Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Задачи управления контентом и информационной адаптации в порталах 12
1.1 Определение портала 12
1.2 Задачи портала и его функции 13
1.3 Классификация порталов 16
1.4 Задача управления контентом 18
1.5 Задача адаптации контента 22
1.6 Определение способа описания семантики контента и модели пользователя 23
1.6.1 Онтологии 23
1.6.2 Языки представления знаний 24
1.6.3 Дескриптивные логики 27
1.6.3.1 Описание атрибутивного языка 30
1.6.4 Технология Semantic Web 32
1.6.4.1 Стандарты RDF и RDFS 34
1.6.4.2 Стандарт OWL 34
Выводы по главе 41
Глава 2. Формирование модели онтологии портала 43
2.1 Методологии разработки порталов 43
2.1.1 OOHDM 43
2.1.2 WSDM 45
2.1.3 WebML 47
2.1.4 Onto Webber 49
2.1.5 SHDM 51
2.1.6 Onto Weaver 52
2.1.7 SEAL 53
2.2 Сравнительный анализ подходов к проектированию сайтов 54
2.3 Базовые варианты использования портала 57
2.3.1 Получение контента 59
2.3.2 Публикация контента 60
2.3.3 Создание ресурса 61
2.3.4 Утверждение контента 61
2.3.5 Публикация ресурса 62
2.3.6 Назначение прав доступа к ресурсу 62
2.4 Базовая онтология портала 63
2.4.1 Онтология пользователя 64
2.4.2 Онтология аппаратных и программных возможностей пользователя 66
2.4.3 Онтология элементов управления 70
2.4.4 Модель контента 71
Выводы по главе 74
Глава 3. Разработка алгоритмов формирования представления портала ...76
3.1 Проблема автоматического размещения элементов в различных областях 76
3.2 Компоновка элементов пользовательского интерфейса 78
3.2.1 Простейшие подходы к автоматизации размещения 78
3.2.2 Методы на основе программирования в ограничениях 80
3.2.3 Адаптивные модульные сетки 84
3.2.4 Обсуждение рассмотренных подходов 85
3.2.5 Задачи раскроя и упаковки 87
3.2.6 Модели задач упаковки 87
3.2.6.1 Модели линейного программирования 87
3.2.6.2 Модели целочисленного линейного программирования 90
3.2.6.3 Эвристики для решения задачи упаковки 92
3.3 Основные принципы дизайна и эстетические параметры размещения 93
3.3.1 Законы композиции 93
3.3.2 Принципы гештальтпсихологии в дизайне 96
3.4 Формирование системы ограничений на взаимное расположение элементов по модели контента 98
3.4.1 Отношения между элементами страницы 98
3.4.1.1 Пространственные отношения 99
3.4.1.2 Отношения порядка 101
3.4.2 Отношения - критерии оценки качества композиции 102
3.4.3 Отображение между отношениями дизайна отношениями предметной области 105
3.5 Визуализация помеченных графов 107
Выводы по главе 112
Глава 4. Апробация предложенных методов 114
4.1 Пример применения онтологии в портале 114
4.2 Применимость эвристики BF(D) для решения задач раскроя и упаковки в порталах 118
4.3 Дополнительные ограничения на размеры текстовых блоков 121
Выводы по главе 125
Заключение 126
Библиография
- Определение способа описания семантики контента и модели пользователя
- Сравнительный анализ подходов к проектированию сайтов
- Компоновка элементов пользовательского интерфейса
- Применимость эвристики BF(D) для решения задач раскроя и упаковки в порталах
Введение к работе
Актуальность темы
Одним из существенных факторов, влияющих на современное общество можно назвать информационные технологии. «Всемирная паутина» - World Wide Web получила широчайшее распространение и стала основным источником оперативной и достоверной информации для миллионов людей. В Российской Федерации активно развиваются некоммерческие научно-образовательные сети, такие как RUNNet, RBnet, FREEnet, RELARN-IP, RUHEP-Radio-MSU, РОСКОН и др. В них накапливаются большие объёмы информации, организуются порталы. Тихонов А.Н. и Иванников А.Д. в [1,2] дают следующее определение портала: «Портал - это сетевой узел или комплекс узлов, подключенных к Интернету по высокоскоростным каналам, обладающий развитым пользовательским интерфейсом и предоставляющий единый с концептуальной и содержательной точки зрения доступ к широкому спектру информационных ресурсов и услуг, ориентированных на определённую аудиторию». Наиболее часто встречаются корпоративные порталы, основной задачей которых является предоставление лёгкого способа публикации информации и организации доступа к ней. Управление накопленной информацией и обеспечение доступа к ней представляют существенные трудности.
