МНОГОУРОВНЕВЫЕ СПЕЦИФИКАЦИИ В КОНЦЕПТУАЛЬНОМ И ОНТОЛОГИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ А. Е. Вовченко, В. Н. Захаров, Л. А. Калиниченко, Д. Ю. Ковалёв, О. В. Рябухин, Н. А. Скворцов, С. А. Ступников Институт проблем информатики РАН

План доклада Отношение « класс - экземпляр » и многоуровневость спецификаций История исследований многоуровневых спецификаций Причины слабой распространённости Техника работы с многоуровневыми спецификациями Применения многоуровневых спецификаций в концептуальном и онтологическом моделировании

Отношение « класс - экземпляр » Класс Множество объектов, имеющих общее свойство Множество однотипных объектов ( в моделях данных с жёсткой типизацией ) Отношение « класс - экземпляр » Связь между классом как множеством объектов и объектом, входящим в это множество Представлено практически во всех современных концептуальных и онтологических моделях Одноуровневая классификация Непересекающиеся множества классов и экземпляров Многоуровневая классификация Классы могут становиться экземплярами других классов Таксономия на отношении « класс - экземпляр »

Уровни спецификаций OMG MOF Спецификации названы моделями Уровни метамоделирования Модель уровня M0 – определение объектов Модель уровня M1 – определение схем Модель уровня M2 – определение метамодели ( язык определения схем ) Модель уровня M3 – определение языка собственной метамодели в его же терминах Многоуровневость ограничена определением языка метамоделей

Многоуровневые спецификации на языке Telos Метаклассы Простые классы Токены Martin Person 21 Elm Avenue Geographic Location Token Person Class Simple Class homeAddress address Proposition { Martin, [Martin, age, 35], [Martin, homeAddress, 21 Elm Avenue], [Martin, workAddr, 10 Kings College Road]}

Объектная модель языка СИНТЕЗ Синтаксический базис на языке фреймов Фремы, слоты, значения Метафреймы, метаслоты, метазначения, задаваемые фреймами Все конструкции объектной модели представляются фреймами Объектная модель Фреймами описываются состояния объектов Абстрактные типы данных определяют свойства и поведение объектов Наследование спецификаций через отношение « тип - подтип » Классы определяют множества объектов определённого типа ( типа экземпляров ) Отношение « класс - подкласс » определяет включение классом множества объектов подкласса

Пример спецификации на языке СИНТЕЗ Абстрактный тип данных : { AstronomicalObject; in: type; spatialCoord: CoordEQJ; magnitudes: { set; type_of_element: Magnitude}; isVariable: { in: function; params: {-returns/boolean} } }; Класс : { astronomicalObject; in: class; instance_section: AstronomicalObject; }; Объект : { V407Cyg; metaframe source: AAVSO end in: astronomicalObject; spatialCoord: { ra: 21h02m09.85s; de: +45° ; }; magnitudes: { magValue: 13.3; passband: V; } };

Многоуровневые спецификации на языке СИНТЕЗ Две таксономии типов На основе отношений « тип - подтип » На основе отношений « тип - значение » Многоуровневая система типов Уровень 0 составляют значения, выразимые в языке СИНТЕЗ Уровень 1 – типы Уровень 2 – метатипы, значениями которых являются типы уровня 1 Уровень i – метатипы, значениями которых являются типы уровня i-1 Две таксономии классов На основе отношений « класс - подкласс » На основе отношений « класс - экземпляр » Классы определяются на тех же уровнях многоуровневой системы спецификаций, что и типы их экземпляров Экземплярами классов являются объекты Экземплярами метаклассов являются классы Экземплярами метаклассов уровня i являются метаклассы уровня i-1

Сложность многоуровневых спецификаций Метакласс моделируется утверждением второго порядка Переменная, связанная квантором, должна принимать значения, соответствующие классам Вычислительная сложность решения логических задач над многоуровневыми спецификациями велика Это основная причина отсутствия многоуровневневости в онтологических моделях Ontolingua ( основан на логике первого порядка ) OWL и OWL 2 ( разрешимы для определённых задач ) OWL Full поддерживает многоуровневость, но неразрешим

Решение проблемы сложности многоуровневых спецификаций Рассмотрим уровень i спецификации образуют иерархии типов и классов того же уровня значениями типов и экземплярами классов, являются исключительно спецификации уровня i-1 Абстрагируясь от остальных уровней, получим одноуровневую классификацию для данного уровня Сложность каждого уровня отдельно не зависит от многоуровневого характера спецификаций в целом Если сложность модели спецификаций одного уровня такова, что некоторые логические задачи разрешимы, то их можно решать автоматически применительно к данному уровню спецификаций Спецификации других уровней на решение этих задач не влияют

