Онтологический подход к построению структурно-топологической модели телекоммуникационных сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Нагорянский, Олег Николаевич

• Нагорянский, Олег Николаевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нагорянский, Олег Николаевич

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Исследование способов описания ресурсов телекоммуникационных сетей.

1.1. Современные подходы к описанию различных предметных областей.

1.1.1. Структурный подход.

1.1.2. Объектно-ориентированный подход.

1.1.3. Онтологический подход.

1.1.4. Сравнение подходов и моделей.

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

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

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

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

1.2.4. Сравнение стандартов и подходов.

1.3. Онтологический подход к описанию ресурсов телекоммуникационных сетей.

Выводы по главе.

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

2.1. Дескрипционные логики как формальная модель знаний предметной области.

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

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

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

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

2.2.4. Формальная модель правил вывода новых знаний.

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

2.3.1. Язык представления онтологий OWL.

2.3.2. Формирование онтологии, описывающей структурно-топологическую модель телекоммуникационных сетей.

Выводы по главе.

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

3.1. Трансляция модели классов стандарта SID в онтологическую модель.

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

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

3.1.3. Алгоритмы трансляции.

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

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

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

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

3.4. Обобщённая методика построения структурно-топологической модели телекоммуникационных сетей.

Выводы по главе.

4. Визуализация структурных моделей трактов телекоммуникационных сетей.

4.1. Актуальность представления структурной модели трактов телекоммуникационных сетей.

4.2. Разработка системы изображения структурной модели трактов телекоммуникационных сетей.

4.2.1. Общая концепция системы визуализации.

4.2.2. Построение изображений.

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

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

4.3.1. Модули расширения редактора.

4.3.2. Подсистема визуализации в контексте модуля расширений Protégé.

4.3.3. Алгоритмы графического построения структурной модели трактов телекоммуникационных сетей.

4.3.4. Модуль расширения «VisualTrails».

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Онтологический подход к построению структурно-топологической модели телекоммуникационных сетей»

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 научнопрактическая 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.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Нагорянский, Олег Николаевич

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате автором проведены исследования, разработаны теоретические положения и получено практическое решение, позволяющие описать структурно-топологическую модель телекоммуникационных сетей. В рамках указанных решений получены следующие основные теоретические и практические выводы и результаты:

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 телекоммуникационных сетей.

2. Обоснован процесс формализации знаний о ресурсах телекоммуникационных сетей на основе информационной модели SID, представленной в форме диаграмм классов UML. Разработана формальная модель на языке дескрипционных логик: установлены в общем виде соответствия конструкций языка UML аксиомам дескрипционных логик, в результате чего выбран язык SHIN, описывающий любую модель классов; показан переход от диаграмм классов стандарта SID к аксиомам дескрипционной логики SHIN, отражающим знания о структурно-топологической модели телекоммуникационных сетей. Разработана онтологическая модель на языке OWL эквивалентная формальной модели в дескрипционной логике SHIN, позволяющая представить знания в машиночитаемом виде удобном для автоматической обработки знаний. Кроме того, для формальной модели создана база правил вывода новых знаний, благодаря которым в системе можно получать знания, невведённые в систему явно - выполнить классификацию сущностей, определить значения некоторых свойств (установить диапазон ролей) в онтологии. Полученные модули позволили получить обощённую методику построения онтологической модели структурно-топологического представления ТС, заключающуяся в последовательном наполнении базы знаний интенсиональными и экстенсиональными знаниями.

3. Разработаны технология и авторские алгоритмы преобразования UML модели SID на язык онтологий OWL. На основе полученных алгоритмов на языке Java реализовано программное обеспечение для трансляции UML-модели телекоммуникационных сетей стандарта SID в онтологическую модель, причём возможности программы включают расширение существующей онтологии новыми версиями стандарта. Средствами реализованного программного обеспечения сформирована онтология структурно-топологической модели телекоммуникационных сетей на языке OWL.

4. Разработаны технология и авторские алгоритмы для построения схем структурных моделей трактов телекоммуникационных сетей. На основе полученных технологии и алгоритмов создана система визуализации схем, включающая возможность переконфигурирования условных графических обозначений и изменения сопоставления таких обозначений элементам онтологии, тем самым предоставляя гибкий механизм адаптации под динамически изменяющуюся предметную область.

Разработанное программное обеспечение интегрировано с редактором онтологий Protege, использующимся для проектирования и сопровождения онтологии. В результате создана система, обеспечивающая эффективное наполнение базы знаний знаниями, имеющая эргономичный интерфейс для расширения существующей модели, сочетающая воможности преобразования новых изменений в стандартах SID на язык OWL и возможности визуализации схем структурных моделей трактов, знания о которых извлекаются из используемой базы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нагорянский, Олег Николаевич, 2013 год

1. A Semantic Web Primer for Object-Oriented Software Developers Электронный ресурс. // W3C Working Group Note, 2006. Режим доступа: http://www.w3.org/TR/sw-oosd-primer/

2. Antoniou, G. Web Ontology Language: OWL / G. Antoniou and F. Harmelen // Handbook on Ontologies, 2009. pp.91-110

3. Atkinson, С On the Relationship of Ontologies and Models / C. Atkinson, M. Gutheil, K. Kiko // Proceedings of the 2nd Workshopon Meta-Modelling, 2006. P-96, 47-60

