Сайт Информационных Технологий

Онтологии в проектировании систем

В. В. Девятков

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Abstract — The approach to designing and modeling complex systems on the basis of ontologies is discussed. As a detailed illustration of the approach the structure, principles of realization and results of ontology application for design of control and measuring heating systems of buildings is considered.

Люди, организации и программные системы вынуждены общаться друг с другом. Однако, способ выражения знаний даже об одних и тех же вещах и в одном и том же языке может быть столь различным, что это приводит к непониманию друг друга даже при разговоре об одном и том же предмете. Об этом много написано, в том числе в научной литературе [1]. Это приводит к трудностям обмена информацией между людьми, организациями и программами, и, в частности, к трудностям формирования однозначно понимаемых требований и спецификаций для сложных систем. Несмотря на достаточно продвинутый уровень развития систем моделирования сложных систем, возможности взаимодействия созданных с их помощью программных моделей, возможности повторного использования и распространения этих моделей весьма ограничены. Это в свою очередь приводит к повторным усилиям по созданию программных моделей по своей сути в значительной степени мало отличающихся от уже созданных. Такая ситуация напоминает повторное изобретение велосипеда.

Спрашивается, как можно избежать такого рода изобретений? Естественный ответ - это устранить или свести к минимуму концептуальную и терминологическую путаницу и установить однозначное понимание языка, используемого для формирования требований и спецификаций сложных систем. Этот язык должен прежде всего служить средством

Онтологией как раз называются представленные на некотором языке, обладающем перечисленными выше свойствами, знания о некоторой области интересов (среде, мире). Термин “онтология” в настоящее время широко используется в работах по искусственному интеллекту как аналог понятию модели в какой-либо конкретной области, и охватывает все необходимые формализованные некоторым образом (как правило, в виде некой формальной теории или исчисления) знания и интерпретатор или машину вывода, необходимые для вычислений.

Отправным материалом для проектирования реальных систем теплоснабжения здания является архитектурный проект, который определяет размеры здания и его помещений, конструкции всех элементов здания, расположение и размеры окон и дверей, расположение инженерных сооружений, в частности систем теплоснабжения, канализации, вентиляции и т.п., т.е. всего, что необходимо в соответствии с действующими строительными нормами и правилами. Для того, чтобы иметь возможность осуществлять оптимальное автоматизированное проектирование систем теплоснабжения жилых зданий необходимо иметь формальную модель, с помощью которой можно было бы решать задачу. Спрашивается, какие соображения должны быть положены в основу подобной модели? С одной стороны в настоящее время известны различные математические модели, которые используются при проектировании систем теплоснабжения зданий, основанные на законах теплопередачи, например, дифференциальные уравнения, линейные уравнения стационарного режима. Все было бы хорошо, если бы задача выглядела как классическое совместное решение системы уравнений для нахождения оптимальных параметров системы теплоснабжения по известным исходным данным. К сожалению, для большинства реальных задач, использование классического подхода встречает непреодолимые препятствия, связанные, во-первых, с тем что в рассмотрение при оптимизации должны быть включены показатели затрат, выраженные в виде эмпирических формул для расчета, например, стоимости жизненного цикла здания и других параметров, множества разнородных условий и требований, диктуемых действующими нормами и правилами; во-вторых, с тем, что при классическом подходе невозможно учесть требования, которые носят субъективный присущий только для данного проекта характер и изменяются по мере продвижения процесса проектирования; и в-третьих, в связи с тем, что упомянутый классический подход не охватывает мета уровня, без которого современная автоматизация проектирования вообще неосуществима, а именно уровня планирования алгоритмов оптимального поиска в пространстве допустимых значений.

