Методы и средства предикатно-онтологического контроля семантики проектных задач и проектных решений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Шамшев, Алексей Борисович

• Шамшев, Алексей Борисович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шамшев, Алексей Борисович

Введение.

Глава первая. КОРРЕКТНОСТЬ СЕМАНТИКИ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ И ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ.

1.1. Место и роль семантики в проектировании автоматизированных систем.

1.2. Работы с семантикой проектных задач и проектных решений.

1.2.1.Задачи концептуального проектирования.

1.2.2. Настройка технологических задач на онтологию проекта АС.

1.3. Предикатно-онтологический контроль семантики.

1.3.1. Анализ опыта контроля семантики.

1.3.2. Базовые установки диссертационного исследования.

1.3.3. Механизмы повторного использования в контроле семантики.

1.4. Постановка задачи исследований и разработок.

1.4.1. Обобщённая постановка задачи.

1.4.2. Вопросно-ответный анализ.

1.4.3. Мотивационно-целевые установки задачи исследований.

Выводы по первой главе.

Глава вторая. ЛОГИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕДИКАТНО-ОНТОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ.

2.1 .Подход к логико-математическому обеспечению.

2.2. Псевдофизика извлечения простых предложений из текстов.

2.3. Исходное формирование и нормализация предикатных моделей.

2.4.Модели в проверках на соответствие онтологии.

2.4.1. Деятельностный контекст проверок на соответствие онтологии.

2.4.2. Сопоставление вариантов употребления понятий.

2.4.3. Индикаторы развития онтологии.

2.4.4. Прерывания контроля на соответствие онтологии.

2.5. Модели синтаксемного анализа.

2.6. Семантика модальностей.

2.7. Анализ субъективных отношений.

2.7.1. Проблемы с пониманием, отсутствием или недостаточностью знаний.

2.7.2. Преждевременность предикации.

2.8. Контроль в управлении проектированием.

2.8.1. Обнаружение вопросов.

2.8.2. Идентификация и кодирование вопросов.

2.8.3. Обработка вопросов.

Выводы по второй главе.

Глава третья. МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРЕДИКАТНО

ОНТОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ.

3.1. Метод предикатно-онтологического контроля.

3.1.1. Теория метода.

3.1.2. Стратегия метода.

3.1.3. Тактика метода.

3.1.4. Детализации метода.

3.2 Методики предикатно-онтологического анализа.

3.2.1. Методика выбора предложения, которое проходит предикацию.

3.2.2. Методика синтаксемного анализа.

3.2.3. Pa6oT¿ с виртуальной закладкой рабочего словаря.

3.2.4 Методика развития (взаимодействия с) онтологией.

3.2.5. Обнаружение вероятностной модальности и нечёткости.

Выводы по третьей главе.

Глава четвертая. КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ПРЕДИКАТНО-ОНТОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ.

4.1. Архитектура, компоненты и механизмы комплекса LINA.

4.1.1. Архитектура.

4.1.2. Морфологический анализатор.

4.1.3. База опыта.

4.1.4. Некоторые вопросы реализации работы с семантикой модальностей.

4.2. Предикатно-онтологический контроль в разработке систем.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства предикатно-онтологического контроля семантики проектных задач и проектных решений»

Актуальность работы. Профессионально зрелые разработки сложных автоматизированных систем (АС) осуществляют в рамках специальных технологий, используя связную совокупность различных инженерий. В такой совокупности особое место занимают системная и программная инженерия, в рамках которых выделяют и, разумеется, применяют инженерию требований, инженерию безопасности и ряд других разновидностей инженерии, учитывающих специфику программных систем.

Отмеченный факт обусловлен тем, что за каждой инженерией стоит (подготовленный для его повторных использований) опыт «творческого применения научных знаний для приемлемого решения определённых практических задач». Заметим, что приемлемость решения определяется предварительно оговоренными или разумными расходами финансов, времени, материалов и/или других ресурсов.

