Разработка онтологии трикотажа в программной среде Protege (стр. 1 )

,

Разработка онтологии трикотажа

в программной среде PROTEGE

МИНистерство ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ГОУ ВПО «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

,

Разработка онтологии трикотажа

в программной среде PROTEGE

Учебное пособие

Волгоград

2011

УДК 677.025.1

К 14

Рецензенты: кафедра «Информационные системы и технологии» Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии; начальник информационного отдела «GLASS»

Казначеева, онтологии трикотажа в программной среде Protégé: учеб. пособие / , . – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. – 56 с.

ISBN 0657-9

Нацелено на приобретение практических навыков, позволяющих студентам овладеть основными приемами онтологической инженерии знаний в системе Protege 3.3.1. Рассматриваются основные аспекты создания проектов, разработки классов и их экземпляров, отношений между объектами, настройка форм вывода, а также создание и сохранение запросов.

Адресовано студентам высших учебных заведений, обучающимся по направлению 260700 «Технология и проектирование текстильных изделий» при изучении дисциплины «Информационные технологии в производстве текстильных материалов».

Ил. 54. Библиогр.: 3 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 0657-9 Ó Волгоградский

государственный

технический

университет, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………...…….……	4
1. Основные понятия онтологии. Цели создания…………..	5
2. Этапы построения онтологии…………….…….………..	7
3. Основные понятия и классификация одинарного основовязаного трикотажа……….…….…………………………	9
4. Выбор формального представления знаний в онтологии трикотажа основовязаных переплетений…………………..	13
5. Знакомство с компьютерной средой Protégé……………	18
6. Разработка простейшей системы……….…….……….….	21
6.1. Создание проекта……….…….………………………	22
6.2. Сохранение проекта……….…….……………….……	24
6.3. Создание классов……….…….……………………….	25
6.3.1. Создание класса «Виды переплетений»……….…	25
6.3.2. Создание класса «Вязальные машины»…………..	27
6.3.3. Создание подклассов класса «Вязальные машины»…	27
6.3.4. Создание класса «Рисунчатые эффекты трикотажа» ……….…….…………………………………….….……	28
6.4. Создание слотов…………….………………………...	30
6.4.1. Создание слота (с помощью закладки Slots)………..	30
6.4.2. Связывание слота с классом……….…….……….	31
6.4.3. Создание слота из закладки классов……………..	33
6.4.4. Слоты и наследование……….…….………………	34
6.5. Создание аспектов/граней (facets) слота…………….	35
6.5.1. Создание аспектов слота «Количество гребенок».	36
6.6. Создание экземпляров классов……….…….………..	38
6.7. Установка слота отображения……….…….…………	45
6.8. Настройка формы ввода……….……..……………….	46
6.8.1. Изменение размера «виджета»……………….……	46
6.8.2. Перемещение «виджета» ……….…….…………..	47
6.8.3. Скрытие «виджета» ……….…….…………………	48
6.8.4. Отображение скрытого «виджета»………………..	49
6.8.5. Использование расположения по умолчанию.…..	50
6.9. Создание и сохранение запросов…………………….	50
6.9.1. Создание запроса……………………..…….………	51
6.9.2. Запуск запроса……….……………………..………	53
6.9.3 Сохранение запроса…………………..…….………	53
6.9.4. Загрузка запроса………………..…….…….………	54
Контрольные вопросы……….…….…………………………	54
Список использованной литературы……………………….	55

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы разработка онтологий – явное формальное описание терминов предметной области и отношений между ними – переходит из мира лабораторий по искусственному интеллекту на рабочие столы экспертов по предметным областям. Во всемирной паутине онтологии стали обычным явлением. Онтологии в сети варьируются от больших таксономий, категоризирующих веб-сайты (как на сайте Yahoo!), до списков продаваемых товаров и их характеристик (как на сайте ). Во многих дисциплинах разрабатываются стандартные онтологии, которые могут использоваться экспертами по предметным областям для совместного использования и аннотирования информации в своей области. Например, в области медицины созданы большие стандартные структурированные словари, такие как SNOMED, и семантическая сеть Системы унифицированного медицинского языка (the Unified Medical Language System). Также появляются обширные общецелевые онтологии. Например, программа ООН по развитию (the United Nations Development Program) и компания Dun & Bradstreet объединили усилия для разработки онтологии UNSPSC, которая предоставляет терминологию товаров и услуг (http://www. unspsc. org/).

