Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ проблем онтологического инжиниринга. постановка задачи исследования 12
1.1. Обзор задач управления знаниями организаций и предприятий 12
1.2. Анализ направлений развития и основных проблем онтологического инжиниринга 13
1.3. Обзор существующих методов и подходов к построению онтологий 18
1.4. Обзор и анализ системно-объектного УФО-подхода и результатов УФО-моделирования 30
1.5. Постановка задачи построения онтологий предметных областей на основе результатов визуального компьютерного моделирования 36
1.6. Выводы по главе 37
ГЛАВА 2. Исследование и адаптация концептуальных и формальных средств системно-объектного подхода для решения задач онтологического инжиниринга 38
2.1. Исследование и систематизация сведений о предметной области, содержащихся в визуальных графоаналитических моделях, представляемых с помощью УФО-подхода 38
2.2. Исследование взаимосвязи системно-объектных УФО-моделей и формализованных средств записи онтологий 41
2.3. Исследование и адаптация средств алгебраического описания УФО-моделей для их использования при преобразовании УФО-моделей в конструкции языков формального представления онтологий 47
2.4. Разработка метода описания УФО-модели на формализованном языке записи онтологии 59
2.5. Выводы по главе 77
ГЛАВА 3. Разработка средств построения онтологии на основе системно-объектного подхода 79
3.1. Разработка метода построения онтологии с использованием визуальной графоаналитической системно-объектной УФО-модели 79
3.2. Особенности валидации онтологии, построенной на основе графоаналитической УФО-модели 85
3.3. Разработка метода логического вывода на визуальных графоаналитических УФО-моделях за счет их интеграции с формальными средствами записи онтологии 91
3.4. Исследование применимости существующих средств и инструментов для осуществления логического вывода на визуальных графоаналитических УФО-моделях 96
3.5. Выводы по главе 101
ГЛАВА 4. Разработка и апробация алгоритмического и программного обеспечения для построения онтологии на основе УФО-модели и осуществления логического вывода на уфо-моделях 103
4.1. Разработка алгоритма описания УФО-модели на формализованном языке записи онтологии 103
4.2. Решение задач логического вывода на визуальных графоаналитических УФО-моделях за счет их интеграции с формальными средствами записи онтологии 116
4.3. Разработка исследовательского прототипа программного пакета автоматизированного построения онтологий на основе УФО-моделей предметной области 119
4.4. Апробация предложенной технологии автоматизированного построения онтологий 125
4.5. Выводы по главе 131
Заключение 133
Список использованных источников 135
- Обзор существующих методов и подходов к построению онтологий
- Исследование взаимосвязи системно-объектных УФО-моделей и формализованных средств записи онтологий
- Особенности валидации онтологии, построенной на основе графоаналитической УФО-модели
- Разработка исследовательского прототипа программного пакета автоматизированного построения онтологий на основе УФО-моделей предметной области
Введение к работе
Актуальность темы. Среди объектов современной физики конденсированного состояния особое место занимают соединения и материалы, получившие название мультиферроики, в которых осуществляется, как минимум, два из трёх возможных типов упорядочения: электрического, магнитного и механического [1]. Сосуществование различных фаз в них, как правило, сопровождается взаимодействием этих параметров [2]. Большую долю мультиферроиков составляют двойные оксиды со структурой перовскита [3] и тройные, описываемые общей формулой A2B'B''O6 [4]. В таких соединениях важную роль играют не только атомы, находящиеся в позициях A, B' и B'', но и атомное упорядочение в подрешётке B. Среди таких перовскитов существуют соединения, как склонные к атомному упорядочению [5], так и те, в которых атомное упорядочение невозможно [6]. Некоторые тройные оксиды со структурой перовскита удаётся получить упорядоченными при особых условиях, например, посредством синтеза при высоком давлении [7].
В случае наличия магнитного иона в подрешётке B тройного оксида температура магнитного фазового перехода может зависеть от степени атомного упорядочения в ней, определяющей количество обменных связей Fe-O-Fe [8]. Более того, в ряде таких соединений степень атомного порядка влияет на род фазового перехода и сочетание магнитных, сегнетоэлектрических и релаксорных свойств [5]. Метод мёссбауэровской спектроскопии очень чувствителен к локальному окружению зондовых атомов и поэтому позволяет наиболее точно определить степень атомного упорядочения в структуре даже сложных соединений, а, следовательно, и его влияние на природу и температуру магнитного фазового перехода. Тем не менее, и здесь имеется ряд проблем, связанных со сложным составом тройных перовскитов и твёрдых растворов на их основе.
