Метод и технологии семантической обработки информации для государственного и муниципального управления

Функционирование органов государственного и муниципального управления (ГиМУ) в основном связанно с выработкой и исполнением решений и оказанием государственных услуг населению. При этом базовой компонентой этих процессов всегда являлась информация, значение которой все более возрастало. На сегодняшний день уровень информационного обеспечения органов ГиМУ является одной из важнейших характеристик, от которой существенно зависит результативность их управленческой деятельности и в конечном итоге социально-экономическое развитие общества. Поэтому совершенствование информационного обеспечения следует рассматривать как одно из стратегических направлений повышения эффективности деятельности на государственном, отраслевом, региональном, международном уровнях.

Среди основных факторов, оказывающих негативное влияние на информационное обеспечение органов ГиМУ Российской Федерации (РФ) можно выделить: огромные объемы данных, хранящиеся в гетерогенных и распределенных информационных ресурсах, большое количество государственных учреждений, а также наличие слабого информационного взаимодействия между ними. Данные обстоятельства затрудняют или делают невозможным оперативное получение набора необходимых данных для принятия решений или оказания государственных услуг.

Вышеизложенное обуславливает актуальность разработки методов, технологий и средств интеграции информационных ресурсов с целью образования единого информационного пространства и предоставления на его основе необходимого информационного обеспечения ГиМУ.

На сегодняшний день существуют подходы к интеграции путем консолидации или распределения данных, применяемые в коммерческом секторе и промышленности. Они ориентированы, как правило, на интеграцию данных для решения узкого круга задач, что подразумевает приведение различных фрагментов данных под некоторых общий шаблон. Тем самым происходит потеря части семантики данных в процессе интеграции, что 4 приводит к сильному снижению выразительности полученного в итоге единого информационного пространства. В сфере ГиМУ, где действует множество субъектов, рассматривающих сходные информационные фрагменты с различных точек зрения, данное обстоятельство существенно ограничивает возможности использования единого информационного пространства. Особенно это существенно в отношении информационного обеспечения задач управления, так как сложно предсказать какая информация и в каком контексте потребуется для решения социальных и экономических проблем. Также утрата части семантики фрагментов данных приводит к появлению смысловых конфликтов и ошибок в программных продуктах, вызванных произвольными трактовками смысла интегрированной информации. Другими недостатками данных подходов являются: отсутствие ответственности за информацию, переданную во время интеграции, ее дублирование, а также потеря контроля доступа к ней. Перечисленные обстоятельства определяют необходимость применения иных подходов к интеграции информации в сфере ГиМУ, ориентированных в первую очередь на оперирование семантикой данных в процессе их интеграции.

Большое влияние на развитие средств и методов семантической интеграции оказывает инициатива Semantic Web, направленная на явное представление машинопонимаемой информации в сети Интернет. Для этого в рамках данной инициативы применяются онтологии, являющиеся формальным преставлениями понятийных систем предметных областей (ПО) и задач. Онтологии определяют разделяемую машинопонимаемую метаинформацию, которой аннотируются фрагменты данных информационного ресурса. Это позволяет оперировать данными, с точки зрения семантики, определенной в онтологии, и тем самым получать в результате интеграции информационное пространство с явно выраженным смысловым представлением включенной в него информации. Его использование позволит повысить эффективность информационного обеспечения ГиМУ, предоставлять широкий спектр государственных услуг, требующих рассмотрения информационных 5 фрагментов как описаний различных понятий ПО, а также создаст предпосылки для разработки и широкого применения интеллектуальных системы для решения задач в данной сфере.

Целью работы является совершенствование информационного обеспечения ГиМУ за счет формирования и использования интегрированного семантического представления разнородных информационных ресурсов на основе современных методов инженерии знанийВ ходе исследования были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1. Определены основные этапы метода формирования и использования интегрированного семантического представления разнородных информационных ресурсов ГиМУ в условиях их семантической, структурной и организационной разнородности;

2. Создана интегрирующая онтологическая модель ПО ГиМУ — расширяемый тезаурус, которая используется в качестве основы для разработки и последующего единого унифицированного представления онтологий исходных информационных ресурсов;

3. Разработана технология регулирования доступа к информационным ресурсам с разноподчиненными владельцами, основанная на применении логического вывода над специализированной онтологией процедур доступа;

4. Разработана технология автоматизированной интеграции онтологий информационных ресурсов ГиМУ, основанная на проведении комплексной оценки семантической близости понятий, а также ее последующей корректировки;

5. Разработана технология реализации высокоуровневого интерфейса для обеспечения интерактивного взаимодействия с пользователем на основе метаинформации, хранящейся в тезаурусе;

6. Создан программный комплекс, ориентированный на формирование и использование интегрированного семантического представления разнородных информационных ресурсов для осуществления информационного обеспечения ГиМУ.

Объектом исследования являются онтологии, языки их представления, а также информационные процессы и ресурсы ГиМУ.

