Например, Бобцов

УПРАВЛЕНИЕ КОНТЕКСТОМ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 004.89
И. А. БЕССМЕРТНЫЙ
УПРАВЛЕНИЕ КОНТЕКСТОМ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
Исследована проблема поиска данных в информационных системах, построенных на принципах Semantic Web. Обоснована необходимость использования данных контекста в поисковых запросах, предложена концептуальная модель интеллектуального агента, осуществляющего поиск с автоматическим управлением контекстом.
Ключевые слова: информационная система, контекст, онтология, информационный поиск.
Допущение открытого мира и поиск в базах знаний. Системы управления базами данных предоставляют возможность абстрагироваться от файловой системы, индексации и пр. при программировании приложений. При этом остается невозможным доступ на уровне языка SQL для конечного пользователя, поскольку для успешного поиска в базах данных (БД) при составлении SQL-запросов помимо владения языком SQL требуется знание структуры данных. Это означает, что запрос к БД всегда выполняется в заранее определенном и хорошо известном программисту контексте. Появление новых сущностей или отношений требует перепроектирования БД. Отсутствие в БД данных о факте автоматически означает его отрицание, т.е. в БД реализуется допущение замкнутого мира.
В отличие от БД в базах знаний (БЗ) отсутствуют заранее определенные модели данных, а разные фрагменты БЗ могут храниться на распределенных сетевых ресурсах, объединяемых в виде семантической сети во время выполнения поискового запроса. Кроме того, в БЗ обычно применяется допущение открытого мира, при котором отсутствие данных о факте не означает отрицания факта. Указанные свойства БЗ приводят к тому, что вычисление любых, даже очевидных, фактов может потребовать глобального поиска, сложность которого будет несоразмерна ценности полученного результата.
Из первых двух свойств вытекает третье, связанное с формированием запросов к БЗ. Аналогом инфологической модели БД для баз знаний является онтология предметной области. Поисковый запрос к БЗ должен базироваться на онтологии, а интерпретация онтологии представляет собой сложную задачу. Между тем допущение открытого мира означает необходимость неограниченного расширения пространства поиска, а значит и автоматической интерпретации онтологий. В рамках настоящего исследования предполагается, что поиск выполняется в документах, подготовленных на основе одной и той же онтологии.
Роль контекста в задаче поиска. Извлечение знаний из конкретного документа, созданного на основе известной онтологии, практически не отличается от обработки SQL-запросов к БД. Если документ не задан в запросе, возникает задача его поиска. Поиск с помощью серверов, ориентированных на использование человеком (Google, Yahoo, Yandex и др.), бесполезен,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