В составах тройных оксидов A2B'B''O6 со структурой перовскита содержание атомов железа на позиции B' не велико, в то время как позицию A
могут занимать тяжёлые металлы, например, Ва или Pb, которые, поглощая резонансное -излучение, приводят к значительному уменьшению наблюдаемых величин резонансного поглощения -квантов и, как следствие, увеличению времени измерений для получения необходимой точности определения параметров мёссбауэровских спектров. Кроме того, значительное взаимное наложение резонансных линий поглощения в них тоже существенно затрудняет их интерпретацию. Разрешающая способность оказывается критическим параметром, определяющим возможность корректной расшифровки многокомпонентных мёссбауэровских спектров таких сложных объектов, как тройные Fe-содержащие перовскиты.
Одним из путей решения перечисленных проблем для таких объектов является применение резонансного метода детектирования -квантов, позволяющего увеличить наблюдаемую величину резонансного поглощения, уменьшить ширину линии поглощения, и, тем самым, значительно повысить производительность и точность измерений. Тема диссертации, посвященной определению локального окружения ионов железа в решётке тройных оксидов AB'B''O3 (А = Сa, Sr, Ba и Pb; B' = Fe и B'' = Nb и Sb) со структурой перовскита и его влияния на магнитные и сегнетоэлектрические свойства с применением резонансного метода детектирования в мёссбауэровской спектроскопии, является актуальной.
Цель работы: определить степень упорядочения и неэквивалентные позиции атомов железа в решётке и их влияние на микроструктуру, магнитные и сегнетоэлектрические свойства, характер магнитных фазовых переходов в тройных оксидах A2FeB''O6 со структурой перовскита, повысив энергетическое разрешение, производительность и точность трансмиссионных мёссбауэровских измерений.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Повысить энергетическое разрешение и точность трансмиссионных
мёссбауэровских измерений путем дальнейшего развития резонансного
метода детектирования -квантов.
2. Выявить аномалии температурных зависимостей квадрупольного
расщепления и величины резонансного поглощения в соединении Pb2FeNbO6
в диапазоне температур T = 300…700 К.
3. Определить локальное окружение ионов железа в составах Ca2FeNbO6,
Sr2FeNbO6, Ba2FeNbO6 и Pb2FeNbO6.
-
Определить степень атомного упорядочения и её влияние на температуры магнитных и сегнетоэлектрических фазовых переходов в твердых растворах системы (1-x)Pb2FeNbO6-xPb2FeSbO6.
-
Установить степень атомного упорядочения и её влияние на температуры магнитного и сегнетоэлектрического фазовых переходов в Pb2FeNbO6, синтезированном с применением механоактивации и дальнейшим отжигом при Т = 673…1373 К.
Объекты исследования: керамические образцы Pb2FeNbO3, в том числе обогащенные 57Fe до 15%; Ca2FeNbO6; Sr2FeNbO6 и Ba2FeNbO6; твёрдых растворов (1-x)Pb2FeNbO3-xPb2FeSbO3 в концентрационном диапазоне x = 0...1 с шагом 0,1 и механоактивированного Pb2FeNbO6.