Онтология определяет общий словарь для ученых, которым нужно совместно использовать информацию в предметной области. Она включает машинно-интерпретируемые формулировки основных понятий предметной области и отношения между ними.

Данное учебное пособие представляет собой введение в технологию создания баз знаний на основе фреймовой модели при помощи платформо-независимой расширяемой среды Protеgе, позволяющей пользователю быстро и интуитивно приступить к созданию своих онтологий.

По мере прочтения на простом примере будет показано, как создавать, модифицировать и сохранять проекты, используя фреймовую модель, а также как создавать классы, экземпляры классов, слоты и другие объекты, являющиеся основой базы знаний.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОНТОЛОГИИ. ЦЕЛИ СОЗДАНИЯ

Для формальной спецификации понятий и отношений, характеризующих определенную область знаний экспертов, в качестве инструментария используются инженерные онтологии. Онтология – это система понятий некоторой предметной области, которая представляется набором сущностей, соединенных различными отношениями. Преимуществом онтологии в виде способа представления знаний является ее формальная структура, которая упрощает компьютерную обработку моделей и компонентов в конкретной предметной области.

Процесс построения онтологий состоит из создания следующих блоков:

§ концепты (понятия, классы, сущности, категории);

§ свойства концептов (слоты, атрибуты, роли);

§ отношения между концептами (связи, зависимости, функции);

§ дополнительные ограничения (аксиомы, фацеты).

Формально онтологию можно представить в виде множества <C, A, T, D, R, F>, где C – подмножество классов, описывающих понятия некоторой предметной или проблемной области; A – подмножество атрибутов (слотов), описывающих свойства понятий; T – подмножество типов значений атрибутов; D – подмножество доменов; R – подмножество отношений, заданных на классах (понятиях); F – подмножество ограничений на значения атрибутов. Онтология вместе с множеством индивидуальных экземпляров классов составляет базу знаний.

В онтологическом инжиниринге сложились следующие общепризнанные правила, которые помогут принять правильные проектные решения. Во-первых, понятия в онтологии должны быть близки к физическим или логическим объектам и отношениям в предметной области; во-вторых, процесс разработки онтологии должен быть итеративным. Онтология разрабатывается, затем проверяется и уточняется на основе анализа, будет ли она наглядной, расширяемой и простой в обслуживании.

Почему возникает потребность в разработке онтологии? Вот некоторые причины:

§  для совместного использования людьми или программными агентами общего понимания структуры информации;

§  для возможности повторного использования знаний в предметной области;

§  для того чтобы сделать допущения в предметной области явными;

§  для отделения знаний предметной области от оперативных;

§  для анализа знаний в предметной области.

Совместное использование людьми или программными агентами общего понимания структуры информации является одной из наиболее общих целей разработки онтологий. К примеру, пусть несколько различных веб-сайтов содержат информацию по медицине или предоставляют информацию о платных медицинских услугах, оплачиваемых через Интернет. Если эти веб-сайты совместно используют и публикуют одну и ту же базовую онтологию терминов, которыми они все пользуются, то компьютерные агенты могут извлекать информацию из этих сайтов и накапливать ее. Агенты могут использовать накопленную информацию для ответов на запросы пользователей или как входные данные для других приложений.

Обеспечение возможности использования знаний предметной области стало одной из движущих сил недавнего всплеска в изучении онтологий. Например, для моделей многих различных пред-метных областей необходимо сформулировать понятие времени. Это представление включает понятия временных интервалов, моментов времени, относительных мер времени и т. д.

Если одна группа ученых детально разработает такую онтологию, то другие могут просто повторно использовать ее в своих предметных областях. Кроме того, если нужно создать большую онтологию, можно интегрировать несколько существующих онтологий, описывающих части большой предметной области. Также можно повторно использовать основную онтологию, такую как UNSPSC, и расширить ее для описания интересующей нас предметной области.

Создание явных допущений в предметной области, лежащих в основе реализации, дает возможность легко изменить эти допущения при изменении наших знаний о предметной области. Жесткое кодирование предположений о мире на языке программирования приводит к тому, что эти предположения не только сложно найти и понять, но и также сложно изменить, особенно непрограммисту. Кроме того, явные спецификации знаний в предметной области полезны для новых пользователей, которые должны узнать значения терминов предметной области.

Отделение знаний предметной области от оперативных знаний – это еще один вариант общего применения онтологий. Можно описать задачу конфигурирования продукта из его компонентов в соответствии с требуемой спецификацией и внедрить программу, которая делает эту конфигурацию независимой от продукта и самих компонентов. После этого мы можем разработать онтологию компонентов и характеристик ЭВМ и применить этот алгоритм для конфигурирования нестандартных ЭВМ.