Предметом исследования являются методы семантической интеграции и обработки информации.

Используемые методы.

Для решения поставленных в работе задач использованы методы, разработанные в области интеграции данных, онтологического моделирования, информационного поиска, машинного обучения и математической логики, описанные в работах отечественных и зарубежных ученых: Д. А. Поспелова, Т. А. Гавриловой, Л. А. Калиниченко, М. Р. Когаловского, В. А. Серебрякова, Г. С. Осипова, И. А. Тихомирова, Б. В. Доброва, В. Ф. Хорошевского, Н. В. Лукашевич, С. Д. Кузнецова, А. В. Смирнова, Н. А Скворцова, Н. Гуарино, Н. Ной, Т. Грубера, Т. Бернерса-Ли, Д. МакГиннесс, Ф. Баадера, и других.

Научная новизна исследования.

1. Создана интегрирующая онтологическая модель предметной области ГиМУ — расширяемый тезаурус. Использование тезауруса, наряду с разработанным для него инструментальным программным обеспечением, позволяет разрабатывать онтологии с необходимой выразительностью, сообразной целям и предполагаемым затратам на интеграцию описываемого ими ресурса, дает возможность отразить важные для последующей интеграции свойства понятий исходных онтологий, а также позволяет повторно использовать понятия из онтологий других учреждений;

2. Создана технология регулирования доступа к информационным ресурсам на основе специализированной онтологии, содержащей общую понятийную систему для описания процедур доступа. Отличительной особенностью данной технологии является использование онтологии как для задания правил доступа, так и в процессе его регулирования. Это достигается благодаря сведению задачи регулирования доступа к проведению классификации экземпляров онтологии с помощью типовой машины логического вывода. Использование данной технологии позволяет владельцам ресурсов самостоятельно определять в терминах предметной области ГиМУ и использовать правила доступа к интегрируемым ресурсам;

3. Разработана технология интеграции семантически разнородных онтологии на основе расширяемого тезауруса. Основным отличием технологии является отсутствие необходимости привлечения эксперта как на этапе отображения понятий онтологий в тезаурусе, так и на этапе корректировки данного отображения. Это достигается за счет выполнения комплексной оценки семантической близости понятий с возможным установлением между ними взвешенных отношений и последующей корректировкой весов на основе статистики работы пользователя;

4. Разработана технология реализации высокоуровневого пользовательского интерфейса. Она позволяет облегчить поиск информации пользователем в интегрированных информационных ресурсах ГиМУ. Это достигается за счет интерактивного формирования поисковых запросов на основе правил, учитывающих помимо иерархических, синонимичных и ассоциативных отношений между понятиями, также отношения из онтологий верхнего уровня и метасвойства, содержащихся в тезаурусе.

Положения, выносимые на защиту:

1. Онтологическая интегрирующая модель ПО ГиМУ — расширяемый тезаурус;

2. Технология регулирования доступа на основе специализированной онтологии процедур доступа;

3. Технология интеграции онтологий информационных ресурсов в тезаурусе;

4. Технология реализации высокоуровневого интерфейса для обеспечения интерактивного взаимодействия с пользователем.

Практическая значимость.

Разработанные онтологические модели и технологии могут быть в дальнейшем использованы в области онтологического моделирования, Semantic Web, а также для решения практических задач интеграции данных и информационного обеспечения в сфере ГиМУ.

Основу диссертационной работы составляют результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН в период с 2008 по 2010 годы: тема «Методы и технологии информационного обеспечения жизненного цикла инноваций» (№ гос. регистрации 0120.0 850 592). Отдельные направления исследований поддержаны грантами РФФИ (проекты РФФИ № 08−07−301, № 09−07−98 800 рсевер, № 09−07−98 800-рсевера).

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

— VII, VIII Всероссийская школа-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами». Апатиты, 2008, 2010 г.;

— IV Всероссийская научно-практическая конференция «Теория и практика системной динамики», Апатиты. 2011 г.;

— XI Всероссийская научная конференция «Электронные библиотеки: перспективные методы и технологии, электронные коллекции». Петрозаводск, 2009 г.;

— Всероссийская молодежная конференция «Управление знаниями и технологии семантического веба», Санкт-Петербург, 2010 г.;

— IV школа молодых ученых «Сбалансированное природопользование». Апатиты, 2007 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 6 из списка ВАК. Личный вклад автора состоит в разработке интегрирующей онтологической модели ГиМУ, инструментального программного обеспечения для работы с ней, создании онтологии управления доступом и определения способов ее применения, разработки алгоритма интеграции онтологий, формализации оценок семантической близости понятий и правил расширения пользовательских запросов.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (92 наименования), имеет общий объем 178 страницу, содержит 39 рисунков и 2 таблицы.

4.5 Выводы.

