1. Концептуальные графы

Помимо моделей и методов представления и использования знаний, непосредственно разработанных в рамках онтологического подхода, для реализации онтологий могут применяться и более универсальные средства представления семантической информации. К числу их может быть отнесен и аппарат концептуальных графов (КГ). Данный аппарат был разработан в середине 80-х гг. ХХ в. Джоном Сова (J. F. Sowa) и представляет собой синтетическую теорию, совмещающую в себе элементы символьной логики (прямым предшественником методологии КГ считается логика экзистенциальных графов Пирса), теории семантических сетей (и смежных разделов искусственного интеллекта), теории формальных грамматик и ряда других научных дисциплин. Изначально КГ рассматривались как средство для представления (в том числе в виде графических диаграмм) логических систем. Для КГ были сформулированы принципы внутренней организации, графического отображения и формального текстового описания (в виде абстрактного синтаксиса, который мог иметь множество конкретных реализаций). В дальнейшем аппарат КГ (здесь и далее под этим термином будем понимать совокупность семантики КГ и абстрактного синтаксиса, способного формально описывать КГ в виде текстовых или графических нотаций) был распространен на задачи представления различных широко используемых классов сетевых моделей – иерархических (классификационных, таксономических) сетей, диаграмм потоков данных (dataflow diagrams), сетей переходов состояний, различных подклассов сетей Петри, ER-диаграмм (Entity – Relation diagrams), блок-схем алгоритмов, схем рекурсивных вычислений и т. д. В начале 90-х гг. ХХ в. методология КГ стала также рассматриваться (с точки зрения логической интерпретации) как теоретический базис объектно-ориентированного программирования. Параллельно аппарат КГ использовался и для унифицированного описания моделей знаний, относящихся к классу семантических сетей, а затем – и других классов моделей знаний – продукционных, фреймовых, логических. В результате теория КГ стала рассматриваться как эффективный и практически универсальный инструмент представления знаний (как декларативных, так и процедурных) и их логической интерпретации. Значительным шагом вперед стала также интеграция аппарата КГ с теорией активных семантических сетей, приведшая к появлению класса так называемых активных КГ. В данном классе моделей были введены понятия жизненного цикла концептов, правила распространения концептуальных отношений, появились механизмы сопоставления референтов и обозначений через примеры и экземпляры и т. д. Соответственно, открылась возможность описания и моделирования последовательных и параллельных вычислительных процессов и задач различной природы – функциональных, процедурных, логических, событийно управляемых, объектно-ориентированных. После этого аппарат КГ стал эффективно использоваться в CASE-технологиях различного профиля, в визуальном программировании (в том числе в технологиях визуальной поддержки инженерии знаний – CAKE-системах), в задачах программного моделирования и системного анализа, а также во многих других проблемных областях. В настоящее время активно ведутся разработки стандартов ISO/IEC на семантику и синтаксис описания КГ, а также на методы взаимодействия информационных систем на базе обмена КГ. Базовым действующим стандартом, регламентирующим основные положения и терминологию аппарата КГ, можно считать стандарт ISO/IEC 14481:1998 «Information Technology (IT) – Conceptual Schema Modeling Facilities (CSMF)» (стандарт на средства моделирования концептуальных схем).

Относительная простота моделей и нотаций КГ в сочетании с высокой выразительной мощностью, гибкостью и расширяемой семантикой сделала КГ не только широко используемым формализмом, но и базисом для построения новых классов теоретических моделей различного функционального содержания. Так, применительно к тематике настоящего пособия, показательной тенденцией можно считать интеграцию аппарата КГ в методологию так называемой общей логики (Common Logic – CL), активно развивающуюся в последние годы в приложении к семантическим Web-технологиям (в рамках проекта стандартизации аппарата общей логики непосредственно используются модели и нотации КГ как одно из базовых выразительных средств). CL – это логический формализм с абстрактным синтаксисом, ориентированный на организацию эффективных процессов взаимодействия (поиска и обмена данными и метаданными, совместной обработки данных и знаний, поддержки моделей с распределенной архитектурой и т. п.) между информационными системами с использованием XML-подобных нотаций. Общая логика представляет собой, в своем роде, язык языков и обладает высоким уровнем абстракции, имея при этом формальную семантику. На ее основе (как и в аппарате КГ) могут порождаться теоретические модели и языки, реализующие в том или ином объеме абстрактный синтаксис общей логики с использованием разнообразных конкретных синтаксических моделей. Эти производные языки (и поддерживаемые ими модели) могут иметь различные сферы приложения, относясь при этом к единому «семантическому семейству». Онтологии и задачи распределенной обработки знаний можно считать естественными областями применения аппарата общей логики и КГ.

