автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Онтологический подход к построению структурно-топологической модели телекоммуникационных сетей

На правах рукописи

005051306

Нагорянский Олег Николаевич

ОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ СТРУКТУРНО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

И I■

Сургут - 2013

005051306

Работа выполнена на кафедре автоматики и компьютерных систем в Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа -Югры».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Даниленко Иван Николаевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Замятин Николай Владимирович ФГБОУ ВПО «Томский

государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

кандидат физико-математических наук инженер 1 категории Пашнин Александр Сергеевич ОАО «Связьтранснефть»

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Защита состоится «20» апреля 2013г. в 14.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 800.005.06 при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО -Югры» по адресу: 628400, Тюменская обл., ХМАО - Югра, г. Сургут, ул. Ленина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры».

Автореферат разослан «19» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент —- . - B.C. Микшина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные предприятия, занимающиеся проектированием, обслуживанием и ремонтом телекоммуникационных сетей (ТС), нуждаются в полноденной системе, позволяющей создать структурно-топологическую модель ТС, что обусловлено большим многообразием объектов предметной области, сложностью и, зачастую, неоднозначностью отношений между этими объектами, интенсивным развитием телекоммуникационных технологий и, как следствие, постоянно расширяющимися стандартами в этой области. Зачастую часть знаний о ТС не документирована, основана только лишь на опыте сотрудников компании, а имеющиеся задокументированные знания, хранящиеся, как правило, в форме схем, находятся в архиве, доступ к которому далеко не всегда может быть получен оперативно. В результате представляется актуальным использование онтологического подхода для создания структурно-топологической модели ресурсов ТС. Предполагается, что использование онтологии, основанной на строгом формальном подходе, позволит наиболее эффективным образом описать предметную область ТС, характеризующуюся динамически изменяющейся структурой.

В последние годы разработка онтологий - явного формального описания терминов предметной области и отношений между ними достигла значительных успехов во многих прикладных областях: медицина, интернет, разработка программного обеспечения и пр., а системы управления знаниями уже много лет бесспорно предоставляют универсальный механизм для описания корпоративных знаний многих компаний.

Разработка онтологий и баз знаний началась ещё в 90-х годах прошлого столетия, у истоков стояли знаменитые в этой области американский учёный Tomas Gruber и итальянский учёный Nicola Guarino. Впоследствии свой вклад в развитие также вносили учёные из многих стран мира: немецкий учёный Franz Baarder и английский учёный lan Horrocks представили математическую модель, Ian Horrocks и Peter F. Patel-Schneider впервые использовали онтологии для представления знаний в Сети. Среди отечественных учёных известны Т.А. Гаврилова, А.Ф. Тузовский, В.З. Ямпольский, внесшие большой вклад в развитие систем управления знаниями.

На текущий момент существуют стандарты и модели описания ресурсов ТС, основанные на объектно-ориентированном подходе, например, стандарт Shared Information and Data (SID), разработанный международной организацией TeleManagementForum (TMF), но системы, использующие онтологический подход, с учётом таких

стандартов отсутствуют. Таким образом, ввиду перспективности применения онтологий и баз знаний для описания предметных областей и большой потребностью в представлении структурно-топологической модели ТС, разработка системы на основе онтологического подхода в области ТС является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности обработки информации, представляющей структурно-топологическую модель ТС, в рамках онтологического подхода.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Исследовать подходы и стандарты проектирования, способные описать структурно-топологическую модель ТС.

• Формализовать представления знаний о ресурсах ТС, сформированных на основе выбранных стандартов и опыте сотрудников телекоммуникационных компаний.

• Разработать программное обеспечение для формирования онтологической модели фактами и знаниями.

• Разработать программное обеспечение, позволяющее визуализировать структурные модели трактов ТС.

Методы исследования. В ходе диссертационного исследования были использованы: методы системного анализа, дескрипционные логики, основанные на логике предикатов первого порядка, языки представления онтологий, методы объектно-ориентированного проектирования и программирования, XML-технологии.

Научная новизна результатов. Решая поставленные задачи в процессе диссертационного исследования, были получены следующие новые научные результаты:

• Формальная модель ТВох, описывающая ресурсы ТС, представленные как UML модель классов стандарта SID.

• Структурно-топологическая модель ТС на машиночитаемом языке OWL.

• Обобщённая методика построения онтологической модели структурно-топологического представления ТС.

• Алгоритмы трансляции UML-модели SID на язык онтологий OWL.

• Алгоритмы визуализации структурных моделей трактов ТС.

Положения, выносимые на защиту:

• Формальная модель на языке дескрипционных логик, обеспечивающая переход от UML модели классов стандарта SID к онтологической модели и включающая правила вывода новых знаний.

• Обобщенная методика построения онтологии структурно-топологического представления ТС, которая обеспечивает эффективное формирование модели, описывающей ресурсы ТС на машиночитаемом языке OWL.

• Алгоритмы трансляции UML-модели SID, представленной в формате XMI, на язык онтологии OWL, для формирования структуры онтологии.

• Алгоритмы, позволяющие визуализировать структурные модели трактов ТС на основе их структурно-топологической модели.

Практическая значимость результатов работы. Практическую значимость имеют:

• Онтология и база знаний о ресурсах ТС, обеспечивающие структурированность хранения, упрощение ввода и эффективность обработки информации.

• Правила вывода новых знаний, ранее не введённых в систему, что повышает эффективность заполнения базы знаниями.

• Программное обеспечение, основанное на универсальной авторской технологии преобразования и позволяющее выполнить миграцию сущностей из UML-модели стандарта SID в онтологическую модель, что частично автоматизирует формирование и наполнение онтологии.

• Программное обеспечение, разработанное с применением универсальной технологии, предоставляющей возможность конфигурирования условных графических обозначений, позволяющее выполнить визуализацию структурных моделей трактов ТС, в результате чего в наглядном виде отображаются структурные элементы тракта с заданным местоположением.

Реализация и внедрение результатов работы. Предложенные подходы, модели, алгоритмы и технологии используются в Филиале ОАО «Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы» - Магистральные электрические сети (МЭС) Западной Сибири, а также в учебном процессе ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI и XII окружные конференции молодых учёных «Наука и инновации XXI века» (г. Сургут, 2010 и 2011гг.), IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодёжь и современные информационные технологии» (г.Томск, 2011г.), XII

Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2011г.), II Международная научно-практическая конференция «Современное состояние естественных и технических наук» (г. Москва, 2011г.), XVII Международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях» (г. Воронеж, 2012г.)