Типичным подходом для организации доступа к информационным массивам является создание поисковых сервисов. Однако такой подход недостаточно эффективен и требует от пользователя серьёзных временным затрат для получения действительно необходимой информации [3, 104]. В качестве средств повышения эффективности поиска информации в порталах некоторые исследователи предложили использовать онтологии [4,5,6]. С точки зрения искусственного интеллекта онтология - это формально представленные на базе концептуализации знания [7,8]. Концептуализация предполагает описание множества объектов и понятий (концептов), знаний о них и связей между ними. Активную работу в этом направлении ведут Ю.А. Загорулько (Российский НИИ Искусственного Интеллекта), О.И. Боровикова (Институт систем информатики СО РАН), И.А. Васильев (Томский политехнический университет) и другие специалисты.
Проблема состоит в том, что при плохой структуре сайта не помогают даже очень развитые поисковые системы [3]. Для повышения эффективности порталов необходимо иметь возможность автоматизированного создания и поддержания чёткой информационной и навигационной структуры сайтов. Эти структуры определяют способ упорядочения информации в портале. Традиционные методы разработки и сопровождения сайтов требуют от их владельцев серьёзных затрат при внесении изменений в эти структуры.
Сам процесс создания сайтов и порталов является достаточно трудоёмким. Зарубежные исследователи попытались применить онтологии в процессе разработки сайтов [9-13]. Предложенные ими подходы базируются на онтологии предметной области, под которую создаётся сайт. В ходе разработки происходит создание ряда моделей, учитывающих отношения в предметной области, с последующим их преобразованием в конкретную структуру сайта. Существенным недостатком такого подхода является необходимость повторной разработки сайта при изменении старой или добавлении новой предметной области. Это неприемлемо в порталах, поскольку они ориентированы на широкую аудиторию и в ходе работы пользователи должны иметь возможность изменять и добавлять новые предметные области, тем самым расширяя портал.
Порталы и сайты предназначены для удовлетворения потребностей широкого круга лиц. Естественно, что в такой ситуации для доступа к информации используется большое количество устройств, обладающих различными техническими характеристиками. Дополнительные проблемы возникают за счёт повсеместного внедрения новых мобильных устройств, имеющих возможности для работы с сетью Internet. Перед разработчиками сайтов встаёт непростая задача угодить всем пользователям. В настоящее время эта задача решается только путём ориентации на некоторого обобщённого пользователя. Дизайн сайта разрабатывается с учетом наиболее распространённого разрешения экрана устройства отображения. Однако размер экрана - это лишь часть проблемы. Скорость доступа, формат представления контента, соотношение графики и текста на странице также следует учитывать. Современные методы адаптации контента не позволяют учитывать эти параметры. Это обусловливает необходимость разработки методов автоматического формирования представления порталов с учетом эстетических ограничений на взаимное расположение элементов на странице и модели, определяющей предпочтения и технические возможности пользователя.
Обеспечение доступа к большим объёмам информации требует наличия эффективных средств фильтрации информации. Пользователь должен получать лишь тот контент, который его действительно интересует. Для этого требуется разработать способ описания модели пользователя, по которой можно осуществлять фильтрацию контента.
Актуальность проблемы заключается в необходимости автоматизации процессов создания и сопровождения порталов, организации их навигационной структуры, обеспечении адаптации представления портала с учётом потребностей пользователя.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка методов использования онтологических моделей при автоматизированном проектировании корпоративных порталов для повышения их эффективности, обеспечения автоматического формирования представления порталов с учётом семантических моделей пользователя.
Задачи исследования
Провести анализ существующих методов проектирования порталов.
