Разработка онтологии трикотажа в программной среде Protege (стр. 2 )

Толщина нити характеризуется ее линейной плотностью Т, текс (г/км). Зная линейную плотность нитей, из которых образован трикотаж, можно определить их диаметр, который зависит от многих факторов: плотности вещества нитей γ, г/см3, объемной массы нити δ, г/см3, структуры нитей, морфологических характеристик волокна (формы поперечного сечения, извитости).

Толщина трикотажа М, мм, определяется ее измерением при определенных условиях (давлении) на толщиномерах или по срезам поперечного сечения на измерительных оптических приборах. Упомянутые выше количественные характеристики могут быть определены путем непосредственного подсчета или измерения на образцах трикотажа. Их обычно относят к важнейшим геометрическим характеристикам. Все другие количественные характеристики трикотажа являются производными, или косвенными.

Важнейшие эксплуатационные свойства трикотажных изделий зависят, прежде всего, от вида переплетения, свойств пряжи (нитей) и отделки. Удобство, прочность, комфортность – основные потребительские качества трикотажных изделий. Многократные растягивающие воздействия ухудшают стойкость трикотажа, при этом может происходить механическое разрушение. Прочность на истирание, распускаемость, упругость, усадка полотен влияют на срок службы, надежность трикотажа. С учетом гигиенических свойств трикотажные изделия должны быть безвредны, не должны выделять ядовитые химические вещества и посторонние запахи в любое время года и при любой погоде. Изделия из трикотажа должны быть гигроскопичны, что особенно важно для бельевого трикотажа, воздухопроницаемы, теплозащитны. В трикотажных полотнах часто применяют синтетические волокна, которые накапливают и долго сохраняют заряды статического электричества. Действие статического электричества определенной полярности на организм человека связано с нарушением обмена веществ, изменением кровяного давления, повышением раздражительности и утомляемости. Для уменьшения электризуемости полотна из синтетических материалов обрабатывают антистатическими препаратами.

Трикотажные изделия должны соответствовать моде. Основные эстетические свойства трикотажных полотен – фактура, цветовое решение, прозрачность, блеск и матовость, стабильность формы в процессе эксплуатации, драпируемость. Фактура полотен может быть шероховатая, гладкая, ворсовая. Она оказывает влияние на зрительное восприятие массы, объема изделия. На качество трикотажного изделия влияют конструкция, качество изготовления, отделка.

Таким образом, основные понятия и определения, описывающие элементы структуры трикотажа, а также его качественные и количественные характеристики впоследствии могут быть использованы при создании онтологии предметной области для последующей интеллектуализации системы автоматизированного проектирования основовязаного трикотажа.

Основовязальными называют трикотажные машины, вырабатывающие трикотажное полотно из параллельно расположенных нитей основы. Они имеют различные конструкции, которые отличаются друг от друга числом игольниц и гребенок, видом применяемых игл и принципом устройства механизмов привода петлеобразующих органов.

На основовязальных машинах используют крючковые, составные и язычковые иглы. Основовязальные машины с язычковыми иглами называют рашель-машинами.

4. ВЫБОР ФОРМАЛЬНОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ В ОНТОЛОГИИ ТРИКОТАЖА ОСНОВОВЯЗАНЫХ ПЕРЕПЛЕТЕНИЙ

Одной из основных проблем при создании онтологии трикотажных основовязаных переплетений (ТОП) является выбор формализма, то есть теоретического базиса, лежащего в основе способа представления онтологических знаний, от которого в значительной степени зависят архитектура, возможности и свойства системы, а также представление совокупности всех понятий о данном классе объектов или событий в единой структуре данных.

Формализм онтологии основовязаного трикотажа должен обеспечить возможность использования накопленных знаний специалиста для решения широкого класса задач; адекватное представление сложной семантики области проектирования основовязаного трикотажа; применение различных способов вывода, семантическое сопоставление понятий при поиске по образцу.

На сегодняшний день известен ряд базовых моделей представления знаний и их модификаций. Это представление с помощью продукционных моделей, исчислений предикатов (формально-логические модели), семантических сетей, фреймов. Анализ этих моделей с точки зрения их дальнейшего использования в построении онтологии ТОП позволяет получить необходимые практические рекомендации для проектирования.

