Реферат: Представление и использование знаний об объектах

Реферат: Представление и использование знаний об объектах

Введение

За последние тридцать лет теория баз данных (БД) стала одним из основных

разделовинформатики, оказывающим сильное воздействие на развитие архитектуры

вычислительных систем, современную информационную технологию и

методологиюпроектирования автоматизированных информационных систем (АИС),

особенно банков данных (БнД). В последние годы в теории БД сложилось новое

направление научныхисследований, получившее название семантического,  или

концептуального,  моделирования в БД. Его основная цель - интеллектуализация

банков данныхи организация интерфейса конечного пользователя с информационной

системой на уровне представлений о предметной области, а не на уровне структур

данных.

Первоначально в теории БД основное внимание уделялось средствам эффективной

организацииданных и манипулирования ими. Так возникли получившие всеобщее

распространение три "великих", по выражению Дж. Ульмана, модели

данных:иерархическая, реляционная и сетевая. Одновременно стало ясным, что

эффективность новых информационных систем - банков данных - зависит не толькоот

характеристик технических средств и программного обеспечения, но и от

эффективности взаимодействия человек - машина. Перенос акцента на

конечногопользователя и привел в конечном счете к формированию нового

направления исследований в теории БД, непосредственно связанного с задачей о

представлениизнаний.   

В настоящее время определился основной подход к решению задач семантического

моделированияв базах данных. Он заключается в выделении двух уровней

моделирования: уровня концептуального моделирования ПО (предметной области) и

уровня моделированиясобственно базы данных. На верхнем уровне осуществляется

переход от неформализованного описания ПО и информационных потребностей

конечногопользователя к их формальному выражению с помощью специальных языковых

средств. Обсуждению возможных конструкций концептуальной модели ПО

посвящентеоретический раздел данного курсового проекта.

Формулировка цели КП

Целью данного курсового проекта является разработка теоретического и

практического материаладля обеспечения доступного изучения соответствующих

разделов по дисциплине Инженерия Знаний, а именно: представления знаний об

объектах, представлении ииспользовании знаний об отношении между объектами, а

также организации обобщенной информации на основе использования

мультииерархическойтаксономической структуры. Практические разработки данного КП

(структуры баз данных в СУБД Microsoft Access 2.0, а также приведенная  методика

создания этих структур в Access2.0) могут являться материалом для выполнения

лабораторных работ по дисциплине Инженерия Знаний при условии наличия

необходимых технических средств.

1. Теоретический раздел

Инженерия знаний - область информатики, в которой исследуются методы

представлениязнаний, манипулирования ими и поддержания их в актуальном

состоянии.

Информационная система - организованная совокупность технических и

обеспечивающих средств,технологических процессов и кадров, реализующих следующие

основные функции:

-сбор информации;

-хранение информации;

-поиск и обработка информации;

-передача информации;

                                  Модель ПО

                                   (понятийное знание)

                                     Система управления

                                         базами знаний              

     Пакеты                                                                    

База данных

прикладных

   программ

(процедурные

      знания)                                                               

Предметное знание

                        рис.1

Краеугольным камнем исследований последнего времени является понятие

"предметнаяобласть банка данных" (ПО) (enterprise, universe of discourse).

Совокупность объектов, о которых можно задавать вопросы, образует объектное ядро

предметнойобласти. Здесь слово "объект" употреблено как синоним слова "реалия";

не предполагается, что объекты обязательно имеютматериальную, "вещную" природу.

Термин "объект" также является первичным, неопределяемым понятием. (См. рис.2а)

Синонимами, помимоупотребленного выше слова "реалия", служат слова "сущность"

(entity), "вещь" (thing). Примеры объектов - отдельный студент, группастудентов,

аудитория, время занятий, слова, числа и т.д. Обычно считается, что быть

объектом - значит быть дискретным и различимым. По - видимому,

примеры"необъектов" - это мир, время, материя, смысл и т.п., хотя можно

представить ИС, в которой хранятся сведения об этих категориях.