Анализ знаний в предметной области возможен, когда имеется декларативная спецификация терминов. Формальный анализ терминов чрезвычайно ценен как при попытке повторного использования существующих онтологий, так и при их расширении.

Часто онтология предметной области сама по себе не является целью. Разработка онтологии сродни определению набора данных и их структуры для использования другими программами. Методы решения задач, доменно-независимые приложения и программные агенты применяют в качестве данных онтологии и базы знаний, построенные на основе этих онтологий.

2. ЭТАПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОНТОЛОГИИ

Рассмотрим характеристику этапов разработки онтологии предметной области.

Этап 1 – определение целей, границ, масштаба создания и пользователей онтологии. Он предусматривает ответы на вопросы: какую область будет охватывать онтология? для чего она будет использоваться? на какие типы вопросов должна давать ответы информация в онтологии? кто будет использовать и поддерживать онтологию?

Этап 2 – рассмотрение вариантов повторного использования онтологий. Повторное использование существующих онтологий целесообразно, если системе нужно взаимодействовать с другими приложениями, которые уже вошли в отдельные онтологии или контролируемые словари. Многие онтологии (метаонтологии и онтологии-аналоги) уже доступны в электронном виде и могут быть импортированы в используемую среду проектирования онтологии.

Этап 3 – разработка глоссария. Включает в себя три основных процесса: изучение предметной области, выявление основных понятий предметной области и разработку их точных, непротиворечивых определений. Результатом выполнения этого этапа будет являться разработанный глоссарий основных понятий предметной области.

Этап 4 – определение классов и создание их иерархии. Является ключевым в разработке онтологии. Основные работы этого этапа заключаются: в определении подхода к разбиению на классы, выявлении класса и определении узлов-братьев. Подходы к разбиению на классы бывают: нисходящими, восходящими и комбинированными. Процесс нисходящей разработки начинается с определения самых общих понятий предметной области с последующей их конкретизацией. Процесс восходящей разработки начинается с определения самих конкретных классов, листьев иерархии с последующей группировкой этих классов в более общие понятия. Процесс комбинированной разработки – это сочетание нисходящего и восходящего подходов.

Таксономия классов представляет собой дерево описываемых терминов, имеющих иерархическую структуру. Для проверки правильности создания классов и их отношений определяются узлы-братья в иерархии классов, то есть такие классы, которые являются прямыми подклассами одного и того же класса.

Этап 5 – определение слотов (свойств классов). Предусматривает описание внутренней структуры понятий. Классы сами по себе не предоставляют достаточно информации для ответа на вопросы проверки компетентности. После определения некоторого количества классов необходимо описать внутреннюю структуру понятий. Этот этап включает в себя несколько действий: проверку одинаковости для экземпляров класса (выявляются одинаковые слоты для экземпляров); определение и установку обратных отношений (когда значение слота зависит от другого слота); установку значений по умолчанию.

Этап 6 – определение фацетов слотов. Фацеты описывают тип значения, разрешенные значения, число значений (мощность) и другие свойства значений, которые может принимать слот.

Этап 7 – создание отдельных экземпляров классов в иерархии. Для определения отдельного экземпляра класса требуется: 1) выбрать класс; 2) создать отдельный экземпляр этого класса; 3) ввести значения слотов.

Этап 8 – дополнение разрабатываемой онтологии. Предпола-

гает её улучшение, обновление и добавление значения экземпляров, слотов фацетов.

Этап 9 – анализ и диагностика разработанной онтологии. Включает применение аналитических и различных диагностических инструментальных средств анализа онтологий. Последний анализ может включать как проверку логической верности онтологии, так и диагностику типичных ошибок при проектировании онтологий.

На основе данной характеристики создадим онтологию трикотажа сложных одинарных основовязаных переплетений, которая будет базироваться на следующих классификационных признаках: виды переплетений основовязаного трикотажа, необходимые условия их получения, рисунчатые эффекты, оборудование для производства, сырье.