Продукционная модель, или модель, основанная на фактах и правилах, построена на использовании выражений вида если (условие) – то (действие). Условиями являются утверждения о содержимом некой базы данных, а действия представляют собой процедуры, которые могут изменять ее содержимое. В основном такие модели находят широкое применение в качестве решателей или механизмов выводов. В общем случае продукционную модель можно представить в следующем виде:

I = <S; L; A →B>, где

S – неструктурированная или структурированная база данных;

L – число продукционных правил (условий, действий);

A →B – ядро продукции, т. е. интерпретатор, который последовательно определяет, какие продукции могут быть активизированы в зависимости от условий, в них содержащихся.

Разработка формально-логической модели опирается на раздел математической логики – логики предикатов, изучающий логические законы, общие для любой области объектов исследования с заданными на этих объектах предикатами (т. е. свойствами и отношениями). Простейшими логическими исчислениями являются исчисления высказываний. В более сложных исчислениях предикатов описываются логические законы, связывающие объекты исследования с отношениями между этими объектами. Модель в данном случае представляет собой систему аксиом, определяющую всю совокупность объектов, характеристик и свойств внешнего мира, существенных для его функционирования:

M = <T; P; A; B>, где

T – множество базовых элементов различной природы;

P – множество синтаксических правил;

А – множество аксиом, определяющих совокупность объектов, характеристик и свойств внешнего мира;

В – множество правил вывода.

Модель представления знаний с помощью семантических сетей – это ориентированный граф, вершины которого соответствуют объектам предметной области, а дуги задают отношения между ними. Объектами могут быть понятия, события, свойства, процессы, а отношения – это связи типа: a-kind-of (отношение "является") и has-part (отношение "имеет частью"). Отношения также устанавливают иерархию наследования в сети, т. е. элементы более низкого уровня в сети могут наследовать свойства элементов более высокого уровня, что экономит память, поскольку информацию о наследуемых свойствах не нужно повторять в каждом узле сети. Сетевые модели формально можно задать в следующем виде:

H = <I; C1, C2,…, Cn, G>, где

I – множество информационных единиц;

C1, C2,…, Cn – множество типов связей между информационными единицами;

G – задает между информационными единицами связи из заданного набора типов связей.

Модель представления знаний с помощью фреймов предложена Марвином Минским, одним из пионеров искусственного интеллекта, для обозначения структуры знаний, которая при ее заполнении соответствующими значениями превращается в описание конкретного факта, события или ситуации. Такие структуры получили название «фреймы». Идея состоит в том, чтобы сконцентрировать все понятия о данном классе объектов или событий в единой структуре данных, а не распределять их между множеством более мелких структур вроде логических формул или порождающих правил. Такие знания сосредоточены в самой структуре, либо доступны из этой структуры. В общем виде фреймовая модель выглядит следующим образом:

(ИМЯ ФРЕЙМА:

(имя 1-го слота: значение 1-го слота);

(имя 2-го слота: значение 2-го слота);

…………………………………………

(имя N-го слота: значение N-го слота)).

Фреймовая модель является сетью узлов и отношений, организованных иерархически: верхние узлы представляют общие понятия, а подчиненные им узлы – частные случаи этих понятий. В системе, основанной на фреймах, понятие в каждом узле определяется набором атрибутов-слотов и значениями этих атрибутов. Каждый слот может быть связан со специальными процедурами, которые выполняются, когда информация в слотах (значения атрибутов) меняется. С каждым слотом можно связать любое число процедур.

Произведем сравнение моделей представления знаний по следующим критериям: уровень сложности элемента знаний; универсальность для различных предметных областей; естественность и наглядность представления знаний при использовании; размерность модели по объему памяти, необходимому для хранения элемента модели; особенности разработки системы на основе модели.

