Разработка и исследование методов создания специализированного компьютерного банка знаний для органической химии

Актуальность проблемы.

К настоящему времени разработано большое число прикладных программных систем для решения задач в области химии. Ранние системы для данной области не являлись интеллектуальными, поскольку при их разработке не использовались методы искусственного интеллекта. Но после того, как такие методы получили широкое применение, появились интеллектуальные программные системы для решения задач данной области. В разработку интеллектуальных систем, решающих задачи в области химии и, в частности, в области органической химии, внесли вклад Гордеева Е. В., Зефиров Н. С., Карри Б., Випке В. Т., Хеффрон М., Либман С. и др.

Примерами программных систем, решающих задачи в области химии, в частности, в области органической химии, являются LHASA, SINGEN, EROS, AIPHOS, AOCR и др. Такие программы позволяют изучать свойства химических соединений с использованием сложного математического аппарата и моделей, описывающих зависимости этих свойств от молекулярной структуры вещества. Базы данных этих программ содержат большой объем справочной информации.

Одним из подходов к созданию интеллектуальных систем является их разработка на основе онтологий. Это, с одной стороны, делает понятным для специалистов интерфейс таких систем, с другой стороны, повышает доверие пользователей к ним. Онтологии также являются средством обеспечения повторного использования информации, хранимой в базах знаний интеллектуальных систем, а также методов, применяемых при решении задач.

В настоящее время разработаны онтологии некоторых фрагментов химии (например, Chemical Ontology [61], Онтология Химических Веществ [73], Онтология Кристаллов [62], Онтология Чистых Веществ [86], Онтология Керамических Материалов [87]), а также онтологии некоторых близких к химии областей (например, Gene Ontology (Онтология генных продуктов) [58], The Sequence Ontology (Онтология, описывающая биологические реакции) [99], TAMBIS (онтология биоинформатики) [90], СОМе (онтология бионеорганических центров в сложных белках) [66]).

Последние два десятилетия характеризуются развитием Интернет-технологий, которые востребованы и в области химии. Уже создано большое число сайтов, содержащих химическую информацию, а также порталов, хранящих такую информацию из области органической химии, как структура органических соединений, их физико-химические свойства, способы синтеза и применения. Сайты и порталы предоставляют возможность хранения, редактирования и просмотра имеющейся информации специалистами областей.

Однако практика показывает, что прикладные системы (в том числе в области химии), быстро устаревают, и даже использование интеллектуальных систем, основанных на знаниях, не решает эту проблему. Ее решение возможно лишь в том случае, когда интеллектуальная система обеспечивает коллективное развитие баз знаний, основана на общепринятой онтологии, а средства развития ее баз знаний доступны через сеть Интернет. Однако в настоящее время нет интеллектуальных Интернет-систем, предоставляющих не только возможности коллективного развития баз знаний и их просмотра пользователями, но и использования их для компьютерной обработки программными системами.

Ни одна из разработанных за рубежом интеллектуальных систем для решения задач в области химии не основана на онтологиях. Существует лишь две интеллектуальные системы, разработанные на основе онтологиисистема решения вычислительных задач физической химии [23] и система определения состава соединений с использованием рентгено-флуоресцентного метода анализа, созданные в нашей стране.

Во многих из разработанных за рубежом онтологий определены классы понятий и их иерархии, а знания задаются как элементы классов и часто не отделяются от самой онтологии. Такое представление затрудняет использование онтологий и знаний при создании интеллектуальных систем, поскольку в онтологии сложной реальной предметной области, особенно области, связанной с наукой, между терминами онтологий существуют отношения, отличные от иерархических отношений между классами понятий, а знания области постоянно обновляются. В настоящее время существуют лишь две онтологии для химии, определяющие такие отношения. Это онтология физической химии [24−28] и онтология рентгено-флуоресцентного анализа, созданные в нашей стране. Онтология же органической химии до сих пор не разработана.

Таким образом, актуальной является разработка интеллектуальной Интернет-системы, основанной на онтологии органической химии, предоставляющей возможность создания и коллективного развития баз знаний, а также их использования при решении прикладных задач. Кроме того, система должна учитывать наличие пользователей разной квалификации в данной предметной области.