8 И. А. Бессмертный
поскольку теги HTML и любой другой разметки не индексируются, в то время как знания формализуются с применением разметки. В последнее время появился ряд сервисов, таких как SWOOGLE , SWSE и др., позволяющих осуществлять поиск формализованных данных. Необходимость извлечения документов интеллектуальным агентом, в том числе с использованием таких поисковых сервисов, делает актуальной задачу автоматической оценки релевантности найденных документов запросу.
При написании документа всегда предполагается, что читатель знаком с его контекстом. Если название документа не полностью отражает содержание, то оно уточняется во вводной части. В лингвистике контекст есть фрагмент текста минус определяемая единица [1]. Таким образом, контекст ξ(m) для сообщения m устанавливается как
ξ(m) = – m,
где C — множество классов объектов, L — множество отношений или предикатов (связей) между объектами, P — множество свойств объектов, I — множество экземпляров объектов, V — множество значений. Следовательно, для каждого последующего mi+1 сообщения предыдущее mi включается в состав контекста:
ξ(mi+1) = ξ(mi–1) + mi.
Данное определение является антропоморфным, ориентировано на речевое взаимодействие и предполагает, что субъект и объект такого взаимодействия обладают интеллектом и могут идентифицировать (установить) контекст для каждого коммуникационного акта. В случае информационного поиска установление контекста может быть простым только для локальных БЗ, как, например, это делается с помощью микротеорий в продукте ResearchCyc компании Cycorp . Автор запроса к БЗ должен знать, каким образом факты в базе знаний группируются в микротеории, и эксплицитно указывать идентификатор микротеории в запросе. Необходимость владения микротеориями, идентификаторами элементов БЗ, а также специальным языком запросов делает взаимодействие с такой БЗ подобным работе с БД, которая доступна только для программиста, а не конечного пользователя.
В настоящей работе под контекстом будем понимать множество понятий предметной области, которое должно быть общим для всех участников информационного обмена и позволять обмениваться короткими сообщениями. Другое назначение контекста — ограничение предметной области, позволяющее сократить размерность задачи поиска и избежать противоречивости фактов. Обычно контекст задается в начале коммуникационного акта и при необходимости может уточняться. Таким образом, для правильной интерпретации сообщений все участники обмена информацией должны владеть контекстом. Визуализация знаний также требует использования контекста, как это сделано, в частности, в разработанной автором программе Semantic [2, 3], предназначенной для создания БЗ, извлечения и визуализации знаний.
Концептуальная модель агента для поиска в базах знаний. В соответствии с концепцией Semantic Web [4] извлечение знаний осуществляется интеллектуальными агентами, которые самостоятельно отыскивают требуемую информацию, формулируя при необходимости запросы к другим агентам. В отличие от SQL-запросов к БД (SELECT … FROM … WHERE …) запросы к БЗ, в частности на языке SPARQL, не содержат конструкции FROM, поскольку запрос всегда выполняется в пределах целого документа. Поиск документа должен выполняться по контексту запроса. Это означает, что извлечение фактов из Semantic Web представляет собой двухэтапный процесс (рис. 1).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

Управление контекстом в информационных системах

9

Поскольку точное совпадение контекста документа и контекста запроса является идеальным случаем, данный процесс не всегда завершается успешно и может итеративно повторяться.

Контекст запроса

Поиск и извлечение документов

Пользователь или агент

Запрос Результат

Документы
Поиск и извлечение фактов

Факты

Рис. 1
На рис. 2 показаны все возможные сочетания контекста запроса Q и контекста предметной области (домена) D:
a) запрос породил набор фактов, ни один из которых не является релевантным (отсутствие решений);
b) найдены часть релевантных фактов и некоторое количество нерелевантных (решение есть, но оно неполное и противоречивое);
c) найдены все релевантные факты и часть нерелевантных (решение полное, но противоречивое);
d) найдена часть релевантных фактов и при этом нет нерелевантных (решение непротиворечивое, но неполное);
e) найдены все релевантные факты и ни одного нерелевантного (целевое состояние: решение полное и непротиворечивое).

a
Контекст запроса

Контекст домена

c Контекст домена

b
Контекст запроса

Контекст домена

Контекст запроса

d Контекст запроса
Контекст домена

e
Контекст запроса =
Контекст домена

Рис. 2
В таблице приведены условия появления данных сочетаний и признаки, с помощью которых можно идентифицировать каждое из состояний.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

10 И. А. Бессмертный

Идентификатор
a b c d e

наличие 0
1
1 1 1

Решение полнота противоречивость
00
01
11 00 10

Условие
Q∩D =∅ Q∩D ≠ ∅&Q∩D ≠ Q∪D
Q⊂D Q⊃D Q=D

Если запрос не привел к состоянию e, следует изменить запрос. Ограничим модификации запросов двумя операциями: x — обобщение запроса (расширение контекста) и y — уточнение запроса (сужение контекста). Граф на рис. 3 отображает конечный автомат, в котором разрешенными являются только переходы, приближающие к целевому состоянию e (не отдаляющие от e).
xx

ax

b

xx d

yy

e yc

y

Рис. 3
Расширение пространства поиска может привести к увеличению времени извлечения фактов за счет применения правил, и это обстоятельство требует исследования.
Исследование производительности поиска в расширяющемся контексте. Пусть N — число фактов в базе знаний, τ — среднее время доступа к одному факту, Ai — число ат-
рибутов или классов, релевантных i-му условию запроса, i=1, n . При обработке запроса пер-

