автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка математического и программного обеспечения систем управления знаниями на основе семантических сетей для поиска информации

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Московская государственная академия приборостроения и информатики

На правах рукописи

Чепайкин Алексей Олегович

Разработка математического и программного обеспечения систем управления знаниями на основе семантических сетей для поиска информации

Специальность 05.13.11 - «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Л.П. Коричнев

Научный консультант -доктор технических наук, профессор И.Ю. Каширин

к

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение_5

Глава 1. Системы управления знаниями_11

1.1. Применение систем управления знаниями в поиске информации_11

1.2. Функции экспертной системы в системе управления знаниями_17

1.3. Модели представления знаний_23

1.3.1. Логические модели_25

1.3.2. Семантические сети_26

1.3.3. Фреймы_29

1.3.4. Продукционные системы_30

1.3.5. Нейронные сети_32

1.4. Определение универсальной алгебры _36

1.5. Понятие нечетких множеств_38

Основные результаты_41

Глава 2. Система управления знаниями для поиска информации в БД, основанная на семантических сетях __43

2.1. Структура системы поиска информации на основе систем управления знаниями_43

2.2. Описание семантической сети_47

2.3. Определение отношений на семантических сетях_54

2.4. Определение операций над семантическими сетями_58

Основные результаты_61

Глава 3. Поиск информации в БД с использованием системы управления знаниями__62

3.1. Механизм логического вывода_62

3.2. Модель пользователя_67

3.2.1. Понятие модели пользователя_67

3.2.2. Формирование модели пользователя_68

3.2.3. Классификация моделей пользователя_69

3.2.3.1. Векторная модель_70

3.2.3.2. Сетевая модель____ 71

3.2.3.3 Генетический граф___ 71

3.2.3.4 Модель ошибок____ 72

3.2.3.5 Модель фалынправил___ 72

3.2.3.6 Модель ограничений_73

3.2.4. Определение модели пользователя для системы поиска информации на основе ЭС_74

3.3. Модель действий пользователя_77

3.4. Применение модели пользователя для поиска информации_79

Основные результаты_89

Глава 4. Программная реализация системы поиска информации с использованием информационно-документальной базы знаний _91

4.1. Определение основных задач реализуемых программным пакетом_91

4.2. Архитектура системы поиска информации_92

4.3. Технические и программные средства для создания и функционирования системы поиска информации_101

4.4. Проектирование интерфейса эксперта для системы приобретения знаний_102

4.5. Принципы функционирования системы поиска информации_105

4.5.1. Определение названия модели предметной области_106

4.5.2. Выделение и ввод понятий с отношениями между ними_106

4.5.3. Ввод документов и определение принадлежащих ему понятий_107

4.5.4. Поиск информации в информационно-документальной

базе знаний_108

Основные результаты_113

Заключение _114

Литература

116

Приложение 1 Фрагменты текста программы_127

Приложение 2 Экранное представление функционирования программы "Семантик"_144

Приложение 3 Документы по внедрению_148

Введение

Актуальность проблемы. Системы управления знаниями в настоящее время с успехом используются во многих областях применения автоматизированных информационных систем, ориентированных на интеллектуальные методы. С другой стороны, информатизация современного общества привела к появлению крупнейших информационных банков в различных отраслях научно-технических знаний. Попытки разработки и внедрения многокритериальных систем классификации информации, а также автоматизации информационного поиска пока не приводят к сколько-нибудь существенным результатам с точки зрения увеличения релевантности и комфортности информационного поиска.

Развитие новых информационных технологий и образование реальной всемирной компьютерной сети настоятельно требует предоставления новых возможностей получения актуальной информации и знаний, которые предприятия и физические лица могут использовать в своей деятельности. Таким образом, возникает проблема интеллектуального поиска необходимой пользователю научно-технической и технологической информации. Решение этих проблем может быть найдено в развитии методологии проектирования систем управления знаниями для информационного поиска.

На современном этапе к числу проблем поиска информации можно отнести следующие.

• При получении пользователем большого объема информации в результате автоматизированного поиска много времени затрачивается на ее просмотр и выбор, в то время, как даже простой выбор необходимой информации зачастую представляет собой нелегкую проблему.

• Выбор информации, осуществляемый человеком, нередко не является рациональным и строго последовательным, что существенно осложняет поиск информации.

• Пользователь при поиске информации обычно не строго определяет цель поиска, то есть использует нечетко определенные понятия.

