Επισκόπηση των Μεθοδολογιών, των Γλωσσών και των Εργαλείων για την Ανάπτυξη Οντολογιών

Transcript

1 ΚΥ : ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΗΤΑ & ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΕΣ Επισκόπηση των Μεθοδολογιών, των Γλωσσών και των Εργαλείων για την Ανάπτυξη Οντολογιών Νικήτας Α. Ασηµακόπουλος, Γεώργιος Λ. Αγγελής, Ιωάννης Χ. Θεοχαρόπουλος, Νικόλαος Κ. ηµητρίου Τµήµα Πληροφορικής, Πανεπιστήµιο Πειραιώς ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται ένα εντονότατο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη συστηµάτων που βασίζονται στη γνώση (knowledge-based systems). Στα συστήµατα αυτά συναντάµε εφαρµογές οι οποίες σχετίζονται µε θέµατα Τεχνητής Νοηµοσύνης, το ηλεκτρονικό εµπόριο, την ανάκτηση πληροφοριών, θέµατα εκπαίδευσης και µάθησης, το σχεδιασµό βάσεων δεδοµένων και µε το Σηµασιολογικό Ιστό (Semantic Web). Βασικό στοιχείο για την ανάπτυξη και καλή λειτουργία αυτών των συστηµάτων είναι η αξιοποίηση της υπάρχουσας γνώσης στο µέγιστο δυνατό βαθµό. Το εµπόδιο προς αυτήν την κατεύθυνση είναι το γεγονός ότι η γνώση συχνά συσσωρεύεται σε µία άρρητη µορφή η οποία είναι δύσκολο να διαχειριστεί και να επεξεργαστεί από τα υπολογιστικά συστήµατα αλλά και από τους ανθρώπους. Για την επίλυση αυτού του προβλήµατος η επιστηµονική κοινότητα έχει επιλέξει ως την πιο κατάλληλη προσέγγιση τη χρήση των οντολογιών µέσω των οποίων η γνώση αποκτά µία δοµηµένη µορφή. Στην παρούσα εργασία, γίνεται µία εκτενής παρουσίαση του πεδίου των οντολογιών. Πιο συγκεκριµένα, θα επιχειρηθεί ερµηνεία του όρου οντολογία ενώ θα γίνει µία σύντοµη ιστορική αναδροµή στην οποία θα δείξουµε πως εξελίχθηκε ο όρος αυτός από τον Παρµενίδη και τον Αριστοτέλη, έως σήµερα. Θα εστιάσουµε βέβαια στον τρόπο που χρησιµοποιείται από την Επιστήµη των Υπολογιστών ως µέθοδο αναπαράστασης γνωστικών πεδίων µε τέτοιο τρόπο ώστε η αδόµητη γνώση να δοµείται σε µορφές που θα την καθιστούν ικανή να µοιράζεται µεταξύ πολλών ανθρώπων ή/και υπολογιστών. Τέλος, θα παρουσιάσουµε τις φάσεις από τις οποίες αποτελείται η συστηµική επίλυση προβληµάτων καθώς και τη συστηµική µεθοδολογία DCSYM η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την κατασκευή οντολογιών. Επίσης, θα παρουσιάσουµε τις γλώσσες που υπάρχουν για τη δηµιουργία οντολογιών µε κυριότερη τη γλώσσα OWL, ενώ θα γίνει και µία παρουσίαση του προγράµµατος Protégé το οποίο αποτελεί το σηµαντικότερο εργαλείο για την ανάπτυξη οντολογιών. Λέξεις κλειδιά: Knowledge-based systems, Οντολογίες, DCSYM, OWL, Protégé. 1. Εισαγωγή Η συστηµική σκέψη είναι ένα πολύ ισχυρό εργαλείο, κατάλληλο για καταστάσεις που εµφανίζουν υψηλή πολυπλοκότητα. ιαθέτει µεθοδολογίες και πολυµεθοδολογίες οι οποίες εφαρµόζονται σε διαφορετικές φάσεις κατά τη διαχείριση µίας κατάστασης. Κάποιες από αυτές είναι κατάλληλες για τη συστηµική αποτύπωση, κάποιες άλλες για τη µελέτη της συµπεριφοράς ενός συστήµατος και κάποιες άλλες για την προώθηση παρεµβάσεων σε ένα σύστηµα. Στην παρούσα εργασία ασχολούµαστε µε τη φάση της συστηµικής αποτύπωσης 557

2 µέσα στην οποία προσπαθούµε να εντάξουµε και τις οντολογίες οι οποίες είναι κατάλληλες για την αναπαράσταση της γνώσης που υπάρχει σε ένα πεδίο ή µία κατάσταση. Συγχρόνως, η ταχεία ανάπτυξη της επιστήµης των υπολογιστών τις τελευταίες δεκαετίες δηµιούργησε ευνοϊκές συνθήκες για τη δόµηση της άρρητης γνώσης µέσω της χρήσης των οντολογιών. Μιλώντας για άρρητη γνώση αναφερόµαστε στη γνώση η οποία δηµιουργήθηκε µέσα στο πέρασµα του χρόνου και συσσωρεύτηκε µε τρόπο τέτοιο που ήταν δύσκολη η διαχείριση και η αξιοποίηση της στο µέγιστο δυνατό βαθµό. Η δυσκολία αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι η ποσότητα της γνώσης η οποία παράχθηκε τον τελευταίο κυρίως αιώνα ήταν τεράστια και ο ρυθµός παραγωγής της πολύ υψηλός. Επίσης, ο τρόπος µε τον οποίο αποθηκεύτηκε η γνώση θα µπορούσαµε να πούµε ότι είχε τη µορφή καταλόγου και δε βασίστηκε σε κάποιες δοµές οι οποίες θα έκαναν δυνατή την αναπαράσταση και την ανταλλαγή της. Αυτό, σε συνδυασµό µε το γεγονός ότι οι δυνατότητες του ανθρώπου σχετικά µε τη διαχείριση µεγάλης ποικιλoµορφίας είναι περιορισµένες (Ashby s Law of Requisite Variety) δυσκόλεψαν τους ανθρώπους από το να αξιοποιήσουν τις υπάρχουσες γνώσεις στο µέγιστο δυνατό βαθµό, γνώσεις οι οποίες θα µπορούσαν να αξιοποιηθούν και σε ένα διεπιστηµονικό επίπεδο. Ο όρος «Οντολογία» ξεκίνησε από την αρχαίους Έλληνες φιλοσόφους και εξελίχθηκε σε όρο της πληροφορικής. Οντολογία είναι ένα µοντέλο το οποίο αναπαριστά ένα σύνολο εννοιών και τις σχέσεις αυτών από ένα συγκεκριµένο γνωστικό πεδίο. Εκτός τώρα από τις ισχυρές δυνατότητες αποτύπωσης ενός πεδίου που έχουν οι οντολογίες υπάρχει και η δυνατότητα για αποθήκευση αυτών των µοντέλων µε τη γλώσσα OWL, προέκταση της XML, η οποία είναι η κατάλληλη για τη µεταφερσιµότητα των δεδοµένων. Η δηµιουργία οντολογιών είναι µία δύσκολη διαδικασία χωρίς συγκεκριµένα βήµατα η οποία πολλές φορές γίνεται διαισθητικά και µε βάση τις γνώσεις και τις εµπειρίες του κατασκευαστή της. Το δυσκολότερο κοµµάτι κατά τη δηµιουργία µίας οντολογίας είναι αυτό της σύλληψης της γνώσης στο αρχικό στάδιο. Θεωρούµε ότι σε αυτό το σηµείο θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί η συστηµική µεθοδολογία DCSYM, η οποία είναι κατάλληλη για αποτύπωση καταστάσεων, για να βοηθήσει τον κατασκευαστή µιας οντολογίας να δοµήσει στο µυαλό του τις διάφορες έννοιες. Η δόµηση αυτή θα τον οδηγήσει σε ευκολότερη και ακριβέστερη σύλληψη της γνώσης σχετικά µε την κατάσταση την οποία µελετάει. Έτσι, στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζουµε τις φάσεις της συστηµικής προσέγγισης για την επίλυση προβληµάτων. Με την παρουσίαση αυτή φαίνεται η θέση στην οποία τοποθετούµε τις οντολογίες και ποια η χρησιµότητα αυτών κατά την αποτύπωση µίας κατάστασης. Επίσης, παρουσιάζουµε τη συστηµική µεθοδολογία DCSYM την οποία χρησιµοποιούµε στη σειρά των βηµάτων για τη δηµιουργία µίας οντολογίας. Στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας κάνουµε µία γενική παρουσίαση του τοµέα των οντολογιών δίνοντας τον ορισµό τους, τη χρησιµότητά τους, τις γλώσσες που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή τους. Ακόµη, αναλύονται οι δυσκολίες που αντιµετωπίζει ο κατασκευαστής οντολογιών καθώς και η χρησιµότητα της συστηµικής µεθοδολογίας DCSYM κατά τη δηµιουργία µίας οντολογίας. Επίσης, στο ίδιο κεφάλαιο της εργασίας παρουσιάζουµε το εργαλείο Protégé το οποίο χρησιµοποιείται για την κατασκευή οντολογιών και τέλος ολοκληρώνουµε µε τα συµπεράσµατα. 2. Συστηµική Επίλυση Προβληµάτων Αποτύπωση, µελέτη συµπεριφοράς και παρέµβαση σε ένα σύστηµα Στο παρόν κεφάλαιο θα γίνει µία παρουσίαση της συστηµικής προσέγγισης για την επίλυση προβληµάτων. Η παρουσίαση αυτή θα αποτελέσει το ένα µέρος από το θεωρητικό υπόβαθρο που χρειαζόµαστε για να κατανοήσουµε πως µπορεί να γίνει η σύνδεση των οντολογιών µε τις συστηµικές µεθοδολογίες. Το άλλο κοµµάτι έχει σχέση µε τις οντολογίες και θα το δούµε στο επόµενο κεφάλαιο. Οι συστηµικές µεθοδολογίες είναι πολύ ισχυρά εργαλεία τα οποία είναι κατάλληλα για τη διαχείριση καταστάσεων που εµφανίζουν υψηλή πολυπλοκότητα. Οι καταστάσεις αυτές προκύπτουν όταν τα εµπλεκόµενα µέρη αναπτύσσουν σύνθετες σχέσεις και 558