Целью диссертационной работы является разработка моделей, методов и средств создания интеллектуальной Интернет-системы для коллективного развития баз знаний в области органической химии и использования их при решении задач программными системами.

Так как предметная область органической химии весьма обширна и сложна, то развитие баз знаний в ней может осуществляться в нескольких направлениях. Все эти направления предполагают наличие общего ядра, которое должно содержать терминологию и знания университетского курса органической химии. Развитие баз знаний влечет появление новых классов прикладных задач. Поэтому Интернет — система должна поддерживать механизмы для добавления программных компонент, предназначенных для решения новых прикладных задач. С учетом этих замечаний, для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать концепцию расширяемой интеллектуальной Интернет-системы для коллективного развития баз знаний в области органической химии и использования их при решении прикладных задач (концепцию специализированного компьютерного банка знаний в области органической химии).

2. Разработать онтологию органической химии в объеме университетского курса и ее модель.

3. В терминах модели онтологии разработать математические постановки для решаемых в университетском курсе задач и методы их решения.

4. Разработать методы реализации расширяемого специализированного компьютерного банка знаний в области органической химии, основанного на предложенной концепции.

5. Разработать прототип расширяемого специализированного компьютерного банка знаний в области органической химии, основанного на предложенной концепции, содержащего редакторы онтологий и знаний, а также решатель задач определения путей синтеза органических соединений, и провести его экспериментальное исследование.

Методы исследования. Для решения указанных задач использовались элементы математической логики, теории алгоритмов и исчислений, методы построения онтологий и их математических моделей, а также методы системного программирования.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Предложена концепция специализированного компьютерного банка знаний в области органической химии, описывающая механизмы коллективного развития баз знаний, предназначенных как для специалистов, так и для компьютерных систем, а также механизмы для добавления программных компонент, предназначенных для решения новых классов прикладных задач.

2. Впервые разработана модульная онтология органической химии в объеме вузовского курса и ее модель.

3. Для всех классов задач поиска путей синтеза органических соединений специфицирован метод решения как вывод в исчислении, а именно определены правила построения начального состояния вывода, правила завершения вывода, а также правила формирования очередного состояния процесса вывода.

4. Разработаны методы реализации расширяемого специализированного трехуровневого редактора метаонтологий, онтологий и знаний, позволяющего подключать специализированные графические компоненты редакторов знаний, вызов которых при редактировании управляется онтологией.

5. Разработан метод автоматического определения схемы базы данных для представления знаний на основе определения терминов и связей между ними в онтологии.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Реализован прототип расширяемого специализированного компьютерного банка знаний в области органической химии, основанный на предложенной концепции и содержащий трехуровневый редактор метаонтологий разделов, онтологий и знаний подразделов, графический редактор структурных формул, решатель класса задач поиска путей синтеза органических соединений, графические системы ввода исходных данных, вывода и объяснения результатов.

2. С использованием трехуровневого редактора создано информационное наполнение специализированного банка знаний по органической химии, содержащее метаонтологию органической химии, 26 модулей онтологии и 26 модулей знаний подразделов органической химии.

Материалы диссертации использовались в учебном процессе на базовой кафедре программного обеспечения ЭВМ Дальневосточного государственного университета (ДВГУ) при Институте автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН при чтении курса лекций по дисциплине «Системы искусственного интеллекта», при выполнении курсовых и дипломных работ студентами кафедры программного обеспечения ЭВМ ДВГУ, а также на кафедре органической химии химического факультета Института химии и прикладной экологии ДВГУ. Результаты работы используются в научных исследованиях отдела интеллектуальных систем ИАПУ ДВО РАН при разработке единого подхода к определению свойств онтологий и исследований его применимости к оцениванию произвольных онтологий на практике.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и отечественных конференциях и семинарах: Дальневосточной математической школе-семинаре им. академика Е. В. Золотова (Владивосток, 2002, 2004) — международной конференции «Искусственный интеллект. Интеллектуальные и многопроцессорные системы» (Кацивели, 2004, 2006) — шестом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы Intel 2004» (Москва, 2004) — научной сессия МИФИ (Москва, 2006, 2007) — конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» (Москва, 2006) — II Международной конференции по когнитивной науке (Санкт-Петербург, 2006) — совместных семинарах отдела интеллектуальных систем ИАПУ ДВО РАН и базовой кафедры программного обеспечения ЭВМ ДВГУ (2002;2007).

