Опыт построения информационной системы на основе онтологии информационных ресурсов количественной предметной области Фазлиев А.З., Привезенцев А.И., Лаврентьев. - презентация

1 Опыт построения информационной системы на основе онтологии информационных ресурсов количественной предметной области Фазлиев А.З., Привезенцев А.И., Лаврентьев Н.А. (ИОА СО РАН) Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

2 Содержание Абстрактная структура информационной системы (данные, приложения и интерфейсы пользователя) Слои информационной системы (e-Science) Опыт построения слоя знаний в ИС с помощью OWL DL. Tbox. Вычислительные задачи в области молекулярной спектроскопии. Данные и метаданные. Abox. Данные измерений и вычислений. Открытый или замкнутый мир? Отношения транзитивности и рефлексивности в количественной спектроскопии. Примеры. Ограничения на значения и существование, среднеквадратические отклонения, упорядочение сущностей по значениям свойств. Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

3 Абстрактная структура информационной системы Данные Приложения Интерфейсы Guarino N. Formal Ontology and Information Systems // Proceedings of FOIS98. Trento. Italy, 6–8 June Amsterdam: IOS Press. P. 3–15. Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

4 Слои информационной системы (e-Science) Данные и вычисления Метаданные (информационный слой) Онтологии (слой знаний) De Roure D., Jennings N., Shadbolt N. A Future e-Science Infrastructure // Report commissioned for EPSRC/DTI Core e-Science Programme p. Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

5 OWL DL Опыт построения слоя знаний в ИС с помощью OWL DL Предметные области ИС Distributed Information System D = D1& D2 & D3 D1 – Mолекулярная спектроскопия D2 – Атомы и молекулы D3 - Публикации Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

6 Открытый или замкнутый мир? Точка зрения пользователяTbox Замкнутое множество понятий ПО Расширяемое множество понятий ПОAbox Возможность дополнения фактов (измерения и вычисления) Фиксация числа фактов Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

7 Вещество Молекулярная спектроскопия Вычислительные задачи Публикации Решения задач Обратные задачиПрямые задачи Состояния и процессы DC метаданные Факты о веществе Tbox Решения задач Обратные задачиПрямые задачи Abox Публичная компонента Пользовательская компонента

8 Задача нахождения уровней энергии изолированной молекулы (T1) Задача вычисления коэффициентов Эйнштейна(Т6) Задача нахождения параметров спектральных линий (ET) Измерение спектров (E) Задача приписывания квантовых чисел (T5) Задача нахождения частот перехода изолированной молекулы (T2) Задача нахождения уровней энергии изолированной молекулы (T1) Задача нахождения параметров спектральной линии молекулы (T3) Задача нахождения спектральных функций (T4) Прямые задачи Обратные задачи В качестве модели предметной области выбраны две цепи задач. Модель молекулярной спектроскопии (0-ое приближение) Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

9 Задача нахождения уровней энергии изолированной молекулы (T1) Задача вычисления коэффициентов Эйнштейна(Т6) Задача нахождения параметров спектральных линий (ET) Задача приписывания квантовых чисел (T5) Задача нахождения частот перехода изолированной молекулы (T2) Задача нахождения уровней энергии изолированной молекулы (T1) Задача нахождения параметров спектральной линии молекулы (T3) Задача нахождения спектральных функций (T4) Прямые задачи Обратные задачи Модель молекулярной спектроскопии ( 1-ое приближение) Стандартные отклонения Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

