Прикладные онтологии проектирования. Рубрика в журнале - Онтология проектирования
Подход к разработке онтологии кластера
Статья научная
Представлен концептуальный подход к разработке онтологии предметной области «Кластеры» и формированию соответствующего инструментария разработки. Онтология кластера является основой для решения задач кластерной политики с помощью технологий искусственного интеллекта. Предметом исследования является иерархия понятий онтологии «Кластеры» и структура отношений между ними. Задачами работы являются формализация таксономической иерархии онтологии «Кластеры», определение видов и структуры отношений между элементами онтологии. В исследовании использована совокупность информационных технологий, объединённых единым семантическим каркасом: онтологический язык OWL , редактор онтологий для построения баз знаний Protege , программные инструменты работы с онтологиями. Рассмотрены критерии классификации и виды семантических сетей предметной области «Кластеры». Определены типы отношений, которые могут применяться при построении семантической сети этой предметной области. К новым видам кластеров отнесены «Инновационный мультикластер» и «Инновационный гиперкластер». Впервые предложена структура таксономической иерархии онтологии «Кластеры», выделены основные типы отношений между элементами. Определены направления применения предлагаемой онтологии для цифровизации систем регионального управления.
Бесплатно
Подход к систематизации алгоритмов
Статья научная
Предлагается метод исследования алгоритмов с онтологической позиции. Рассмотрены различные подходы к созданию и описанию алгоритмов. Выделяется точка зрения, согласно которой алгоритм - не только схема для вычислений, а инструмент познания и передачи знаний. Обосновывается связь алгоритмов с онтологиями. Даётся систематика и категориальная классификация алгоритмов. На основе обобщения выделяют две группы алгоритмов: линейные и нелинейные. В этих группах выделены типичные подгруппы: прямые алгоритмы, циклические алгоритмы, стратифицированные алгоритмы, итеративные алгоритмы, инкрементные алгоритмы. Для инкрементных алгоритмов рассмотрены два варианта: последовательный и спиральный. Рассмотрен алгоритм сортировки. В статье использованы топологическое и формальное описания алгоритмов, выделено познавательное значение алгоритмов. Отмечено наличие алгоритмов количественной обработки и качественного анализа. Применяемое обобщение одинаково распространяется на оба вида алгоритмов. Отмечается необходимость дальнейшего исследования алгоритмов как инструмента познания и передачи знаний.
Бесплатно
Подход к формированию наборов эталонов речевых команд с использованием онтологии
Статья научная
В работе приводится метод формирования библиотеки эталонов речевых команд с использованием предметной онтологии с целью повышения их дальнейшего распознавания. Представлена формальная модель предметной OWL-онтологии, используемой в качестве базы знаний в процессе формирования и расширения библиотеки эталонных команд в процессе распознавания речевых команд, а также описан алгоритм извлечения списка синонимов входных речевых команд на основе предметной OWL-онтологии. Статья содержит описание методики проведения, а также результаты экспериментов по формированию вариантов библиотеки эталонов и выбора библиотеки с наиболее различимыми командами с использованием OWL-онтологии предметной области управления гражданского самолета с помощью речевых команд. Приводятся результаты экспериментов, доказывающие эффективность подхода.
Бесплатно
Построение СППР на основе онтологии молочного производства
Статья научная
Цель работы - построение и реализация системы поддержки принятия решений (СППР) в молочном производстве на основе формализованных математических моделей и онтологического подхода. Проведена декомпозиция процесса производства молочной продукции, выделены основные влияющие на него факторы, а также взаимосвязи между ними. Сформирована онтология предметной области, которая представлена в виде концептуальной схемы и иерархии классов. Для описания последовательности влияния факторов и выявления управляющих воздействий разработана схема Исикавы для производства молочной продукции. Предложено формализованное описание эффективности процесса молочного производства. Разработана СППР для производства молочной продукции, включающая учёт факторов, связанных с сортом и видом кормовых растений, способами и методами высева семян, предпосевной подготовкой, классом и типом почв, агроклиматическими показателями, внесением удобрений, классом животных и кормовыми добавками.