4. Baader, F. Basic Description Logic / F.Baader, W.Nutt // The Description Logic Handbook: Theory, Implementation and Applications. New York: Cambridge University Press, 2007. - pp.45-104

5. Baader, F. Description Logic Terminology / F.Baader // The Description Logic Handbook: Theory, Implementation and Applications. New York: Cambridge University Press, 2007. - pp.525-536

6. Baader, F. Description Logics / F. Baader, I. Horrocks, U. Sattler // Handbook on Ontologies, 2009. P.21-44

7. Bartalos, P. An Approach to Object-ontology Mapping / P. Bartalos, M. Bielikova // Software Engineering in Progress, CET-SET 2007, Poznan, Polsko, 2007. p. 67-79.

8. Berardi, D. Reasoning on UML class diagrams / D. Berardi, D. Calvanese, G. De Giacomo // Journal Artificial Intelligence. Vol. 168 Issue 1, October 2005. - pp. 70 -118

9. Brachman, R.J. An Overview of the KL-ONE Knowledge Representation System / R. J. Brachman, J. G. Schmolze // Cognitive Science 9(2): 171-216, 1985

10. Calvanese, D. On the decidability of query containment under constraints / D. Calvanese, G. De Giacomo, M. Lenzerini // In Proc. of the 17thACM SIGACT SIGMOD SIGART Symp. on Principles of Database Systems (PODS'98), 1998

11. Description logic programs: combining logic programs with description logic / B. N. Grosof, I. Horrocks, R. Volz, S. Decker // Proceeding WWW '03 Proceedings of the 12th international conference on World Wide Web. Pages 48-57

12. Eriksen, L.W. Code Reuse in Object Oriented Software Development Электронный ресурс. / L.W.Eriksen. Depth Study.NTNU, 2004. - Режим доступа: http://www.idi.ntnu.no/grupper/su/fordypningsprosjekt-2004/Eriksen2004.pdf

13. European Telecommunications Standards Institute (ETSI) Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.etsi.org

14. FaCT++: Tableaux-based reasoner for expressive Description'Logics Электронный ресурс. Режим доступа: http://owl.cs.manchester.ac.uk/fact++/

15. GB922 Addendum IP. Release 9.0. Information Framework (SID). Common Business Entity Definitions - Party. TeleManagement Forum, 2013

16. GB922 Addendum 5PR. Release 9.0. Information Framework (SID). Physical Resource Business Entity Definitions. TeleManagement Forum, 2010

17. GB922 Addendum-IL. NGOSS Release 4.0. Shared Information/Data (SID) Model. Addendum IL Common Business Entity Definitions - Location. TeleManagement Forum, 2010

18. GB922. Release 9.0 Information Framework (SID). TeleManagement Forum, 2010

19. Givan, R Polynomial-time computation via local inference relations / R. Givan, D. Mcallester //Journal ACM Transactions on Computational Logic (TOCL) TOCL Homepage archive. Vol. 3 Issue 4, 2002. - pp. 521 - 541

20. Glimm, В Conjunctive queryanswering for the description logic SHIQ / B. Glimm, I. Horrocks, C. Lutz, U. Sattler // Journal of Artificial Intelligence Research,31:157-204, 2008.

21. Grimm, S. Knowledge Representation and Ontologies / S. Grimm, P. Hitzler, A. Abecker // Semantic Web Services: Concepts, Technology and Applications. -Berlin:Springer, 2007. pp. 51-106.

22. Grose, T.J. Mastering XMI.Java Programming with XMI, XML and UML / T.J. Grose, G.C. Doney, S.A. Brodsky. New York: Wiley Computer Publishing, 2002

23. Gruber T.R A translation approach to portable ontology specifications / Thomas R. Gruber // Knowledge Acquisition. 1993. - Vol.5. - P.199 - 220

24. Guarino, N. Formal Ontology in Information Systems / N.Guarino // Proceedings of FOIS'98. 1998. - PP. 3-15.

25. Guarino, N. Formal Ontology in Information Systems / N.Guarino // Proceedings of the 1st International Conference. 1998

26. Guarino, N. What Is an Ontology? / N. Guarino, D. Oberle, and S. Staab // Handbook on Ontologies, 2009. PP. 1-17

27. Hermit OWL Reasoner: Reasoner for ontologies Электронный ресурс. / Information Systems Group Режим доступа: http://hermit-reasoner.com/

28. Horridge, M. A Practical Guide To Building OWL Ontologies Using The Protege-OWL Plugin and CO-ODE Tools Edition 1.0 /М. Horridge, H. Knublauch, A. Rector, R. Stevens, C. Wroe, 2006

29. Horrocks, I From SHIQ and RDF to OWL: The Making of a Web Ontology Language / I. Horrocks, P. F. Patel-Schneider, Frank van Harmelen // Journal of Web Semantics. -l(l):7-26, 2003.

30. Horrocks, I. A Tableau Decision Procedure for SHOIQ / I.Horrocks, U. Sattler // IJCAI'05 Proceedings of the 19th international joint conference on Artificial intelligence.Morgan Kaufmann Publishers Inc. SanFrancisco, CA, USA, 2005.34.