Системы, построенные на основе продукционных моделей, по уровню сложности работают с простейшими составляющими знаний факторами и правилами, ориентированы на хорошо формализуемые предметные области. Они универсальны для разных предметных областей и эффективны по затратам памяти и по быстродействию. Обладают строгой формой и модульностью, свойством независимости продукций, легкостью модификации базы знаний, простотой механизма логического вывода. Серьезными недостатками являются: отличие от структур знаний, свойственных человеку; сложность и громоздкость структуры базы данных; значительные затраты времени на построение цепочки вывода; невозможность эффективно описать правила с исключениями; сложность проверки непротиворечивости системы; сложность оценки целостного образа знаний; небольшой объем памяти, необходимый для хранения элемента знаний модели-конструкции если – то. Модель направлена на решение простых, однородных задач и приводит к резкому падению эффективности решения проблем, связанных с автоматизацией процессов художественного и технологического проектирования всего многообразия ТОП.

По уровню сложности элемента знаний формально-логические модели, как и предыдущие, работают с простейшими составляющими знания – фактами и правилами. Являются удобным средством для строгого построения моделей, описывающих конкретные предметные области. По степени универсальности применяются в основном в исследовательских «игрушечных» системах, в промышленных интеллектуальных системах практически не используются. Обладают свойствами формализованности, простотой взаимосвязей между фактами, простотой механизма логического вывода. Недостатком является трудность реализации динамичности системы, что приводит к сложности вычислений. Объем памяти, необходимый для хранения элемента знаний – предиката или предикатной формулы, мал в силу его простоты. Однако база знаний, описывающая реальную, даже не очень сложную предметную область, должна содержать значительное количество указанных элементов.

Модели на основе семантических сетей обладают способностью графически описывать объекты предметной области, ориентированы на простые и хорошо формализуемые предметные области. Универсальны и легко настраиваются. Характерные особенности: наглядность знаний как системы, структурированность, возможность организации иерархической структуры, возможность наследования свойств, легкость добавления и удаления дуг и узлов. Недостатками являются: сложность организации процедуры поиска, связанного с поиском подграфа, соответствующего запросу, неудовлетворительная способность объяснить свои решения.

Описание некоторой предметной области в виде фреймов обладает высоким уровнем абстрагирования. Фреймовая система не только описывает знания, но и позволяет описывать метазнания, т. е. правила и процедуры обработки знаний, выбора стратегий, приобретения и формирования новых знаний. Модель эффективна для структурного описания сложных понятий и универсальна, поскольку существуют не только фреймы для обозначения объектов и понятий, но и фреймы-роли, фреймы-события, фреймы-ситуации, фреймы-сценарии и др.

С точки зрения естественности и наглядности, фреймовая модель отражает концептуальную основу организации памяти человека, обладает гибкостью в формализации экспертных знаний о предметной области, имеет внутреннюю интерпретацию и внутреннюю структуру связей. Кроме того, к достоинствам фреймовой модели знаний относятся: 1) иерархическая организация общих и частных понятий; 2) удобство хранения данных за счет возможности связи с базой данных; 3) механизм наследования свойств; 4) возможность легкого перехода к сетевой модели; 5) наличие во многих языках программирования специальных функциональных структурных единиц, обладающих основными функциями фреймов; 6) достоинства по отношению к реляционным базам данных: возможность смешанного заполнения слотов константами и переменными, возможность наличия пустых слотов, размещение в слотах указателей на другие фреймы для создания сети, размещение в слотах имен выполняемых процедур.

Проведенный анализ методов представления знаний показал, что фреймовая модель наиболее подходит в качестве формализма онтологии, поскольку позволяет специалисту в рамках стандартной модели описать все многообразие своих знаний о проектировании трикотажа основовязаных переплетений; легко проверить полноту, согласованность и непротиворечивость представления сложной семантики области проектирования трикотажа основовязаных переплетении; а также дает возможность специалисту самостоятельно развивать и поддерживать модель знаний предметной области, не привлекая для этого аналитиков и программистов.