Бесплатно
Статья научная
Процесс проектирования сложных технических систем (СТС) является итеративным процессом, который характеризуется значительными затратами ресурсов (финансовых, трудовых, временных), оформлением большого объёма документации, а также множеством возникающих рисковых ситуаций. Для надёжного создания СТС необходима интеллектуальная система контроля и предупреждения рисковых ситуаций, которая позволит быстро обработать и проанализировать большие объёмы разнородной информации, выявить рисковые ситуации на этапе проектирования, а также ответить на вопрос типа «Что будет с проектом создаваемой СТС, если на этапе проектирования произойдут какие-либо изменения...?». Статья посвящена построению базы знаний интеллектуальной системы контроля и предупреждения рисковых ситуаций в условиях разнородной информации для этапа проектирования СТС критической инфраструктуры. Проведён анализ основных типов моделей представления знаний, применяемых при создании баз знаний. Предложена база знаний, основанная на модульном принципе и использующая обобщённую схему методологии когнитивного и нечёткого когнитивного моделирования. Новыми результатами являются: разработанный модуль обработки исходных данных, позволяющий обрабатывать разнородные данные; представление знаний в базе знаний в виде чётких или нечётких моделей; сценарии развития рисковых ситуаций, связанных с проектированием СТС.
Бесплатно
Построение графа знаний по телекоммуникационным данным
Статья научная
В работе описывается метод построения графа знаний по телекоммуникационным данным на основе проприетарных и эталонных моделей, используемых в области телекоммуникаций. В качестве эталонных рассматриваются модели, входящие в фреймворк, разработанный консорциумом TM Forum. Граф знаний проприетарных моделей предлагается строить с помощью автоматизированной обработки лог-файлов автотестов и таблиц БД биллинговой системы. Актуальность применения графов знаний обусловлена их структурированностью и семантичностью, а также возможностью последующего применения алгоритмов машинного обучения для генерации рекомендаций по оптимизации телекоммуникационных процессов и систем. Предложено применение метода на основе подхода многошагового рассуждения для создания интерпретируемых рекомендаций по восстановлению отсутствующих связей, путём их прогнозирования в проприетарном графе знаний. Предложенный метод рассматривает многошаговое рассуждение как задачу ответа на вопрос с использованием обработки естественного языка. Применение разработанного решения на основе нейросетевой архитектуры трансформера обеспечило интерпретируемые результаты с сохранением значений метрик, по сравнению с аналогами.
Бесплатно
Построение онтологии для систематизации характеристик сети интернета вещей
Статья научная
Представлена формализация модели сети Интернета вещей, предназначенной для мониторинга технологических помещений с телекоммуникационным оборудованием в Федеральном исследовательском центре «Красноярский научный центр СО РАН». Сеть включает измерительные устройства, телекоммуникационную среду, серверы для сбора данных и прикладное программное обеспечение. Для информационного взаимодействия используется схема «издатель-подписчик» и облегчённый протокол с невысокой нагрузкой на каналы связи. Создана онтология, описывающая архитектуру сети и свойства устройств, которые собирают, передают, хранят и обрабатывают данные. Онтология содержит классы, представляющие понятия предметной области, отношения, свойства данных, диапазоны их изменения, критические значения, ограничивающие атрибуты элементов онтологии. Объекты онтологии имеют собственное цифровое представление в базах данных, включая результаты измерений, получаемые датчиками сети Интернета вещей, прецеденты аномальных данных, их статистические и частотные характеристики. Формализация позволила выявить неявные зависимости между объектами, связать их с характеристиками процессов, наблюдаемых устройствами сети Интернета вещей, и решать практические задачи. Рассмотрена задача выбора характеристик, влияющих на изменение схем информационного взаимодействия. Выполнен опрос экспертов и построена модель Кано для приоритизации характеристик, влияющих на принятие решений об организации схемы информационного взаимодействия в сети Интернета вещей.
