в портал направлено в первую очередь на поддержку навигации по порталу и его структуре, а не на поддержку обзора формальной модели, лежащей в его основе.
Неструктурированный контент
Внешние источники контента
Описание предметной области
Экспертное накопление
знаний
Структурированный контент
Построение модели знаний
Уточнение требуемого
состава контента Модель знаний
Хранилище информации
Онтология
Уточнение требуемой структуры контента
Связанное с формальной моделью представление
контента Внешнее совместное
представление контента и знаний
Интеграция контента и модели знаний
Изучение
Обобщение
Распространение
Рис. 1
Классификация и форматы данных. Обрабатываемые в системе данные можно разделить на три основных класса:
1) формальная модель знаний в виде онтологии; 2) контент портала; 3) онтологическая структура портала, представляемая в виде направленного графа отношений между статьями. Логика работы системы управления порталом знаний заключается в преобразовании данных первого и второго классов в данные третьего класса. Важно отметить, что данные имеют множество видов представления. Модель знаний. Для описания формальных моделей знаний применяются специализированные языки онтологий. В системе “OntolingeWiki” используется основанный на XML язык OWL — Web Ontology Language [9], что обусловлено: — распространенностью языка в области web-онтологий;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
8 Д. И. Муромцев, В. А. Горовой, А. Н. Злобин и др.
— поддержкой со стороны консорциума W3C — организации, решающей формальные вопросы развития Интернета (в частности, поиска новых путей развития и внедрения новых технологий);
— широкой поддержкой, осуществляемой различными инструментальными средствами разработки онтологий.
Контент портала. Контент портала представляет собой форматированный текст, содержащий гиперссылки и дополнительные мультимедиа-материалы. Для описания статей все Wiki-инструменты предоставляют свои, сравнительно простые языки разметки, используемые системе в качестве формата хранения контента.
Онтологическая структура портала. По сути, этот класс данных формируется динамически на основе хранимой онтологии предметной области путем исключения не используемых в выбранном контексте понятий. Так как алгоритм получения ссылок между элементами онтологии и Wiki-страницами зависит только от выбранной онтологии и является вполне детерминированным, хранение данных этого класса оказывается избыточным: они формируются в процессе обработки запросов и используются при поиске или создании страниц портала.
Логическая структура системы. Сложность и разнородность задач, решаемых системой, повлекла за собой значительные трудности на этапе построения и формализации структуры программных средств. На верхнем уровне система разделена на модули в соответствии с выполняемыми функциями. Данное разделение обусловлено желанием максимально использовать для решения некоторых задач готовые программные средства с минимальной модификацией.
Схема, отображающая основные компоненты системы “OntolingeWiki” и потоки данных между ними и пользователями, представлена на рис. 2.
Эксперт
Wiki-система
Пользователь
Контент
Знания
Требования к структуре контента
Контент
Структурированное представление данных и знаний
Онтология
Сведения о структуре визуализации знаний
Инженер
Портал
ПК пользователя
Рис. 2
Wiki-система. Этот компонент системы “OntolingeWiki” представляет собой стандартный Wiki-инструмент с базовым для таких средств набором функций. Была выбрана Wikiсистема с открытым исходным кодом DokuWiki [10]; основные причины такого выбора:
— большое количество свободно распространяемых подключаемых модулей; — значительный опыт разработчиков; — простой и переносимый формат хранения контента. Как было отмечено выше, Wiki-разметка имеет довольно простой формат. Приведем несколько примеров разметки текста в DokuWiki:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
Архитектура системы управления знаниями на основе Wiki-технологии
9
Заголовки: ====== Заголовок 1-го уровня ====== ... == Заголовок 5-го уровня ==
Форматирование: **жирный**, //курсив//, __подчеркнутый__ текст
Оформление ссылок: [[http://google.com|Google]] — внешние [[optics:personal:newton|Ньютон]] — внутренние В современных Wiki-системах приняты два основных способа группировки контента: по категориям или по пространствам имен. В DokuWiki доминирующим средством являются пространства имен, но также поддерживается способ группировки данных по тэгам. Поддержка в DokuWiki подключаемых модулей (плагинов) обеспечивает такие преимущества, как поддержка типов содержимого Wiki-портала, расширение функциональности системы без необходимости перехода на новую версию ядра. Wiki-система потребовала минимальной доработки, которая заключалась в создании версии, функционирующей в режиме „только контент“, без использования дополнительных элементов редактирования и навигации по порталу. Средство разработки онтологий. Этот инструмент используется инженерами