Применение в метамоделях языков Обобщённая метамодель : { AttributeConstruct; in: type; supertype: Construct; argumentNumber: integer; attr_domain: {set; type_of_element: TypeConstruct; }; attr_range: {set; type_of_element: TypeConstruct; }; attr_inverse: AttributeConstruct;... }; Описания уровня метамодели не зависят от аннотируемых ими спецификаций Возможен автоматический поиск всех схожих конструкций с точки зрения метамодели Метамодель : { AssociationConstruct; in: type; sypertype: AttributeConstruct; attr_domain: AbstractType; attr_range: AbstractType; attr_inverse: AssociationConstruct; oneArgInv: {in: predicate, invariant; { predicative: {all p/ AssociationConstruct (p.argumentNumber = 1)}}; }; Аннотация конструкции языка определениями метамодели : spatialCoord: CoordEQJ; metaslot in: associationConstruct; end

Многоуровневые спецификации для решения научной задачи Физическая модель симбиотической звезды Тесная система из пары звёзд 1 - красный гигант, заполнивший полость Роша 2 - горячий белый карлик, аккрецирующий вещество с соседней звезды с образованием аккреционного диска Наблюдаемые параметры симбиотических звезд Излучение в жёстком ультрафиолетовом или рентгеновском диапазоне Яркое излучение в инфракрасном диапазоне ( положительный показатель цвета B-R) Отсутствие излучения в гамма - диапазоне Особенности спектральных линий

Спецификация физической модели ( онтология ) { System; in: type; … }, { Component; in: type; … }, { Pair; in: type; supertype: Component; … { SingleStar; in: type; supertype: Component; … }; { SymbioticStarPhysModel; in: type; supertype: System; symbPhysModelInv: {in: predicate, invariant; { predicative: {all s/SymbioticSystem ( cardinal(s.pairs) = 1 & ex p/Pair, u/SingleStar, v/SingleStar ( is_in(s.pairs, p) & p.kind = Semidetached & p.primary = u & p.secondary = v & u.starType = RedGiant & u.isRocheLobeFilled & ^ u.hasAccretionDisc & v.starType = WhiteDwarf & ^ v.isRocheLobeFilled & v.hasAccretionDisc )) }}}; { symbioticStarPhysModel; in: metatype; superclass: system; instance_section: SymbioticStarPhysModel; };

Спецификация наблюдаемых параметров ( концептуальная схема ) { SymbioticStar; in: type, symbioticStarPhysModel; supertype: BinarySystem, VariableStar; symbioticInv: {in: predicate, invariant; { predicative: {all s/SymbioticStar ( ex u/Magnitude (is_in(s.magnitudes, u) & (u.passband = UVE | u.passband = X) & u.magValue > 0 ) & ex b/Magnitude, r/Magnitude (is_in(s.magnitudes, b) & is_in(s.magnitudes, r) & b.passband = B & r.passband = R & b.magValue - r.magValue > 2) & ^ ex g/Magnitude (is_in(s.magnitudes, g) & g.passband = Gamma & g.magValue > 0) } }; { symbioticStar; in: class; superclass: binaryStar, variableStar; instance_section: SymbioticStar; };

Концептуальные схемы различных методов к решению задачи Фотометрические наблюдения Спектрометрические наблюдения Концептуальные схемы различных источников данных о звёздах С другой стороны, с конкретной концептуальной схемой может быть связано не одно метаописание Физическая модель двойной системы звезд Модель пространственной ориентации системы к наблюдателю Онтология двойных звёзд Концептуальная схема 1 Концептуальная схема N...

Диалекты языка спецификации на разных уровнях Спецификации различных уровней на языке СИНТЕЗ могут быть сгенерированы в результате трансляции из спецификаций на различных языках При условии существования реверсивного отображения спецификации на исходных языках могут быть восстановлены Сложность спецификаций на разных уровнях может быть разной Для онтологии физической модели двойной звезды важна разрешимость задачи включения классов ( например, возможность отображения спецификаций в OWL DL) Для концептуальной схемы наблюдательных параметров двойных звёзд важна разрешимость запросов для получения наблюдательных данных ( например, отображение в SQL) Семантика интерпретации правил в спецификациях может быть различной на разных уровнях ( например, в соответствии с различными диалектами RIF)

МНОГОУРОВНЕВЫЕ СПЕЦИФИКАЦИИ В КОНЦЕПТУАЛЬНОМ И ОНТОЛОГИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ А. Е. Вовченко, В. Н. Захаров, Л. А. Калиниченко, Д. Ю. Ковалёв, О. В. Рябухин, Н. А. Скворцов, С. А. Ступников Институт проблем информатики РАН