Бесплатно
Построение хранилища обобщённых вычислительных экспериментов на основе онтологического подхода
Статья научная
Рассмотрена задача организации хранения и доступа к информации об обобщённых вычислительных экспериментах, связанных с математическим моделированием реальных физических процессов. Обобщённый вычислительный эксперимент предполагает многократное решение задачи численного моделирования при различных наборах значений определяющих параметров модели, что позволяет получить решение для некоторого класса задач математического моделирования, заданного в многомерном пространстве параметров. Предложен подход к построению хранилища данных, описывающих обобщённые вычислительные эксперименты, включая историю их планирования и корректировки сценариев проведения. Обсуждаются особенности хранения обобщённых вычислительных экспериментов, положенные в основу построения логической и физической моделей хранилища. Для организации эффективного взаимодействия пользователя с хранилищем предложена онтологическая модель обобщённого вычислительного эксперимента и связанная с ней структура метаданных, на основе которой реализуется механизм формирования запросов к хранилищу в терминах предметной области моделирования. Обсуждается применение разработанного подхода для хранения и анализа данных об обобщённом вычислительном эксперименте, связанном с оценкой точности численных моделей программной платформы OpenFOAM для трёхмерной задачи сверхзвукового обтекания клина.
Бесплатно
Предпроектный анализ интеллектуального жилого дома для условий Арктики
Статья научная
Сочетание неблагоприятных природных условий и малой населённости арктических пространств усложняет подходы к проектированию и строительству жилья для этих мест и определяет требования к автоматизированным средствам жизнеобеспечения, внутреннему устройству и надёжности жилых домов. В статье рассматривается проблема структурного синтеза интеллектуального жилого дома для арктических условий. Вводится классификация условий ограничения, накладываемых на конструктивные решения, принимаемые при проектировании. Ставится задача удовлетворения ограничений применительно к разработке конструктивных решений и автоматизации здания. В качестве цели назначается получение допустимого решения задачи синтеза на основании формализованных знаний об условиях эксплуатации, при котором целевая функция принимает наименьшее значение. Рассмотрены вопросы выбора целевых функций. Предложен подход к созданию новых привлекательных проектов интеллектуальных жилых домов для условий Крайнего Севера России, позволяющих обеспечить уют и безопасность с использованием последних достижений инженерной мысли в области автоматизации и надёжности автоматизированных систем. Привлекательное и уютное жильё поможет решить вопрос привлечения людей для обживания арктических пространств, их исследования, освоения и сохранения для потомков.
Бесплатно
Представление математических понятий в онтологии научных знаний
Статья научная
Рассматриваются особенности математических предметных областей в контексте построения он- тологии научных предметных областей. Приводятся примеры из разрабатываемого тезауруса по уравнениям смешанного типа из раздела уравнений с частными производными математической физики. Особое внимание уделяется вопросам представления и актуальной поддержки тезауруса адресата. Предлагается использовать специализированные тезаурусы, где наряду с определениями на естественном языке присутствуют символьные выражения. Этот подход позволяет уточнить запрос, используя математическую запись в ТеХ-нотации независимо от языка первоисточника, что приводит к уменьшению поискового шума и сокращению времени поиска. Обсуждается во- прос о том, почему всѐ ещѐ недостаточно создано математических тезаурусов и что надо сделать, чтобы они использовались в цифровых библиотеках наряду с другими информационными ресур- сами. Приводится пример создания тезауруса для отдельной математической предметной области. Особая трудность состоит в описании родо-видовых отношений в математических предметных областях, предлагается один из вариантов описания этих связей для уравнения смешанного типа.