             Объект                                                      

Предмет     

             первичное

         неопределяемое                                                         

 модель объекта

              понятие

             в качестве объектов

                   могут быть

абстракция

    не только физические,

         но и    объекты

             мышления

                          рис. 2а                                               

        рис.2б

Часто слово "объект" считается близким по смыслу слову "предмет".Однако

представляется удобным слово "предмет" использовать в том случае, когда объект,

существующий вне нас, становится носителем определеннойсовокупности свойств и

входит в различные взаимоотношения, которые представляют интерес для

потребителей информации, хранящейся в АИС. Другими словами, предмет- это объект,

ставший объектом рассмотрения, наблюдения, ставший носителем определенных

свойств. Один и тот же объект воспринимается разными системами какразные

предметы. Предмет является результатом абстракции реального объекта, результатом

огрубления действительности, при котором игнорируется бесконечноемногообразие

свойств и взаимодействий объекта. Таким образом, предмет - это модель реального

объекта: если объект имеет онтологический статус, то предмет -гносеологический.

(См. рис.2б)

Объекты могут быть простыми и сложными. Простыми называются объекты, которые для

даннойпредметной области считаются бесструктурными. Простые объекты

представляются совокупностью характеризующих их свойств. Внутренняя структура

простого объектане раскрывается.

Сложные объекты имеют определенный состав и структуру. Например:

    Студент     Иванов    учится   в   группе     АИ-2-93

Способы идентификации объектов:

1. Прямая идентификация. Основана на использовании имен объектов.

2. Косвенная идентификация. Основана на указании свойств объекта. В БД

косвеннаяидентификация основывается на использовании ключей.

Ключ - набор полей записи, значения которых однозначно определяют запись файла.

В конкретный момент времени состояние предметной области определяется

совокупностью объектови ситуаций, имеющих место в данный момент времени.

Пространство состояний предметной области - это класс всех возможных конечных

множествобъектной и системной предметной области.

Для описания динамики предметной области нужно рассмотреть траекторию предметной

области впространстве состояний.

Семантика предметной области определяется как общее свойство всех возможных

траекторий впространстве состояний.

На рис.3 предложена классификация ситуаций. Эта классификация рассматривает

свойства какспециальный случай ситуаций. Одновременно она вводит еще одно важное

понятие - понятие времени, которое явно или неявно присутствует при выделении

подклассовуказанной иерархии. Время выступает как множество отдельных моментов и

как множество интервалов (временное состояние, негомогенный процесс). В явном

видеструктуры этих множеств не фиксированы, хотя отношение следования между

моментами времени считается известным.

Следует различать реальное время внешнего мира и его отражение в ИС и в

источникахинформации. Внутри системы зависящие от времени взаимосвязи

фокусируются только после их регистрации источниками и передачи сообщений

информационной системе.

Другое понятие, также неявно участвующее в указанной классификации, - это

понятие пространства."Постоянными являются все свойства  и соотношения,

вытекающие из принадлежности объектов к той или инойтаксономической

категории..., свойства типов объектов, а также отношения кровного родства,

неотъемлемой принадлежности, относительное расположениенеподвижных предметов

..., свойства и отношения абстрактных объектов, не локализованные  в

пространстве". Вприведенном высказывании хочется обратить внимание еще на два

обстоятельства: для лингвиста несомненно наличие таксономических категорий

объектов, которыеобладают собственными свойствами, и наличие общих свойств у

объектов одной таксономической категории. Эти само собой разумеющиеся

обстоятельства широкоиспользуются в семантических моделях баз данных.

                                             ситуации

           статические                                              

динамические

  состояния               постоянные             процессы                 

события

                                свойства и

                                 отношения 

устойчивые     временные                            результаты       

происшествия

 рис.3

Ситуации сами являются объектами, поэтому могут обладать различными свойствами.

Введя пространство состояний, можно рассматривать в нем определенные

траекторииили последовательности состояний g0, g1, ..., gt,... , в которых

находится ПО в моменты времени 0, 1, ..., t, ... Члены такой последовательности

не могут быть совершенно произвольными, поскольку состояние gtобычно как - то

связано с предшествующими состояниями g0, g1,..., gt-1. Поэтому предметную

область можно определить как класс всех действительновозможных

последовательностей состояний. Такие последовательности называются

траекториямиПО. Совокупность всех общих свойств траекторий называется семантикой

предметной области.

Итог проведенных рассмотрений подведем следующей диаграммой,

классифицирующейобъекты в предметной области и дополняющей рис.3.

                                      Объекты ПО

материальные                                  нематериальные

                                         имена             понятия          

ситуации

                                                                           рис.4

Концептуальные средства описания предметной области

Эти средства обладают абстрактностью и универсальностью. В силу своей

абстрактности средстваописания стали называться  концептуальными.

Универсальность определяется общностью систем базовых понятий и

средствамипорождения новых понятий.