3 αλληλεξαρτήσεις οι οποίες πολλές φορές είναι δύσκολο να εντοπιστούν. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα τη µερική ή ακόµα και την εσφαλµένη κατανόηση της συµπεριφοράς ενός συστήµατος η οποία µπορεί µε τη σειρά της να οδηγήσει σε λανθασµένες αποφάσεις ή παρεµβάσεις στο σύστηµα. Κάθε µία από τις συστηµικές µεθοδολογίες έχει ξεχωριστή φιλοσοφία και έχει αναπτυχθεί για να καλύψει ένα συγκεκριµένο σκοπό µέσα στο ευρύτερο πλαίσιο της συστηµικής σκέψης. Έτσι κάποιες από τις µεθοδολογίες αυτές είναι καταλληλότερες για τη συστηµική αποτύπωση καταστάσεων, κάποιες άλλες είναι καταλληλότερες για τη µελέτη της συµπεριφοράς των συστηµάτων ενώ κάποιες άλλες για την παρέµβαση στα συστήµατα µε στόχο την αναδιοργάνωση ή τη βελτίωσή τους. Ο διαχωρισµός αυτός των µεθοδολογιών χωρίζει τη συστηµική επίλυση προβληµάτων σε τρία βασικά στάδια: όµηση-συστηµική αποτύπωση καταστάσεων (DESIGN), Μελέτη της συµπεριφοράς (BEHAVE) και Παρέµβαση (INTERVENE), τα οποία οδηγούν στη δηµιουργία του εννοιολογικού πλαισίου DBI το όνοµα του οποίου προκύπτει από τα αρχικά γράµµατα των τριών ρηµάτων που µόλις αναφέραµε. Η σειρά µε την οποία αναφέρθηκαν δεν είναι τυχαία καθώς δεν είναι δυνατό να κάνουµε µία παρέµβαση σε ένα σύστηµα αν προηγουµένως δεν έχουµε κατανοήσει πως συµπεριφέρεται και για να γίνει αυτό θα πρέπει πρώτα να το έχουµε αποτυπώσει προκειµένου να γνωρίζουµε τα δοµικά του µέρη και τις σχέσεις αυτών. Έτσι µε την κατάταξη αυτή ξέρουµε πότε πρέπει να χρησιµοποιήσουµε µία συστηµική µεθοδολογία και τι αποτελέσµατα επιδιώκουµε να πάρουµε κάθε φορά. Στη συνέχεια, θα δούµε µε τη σειρά τα στάδια και ποιες µεθοδολογίες χρησιµοποιούνται σε κάθε ένα από αυτά. Ως πρώτο στάδιο αναφέραµε αυτό της δόµησης-συστηµικής αποτύπωσης καταστάσεων στο οποίο και επικεντρωθήκαµε στη συγκεκριµένη ερευνητική προσπάθεια, καθώς είναι το στάδιο µέσα στο οποίο θα προσπαθήσουµε να εντάξουµε τις οντολογίες ως ένα ακόµη ισχυρό εργαλείο συστηµικής αποτύπωσης. Συνήθως, έχουµε να αντιµετωπίσουµε µία πολύπλοκη κατάσταση µέσα στην οποία υπάρχουν συστήµατα, υποσυστήµατα και σχέσεις µεταξύ αυτών. Αρχικά, η αντίληψή µας για την κατάσταση αυτή είναι αδόµητη και έχουµε την ανάγκη δηµιουργίας ενός µοντέλου τα οποίο θα µας βοηθήσει να αποκτήσουµε µία δοµηµένη αντίληψη. Στο σηµείο αυτό να τονίσουµε ότι µπορεί η αντίληψή µας αρχικά να µην είναι δοµηµένη, όµως αυτό δε σηµαίνει ότι και η κατάσταση δεν είναι δοµηµένη. Όταν δηλαδή χρησιµοποιούµε την έννοια σύστηµα δεν αναφερόµαστε στα πράγµατα του περιβάλλοντος κόσµου αλλά σε έναν ιδιαίτερο τρόπο οργάνωσης των σκέψεων µας αναφορικά µε τον κόσµο αυτό. Στο σχήµα 2.1 που ακολουθεί φαίνεται το πέρασµα από την αδόµητη στη δοµηµένη αντίληψη για µία κατάσταση. Βλέπουµε ότι ενώ αρχικά η αντίληψή µας ήταν «θολή» και γνωρίζαµε µόνο ότι έχουµε κάποια µέρη τα οποία σχετίζονται µεταξύ τους, µέσω της συστηµικής αποτύπωσης δηµιουργήσαµε ένα δοµηµένο µοντέλο όπου εντοπίσαµε ότι τα µέρη αυτά ανήκουν σε κάποια υποσυστήµατα την ύπαρξη των οποίων δεν είχαµε διαπιστώσει προηγουµένως. Η εικόνα που προέκυψε ήταν πολύ πιο πλούσια σε πληροφορία γεγονός που θα µας βοηθήσει να αντιµετωπίσουµε τη συγκεκριµένη κατάσταση µε καλύτερο τρόπο. Γενικά, σε ένα σύστηµα η «ολότητα», δηλαδή η αναπόσπαστη οντότητα η οποία είναι συνδεδεµένη µε την ένωση των στοιχείων του συστήµατος, είναι µεγαλύτερη από το άθροισµα των µερών του συστήµατος. Αυτό σηµαίνει ότι από το σύστηµα αναδύονται (emerge) ιδιότητες και χαρακτηριστικά τα οποία δεν προϋπήρχαν στα συστατικά του µέρη και έχουν προκύψει από την ένωση και την αλληλεπίδραση αυτών των µερών. Ένα πολύ απλό παράδειγµα είναι αυτό του νερού το οποίο έχει το γνωστό τύπο H 2 O, δηλαδή αποτελείται από δύο άτοµα υδρογόνου και ένα οξυγόνου. Οι ιδιότητες του νερού δεν υπάρχουν ως επιµέρους ιδιότητες στα άτοµα του υδρογόνου και του οξυγόνου και είναι αποτέλεσµα του τρόπου µε τον οποίο συνδέονται τα άτοµα αυτά. Για να κατανοήσει κάποιος 559