Инженерные формы создания АС вводят в процессы их проектирования дисциплину, включающую в нормативную систему действий меры по предотвращению ошибок проектирования и действия по их выявлению и коррекции. К сожалению, практика разработок сложных АС регулярно демонстрирует, что проблема ошибок проектирования существует и является очень дорогостоящей, на что указывает чрезвычайно низкая степень успешности разработок АС, которые в зарубежной терминологии получили название «систем, интенсивно использующих программное обеспечение». Статистика последних 15-ти лет констатирует безоговорочный успех разработок АС только на уровне 30-40%.

Известны и применяются различные подходы к решению проблемы ошибок проектирования, в число которых входят совершенствование технологий и их расширяющаяся автоматизация, формализация особо опасных действий, внедрение логических средств в проверки результатов проектирования.

Под особый контроль теоретиков и практиков попали ранние этапы разработок АС, особенно этап их концептуального проектирования, когда на естественно-профессиональном языке документируется эскизное представление АС, формулируются базовые постановки проектных задач и специфицируются требования, ошибки в которых чаще всего приводят к фатальным для АС последствиям.

Но, как уже сказано выше, успешность разработок АС низка, а значит что-то очень важное в мерах, действиях и средствах предотвращения и/или выявления ошибок проектирования ещё не найдено. Это и указывает на актуальность исследований и разработок, нацеленных на снижение негативных последствий, обусловленных проблемой ошибок проектирования.

В диссертационной работе исследуется возможность снижения количества ошибок проектирования в текстах постановок задач и формулировках проектных решений (по ходу разработок АС) за счёт оперативного контроля их семантики, переход к которой осуществляется по образцу машинного перевода на язык предикатов. Специфику перехода к семантике определяет сопоставление выделенных предикатов с онтологическим эталонами, которые формируются в предикативном анализе текстовой информации и регистрируются в онтологии проекта.

В диссертационной работе роль области исследований возложена на меры, действия и средства предотвращения ошибок проектирования и/или их выявления и коррекции в концептуальном проектировании АС.

Направление исследований в диссертации связано с инструментально-технологическими методами и средствами, которые введены в процесс разработки АС специально для контроля семантики проектных задач и проектных решений.

Функции объекта исследований в диссертации выполняют методы и инструментально-технологические средства контроля семантики проектных задач и проектных решений, использующие тезаурусы и онтологии проектов.

Роль предмета исследований в диссертации возложена на методы и средства, в которых ошибки проектирования обнаруживаются в процессах предикативного анализа проектной текстовой информации, использующего оперативное сопоставление используемой семантики с онтологическими нормативами, зарегистрированными в текущем (на момент анализа) состоянии онтологии проекта АС.

Целью исследований является снижение количества семантических ошибок в формулировках проектных задач и проектных решений на концептуальном этапе проектирования АС и, тем самым, повышение степени успешности разработок АС.

Сущность диссертационной работы связана с решением следующих научно-технических задач:

1. Выявить источники возможных семантических ошибок в объектах контроля семантики, причины их появления и меры по предотвращению ошибок, их выявлению и коррекции.

2. Исследовать и разработать средства извлечения объектов контроля из текстов постановок задач и проектных решений.

3. Исследовать и разработать механизмы построения предикатных моделей объектов контроля.

4. Создать систему прецедентов, обслуживающих процессы предикатно-онтологического контроля, и материализовать её в виде базы прецедентов.

5. Разработать предикатно-онтологический контроль в версии, допускающей комплексирование с инструментально-технологическими средствами разработки АС.

6. Создать методическое обеспечение комплекса средств, обеспечивающего предикатно-онтологический контроль семантики.

7. Провести испытания комплекса средств предикатно-онтологического контроля.

Научную новизну составляют:

1. Метод предикатно-онтологического контроля постановок проектных задач и формулировок проектных решений, в основу которого положена проверка семантики вариантов употребления понятий на их соответствие нормативным значениям, зарегистрированным в онтологии проекта, что способствует обнаружению и коррекции семантических ошибок, адекватному пониманию семантики задач и решений, а также вводит в процесс проектирования полезную управляющую составляющую.