Научная новизна. Впервые
достоверно обнаружено уменьшение вероятности резонансного поглощения -квантов ядрами 57Fe в Pb2FeNbO6, обусловленное смягчением одной из оптической мод в окрестности сегнетоэлектрического фазового перехода;
достоверно определено изменение квадрупольного расщепления вблизи сегнетоэлектрического фазового перехода в Pb2FeNbO6, а также обнаружена аномалия температурной зависимости квадрупольного расщепления в Pb2FeNbO6 в области Т 673 К, обусловленная образованием разупорядоченных наноразмерных полярных доменов;
показана сложная структура мёссбауэровских спектров Ca2FeNbO6, Sr2FeNbO6, Ba2FeNbO6 и Pb2FeNbO6 в парамагнитном состоянии, соответствующая различным конфигурациям соседних позиций атомов B;
доказана возможность оценить степень упорядочения ионов B' и B'' в перовскитах A2B'B''O6 по мёссбауэровским спектрам на примере серии тройных перовскитов Ca2FeNbO6, Sr2FeNbO6, Ba2FeNbO6, Pb2FeNbO6 и твердых растворов системы (1-x)Pb2FeNbO6 - xPb2FeSbO6;
выявлено влияние атомного порядка в твёрдых растворах системы (1-x)Pb2FeNbO6 - xPb2FeSbO6 на температуру антиферромагнитного и сегнетоэлектрического фазовых переходов;
определено изменение температуры антиферромагнитного фазового перехода в Pb2FeNbO6, синтезированного с использованием механоактивации исходных оксидов с дальнейшим отжигом при температурах в диапазоне 673...1373 К, обусловленное возникновением кластеризации атомов Fe и Nb;
проведена расчётная оценка зависимости селективности и производительности эмиссионных и трансмиссионных измерений от эффективной толщины чувствительного элемента детектора с использованием разработанной математической модели двухкомпонентной системы конвертор - сцинтиллятор на основе как идеального конвертора так и реальных соединений K2MgFe(CN)6 и Be2Fe(CN)6;
разработана и реализована технология введения конвертора в объём сцинтиллятора, обеспечивающая равномерное распределение вещества конвертора и минимизацию потерь энергии регистрируемых электронов внутренней конверсии, и, соответственно, повышение энергетического разрешения и эффективности детектора;
экспериментально определена оптимальная толщина высокоэффективного резонансного сцинтилляционного детектора на основе поливинилксилола с конвертором K2MgFe(CN)6, который позволил получить наблюдаемую величину резонансного поглощения в трансмиссионном эксперименте, в 1,4 раза превышающую величину резонансного поглощения с использованием нерезонансного детектора при малых наблюдаемых эффектах, на 15% уменьшить ширину линий мёссбауэровских спектров и в 3 раза повысить производительность трансмиссионных измерений.
Практическую значимость представляет выявленная возможность управления температурами сегнетоэлектрического и магнитного фазовых переходов тройных Fe-содержащих оксидов со структурой перовскита путём изменения степени атомного упорядочения в их B-подрешётке или их химического состава. Закономерности изменения свойств перовскитов удалось получить с использованием предложенного в работе резонансного метода детектирования -квантов в мёссбауэровской спектроскопии и изготовленного для этого резонансного сцинтилляционного детектора, которые позволили уменьшить ширины линий резонансного поглощения, повысить его величину и производительность мёссбауэровских измерений. Предложенный метод открывает новые практические возможности для более точного определения упорядочения атомов в структуре Fe-содержащих мультиферроиков с атомами тяжелых элементов в их составе при создании новых функциональных материалов на их основе. На способ изготовления чувствительных элементов резонансного сцинтилляционного детектора получен патент [A10].
Научные положения, выносимые на защиту
-
Развитие метода резонансного детектирования -квантов в мёссбауэровской спектроскопии, реализация новой технологии изготовления высокоэффективного и чувствительного детектора, позволило повысить наблюдаемую величину резонансного поглощения в трансмиссионном эксперименте в 1,4 раза, по сравнению с нерезонансным детектором, и на 15% уменьшить ширину линий мёссбауэровских спектров необходимой для более точной интерпретации их сложной структуры.
-
На температурных зависимостях квадрупольного расщепления Pb2FeNbO6 прецизионным методом мёссбауэровской спектроскопии обнаружены две аномалии, одна из которых при температуре 383 К свидетельствует о сегнетоэлектрическом фазовом переходе, а другая – при 673 К – о возникновении наноразмерных полярных областей.
3. Согласно мёссбауэровским спектрам керамических соединений
Ca2FeNbO6, Sr2FeNbO6, Ba2FeNbO6 и Pb2FeNbO6, полученным с
использованием нового высокоэффективного резонансного детектора,
ближний атомный порядок в подрешётке B в их структуре отсутствует из-за
распределения атомов Fe в позициях, несимметрично окруженных атомами
Fe и Nb, что не допускает существования и дальнего атомного порядка.
4. С увеличением концентрации Pb2FeSbO6 в твёрдом растворе системы
(1-x)Pb2FeNbO6-xPb2FeSbO6 степень атомного упорядочения в подрешётке В
увеличивается, а температура антиферромагнитного фазового перехода
понижается от 150 до 25 К, в то время как у состава Pb2FeNbO6,
синтезированного с предварительной механоактивацией исходных
компонентов реакции и его дальнейшим отжигом при различных
температурах, происходит декластеризация атомов Fe и Nb, вызывающая
повышение температуры антиферромагнитного перехода от 150 до 200 К.