4 τις ιδιότητες του νερού θα πρέπει να µελετήσει το συνολικό σύστηµα και όχι τα µέρη του χωριστά. DESIGN Σχήµα 2.1: όµηση-συστηµική αποτύπωση κατάστασης ιαπιστώνουµε δηλαδή ότι ένα σύστηµα µπορεί να «κρύβει» πληροφορίες οι οποίες θα αποκαλυφθούν µόνο αν αποτυπώσουµε το σύστηµα ώστε να αποκτήσουµε µία συνολική εικόνα αυτού. Συνεχίζοντας µε το παράδειγµα του νερού, αν βλέπαµε τη δοµή του, η οποία φαίνεται στο σχήµα 2.2 που ακολουθεί, θα διαπιστώναµε ότι δεν είναι γραµµικό µόριο µε αποτέλεσµα η συνισταµένη των δύο διπολικών ροπών των δύο δεσµών H-O να είναι διάφορη του µηδενός. Η συνισταµένη αυτή αποτελεί τη διπολική ροπή του µορίου του νερού. Ο συνδυασµός του µεγάλου µεγέθους αυτής της ροπής και του µικρού µεγέθους του µορίου του νερού είναι αυτός που προσδίδει στο νερό τις γνωστές του ιδιότητες. δ+ H 2δ- O H δ+ Σχήµα 2.2: Μόριο νερού (H 2 O) Βλέπουµε ότι έχοντας στη διάθεση µας την εικόνα του µορίου του νερού αποκτούµε γνώση την οποία δεν θα την είχαµε µε κάποιον άλλο τρόπο. Στο συγκεκριµένο παράδειγµα η αποτύπωση επιτεύχθηκε µε µία απλή γεωµετρική αναπαράσταση του µορίου του νερού. Σε περιπτώσεις όµως που τα εµπλεκόµενα µέρη και οι σχέσεις είναι πολλές και περίπλοκες έχουµε την ανάγκη από ισχυρά εργαλεία τα οποία θα µας επιτρέψουν να αποτυπώσουµε τη συνολική εικόνα ενός συστήµατος. Το εργαλείο που επιλέγουµε για αυτήν τη φάση είναι η συστηµική µεθοδολογία DCSYM την οποία θα παρουσιάσουµε στην επόµενη ενότητα του κεφαλαίου αναλυτικά. Στην παρούσα ερευνητική προσπάθεια θεωρήσαµε ότι η DCSYM θα µπορούσε να αποκτήσει ένα είδος επέκτασης η οποία θα µας οδηγεί σε ακόµη πιο ξεκάθαρη συστηµική αποτύπωση. Η επέκταση αυτή είναι οι οντολογίες η δύναµη των οποίων είναι τεράστια σε περιπτώσεις όπου επιθυµούµε να αποτυπώσουµε τη γνώση που υπάρχει σε ένα συγκεκριµένο πεδίο ή κατάσταση. Στις οντολογίες θα αναφερθούµε στο επόµενο κεφάλαιο αναλυτικά όπου θα δούµε όλες τις δυνατότητες τους. 560

5 Έχοντας δηµιουργήσει στο προηγούµενο στάδιο µία δοµηµένη αποτύπωση του συστήµατος που µελετάµε είµαστε σε θέση προχωρήσουµε στο δεύτερο στάδιο της συστηµικής επίλυσης προβληµάτων που είναι αυτό της µελέτης της συµπεριφοράς ενός συστήµατος. Για το στάδιο αυτό όπως και για το επόµενο δε θα επεκταθούµε περισσότερο καθώς δε σχετίζονται άµεσα µε τη χρήση των οντολογιών η οποία είναι το κύριο αντικείµενο της παρούσας ερευνητικής προσπάθειας. Η παρουσίαση τους γίνεται για να αποκτήσει ο αναγνώστης µία σφαιρική εικόνα σχετικά µε την επίλυση προβληµάτων αλλά και για να φανεί η σηµαντικότητα της χρήσης των οντολογιών κατά την συστηµική αποτύπωση. Η σηµαντικότητα αυτή πηγάζει από το γεγονός ότι µία καλή αποτύπωση µέσω και της χρήσης των οντολογιών κατά το πρώτο στάδιο θα επηρεάσει θετικά και τα επόµενα δύο στάδια. Έτσι στο δεύτερο στάδιο χρησιµοποιούµε ως εργαλείο τη συστηµική δυναµική και τη δυναµική µοντελοποίηση. Κατά την συστηµική αποτύπωση εντοπίσαµε τα εµπλεκόµενα µέρη (άτοµα και υποσυστήµατα) καθώς και τις µεταξύ τους σχέσεις σε ένα ποιοτικό επίπεδο. Με τη συστηµική δυναµική επεκτείνουµε τη µελέτη ενός συστήµατος µε την ποσοτικοποίηση χαρακτηριστικών του συστήµατος και τον εντοπισµό των παραγόντων που επηρεάζουν τις σχέσεις µεταξύ των µερών. Με την τεχνική της προσοµοίωσης προσπαθούµε να κατανοήσουµε πως θα συµπεριφερθεί το σύστηµα στον πραγµατικό κόσµο και υπό συγκεκριµένες συνθήκες. Αυτό µπορεί να µας βοηθήσει ώστε να βρούµε και να εφαρµόσουµε τις κατάλληλες λύσεις για το σύστηµα. Γενικά, προσπαθούµε να κατανοήσουµε πως θα συµπεριφερθεί ένα