2. Метод извлечения предикатов из проектной текстовой информации, в основу которого положены группирование лексем предложений (с возможностью редактирования состава групп проектировщиком) и их синтаксемный анализ, что приводит к визуальному разделению сложных предложений на простые и их автоматическому семантическому контролю, указывающему на ошибки, связанные с синтаксемной семантикой.

3. Псевдофизическая модель предложений текстов постановок задач и формулировок проектных решений, в которой оперативное назначение характеристик словам-псевдообъектам и их группирование производится автоматически с помощью морфологического анализатора, что существенно снижает требования к лингвистической компетенции проектировщиков в обработке текстовой проектной информации.

4. Библиотека моделей синтаксем для анализа семантики предикатов, извлеченных из постановок задач и формулировок проектных решений, каждая из моделей которой представляет соответствующую синтаксему в виде прецедента, что существенно повышает степень автоматизации синтаксемного анализа и контроля

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, логичностью рассуждений (использующих, в том числе, вопросно-ответную формализацию), а также опытной эксплуатацией разработанных средств.

Основные положения, выносимые на защиту, включают:

1. Метод предикатно-онтологического контроля постановок проектных задач и формулировок проектных решений, в основу которого положена проверка семантики вариантов употребления понятий на их соответствие нормативным значениям, зарегистрированным в онтологии проекта.

2. Псевдофизическая модель предложений текстов постановок задач и формулировок проектных решений, в которой оперативное назначение характеристик словам-псевдообъектам производится автоматически с помощью морфологического анализатора.

3. Метод извлечения предикатов из проектной текстовой информации, в основу которого положены псевдофизическое группирование лексем предложений (с возможностью редактирования состава групп проектировщиком) и их синтаксемный анализ.

Практическая ценность. Разработаны набор базовых средств моделирующего комплекса WIQA.NET, обслуживающего проектирование сложных автоматизированных систем, а также комплекс средств, обеспечивающий реализацию предикатно-онтологического контроля семантики проектных задач и проектных решений.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные программные средства и комплекс методик их использования реализованы в рамках НИОКР, выполненной в ФНПЦ ОАО НПО «Марс».

В первой главе диссертационной работы раскрываются вопросы, связанные с системной инженерией, жизненного АС, роль онтологии в жизненном цикле АС, обосновывается необходимость использования семантического контроля в жизненном цикле АС. Обосновывается необходимость учета коллективной деятельности во время реализации АС. Показывается, по каким причинам используется инженерия требований, и её стандарты. Упоминаются вопросы профессиональной зрелости программ, приводится обзор методик работы с требованиями.

Во второй главе представлены модели, предложенные и специфицированные для проведения предикатно-онтологического контроля. Также представлены установки подхода:

1. Стратегически формализмы должны обслуживать автоматизированный (машинный) перевод с естественно-профессионального языка проекта Ьр на этот же язык Ьр, но с обязательным переходом через язык семантики.

2. Тактика действий по машинному переводу должна быть нацелена на формализмы, помогающие в обнаружении семантических ошибок.

3. Любые оперативные действия проектировщика, если они связаны с лингвистикой текстов, а также сложных и простых предложений, должны относиться к прецедентам, формальные «условия» каждого из которых легко понять и проверить, а формализованную «реакцию» -автоматизировано выполнить по заданной методике.

4. Формализмы, которые проектировщикам приходится использовать в их части автоматизированных действий, должны носить теоретико-множественный характер и/или относиться к логикам классов (акцентирующих внимание на объектах, их свойствах и отношениях между объектами).

5. Главным требованием к формализмам, которые вложены в компьютерную часть автоматизированных действий и могут быть скрыты от проектировщиков, является их полезность в оперативных действиях проектировщиков, в первую очередь, в действиях с визуальными представлениями.