Разработать способы применения онтологических моделей в корпоративных порталах.
Разработать онтологическую модель пользователя, отражающую его предпочтения и технические возможности.
Создать онтологическую модель контента, отражающую его структуру.
Разработать способы формирования представления портала на основе онтологических моделей контента и пользователя.
Разработать программные продукты для автоматизированного проектирования корпоративных порталов на основе онтологических моделей.
Методы исследования
В работе использовались дескриптивная логика, методологии объектно-ориентированного анализа и моделирования информационных систем, онтологический анализ.
На защиту выносятся
Способ применения онтологических моделей при автоматизированном проектировании корпоративных порталов.
Онтологическая модель контента, отражающая его структуру.
Онтологическая модель пользователя, отражающая его предпочтения и технические возможности.
Онтологическая модель элементов управления портала.
Способ построения представления портала с учётом онтологических моделей контента и пользователя.
Результаты апробации предложенных подходов.
Научная новизна
Разработаны онтологические модели пользователя, контента, элементов управления, характеризующие основные аспекты работы корпоративных порталов.
Предложен способ описания отображения концептуальных отношений на отношения между элементами представления портала.
Предложен способ применения разработанных онтологических моделей для автоматизации построения представления портала, упрощения процесса публикации контента, обеспечения актуализации контента корпоративных порталов.
Практическая ценность работы
Разработанные онтологические модели позволяют интегрировать
знания о пользователе, структуре контента и способах его представления.
Предложенный способ применения онтологических моделей в портале позволяет автоматизировать построение представления портала с учетом моделей пользователя и контента, снизить затраты на сопровождение корпоративных порталов, упростить процесс публикации и обеспечить актуализацию контента корпоративных порталов.
Основные результаты работы внедрены в виде информационного, алгоритмического и программного обеспечения в Рязанском областном институте развития образования (портал сферы общего образования Рязанской области www, shkol a-rvazan. ru ) и в администрации Спасского муниципального района Рязанской области (официальный портал Спасского муниципального района http://spasskadm.rinfotels.ruy
Апробация результатов диссертации
Результаты работы докладывались и обсуждались на
• 12-й международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 2004;
• 9-й всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании», Рязань, 2004;
• международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Аланья, Турция, 2004;
• 2-й международной научно-практической конференции «Документознавство. Бібліотекознавство. Інформаційна деятельность: проблеми науки, освіти, практики», Киев, 2005;
• 14-й международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 2005;
• 10-й всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании», Рязань, 2005;
• 11-й всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании», Рязань, 2006.
На Всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению развития науки и техники "информационно-телекоммуникационные системы", проводившемся ГНИЙ ИТТ "Информика" в 2005 году, работа удостоена диплома III степени.
От губернатора Рязанской области Г.И. Шпака в 2007 году получено Благодарственное письмо за «разработку и внедрение современных информационных технологий в сфере регионального управления».
Результаты работы использовались при выполнении ряда НИР: «Разработка технических решений и методологии организации сетевого взаимодействия ИАИС с образовательными учреждениями на региональном уровне». (Рязань, 2003); «Разработка портала сферы общего образования Рязанской области» (Рязань, 2004); «Разработка инвестиционного атласа Рязанской области» (Рязань, 2004); «Создание . типового Internet-портала муниципального образования Рязанской области» (Рязань, 2005).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах [112-126], в том числе одна [122] в рецензируемом журнале ВАК.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 128 наименований, 2-х приложений.
Определение способа описания семантики контента и модели пользователя
В современных интеллектуальных системах активно применяется онтологический подход к описанию знаний. Онтология - термин, определяющий учение о бытии, о сущем. С точки зрения искусственного интеллекта онтология - это формально представленные на базе концептуализации знания. Концептуализация предполагает описание множества объектов и понятий (концептов), знаний о них и связей между ними [9-13, 18-20].
Онтологией называется явная спецификация концептуализации. Онтология включает словарь терминов, организованных в таксономию, их определения и атрибуты, а также связанные с ними аксиомы и правила вывода [7,8].
Для описания онтологии можно применять различные языки. Кратко рассмотрим способы представления знаний и современные языки описания онтологии.
