Книги, научные публикации
АНАЛИЗ ДАННЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ МЕДИАТОРЫ ОНТОЛОГИИ ДЛЯ ПОВСЕМЕСТНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ Э.А Бабкин, профессор Нижегородского филиала ГУ ВШЭ, babkin Н.В. Асеева, старший преподаватель Нижегородского
филиала ГУ ВШЭ, zubov В статье рассматриваются архитектура и методы проектирования устройств семантической интеграции гетерогенных сетей датчиков, названных Медиатор Онтологий. Для специализации таких устройств и ускорения разработки предлагается использовать модельно ориентированный подход и принципы трансформации знаний на основе онтологий.
Введение Много исследователей внесли свой вклад в дело развития теории и практики построения сетей дат а последние годы миниатюризация, низкая сто чиков и актуаторов, которые без сомнений являют имость компонентов и современные инфор ся основой UCE и носят обобщающее название Змационные технологии открыли практичес SANET (Sensors and Actuators Networks). В результа кие возможности для проектирования, реализации, те сегодня доступны миниатюрные устройства, ис производства и развёртывания распределённых ин пользуемые для построения SANET, встраиваемые формационных систем, объединяющих тысячи дат операционные системы, протоколы для безпровод чиков и программное обеспечение для их монито ных сетей и алгоритмы для эффективного управле ринга. Ожидается, что в ближайшее время пользо ния энергопотреблением SANET [7,8,9,10].
ватели будут ежедневно и повсеместно взаимодей В последнее время все более возрастает интерес к ствовать с системами обработки и визуализации решению следующей важной проблемы, с которой данных от датчиков во всех областях жизнедеятель столкнутся разработчики и пользователи UCE в не ности человека. Этот новый класс программно ап далеком будущем. Это - проблема совместного вза паратных систем получил особое название - имодействия SANET, существующей IT инфра Ubiquitous Computing Environment (UCE, Вычисли структуры и человеческого сообщества. Последние тельная среда повсеместных вычислений) [1, 2] или результаты [6, 11 15] показывают возможность при даже Интеллектуальное повсеместное простран менения подхода, основанного на использовании ство, Ubiquitous Smart Space [3, 4]. программного обеспечения промежуточного уровня Многочисленные элементы UCE, использую (так называемого Middleware), для решения этих щие беспроводные соединения для обмена инфор проблем, и предоставляют возможность интеграции мацией, обеспечивают пользователю широчайшие SANET на прикладном уровне корпоративных сис возможности для получения информации от датчи тем. Этот подход позволяет использовать единый ков в реальном масштабе времени. Причём они язык для взаимодействия различных частей распре позволяют пользователю получать информацию деленной системы в контексте общей модели мира.
с учётом контекста использования и предпочти Однако в случае широкомасштабных проектов по тельных методов визуализации. В результате у чело построению UCE большое количество SANET раз века появляются абсолютно новые возможности ворачивается в различных административных, кор взаимодействия со средой обитания. поративных и социальных кругах. Этот простой 16 БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(07)Ц2009 г.
АНАЛИЗ ДАННЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ факт разрушает предположение замкнутого мира ших исследований в области эффективного представ и требует повышенного внимания исследователей к ления знаний о предметной области. При этом фокус таким аспектам, как явное представление мета дан внимания исследований сместился с понимания вы ных и формальное моделирование свойств и интер сказываний на естестественном языке к выработке об фейсов системы для достижения семантического щих принципов обмена разнородными данными и взаимодействия распределенных компонент. знаниями о разных предметных областях между слабо В ходе собственных научных исследований мы связанными программными сущностями (например, проанализировали пути улучшения существующих агентами). Наиболее важными, таким образом, стали решений по интеграции различных компонентов вопросы интеграции и совместного использования SANET в составе UCE на основе middleware. Осно знаний. В этом контексте эксперты в области ИИ, в вой для наших собственных решений стала концеп частности Том Грубер, предлагают обозначить форма ция медиатора Чспециального устройства, которое лизмы представления и концептуализации понятий манипулирует мета данными для выполнения новым термином - онтологией. Под онтологией в ис гладкой интеграции различных информацион куссственом интеллекте понимается формальное опи ных моделей (концепций, атрибутов и взаимосвя сание понятий (концептов) их взаимосвязей и других зей реального мира) с целью удовлетворения ин сущностей, которые существуют в предметной области формационных нужд отдельного пользователя или и интересны для отдельного агента, или их сообществ.
небольшой группы пользователей. Полученное ре Это определение отличается от привычного филосо шение носит название Медиатор Онтологий, что вского значения термина онтология, где он обозначает отражает взаимосвязь нашего подхода с другими систематическое описание всего существующего.
проектами по интеграции на основе медиаторов, С точки зрения программных систем существует в частности - с подходом Mediator wrapped лишь то, что может быть представлено в формальной Architecture [5]. Некоторые важные части нашего форме. Когда знания о предметной области пред исследования соприкасаются также с работами по ставляются с помощью некоторого декларативного интеграции знаний и инженерии онтологий в обла формализма, то множество сущностей, которые сти проникающих вычислений [18,19, 20]. можно представить называются универсумом обще Нужно отметить, что практическая реализация ния (the universe of discourse). Это множество сущно решения Медиатор Онтологий в глобальном кон стей и описанные ызаимосвязи между ними имеют тексте UCE невозможна без применения согласо отражение в словаре, с помощью которого в програм ванной методологии разработки алгоритмов медиа ме представляются знания. Таким образом в контек ции и реконфигурируемой программно аппарат сте ИИ мы можем описать онтологию программы ной архитектуры устройств медиации. При этом мы явно выразив термины представления. В такой онто разделяем мнение в том, что представление про логии определения связывают имена сущностей фессиональных знаний по разработке программно в универсуме общения (например, классы, отноше го обеспечения, его преобразование и использова ния, функции или друге понятия) с текстовыми опи ние для автоматического проектирования сложных саниями в форме, понятной человеку, дающими ин систем должны проводиться с применением фор формацию о том, что означают имена, а также с фор мальных методов построения и анализа иерархии мальными аксиомами, которые определяют ограни объектно ориентированных моделей и онтологий. чения на возможные интерпретации структур из В этой работе мы представляем наиболее важ введнных понятий. Формально онтология является ные характеристики предлагаемой методологии выражением некоторой логической теории.
разработки и специализации устройств Медиатор С прагматической точки зрения онтология опре Онтологий, а также основные функции ориги деляет некоторый терминологический словарь;
в его нальной среды разработки IRWIN NG. Все эти терминах выражаются запросы и утверждения, кото компоненты могут использоваться для быстрой рыми обмениваются между собой различные агенты в разработки высоко специализированных решений ходе взаимодействия. Введенные в онтологии аксио Медиатор Онтологий для UCE. мы выражают общепринятые соглашения по исполь зованию единого словаря когерентным и согласован Что такое онтологии? ным образом. Отметим, что агенты, совместно ис пользующие одну и ту же онтологию, не обязательно Широкое распространение распределённых и агент должны обладать совпадающей базой знаний (факти но ориентированных методологий разработки интел ческими знаниями). Каждый из них может владеть лектуальных систем привело к необходимости дальней знаниями, неизвестными другим, или не иметь БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(07)Ц2009 г. АНАЛИЗ ДАННЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ возможности отвечать на все вопросы, которые мож для координации и контроля за различными но сформулировать на основании онтологии. процессами производства;
Сегодня онтологии широко применяются не толь для бизнес реинжениринга, позволяя опреде ко для теоретических исследований в ИИ. Они также лять наиболее важные элементы организаци применяются при создании информационных систем онной структуры, которые нужно реструкту на этапах сбора тербований и концептуального про рировать, а также последовательность дей ектирования, объектно ориентиированном дизайне и ствий по реструктуризации.