Надежность и достоверность полученных в работе результатов и выводов основана на корректном использовании комплекса взаимодополняющих апробированных экспериментальных методов и теоретических оценок, достаточно хорошей воспроизводимости структурных, диэлектрических и магнитных параметров исследуемых соединений, а также на соответствии полученных и известных экспериментальных результатов и их непротиворечивости существующим теоретическим представлениям о влиянии атомного упорядочения на свойства конденсированных сред.
Личный вклад автора
Автором совместно с научным руководителем сформулирована цель исследований, разработаны модели процессов регистрации -излучения резонансными сцинтилляционными блоками детектирования и предложена новая методика их изготовления, выбраны исследуемые по новой методике мёссбауэровской спектроскопии объекты, Fe-содержащие тройные оксиды со структурой перовскита, и сформулированы основные научные результаты,
положения и выводы. Автором лично поставлены задачи исследования, экспериментально определены состояния атомов Fe и температуры магнитных и релаксорных фазовых переходов в тройных Fe-содержащих перовскитах и выявлено влияние на них степени атомного порядка модернизированным специально для этого методом резонансного детектирования -квантов и с помощью собранной им экспериментальной установки с новым резонансным сцинтилляционным детектором.
Апробация результатов проходила на международных конференциях "Intern. Conf. on Applications of the Mossbauer Effect 2009", Вена, Австрия; XII и XIII Междунар. конф. "Мёссбауэровская спектроскопия и ее применения", Суздаль; Intern. Conf. Piezoresponce Force Microscopy and Nanoscale Phenomena in Polar Materials, 2014, Екатеринбург и Intern. Symp. PHENMA 2014, Кон-Каен, Тайланд.
Публикации автора. По теме диссертации всего опубликовано 10 работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых зарубежных журналах, индексируемых в базе данных Scopus, и патент на изобретение, а также 2 статьи в сборниках трудов международных конференций и 4 тезиса докладов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, субсидия № 3.1137.2014К «Разработка аппаратно-программного комплекса для мёссбауэровских исследований фазовых, кристаллохимических и магнитных состояний ионов железа в конденсированных материалах».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, списков цитируемой литературы из 85 источников и опубликованных автором 10 работ, изложенных на 115 страницах, включая 46 рисунков и 8 таблиц.
Обзор существующих методов и подходов к построению онтологий
Альтернативой «ручному» способу построения онтологии, при котором непосредственный отбор понятий ведут эксперты, может стать использование на начальном этапе для отбора понятий и создания прототипа онтологии уже существующих или разрабатываемых моделей предметной области. Анализ и моделирование различных предметных областей на сегодняшний день является более развитой областью исследований по сравнению с онтологическим инжинирингом. В том или ином виде модели данных присутствуют практически в любом бизнес-процессе, в любой предметной области. Существующие методы и средства позволяют осуществлять моделирование без предварительного получения специальных навыков. Это означает, что в простейшем виде построить модель данных предметной области может не только специалист-аналитик, но и эксперт предметной области, не обладающий знаниями в области анализа и моделирования бизнес-процессов.
Одним из эффективных решений задачи анализа и моделирования предметной области является использование средств так называемого УФО-подхода. Системно-объектный подход «Узел-Функция-Объект» (УФО-подход) предложен и разработан С.И. Маториным. Основные положения подхода описаны в работах [88, 89], и в дальнейшем получили развитие в [91, 92] . В основе УФО-подхода и основанного на нем так называемого УФО-анализа лежит представление той или иной системы в виде трехэлементной конструкции «Узел-Функция-Объект». Узел – это представление системы как структурного элемента, «перекрестка» всех ее связей. Под функцией понимают функциональный элемент, играющий определенную, заданную роль для поддержания надсистемы путем балансирования данного узла. Объект представляет систему как субстанциальный элемент, конкретную сущность, реализующую функцию [91]. Комбинации из таких УФО-элементов представляют собой системно-объектные модели (УФО-модели).