Знания - это система представлений о предметной области в виде сущностей, т.е. вещей, явлений, процессов и их проявлений в форме фактов и их отношений или объектов и их связей [21-24, 97]. В отличии от данных знания имеют специфическую структуру и ряд свойств: интерпретируемость; наличие классифицирующих отношений; наличие ситуативных связей.
Модель знаний является представлением системы знаний с помощью определённого формализма. Выделяют реляционные, объектные, ассоциативные модели знаний.
Реляционная модель знаний. В основе этой модели лежат теории отношений и логика. В настоящее время в интеллектуальных системах используются предикатная, продукционная и лингвистическая формы реляционной модели знаний.
Объектная модель знаний. В основе данной модели лежат теории семантических и фреймовых сетей. Эта модель включает следующие компоненты: множество классов (концептов), множество экземпляров (индивидуалов), структура классов и объектов, определяющая конкретные связи между ними, правила преобразования объектов и вывода на сети объектов.
При построении интеллектуальных систем используются семантическая, фреймовая и универсальная формы объектной модели знаний.
Семантические сети применяются для отображения системы понятий в проблемной области и вывода в этой системе. Семантическая сеть представляет знания в виде графа, узлы которого соответствуют фактам или понятиям, а дуги - отношениям между понятиями. Узлы и дуги имеют метки.
Вывод на семантической сети производится путём отслеживания связей между понятиями.
Фреймовая форма применяется для построения больших иерархических систем знаний при обработке изображений, речевых образов, процессов управления, диагносцирования и т.д. Фреймовая форма представления ориентирована на включение в строго организованные структуры данных неявных информационных связей, существующих в предметной области. Ячейки фрейма содержат: 1. Данные для идентификации фрейма. 2. Взаимосвязь этого фрейма с другими фреймами. 3. Дескрипторы требований для фрейма. 4. Процедурная информация об использовании фрейма. 5. Информация по умолчанию. 6. Информация для нового экземпляра.
Фреймы дают более ясное представление знаний, чем сетевое описание. Важными особенностями фреймов являются возможность организации иерархии знаний, возможность использования процедурных вложений, значений по умолчанию.
Сравнительный анализ подходов к проектированию сайтов
Методы проектирования информационных систем на основе моделей (MDD Model Driven Development) являются интересным направлением исследований, в которых задействовано большое число экспертов и организаций. Наиболее полно проработан вопрос проектирования архитектуры приложений на основе модели (MDA Driven Architecture). Имеются примеры успешного применения MDD для создания сайтов. Так WebML успешно использован Microsoft, Cisco Systems, Acer Europe в ряде проектов; на основе SEAL создан портал AIFB (Университет Карлсруе), OntoWebber применялся при реализации Semantic Web community portal, OntoWeaver использовался при создании Kmi (Knowledge Media Institute Portal) Web Portal.
Для определения дальнейшего направления наших исследований необходимо выявить сильные и слабые стороны описанных подходов к проектированию порталов.
В качестве критериев для сравнения будем использовать: степень автоматизации - позволяет ли метод автоматизировать процесс генерации сайта по моделям; технология создания представления сайта - имеются ли средства автоматизации построения представления с учетом ограничений (например, модели пользователя); возможности персонализации - позволяет ли подход определять механизмы адаптации в приложении; поддержка задач управления контентом.
Практически все перечисленные подходы имеют CASE-средства, позволяющие частично автоматизировать процесс создания сайта. Как правило, эти средства позволяют осуществлять преобразование различных моделей друг в друга, что облегчает проведение процесса разработки.
С точки зрения технологии создания представления портала практически все методологии приводят к необходимости разработки набора шаблонов представления, что резко снижает возможности персонализации. Фактически, персонализация сводится к перечислению объектов, которые должен получить пользователь.
Вопросы взаимодействия с пользователем, важные с точки зрения задач управления контентом, лишь частично затрагиваются в WebML. Все методологии не поддерживают эффективных средств модификации портала при изменении модели предметной области, появления новых пользователей или их групп. Изменения в структуре предметной области, как и в традиционных методах разработки сайтов, приводят к необходимости полного перестроения сайта (фактически повторной разработке). Методологии не рассматривают возможности развития сайтов без участия разработчиков. Некоторые подходы предусматривают лишь возможность пополнения контента сайта в рамках того, что задумано разработчиком.