по знаниям в процессе создания онтологии предметной области. В соответствии с предложенной архитектурой системы единственная связь данного ее компонента с остальными может осуществляться через файлы формата OWL. В качестве данного инструмента был выбран свободно распространяемый редактор онтологий Protégé [11], разрабатываемый группой сотрудников Стэнфордского университета (США) при поддержке большого сообщества волонтеров. Пригодность Protégé для редактирования онтологий определяется следующими возможностями: — стабильностью и поддержкой всех средств текущей версии языка OWL; — распространением по лицензии GPL; — несколькими видами визуализации онтологий; — интуитивно понятным интерфейсом пользователя и наличием большого количества документации; — поддержкой подключаемых модулей. Портал. Основная идея, заложенная в функционирование данного блока, — загрузка „декораций“ для Wiki-контента, таких как: — представление общей структуры знаний и формализованных знаний о концепте; — отображение близких и связанных концептов; — интеграция поисковых систем в портал. Данный блок реализован как web-модуль на языке Java [12]. На уровне web-приложения можно выделить несколько компонентов: аналитический модуль, модуль визуализации и модуль декорирования. Аналитический модуль отвечает за формирование структуры портала на основе онтологии, в том числе определение места хранения (адреса) фрагмента контента, связанного с определенным концептом. Этот модуль осуществляет первичную обработку OWL-документа (непосредственно для работы с этим форматом и получения модели онтологии используется библиотека Jena [13]). В результате создается ряд промежуточных представлений онтологии, которые используются остальными модулями приложения. Модуль визуализации структуры знаний состоит из двух частей. Первая — апплет
(англ. applet, букв. от application — приложение — и let — суффикс: ≈ программный компонент) HyperGraph [14] — загружается браузером клиента и осуществляет визуализацию структуры портала в виде графа в гиперболическом пространстве [15]. Данный апплет поддерживает отображение надписей и изображений в узлах графа, а также встраивание в них
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
10 Д. И. Муромцев, В. А. Горовой, А. Н. Злобин и др. гиперссылок. Таким образом, он полностью обеспечивает возможность интерактивной навигации по структуре портала. Всевозможные настройки внешнего вида портала (цвета, шрифты и т.п.) также поддерживаются этим модулем. Вторая часть модуля визуализации — собственно модуль приложения — позволяет выполнять трансляцию онтологических описаний в формат данных, совместимый с представлением в виде графа.
Модуль „декорирования“ контента представляет собой набор динамических страниц (JSP), объединяющих следующие элементы отображения: меню навигации, область отображения Wiki-контента, описание структуры онтологии, описание отдельных концептов, результаты поисковых запросов, сформированных по имени концепта. С использованием результатов анализа онтологии и сформированной структуры портала модуль „декорирования“ поддерживает пользовательскую сессию посредством запоминания текущей онтологии, выбранного концепта и режима отображения. На основе этих данных отображается общая структура онтологии, статья о выбранном концепте, его формальное описание, результаты поиска по соответствующему запросу в Интернете.
Интерфейс пользователя. Пример интерфейса пользователя системы “OntolingeWiki” приведен на рис. 3.
Рис. 3
Для организации данных портала используется блочная верстка. В верхнем блоке отображены средства визуализации структуры портала. Первое средство — это граф концептов, отображающий отношения наследования между классами и отношения принадлежности между классами и индивидами. Узлы графа являются ссылками на соответствующие Wiki-страницы (открываются также внутри портала). Второе средство — это „облако“ типов связей. Входящие в него элементы являются ссылками на страницы с формальным описанием типа связи.
В блоке, расположенном справа, находится меню портала. В нем содержатся основные команды навигации (перейти к главной странице раздела, перейти к описанию онтологии, сменить раздел, перейти к разделу помощи) и команды управления режимом просмотра (показывать только граф, показывать только статью).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
Архитектура системы управления знаниями на основе Wiki-технологии
11
В основном блоке в зависимости от режима просмотра могут быть отображены: общие сведения о разделе, описание онтологии или описание конкретного концепта. Описание концепта может быть осуществлено в нескольких режимах:
— формальное описание — в этом режиме отображается информация из онтологии: имя, связи и т.д.;
— Wiki-статья — в этом режиме отображается соответствующая Wiki-страница; — результаты поиска — здесь отображаются результаты тематического поиска по заранее подготовленному списку источников информации (используется Google Custom Search [16]).