В третьей главе диссертации раскрыты механизмы предикатно-онтологического контроля, приведены их детали. В основу метода положен автоматизированный (машинный) перевод с естественно-профессионального

Р Р языка проекта Ь на этот же язык Ь , но с обязательным переходом через язык семантики. Функции языка семантики возложены на язык предикатов. Процесс перевода осуществляется с помощью прецедентов. В реализацию метода предикатно-онтологического контроля входит псевдофизическое моделирование, проверка на соответствие онтологии, синтаксемный анализа, анализ модальностей, обнаружение, кодирование и обработка вопросов, база опыта, протокол.

В четвёртой главе раскрываются вопросы реализации системы предикатно-онтологического контроля. Так же раскрываются вопросы общей архитектуры \VIQA из-за интеграции предикатно-онтологического контроля с ней. Приводятся результаты использования метода.

В приложение к диссертационной работе вынесены библиотека синтаксем и библиотека прецедентов, использованных во время использования разработанного программного решения.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Шамшев, Алексей Борисович

Выводы по четвертой главе

1. На рациональность реализации комплекса средств предикатно-онтологического контроля LINA существенное воздействие оказало использование паттернов (образцов) проектирования.

2. Реализацию комплекса LINA существенно упростило использование агентных механизмов (серверные и клиентские программные агенты) и прецедентов, представляющих лингвистические правила.

3. Эксперименты с методом предикатно-онтологического контроля подтвердили его результативность. Семантические ошибки обнаруживались даже в тех проектах, к которым уже были применены традиционные методы обнаружения ошибок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя обобщающий итог диссертационному исследованию и практическим разработкам, реализованным на базе результатов исследований, можно утверждать следующее:

Цель исследований, направленная на снижение количества семантических ошибок в формулировках проектных задач и проектных решений на концептуальном этапе проектирования АС и, тем самым, повышение степени успешности разработок АС, достигнута.

Получены научные результаты:

1. Метод предикатно-онтологического контроля постановок . проектных задач и формулировок проектных решений, в основу которого положена проверка семантики вариантов употребления понятий на их соответствие нормативным значениям, зарегистрированным в онтологии проекта, что способствует обнаружению и коррекции семантических ошибок, адекватному пониманию семантики задач и решений, а также вводит в процесс проектирования полезную управляющую составляющую.

2. Метод извлечения предикатов из проектной текстовой информации, в основу которого положены группирование лексем предложений (с возможностью редактирования состава групп проектировщиком) и их синтаксемный анализ, что приводит к визуальному разделению сложных предложений на простые и их автоматическому семантическому контролю, указывающему на ошибки, связанные с синтаксемной семантикой.

3. Псевдофизическая модель предложений текстов постановок задач и формулировок проектных решений, в которой оперативное назначение характеристик словам-псевдообъектам и их группирование производится автоматически с помощью морфологического анализатора, что существенно снижает требования к лингвистической компетенции проектировщиков в обработке текстовой проектной информации.

4. Библиотека моделей синтаксем для анализа семантики предикатов, извлеченных из постановок задач и формулировок проектных решений, каждая из моделей которой представляет соответствующую синтаксему в виде прецедента, что существенно повышает степень автоматизации синтаксемного анализа и контроля

Практическую ценность работы составляет разработанный набор базовых средств моделирующего комплекса WIQA.NET, обслуживающего проектирование сложных автоматизированных систем, а также комплекс средств, обеспечивающий реализацию предикатно-онтологического контроля семантики проектных задач и проектных решений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шамшев, Алексей Борисович, 2010 год

1. Соммервилл И., инженерия программного обеспечения. М. : Вильяме, 2002 623 с.

2. Липаев В.В., Программная инженерия. Методологические основы. М. : ТЕИС, 2006 606 с.

3. Девятков В.В., Системы искусственного интеллекта. Москва : Издательство МГТУ имени Н.Э.1. Баумана, 2001 -351 с.

4. Rational Unified Process. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.rational.com/.

5. Бергстрём С., Роберг Л. Rational Unified Process Путь к успеху. Руководство по внедрению

6. RUP. Пер. с англ. М. Бином, 2004, 256 с.

7. Крачтен Ф. Введение в Rational Unified Process. M.: Вильяме, 2002, 240 с.