разработке, компонентном программировании, раз работке пользовательского интерфейса и т.п.. Описание методологии разработки Можно отметить ряд положительных эффектов разработки и использования на деятельность рас На рис.1 проиллюстрированы общие принципы пределенных организаций со сложной структурой. предложенной методологии дизайна специализуе Прежде всего процесс онтологического анализа мых устройств. В нашем подходе спецификация он является процессом открытий и служит лучшему тологии предметной области предшествует созда пониманию предметной области. Решения, полу нию нового устройства, реализующего функции ченные в ходе разработки онтологии, полезны для: Медиатор Онтологий.
определения проблем (диагностика);
Эта онтология включает описание структуры определения причин возникновения пробле и поведения пользовательских знаний о предметной мы (причинный анализ);
области, представленных в форме соответствующих определения альтернативных методов реше UML концепций (классов, автоматов состояний и ния проблемы;
логических ограничений). Процесс разработки онто выработки единой точки зрения на стоящие логии представляет собой диалог между основными задачи всеми членами группы;
заказчиками и инженером по знаниям. Для выявле совместного использования и повторного ис ния концепций и взаимосвязей инженер может ис пользования знаний. пользовать различные инструменты UML моделиро После завершения разработки онтологий они вания общего назначения или редакторы онтологий, полезны а также специфические графические инструменталь в ходе разработки информационной системы, ные среды для конкретной предметной области.
обеспечивая основу для интеграции с другими Как только пользователи определят содержание и системами;
логические ограничения онтологии, их преобразуют Рис. 1. Этапы проектирования и реализации в процессе создания устройства "Медиатор Онтологий" 18 БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(07)Ц2009 г.
АНАЛИЗ ДАННЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ в переносимый формат XMI для дальнейшего ис к большому количеству вариантов архитектуры ап пользования другими инструментами. Созданный паратуры и программного обеспечения. В соответ XMI документ передается в среду проектирования ствии с предлагаемой методологией разработки, уп платформы (Platform Design Studio), которая являет равляемой моделями (Model Driven Architecture) мы ся основным инструментом работы дизайнеров ап создали оригинальную среду разработки IRWIN NG паратной платформы. Их первая задача заключается для эффективной поддержки процесса проектирова в создании платформно зависимых UML моделей, ния и разработки специализированных устройств определяющих программные и аппаратные компо Медиатор Онтологий по требованиям различных ненты создаваемого устройства Медиатор Онтоло тпов пользователей. Специально разработаны два гий. Для успешного выполнения этой задачи среда аппаратных модуля, являющихся ядром этой среды.
проектирования платформы предоставляет дизайне 1. Вычислительный Модуль (Processing Unit) - ру специализированный графический редактор, си немодифицируемая часть устройства Медиатор мулятор и библиотеку моделей SANET. Графический Онтологий, состоящая из процессора и основных редактор помогает разработчику платформы в опре интерфейсов для обмена данными.
делении правил отображения между пользователь 2. Плата Расширений (Extention Board) - спе скими онтологиями и моделями SANET. Симулятор циализируемая в процессе разработки плата, кото тестирует корректность отображения и помогает по рая может быть расширена различной аппарату лучить оценки производительности. Как только рой и дополнительными аппаратными элементами платформно зависимая модель была создана, разра в соответствии со специфическими требованиями.