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2012614961).

Личный вклад автора. Общая постановка задачи и корректировка исследований были предложены научным руководителем Даниленко И.Н. Автор непосредственно построил математическую модель и OWL-модель, описывающие ресурсы ТС, разработал алгоритмы и программное обеспечение для формирования онтологии и визуализации структурных моделей трактов, принимал частичное участие при заполнении базы знаний знаниями, характерными для компании МЭС Западной Сибири ОАО «ФСК ЕЭС» и формировании правил вывода новых знаний.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 119 наименований и 7 приложений. Содержит 25 рисунков, 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научная и практическая значимость результатов работы.

В первой главе рассмотрены различные подходы к описанию предметных областей, стандарты для описания ТС и сделаны выводы по применимости подходов к такой предметной области, как ТС.

Для осуществления полного и эффективного описания предметной области были рассмотрены три вида подходов:

• структурный подход (СП);

• объектно-ориентированный подход (ООП);

• онтологический подход (ОП).

Сущность СП к разработке ИС заключается в ее декомпозиции (разбиении) на автоматизируемые функции: система разбивается на функциональные подсистемы, которые в свою очередь делятся на подфункции, подразделяемые на задачи и пр. СП ориентирован на

реляционные модели данных, следовательно, применение такого подхода оправдывается в случаях анализа данных, обработки или сбора статистических показателей, выполнение вычислений и пр.

Было установлено, что ООП, базирующийся на использовании принципов абстрагирования, инкапсуляции, модульности и иерархичности, и, основанный на концепции объектов и классов, применяется в моделировании программных и технических систем.

Показано, что ОН, являющийся концептуальной основой баз знаний, применяется для формирования спецификации и проектирования данных предметной области. Более того, онтологию имеет смысл использовать для описания часто изменяющихся областей, так как несмотря на то, что ОП как и ООП представляет схожую концепцию классов и объектов, сами объекты и связи между ними в ОП поддаются изменениям в процессе эксплуатации системы, созданной на основе данного подхода, в результате именно онтология способна наиболее эффективно представить весь набор знаний о такой предметной области.

Ввиду большого числа технологий, использующихся в телекоммуникационной индустрии, разнообразного и распределённого оборудования, всевозрастающего числа услуг, оказываемых компаниями, сложности эксплуатируемых сетей особенно остро стоит проблема управления ТС операторами связи, т.е. компаниями или подразделениями компаний, предоставляющими услуги связи. Эффективность такого управления во многом зависит от своевременного получения, обработки, хранения и анализа данных о наличии и техническом состоянии средств, сетей и сооружений связи, в совокупности представляющих собой ресурсы.

Одним из ключевых аспектов поддержки оператора связи является обеспечение учёта ресурсов ТС. Учёт ресурсов или инвентаризация - это систематическая деятельность оператора связи по сбору, хранению, обработке и предоставлению данных, характеризующих состав, конструкцию, размещение и взаимосвязи идентифицируемых сетей, средств и сооружений связи. Учёт ресурсов отражается в структурно-топологической модели ТС, подразумевающей под собой общее представление о форме, расположении, спецификации и числе наиболее важных ресурсов ТС и их взаимных связях.

В результате потребности управления телекоммуникационными ресурсами появились организации, занимающиеся разработкой единых стандартов, методов и принципов управления и работы ТС. Одни из наиболее известных стандартов, основанные на концепции ТМ1М,

разработаны компанией Télécommunication Standardization Sector (ITU-T).

Для создания структурно-топологических моделей ТС, согласно концепции TMN, можно использовать рекомендацию М.3100, излагающую общую информационную модель (ИМ). ИМ, будучи обобщённой моделью сети, определяет управляемые объекты сети TMN, т.е. сетевые ресурсы, связанные с ними атрибуты, типы, события, их действия и поведение. В рекомендации М.3100 предлагается описание не только состава и конфигурации оборудования связи, разделённого на физические и логические ресурсы, но и способы описания каналов и трактов с указанием направления передачи. ИМ использует концепции ООП и в рекомендациях представлена как набор ER и UML диаграмм.

На текущий момент большинство современных систем управления телекоммуникациями, в том числе систем технического учёта ресурсов, используют ИМ TMN как основу собственной ИМ. Так поступает, например, международная ассоциация TeleManagement Forum (TMF), без методологических разработок и рекомендаций которой сегодня невозможно представить развитие сетей нового поколения NGN. В рамках построения структурно-топологических моделей ТС особый интерес представляет одна из разработанных TMF компонент, ИМ Shared Information and Data (SID). ИМ SID предоставляет телекоммуникационной индустрии единый набор определений бизнес-объектов, участвующих в работе ключевых процессов. В результате анализа процессов, протекающих во время работы операторов связи, специалистами TMF была сформирована модель, составленная из 8 областей. Каждая область объединяет информационные элементы, относящиеся к той или иной стороне деятельности оператора связи. Для построения структурно-топологической модели ресурсов ТС, актуальными представляются области «Ресурс» и «Общие бизнес-сущности». Сущности, используемые во всех информационных элементах ИМ SID, описаны в нотации UML и представлены в файлах в формате XMI, которые фактически являются приложениями XML.

В работе учитывается, что во время построения структурно-топологической модели ТС анализ сетей, средств и сооружений связи требует большого количества времени, опыта, знаний в предметной области, а также вовлекаемых в процесс участников. С другой стороны в настоящее время существует стандарт SID, представленный UML моделью, где выделены и адекватно сгруппированы объекты связи, определены между ними ассоциации, отношения агрегации и

композиции, следовательно, такой стандарт может выступать как базис для создания структурно-топологической модели. Кроме того, данный стандарт является перспективным, поскольку способен описать сети нового поколения.

Таким образом, ввиду быстрой изменчивости области ТС за счёт расширяющихся стандартов ТС, использования неоднородного оборудования, зачастую различных производителей, невозможностью всецело описать ресурсы в один момент, что предполагает дальнейшие изменения в структуре системы, возникает потребность в описании динамической предметной области и, как следствие, для таких целей может быть использован ОП к построению структурно-топологической модели ТС.

Во второй главе приведено общее описание математического аппарата дескрипционных логик (ДЛ), а также процесс представления UML модели классов стандарта SID в виде формальной модели на языке ДЛ и на машиночитаемом языке OWL.

ДЛ — это семейство языков представления знаний некоторой предметной области, определяющее, в первую очередь, понятия предметной области (её терминологию) и использование этих понятий для описания свойств объектов и индивидуумов предметной области.