3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОДИНАРНОГО ОСНОВОВЯЗАНОГО ТРИКОТАЖА

Трикотаж (франц. tricotage, от tricoter – вязать) – текстильное изделие или полотно, полученное из одной или многих нитей путем образования петель и их взаимного переплетения. В основовязаном трикотаже каждая нить образует в петельном ряду по одной петле и переходит в следующий ряд. Для образования петельного ряда основовязаного трикотажа требуется столько нитей, сколько петель в петельном ряду. Петли – это пространственные кривые. Каждая петля состоит из остова и протяжек. Остов трикотажной петли в свою очередь состоит из верхней дуги и петельных палочек. Протяжки петли соединяют основы двух соседних петель, образованных одной нитью. Трикотажные петли бывают открытыми (рис. 1, а) и закрытыми (рис. 1, б). Остовы петель с перекрещивающимися протяжками называют закрытыми, а с неперекрещивающимися протяжками – открытыми.

 

а б

Рис. 1. Схема основовязаного трикотажа с открытыми (а)

и закрытыми (б) петлями

Лицевой стороной трикотажа называется та, на которой петельные палочки расположены перед дугами и перекрывают их. На изнаночной стороне трикотажа петельные дуги пересекают палочки (рис. 2, а, б).

а б

Рис. 2. Схема основовязаного трикотажа:

а – лицевая сторона; б – изнаночная

За элемент структуры трикотажа принимают переплетающиеся отрезки изогнутых нитей, имеющие в зависимости от типа переплетения различную форму. Это петли, состоящие из остовов и протяжек, прессовые наброски из нитей гребенок, вырабатывающих грунт, протяжки, наброски и огибы дополнительных (уточных и футерных) нитей. К характеристикам элементов структуры, изменение которых позволяет получать различные рисунчатые эффекты, относят: их наличие, цвет, толщину, расположение относительно других элементов, размеры. Соединением элементов петельной структуры в определенной последовательности образуется трикотаж, а тип соединения, т. е. взаимосвязь этих элементов, характеризуется переплетением трикотажа. Наряду с видом нитей, используемых для изготовления трикотажа, переплетение является важнейшей качественной характеристикой и определяет его основные свойства.

По принятой в настоящее время классификации одинарных основовязаных трикотажных переплетений они разделяются на четыре класса: главные, производные от главных, комбинированные, рисунчатые.

Принадлежность к какому-либо классу переплетений определяют по способу расположения элементов структуры трикотажа в раппорте переплетения, который характеризуется наименьшим числом петельных рядов или петельных столбиков, после которых способ расположения элементов структуры повторяется.

К классу главных переплетений относят простейшие переплетения, образованные из одной системы нитей и состоящие из одинаковых элементов структуры (петель), соединенных в простейшем для каждого вида сочетании: цепочка, трико, атлас.

К классу производных относятся переплетения, являющиеся неразделимым сочетанием двух (или более) одинаковых главных переплетений так, что между петельными столбиками одного размещаются петельные столбики другого. Одинарные производные трико представляют собой комбинации двух, трех или более трико, взаимосвязанных так, что в промежутках между соседними остовами петель помещаются один, два и более остовов петель других трико.

Производные трико, полученные сочетанием двух трико, называют сукно, а сочетанием трех трико – шарме.

Комбинированными называют переплетения, сочетающие в себе признаки главных, производных или рисунчатых переплетений. Рисунчатыми называют переплетения, образованные на основе главных или производных переплетений путем введения в них дополнительных элементов структуры – дополнительных нитей, набросков или протяжек в целях получения трикотажа с новыми свойствами. Число рисунчатых одинарных основовязаных переплетений ограничено. К ним относятся: киперные, филейные, платированные, прессовые, уточные, футерованные и жаккардовые переплетения.

Важнейшими количественными характеристиками трикотажа являются: раппорт переплетения, петельный шаг, высота петельного ряда, количество петельных столбиков в 100 мм трикотажа по ширине, количество петельных рядов в 100 мм трикотажа по длине, длина нити в петле, толщина нити, толщина трикотажа.

Раппорт переплетения – это наименьшее число петельных рядов (раппорт по высоте или петельных столбиков (раппорт по ширине после которых порядок чередования отрезков нитей в виде петель, набросков или протяжек в переплетении повторяется. Раппорт переплетения выражается целыми числами.

Расстояние между двумя соседними петлями по линии петельного ряда называют петельным шагом и обозначают буквой А. Число петельных шагов в единице длины называется количеством петельных столбиков в 100 мм трикотажа, обозначается и определяется по формуле:

= 100 / А.

Расстояние между двумя соседними петлями по линии петельного ряда обозначают буквой В. Число петельных рядов в единице длины называют количеством петельных рядов в 100 мм трикотажа по длине и обозначают Оно определяется по формуле: