Перспективы применения онтологических моделей для повышения эффективности анализа экологических и других взаимосвязанных с ними рисков
Экология человека – наука, рассматривающая биосферу как экологическую нишу человечества, изучающая природные, социальные и экономические условия как факторы среды обитания человека, обеспечивающие его нормальное развитие и воспроизводство [1]. Важными компонентами ее структуры являются анализ, диагностика, прогноз и учет существующих рисков для окружающей среды и здоровья человека, которые составляют область экологической рискологии.
Спектр используемых здесь данных весьма широк, и включает объединенные и интегрированные знания из разнообразных дисциплин, таких как экономика, биология, медицина, социология, и т. д.
Риски, которым подвергается современный человек со стороны окружающей среды [2] можно рассматривать в комплексном взаимодействии (рис. 1), что требует совершенствования методов исследования, позволяющих расширить спектр представлений об окружающем мире. С математической точки зрения, риски представляют собой взаимно пересекающиеся множества. В местах подобных пересечений могут возникать новые, комплексные риски, примеры которых на рис. 1 затемнены.
Рис. 1. Взаимосвязь рисков в окружающей среде
Одним из возможных способов решения задачи совершенствования методов исследования экологических и других, связанных с ними рисков, является повышение уровня разработки моделей обработки данных и их взаимное комплексирование на базе онтологий.
В настоящее время в Украине экологические данные накапливаются в проблемно-ориентированных базах данных. Это вызвано наличием большого количества источников информации, а именно министерств и ведомств, как правило, представляющих данные в различных форматах отчетности (табл. 1). Зачастую отсутствует взаимно-однозначное соответствие между понятиями в различных предметных областях, поскольку в научных и технических сообществах существует собственная терминология, методы и инструментальные средства обработки данных.
Таблица 1 – Организации-поставщики данных экологического и социально-гигиенического мониторинга Украины
Источники данных |
Способ представления информации |
Формат данных |
|
Министерство |
Подразделения |
||
Здравоохране-ния |
Областные, городские и районне санэпидемстанции |
Ежегодный отчет |
PDF, RTF |
Областные, городские и районные больницы |
Ежегодный отчет |
||
Охраны окружающей природной среды |
Областные государственные правления охраны окружающей природной среды |
Базы данных «Атмосфера», «Гидросфера» и «Приборное и методическое обеспечение сетей наблюдений». |
PDF, XML |
Ежежегодные отчеты и региональные доклады о состоянии окружающей природной среды, ежемесячный информационно-аналитический обзор |
|||
Статистики |
Областные, городские и районные управления |
Ежегодные, ежеквартальные, ежемесячные пресс- и экспресс- выпуски |
|
Одним из возможных путей решения данной проблемы является создание единой базы знаний, позволяющей объединить разнородные подходы к сбору и обработке экологических данных. Такая база знаний позволит перейти от оценки текущего состояния к прогнозированию многочисленных взаимосвязанных рисков, вызванных усугубляющимся ростом техногенной нагруженности окружающей среды.
Современные технологии оперирования базами данных и знаний
Основными требованиями к технологии оперирования экологическими базами знаний [5] является доступность информации, открытость протоколов, поддержка обработки различных форматов и данных использование сети Интернет, которая позволяет связать воедино компоненты Веб-пространства, объединив огромное количество информации в формате, приспособленном для восприятия ее человеком. В то время как человек лучше понимает контекст информации, компьютеры позволяют обрабатывать большие ее объемы, выполнять формирование сложных запросов и поиск данных. Поэтому, в настоящее время, большую популярность приобретают методы, объединяющие возможности компьютерной обработки и человеческой способности анализа данных путем разработки и применения новых открытых стандартов.
После проведения анализа существующих технологий с учетом указанных выше требований, в качестве наиболее оптимальной была выбрана концепция Семантической Сети (Semantic Web) [3], являющаяся дополнением сети Веб и предоставляющая возможности извлечения смысла (семантики) из данных.
Среди существующих технологий семантической обработки данных [3, 4] можно выделить следующие (табл. 2).
Таблица 2 – Современные технологии семантической обработки информации
Реализуемый инструмент |
Название технологии |
Описание |
Синтаксис описания данных |
XML |
Универсальный расширяемый язык разметки, представляющий собой свод общих синтаксических правил |
Синтаксис семантичес-кого описания данных |
RDF, RDF Shema |
Технология описания ресурсов в виде модели данных – набора фактов и семантических связей между ними. |
Языки онтологий (способ описания объектов данных и связей между ними) |
DAML |
Языки семантической разметки для Веб-ресурсов. Основывается на RDF и RDF Schema, расширяя их примитивами моделирования. |
OWL |
Наиболее развитый язык представления онтологий, который расширяет возможности XML, RDF и RDF Schema. |
|
Языки запросов к XML и RDF хранилищам |
XQL, XML QL |
Языки запросов к XML-источникам данных для осуществления поиска и интеграции найденной информации |
Несмотря на наличие большого количества инструментов оперирования базами знаний, вопрос создания онтологий для каждой специфической предметной области требует дополнительных исследований.