Типичная БЗ содержит два компонента ТВох и АВох: компонент ТВох описывает интенсиональные знания в форме терминологии или словаря предметной области, компонент АВох содержит экстенсиональные знания - знания, которые введены в базу знаний, характерные для индивидуумов предметной области. Словарь предметной области состоит из концептов, подразумевающих под собой множество индивидуумов, и ролей, представляющих бинарные отношения между индивидуумами. ДЛ позволяют строить сложные утверждения о концептах и ролях.

Наименование каждого из языков ДЛ формируется в зависимости от используемых конструкций. Классическим языком является язык AL, концепты которого представлены следующими синтаксическими правилами: C,D -» Л(атомарный концепт) I Т (универсальный концепт) I 1 (пустой концепт)! Л (отрицание)!С П D (пересечение)! 4R.C (ограничение значений)} ЗЯЛ (ограничение существования)

В ДЛ вводится понятие терминологических аксиом, представляющих собой утверждения о том, как концепты и роли связаны между собой. В общем случае терминологические аксиомы имеют следующий вид:

СЕВ СЯ Е S) или С = D (R =5)

где C.D - концепты, R.S - роли. Аксиомы первого вида называют аксиомами вложенности, второго - аксиомами эквивалентности. Говорят, что аксиома С Е= D (С Е D) выполняется в интерпретации I, если С1 ^ D1 (С7 = D']. Терминология Т выполняется в интерпретации I, а интерпретация 1 называется моделью терминологии Т и обозначается /1= Т.

Используя концепт С и роль R, определяются 2 типа утверждений в АВох: С (а) и R(b,c}. Первый тип называется утверждениями концептов, говорит о том, что а принадлежит интерпретации концепта С, второй тип, называемый утверждением ролей, что Ъ является доменом, а с диапазоном значений.

Если для некоторой роли R доменом является множество индивидуумов концепта А, тогда будет верна аксиома: ЗЯ.Т!= А.

Если для некоторой роли R диапазоном является множество индивидуумов концепта В, тогда будет верна аксиома: ТЕ VR.B.

При переходе от UML-модели классов к ДЛ, помимо стандартных конструкций, были использованы следующие:

• Инверсивные роли (аббревиатура I).

• Численное ограничение мощности ролей (аббревиатура N).

• Иерархия ролей (аббревиатура Н).

• Транзитивность ролей, объединение концептов, квантор полного существования, численное ограничение ролей (в совокупности с AL применяется аббревиатура S).

В работе показано, что языком, позволяющим полностью выразить модель классов в аксиомах ДЛ, является язык SHIN. В таблице 1 представлено соответствие элементов данного языка ДЛ и элементов UML модели.

Таблица 1

_Соответствие элементов ДЛ и языка UML

Элементы ЦМЬ Элементы ДЛ

Класс Концепт

Экземпляр Индивидуум

Бинарная ассоциация Роль

Атрибут Роль

Подклассы, обобщение Включение (вложение) концептов и ролей

Ассоциативный класс Концепт и роли

Мощность Концепты вида <пЯ.С

Пакет Терминология

Некоторые из разработанных правил преобразования конструкций иМЬ и эквивалентные им аксиомы ДЛ приведены в таблице 2.

UML-конструкции и

Таблица 2 соответствующие им аксиомы ДЛ

Конструкция UML

Аксиомы ДЛ

Бинарная ассоциация:

X R1 R2 У

А:Т

п1..п2 m1..m2

ЭЯ2ЛС Л' Т Е

3Kt.TS У ТЕ VRL. X

X С (> mt Я,) П (< тг Я,) УС (> щ Rj п

(<"2 ДО

Ассоциативный класс:

3KX.TE К

ТЕ п Vfli-Л

ЗЙГ.ТП ЗЯ£-Т— А ТЕ VR^.X П VR~. У ЗЯ2.ТЕ У

1 до

У Е (< 1Я2) Л Е (> 7i1 Я*) П

(< п2 /?г) П (£ mt flj) п (< т2 flj)

Отношение обобщения:

С£ Е С, где 1 е [l.n]

Если UML-классы непересекающиеся, то: С[- Е -| Сг где 1 < I < j < 71

Процесс формализации, структурно-топологической модели ресурсов ТС, основанных на стандартах SID, соответствует обобщённому процессу формализации онтологии, который можно представить следующим образом:

• формируется словарь предметной области, представленной в модели классов: описываются концепты и роли;

• строятся деревья классификации: аксиомы вложенности и аксиомы эквивалентности;

• формируется обобщённая терминология;

• вводится пример интерпретации, в которой сформированная терминология выполняется.

Согласно стандартам SID все ресурсы ТС делятся на 3 вида: физические ресурсы, логические ресурсы и составные ресурсы, каждому из которых соответственно сопоставлены три класса PhysicalResource, LogicalResource, CompoundResource. На рис. 1 показана общая модель классов ресурсов ТС, включая связи между этими классами.

Рис. 1. Общая модель ресурсов ТС в SID

Введём терминологию Ти представляющую общую концепцию ресурсов ТС. Тогда, основываясь на таблице 2, иерархия ресурсов записывается в виде следующих аксиом: R1 ЕЯ

Л2ЕЙ (1)

ЙЗ сД

Кроме того, такие виды ресурсов считаются непересекающимися, тогда имеем: Rl Е -1Й2

R1 с -,яз (2)

R2 С -.ЯЗ

Роль name, соответствующая одноимённому атрибуту, задаётся следующими аксиомами в TL:

R E Vname.String

Я E < 1 name (

Введём роль Л1 в ЭЛ1.ТЕ R2 ТЕ УЛ1.ЯЗ ЭЛ1~.ТЕЯЗ

ТЕУЛ1".Я2 ^

ЯЗ Е(< 1 А1~)

Введём аксиомы в терминологию для установления связи между концептом составных ресурсов и концептом общих ресурсов: ЗЛ2.ТЕ R1 ШУА2.С HVA3.C ЗЛ2"ЛП ЗЛЗ-.ТЕ С1 ТЕ п

VA3-.R

3 ЛЗ.Ш R (5)

Я1 Е (< 1 Л2) R Е С> 2 ЛЗ)

С Е С< 1 Л2") п (< 1ЛЗ~)

С<=ла

ДЗЕЯЛ

Относительно ассоциативного класса С и его потомков, изображённых на рис. 1, можно привести аксиомы аналогичные (1)-(2).