ботчик платформы запускает генератор артифактов, Были изучены различные дизайнерские реше который генерирует исходный код, список дополни ния, созданы прототипы для нахождения наиболее тельных аппаратных элементов и рекомендации для подходящего набора функций и стоимости. Теку выбора подходящих базовых аппаратных модулей. В щая экспериментальная реализация Вычислитель процессе окончательной компоновки разработчики ного Модуля имеет следующие свойства:
решения Медиатор Онтологий создают неболь MCU: LPC2294 16/32 bit ARM7TDMI SЩt шую часть связующего кода, а разработчики аппа with 256K Bytes Program Flash, 16K Bytes RAM, ратного обеспечения добавляют к базовым модулям 4x 10 bit ADC, 2x UARTs, 4x CAN, I2C, SPI, up дополнительные аппаратныеэлементы. Этот этап за to 60MHz operation;
вершает процесс создания специализированного ре 4MB SRAM 4x K6X8008T2B F/Q SAMSUNG;
шения Медиатор Онтологий и готовый к исполь 4MB TE28F320C3BD90 C3 INTEL FLASH;
зованию продукт поставляется заказчику. 10Mb TP Ethernet (CS8900A);
OS: RTOS ECOS 2.0;
Текущие результаты Connectors: Power supply, RJ45, HDR26F (for connection to the extension board).
Изучение нескольких предметных областей, предпочтительных для использования Медиаторов Алгоритмы медиации, внутреннее управление Онтологий, определило основные требование, ко и функции взаимодействия были написаны на язы торые должны быть учтены при разработке архитек ках C и C++. В настоящий момент завершен пер туры нашего решения. Аппаратное устройство Ме вый этап портирования виртуальной машины язы диатора должно иметь такие же свойства, какие име ка Java на Вычислительный модуль. За счёт этого ют компоненты, используемые для построения сетей устройство Медиатор Онтологий имеет доступ датчиков: низкая стоимость, дружественный интер к внешним базам данных через интерфейс JDBC.
фейс для развертывания и инсталляции. Это позво В наших дальнейших планах реализация на языке ляет сохранить уникальные особенности сетей дат Java таких дополнительных возможностей, как :
чиков и размещать Медиатор Онтологий в различ специализированное ядро трансформирова ных местах в соответствии с изменяющимися по ния онтологий с поддержкой языка RDF;
требностями конечного пользователя. В то же время динамическая реконфигурация и адаптация наше устройство должно обеспечивать широкий ди алгоритмов медиации (платформа мобильных апазон сценариев медиации, и, по нашему мнению, агентов).
аппаратное обеспечение принципиально должно В экспериментах со средой разработки IRWIN поддерживать связь посредством большинства попу NG наше внимание изначально было сконцентри лярных беспроводных или проводных протоколов. ровано на алгоритмах медиации. Поэтому использо Удовлетворение последнего требования приводит вались проводные сенсоры чтобы снизить стоимость БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(07)Ц2009 г. АНАЛИЗ ДАННЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ реализации. Большинство экспериментов с алгорит Заключение мами медиации выполнено на базе двухпроводных сетей датчиков, напрямую подключенных к устрой В этой работе мы рассмотрели принципы семан ству Медиатор Онтологий через интерфейс RS485. тического взаимодействия различных космпонент Первая тестовая сеть SANET, имеющая топологию распределенной системы в контексте UCE. Автора кольца, состоит из 70 датчиков и актуаторов, под ми предложена концепция специализируемого уст ключённых к модели железной дороги. Алгоритмы, ройства Медиатор Онтологий, назначение кото реализованные в этой специализации устройства рого - сбор данных, их трансформирование и пред Медиатор Онтологий, представляют пользователю ставление в различных формах, соотнесенных с по возможность наблюдать в динамике состояние же нятиями реального мира.