Исходя из этого, авторы остановились на современном логическом подходе к решению задачи оптимального автоматизированного проектирования систем теплоснабжения жилых зданий, в основу которого положена комплексная онтология теплоснабжения, включающая в себя достоинства известных моделей и позволяющая преодолеть перечисленные выше препятствия. Из-за ограничений на объем материала, допустимый для изложения в настоящей статье, авторы не ставили перед собой задачи рассмотрения в ней всех аспектов комплексной онтологии теплоснабжения как формальной теории и предполагают, что читатель знаком с разделом теории искусственного интеллекта, в котором излагаются основы онтологий.

После того как онтология сформирована, ставятся так называемые формальные компетентные вопросы, на которые предполагается получать ответ с помощью онтологии. Эти вопросы формулируются как теоремы, в результате логического доказательства которых и получается ответ на них. В настоящей статье выделяется два типа компетентных вопросов: а) прямые вопросы (анализа) - каковы будут эксплуатационные характеристики здания (комфортность и стоимость) при заданных значениях параметров здания и системы теплоснабжения (конструкции, применяемых материалах, ценах)?; б) обратные вопросы (синтеза) - каковы должны быть параметры конструкции чтобы обеспечить требуемые или наилучшие (оптимальные) эксплуатационные характеристики здания при заданных условиях, определяемых константными параметрами (климатическими, стоимостными и т.п.)?

Основными частями комплексной онтологии теплоснабжения являются следующие. а) аксиомы идентификации, получаемые по известным математическим уравнениям теплопередачи, формулам для расчета температуры, эмпирическим формулам для расчета стоимости жизненного цикла систем теплоснабжения; б) аксиомы вычислений, формулирующие правила вычисления значений искомых параметров; в) аксиомы планирования вычислений, задающие порядок и условия корректности вычислений.

Онтология теплоснабжения зданий основана на аксиоматическом представлений знаний из этой предметной области. Аксиомы подразделяются на четыре группы: идентификации, вычислений, планирования и оптимизации.

Назначением идентификационных аксиом является описание всех типов переменных и отношений, в которые эти переменные вступают друг с другом. Будем полагать, что здание в целом, включая систему теплоснабжения, имеет множество объектных параметров X = {x1, ..., xN}, включая все известные и неизвестные, постоянные и переменные, исходные и промежуточные, оценочные и конструктивные и т. п. В реальном проектировании требуется находить или уточнять значения части этих параметров, каждый из которых, как правило, должен попадать в определенный интервал значений. Интервалом значений также задаются известные параметры и ограничения в задачах оптимизации. Поэтому значением каждого параметра x I X в нашей онтологии является интервал. Интервалом называется множество действительных чисел r, таких что l? r? h, где l, h - границы интервала. Интервал значений параметра x будем обозначать [x] = [l, h]. Каждый параметр в нашей онтологии представляется предикатом параметр (x, [l, h]), истинным, когда переменная x существует и лежит в интервале [l, h], где l, h являются соответственно левой и правой границами интервала. Введем множество отношений R = {r1, ..., rI}. Каждое отношение ri связывает некоторое множество параметров Yi. и используется для вычисления неизвестных значений параметров Yiвых I Yi , по известным значениям параметров Yiвх I Yi. Этот процесс называется вычислением отношения ri. Как конкретно осуществляется вычисление неизвестных значений в зависимости от множества известных значений определяют аксиомы вычислений, рассматриваемые чуть ниже. В самом общем случае предполагается, что для вычисления любого неизвестного параметра y I Yi, всегда найдется набор переменных Yiвх , значения которых известны и позволяют вычислить y.

Отношения являются теми "кирпичиками", из которых формируются более сложные отношения в конкретной онтологии теплоснабжения (или, в общем случае, в любой другой онтологии). Для этого в каждом экземпляре используемого отношения ri вместо его переменных Yi подставляются параметры подмножества Xm I X, а сам экземпляр получает уникальный порядковый номер m. Каждый такой экземпляр отношения ri представляется предикатом экземпляр (ri, m, Xm),