Представление некоторой предметной области в виде УФО-модели обеспечивает наиболее целостное, системное представление его назначения, сущности, положения в структуре надсистемы и связи с другими элементами в целом, ведь УФО-модель содержит в себе информацию как о структурных, так и о функциональных характеристиках моделируемой системы. УФО-модель - результат применения УФО-анализа - является адекватной и достаточно полной моделью предметной области; в подобной модели легко выделить основные концепты (термины, сущности), их характеристики (атрибуты, свойства) и роль в системе, а также взаимосвязи таких концептов. В УФО-модели отражаются только необходимые для описания предметной области термины, и именно в том значении, в котором используются непосредственно в предметной области. Построение УФО-модели предметной области не требует значительных трудовых и временных затрат. Метод УФО-анализа позволяет включать в результативную модель информацию о предметной области, представленную с различных точек зрения, что обеспечивает максимально возможную объективность отражения знаний о предметной области. Итоговая УФО-модель обладает свойством масштабируемости и легко модифицируется при изменениях в предметной области.
В отличие от других распространенных методологий системного и объектного моделирования, УФО-подход обладает широкими возможностями формализации. На сегодняшний день единый стандартный метод формализации УФО-моделей не утвержден, но в ряде исследований рассматриваются различные способы формализации результатов УФО-анализа. Так, в работах [94-95] приводится описание метода формализации УФО-моделей с помощью пи-исчисления. Авторами работ [78, 80] для создания математического аппарата УФО-подхода применяется теория паттернов Гренандера [77], что позволяет формализовать описание узловых (структурных) характеристик систем как УФО-элементов. Еще один способ формализации УФО-подхода предложен в работе [84]. Каждый из перечисленных методов позволяет разработать наиболее подходящий для решения конкретной задачи формальный математический аппарат УФО-моделей, что обеспечивает гибкость и, в то же время, строгую определенность метода УФО-анализа.
Все перечисленные особенности обуславливают выбор УФО-анализа и получаемых в его результате УФО-моделей в качестве базиса для разработки прототипа онтологий предметных областей. В частности, предполагается использовать УФО-модели предметной области как источники концептов (терминов) и связанных с ними фактов, которые затем можно записывать на том или ином языке представления онтологий.
Действительно, УФО-подход представляет каждую сущность предметной области в виде УФО-элемента. Имя его узла является отдельным термином, который отражается в онтологии, а описание может служить значением этого термина. В качестве связей между концептами в онтологии могут выступать входящие и выходящие связи, которые присущи УФО элементу. В большинстве случае языки представления онтологий основаны на записи всей информации в виде фактов. В случае с УФО-моделью фактами могут служить наличие у самого УФО-элемента конкретной функции, у его узла - определенных связей, а у объекта - ряда свойств. Соответственно, из формализованного представления УФО-модели возможно получить запись фактов на том или ином языке представления онтологий. Совокупность таких фактов, представленных с помощью формального языка, позволяет получить прототип онтологии предметной области. Этот прототип может быть дополнен и/или скорректирован как вручную экспертами предметной области при необходимости, так и автоматически при изменении базисной УФО-модели.
Важной особенностью является соответствие описанного подхода положениям о жизненном цикле онтологии, сформулированным в коммюнике Онтологического саммита – 2013 [97]. Несмотря на то, что выводы, содержащиеся в указанных положениях, могут считаться лишь предварительными, о чем упоминается в резюме документа [97], идеи о жизненном цикле онтологии могут существенно упростить, систематизировать и унифицировать процессы разработки онтологий для всех их участников. В частности, модель жизненного цикла онтологии, в соответствии с [97], может быть схематично представлена в виде рисунка 1.1.
В соответствии с таким жизненным циклом, при разработке онтологии с помощью средств УФО-подхода этап формулирования требований и этап онтологического анализа выполняются еще в рамках непосредственного УФО-анализа предметной области. Этап проектирования фактически пропускается, поскольку средства представления онтологии определены заранее, а структура онтологии зависит от исходной УФО-модели предметной области.
Исследование взаимосвязи системно-объектных УФО-моделей и формализованных средств записи онтологий
Подобная форма записи позволяет учитывать факты 3 и 4 из группы П. Действительно, в данном случае подразумевается, что L? и L! - это множества (совокупности) входных и выходных связей соответственно. Иными словами, если у узла имеется к? входных и к! выходных связей, то: \/m = \..k?:L cL?, (2.4) \fm = \.k\\L !cl! Значит, содержащуюся в формальном представлении УФО-модели информацию об элементах множеств L? и L! можно в дальнейшем преобразовать в факты вида «Узел имеет входную связь Lm?» и «Узел имеет входную связь Lm!».