лезной дороги в терминах оператора и позволяют В сравнении с известными подходами к созда выполнять основные операции при помощи дружес нию промежуточного ПО для сетей датчиков, новое твенного web интерфейса (Java applets). решение использует механизм онтологий, работает Вторая сеть SANET имеет топологию звезды на уровне мета данных и служит связующим зве с восемью лучами. К каждому лучу подключается ном между объектно ориентированными моделя до 30 датчиков. Сеть была развернута на площадке ми. К тому же, имея большой набор интерфейсов крупного оператора телефонной связи для конт с различными коммуникационными протоколами, роля в условиях эксплуатации телекоммуника устройство Медиатор Онтологий может быть ис ционного оборудования. В этом случае устройство пользовано для координации взаимодействия гете Медиатор Онтологий обеспечивает оператора рогенных Служб, в том случае, когда распределен информацией об условиях эксплуатации, а также ная система состоит из различных сетей датчиков прогнозирует снижение производительности тех и приложений корпоративного уровня. Возросший нологического оборудования. Для реализации этих коэффициент повторного использования кода специфических особенностей специализированное и проектных решений является еще одним привле устройство Медиатор Онтологий включает плату кательным свойством нашего подхода. В процессе расширения, оснащенную жидкокристаллическим создания очередного специализированного вари монитором и клавишами управления, разработан анта устройства Медиатор Онтологий разработ ные модели и алгоритмы изоморфизма понятий чик формализует знания о конкретной предметной низкого уровня (значения температуры, влажнос области, а также о паттернах поведения и потреб ти, концентрация газов и т.п.) и понятий высокого ностях различных пользователей. Это позволяет уровня абстракции, которые использует оператор. постоянно расширять библиотеку доступных моде К настоящему моменту разработанные Платы лей, и, кроме того, разработчики и команды разра Расширений поддерживают как проводные, так и ботчиков могут совместно использовать эти биб беспроводные протоколы: I2C, CAN, 8x30 сенсоров, а лиотеки. В то же время применение одной мета также слот для установки беспроводного трансивера. модели для создания различных моделей позволяет Полученные нами решения и накопленный упростить трансформацию и интеграцию моделей.
опыт позволяет провести обобщение разработан В дополнение к использованию таких же прин ной архитектуры Платы Расширения и её пере ципов семантической интеграции на основе общей проектирование с использованием концепций онтологии, какие были предложены в [18], мы эволюционирующего аппаратного обеспечения предлагаем оригинальную методику разработки (evolvable hardware paradigm). В результате перепро и среду разработки IRWIN NG, которые вместе по ектирования Плата Расширения будет включать зволяют реализовать решения различного масшта в себя полностью перенастраиваемый и эволюцио ба, а также выполнять имитационные эксперимен нирующий блок на основе FPGA и несколько сло ты по трансформации онтологий и предваритель тов для установки драйверов и трансиверов. ное тестирование.
Данная работа выполнена при частичной финансовой поддержке Научного Фонда НФ ГУ ВШЭ, проект № 2006Ц09.
Литература 1. Abowd G.D., Mynatt E.D. Charting Past, Present, and Future Research in Ubiquitous Computing // ACM Transaction on Computer Human Interaction, vol. 7, No 1, pp.29Ц58, 2000.
20 БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(07)Ц2009 г.
АНАЛИЗ ДАННЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ..
2. Niemelа E., Latvakoski J. Survey of requirements and solutions for ubiquitous software // Proc. of the 3rd international con ference on Mobile and ubiquitous multimedia, College Park, Maryland, 2004, pp. 71Ц78.
3. Jeng T. Designing a Ubiquitous Smart Space of the Future: The Principle of Mapping // Proc. of International Conference of Cognition and Computation (DCC Т04), MIT, Cambridge, 19Ц21 July, 2004.
4. Kawahara Y., Minami M., Saruwatari S., Morikawa H., and Aoyama T. Challenges and Lessons Learned in Building a Practical Smart Space // Procs. of the 1st Annual International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems:Networking and Services (MobiQuitous Т04), Boston, Massachusetts, August 22Ц25, 2004, pp. 213Ц222.
5. Wiederhold G. Mediation in Information Systems, ACM Computing Surveys, vol. 27, No 2, June 1995, pp. 265Ц267.
6. Branch J. W., Davis J., Sow D., and Bisdikian C. Sentire: A Framework for Building Middleware for Sensor and Actuator Networks // Proc. of the 1st IEEE International Workshop on Sensor Networks and Systems for Pervasive Computing PerSeNSТ05), Kauai Island, Hawaii, March 8Ц12, 2005, pp. 396Ц400.