10 Индивид «information source V4_T5_279_1998_ToBr_H2_17O-H2O» V4_T5_279_Transitions_MD_for_NormalModes hasSpectralBand V4_T5_279_for_NormalModes_v1UP_v2UP_v3UP_v1LOW_v2LOW_v3LOW_Sp ectralBand hasQuantumNumbersType NomalModes hasTotalMaxAngularMomentum 12 hasTotalMinAngularMomentum 0 hasNumberOfInvalidTransitions 0 hasNumberOfValidWater-C2V-Transitions 142 hasNumberOfRejectedTransitions 0 hasNumberOfUnassignedTransitions 0 hasNumberOfValidTransitions 142 hasNumberOfUniqueTransitions 142 hasNumberOfValidIdentifications 142 hasNumberOfInvalidWaterTransitions 0 hasNumberOfInvalidWater-C2V-Transitions 0 hasNumberOfInvalidIdentifications 0 hasNumberOfNonuniqueTransitions 0 V4_T5_279-T5_OutputData_MD hasBroadeningSubstance_MD V4_T5_279_BroadeningSubstances_MD_for_H2O hasWavenumbers_MD V3_T5_279_ Wavenumbers_MD hasTransitions_MD V4_T5_279_Transitions_MD_for_NormalModes hasPhysicalCondition_MD V4_T5_279_PhysicalCondition_MD hasIntensity_MD V3_T5_279_Intensity_MD V4_T5_279_BroadeningSubstances_MD_for_H2O hasBroadeningSubstance H2O hasHalfwidth_MD V3_T5_279_Halfwidth_MD_for_H2O hasPressure_MD V4_T5_279_PressureValue_MD_for_H2O hasPressureDependence_MD V4_T5_279_PressureDependence_MD_for_H2O hasShift_MD V3_T5_279_Shift_MD_for_H2O hasTemperatureDependence_MD V4_T5_279_TemperatureDependence_MD_for_H2O V4_T5_279_ Wavenumbers_MD hasUnit cm-1 hasUncertainty false hasMaxWavenumber hasMinWavenumber hasNumberOfWavenumbers 142 V4_T5_279_1998_ToBr_H2_17O-H2O isSolutionOf T5 hasMethod UNDEFINED hasSubstance H2_17O hasOutputData_MD_V4_T5_279-T5_OutputData_MD hasReference Toth R.A., Brown L.R., Self-broadened widths and frequency shifts of water vapor lines between 590 and 2400 cm -1. // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiation Transfer, 1998, v.59, p V4_T5_279_PhysicalCondition_MD hasTemperature_MD V4_T5_279_TemperatureValue_MD hasPressure_MD V4_T5_279_PressureValue_MD V4_T5_279_Intensity_MD hasUnit cm-1_molecule hasUncertainty false isPresented false V4_T5_279_PressureValue_MD_for_ H2O hasUnit atm hasFloatValue 1 V4_T5_279_Halfwidth_MD_for_H2O hasUnit cm-1_atm-1 hasUncertainty true isPresented true V4_T5_279_PressureDependence_ MD_for_H2O hasUncertainty false isPresented false V4_T5_279_Shift_MD_for_H2O hasUnit cm-1_atm-1 hasUncertainty true isPresented true V4_T5_279_TemperatureDependence _MD_for_H2O hasUncertainty false isPresented false V4_T5_279_Temperature Value_MD hasUnit K hasFloatValue 296 V4_T5_279_PressureV alue_MD hasUnit atm hasFloatValue 1 V4_T5_279_for_NormalModes_v1UP_v2UP_v3UP _v1LOW_v2LOW_v3LOW_SpectralBand hasBandType v1UP_v2UP_v3UP_v1LOW_v2LOW_v3LOW hasNumberOfSpectralBands 1 59 Высказывания H2O hasSymmetryGroup C2v hasPhysicalState SingleMolecule Субъектно-предикатная структура Abox. Данные измерений и вычислений.

