Введение к работе
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 TBox, 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 научно-практическая 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 OWL-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 компании МЭС Западной Сибири ОАО «ФСК ЕЭС» и формировании правил вывода новых знаний.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 119 наименований и 7 приложений. Содержит 25 рисунков, 22 таблицы.