Использование фреймов в качестве основной структуры данных, хранящей понятия о типичных объектах и событиях, широко распространено в практике создания приложений искусственного интеллекта благодаря развитию методов объектно-ориентирован-ного программирования. Практически во всех современных языках программирования появились специальные структурно-функцио-нальные единицы (объекты, классы), обладающие основными признаками фреймов. Таким образом, представление знаний на основе фреймовой модели особенно эффективно для структурного описания сложных понятий и решения задач.

5. ЗНАКОМСТВО С КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДОЙ PROTÉGÉ

Protégé – локальная Java программа, разработанная группой медицинской информатики Стенфордского университета. Программа предназначена для построения (создания, редактирования и просмотра) онтологий моделей прикладной области. Её первоначальная цель – помочь разработчикам программного обеспечения в создании и поддержке явных моделей предметной области и включить эти модели непосредственно в программный код. Protégé включает редактор онтологий, позволяющий проектировать онтологии, разворачивая иерархическую структуру абстрактных или конкретных классов и слотов. Структура онтологии сделана аналогично иерархической структуре каталога. На основе сформированной онтологии Protégé может генерировать формы получения знаний для введения экземпляров классов и подклассов. Инструмент имеет графический интерфейс, удобный для использования неопытными пользователями, снабжен справками и примерами.

Protégé основан на фреймовой модели представления знания OKBC (Open Knowledge Base Connectivity) и снабжен рядом плагинов, что позволяет его адаптировать для редактирования моделей в разных форматах (стандартный текстовый, базы данных JDBC, UML, языков XML, XOL, SHOE, RDF и RDFS, DAML+OIL, OWL).

На рис. 3 изображено окно программы Protégé. Оно включает меню, панель инструментов и вкладки для создания иерархии классов, формирования слотов, редактирования форм, разработки экземпляров классов и запросов.

 

Список слотов класса

 

Рис. 3. Окно программы Protege

6. РАЗРАБОТКА ПРОСТЕЙШЕЙ СИСТЕМЫ

Предположим, что мы хотим разработать систему, которая поможет в управлении процессом проектирования одинарных основовязаных трикотажных полотен.

Первый шаг в создании онтологии – определение границ описываемой предметной области путем формулирования примерных вопросов для проверки компетентности. В нашей онтологии они звучат следующим образом:

-  сформировать список вязальных машин определенной фирмы;

-  сформировать список вязальных машин, которые производят тот или иной вид трикотажного переплетения;

-  сформировать список видов переплетений определенной структуры;

-  сформировать список видов переплетений, базирующихся на одном из главных переплетений;

-  сформировать списки показателей физических и механических свойств нитей;

-  сформировать список вязальных машин, которые производят трикотаж определенного назначения и т. д.

После того как мы определились с идеей, можно расписать некоторые из важных положений системы. Сюда могут войти основные концепции и их свойства, а также отношения между ними. Для начала мы можем просто определить термины, независимо от роли, которую они могут играть в онтологии.

Итак, существует ряд видов переплетений одинарных трикотажных полотен, которые зависят от расположения рисунчатых эффектов внутри полотна. Трикотаж вырабатывают вязальные машины, производимые в основном в Западной Германии и имеющие множество свойств, касаемых выработки того или иного вида переплетения. Основным сырьем для производства трикотажа являются нити и пряжа, которые бывают натуральными, искусственными и синтетическими. Нити и пряжа имеют линейную плотность и различаются по цвету, характеризуются физическими и механическими свойствами.

По мере определения понятий мы неявно определяем рамки нашей онтологии, а именно: что мы должны будем включить в нашу модель, а что нет. Получив достаточно полный список терминов, мы можем разделить эти понятия по категориям в зависимости от их функции в онтологии.

Понятия (концепции/термины предметной области), являющиеся объектами, такие как «вид переплетения», «вязальная машина» или «нити и пряжа», будут представлены в виде классов. Свойства классов, такие как название переплетения или количество гребенок, могут быть представлены как слоты, а ограничения на свойства или отношения между классами как грани/аспекты (slot facets).

Определив основные понятия, теперь мы можем показать, как создавать и структурировать их, используя систему Protege.