Реализация результатов работы. Представленные в работе исследования выполнены в рамках научно-исследовательских тем ИАПУ ДВО РАН:

Разработка моделей, алгоритмов и программных средств обработки больших объемов данных, знаний и графической информации с использованием параллельных вычислений", № гос. per. 0/20.050/944, проекта «Теоретические основы интеллектуальных систем, основанных на онтологиях, для интеллектуальной поддержки научных исследований», выполнявшегося по программе № 16 Президиума РАН «Математическое моделирование и интеллектуальные системы», проекта «Интеллектуальные системы, основанные на многоуровневых моделях предметных областей», выполнявшегося по программе № 14 Президиума РАН «Математическое моделирование и интеллектуальные системы», проекта «Разработка интеллектуальных информационных технологий генерации и анализа знаний для поддержки фундаментальных научных исследований в области естественных наук», выполнявшегося совместно с научными учреждениями Сибирского отделения РАН, проекта ДВО РАН «Разработка теоретических основ создания и экспериментальное исследование интеллектуальных интернет-систем, основанных на многоуровневых моделях некоторых разделов химии».

В указанных работах автор принимал участие в качестве исполнителя.

По материалам диссертации опубликовано 24 печатных работы [1−22], [4950], в том числе две статьи в журналах, входящих в перечень журналов ВАК [1], [8] и две статьи в международном журнале [19−20].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 157 страницах, списка литературы, включающего 101 работу, и приложений.

Основные результаты работы заключаются в следующем. 1. Предложена концепция расширяемого специализированного компьютерного банка знаний в области органической химии, описывающая механизмы коллективного развития баз знаний, предназначенных как для специалистов, так и для компьютерных систем, а также механизмы для добавления программных компонент, предназначенных для решения новых классов прикладных задач.

2. Разработана модульная онтология органической химии и ее модель, описывающие основные понятия органической химии, используемые в вузовском курсе обученияонтология содержит 26 модулей, определяет 171 термин и 107 онтологических соглашений.

3. В терминах онтологии разработаны математические постановки для всех классов задач, решаемых в университетском курсе органической химии, и разработаны методы их решения. Для всех подклассов задач поиска путей синтеза органических соединений специфицирован метод решения как вывод в исчислении, а именно определены правила построения начального состояния вывода, правила завершения вывода, а также правила формирования очередного состояния процесса.

4. Разработаны методы реализации расширяемого специализированного трехуровневого редактора метаонтологий, онтологии и знаний, позволяющего подключать специализированные графические компоненты редакторов знаний, вызов которых при редактировании управляется онтологией.

5. Разработан метод автоматического определения схемы базы данных для представления знаний на основе определения терминов и связей между ними в онтологии.

6. Разработан метод реализации расширяемого специализированного компьютерного банка знаний для органической химии, основанного на концепции.

7. Реализован прототип расширяемого специализированного компьютерного банка знаний в области органической химии, основанный на предложенной концепции и содержащий расширяемый специализированный трехуровневый редактор метаонтологий разделов, онтологий и знаний подразделов, графический редактор структурных формул, решатель класса задач поиска путей синтеза органических соединений, графические системы ввода исходных данных, вывода и объяснения результатов.

8. С использованием трехуровневого редактора создано информационное наполнение специализированного банка знаний по органической химии, содержащее метаонтологию органической химии, 26 модулей онтологии и 26 модулей знаний подразделов органической химии.

9. Проведено экспериментальное исследование прототипа, в ходе которого была подтверждена гипотеза о необходимости коллективного развития базы знаний и положения концепции о направлениях дальнейшего расширения банка знаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.