Бесплатно
Применение графов знаний для клинического мониторинга процесса лечения
Статья научная
Для всех этапов лечебно-диагностического процесса необходим мониторинг состояния пациентов. На этапе лечения задачами мониторинга являются оценка эффективности тактики лечения и его безопасность: отсутствие осложнений и нежелательных последствий от приёма медицинских препаратов или процедур и их сочетаний. Для улучшения взаимодействия врач - пациент и качества лечебного процесса необходимо создание интеллектуальных средств мониторинга. В мониторинге по информации о пациенте с помощью формализованных знаний предметной области требуется определить, результаты каких наблюдений и в какие моменты времени покажут, является ли состояние пациента отличающимся от прогнозируемого. Цель исследования - разработать онтологию для формализации знаний, применяемых для выбора и объяснения параметров мониторинга в процессе лечения. Выделены основные связи понятий, достаточные для решения задач мониторинга состояния пациента в процессе лечения. На их основе построен онтологический граф для класса задач мониторинга в медицине. Описан метод построения графов знаний для произвольных заболеваний, а также процесс рассуждения для определения состояния, отличного от ожидаемого. Показаны процесс рассуждения и выдача рекомендации. Предложенный подход положен в основу системы поддержки принятия решений для этого класса задач, где параметры мониторинга могут изменяться с учётом стадии лечения, состояния и особенностей пациентов.
Бесплатно
Применение инструментов онтологического анализа для формирования расчётных моделей электроснабжения
Статья научная
Предлагается концепция интеллектуальной поддержки процесса автоматизированного формирования расчётных моделей электроснабжения в информационных системах энергетических предприятий, основанная на принципах управления знаниями. Концепция включает проведение онтологического анализа данных и формирование соответствующих баз знаний. Декомпозированы этапы процесса управления знаниями о параметрах расчётных моделей электроснабжения с целью разработки инструментов их автоматической генерации в биллинговых системах. Определены наборы параметров объектов электроснабжения и параметров, характеризующих объём энергопотребления, показатели цены и параметры расчёта стоимости потребленной электроэнергии, которые наряду с отношениями между сущностями и их функциональными связями определяют структуру онтологий. Впервые даны определения расчётной модели электроснабжения как семантической модели, состоящей из совокупности базовых понятий электроэнергетики, и как системы знаний о методах хранения и обработки информации о величинах энергопотребления. Построена онтология процесса формирования расчётных моделей с применением онтологического редактора Protégé. Сформулированы требования к базе знаний системы поддержки процесса формирования расчётных моделей в информационных системах и обоснована возможность применения технологий интеллектуального анализа данных с механизмами проверки на непротиворечивость, достаточность и непрерывность знаний посредством применения методов формирования нечётких правил. Это позволяет обосновать возможность применения принципов нечёткой логики для автоматизированного формирования расчётных моделей электроснабжения в биллинговых системах.
Бесплатно
Применение методов машинного обучения при проектировании камер сгорания газотурбинных двигателей
Статья научная
В статье рассматривается применение рекуррентной нейронной сети с долгой краткосрочной памятью и алгоритма градиентного бустинга для определения основных геометрических размеров диффузора камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя. Выполнено численное моделирование физических процессов в диффузоре на основе метода конечных элементов и расчѐт потерь полного давления. Сформирована база данных геометрических параметров рассматриваемой модели диффузора и соответствующих им результатов расчѐта потерь полного давления. Вариант с минимальными потерями полного давления использован в качестве эталона. Проведено сравнение метода градиентного бустинга и нейронной сети с долгой краткосрочной памятью на данных о потерях полного давления, полученных в результате численного моделирования диффузора с различными значениями его геометрических размеров. Погрешность метода градиентного бустинга составила 1,64%, для рекуррентной нейронной сети с долгой краткосрочной памятью – 7,28%. Применѐнный подход позволяет формировать базу данных вариантов конструкций диффузоров, результаты расчѐтов использовать для обучения нейронных сетей и в дальнейшем дообучать модели на других конструкциях для использования полученного результата при проектировании камер сгорания.
Бесплатно
Применение онтологического моделирования в задачах организации учебного процесса вуза
Статья научная
В связи с переходом на стандарты нового поколения, формируется перечень задач, связанный с планированием и организацией учебного процесса, формированием структуры и состава основных образовательных программ. Уже на начальном этапе планирования структуры и состава учебного процесса встает ряд проблем, связанных с необходимостью оценки соответствия основных образовательных программ требованиям образовательного и профессионального стандартов и учёта актуальных потребностей рынка и студентов. В работе представлены примеры онтологических моделей для решения задач организации учебного процесса ВУЗа и дано описание их построения. Рассмотрено два примера: онтологическое моделирование при планировании учебного процесса ВУЗа и онтологическое моделирование для описания компетенций ИT-специалиста. Сделан вывод о перспективности применения онтологий для формализации такой предметной области, как организация учебного процесса ВУЗа.