6.1. Создание проекта

Перед началом работы вы должны создать новый проект в системе Protege. Для этого:

1. Запустите Protege. Если у вас уже открыт проект, просто сохраните его и перезапустите программу. После того как программа запустилась, появляется диалог приветствия, предлагающий создать новый проект, открыть последний проект или посмотреть документацию (рис. 4).

Рис. 4. Окно приветствия

2. Щелкните мышкой по кнопке New Project. Появится диалоговое окно «Create New Project», позволяющее выбрать тип проекта. Если нет необходимости в специальном формате для ваших файлов, просто нажмите кнопку Finish – будет выбран формат файла по умолчанию Protege Files (.pont and pins) (рис. 5).

Рис. 5. Окно создания нового проекта

3. Откроется окно проекта Protégé (рис. 6). Новый проект всегда открывается в области просмотра классов (Class browser). Видно, что в этой области в данное время находятся только внутренние системные классы Protege: THING и SYSTEM-CLASS. Никаких экземпляров классов создано к этому моменту не будет.

Рис. 6. Область просмотра классов

6.2. Сохранение проекта

Во время работы с программой можно сохранить промежуточные изменения, для этого:

1.  Выберите пункт Save project из меню File. Откроется окно сохранения проекта (рис. 7).

Рис. 7. Окно сохранения проекта

2. Чтобы указать место, куда будет сохранен проект, нажмите кнопку чуть выше самой верхней строчки (напротив надписи Project). В открывшемся диалоговом окне перейдите по нужному пути в файловой системе (или создайте каталог, где будут храниться данные проекта, и откройте созданную папку).

Рис. 8. Окно выбора имени файла проекта

3. Введите имя файла проекта (например, «Моя онтология») (рис. 8).

4. Нажмите кнопку Select.

5. Вы вернетесь в окно сохранения файлов проекта (рис. 9), нажмите OK и проект будет сохранен.

Рис. 9. Завершение сохранения проекта

6.3. Создание классов

Основное окно программы Protege состоит из закладок (tabs), которые отображают различные аспекты модели знаний. Наиболее важной закладкой, когда вы только начинаете делать проект, является закладка классов (Classes). Обычно классы соответствуют объектам или типам объектов в некой предметной области. В нашем примере с трикотажем классы будут включать в себя виды переплетений, а именно: классификационные группы главных, производных, комбинированных и рисунчатых переплетений, а также компоненты, из которых состоит определенный вид переплетения, такие как петли, протяжки, наброски, огибы дополнительных нитей.

Классы в Protege отображаются в виде иерархии наследования (inheritance hierarchy), которая располагается в области просмотра, называемой Class Browser (или навигатор классов), в левой части закладки классов. Свойства классов, выбранных в текущий момент в навигаторе, будут отображены в редакторе классов справа. Ниже вы узнаете, как создавать классы, подклассы, изменять иерархию классов, создавать абстрактные классы и добавлять дополнительные базовые классы к существующим.

6.3.1. Создание класса «Виды переплетений»

Мы хотим знать характеристики каждого одинарного основовязаного переплетения и потому начнем с задания видов переплетений. Для начала следует создать новый класс «Виды переплетений»:

1. Выберите закладку классов.

2. Найдите область в навигаторе классов (Class Browser), где отображается иерархия классов (Class Hierarchy в окне Protégé, слева). Она отображает иерархию классов с выделенным текущим выбранным классом.

Рис. 10. Область отображения иерархии классов

3. Проверьте: по умолчанию класс :THING (вещь, нечто) должен быть выделен. Почти все классы в данном примере будут созданы на уровень ниже класса THING. Другой класс :SYSTEM_CLASS используется для определения структур различных форм Protégé (рис. 10).

4. Нажмите кнопку Создать класс (Create Class) в верхнем правом углу навигатора классов . Новый класс будет создан со стандартным именем (основанном на имени проекта), в нашем случае – «Моя онтология_Class_0». Вы можете увидеть, что имя нового класса в навигаторе классов после создания будет выделено для указания того, что этот класс выбран в данный момент (рис. 11).

Рис. 11. Редактор класса

5. В активном поле редактора классов введите «Виды переплетений».