Таким образом, терминология J"t, определяющая аксиомы для общих ресурсов ТС, состоит из аксиом (1)-(5). Аналогично получено множество терминологий для физических, логических и составных ресурсов, а также для спецификации ресурсов, сущностей, отвечающих за местоположение ресурсов, и сущностей, описывающих лиц ответственных за ресурсы ТС.

Общий вид правил вывода новых знаний представлен следующим образом:

Атом Н часто называют головой или консеквентом правила, формулу Bt Л ...АВт - телом или антецедентом правила.

Для формального представления правил вывода новых знаний выбраны ДЛ-правила (англ. description logic rules), являющиеся разрешимыми и сочетающие в себе естественным образом возможности ДЛ и логики первого порядка. Построенные правила для структурно-топологической модели ТС разделены на две группы:

• Правила, позволяющие провести классификацию ресурсов. В качестве консеквента правила выступает концепт.

• Правила, позволяющие определить значение диапазона ролей. В качестве консеквента правила выступает роль.

Примером правила из первой группы будет следующее правило: «если модель карты Alcatel_3612, то эта карта всегда является индивидуумом концепта CustomerCard». На языке логики первого порядка данное правило представляется как: Card(х) Л PhysicalResourceSpecification (у)

Л Specifies Resource' (х. у) A modeiiVumber (y. "Alcatel_3612") —► CustomerCard (х)

Для второй группы характерно следующее правило. Пусть для концепта CustomerCard определена роль Туре, характеризующая тип карты (среди возможных значений: карта, модель, плата), тогда для карты модели Alcatel_3612 всегда можно сказать, что её тип «модуль»: CustomerCard(х) APhysicaLResourceSpecifîcation(у) Л Specif iesResource' (х, у) Л modelNwnber (у, "Alcaîal_3612") Туре (х, "модуль")

Благодаря распространению ОП к представлению знаний и вследствие недостатков промышленного использования ДЛ, появились разнообразные языки представления онтологий на машинном уровне. Наиболее распространённым языком представления онтологий, базирующиеся на ДЛ, стал OWL в связи с его активным использованием в Сети. На машинном уровне утверждения в OWL выражаются с помощью синтаксиса XML. На текущий момент существует 3 диалекта языка OWL:

• OWL Lite - имеет простой и удобный синтаксис, но сравнительно небольшую выразительную мощность.

• OWL DL - обладает более сложным синтаксисом и, как следствие, большей выразительной мощью эквивалентной разрешимой части логики предикатов первого порядка. Диалект имеет два важных свойства: полнота и разрешимость.

• OWL Full - наиболее выразительный диалект. При использовании OWL Full нет никаких гарантий по вычислимости заключений.

Для формирования структурно-топологической модели в соответствии со стандартом SID был выбран язык онтологий OWL DL, позволяющий описать конструкции языка SHIN.

Третья глава посвящена методике преобразования модели SID в формате UML в онтологическую модель на языке OWL, а также формированию онтологии и правил вывода новых знаний в редакторе онтологий Protégé.

Общая схема процесса трансляции диаграмм классов, представленных в формате XMI, в онтологическую модель на языке OWL схематически отражена на рис.2. Для удобства работы с файлами формата XMI они преобразовываются в формат XML, поддерживаемый анализаторами. На основе полученных XML файлов определяется XML Schema (файл формата XSD). Далее из XML Schema на объектно-ориентированном языке генерируются соответствующие классы, позволяющие описать необходимые UML-элементы. Такое преобразование осуществляется программными средствами, называемыми компиляторами связи (англ. Binding Compiler). На следующем этапе к XML документам применяется механизм демаршаллизации, в результате чего из этих документов генерируются объекты для полученных классов, данные об этих объектах впоследствии помещаются в онтологию.

Для реализации приведённой технологии подходящим является архитектура Java для XML связывания (англ. Java Architecture for XML Binding, сокр. JAXB).

Компилятор связи

XMLSchema

Л

ОО классы

1 V ПРИЛОЖЕНИЕ

Документ XML

I

Объекты I

Документ XMI

5Z.

Онтология

Рис. 2. Процесс трансляции диаграммы классов в онтологическую модель Демаршаллизация XML документа подразумевает создание дерева объектов идентичное организации элементов в XML документе и содержащее значения данных элементов. Дерево объектов отражает экземпляры классов, сгенерированные компилятором связи. Для реализации механизма создано Java-приложение, использующее функции библиотек JAXB. Для помещения Java объектов в онтологию используются открытые функции API редактора онтологий Protégé, поддерживающего язык OWL. Учитывая, что стандарт SID представлен

на английском языке, перед помещением сущностей в онтологию выполняется перевод сущностей с использованием предварительно подготовленного словаря.

Общий алгоритм трансляции UML-элементов для каждого XML-файла представлен в следующем виде:

1. Добавление в онтологию типового свойства propRu для хранения наименования элемента на русском языке.

2. Получение из XML-файла демаршализованного объекта pack типа Package, представляющего собой UML-пакет.

3. Получение из объекта pack списка объектов 1ре типа PackagedEIement, представляющих собой либо класс, либо ассоциативный класс, либо ассоциацию.

4. Обход списка 1ре.

4.1. Инициализация объекта ре типа PackagedEIement в текущей позиции i списка 1ре.

4.2. Определение типа объекта ре.

4.3. В зависимости от типа объекта ре («класс» Class, «ассоциация» Association, «ассоциативный класс» AssociationClass) выполняется соответствующая подпрограмма («Трансляция класса», «Трансляция ассоциации», «Трансляция ассоциативного класса») в которую передаются объект ре и наименование текущего XML файла fileName.

4.4. Переход к п.4.

5. Выход.

Общий алгоритм содержит вызовы подпрограмм «Трансляция класса», «Трансляция ассоциации» и «Трансляция ассоциативного класса», смысл которых заключается в извлечении информации из UML-модели и помещении её в онтологию. Данные подпрограммы в свою очередь вызывают другие подпрограммы.

Описанные алгоритмы трансляции легли в основу программного обеспечения для трансляции UML-модели ТС стандарта SID в онтологическую модель. Программное обеспечение предназначено для преобразования англоязычной информационной модели ТС стандарта SID, представленной на языке UML в файлах формата XMI 2.1, в онтологическую модель с указанием эквивалента на русском языке. Алгоритмы преобразования UML модели условно сгруппированы по подсистемам (рис. 3):

1. Подсистема трансляции. Содержит подпрограммы, осуществляющие преобразование отдельных компонент (классов, ассоциативных классов и ассоциаций) UML модели.