1. Процесс подключения информационных ресурсов к системе интеграции не требует изменения исходных информационных систем, так как осуществляет путем надстройки новых компонентов над уже имеющимися. Это позволяет выполнить интеграцию информационного ресурса без помех для действующей ведомственной информационной системы.

2. Разработанная система интеграции образует единое информационное пространство, в котором семантика фрагментов данных выражено явно в виде понятий предметной области, связанных между собой. Это позволяет пользователю взаимодействовать для получения информации с использованием знакомого ему понятийного аппарата.

Заключение

.

Предложенные в диссертационной работе модели, метод и технологии позволяют решить проблему семантической интеграции данных в сфере ГиМУ с учетом таких ее характерных особенностей как разобщенная автоматизация, организационная разнородность и различная целевая направленность интеграции информационных ресурсов. Это определяет основные отличия представленной системы и лежащей в ее основе методологии от существующих подходов и систем интеграции, применяемых в данной предметной области.

Учет разобщенной автоматизации, предполагающей наличие уже существующих разнородных ведомственных информационных систем, производиться благодаря добавлению набора дополнительных компонентов в исходную информационную систему для обеспечения семантического представление ресурса. Это не только позволяет обеспечить интероперабельность информационных ресурсов, но и дает возможность плавного выполнения процесса интеграции без существенного изменения существующих архитектур исходных информационных систем, а также принципов их функционирования.

В предложенном в диссертации методе интеграции также принята во внимание проблема разработки онтологий исходных информационных ресурсов. Ее решение может потребовать временных, финансовых и трудовых затрат, определяемых целями интеграции того или иного информационного ресурса. Для облегчения ее решения и обеспечения требуемой выразительности полученной в итоге онтологии ресурса, определяемой в зависимости от целей и предполагаемых затрат на его интеграцию, предлагается использовать расширяемый тезаурус в качестве основы. При этом ввиду наличия в нем, как атомарных атрибутов так и обобщенных понятий при создании онтологии можно применять подходы «снизу-вверх», «сверху-вниз» или их комбинацию.

Процесс интеграции с использованием разработанной системы не предполагает консолидации или перемещение данных, как это производиться в системах с материальной интеграцией. Это позволяет использовать данную систему в условиях организационной разнородности информационных ресурсов. При этом владелец не теряет контроля доступа к ресурсу и может осуществлять его регулирование путем определения правил в терминах предметной области в онтологии процедур доступа к принадлежащему ему ресурсу.

Главным же отличием полученной в итоге системы интеграции является ее оперирование семантикой данных в процессе функционирования. Это становиться возможным посредством использования онтологий исходных информационных ресурсов. Таким образом, созданная система позволяет образовать единое семантическое информационное пространство. Его использование позволяет качественно изменить процедуры информационного взаимодействия в отношении их большей автоматизации и уменьшении времени выполнения, что приводит к совершенствованию информационного обеспечения ГиМУ в целом.

Основными результатами диссертационной работы являются:

1. Онтологическая интегрирующая модель предметной области ГиМУ в виде расширяемого тезауруса. В него включены понятия и отношения онтологий верхнего уровня, концепты, представляющие обобщенные модели понятий, процессов и явлений, описываемых в информационных ресурсах предметной области, а также общезначимые атомарные атрибуты, источниками, для определения которых явились общероссийские классификаторы. Представленный набор элементов позволяет производить разработку исходных онтологических моделей с различной выразительностью, обусловленной целями и затратами на интеграцию. Также наличие в тезаурусе общезначимых атрибутов позволяет создавать согласованные системы учета информации в тех ведомствах и организациях, где это необходимо.

2. Технология интеграции семантически разнородных онтологий многочисленных информационных ресурсов в тезаурусе. Она предполагает использование составной семантической метрики для оценки семантической.

166 близости понятий, находящихся и включаемых в тезаурус. В результате чего между ними формируется взвешенное отношение синонимии или ассоциации. Вес отношения впоследствии изменяется на основании статистики использования связанных понятий пользователем. Это позволяет осуществлять подстройку тезауруса под представление пользователя и устранять ошибочные отношения, созданные на этапе интеграции онтологии в тезаурус.

3. Технология регулирования доступа на основе онтологии. Она позволяет владельцу информационного ресурса предоставлять санкционированный им доступ к его ресурсу, подвергшемуся процедуре интеграции. При этом владелец может самостоятельно формулировать гибкие правила доступа в терминах предметной области в онтологии процедур ресурса, а также осуществлять регулирования доступа с использованием типовой машины логического вывода.

4. Технология реализации высокоуровневого пользовательского интерфейса, позволяющая представлять возможные контексты поискового запроса, а также наиболее важные условия поиска. Это достигается за счет использование правил расширения запроса, учитывающих наличие между понятиями отношения предметной области, а также инвариантных к ней отношений онтологии верхнего уровня и метасвойств. Благодаря этому технология позволяет облегчить работу пользователя с понятийной системой тезауруса, содержащей большой объем понятий и отношений многих онтологий.