Недостатки существующих систем управления знаниями заключаются в том, что при построении с целью поиска персональной модели знаний для организации или пользователя и при последующем поиске информации в базе знаний не учитываются отношение к знанию пользователя и взаимодействие элементов информации между собой, что ведет к увеличению объема выборки из баз данных.

Процедура проведения поиска информации, необходимой пользователю, предполагает в ходе опроса выявление ключевых понятий поиска и их значимости для пользователя.

Наиболее известными результатами, которые можно использовать в рассматриваемой области, являются теоретические концепции построения экспертных систем, моделей представления знаний, универсальных алгебр, нечетких множеств и применение теории выбора. Эти вопросы освещены, в частности, в работах Попова Э. В., Дородницына A.A., Поспелова Г.С., Поспелова Д.А., Минского М. JL, Нильсона Н., Глушкова В.М., Заде JL, Кофмана А., Саати Т., Айзермана М.А. и др.

Использование формального подхода к построению модели предметной области для информационного поиска является малоизученной проблемой. Решение этой проблемы позволило бы упростить не только идентификацию свойств модели предметной области, но и облегчить процесс обработки и поиска информации, необходимой пользователю. Наиболее пригодным математическим аппаратом автоматизации решения упомянутых проблем являются семантические сети, универсальные алгебры и нечеткие множества, позволяющие автоматизировать процесс построения и обработки модели предметной области.

В диссертации предлагается новый подход к построению и обработке модели предметной области для систем управления знаниями, ориентированными на поиск информации, а также новый подход к созданию систем управ-

ления знаниями для поиска информации в информационно-документальной базе знаний.

Целью работы является разработка и исследование способов построения систем управления знаниями, используемых при поиске информации. Исходя из цели, в работе поставлены следующие задачи исследования:

- определение формальной модели построения предметной области, используемой при создании информационно-документальной базы знаний,

- создание модели пользователя, используемой при поиске информации,

- описание новых механизмов логического вывода, используемых при поиске информации в информационно-документальной базе знаний,

- создание методики извлечения знаний для формирования персональной модели знаний пользователя с целью последующего поиска информации;

- выработка проектных решений по программной реализации компонентов системы поиска информации.

Методы исследования. Исследования осуществлялись на основе теории алгоритмических алгебр, теории множеств, теории нечетких множеств, теории принятии решений, методов структурного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. Предложена концепция генерации возможных альтернатив выбора документов, в основе которой используется гипотеза о подобии: для выбранного документа находится другой документ, базовые понятия которого наиболее близки по смыслу понятиям выбранного. На основе предложенной концепции разработаны:

1) методика построения модели предметной области на основе семантической сети информационно-документальной базы знаний,

2) сформулированы основные принципы построения механизма логического вывода для выбора информации, основанного на теории принятия решений,

3) методология выбора необходимой пользователю информации из информационно-документальной базы знаний,

4) алгоритм определения количества групп документов в информационно-документальной базе знаний для их эффективной идентификации;

5) предложен механизм извлечения знаний эксперта, основанный на многослойных репертуарных решетках Келли.

Практическая ценность. Результаты работы являются основой для проектирования систем управления знаниями, используемых при поиске информации. Предложенные в диссертации формализм и методы позволяют производить поиск документов, необходимых пользователю, предлагать возможные альтернативные документы, обеспечить построение последовательной цепочки выдачи документов для пользователя по степени релевантности.

Результаты диссертации нашли отражение в реальной программе "Семантик", предназначенной для построения информационно-документальной базы знаний и поиска информации, необходимой пользователю.

Разработанные средства могут быть приняты за основу при создании систем управления знаниями, используемыми для поиска информации в распределенных информационных системах, глобальных и локальных сетях типа Internet и Intranet.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в Научно-информационном центре проблем интеллектуальной собственности (г. Москва); в Рязанском Центре научно-технической информации, а также в учебном процессе в Рязанской государственной радиотехнической академии.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении дается обоснование актуальности темы работы, сформулированы цели исследования, кратко излагается содержание диссертации.

Первая глава посвящена обоснованию темы диссертации В главе определяются основные цели и задачи разработки и анализа систем управления знаниями, приводится обзор работ по теме диссертации, вводятся основные понятия и определения. Особое внимание уделено вопросам построения экспертных систем, использованию моделей представления знаний, универсальных алгебр и нечетких множеств.

Во второй главе рассматривается структура системы поиска информации на основе экспертной системы. Введено понятие информационно-документальной базы знаний. Рассматриваются основные операции, отношения и структуры, образованные информационно-документальной базой знаний, основанной на семантической сети.