хмь

Подсистема трансляции . Трансляция плхт .

^ Транслдщи классов

_______л.------

----, ,---------------1

Тренсляям классов | I Трансляция 1лсопяацнй I _____________л

Подсистема обработки 1АХВ

I

яшшя

родкмьсюго «ласса |

I Ндеитн^икакил пшоеш '

СВОЙСТВ I

Пинта фикаш« атрибутов ^ | ассхлассов

Идентификация атрибутов ассошшай

Подсистема обработки ХМЬ I Определевие атрибутов ®

полюса для ассошашш |

Подсистема ввода фактов

| Ввод класса с родитьльсиш ^ класс оа к-

I

1

Ввод типового свойства

I________:

| Ввод инверсных объегтнш ^ свойств Г"

Ввод оСъегтного свойства —

I Определение атрибутов I ьалтоса ши асс» россов |

Онтология

Рис. 3. Структурная схема программы для трансляции сущностей иМЬ-модели в онтологическую модель

2. Подсистема обработки JAXB. Предназначена для определения различных параметров компонент онтологии. Получение данных осуществляется из Java-объектов, созданных на основе ХМ1-файлов UML-модели.

3. Подсистема обработки XML. Предназначена для определения неявных параметров компонент онтологии. Получение данных осуществляется с использованием структурированных запросов JXPath из XML-файлов, созданных на основе ХМ1-файлов.

4. Подсистема ввода фактов. Предназначена для ввода в онтологию данных, полученных из UML-модели подсистемами обработки.

Таким образом, разработанное программное обеспечение позволяет сформировать структуру онтологии для дальнейшей её модификации в редакторе онтологий Protégé.

Для редактирования правил в редакторе онтологий Protégé используется модуль расширения SWRLTab, подключая к которому дополнительную машину вывода Jess, получена достаточно эффективная система вывода новых знаний с удобным интерфейсом, позволяющим интерактивно создавать новые аксиомы OWL и добавлять их в базу знаний.

В результате проведённого исследования способов и возможностей представления структурно-топологической модели 'ГС, процесс построения такой модели в рамках онтологии можно представить в виде обобщённой методики, состоящей из последовательности следующих шагов:

1. Выбор стандартов и/или рекомендаций для описания структурно-топологической модели ТС.

2. Анализ способов преобразования выбранного стандарта и/или рекомендации в онтологию.

3. Трансляция модели стандарта и/или рекомендации в онтологическую модель: автоматическое построение терминологии.

4. Формирование словаря предметной области, дополняющего выбранный стандарт и/или рекомендацию.

5. Ввод словаря в онтологию: создание классов, построение деревьев классификации, указание связей между классами.

6. Добавление в онтологическую модель интерпретации: конкретных экземпляров структурно-топологической модели ТС.

7. Формирование правил вывода новых знаний, получение новых знаний с использованием разработанных правил.

В четвёртой главе изложен подход к визуализации структурных моделей трактов телекоммуникационных сетей (СМТТС).

Необходимость графического представления трактов ТС обусловлена рядом факторов - масштабностью сетей, их пространственной протяженностью, разнообразной номенклатурой типов и моделей устройств, а также большим количеством самих объектов и устройств, входящих в состав сетей.

Механизм визуализации СМТТС является достаточно сложной и трудоёмкой задачей, ввиду частой изменчивости структурно-топологической модели ресурсов ТС. По этой причине система визуализации СМТТС адаптирована под динамичность предметной области и, как следствие, предоставляет гибкий механизм для переконфигурирования объектов, подлежащих визуализации, и установления связи их с элементами онтологии.

Применяя принцип декомпозиции к построению системы визуализации СМТТС, выделяются следующие основные задачи:

1. Создание подсистемы конфигурирования, состоящей из двух отдельных подсистем: формирования примитивных геометрических фигур для построения условных графических обозначений (УГО) объектов структурно-топологической модели ТС и соответствия УГО объектов элементам онтологии.

2. Создание подсистемы, позволяющей проводить визуализацию СМТСС, согласно УГО сопоставленному концептам и ролям.

3. Создание подсистемы извлечения из онтологии данных необходимых для подсистем в п. 1 и п.2.

Для визуализации СМТТС выбран язык SVG. SVG - это язык для описания двухмерной графики в формате XML, имеющий ряд преимуществ при его использовании: возможность модификации SVG-файла программным способом, масштабируемость, поддержка интернет браузерами и графическими редакторами, открытость стандарта и пр.

Отличительной чертой визуализации любых схем и схем трактов в частности является изображение элементов схем и связей между ними. Причём под связью может подразумеваться отношения разного рода, будь то некоторое соединение или вложенность одних элементов в другие.

Применительно к структуре тракта в соответствии со стандартом SID, задача построения усложняется ещё и тем аспектом, что число вложений одних элементов в другие не ограничено, что верно и для числа соединений элементов. В связи с этим конфигурирование предусматривает формирование двух видов элементов: элементов, фиксированных по размерам и элементов с динамическими размерами, зависящими от параметров, таких как число связей.

Подсистема формирования графических примитивов обеспечивает следующую функциональность:

1. Создание графических примитивов для УГО.

2. Задание параметров графических примитивов, включая параметр, характеризующий динамичность/статичность размера.

3. Формирование стилей графических примитивов (цвет, толщина линий).

4. Задание соответствия отображаемых надписей на графических примитивах свойствам индивидуумов в онтологии, представляющих объекты трактов.

Для подсистемы формирования УГО, связанных с элементами онтологии, предъявляются следующие требования:

1. Формирование УГО путём наложения и группировки графических примитивов.

2. Обеспечение жёсткого механизма соответствия сущностей онтологии и УГО объектов тракта.

3. Задание связанных элементов, подлежащих визуализации.

Для реализации системы визуализации СМТТС разработан модуль расширения редактора Protégé, позволяющий разместить элементы управления для формирования конфигурационного файла. За счёт использования данных элементов управления осуществляется вызов из подсистем функций, выполняющих извлечение информации из онтологии, формирование УГО и запуск процесса визуализации (рис. 4).

На рис. 5 приведён фрагмент схемы структурной модели некоторого участка тракта, генерация которой выполнена разработанной системой. Прямоугольниками отмечены узлы ТС, внутри них в верхней части расположены наименования портов узлов, снизу - спецификация узлов. Связь, изображённая сплошной линией подразумевает соединение кабелем, штриховой линией - радиосвязь.