В исследованиях по искусственному интеллекту проблема описания предметной

области трактуетсякак проблема представления знаний, а соответствующие

концептуальные средства называются  схемой представления.

В теории БД принято говорить о концептуальном, или информационно -

логическом,моделировании ПО. Центральным понятием является понятие

концептуальной схемы (модели) ПО.

В силу свойства универсальности, описать средства построения концептуальной

схемы - это значитописать возможные состояния абстрактной предметной области,

которая предназначена для моделирования структуры и динамики произвольных ПО.

Понятия:

1. Тип объекта - должен иметь уникальное имя и все объекты предметной

областимогут быть отнесены к одному или нескольким типам.

t0 - тип объекта;

t0t - множество объектов типа t в момент времени t;

Эти множества могут пересекаться, если объект имеет несколько типов.

Тип объекта может сообщаться системе при первом упоминании этого объекта.

Тип объекта может определяться системой на основании свойств объекта с

помощьюклассифицирующих процедур.

Тип объекта может быть автоматически изменен при изменении состояния объекта.

2. Концептуальная схема предметной области - множество типов, снабженное

некоторойструктурой. Структура на множестве типов задается множеством отношений

и операций, определенными на множестве типов.

Обозначим j конечные множества объектов предметной области.

Для некоторого момента времени t можно выделить множество объектов типа (t1)obtи

(t2)obt, имеющих определенные соотношения, например:

          (t1)obt Ì(t2)obt

        (t1)obt Ç(t2)obt = 0

Если такие соотношения являются устойчивыми (не меняются во времени), то эти

свойствасостояния семантической предметной области.

Соотношения:

1. Родовидовое отношение SUP

t1 sup t2- t1 является подтипом t2  ((вид) является подтипом (род))

  Это соотношение задается между типами объектов. Оно верно, если

        " t   (t1)obt£ (t2)obt    

Эти отношения принято задавать графически. Типы объектов представляются

вершинами, аотношения между ними - ребрами.

Например:

                sup        Помещение         sup

     Учебное                                             Служебное

   помещение                                           помещение

sup                     sup                             sup                     

     sup

аудитория    лаборатория               помещение                   помещение

                                                             кафедры            

         деканата

                      рис.5

Следующая диаграмма описывает набор базовых типов объектов для любой

концептуальноймодели (См. рис. 6).

                                      Объект

                      sup                                   sup

Неопределенный                                  Определенный

         объект                        sup                      объект

                                                                        sup

Материальный                             Нематериальный

     объект                                                   объект

            sup             sup        sup             sup                  sup

    имя         время       понятие          ситуация           пространство

                                                    sup                   sup

                                                статическая            

динамическая

                                sup                                  sup

                                      пост. сит.            сост.

                                                         sup                    

       sup

                   рис.6                          уст. сост.               врем.

сост.  

Тип объекта является общим для всех предметных областей.

2. Отношение частичного порядка PART OF. Модель времени строится на

основанииконечного множества типов временных интервалов, на которых определено

отношение PART OF.

   ti  PART OF tj

     явл. частью

Каждый интервал типа ti является частью одназначно определенногоинтервала tj.

                             Время

         sup                                        sup

год                                                       неделя

   PART OF                               PART OF

месяц

  PART OF

сутки

  PART OF

час

  PART OF

минута 

PART OF

секунда

                рис. 7

Модель пространства строится на конкретном множестве, так же, как и времени, но 

по отношению к части окрестности.

(См. рис.8)

                                     пространство

     sup                                                                     

sup

страна                                                                 континент

 PART OF                                                               PART OF

область                                                       регион

    PART OF                          PART OF

населенный

   пункт

    PART OF     PART OF

город                 деревня

                               рис.8

3. Отношение принадлежности ISA

      Иванов А.И.  ISA  студент

    связывает имя объекта с его типом

4. Отношение INSTANCE OF (INS)

         Иванов   INS  АИ-1-93

  отношение может быть задано как на

         множестве имен, так и типов

   name (O1)  INS  name (O2)

  Если t1 INS t,

           t2  INS t,

            ..........

            tn INS   t,  то объект типаt может состоять из объектов

                         типов t1,t2...tn,причем объект типа t может включать

                         несколько объектов данных типов.

Это отношение (INS) применяется для множества дискретных объектов,

PART OF - непрерывных.