6. Нажмите ввод или щелкните мышью на отображаемый класс, чтобы подтвердить и отобразить свои изменения.

7. Если при изменении имени класса у вас возникли проблемы, посмотрите на панель редактора классов справа, в главном окне Protege. Стандартное имя нового класса должно быть отображено и выделено в поле Name. Если правильное стандартное имя отображается, но не выделено, просто щелкните на поле Name мышкой, для того чтобы его отредактировать. Если имя неправильное, тогда, скорее всего, вы выбрали неверный класс в области отображения иерархии классов (Class Hierarchy), щелкните на нужном классе.

6.3.2. Создание класса «Вязальные машины»

Вязальной машиной может быть машина с составными иглами, рашель-машина или машина с прокладыванием уточной нити. Для того чтобы создать класс «Вязальные машины»:

1. Выделите класс :SYSTEM_CLASS. Если вы этого не сделаете, то создадите класс, который будет подклассом класса «Виды переплетений».

2. Нажмите кнопку Создать класс (Create class) и наберите с клавиатуры имя класса: Вязальные машины.

3. Нажмите Ввод для завершения создания класса (рис. 12).

Рис. 12. Создание класса «Вязальные машины»

6.3.3. Создание подклассов класса «Вязальные машины»

Теперь добавим информацию об оборудовании, согласно следующим классификационным характеристикам: машины с составными иглами, рашель-машины, машины со вставкой уточной нити, которые мы оформим как подклассы класса «Вязальные машины».

1. Выберите класс «Вязальные машины» в области отображения иерархии классов.

2. Нажмите кнопку Создать класс (Create class) и переименуйте новый класс в «Машины с составными иглами». Помните, что, когда бы вы ни создавали новый класс, он будет создан как подкласс текущего выбранного класса. Также заметьте, что когда вы создаете первый подкласс класса, то иконки появляются слева от него. Вы можете использовать эти иконки для того, чтобы показать или скрыть подклассы класса. Продолжая разрабатывать онтологию, создадим еще два подкласса класса «Вязальные машины».

3. Выберите класс «Вязальные машины» в навигаторе классов (Class Browser).

4. Нажмите кнопку Create Class и переименуйте созданный класс в «Рашель-машины».

5. То же самое проделайте для подкласса «Машины со вставкой уточной нити» (рис. 13).

Рис. 13. Создание подклассов класса «Вязальные машины»

6.3.4. Создание класса «Рисунчатые эффекты трикотажа»

Теперь настало время создать класс «Рисунчатые эффекты трикотажа». Этот класс подразумевает под собой любой рисунчатый эффект трикотажного полотна, независимо от того, является ли он принадлежностью определенного вида переплетения или нет. Заметим однако, что нам интересны только те эффекты, которые как-то повлияют на внешний вид или структуру трикотажного полотна. Здесь стоит еще раз отметить, что одним из решений, которые принимает разработчик при проектировании онтологий, является отсечение лишних сущностей. Хотя изначально может казаться, что многие классы являются важными, все же необходимо следить затем, чтобы создаваемая иерархия не становилась слишком сложной.

1. Выберите класс :SYSTEM_CLASS в навигаторе классов. Несмотря на то, что некоторые рисунчатые эффекты принадлежат определенному виду переплетения, мы не хотим, чтобы класс «Рисунчатые эффекты трикотажа» был подклассом класса «Виды переплетений».

2. Нажмите кнопку Create Class и переименуйте вновь созданный класс в «Рисунчатые эффекты трикотажа» (рис. 14).

Рис. 14. Добавление класса “Рисунчатые эффекты трикотажа”

Задание 1

1. Создайте подклассы класса «Виды переплетений», включающие главные, производные от главных, комбинированные и рисунчатые переплетения, разбив их на группы:

группа № 1 – главные, производные, киперные и простейшие филейные переплетения;

группа № 2 – простые филейные переплетения;

группа № 3 – комбинированные филейные и платированные переплетения;

группа № 4 – простые жаккардовые переплетения;

группа № 5 – прессовые и вышивные жаккардовые переплетения;

группа № 6 – уточные и футерованные переплетения.