смысл которого ясен из сказанного. Множество параметров Xm одного экземпляра отношения ri может совпадать, пересекаться или не пересекаться с множествами параметров других экземпляров, т.е. вычисляемые (выходные) параметры одного экземпляра могут быть входными для других, в результате чего получается некоторая сеть экземпляров, которую можно изобразить в виде графа, если каждый экземпляр представить его вершиной, а ребрами представить параметры. Таким образом все знания о проектируемой системе теплоснабжения, будь то система уравнений или какие либо эмпирические формулы представляются в виде множества предикатов типа параметр и экземпляр. Эти простейшие предикаты и составляют группу аксиом идентификации. Аксиомы вычислений, задают правила вычисления отношений. Как уже отмечалось каждое отношение ri = ri(Yi) связывает некоторое множество своих параметров Yi. и используется для вычисления неизвестных значений параметров Yiвых I Yi , связанных отношением ri по известным значениям параметров Yiвх I Yi. Поскольку в основе вычислений лежит интервальная арифметика, то используется ее свойство, позволяющее при определенных условиях осуществить сходимость итеративной процедуры вычисления интервальных значений параметров к некоторым локализующим интервалам, содержащим требуемые решения.. Для того, чтобы описанная итеративная процедура вычислений могла быть осуществлена, вводятся аксиомы планирования, задающие правила этого итеративного вычисления. Аксиомы идентификации, вычисления и планирования позволяют давать ответы на прямые вопросы. Для того, чтобы давать ответы на обратные вопросы используются оптимизационные аксиомы.

На основе изложенной онтологии была написана логическая программа на языке программирования SWI-Prolog, переносимая без изменений в любую среду Пролога, поддерживающую Эдинбургский стандарт. Программа предназначена для расчета системы теплоснабжения и эксплуатационных свойств зданий, которые представлены базой данных, состоящей из идентификационных аксиом. Программа независима от базы данных и может использоваться для разных зданий.

В качестве практического примера был взят готовый типовой проект жилого индивидуального двухэтажного дома, предназначенного для строительства в центральных районах Европейской части России в III строительно-климатическом районе по СНиП 2.04.05-86. Была поставлена задача, во-первых, получить оптимальное решение, а во-вторых, сравнить его с решениями типового проекта и исследовать влияние различных факторов на параметры оптимального решения и найти главные. Для здания была разработана онтология, позволяющая рассчитывать температуры воздуха в зонах здания, температуры внутренних поверхностей стен, тепловую устойчивость конструкции здания, нагрузку системы отопления и размеры радиаторов, а также стоимость жизненного цикла здания и отдельных компонент: стоимость строительства, величину годовых отчислений на эксплуатацию и годовые затраты на топливо. Предложенный подход позволил учесть весь набор факторов и параметров при проектировании, включая субъективные предпочтения разработчика и заказчика.

Программная реализация подхода и экспериментальное апробирование на типовом проекте позволяют сделать следующие выводы: а) применение онтологии позволяет найти резервы сокращения расхода топлива на 35 %, что в свою очередь уменьшает расходы на жизненный цикл здания по сравнению с типовым проектом на 10 %; б) на достижение подобного эффекта основное влияние оказывают параметры основных ограждающих конструкций; в) оптимальные конструктивные решения для разных соотношений комфортности и стоимости, в диапазоне отвечающем стандартам, довольно близки друг к другу, что позволяет для схожих по базовым конструктивным решениям зданий, отличающихся только соотношением комфортности и стоимости, варьировать только параметрами системы теплоснабжения. г) полученные оптимальные конструктивные параметры превосходят типовое решение по теплозащитным свойствам наружных стен, что свидетельствует о недоучете эксплуатационных затрат при типовом проектировании.

И, наконец, хотелось бы отметить, что так как вычисления осуществлялись приближенными методами, а выбор начальных значений для расчета производился достаточно произвольно, то на наш взгляд точность выявленных закономерностей требует дополнительной проверки.

Литература

1. Ushold M., Gruninger M., "Ontologies: Principles, Methods and Application"

Site of Information Technologies
Designed by  inftech@webservis.ru.