Заключение. Возможность доступа к „машиночитаемым“ структурированным данным для всех желающих, обозначившаяся в форме движения Linking Open Data, демонстрирует важность и актуальность интеграции разнородных источников информации в единое семантическое пространство — базу знаний или корпоративную память. Очевидно, что подобное объединение информационных ресурсов позволит поднять многие проекты на качественно новый уровень за счет использования различных источников данных и знаний. Однако для работы в этом новом информационном пространстве требуется построение специализированных систем управления знаниями аналогично тому, как в свое время системы управления данными позволили совершить качественный скачок в работе с базами данных.
Рассмотренные в настоящей статье архитектура и ключевые концепции построения систем управления корпоративными знаниями на базе онтологического моделирования и технологии Wiki были успешно применены на практике при создании прототипа интегрированной среды накопления знаний “OntolingeWiki”. Показано, что успеха при разработке подобного класса систем можно добиться за счет объединения методов и средств формального управления знаниями, включая онтологический инжиниринг, и неформального подхода к структурированию контента, например, на основе открытого Wiki-портала. Система “OntolingeWiki” была успешно реализована и опробована при разработке справочно-обучающего портала по оптике для музея оптических технологий СПбГУ ИТМО [17].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаврилова Т. А., Муромцев Д. И. Интеллектуальные технологии в менеджменте. СПб: Изд-во ВШМ СПбГУ, 2007.
2. Гаврилова Т. А., Горовой В. А., Злобин А. Н. и др. Интеграция Wiki-технологии и онтологического моделирования в задаче управления знаниями предприятия // Тр. 11-й Нац. конф. по искусственному интеллекту „КИИ-2008“. Дубна, 2008. Т. 2. С. 360—368.
3. Gruber T. R. A translation approach to portable ontologies // Knowledge Acquisition. 1993. N 5 (2). Р. 199—220.
4. Guarino N., Giaretta P. Ontologies and Knowledge Bases: Towards a Terminological Clarification. Towards Very Large Knowledge Bases: Knowledge Building & Knowledge Sharing. 1995. IOS Press: 25—32 [Электронный ресурс]: .
5. The Wiki Principle. The Economist, 2006 [Электронный ресурс, англ.]: .
6. Linking Open Data, 2008 [Электронный ресурс, англ.]: .
7. Горовой В. А., Муромцев Д. И. Реализация технологии активного обучения на базе онтологического моделирования // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2009. № 2(60). С. 107—114.
8. RUP Glossary 7.2.0. IBM Rational Corp., 2010 [Электронный ресурс, англ.]: .
9. OWL — Web Ontology Language. Overview, 2004 [Электронный ресурс, англ.]: .
10. DokuWiki, 2010 [Электронный ресурс, англ.]: .
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1
12 С. В. Кулешов
11. Рrotégé , 2009 [Электронный ресурс, англ.]: .
12. Java EE Web Application Technologies, 2010 [Электронный ресурс, англ.]: .
13. Jena – A Semantic Web Framework for Java, 2010 [Электронный ресурс, англ.]: .
14. The HyperGraph Homepage, 2003 [Электронный ресурс, англ.]: .
15. Munzner T. 3D Hyperbolic Quasi-Hierarchical Graphs., 2003 [Электронный ресурс, англ.]: .
16. Система пользовательского поиска, 2010 [Электронный ресурс]: .
17. Муромцев Д. И., Баландин Е. А., Катков Ю. В., Починок И. Н. Опыт использования онтологий верхнего уровня при проектировании базы знаний музея оптических технологий // Материалы Всерос. конф. „Знания— Онтологии — Теории“ (ЗОНТ-09). Новосибирск, 2009. Т. 1. С. 165—172.
Сведения об авторах
Дмитрий Ильич Муромцев
— канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный универ-
ситет информационных технологий, механики и оптики, кафедра проек-
тирования компьютерных систем; E-mail: mouromtsev@mail.ifmo.ru
Владимир Андреевич Горовой — Высшая школа менеджмента Санкт-Петербургского государственного
университета, кафедра информационных технологий в менеджменте;
ассистент; E-mail: a.malinin@gmail.com
Алексей Николаевич Злобин — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информа-
ционных технологий, механики и оптики, кафедра проектирования ком-
пьютерных систем; E-mail: alexey.zlobin@gmail.com
Юрий Валериевич Катков
— аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информа-
ционных технологий, механики и оптики, кафедра проектирования ком-
пьютерных систем; E-mail: ganqturgon@gmail.com
Ирина Николаевна Починок — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информа-
ционных технологий, механики и оптики, кафедра проектирования ком-
пьютерных систем; E-mail: i.pochinok@gmail.com
Рекомендована кафедрой проектирования компьютерных систем СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 08.02.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 1