Персонализация задаётся жестко разработчиком, а не самим пользователем, что неприемлемо, особенно для порталов с широкой аудиторией. Рассмотренные методологии обходят вопрос проектирования порталов, контент которых касается разных предметных областей.
Необходимо отметить, что методологии, опирающиеся на онтологии, имеют преимущества над не семантическими подходами. В первую очередь, применение онтологии позволяет осуществить интеграцию данных из различных источников, что традиционными средствами сделать практически невозможно. Онтологии позволяют осуществлять верификацию результатов проектирования.
Можно отметить, что все методологии ориентированы преимущественно на разработчиков сайтов и порталов. Эти подходы практически не касаются вопросов управления контентом и динамического построения представления портала. Построение модели предметной области сайта на первоначальном этапе разработки следует традициям разработки приложений, но не в полной мере отвечает задачам управления контентом портала. Это обусловлено наличием широкого круга вопросов, освещаемых порталом. Каждый из них может иметь свою предметную область. В рассмотренных методологиях на каждую предметную область необходимо производить разработку сайта.
Компоновка элементов пользовательского интерфейса
Рисунок 2.3 Базовая онтология портала Портал может содержать различные типы информационных ресурсов, описание которых заранее не известно. Поэтому в базовую онтологию мы включаем лишь самые необходимые свойства обеспечивающие выполнение следующих требований: объекты должны быть различимы; к объектам необходим доступ, т.е. требуется знать, где они расположены физически; должен быть механизм добавления произвольных метаданных об объекте; « необходимо иметь возможность описания владельца объекта Исходя из этого введём следующее описание объекта портала: PortalObject С 3 hasMetadata, Metadata П 3hasOwner.ТПЗ URLanyURlH 3URL.anyURI Класс Metadata является базовым классом для всех метаданных, которые могут быть введены пользователем портала.
Различимость объектов определяется наличием уникального идентификатора URI. Физическое расположение объекта определяется его URL. Предложенная нами базовая онтология портала приведена на рисунке 2.3
Онтология пользователя
Общая структура предложенной нами модели пользователя приведена на рисунке 2.4
Пользователь (User) - понятие, включающее всех агентов (людей и программ), имеющих доступ к порталу. С точки зрения обеспечения возможности адаптации портала под конкретного пользователя необходимо наличие профилей этого пользователя. В профилях хранится описание пользователя с различных сторон (интересы, уровень образования, возможности его программного и аппаратного обеспечения и др.). Из описания пользователя нельзя исключить также его возможности по работе с порталом - его роль. Это приводит к следующему описанию.
Внутренний пользователь (IntertalUser) - пользователь, имеющий регистрацию на портале. Поскольку полномочия внешних и внутренних пользователи различны, то для отнесения пользователя к определённому классу используется его Роль. Для внутренних пользователей назначаются роли, отличные от GuestRole. Пользователь, которому назначена GuestRole автоматически попадает в класс внешних пользователей.
InternalUser— ІІзегПІБ hasRole.(-i GuestRole)) Внешний пользователь (ExternalUser) - пользователь, не имеющий регистрации на портале. Внешний пользователь может иметь единственную роль - GuestRole. ExternalUser= User \l\3hasRole. \GuestRole\\ Роль (Role) - набор прав пользователя в портале. RoleQT Role С v has A ction. Action П 5 has A ction Профиль (Profile) - информация о различных аспектах пользователя Profile ЦТ
Для адаптации под конкретного пользователя необходимо иметь информацию о его программном и аппаратном обеспечении. Поэтому мы вводим следующие профили.
Профиль программного обеспечения (SWProfile) - информация о программном обеспечении, используемом пользователем.