вое условие применяется в среднем к A1/2 атрибутам (классам), второе — если первое выполнено, а вероятность данного события p1=1/A1 и т.д. Заметим, что речь идет не о ветвлении поиска на дереве решений, а о фильтрации фактов, поэтому здесь нет экспоненциального
роста сложности поиска.
Таким образом, среднее время T обработки запроса на извлечение фактов для точно оп-
ределенного контекста составит

T

=

τN

⎛⎜⎝1 +

A1 2

+

p1

A2 2

+

p1 p2

A3 2

+ ... +

p1 p2... pn−1

An 2

⎞ ⎟⎠

=

∑ ∏=

τN

⎜⎛1 + ⎝

A1 2

+

A2 2 A1

+

A3 2 A1A2

... +

An 2 A1A2...An−1

⎞ ⎟ ⎠

=

τN

⎛⎜1 + ⎜ ⎜⎝

1 2

n i=1

Ai
i−1
Ak
k =1

⎟⎞ . ⎟ ⎟⎠

Для A=A1= A2=…= An при n≥2

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

Управление контекстом в информационных системах

11

T

=

τN

⎜⎝⎛1 +

A 2

+

1 2

+

1 2A

+ ... +

1 2 An−1

⎞ ⎠⎟



τN

(A+ 2

3)

,

если пренебречь малыми значениями членов ряда, заключенных в скобки.

В случае поиска в расширенном контексте для каждого условия запроса из базы знаний

должны извлекаться факты с близкими значениями атрибутов. Пусть δi — число допустимых значений i-го атрибута. При этом для каждого атрибута в условии запроса число извлекаемых

фактов удваивается, поскольку требуются дополнительные факты, характеризующие бли-

зость значений атрибута. Тогда среднее время Tx обработки запроса на извлечение фактов для расширенного контекста будет

∑ ∏Tx

=τN

⎛⎜1 + ⎝

A1 +

δ1A2 A1

+

δ1δ2 A3 A1A2

+ ... +

δ1δ2 ...δn−1 An A1 A2 ... An−1

⎞ ⎟ ⎠

=

τN ⎜⎝⎛⎜1+

A1

+

n i=1

Ai

n−1 j=1

δj Aj

⎞⎟⎠⎟.

Для случая, когда A=A1= A2=…= An и δ=δ1= δ2=…= δn, при n≥2,

Tx

=τN ⎜⎛1+ ⎝

A+δ+

δ2 A

+ ... +

δn−1 An−2

⎞ ⎟ ⎠



τN (1+

A + δ),

если также пренебречь малыми значениями членов ряда.

Если контекст расширяется до целого класса, то для i-го условия запроса атрибут может

принадлежать одному из Ci классов. Первое условие запроса порождает в среднем A1+C1 обращений к базе знаний. Вероятность успешного выполнения первого условия p1=1/C1. Тогда среднее время Tс обработки запроса на извлечение фактов в пределах класса для каждого из условий запроса составит

∑ ∏Tc

=

τN

⎜⎛1+ ⎝

A1

+

C1

+

A2 + C2 C1

+

A3 + C3 C1C2

+ ... +

An + Cn C1C2...Cn−1

⎞ ⎟ ⎠

=

τN

⎜⎛1 + ⎜ ⎜

n i=1

Ai + Ci
i−1
Cj

⎞ ⎟

.





⎝ j=1 ⎠

Для случая, когда A=A1= A2=…= An и С=С1= С2=…= Сn,

Tc

=

τN

⎛⎝⎜1 +

A+

C

+

A C

+1+

A C2

+

1 C

+

... +

A Cn

+

1 C n−1

⎠⎞⎟.