11 Индивид «information source 1998_ToBr_H2_17O-H2O» V4_T5_279_Transitions_MD_for_NormalModes hasSpectralBand V4_T5_279_for_NormalModes_v1UP_v2UP_v3UP_v1LOW_v2LOW_v3LOW_Sp ectralBand hasQuantumNumbersType NomalModes hasTotalMaxAngularMomentum 12 hasTotalMinAngularMomentum 0 hasNumberOfInvalidTransitions 0 hasNumberOfValidWater-C2V-Transitions 142 hasNumberOfRejectedTransitions 0 hasNumberOfUnassignedTransitions 0 hasNumberOfValidTransitions 142 hasNumberOfUniqueTransitions 142 hasNumberOfValidIdentifications 142 hasNumberOfInvalidWaterTransitions 0 hasNumberOfInvalidWater-C2V-Transitions 0 hasNumberOfInvalidIdentifications 0 hasNumberOfNonuniqueTransitions 0 V4_T5_279-T5_OutputData_MD hasBroadeningSubstance_MD V4_T5_279_BroadeningSubstances_MD_for_H2O hasWavenumbers_MD V3_T5_279_ Wavenumbers_MD hasTransitions_MD V4_T5_279_Transitions_MD_for_NormalModes hasPhysicalCondition_MD V4_T5_279_PhysicalCondition_MD hasIntensity_MD V3_T5_279_Intensity_MD V4_T5_279_BroadeningSubstances_MD_for_H2O hasBroadeningSubstance H2O hasHalfwidth_MD V3_T5_279_Halfwidth_MD_for_H2O hasPressure_MD V3_T5_279_PressureValue_MD_for_H2O hasPressureDependence_MD V4_T5_279_PressureDependence_MD_for_H2O hasShift_MD V3_T5_279_Shift_MD_for_H2O hasTemperatureDependence_MD V4_T5_279_TemperatureDependence_MD_for_H2O V4_T5_279_ Wavenumbers_MD hasUnit cm-1 hasUncertainty false hasMaxWavenumber hasMinWavenumber hasNumberOfWavenumbers 142 V4_T5_279_1998_ToBr_H2_17O-H2O isSolutionOf T5 hasMethod UNDEFINED hasSubstance H2_17O hasOutputData_MD_V3_T5_279-T5_OutputData_MD hasReference Toth R.A., Brown L.R., Self-broadened widths and frequency shifts of water vapor lines between 590 and 2400 cm -1. // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiation Transfer, 1998, v.59, p V4_T5_279_PhysicalCondition_MD hasTemperature_MD V4_T5_279_TemperatureValue_MD hasPressure_MD V4_T5_279_PressureValue_MD V4_T5_279_Intensity_MD hasUnit cm-1_molecule hasUncertainty false isPresented false V4_T5_279_PressureValue_MD_for_H2O hasUnit atm hasFloatValue 1 V4_T5_279_Halfwidth_MD_for_H2O hasUnit cm-1_atm-1 hasUncertainty true isPresented true V4_T5_279_PressureDependence_ MD_for_H2O hasUncertainty false isPresented false V4_T5_279_Shift_MD_for_H2O hasUnit cm-1_atm-1 hasUncertainty true isPresented true V4_T5_279_TemperatureDependence _MD_for_H2O hasUncertainty false isPresented false V4_T5_279_Temperature Value_MD hasUnit K hasFloatValue 296 V4_T5_279_PressureV alue_MD hasUnit atm hasFloatValue 1 V4_T5_279_for_NormalModes_v1UP_v2UP_v 3UP_v1LOW_v2LOW_v3LOW_SpectralBand hasBandType v1UP_v2UP_v3UP_v1LOW_v2LOW_v3LOW hasNumberOfSpectralBands 1 H2O hasSymmetry Group C2v hasPhysicaltate SingleMolecule

12 Субъектно-предикатная структура «information source 1998_ToBr_H2_17O-H2O» 61 высказывания