SWProfile=Profile П V hasSWDevice.SWDevicenBhasSWDevice Профиль аппаратного обеспечения (HWPofile) - информация об аппаратном обеспечении пользователя HWProfile=ProfileП зhasHWDevice.HWDevicej В профилях программного и аппаратного обеспечения имеется информация о соответствующих устройствах. Модели этих устройств приводятся в п. 2.4.2. Профиль интересов (InterestProfile) - информация об интересах пользователя. InterestProfile=Profile П 3 has Topic. Т Отношение hasTopic не ограничено, поскольку пользователь может выбирать любые концепты из онтологии предметной области. Профиль личной информации - личные данные пользователя. PersonalProfile С Profile П 3 hasPersonlnfo.Personlnfo Профиль образования - уровень образования пользователя. EduProfile С Profile П 3 hasEduLevel.EduLevel При необходимости моделирования дополнительных аспектов пользователя модель легко расширяется путём создания подклассов класса Profile.
Применимость эвристики BF(D) для решения задач раскроя и упаковки в порталах
Традиционные методы решения задачи раскроя и упаковки стремятся минимизировать пустое пространство и считаются практически непригодными [90] для получения приемлемого варианта интерфейса пользователя. Действительно, при послойной упаковке получаются размещения, похожие на изображённые на рисунке 4.2. Пример стандартной послойной упаковки блоков С точки зрения дизайна такие изображения неприемлемы.
Необходимо обеспечить получение достаточного свободного пространства и расположить элементы в слое с учетом баланса композиции. Для определения положения очередного блока в слое применим известное правило рычага (рисунок 4.3). Левое плечо рычага определяется по формуле: W 1 / =хс +х +— 1 1 1 /г / _ где , - левое плечо рычага, хс« - координаты центра блока, х. смещение относительно края последнего блока, w-, - ширина блока. Правое плечо рычага: т т где mi т2 "вес блока Местоположение блока определяется: W х =1 -— 2 2 2 Визуальный вес объекта і определяется как: 1 і і і і где - визуальный вес, w. - ширина объекта, - - высота 1 % % объекта, - цвет объекта.
Определение веса цвета - сложный вопрос. В работе [85] всем цветам от белого до чёрного назначается вес в интервале [0,1] при этом не уточняется способ такого назначения. Для изображений, имеющих 256 градаций серого назначить веса несложно, но с полноцветными материалами дело обстоит иначе.
Для определения веса цвета можно использовать различные подходы. Консорциум WWW для вычисления контраста между цветами предлагает следующую формулу: (max{R ,R )-min(R ,R ))+ X. i A. tU Л = + 0-(max(Gi,G2)-min(Gi,G2)) [max(B B -mi B ,B 2)) Если Q считается, что контраст достаточен для просмотра. Для определения веса цвета мы использовали евклидову метрику в пространстве HSB.
Из рисунков 4.3 и 4.5 видно, что применение евклидовой метрики в пространстве HSB приводит к упорядочению цветов по радуге, это обеспечивает более лёгкое цветовое восприятие композиции.
Дополнительные ограничения на размеры текстовых блоков В работе [17] отмечено, что восприятие информации ухудшается при слишком малых или слишком больших размерах текстовых блоков. Следовательно, необходимо автоматически вводить ограничения на их размеры. Существующие технологии плавающего дизайна не позволяют эффективно решать эту задачу.
Дизайнеры расходятся во взглядах на оптимальное количество символов в текстовом блоке, но часто встречается цифра 55 символов. Из криптографии известно, что средняя длина слова в русском языке составляет 5,28 букв, а средняя длина предложения - 10 слов [89].
Тогда размер блока можно определить следующим образом. Задаётся количество слов в строке k-го блока WP K Определяется количество символов в строке k-го блока: cpl =wpl awl+{wpl -1) к к к где awl - средняя длина слова в русском языке = 5,28 Ширина k-го блока при этом вычисляется исходя из средней ширины символа. Средняя ширина символа зависит от кегля и начертания: w =cpl ws к ґ к Высоту блока находим, исходя из золотого сечения: W к h=— к Т Определяем количество строк в блоке: h . к. lines =1—J hi Находим количество символов, которое можно в нём разместить: п = lines cpl к к к Рассмотрим реальный пример. Зададим количество слов в строке от 5 до 10, определим размеры текстовых блоков и количество символов в них.