студент  INS   группа студентов

                                   лаборатория

           INS                                                               

INS

                                        INS

 сотрудники                      помещение                       оборудование

лаборатории                   лаборатории                      лаборатории   

   рис.9

Свойства этих отношений

1. PART OF и SUP обладают свойством транзитивности:

                   t1  SUP  t2;  t2 SUP t3

                           t1    SUP   t3

    доцент       SUP           SUP             сотрудник

                                преподаватель

                                              рис.10

       доцент SUP преподаватель ;  преподаватель SUP сотрудник

                                 доцент SUP сотрудник

Для отношения INS это свойство не выполняется:

2.     t1 INS t2; t2 INS t3; tn-1 INS tn        В графе отношения INS нет

          неверно, что tn INS t1                                                

      циклов

3.            t1 SUP t2; t2 INS t3

                       t1 INS t3  

лаборант  SUP сотрудник лаборатории ;  сотрудник лаборатории INS лаборатория

                                   лаборант  INS   лаборатория

                                     лаборатория

        INS

     сотрудник          INS

 SUP

      лаборант

               рис.11

4.    name (O) ISA t1 ; t1 SUP  t2

                name (O)  ISA  t2

   Москва ISA город ; город SUP населенный пункт

            Москва ISA  населенный пункт

Представление типов объектов

Конечное множество троек вида (t, ni, ti);

   где   t, ti  - типы объектов,

            ni  - имя атрибута,

    (Атрибуты - характеристики объектов или роли, которые они играют в

определенных ситуациях) i=1,..., к,

            ni¹nj, если i¹j,называется представлением типа t, если в каждый

момент времени ni: tобt® (ti)обt,

(ni - отображ. мн-во объектов типа t на мн-во объектов типа t1)

причем разным объектам О1 и О2 типа t соответствуют разныекартежи значений

функций ni

    {n1t(O1), n2t (O1,..., nkt(O1)}

    {n1t(O2), n2t(O2,...,nkt(O2)},

  последнее условие называется условием различимости объектов.

В качестве примера рассмотрим объект типа автомобиль:

                      t              ni                     ti  

           (автомобиль, марка, марка автомобиля)

           (автомобиль, номер, номер автомобиля)

           (автомобиль, цвет, цвет автомобиля)

   автомобиль(москвич, МКА-21-17, белый)

   автомобиль(жигули, МВА-11-25, красный)

Композиционный тип объектов

(ni , ti)  COMPONENT OF t

COMPONENT OF означает, что объект типа ti является компонентой объекта типа t.

                                         дата

         COMPONENT OF 

                                                                    COMPONENTOF 

        COMPONENT OF

год      n1                     число       n3                     месяц     n2

год      t1                      число       t3                         месяц  

t2

   рис.12

Пример композиционного объекта:

Ситуация "находится" (нах. человек в опред. помещении опред. время)

      t                                                    находится

      n1     участник ситуации n2  место ситуации n3  время ситуации

      t1      человек t2   помещение t3   время

      sup                           sup sup                          sup  дата

      ситуац. момент сит.

      учащиеся сотрудники аудитория лаборатор.       дата   момент

              ins                  ins число сит. месяц сит. год сит.час

      ситуации минута ситуации

              оборудование число месяц год час минута

Шаблонные высказывания

человек . . . находится в помещении . . . во время . . .

сотрудник . . . находится в аудитории . . . в . . . часов . . .минут . . .

. . . число . . . месяц . . . год

В шаблонные высказывания могут быть поставлены имена конкретных объектов.

Минимальное представление

    Представление {(t, ni, ti)i=1...k} называют минимальным, если при удалении "

из этих троек,оставшееся множество троек перестает быть представлением данного

типа объектов.

Пример:

t - аренда

t1 - объект аренды

t2 - арендатор

t3 - арендодатель

t4 - срок аренды

t5 - стоимость аренды

Функциональная зависимость

Предположим, задано представление

{(t, ni, ti)i=1...k}

  X={ti1, ..., tip}

  Y={tj1, ..., tjs}

Говорят, что компоненты Y функционально зависят от компонент X, если в любой

момент времениt для любых двух объектов О1, О2 Î tобtиз равенств: ni1t(O1) =

ni1t(O2)

               .   .   .

          nipt(O1) = nipt(O2),

 следуют равенства:

          nj1t(O1) = nj1t(O2)

                .   .   .

          njst(O1) = njst(O2)

Пример:                X={t4, t5,t6}    Y={t1, t2,t3}

      t                                                    Лекция

Страницы: 1, 2