Основные результаты и выводы:

1. В результате исследования подходов и стандартов проектирования обоснован новый способ описания семантики телекоммуникационных сетей - онтология и выбрана информационная модель SID в качестве стандарта представления структурно-топологической модели ТС.

2. На языке дескрипционных логик и на машиночитаемом языке OWL разработана формальная онтологическая модель и база правил для формирования новых знаний о ТС, а также обоснован процесс формализации, что позволило сформировать методику построения онтологии структурно-топологического представления ТС.

3. Разработаны авторские алгоритмы трансляции UML-модели SID на язык онтологии OWL - реализован процесс переноса сущностей UML-модели с сохранением связей между ними.

4. Разработаны авторские алгоритмы визуализации СМТТС с использованием механизма конфигурирования, обеспечивающие адаптацию системы под динамичную предметную область ТС.

Модуль

расширения

Protégé

Подсистема визуализации

,' Визуализация онтологических элементов ! л

.о

1

Подсистема извлечения данных

Обработка конфигурационного файла

£

Java объекты ------- Java классы

У > ь

Con fi g.xml Con fi g.xsd

Подсистема конфигурирования

Рис. 4. Схема взаимодействия модуля расширения с подсистемами системы визуализации СМТТС

Port 2 RS232

01enCom_6800 OIenCom_6SOO

г.Сургут

Утгасрагтггская, д.4 Иванов Л.И. (3462Ц26856

пгг.Тоинка Танаев А. Л. (34632)51423

пгт.Талпнка Танаев АЛ.

Port26 Al B3

OI«lCom_6800 AIcateI_3612

гЛянтор Ленина, д. 15 Петров П.П. (34654)41759

гЛянтор Ленина, д. 15 Антонов В.А. (34654)21511

(34632)51423

Рис. 5. Фрагмент структурной модели участка тракта телекоммуникационных сетей

Полученные модели и алгоритмы могут найти широкое практическое применение не только в области телекоммуникационных сетей, но также и в других динамических предметных областях, характеризующихся частым изменением объектов и связей между ними.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК РФ

1. Даниленко, И.Н. Онтология телекоммуникационных сетей / И.Н. Даниленко, О.Н. Нагорянский, П.А. Ковалёв // Системы управления и информационные технологии, № 2.2(36), 2009. -С. 309-312 с.

2. Даниленко, И.Н. Способы извлечения данных из базы знаний PROTEGE на примере визуализации схем трактов телекоммуникационных сетей / И.Н. Даниленко, О.Н. Нагорянский, П.А. Ковалёв // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Т. 6. № 11,2010. - С. 81-84.

3. Даниленко, И.Н. Формальная модель представления знаний о трактах телекоммуникационных сетей / И.Н. Даниленко, О.Н. Нагорянский // В мире научных открытий, № 1, 2012. -С. 167-194.

4. Нагорянский, О.Н. Формирование структуры онтологии телекоммуникационных сетей стандарта Shared Information Data (SID) / О.Н. Нагорянский // Системы управления и информационные технологии, № 4.1(46), 2011. - С. 193-198.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В ДРУГИХ ИЗДАНИЯХ

5. Нагорянский, О.Н. Онтологический подход к построению систем операционной поддержки / О.Н. Нагорянский // Сборник материалов конференции «Наука и инновации XXI века», Сургут, ноябрь 2010. -С. 25-26.

6. Даниленко, И.Н. Построение онтологии телекоммуникационных сетей с использованием Protege / И.Н. Даниленко, О.Н. Нагорянский, П.А. Ковалёв // Сб. науч. трудов. Вып. 32. Физико-математические науки / Сургут, гос. ун-т. - Сургут: Изд-во СурГУ. 2009. - С. 24-30.

7. Нагорянский, О.Н. Онтологический подход к моделированию ресурсов телекоммуникационных сетей в рамках рекомендаций TeleManagement Forum / О.Н. Нагорянский // Сборник трудов IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и современные

информационные технологии». Томск, 11-13 мая 2011 г., Ч. 1. Томск: Изд-во СПб.: Графике. - С. 254—255.

8. Нагорянский, О.Н. Использование онтологии, как механизма описания семантики ресурсов телекоммуникационных сетей в рамках стандартов Shared Information/Data model (SID) / О.Н. Нагорянский // Современное состояние естественных и технических наук: Материалы II Международной научно-практической конференции (25.05.2011). - Москва. - С. 58-63.

9. Нагорянский, О.Н. О преимуществах формирования правил логического вывода для базы знаний ресурсов телекоммуникационных сетей / О.Н. Нагорянский // Сборник трудов XII международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности", 8-10 декабря 2011 г. Санкт-Петербург, Россия, под ред. А.П. Кудинова. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. - С. 79-81.

10. Нагорянский, О.Н. Модели представления знаний о ресурсах телекоммуникационных сетей / О.Н. Нагорянский // Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях: Сб. трудов. Вып. 17 / Под ред. д.т.н. О.Я. Кравца. -Воронеж: Изд-во «Научная книга», 2012. - С. 199-208.

11. Нагорянский, О.Н. Трансляция UML-модели телекоммуникационных сетей стандарта Shared Information Data в онтологическую модель / О.Н. Нагорянский // Информационные технологии моделирования и управления, № 1(73), 2012. - С. 79-87.

СВИДЕТЕЛЬСТВО О РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММЫ

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614961. Программное обеспечение для трансляции UML-модели телекоммуникационных сетей стандарта SID в онтологическую модель: заявка № 2012612434 от 03.04.2012 РФ / О.Н. Нагорянский (РФ). - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 01.06.2012 г. (РФ)

Нагорянский Олег Николаевич

ОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ СТРУКТУРНО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.03.2013 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,3. Печать трафаретная. Тираж 100. Заказ П-21.

Отпечатано полиграфическим отделом издательского центра СурГУ. г. Сургут, ул. Энергетиков, 8. Тел. (3462) 76-30-67.

ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО - Югры» 628400, Россия, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, пр. Ленина, 1. Тел. (3462) 76-29-00, факс (3462) 76-29-29.

ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры»

На правах рукописи

Нагорянский Олег Николаевич

ОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ СТРУКТУРНО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ

05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(информатика)

О тГ 00

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

кандидат технических наук, доцент Даниленко И.Н.