σύστηµα µέσα από µία αλυσίδα αιτιών και συνεπειών. Το τρίτο στάδιο της συστηµικής επίλυσης προβληµάτων είναι η παρέµβαση µε την πραγµατοποίηση αλλαγών στη δοµή και τη λειτουργία του συστήµατος. Με τα δύο προηγούµενα στάδια κατορθώσαµε να βρούµε σε ποια σηµεία αντιµετωπίζει προβλήµατα ένα σύστηµα και καταλήξαµε σε συγκεκριµένες λύσεις. Η υλοποίηση όµως αυτών των λύσεων αποτελεί ένα εξίσου δύσκολο έργο ειδικά σε περιπτώσεις που µελετάµε ήπια συστήµατα όπου η παρουσία του ανθρώπινου στοιχείου είναι καταλυτική. Για την εφαρµογή αυτών των λύσεων θα πρέπει να χρησιµοποιηθούν τα κατάλληλα εργαλεία τα οποία θα αποµακρύνουν τυχόν συγκρούσεις µεταξύ των εµπλεκοµένων µερών. Τα εργαλεία αυτά είναι οι συστηµικές µεθοδολογίες SSM (Soft Systems Methodology), SAST (Strategic Assumption Surfacing & Testing) και TSI (Total Systems Intervention). Η συστηµική µεθοδολογία DCSYM Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται µία περιγραφή της συστηµικής µεθοδολογίας DCSYM (Design & Control Systemic Methodology). Η µεθοδολογία αυτή διαθέτει πολύ µεγάλες ικανότητες δυναµικής αποτύπωσης. Οι ικανότητες αυτές παρέχουν στο Συστηµικό Αναλυτή τη δυνατότητα να διαχειριστεί καταστάσεις και προβλήµατα τα οποία χαρακτηρίζονται από µεγάλο πλήθος στοιχείων και από πολύπλοκες σχέσεις µεταξύ των στοιχείων. Η µεθοδολογία αυτή ανήκει στην κατηγορία των µεθοδολογιών κυβερνητικής αποτύπωσης. Η φιλοσοφία της βασίζεται στην έννοια του συστήµατος καθώς προσεγγίζει µία κατάσταση, προβληµατική ή µη, αντιµετωπίζοντας τα διάφορα σύνολα στοιχείων ως συστήµατα. Πιο συγκεκριµένα, η µεθοδολογία DCSYM βασίζεται στις έννοιες σύστηµα, υποσύστηµα, άτοµο, επικοινωνία, έλεγχο και έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να αποτυπώνει δοµές και διαδικασίες. Ένα µεγάλο πλεονέκτηµα που διαθέτει η µεθοδολογία αυτή είναι ότι τα αποτελέσµατά της έχουν διάρκεια στο χρόνο. Πέρα από τον αρχικό σκοπό για τον οποίο χρησιµοποιείται που είναι η δόµηση µιας κατάστασης µπορεί να χρησιµοποιηθεί στη συνέχεια σαν εργαλείο για τη λήψη αποφάσεων, αναδιοργάνωση και έλεγχο λειτουργιών µέσα σε έναν οργανισµό. Ένα άλλο σηµαντικό στοιχείο της DCSYM είναι ότι δεν επηρεάζεται από την υποκειµενικότητα του ερευνητή και κατορθώνει να φθάσει σε πλήρη ταύτιση του προβλήµατος. Με την DCSYM ο ερευνητής έχει τη δυνατότητα να µπει σε λεπτοµέρειες και να συνθέσει τα διαφορετικά µέρη του προβλήµατος. Αυτό µε τη σειρά του θα οδηγήσει στην ανίχνευση των λαθών και θα προτείνει βελτιώσεις. Η µέθοδος είναι αποτελεσµατική µόνο αν έχουµε καλή γνώση όλων των απόψεων του προβλήµατος και εκτιµηθούν οι διαφορές µεταξύ 561

6 των αντιµαχόµενων µερών. Πρέπει δηλαδή η χρήση της DCSYM να συνοδεύεται και από τη Συστηµική Σκέψη από µέρος του ερευνητή. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα σχεδιαστικά στοιχεία της DCSYM µαζί µε κάποια µικρά παραδείγµατα τα οποία καλύπτουν όλες τις πιθανές περιπτώσεις που µπορεί να προκύψουν κατά την αποτύπωση µιας κατάστασης. (α) Υποσύστηµα: ένα άτοµο ή ένα υποσύστηµα το οποίο µπορεί να ληφθεί σαν ένα µοναδικό συστατικό του συστήµατος. Τα σύµβολα που χρησιµοποιούνται είναι ο κύκλος για τα άτοµα και το ορθογώνιο για τα υποσυστήµατα. Στο κάθε στοιχείο υπάρχει ένα µικρό τετράγωνο το οποίο φιλοξενεί έναν αριθµό που δηλώνει τη θέση του υποσυστήµατος ή του ατόµου. Άτοµο Υποσύστηµα Σχήµα 2.3: Βασικά δοµικά στοιχεία της DCSYM (β) Μέρος του όλου: ένα ή περισσότερα στοιχεία (άτοµα ή υποσυστήµατα) µπορεί να συνθέτουν ένα υποσύστηµα ενός συστήµατος. Άτοµα σε υποσύστηµα Υποσυστήµατα σε υποσύστηµα Σχήµα 2.4: Άτοµα και υποσυστήµατα µέσα σε υποσύστηµα (γ) Ολότητα: Είναι µία αναπόσπαστη οντότητα που συµβολίζεται µε Ω και είναι η