Для учета фактов групп I и I(inv) также требуется использование идентификатора (имени) узла. В большинстве частных случаев имена Узла и Объекта совпадают, однако в общем случае будем учитывать имя Узла отдельно, обозначая его символом и и включая в формальное представление Узла: U = (u,L7,L\). (2.5)
Второй элемент кортежа, представляющего УФО-элемент, - Функцию -авторы работы [84] также представляют в детализированном виде, используя понятия, аналогичные терминам CCS. Однако в рамках поставленной задачи особый интерес представляет возможность извлечения из формальной записи фактов группы III, куда входят факты вида «Функция преобразует вход Lm?» и «Функция выдает выход LJ». Соответственно, для этого не требуется детализированное формальное представление Функции как составляющей УФО-элемента; достаточно ее имени (содержания), которую будем представлять в формальной записи литерой F.
Для описания Объекта как составляющей УФО-элемента предлагается использовать понятия теории паттернов. При этом вводится следующее представление Объекта: 0 = (п,а,/3?,/3!), (2.6) где п - имя Объекта; а - множество признаков Объекта; /?? - множество показателей множества входных связей L?; fi! - множество показателей множества выходных связей Ы.
В рассматриваемом контексте примем в качестве показателей связей их класс - вещественные связи, энергетические связи, связи по управлению и связи по данным [91]. Соответственно, для каждой связи из множеств L? и L! в формальной записи УФО-модели присутствуют записи «Узел имеет связь класса /??,» и «Узел имеет связь класса /?/,» соответственно, что соответствует фактам 1 и 2 из группы П.
С учетом приведенных положений общую запись УФО-элемента можно представить следующим образом: е = (и, L , П ), F, (п, а, /??,/?!) . (2.7)
При этом подобного формального представления УФО-элемента достаточно для извлечения фактов групп I, I(inv), II, III и IV предложенной ранее классификации. Соответственно, необходимо рассмотреть формальное обоснование извлечения фактов групп V и V(inv), касающихся наличия в УФО-модели связей между конкретными УФО-элементами. Наличие связей между УФО-элементами представляет собой достаточно обширный источник информации о предметной области, что влечет за собой необходимость детального изучения формальной стороны процесса извлечения соответствующих фактов. Для наглядности представления факта наличия связи между двумя УФО-элементами модели предлагается использовать составленные по определенным правилам матрицы. Представляются допустимыми несколько вариантов записи таких матриц. Например, в общем случае матрицу связей для i-го УФО-элемента с k? входных связей и k! выходных связей можно представить следующим образом:
В указанной матрице в строках перечисляются все входные и выходные связи УФО-элемента, а напротив них проставляется обозначение равнозначной связи связанного УФО-элемента. То есть связи, имеющие значение, отличное от нуля, во втором столбце матрицы, являются связью (потоком) между двумя УФО-элементами. Соответственно, на основании подобных матриц из формальной записи УФО-модели можно извлечь факты групп V и V(inv), характеризующие наличие связей между УФО-элементами. Более универсальным способом является создание матрицы размером NxM элементов, отражающей все существующие на данном уровне УФО-модели взаимосвязи между элементами. При этом: i=l где n – число УФО-элементов на данном уровне модели (уровне декомпозиции исходного элемента, отражающего систему в целом); ki? – число входящих связей каждого из таких элементов. Аналогично: м = /, (2.10) 1=1 где n – число УФО-элементов на данном уровне модели (уровне декомпозиции исходного элемента, отражающего систему в целом); ki! – число исходящих связей каждого из таких элементов.
Соответственно, в качестве строк такой матрицы выступают входящие связи всех УФО-элементов рассматриваемого уровня модели, а в качестве столбцов - все исходящие связи. На пересечении строки и столбца проставляется значение «1» в случае, когда входящая связь соединяется (является одноименной) с соответствующей исходящей связью, и «0» в противном случае.