13 Индивид «Information source V4_T7_269_NaMaLeTe_D2O_to_V4_T1_284_ShZoPo_D2O_by_EnergyLevels_on_NormalModes_RMSPair Индивид «Information source V4_T7_269_NaMaLeTe_D2O_to_V4_T1_284_ShZoPo_D2O_by_EnergyLevels_on_NormalModes_RMSPair » V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_2_3_1_RMSStateBand hasQuantumNumberBand QuantumNumbers_on_NormalModes_0_3_3_Band hasBandMaxDifferenceValue hasBandNumberCorrelationLines 45 hasBandRMSDeviationValue V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_3_1_1_RMSStateBand hasQuantumNumberBand QuantumNumbers_on_NormalModes_0_3_3_Band hasBandMaxDifferenceValue hasBandNumberCorrelationLines 45 hasBandRMSDeviationValue V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_4_1_0_RMSStateBand hasQuantumNumberBand QuantumNumbers_on_NormalModes_4_1_0_Band hasBandMaxDifferenceValue hasBandNumberCorrelationLines 45 hasBandRMSDeviationValue V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_3_3_0_RMSStateBand hasQuantumNumberBand QuantumNumbers_on_NormalModes_3_3_0_Band hasBandMaxDifferenceValue hasBandNumberCorrelationLines 45 hasBandRMSDeviationValue V4_T7_269_NaMaLeTe_D2O_to_V4_T1_284_ShZoPo_D2O_by_EnergyLevels_on_NormalModes_ident_v1_v2_v3_RM SBandPair hasRMSStateBand V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_0_3_3_RMSStateBand hasRMSStateBand V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_1_1_3_RMSStateBand hasRMSStateBand V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_1_3_2_RMSStateBand hasRMSStateBand V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_2_1_2_RMSStateBand hasRMSStateBand V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_2_3_1_RMSStateBand hasRMSStateBand V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_3_1_1_RMSStateBand hasRMSStateBand V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_3_3_0_RMSStateBand hasRMSStateBand V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_4_1_0_RMSStateBand hasNumberOfRMSBands 8 V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_1_1_3_RMSStateBand hasQuantumNumberBand QuantumNumbers_on_NormalModes_0_3_3_Band hasBandMaxDifferenceValue hasBandNumberCorrelationLines 45 hasBandRMSDeviationValue V4_T7_269_NaMaLeTe_D2O_to_V4_T1_284_ShZoPo_D2O_by_EnergyLevels_on_NormalModes_R MSPair hasRMSMember V4_T7_269_NaMaLeTe_D2O hasRMSMember V4_T1_284_ShZoPo_D2O hasPhysicalQuantity EnergyLevels hasRMSBandPair V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_v1_v2_v3_RMSBandPair hasTotalRMSDeviationValue hasTotalMaxDifferenceValue hasTotalNumberCorrelationLines 530 V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_1_3_2_RMSStateBand hasQuantumNumberBand QuantumNumbers_on_NormalModes_0_3_3_Band hasBandMaxDifferenceValue hasBandNumberCorrelationLines 45 hasBandRMSDeviationValue V4_T1_284_ShZoPo_D2O …………. hasReference S.V. Shirin, N.F. Zobov, O.L. Polyansky, Theoretical line list of D 2 16 O up to cm -1 with an accuracy close to experimental, J. Quant. Spectr. Rad. Trans., 109 (2008) 549 V4_T7_269_NaMaLeTe_D2O ………. hasReference O.V.Naumenko, F. Mazzotti, O.M. Leshchishina, J. Tennyson and A. Campargue, Intracavity laser absorption spectroscopy of D 2 O between and cm -1. // Journal of Molecular Spectroscopy, 2007, v. 242, no. 1, p. 1-9 V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_2_1_2_RMSStateBand hasQuantumNumberBand QuantumNumbers_on_NormalModes_0_3_3_Band hasBandMaxDifferenceValue hasBandNumberCorrelationLines 45 hasBandRMSDeviationValue V4_T7_269_to_V4_T1_284_by_EnergyLevels_on_NormalModes_0_3_3_RMSStateBand hasQuantumNumberBand QuantumNumbers_on_NormalModes_0_3_3_Band hasBandMaxDifferenceValue hasBandNumberCorrelationLines 45 hasBandRMSDeviationValue ( N bands ) высказывания

14 Количественная предметная область Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года N T – число высказываний в Tbox N A – число высказываний в Abox (M - факты предметной области) N А(P) – число высказываний в Abox (P - факты предметной области, P M) N T