Научный руководитель

Сургут -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ...............................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................6

1. Исследование способов описания ресурсов телекоммуникационных сетей.........................10

1.1. Современные подходы к описанию различных предметных областей..........................10

1.1.1. Структурный подход....................................................................................................10

1.1.2. Объектно-ориентированный подход...........................................................................15

1.1.3. Онтологический подход...............................................................................................18

1.1.4. Сравнение подходов и моделей...................................................................................24

1.2. Современные стандарты и подходы к описанию ресурсов телекоммуникационных сетей..............................................................................................................................................26

1.2.1. Телекоммуникационные сети. Структурно-топологические модели телекоммуникационных сетей...............................................................................................26

1.2.2. Структурно-топологические модели телекоммуникационных сетей согласно концепции TMN......................................................................................................................29

1.2.3. Структурно-топологические модели телекоммуникационных сетей согласно стандартам TMF......................................................................................................................31

1.2.4. Сравнение стандартов и подходов..............................................................................33

1.3. Онтологический подход к описанию ресурсов телекоммуникационных сетей............33

Выводы по главе..........................................................................................................................34

2. Формальная онтологическая модель структурно-топологического представления телекоммуникационных сетей........................................................................................................36

2.1. Дескрипционные логики как формальная модель знаний предметной области............37

2.2. Структурно-топологическая модель телекоммуникационных сетей в дескрипционных логиках..........................................................................................................................................42

2.2.1. Модель классов SID как основа построения формальной модели онтологии телекоммуникационных сетей...............................................................................................42

2.2.2. Переход от модели классов на языке UML к дескрипционным логикам...............43

2.2.3. Представление структурно-топологической модели телекоммуникационных сетей стандарта SID в дескрипционных логиках...........................................................................49

2.2.4. Формальная модель правил вывода новых знаний...................................................64

2.3. Структурно-топологическая модель телекоммуникацонных сетей на языке онтологий OWL..............................................................................................................................................69

2.3.1. Язык представления онтологий OWL.........................................................................69

2.3.2. Формирование онтологии, описывающей структурно-топологическую модель

телекоммуникационных сетей...............................................................................................76

Выводы по главе..........................................................................................................................78

3. Формирование базы знаний о ресурсах телекоммуникационных сетей стандарта SID.......79

3.1. Трансляция модели классов стандарта SID в онтологическую модель..........................79

3.1.1. Спецификация UML диаграмм стандарта SID в формате XMI 2.1.........................80

3.1.2. Технология преобразования модели классов стандарта SID на язык онтологий OWL.........................................................................................................................................83

3.1.3. Алгоритмы трансляции................................................................................................87

3.2. Структурно-топологическая модель ресурсов телекоммуникационных сетей в редакторе онтологий Protégé 3.4.7.............................................................................................96

3.2.1. Редактор онтологий Protégé 3.4.7. Классы, слоты, экземпляры...............................97

3.2.2. Программное обеспечение для трансляции UML-модели телекоммуникационных сетей стандарта SID в онтологическую модель...................................................................98

3.3. Правила вывода новых знаний в редакторе онтологий Protégé 3.4.7..............................99

3.4. Обобщённая методика построения структурно-топологической модели

телекоммуникационных сетей.................................................................................................103

Выводы по главе........................................................................................................................104

4. Визуализация структурных моделей трактов телекоммуникационных сетей.....................105

4.1. Актуальность представления структурной модели трактов телекоммуникационных сетей............................................................................................................................................105

4.2. Разработка системы изображения структурной модели трактов телекоммуникационных сетей.................................................................................................105

4.2.1. Общая концепция системы визуализации................................................................106

4.2.2. Построение изображений...........................................................................................107

4.2.3. Конфигурация. Сопоставление сущностей онтологии и условных графических обозначений...........................................................................................................................108

4.3. Реализация модуля расширения редактора онтологий Protege для графического построения структурной модели трактов телекоммуникационных сетей...........................112

4.3.1. Модули расширения редактора.................................................................................113

4.3.2. Подсистема визуализации в контексте модуля расширений Protégé....................114

4.3.3. Алгоритмы графического построения структурной модели трактов телекоммуникационных сетей.............................................................................................115

4.3.4. Модуль расширения «VisualTrails»...........................................................................123

Выводы по главе........................................................................................................................125

3

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................127

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Сравнение подходов проектирования.........................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Фрагмент онтологии структурно-топологической модели

телекоммуникационных сетей......................................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Модули редактора онтологий Protégé.........................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Конфигурационный файл.............................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Фрагмент схемы структурной модели тракта............................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Акт об использовании результатов МЭС Западной Сибири....................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Акт внедрения в учебный процесс..............................................................154

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

CWM Common Warehouse Metamodel

DFD Data Flow Diagrams

DOM Document Object Model

еТОМ Enhanced Telecom Operations Map

ERD Entity-Relationship Diagrams

XML extensible Markup Langugage

IDEF Integrated Definition Function Modelling

ITU International Telecommunication Union

CCITT International Telegraph and Telephone Consultative Committee

JAXB Java Architecture for XML Binding

MOF Meta Object Facility

MDA Model Driven Architecture

OMG Object Management Group

ODM Ontology Definition Metamodel

OWL Ontology Web Language

SVG Scalable Vector Graphics

SID Shared Information and Data

SAX Simple API for XML

STD State Transition Diagrams

ТАМ Telecom Application Map

TMN Telecommunications Management Network

TMF TeleManagementForum

UML Unified Modeling Language

URI Uniform Resource Identifier

XMI XML Metadata Interchange

БЗ база знаний

ИМ информационная модель

ИС информационная система

МЭС Магистральные электрические сети

МСЭ Международный союз электросвязи

ОАО «ФСК ЕЭС» Открытое акционерное общество «Федеральная сетевая

компания Единой энергетической Системы»

ООП объектно-ориентированный подход

on онтологический подход

олп определённая логическая программа

СМТТС структурные модели трактов телекоммуникационных сетей

СП структурный подход

тс телекоммуникационные сети

УГО условное графическое обозначение

хп хорновское правило

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современные предприятия, занимающиеся проектированием, обслуживанием и ремонтом телекоммуникационных сетей (ТС), нуждаются в полноценной системе, позволяющей создать структурно-топологическую модель ТС, что обусловлено большим многообразием объектов предметной области, сложностью и, зачастую, неоднозначностью отношений между этими объектами, интенсивным развитием телекоммуникационных технологий и, как следствие, постоянно расширяющимися стандартами в этой области. Зачастую часть знаний о ТС не документирована, основана только лишь на опыте сотрудников компании, а имеющиеся задокументированные знания, хранящиеся, как правило, в форме схем, находятся в архиве, доступ к которому далеко не всегда может быть получен оперативно. В результате представляется актуальным использование онтологического подхода для создания структурно-топологической модели ресурсов ТС. Предполагается, что использование онтологии, основанной на строгом формальном подходе, позволит наиболее эффективным образом описать предметную область ТС, характеризующуюся динамически изменяющейся структурой.