Экспериментальное исследование скорости извлечения фактов производилось в среде

SWI-Prolog на синтетической базе фактов, фрагмент которой представлен ниже.

t(1, isa, matematician).

t(1,lives_in,denmark).

t(2, isa, player).

t(2,lives_in,korea).

t(3, isa, restorer).

t(3,lives_in,mexico).

t(4, isa, graver).

t(4,lives_in,spain).

t(5, isa, informatics).

t(5,lives_in,usa).

t(6, isa, conductor).

t(6,lives_in,switzerland).



t(painter, isa, artist).

t(painter, id, 1).

t(graphic_artist, isa,artist). t(graphic_artist, id, 2).



t(matematician, isa,scientist). t(matematician, id, 13).



t(conductor, isa, musician).

t(conductor, id, 23).

t(singer, isa, musician).

t(singer, id, 24).

t(korea, isa, asia). t(china, isa, asia). … t(england, isa, europe). t(usa, isa, america).

t(korea, id, 1). t(china, id, 2).
t(england, id, 12). t(usa, id, 13).

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

12 И. А. Бессмертный Базу составляют сгенерированные случайным образом факты о субъектах, идентифици-
руемых числами и имеющих атрибуты „профессия“ и „страна“. Экземпляры группируются в классы (континент, ученый, художник, инженер, …). Кроме того, атрибуты имеют численные идентификаторы, присвоенные таким образом, чтобы близкие значения идентификаторов соответствовали близким профессиям или соседним странам. В точном запросе выбирались все представители конкретной профессии, проживающие в конкретной стране, в расширенном запросе — профессии и страны, имеющие смежные идентификаторы, а в поиске по классам — субъекты, представляющие класс профессий и континент.
На рис. 4 представлены теоретические результаты (цифры без штриха) и данные, полученные с помощью экспериментов (цифры со штрихом) для поиска в точно заданном контексте 1, а также поиска в ближайшем окружении заданного контекста 2 и в классе, объединяющем все контексты уровнем выше 3. Приведенные результаты демонстрируют, во-первых, хорошее совпадение теоретических результатов с экспериментами, во-вторых, линейный рост сложности поиска при увеличении числа фактов в базе данных, в-третьих, заметно большее время поиска в ближайшем окружении заданного контекста по сравнению с поиском в пределах целого класса. Последнее обстоятельство объясняется тем, что при поиске в целом классе делается меньше проверок условий.
Т, с
1′ 2,5 1
2 2′
2 1,5
1
0,5 3 3′
0 20 40 60 80 100 120 140 160 N, тыс. Рис. 4
Заключение. Представленные результаты исследования демонстрируют линейный рост сложности поиска в расширяющемся контексте, что позволяет использовать предложенную концептуальную модель интеллектуального агента для извлечения знаний из Semantic Web. Отдельного исследования заслуживает проблема идентификации контекста, решение которой может позволить автоматически оценивать степень доверия к результатам поиска.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 годы“ (соглашение № 14.В37.21.0406).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Торсуева И. Г. Контекст // Лингвистический энциклопедический словарь. М.: СЭ, 1990. С. 238—239.
2. Бессмертный И. А. Методы поиска информации с использованием интеллектуального агента // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 12. С. 26—31.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10

Применение технологии CUDA для ускорения расчета цен опционов

13

3. Bessmertny I. A. Knowledge Visualization Based on Semantic Networks // Programming and Computer Software. 2010. Vol. 36, N 4. P. 197—204.

4. Berners-Lee T., Hendler J., Lassila O. The Semantic Web // Scientific American Magazine. 2001. May.

Игорь Александрович Бессмертный —

Сведения об авторе канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра вычислительной техники; E-mail: igor_bessmertny@hotmail.com

Рекомендована кафедрой вычислительной техники

Поступила в редакцию 08.02.12 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 10