15 Web-service of publications data base synchronization Web-service for the formation of a homogeneous set of inverse and direct tasks solutions properties in a distributed system Web-service for the formation of an ontology of molecular spectroscopy tasks solutions properties Interfaces Protégé interface Data and computations layer Information layer Knowledge layer System of direct and inverse spectroscopy problems solutions input Spectral functions calculation Formation of composite problems solutions Inference engine Logical consistency check Decomposition of problems solutions according to publications Description of non-calculable properties of molecular spectroscopy inverse and direct problems solutions Computation of calculated properties of direct and inverse spectroscopy problems solutions Composite solutions of spectroscopy tasks Primary solutions of inverse spectroscopy tasks Primary solutions of direct spectroscopy tasks Publications DB Logical theory of molecular spectroscopy tasks solutions properties Molecular spectroscopy tasks solutions properties DataNode Applications InterfacesWeb-services Архитектурараспределенной информационной системы для молекулярной спектроскопии Архитектура распределенной информационной системы для молекулярной спектроскопии Semantic Web approach

16 Иерархия математических теорий Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года Sowa J.F. Knowledge Representation: Logical, Philosophical, and Computational Foundations, Brooks Cole Publishing Co., Pacific Grove, CA, p.

17 Отношения транзитивности и рефлексивности в количественной спектроскопии Транзитивность a=b & b=c => a=c Рефлексивность a = a Симметрия a=b => b=a Антисимметрия a = a = b Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

18 Примеры. Ограничения на значения и существование Формальные ограничения Тип данных – квантовые числа – натуральные числа, интенсивность, столкновительная полуширина, вакуумные волновые числа, уровни энергии – положительные действительные числа, …. Интервалы изменения – 0 < волновые числа < cm -1, cm/mol < интенсивность

19 Примеры. Сводка публикаций. Ограничения на значения Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

20 Сравнение массивов спектральных данных Hitran и GEISA в диапазоне 0-50 см см -1 HITRAN GEISA см -1 HITRAN GEISA см -1 HITRAN GEISA H 2 17 O0/1 0% 0/10 0% 9/25 36% 9/29 36% 0/1 0% 0/10 0 % 0/25 0% 0/29 0% H 2 18 O28/31 90% 0/1 0% 0/15 0% 17/33 52% 8/31 26% 0/1 0% 0/15 0% 0/33 0% HDO20/65 31% 20/66 30% 39/76 51% 20/76 26% 60/76 79% 0/65 0% 0/66 0% 0/76 0% 2/76 3% 2/76 3% HD 18 O26/53 49% 52/61 85% 28/45 62% 8/53 15% 3/61 5% 0/45 0% Точность, с которой проводилось сравнение данных измерений задана шрифтом. Подчеркнутые цифры означают, что сравнение проведено с точностью 0.01 см -1, цифры курсивом - с точностью 0.1 см -1, и выделенные жирным шрифтом – с точностью 1 см -1. Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года Примеры. Декомпозиция. Ограничения на существование

21 Декомпозиция источников данных Сравнение массивов спектральных данных Hitran и GEISA в диапазоне см -1 Точность, с которой проводилось сравнение данных измерений задана шрифтом. Подчеркнутые цифры означают, что сравнение проведено с точностью 0.01 см -1, цифры курсивом - с точностью 0.1 см -1, и выделенные жирным шрифтом – с точностью 1 см см -1 HITRAN GEISA см -1 HITRAN GEISA см -1 HITRAN GEISA H 2 17 O147/279 53% 1309/ % 1383/ % 118/1916 6% 9/325 3% 0/279 0% 669/ % 119/4828 2% 639/ % 107/325 33% H 2 18 O205/342 60% 1529/ % 1380/ % 164/2443 7% 23/863 3% 2/342 1% 0/342 1% 302/6889 4% 317/7109 4% 208/2443 9% 49/863 6% HDO370/599 62% 1674/ % 2980/ % 8/3483 0% 8/119 7% 2/599 0% 0/599 0% 5/8825 0% 27/ % 94/3483 3% 0/119 0% HD 17 O7/175 4% 0/175 0% HD 18 O378/544 69% 434/908 48% 195/679 29% 16/544 3% 221/908 24% 221/679 33% Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года

22 Вопросы Второй симпозиум « Онтологическое моделирование : состояние, направления исследований и применения », Казань, октября 2010 года