Третья глава посвящена вопросам поиска информации в информационно-документальной базе знаний, описано построение моделей пользователя и обучаемого, моделей действий пользователя и обучаемого. Спроектирован новый алгоритм получения предварительного определения количества групп документов в информационно-документальной базе знаний для эффективной идентификации документов.

В четвертой главе приводится постановка задачи проектирования программы поиска информации на основе системы управления знаниями. Приведена архитектура системы поиска информации "Семантик". Рассмотрена структура информационно-документальной базы знаний, приводится ее инфо-логическая схема. Затронуты принципы построения информационно-документальной базы знаний, приведены основные классы, описывающие поиск информации для конкретного пользователя.

В заключении проводится обобщение основных результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-техническом семинаре "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях", Москва, 1997 г.; на 2-ой научно-практической конференции "Человек, эколо-

гия, здоровье", Рязань, 1997 г.; на 2-ой Всероссийской научно-практической конференции " Современные информационные технологии в образовании ", Рязань, 13-14 мая, 1998 г.; на 2-ой Международной научно-технической конференции "Моделирование и исследование сложных систем", Москва, 1998 г.; на Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет, 3 -4 февраля, 1999 г.; а также на научных семинарах кафедры ВПМ РГРТА.

Публикации. По результатам работы диссертационного исследования опубликовано 12 печатных работ.

Глава 1. Системы управления знаниями

1.1. Применение систем управления знаниями в поиске информации

Проблема формализации человеческого опыта, создания интерактивных систем поиска информации в сложных, распределенных массивах информации, которые плохо формализуются, все более привлекает сейчас специалистов по системному анализу и искусственному интеллекту. Важность ее объясняется, в первую очередь, необходимостью анализа слабо структурированных массивов данных.

Информация, существенный компонент в сегодняшней интеллектуальной экономике, является динамической, дорогой и непрерывно изменяемой. Постоянное овладение новой и необходимой информацией оказывает существенное влияние на работу организаций. Имеются четыре области, на которые могут опираться организации для получения информации: информационный интерес, интеллектуальный капитал и управление знаниями, ревизия информационных ресурсов и виртуальные информационные сети. Эффективное использование этих областей может обеспечить организации персональное и профессиональное конкурентоспособное преимущество в экономической деятельности^ 1 - 3].

Моделирование процесса обработки информации и принятие решений человеком, экспликация и формализация тех соображений, которыми руководствуется человек при выборе информации из массива данных, могут оказаться весьма полезными при создании систем поиска информации, необходимой человеку.

В настоящей работе рассматриваются системы управления знаниями, используемыми для сбора, обработки и выдачи информации пользователю. Под управлением знаниями понимается процесс получения знания из доступных пользователю источников и выдача ему полученного знания[4 - 6]. Это

опирается на две основы: использование и эксплуатация информации, которой может владеть организация. Управление знанием помогает отслеживать временное изменение информации для организаций. Это форма централизованного экспертного управления, которое сосредоточено на использовании экспертизы специалистов в представлении знания. К типичным инструментальным средствам управления знаниями относят программные системы: World Wide Web, Lotus Notes, Internet, и Intranets. Разработки в области искусственного интеллекта, такие как интеллектуальные агенты, базы знаний, открытые знания, онтологии и экспертные системы, также играют важную роль в системах управления знаниями.

Типичная архитектура системы управления знаниями приведена на рис. 1.1 [5, 7, 8]. На увеличение используемости систем управления знаниями влияет несколько факторов.

• Влияние окружающей среды. Под влиянием окружающей среды понимается увеличение поступающей информации от различных источников. Возникает проблема определения: "является поступившая информация важной или нет для дальнейшего применения?" Глобализация и географическое распределение ресурсов также создают спрос на системы управления знаниями.

• Развитие технологий. Развитие технологии позволило за счет образования Internet облегчить создание систем управления знаниями. Практически все использование систем управления знаниями строится на основе броузеров Internet[9 - 12].

• Способность создавать ценную информацию. Системы управления знаниями позволяют создавать новое знание, преобразовывая информацию и доступное знание для индивидуального использования.

Процесс управления знаниямм строится по следующей схеме (рис. 1.2.):

1) создание (приобретение) знания - используется экспертная система для создания знаний, формируется база данных общения с пользователем;

Пользователь

Рис. 1.1. Архитектура системы управления знаниями

2) организация (сохранение) знания - создается репозитарий знаний, используются инструменты корректировки созданных (приобретенных) знаний;

3) распределение знания - создается репозитарий знаний, используются инструменты поиска для распределения скорректированных знаний;

4) применение знания - используется общение с пользователем системы