ένωση των ατόµων και των υποσυστηµάτων του προβλήµατος. ηλαδή ισχύει το εξής: Ω = Ι S όπου Ι = { i 1, i 2,, i k,, i n }, το σύνολο των ατόµων και S = { s 1, s 2,, s j,, s n }, το σύνολο των υποσυστηµάτων (δ) Επικοινωνία: Είναι η ροή πληροφορίας µεταξύ δύο τουλάχιστον υποσυστηµάτων µέσα στο Ω. Η διάκριση των επικοινωνιών γίνεται µε βάση τον τύπο ή το είδος τους. Τύποι που σχεδιάζονται µε τόξα είναι µονοκατευθυνόµενοι και η ροή της πληροφορίας γίνεται µόνο προς τη µία κατεύθυνση, ενώ τύποι που σχεδιάζονται µε ακµές δηλώνουν δικατευθυνόµενη επικοινωνία, δηλαδή η ροή της πληροφορίας γίνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις. Κάθε τύπος ολοκληρώνεται µε την τιµή του η οποία είναι µία από τα γράµµατα που σηµαίνουν τα εξής: P: υνητική πάλη (αρνητική επικοινωνία σε µία κατάσταση πάλης) C: Επικοινωνία (καλή επικοινωνία) U: Πράξη σκοπού (καλή απαραίτητη επικοινωνία) G: Γενική αλληλεπίδραση ή επιρροή (αλληλεπίδραση, χωρίς ιδιαίτερη πίεση στην επικοινωνία) D: Επικοινωνία µε απόκλιση (ηµιτελής επικοινωνία µε µοιραία απόκλιση πληροφορίας) 562

7 : Επικοινωνία µε σκόπιµη απόκλιση (ηµιτελής απαραίτητη επικοινωνία µε µοιραία απόκλιση πληροφορίας) Ενδεικτικά στο παρακάτω σχήµα βλέπουµε την επικοινωνία µεταξύ δύο ατόµων τα οποία ανήκουν σε δύο διαφορετικά υποσυστήµατα. Σχήµα 2.5: Επικοινωνία µεταξύ δύο στοιχείων Τέλος, µία ειδική περίπτωση επικοινωνίας είναι αυτή του ελέγχου όπου κάποιο άτοµο ή υποσύστηµα ελέγχει κάποιο άλλο άτοµο ή υποσύστηµα. Στην περίπτωση αυτή θεωρούµε ότι εκτός από τον έλεγχο που ασκείται από τον ελεγκτή προς τον ελεγχόµενο, ο οποίος συµβολίζεται µε ένα βέλος, υπάρχει και ένα βέλος προς την αντίθετη κατεύθυνση το οποίο αποτελεί την επανατροφοδότηση από τον ελεγχόµενο όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήµα. Controller Controlled Σχήµα 2.6: Έλεγχος µεταξύ δύο στοιχείων Κατά τη διαδικασία δόµησης ενός προβλήµατος µε τη µεθοδολογία DCSYM είναι απαραίτητο να σχεδιαστούν τα διάφορα υποσυστήµατα και άτοµα του συστήµατος καθώς και οι µεταξύ τους σχέσεις. Για να γίνει αυτό θα πρέπει κατά το σχεδιασµό κάθε στοιχείο να τοποθετείται έτσι ώστε να φαίνεται ξεκάθαρα η θέση και ο ρόλος του µέσα στο Ω. Προκειµένου να γίνει αυτό µε τέτοιο τρόπο ώστε να µην δηµιουργείται σύγχυση ανάµεσα στα διάφορα στοιχεία του συστήµατος και η θέση του κάθε στοιχείου να είναι µοναδική, χρησιµοποιείται, όπως είδαµε και παραπάνω, ένας αριθµός ο οποίος τοποθετείται µέσα στο στοιχείο σε ένα µικρό τετράγωνο. Η χωροθέτηση ενός στοιχείου συµβολίζεται µε Θ. Με τα παραδείγµατα αυτά ολοκληρώνεται η παρουσίαση των βασικών αρχών της συστηµικής µεθοδολογίας DCSYM. Συνοψίζοντας, διαπιστώνουµε πόσο ευέλικτη είναι η µεθοδολογία αυτή καθώς µε τη χρήση απλών σχηµάτων είµαστε σε θέση να αποτυπώσουµε οποιαδήποτε κατάσταση όσο περίπλοκη και αν είναι αυτή. Στο σηµείο αυτό θα πρέπει να προσθέσουµε ότι το σχήµα το οποίο προκύπτει από τη χρήση της DCSYM συνοδεύεται πάντα και από έναν κατάλογο µε τα υποσυστήµατα και τα άτοµα του υπό µελέτη συστήµατος. Τα υποσυστήµατα και τα άτοµα εµπεριέχονται στον κατάλογο µαζί µε κάποια µικρή περιγραφή σχετικά µε το τι αντιπροσωπεύουν µέσα στο σύστηµα. 3. Ανάπτυξη Οντολογιών Στη δεύτερη ενότητα κάνουµε µία γενική παρουσίαση του τοµέα των οντολογιών δίνοντας τον ορισµό τους, τη χρησιµότητά τους και τις γλώσσες που χρησιµοποιούνται για την κατασκευή τους. Ο πιο γνωστός ορισµός των οντολογιών είναι ο εξής: Ontologies are defined as a formal specification of a shared conceptualization, δηλαδή ένας τυπικός προσδιορισµός µίας κοινά µοιραζόµενης έννοιας. Η χρήση των οντολογιών γίνεται όταν θέλουµε να µοιράσουµε γνώση µεταξύ ανθρώπων ή µεταξύ πρακτόρων (agents), όταν θέλουµε να επαναχρησιµοποιήσουµε τη γνώση από ένα πεδίο και όταν θέλουµε να περιγράψουµε τις βασικές αρχές και γνώσεις ενός πεδίου. Για τη δηµιουργία οντολογιών υπάρχουν δύο κατηγορίες γλωσσών: οι παραδοσιακές και οι markup. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι γλώσσες Ontolingua, LOOM, OKBC, 563