В последние годы разработка онтологий - явного формального описания терминов предметной области и отношений между ними достигла значительных успехов во многих прикладных областях: медицина, интернет, разработка программного обеспечения и пр., а системы управления знаниями уже много лет бесспорно предоставляют универсальный механизм для описания корпоративных знаний многих компаний.

Разработка онтологий и баз знаний началась ещё в 90-х годах прошлого столетия, у истоков стояли знаменитые в этой области американский учёный Tomas Gruber и итальянский учёный Nicola Guarino. Впоследствии свой вклад в развитие также вносили учёные из многих стран мира: немецкий учёный Franz Baarder и английский учёный Ian Horrocks представили математическую модель, Ian Horrocks и Peter F. Patel-Schneider впервые использовали онтологии для представления знаний в Сети. Среди отечественных учёных известны Т.А. Гаврилова, А.Ф. Тузовский, В.З. Ямпольский, внесшие большой вклад в развитие систем управления знаниями.

На текущий момент существуют стандарты и модели описания ресурсов ТС, основанные на объектно-ориентированном подходе, например, стандарт Shared Information and Data (SID), разработанный международной организацией TeleManagementForum (TMF), но системы, использующие онтологический подход, с учётом таких стандартов отсутствуют. Таким образом, ввиду перспективности применения онтологий и баз знаний для описания предметных областей и большой потребностью в представлении структурно-топологической

модели ТС, разработка системы на основе онтологического подхода в области ТС является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности обработки информации, представляющей структурно-топологическую модель ТС, в рамках онтологического подхода.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Исследовать подходы и стандарты проектирования, способные описать структурно-топологическую модель ТС.

• Формализовать представления знаний о ресурсах ТС, сформированных на основе выбранных стандартов и опыте сотрудников телекоммуникационных компаний.

• Разработать программное обеспечение для формирования онтологической модели фактами и знаниями.

• Разработать программное обеспечение, позволяющее визуализировать структурные модели трактов ТС.

Методы исследования. В ходе диссертационного исследования были использованы: методы системного анализа, дескрипционные логики, основанные на логике предикатов первого порядка, языки представления онтологий, методы объектно-ориентированного проектирования и программирования, XML-технологии.

Научная новизна„ результатов. Решая поставленные задачи в процессе диссертационного исследования, были получены следующие новые научные результаты:

• Формальная модель ТВох, описывающая ресурсы ТС, представленные как UML модель классов стандарта SID.

• Структурно-топологическая модель ТС на машиночитаемом языке OWL.

• Обобщённая методика построения онтологической модели структурно-топологического представления ТС.

• Алгоритмы трансляции UML-модели SID на язык онтологий OWL.

• Алгоритмы визуализации структурных моделей трактов ТС.

Положения, выносимые на защиту:

• Формальная модель на языке дескрипционных логик, обеспечивающая переход от UML модели классов стандарта SID к онтологической модели и включающая правила вывода новых знаний.

• Обобщенная методика построения онтологии структурно-топологического представления ТС, которая обеспечивает эффективное формирование модели, описывающей ресурсы ТС на машиночитаемом языке OWL.

• Алгоритмы трансляции UML-модели SID, представленной в формате XMI, на язык онтологий OWL, для формирования структуры онтологии.

• Алгоритмы, позволяющие визуализировать структурные модели трактов ТС на основе их структурно-топологической модели.

Практическая значимость результатов работы. Практическую значимость имеют:

• Онтология и база знаний о ресурсах ТС, обеспечивающие структурированность хранения, упрощение ввода и эффективность обработки информации.

• Правила вывода новых знаний, ранее не введённых в систему, что повышает эффективность заполнения базы знаниями.

• Программное обеспечение, основанное на универсальной авторской технологии преобразования и позволяющее выполнить миграцию сущностей из UML-модели стандарта SID в онтологическую модель, что частично автоматизирует формирование и наполнение онтологии.

• Программное обеспечение, разработанное с применением универсальной технологии, предоставляющей возможность конфигурирования условных графических обозначений, позволяющее выполнить визуализацию структурных моделей трактов ТС, в результате чего в наглядном виде отображаются структурные элементы тракта с заданным местоположением.

Реализация и внедрение результатов работы. Предложенные подходы, модели, алгоритмы и технологии используются в Филиале ОАО «Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы» - Магистральные электрические сети (МЭС) Западной Сибири, а также в учебном процессе ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО-Югры, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI и XII окружные конференции молодых учёных «Наука и инновации XXI века» (г. Сургут, 2010 и 2011гг.), IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодёжь и современные информационные технологии» (г.Томск, 2011г.), XII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2011г.), II Международная научно-

практическая конференция «Современное состояние естественных и технических наук» (г.Москва, 2011г.), XVII Международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации в моделировании и социальных технологиях» (г. Воронеж, 2012г.)

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2012614961).

Личный вклад автора. Общая постановка задачи и корректировка исследований были предложены научным руководителем Даниленко И.Н. Автор непосредственно построил математическую модель и 0\\^Ь-модель, описывающие ресурсы ТС, разработал алгоритмы и программное обеспечение для формирования онтологии и визуализации структурных моделей трактов, принимал частичное участие при заполнении базы знаний знаниями, характерными для Филиала ОАО «ФСК ЕЭС» - МЭС Западной Сибири и формировании правил вывода новых знаний.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и заключения, списка использованных источников из 119 наименований и 7 приложений. Содержит 25 рисунков, 22 таблицы.

1. Исследование способов описания ресурсов телекоммуникационных сетей

Процесс исследования описания ресурсов ТС в рамках структурно-топологической модели должен рассматриваться с двух позиций. С одной стороны, на этот процесс влияет выбор представления формата данных о ТС, что сказывается как на скорости ввода, хранения и обработки информации о ТС, так и на способах использования такого представления. С другой стороны, нельзя обойти без внимания существующие стандарты описания ТС, содержащие готовые способы представления, но, наверняка, не лишённые недостатков.

В данной главе рассматриваются различные подходы, позволяющие создать модель предметной области, а также стандарты описания ТС.

1.1. Современные по