Однако в целом КГ являются значительно более универсальным средством решения разнообразных задач представления и использования знаний. В сильно упрощенном виде онтологии (с точки зрения их целевого содержания) можно рассматривать как толковый словарь предметной области, общую схему взаимосвязи основных понятий и терминов, классифицирующую и типизирующую подмодель, и т. п. В подобном ракурсе онтологии можно ассоциировать с частью модели знаний (базовой), не содержащей полностью детализированного и конкретизированного описания предметной области. Аппарат КГ, в свою очередь, является механизмом для построения и обслуживания целостных моделей знаний (или данных), которые могут содержать и онтологию предметной области, и ее конкретное содержательное описание. Различие двух указанных сфер применения соответствующих моделей можно грубо сравнить с различием между схемой базы данных и самой базой данных. При этом следует иметь в виду, что сама фактура онтологических моделей, в принципе, не ограничивает степень детализации знаний и, следовательно, потенциально может отражать не только базис какой-либо модели данных или знаний, но и ее фактическое наполнение (что приводит к частому смешиванию понятий онтологии и модели представления знаний как таковой, к пересечению областей применения соответствующих классов инструментальных программных средств и т. п.). Тем не менее, более широкий «целевой охват» аппарата КГ накладывает отпечаток и на его выразительные способности (в первую очередь, в части интерпретации моделей), отличающиеся от возможностей моделей, обычно относимых к классу онтологий.

На модельном уровне характерными отличительными особенностями классических КГ от традиционных онтологических моделей (например, поддерживаемых в языках RDF, OWL и др.), являются:

- наличие некоторых элементов представления процедурных знаний (так называемых акторов, конструкций if-then-else и т. п.);

- гиперграфовая организация КГ (концепты в КГ сами могут являться графами) и структурное выделение отношений в самостоятельный класс узлов модели (онтологии, как правило, реализуют отношения в виде дуг графа);

- расширенная семантика, базирующаяся на концептуальных отношениях произвольной арности и не накладывающая ограничений на смысловое содержание узлов, выступающих в качестве операндов отношения (в моделях онтологий преобладают реализации бинарных базисов, в которых отношения обычно описывают тройки вида «сущность – свойство – значение свойства» или «субъект – предикат – объект» и т. п., где первый и третий элементы тройки соответствуют узлам-сущностям, а второй – дуге-отношению);

- наличие развитого механизма контекстов и контекстно-зависимых интерпретаций (возможны также вариативные схемы сопряжения контекстов);

- гибкая схема образования типов концептов и отношений, допускающая определение типов через произвольные λ-выражения (аналог параметризации функций), создание типов с неточно неопределенными областями значений, использование квантификаторов и коллекций (множеств и последовательностей) при образовании одних типов на основе других и т. п.

Существует и ряд других семантических отличий КГ от аналогичных по назначению теоретических моделей. Однако наиболее общим и принципиальным отличием является то, что методы построения КГ жестко не регламентируют форму представления того или иного высказывания в модели и, соответственно, его интерпретацию. При этом КГ способны отображать не только простейшие схемы синонимии, омонимии и антонимии отдельных понятий, но и сложные виды эквивалентирования, ассоциирования, транзитивных связей знаний и т. п. Например, формулировки «А является руководителем В» и «В является подчиненным А» могут быть эквивалентными с точки зрения их представления в КГ, но в классических онтологических моделях эти 2 утверждения являются определениями для двух различных свойств сущности типа «сотрудник»: свойства «быть руководителем» и свойства «быть подчиненным». В КГ может быть отражена «симметричность» отношений «руководитель – подчиненный» для любой пары сотрудников. В развитых онтологиях (например, в OWL) существует понятие симметричных и транзитивных свойств (например, «А равен В» и «В равен А» могут одинаково интерпретироваться за счет указания на симметричность свойства «равен»). Однако это означает лишь то, что симметричность относится к конкретному отношению «равен». В примере с отношением «руководитель – подчиненный» свойство «быть руководителем» не является в этом смысле симметричным (так как А и В не могут быть одновременно руководителями друг для друга). Здесь требуется показать, что симметричны 2 различных свойства (отношения «быть руководителем» и «быть подчиненным»). Такая возможность заложена в аппарат КГ, но, как правило, не поддерживается в традиционных онтологиях, носящих более формальный характер и не ориентированных на представление всего многообразия форм передачи семантической информации.

Для описания КГ существует ряд общепринятых нотаций, среди которых базовыми считаются нотации DF (Display Form – графическая форма), LF (Linear Form – линейная форма), KIF (Knowledge Interchange Format – формат обмена знаниями) и формат CGIF (Conceptual Graph Interchange Format – формат обмена концептуальными графами). Все эти нотации одинаково корректно способны передать «основную» семантику КГ, хотя и отличаются некоторыми нюансами. Существует так называемый абстрактный синтаксис КГ (AS – Abstract Syntax), т. е. математическое описание логики построения любых КГ, который и реализуется в той или иной форме в конкретно взятой нотации с использованием различных выразительных средств и приемов. В стандартах предусматривается регламентирование нотаций CGIF и KIF.