Обзор применения современных информационных технологий в сфере экологии и социально-гигиенического мониторинга
В настоящее время учеными Украины и России разработано несколько проектов (табл. 3), использующих современные информационные (в том числе и семантические) технологии для сбора, обработки, хранения и использования данных в области экологии, медицины, социологии, санитарии и гигиены.
Таблица 3. – Проекты, использующие информационные технологии в сфере экологии и социально-гигиенического мониторинга
Описание проекта |
Где и/или кем был разработан |
Информационно-статистическая база МедЭкоПортал |
ГУ «Институт гигиены и медицинской экологии им. А.Н. Марзеева Академии медицинских наук Украины», г. Киев, Украина |
Виртуальные центры онтологоуправляемого проектирования компьютерных устройств и систем для медико-экологических и промышленно-технологических нужд |
Институт кибернетики имени В.М. Глушкова г. Киев, Украина |
Онтология по определению вида экспозиции при оценке экологического риска |
Харьковский национальный экономический университет, г. Харьков, Украина |
Информационная система социально-гигиенического мониторинга, состоящая из информационного фонда (база данных) и аналитического центра |
Международный научно-учебный Центр информационных технологий и систем НАН и МОН Украины |
Программное обеспечение, реализующее полуавтоматическую конвертацию и корректировку информации из XML файла обмена Минприроды Украины для потребностей информационной системы СЭС |
Турос Е.И., Черненко Л.Н., Картавцев О.Н., Вознюк О.В., Петросян А.А., Украина |
Методы автоматизированного поиска разных форматов экологической информации в ГИС, базах данных и других источниках информации на основе онтологической базы данных и ее XML-представления |
Проект «Разработка методов интеграции математических моделей природных процессов с ГИС природных экосистем», Мокин В.Б., ВНТУ, г. Винница, Украина |
Автоматизированная система «СГМ», состоящая из базы данных и совокупности программ анализа информации |
Нижегородская государственная медицинская академия, г. Новгород, РФ |
Интеллектуальная система поддержки принятия решений на основе онтологии для управления очисткой сточных вод |
Уфимский государственный авиационный технический университет, г.Уфа, РФ |
Анализ указанных проектов показал, что в основу разработки каждого из них закладывалось решение важной прикладной проблемы. Вместе с тем, для повышения уровня решения комплекса этих и ряда других задач экологических исследований, а также прогнозирования разнообразных рисков возможно создание онтологической модели их комплексного взаимодействия с последующей ее реализацией на основе применения компьютерной интеллектуальной обработки информации, что позволит:
- повысить эффективность использования экологической информации;
- объединить данные, полученные из различных источников, в единую базу знаний;
- создавать новые знания в области экологии и рискологии;
- выявить возможные новые зависимости и взаимосвязи между параметрами и показателями окружающей среды;
- идентифицировать возможные изменения и дополнения к действующей онтологической модели комплекса рисков с учетом реальных условий техногенной и природной среды;
- сформировать новые, релевантные по отношению к рассмотренным результатам, процедуры подготовки, принятия и анализа решений, направленных на снижение разнообразных рисков.
Выводы.
Применение онтологических моделей в качестве инструмента семантической компьютерной обработки данных с целью учета и прогнозирования экологических и других взаимосвязанных с ними рисков позволит значительно повысить эффективность использования информации и обеспечить платформу для создания новых более качественных знаний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Евграфова Н.И. Справочное пособие к лекционному курсу «Основы экологии» для студентов всех специальностей дневной и заочной формы обучения // Евграфова Н.И., Глиняная Н.М., Юсина А.Л. – Краматорск: ДГМА, 2003. – 160 с.
- Большаков А.М. Оценка и управление рисками влияния окружающей среды на здоровье населения // Большаков А.М., Крутько В.Н., Пуцилло Е.В. – М. : Эдиториал УРСС, 1999. – 255 с.
- Рогушина Ю.В., Гладун А.Я. Технологии Semantic Web и их использование при разработке интеллектуальных приложений // ISSN 1727-4907 Проблемы программирования – 2008 - № 2-3 (специальный выпуск) – С. 385-394
- Madin J. An ontology for describing and synthesizing ecological observation data // Madin J., Bowers S., Schildhauer M., Pennington D., Villa F. - Ecological Informatics, vol. 2, 2007 – pp. 279– 296
УДК 004.89+004.912+004.5+004.93’1+519.7
Коротенко Л.М. Перспективы применения онтологических моделей для повышения эффективности анализа экологических и других взаимосвязанных с ними рисков [Електронний ресурс] / [Коротенко Л.М., Коротенко Г.М., Харь А.Т.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.139–141. Режим доступу: http://eco.com.ua/