8. Кролл П., Крачтен Ф. Rational Unified Process это легко: Руководство по RUP для практиков.

9. Пер. с англ. М.: КУДИЦ-Образ, 2004 - 427 с.

10. Поллис Г., Огастин Л., Лоу К., Мадхар Дж. Разработка программных проектов на основе

11. Rational Unified Process (RUP). M.: Бином, 2005 - 256 с.

12. Clirzaszcz J., Jouannaud J.P. From OBJ to ML to Coq: Статья. Электронный ресурс.- Режимдоступа: http://ww\v.lix.polytechnique.fr/~jouannaud/articlcs/objmlcoq.pdf.

13. Telelogic Tau.: Официальный сайт. Электронный ресурс.— Режим доступа:vvww.telelogic/corp/products/

14. Budkovvski S., Deinbinski P., Diaz M. ISO standardized description technique ESTELLE.: Статья.

15. Электронный ресурс.- Режим доступа: ■http://www.cs.uga.edu/~kochut/Teaching/8060/presentations/papers/protocols.

16. IEEE Std 1233-1996, IEEE Guide for Developing of System Requirements Specifications.:

17. Официальный сайт. Электронный ресурс. Режим доступа: http://standards.ieee.org/. .

18. The B-Toolkit.: Сайт разработчика. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.bcore.com/ONLINEDOC/BToolkit.html.

19. CZT проект: Официальный сайт. Электронный ресурс. — Режим доступа:http://czt.sourceforge.net/

20. Elementary-REAL.: Официальный сайт. Электронный ресурс. — Режим доступа:http://www.ict.nsc.ru/ru/sci/rep98/mnf.litml.

21. Paige R. An Overview of Eiffel.: Руководство. Электронный ресурс. Режим доступа:http://docs.happycoders.org/orgadoc/dev/eiffel/eiffel-overvievv.pdf.

22. SmartEiffel The GNU Eiffel Compiler, Tools and Libraries.: Официальный сайт. Электронныйресурс. Режим доступа: http://smarteiffel.loria.fr/.

23. Ануреев И.С. Язык спецификаций SIMPLE: Статья. Электронный ресурс. Режим доступа:http://www. ict.nsc.ru/vvs/Lyap2001/2201/.

24. Земцов H.A., Ступников С.А. Формальное моделирование спецификаций процессов длякомпозиционного проектирования потоков работ.: Статья. Электронный ресурс.-Режим доступа: http://synthesis.ipi.ac.ru/synthesis/publications.

25. Simon S, Sankar К. Foundations of Soft Case-Based Reasoning . 2004 274 c.

26. Джексон П. Введение в экспертные системы. M. : Вильяме, 2001 624 с.

27. Джарратано Д. Экспертные системы. Принципы разработки и программирование. М. :1. Вильяме, 2007 1152с.

28. Соснин П.И., Шамшев А.Б., Комплекс средств контроля семантики проектных задач ипроектных решений, б.м. : Автоматизация процессов проектирования. № 3(21). 2010 г. ФНПЦ ОАО «НПО Марс» с. 55-62.

29. Соснин П.И. Вопросно-ответное моделирование в разработке автоматизированных систем.

30. Ульяновск : изд-во УлГТУ, 2007 г.

31. Скобликова Е.С. Современный русский язык: Синтаксис сложного предложения

32. Теоретический курс). Изд-во СамГПИ Изд-во «Самарский университет», Самара, 1993 -226с. .

33. Волков Е.А. Численные методы: Учебное пособие. 4-е изд., стер. СПб.: Издательство «Лань»,2007.-256 с.

34. Лапчик, М.И. Рагулина, Хеннер Е.К.;Численные методы:. Учеб. Пособие дл етуд. Вузов/М.П.

35. Под ред. М.П. Лапчика. 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Акажемия», 2005 - 384 с.

36. Вержбицкий В.М. Основы численных методов: Учебник для вузов. М.: Высш. шк., 2002. -840с.29