Бесплатно
Принципы построения системы управления знаниями предприятий ракетно-космической промышленности
Статья научная
Актуальной проблемой ракетно-космической промышленности является повышение эффективности использования накопленных знаний в виде разнородных документов, описывающих результаты интеллектуальной деятельности. Для решения этой задачи предлагается использовать систему управления знаниями предприятий ракетно-космической промышленности, построенной на основе новых технологий. Новизна заключается в использовании онтологии доменов (Semantic Web) и «мультиагентного Интернета» в качестве интеллектуальной базы для управления знаниями предприятий ракетно-космических промышленности и всей отрасли. В работе проведён анализ и сравнение доступных онтологических редакторов, отмечены их достоинства и недостатки. Рассмотрен пример использования предлагаемого подхода для описания онтологии, а также представлен механизм создания семантического дескриптора на базе конструкторской и эксплуатационной документации на изделие. Результатом являются разработанные методы и средства для построения систем управления знаниями. Практическое использование системы управления знаниями позволит улучшить эффективность повторного использования результатов интеллектуальной деятельности, повысить производительность работы специалистов предприятий ракетно-космической промышленности за счёт семантизации накопленного материала, а также смысловую поддержку процессов коммуникации и взаимодействия специалистов и экспертов отрасли.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается возможность применения когнитивных моделей для прогнозирования востребованности компетенций на рынке труда. Выделены возможные направления применения когнитивного моделирования при решении задачи прогнозирования востребованности компетенций. Основные задачи исследования: выбор факторов, влияющих на востребованность компетенций, выбор типа когнитивной модели, анализ возможности применения профессиональных стандартов при построении когнитивной модели. Оценивается возможность учёта полученных прогнозов ценности компетенций при корректировке программ обучения в ВУЗе, при этом используется когнитивная модель программы обучения. Новизна предложенного подхода к прогнозированию востребованности компетенций с помощью когнитивных карт заключается в том, что применение когнитивных моделей позволяет при решении рассматриваемой задачи использовать большое число разнородных качественных и количественных факторов: данные о востребованных и прогнозируемых новых профессиях, результаты экспертных опросов, данные о перспективных научных направлениях, данные о тематике и числе научных публикаций и т.п., а также преемственные связи между компетенциями, отражающие стадии их формирования. Полученные результаты применяются при корректировке программы обучения бакалавров.
Бесплатно
Прогнозирование развития сельскохозяйственных культур в цифровом двойнике посевов растений
Статья научная
Предложен метод расчёта выходных параметров сельскохозяйственной культуры в цифровом двойнике посевов растений в зависимости от погодных условий и ресурсных ограничений среды. В основе метода лежит модель «трубок» входных и выходных параметров стадий роста и развития растений - диапазонов идеальных, нормальных и критически важных для выживания растений значений основных факторов внешней среды для каждого сорта растения. Предлагаемый метод расчётов позволяет связать входные и выходные параметры текущей стадии и передать полученные результаты для расчёта следующей стадии, чтобы выстроить итоговый кусочно-линейный план роста и развития растения и дать прогноз урожайности и других параметров растения. Для реализации предложенного метода разработана система и показано её использование для расчётов и экспериментов по моделированию. Результаты расчётов сопоставлены с данными полевых экспериментов по росту и развитию посевов озимой пшеницы. Дана оценка выявленным расхождениям, обсуждаются полученные результаты, формулируются выводы и представляются направления дальнейших исследований и разработок.