Особенности валидации онтологии, построенной на основе графоаналитической УФО-модели
Однако классификация связей не ограничивается родовидовыми отношениями между классами. Классификация связей, как правило, содержит некое описание каждого класса в виде множества атрибутов. Для получения их перечня обратимся к формальному представлению УФО-модели, созданной в специализированном инструментальном средстве. Для осуществления моделирования предметной области с использованием УФО-подхода в большинстве случаев применяется инструментарий «UFOoolkit» [87]. УФО-модель, созданная в данном программном средстве, хранится в виде XML-файла. Поскольку классификация связей является обязательной частью любой УФО-модели, в таких XML-файлах присутствует фрагмент, содержащий сведения о конкретной вариации базовой классификации связей, используемой в данной модели. Фрагмент XML-кода УФО-модели, созданной в программном средстве «UFOoolkit», характеризующий один из классов связей, представлен ниже. PortHierarchy ID="6" Item Name="Связь" Notation="L" ID="7" PortType="Link" /PortHierarchy Анализ XML-кода, содержащего сведения о классификации связей, показывает, что помимо информации о родовидовых отношениях связей, в нем содержатся данные о наименовании, нотации, уникальном идентификаторе каждой связи и типе порта, к которому относится данная связь. Таким образом, в предложенном ранее способе представления классификации связей с помощью нотаций модели RDF не были учтены наименования связей, их идентификаторы и типы портов. Эти сведения можно представить с помощью триплетов вида: «Нотация связи» эквивалентна «Наименование связи» «Нотация связи» имеет идентификатор «Идентификатор связи» «Нотация связи» имеет тип порта «Тип порта» Для представления соответствующих фактов на языке RDF введем в разрабатываемый словарь предикаты «equivalent», «hasID» и «hasPortType» соответственно.
В подобном виде описание классификации связей с помощью RDF представляется практически полным. Однако в целях упрощения процедуры дальнейшей формализации с использованием RDF фактов, извлекаемых из УФО-модели предметной области, предлагается дополнить формальное представление классификации связей дополнительными видами триплетов. Так, при формализации записи триплетов, отражающий факт наличия конкретной связи, требуется использование предиката, отражающего характер этой связи. Однако наименование связи может не отражать в полной мере того отношения, которое устанавливается между УФО элементами (объектом и субъектом в RDF-предикате). Поэтому предлагается для каждого класса связей ввести соответствующие наименование прямого и обратного действий (отношений), которые устанавливаются между УФО элементами при наличии между ними связи данного класса. Соответственно, это должно находить отражение в формальной записи классификации связей, используемой для УФО-модели. Для этого могут быть использованы специальные триплеты вида: Класс связи предполагаетПрямоеОтношение наименование прямого отношения Класс связи предполагаетОбратноеОтношение Наименование обратного отношения
Совокупность описанных триплетов составляет формальное RDF-представление классификации связей и может служить источником фактов о связях, входящих в конкретную УФО-модель. Для записи таких триплетов требуются предикаты, означающие отношения «предполагает прямое отношение» и «предполагает обратное отношение». Предлагается в данном случае использовать предикаты «hasDirectRelation» и «hasReverseRelation»,
которые будут включены в специализированный для формализации фактов из УФО-модели RDF-словарь.
Таким образом, для представления классификации связей, используемой в УФО-модели, на языке RDF требуются предикаты, представленные в таблице 2.8.
Рассмотрим непосредственно представление фактов групп V и V(inv) классификации на языке RDF. С учетом предложенного ранее способа формального представления связей между УФО-элементами в виде матрицы связей, а также сформулированных ранее особенностей представления классификации связей, используемой в УФО-модели, можно предложить следующий алгоритм формальной записи соответствующих фактов с помощью той или иной нотации RDF.
Разработка исследовательского прототипа программного пакета автоматизированного построения онтологий на основе УФО-моделей предметной области
Данная конструкция объединяет в рамках одного атрибута верхнего уровня (Node) все сведения об УФО-элементе. В атрибутах элемента Node второго уровня хранятся основные сведения, такие как нотация (Notation), идентификатор (ID), описание (Description), сведения о наличии в диаграмме функции, балансирующей текущий узел. Последний параметр хранится в виде атрибута CurrentFunction и сам по себе не содержит информации о функции. Он лишь указывает на наличие (значение 0) либо отсутствие (значение -1) у узла функции.
В рамках элементов InputPorts и OutputPorts хранятся сведения о портах данного узла. Каждый порт является вложенным элементов и имеет имя Port. В атрибутах данного элемента хранятся сведения об уникальном в пределах модели идентификаторе порта (атрибут ID), его классе (атрибут PortID), стиле (атрибут StyleID).