8 OCML και FLOGIC. Στη δεύτερη κατηγορία έχουµε τις γλώσσες XOL, SHOE, DAML+OIL, RDF(S) και τέλος την OWL η οποία είναι η πιο διαδεδοµένη και ολοκληρωµένη. Γενικά οι γλώσσες της πρώτης κατηγορίας χρησιµοποιούνται λιγότερο από αυτές της δεύτερης. Στο παρακάτω σχήµα παρουσιάζονται οι markup γλώσσες. OIL DAML+OIL OWL RDF Schema SHOE (HTML) SHOE (XML) XOL RDF HTML XML Σχήµα 3.1: Γλώσσες Markup Γλώσσα OWL Σχετικά µε τη γλώσσα OWL (Ontology Web Language), αποτελεί προέκταση της RDF(S) και έχει τα εξής τρία είδη: OWL Lite: Συντακτικά απλή, χρησιµοποιείται για απλές ιεραρχίες κλάσεων. OWL-DL: Είναι πιο εκφραστική από την OWL Lite, βασίζεται στη Description Logic, ελέγχει ασυµβατότητες στην ιεραρχία. OWL-Full: Είναι η πιο εκφραστική, δεν έχει αυτόµατο reasoning. Στα παρακάτω σχήµατα παρουσιάζονται τα βασικά συστατικά της γλώσσας OWL, δηλαδή τα διάφορα είδη κλάσεων, οι ιδιότητες και τα άτοµα. Σχήµα 3.2: Βασικά συστατικά της γλώσσας OWL 564

9 Named Classes Τοµή κλάσεων (Intersection) Ένωση κλάσεων (Union) Συµπληρωµατικές κλάσεις (Complement) Σχήµα 3.3: Κλάσεις της γλώσσας OWL Σχετικά µε τις ιδιότητες της γλώσσας OWL έχουµε τις παρακάτω περιπτώσεις: Object properties: συνδέουν άτοµα µε άτοµα. Datatype properties: συνδέουν άτοµα µε διάφορες τιµές. Οι ιδιότητες έχουν πεδίο ορισµού (domain) και σύνολο τιµών (range). Οι ιδιότητες επίσης χαρακτηρίζονται µε τους παρακάτω τρόπους: Functional: για ένα άτοµο αντιστοιχεί µία µόνο τιµή. Inverse functional: η αντίστροφη της Functional. Symmetric: αν µία ιδιότητα συνδέει το Α µε το Β τότε συνδέει και το Β µε το Α. Transitive: αν µία ιδιότητα συνδέει το Α µε το Β και το Β µε το Γ, τότε συνδέει και το Α µε το Γ. Τέλος, έχουµε τους περιορισµούς της γλώσσας OWL οι οποίοι είναι οι εξής: Quantifier restrictions: Υπαρξιακοί ( ), περιγράφουν την κλάση τα άτοµα της οποίας έχουν µία τουλάχιστον σχέση µέσω κάποιας ιδιότητας µε τα άτοµα κάποιας άλλης κλάσης. Καθολικοί ( ), καθορίζουν ότι όλα τα άτοµα µίας κλάσης θα σχετίζονται µέσω µιας συγκεκριµένης ιδιότητας µόνο µε τα άτοµα µίας συγκεκριµένης κλάσης. Cardinality restrictions (Min, Equal =, Max ): καθορίζουν τον αριθµό των σχέσεων στις οποίες συµµετέχουν τα άτοµα µίας κλάσης. Has Value restrictions: καθορίζουν τη σχέση των ατόµων µίας κλάσης µε κάποιο άλλο συγκεκριµένο άτοµο. Εργαλείο Protégé Στη συνέχεια, παρουσιάζεται συνοπτικά το εργαλείο Protégé το οποίο χρησιµοποιεί τη γλώσσα OWL. Το εργαλείο αυτό αποτελείται 5 βασικές καρτέλες ενώ υπάρχει και η δυνατότητα προσθήκης και άλλων µε τη µορφή plugins. Η πρώτη καρτέλα έχει το όνοµα OWL Classes και αποτελείται από 6 παράθυρα τα οποία παρουσιάζεται στο σχήµα 3.4. Στο πρώτο αριστερά δηµιουργούµε την ιεραρχία των κλάσεων της οντολογίας, στο παράθυρο Class επεξεργαζόµαστε το όνοµα της κάθε κλάσης ενώ µπορούµε να προσθέσουµε και 565

10 σχόλια. Στο παράθυρο που βρίσκεται ακριβώς από κάτω δηµιουργούνται οι περιορισµοί της οντολογίας. Στο παράθυρο Properties φαίνονται οι ιδιότητες της κάθε κλάσης. Τέλος, στο παράθυρο Disjoints τοποθετούνται οι κλάσεις οι οποίες δεν µπορούν να έχουν κοινά στοιχεία µε µία επιλεγµένη κλάση. Σχήµα 3.4: Κλάσεις µε το εργαλείο Protégé Η δεύτερη καρτέλα του Protégé έχει το όνοµα Properties και αποτελείται από 5 παράθυρα τα οποία παρουσιάζονται στο επόµενο σχήµα. Στο πρώτο αριστερά δηµιουργούµε τις ιδιότητες και στο αµέσως διπλανό επεξεργαζόµαστε το όνοµά τους ενώ υπάρχει και χώρος για σχόλια. Στο παράθυρο Domain τοποθετούµε τις κλάσεις οι οποίες θα λειτουργήσουν ως το πεδίο ορισµού µίας ιδιότητας ενώ στο παράθυρο Range τοποθετούµε τις κλάσεις που θα λειτουργήσουν ως σύνολο τιµών για αυτήν την ιδιότητα. Τέλος, κάτω δεξιά υπάρχει ένας χώρος στον οποίο γίνεται ο χαρακτηρισµός των ιδιοτήτων και η δηµιουργία αντίστροφων ιδιοτήτων. 566