7. Misc.Tinyos:A component based os for the networked sensor regime. 8. Feng J., Koushanfar F., Potkonjak M. System Architectures for Sensor Networks Issues, Alternatives, and Directions // Proc.
of the IEEE International Conference on Computer Design: VLSI in Computers and Processors (ICCDТ02), Rio de Janeiro, Brazil, September 16Ц18, 2002, pp. 226.
9. Tilak S., Abu Ghazaleh N., Heinzelman W. A Taxonomy of Wireless Micro Sensor Network Models. ACM Mobil Computing and Communications Review, vol. 6, No.2, 2002, pp. 28Ц36.
10. Crossbow Technology,Inc., In com/Products/products.htm.
11. Curino C., Giani M., Giorgetta M., Giusti A., Murphy A.L., and Picco G.P. Tiny LIME :Bridging Mobile and Sensor Networks through Middleware // Proc. of the 3rd IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications (PerCom 2005), Kauai Island, Hawaii, March 8Ц12, 2005. pp. 61Ц72.
12. Tsetsos V., Alyfantis G., Hasiotis T., Sekkas O., and Hadjiefthymiades S. Commercial Wireless Sensor Networks: Technical and Business Issues // Proc. of the Second Annual Conference on Wireless On demand Network Systems and Services (WONSТ05), St. Moritz, Switzerland, January 2005, pp. 166Ц173.
13. Ahamed S.I., Vyas A., Zulkernine M. Towards Developing Sensor Networks Monitoring as a Middleware Service // in Proc.
of the 2004 International Conference on Parallel Processing Workshops (ICPPW Т04), Montr еal, Qu еbec, Canada, August 15Ц18, 2004, pp. 465Ц471.
14. Tokunaga E., Zee A. van der, Kurahashi M., Nemoto M., and Nakajima T. A Middleware Infrastracture for Building Mixed Reality Applications in Ubiquitous Computing Environments // Procs. of the 1st Annual International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems:Networking and Services (MobiQuitous Т04), Boston, Massachusetts, August 22Ц25, 2004, pp. 382Ц391.
15. Chan E., Bresler J., Al Muhtadi J., and Campbell R. Gaia Microserver:An Extendable Mobile Middleware Platform // Proc.
of the 3rd IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications (PerCom 2005), Kauai Island, Hawaii, March 8Ц12, 2005. pp. 309Ц313.
16. Oliver. Applying UML and MDA to Real Systems Design. // Proc. of the conference on Design, Automation and Test in Europe (DATEТ05), Munich, Germany, 7Ц11 March, 2005, vol. 1, pp.70Ц71.
17. Volgyesi P., Ledeczi A. Component Based Development of Networked Embedded Applications // Proc. of the 28th Euromicro Conference (EUROMICROТ02), Dortmund, Germany, 4Ц6 September, 2002, pp. 68.
18. Chen H., Perich F., Finin T., and Joshi A. SOUPA: Standard Ontology for Ubiquitous and Pervasive Applications // Procs.
of the 1st Annual International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems:Networking and Services(MobiQuitous Т04), Boston, Massachusetts, August 22Ц25, 2004, pp. 258Ц267.
19. Zhou Y., Zhao Q., Perry M. Reasoning over Ontologies of On Demand Service // Proc. of 2005 IEEE International Conference on e Technology, e Commerce and e Service (EEEТ05), Hong Kong, 29 March 1 April, 2005, pp. 381Ц384.
..
20. Hоnle N., K?ppeler U. P., Nicklas D., Schwarz T., Grossmann M. Benefits of Integrating Meta Data into a Context Model // Proc. of the 3rd IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications (PerCom 2005), Kauai Island, Hawaii, March 8Ц12, 2005, pp. 25Ц29.
БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(07)Ц2009 г.
Книги, научные публикации