В случае если на анализируемой диаграмме для УФО-элемента явно задана функция, сведения о ней хранятся в элементе Function, вложенном в Node. В атрибутах данного элемента можно найти имя функции (Name), ее идентификатор (ID), а также сведения о наличии либо отсутствии данных об объекте, реализующем текущую функцию. За сведения о наличии/отсутствии на диаграмме объекта для данной функции отвечает атрибут CurrentObject элемента Function. Если он имеет значение 0, объект задан, если -1, объект, реализующий функцию, не указан. Подробные сведения об объекте хранятся во вложенном в элемент Function элементе Object. В качестве атрибутов для объекта могут быть заданы имя (Name) и идентификатор (ID).
Таким образом, для описания УФО-элемента, найденного в исходном файле (то есть экземпляра класса ufo:UFO в RDF-представлении создаваемой онтологии), необходимо определить его основные свойства: идентификатор (ID), нотацию, описание, функцию (при наличии). Функция будет в данном случае являться самостоятельной сущностью (экземпляром класса ufo:UFOFunction в RDF-коде создаваемой онтологии).Для ее представления в онтологии требуется определение: идентификатора (ID), наименования, объекта (при наличии). Объект здесь – экземпляр класса ufo:UFOObject в RDF-коде разрабатываемой онтологии, для описания которого требуется указание: идентификатора (ID), наименования, описания. Таким образом, процесс извлечения сведений об УФО-элементе можно представить в виде блок-схемы, показанной на рисунке 4.4.
Отдельного внимания заслуживает процесс извлечения из исходного XML-файла данных о связях между УФО-элементами. В XML-представлении УФО-модели, сформированном редактором UFOToolkit, данные о каждой связи хранятся в виде XML-узла следующего вида: Link ID="46" StyleID="3" FromID="36" ToID="26"/ Из подобной конструкции можно извлечь уникальный идентификатор связи в пределах модели (атрибут IDXML-узла), а также идентификаторы исходящего (атрибут FromID) и входящего (атрибут ToID) портов присутствующих в модели узлов, от и к которому соответственно направлена связь. По этим идентификаторам в дальнейшем при необходимости можно получить данные о связанных исследуемой связью УФО-элементах и их составляющих (узлах, функциях, объектах).
После выполнения описанных выше операций этап извлечения данных из исходного файла анализируемой УФО-модели можно считать завершенным. Следующим этапом преобразования является построение RDF-триплетов и запись их в результирующий файл. Первоначально в результирующий файл добавляется общая информация (заголовки), которые обеспечивают корректное распознавание языка RDF и его нотации RDF/XML,с помощью которых представлены данные. В частности, в этих заголовках определяются используемые пространства имен, такие как rdf, rdfs, owl и введенное нами ufo.
Далее в файл записываются RDF-триплеты, характеризующие используемую в данной УФО-модели классификацию связей. В общем случае шаги данного процесса замкнуты в цикл, который выполняется для каждого класса связи, найденного в данных, извлеченных ранее из исходного XML-файла. Формирование RDF-триплетов для каждого класса связи состоит из следующих шагов (примеры приведены в используемой на протяжении всего процесса преобразования нотации RDF/XML):
1. Добавить в результирующий файл XML-узел с общей информацией о классе связи (конструкция вида ufo:LinkClass rdf:about="http://www.ufooolkit.ru/#Left" )
2. Добавить к созданному на первом шаге XML-узлу дочерний (вложенный) XML-узел, отражающий факт эквивалентности наименования и нотации класса связи (конструкция вида ufo:equivalent rdf:resource="http://www.ufooolkit.ru/#Left"/ )
3. Добавить к созданному на первом шаге XML-узлу дочерний (вложенный) XML-узел, отражающий факт наличия ID у данного класса связи (конструкция вида ufo:hasID 11 /ufo:hasID ).
4. Добавить к созданному на первом шаге XML-узлу дочерний (вложенный) XML-узел, отражающий сведения о типе порта данного класса связи (конструкция вида ufo:hasPortType rdf:resource="http://www.ufooolkit.ru/#User"/ )
5. Добавить к созданному на первом шаге XML-узлу дочерний (вложенный) XML-узел, отражающий факт того, что данный класс связи является подклассом другого класса (при наличии в исходном файле сведений о родительском классе связи). Данная конструкция имеет вид: rdfs:subClassOf rdf:resource="http://www.ufooolkit.ru/#S"/