11 Σχήµα 3.5: Ιδιότητες µε το εργαλείο Protégé Η δηµιουργία οντολογιών αποτελεί µία δύσκολη διαδικασία χωρίς συγκεκριµένα βήµατα η οποία πολλές φορές γίνεται διαισθητικά και µε βάση τις γνώσεις και τις εµπειρίες του κατασκευαστή της. Το δυσκολότερο κοµµάτι κατά τη δηµιουργία µίας οντολογίας είναι αυτό της σύλληψης της γνώσης στο αρχικό στάδιο. Θεωρούµε ότι σε αυτό το σηµείο θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί η συστηµική µεθοδολογία DCSYM, η οποία είναι κατάλληλη για αποτύπωση καταστάσεων, για να βοηθήσει τον κατασκευαστή µιας οντολογίας να δοµήσει στο µυαλό του τις διάφορες έννοιες. Η δόµηση αυτή θα τον οδηγήσει σε ευκολότερη και ακριβέστερη σύλληψη της γνώσης σχετικά µε την κατάσταση την οποία µελετάει. Το σηµείο στο οποίο η DCSYM ενισχύει τη δηµιουργία οντολογιών είναι η µείωση της πολυπλοκότητας. Αυτό το επιτυγχάνει η DCSYM µε τα διάφορα επίπεδα (layers) που χρησιµοποιεί. 4. Συµπεράσµατα Ολοκληρώνοντας την εργασία αυτή, καταλήγουµε σε κάποια συµπεράσµατα σχετικά µε τη συστηµική αποτύπωση καταστάσεων, τη δηµιουργία οντολογιών αλλά και για το συνδυασµό αυτών των δύο. Από την παρουσίαση του εννοιολογικού πλαισίου για την διαχείριση καταστάσεων µε υψηλή πολυπλοκότητα είδαµε ότι υπάρχει η ανάγκη για χρήση εργαλείων που θα επιτρέπουν στον ερευνητή να αντιµετωπίσει αυτήν την πολυπλοκότητα. Ως βασικό εργαλείο προτείνουµε τη µεθοδολογία DCSYM ενώ προχωρήσαµε και στον εµπλουτισµό της µέσω της δηµιουργίας κατάλληλων οντολογιών. Η DCSYM επιτυγχάνει τη δόµηση µίας κατάστασης και µέσω των οντολογιών επιτυγχάνεται και εννοιολογική αποτύπωση αυτής της κατάστασης. Επίσης, µέσω των οντολογιών η γνώση η οποία υπάρχει σε µία κατάσταση σε άρρητη µορφή µετατρέπεται σε ρητή, στοιχείο που κάνει πιο εύκολη τη διαχείριση και την επεξεργασία της. Αυτό µε τη σειρά του µπορεί να οδηγήσει σε νέα συµπεράσµατα. Από την άλλη πλευρά, η δηµιουργία οντολογιών χαρακτηρίζεται από την ανάγκη για αντιµετώπιση καταστάσεων µε υψηλή πολυπλοκότητα η οποία πηγάζει από τις πολλές έννοιες και τους συνδυασµούς αυτών που εµφανίζονται σε µία κατάσταση. Όπως αναφέρθηκε, το καταλληλότερο εργαλείο για τέτοιες περιπτώσεις είναι η µεθοδολογία DCSYM η οποία χρησιµοποιώντας διάφορα επίπεδα (layers) κατά την αποτύπωση µίας κατάστασης επιτρέπει στον ερευνητή να µειώσει την πολυπλοκότητα. 567

12 Τέλος, είδαµε στην παρούσα εργασία ότι η γλώσσα OWL σε συνδυασµό µε το εργαλείο Protégé είναι κατάλληλα για την ανάπτυξη οντολογιών. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Assimakopoulos, N., Theocharopoulos, I., A Design and Control Systemic Methodology (DCSYM) for a knowledge Strategic System 2. Flood, R., Jackson, M., Creative problem solving. Total System Intervention, John Wiley & Sons (1991) 3. Forrester, J., Principles of systems, Productivity Press (1988) 4. Horridge, M., A Practical Guide To Building OWL Ontologies Using The Protégé- OWL Plugin and CO-ODE Tools, The University Of Manchester (2004) 5. Gomez-Perez, A., Fernandez-Lopez, M., Corcho, O., Ontological Engineering, Springer (2004) 6. Antoniou, G., Harmelen, F., A Semantic Web Primer, MIT Press (2004) 7. Noy, N., McGuinness, D., Ontology Development 101: A Guide to Creating Your First Ontology, Stanford University 568