Бесплатно
Проект космического ракетного комплекса на базе ракеты-носителя сверхлёгкого класса
Статья научная
В статье рассмотрена потребность ракетно-космической отрасли в ракетах-носителях (РН), предназначенных для запуска малых космических аппаратов, а именно в РН сверхлёгкого класса (РН СЛК). Описаны наиболее известные зарубежные проекты РН СЛК, их особенности и характеристики. Произведено сравнение их с предлагаемой РН СЛК «Аквилон» по основным технико-экономическим показателям. Рассмотрена возможность отработки и применения на предлагаемой РН СЛК «Аквилон» новых технологических и конструктивных решений. В частности: применение в конструкции полимерных композитных материалов (углепластиков в конструкции как сухих отсеков, так и с применением специального покрытия стенок топливных баков; углеуглепластиков в конструкции высокотеплонагруженных элементов: камерах сгорания, створках головного обтекателя, обтекателя первого ускорителя и передних кромок консолей крыла в возвращаемой конфигурации); использование аддитивных технологий при изготовлении двигательной установки, силовых элементов с использованием топологической оптимизации на этапе их проектирования; новых компонентов топлива; создание возвращаемого и повторно используемого первого ракетного блока. Новым для исследований в данном направлении является использование комплексного подхода к рассмотрению современных тенденций в области ракетостроения с учётом потребностей рынка пусковых услуг.
Бесплатно
Проект краткого курса "Избранные вопросы инженерии"
Статья научная
Предложено дополнить существующие вузовские курсы «Введение в инженерию» кратким авторским учебно-проектным курсом «Избранные вопросы инженерии». В качестве примера приведён план пятидневного курса. Курс предназначен для общего понимания специфики, структуры и проблем инженерной деятельности и, по замыслу, должен улучшить освоение материала курсов «Введение в инженерию». Курс имеет формат коллективного учебно-проектного процесса, который реализуется в когнитивной инфраструктуре ситуационного центра на доступных организаторам ресурсах. Такой центр может быть создан вне аудитории с использованием смартфонов участников. Познавательная среда обеспечивается наличием команды поддержки в составе координатора, методолога, планшетиста и игротехника. Функции команды поддержки может выполнить и один специально подготовленный преподаватель, способный к рефлексивному восприятию учебной ситуации. Предложен конструктор вариантов курса, включающий различные типы процессов реализации. Предложен вариант метафорической когнитивной карты инженерии в виде набора картин и комментариев к ним. Отмечена необходимость отдельного рассмотрения: этапов постановки задач и работы над ошибками; возможностей оперативного доступа студентов к сетевым ресурсам и технологий коллективной работы. Использован авторский подход "4К" (коллективный, когнитивный, конфигураторный, конвергентный) в комплексе с системой кросс-технологий, которая обеспечивает многодисциплинарность. Использована концепция взаимной подстройки когнитивных профилей студентов и форматов преподавания учебных предметов (визуальный, аудио, кинестетический, тактильный). Применение перечисленных авторских инструментов обеспечивает оригинальность предложенных решений.
Бесплатно
Проектирование интеллектуальной противопожарной системы
Статья научная
Противопожарные системы используют извещатели, основанные на пороговой обработке измерительных сигналов датчиков факторов пожара и выработке сигнала о пожаре в соответствии с логической функцией. Применение искусственных нейронных сетей позволяет путём их обучения проектировать извещатели, основанные на информации от сети датчиков. Для обучения искусственных нейронных сетей необходимы большие наборы данных, которые предложено получать путём моделирования пожара на суперкомпьютере. Натурные испытания представляют собой дорогостоящий эксперимент, который подвержен случайным факторам, ограничен одним-двумя помещениями и не даёт полного представления о развитии пожара. Поэтому проектирование интеллектуальных пожарных систем относится к классу модельно-ориентированного проектирования. Путём моделирования получены большие наборы данных для обучения алгоритмов пожарной системы и расширен круг решаемых задач. Предложен коллектив нейронных сетей для: поиска оптимального расположения многопараметрических датчиков; определения типа горящего материала; обнаружения возгорания на ранних этапах; локализации зоны возгорания, что позволяет выбрать адекватные средства тушения. Искусственные нейронные сети позволяют прогнозировать развитие пожара, строить карту распределения опасных факторов для поиска оптимального пути эвакуации людей. Приведён пример модельно-ориентированного проектирования судовой противопожарной системы.
Бесплатно
