个人知识库设计器：专家系统原型软件RVML可视化建模与规则引擎

SoftwareX 11（2020）100411原始软件出版物个人知识库设计器：专家系统原型软件亚历山大·尤作者：YurinJiang，Nikita O.多罗德内赫俄罗斯科学院西伯利亚分院马特洛索夫系统动力学与控制理论研究所，134 Lermontov 圣伊尔库茨克，俄罗斯ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2019年2020年1月29日收到修订版2020年1月29日接受关键词：可视化建模知识库规则RVML概念模型a b st ra ct在大多数情况下，专家系统工程的复杂性取决于知识库工程的复杂性。这个过程包括形式化和编程任务。在这方面，使用可视化编程、模型转换和代码生成原则是相关的。我们提出了一个新的软件具有类似的属性。我们的软件提供了一个特定领域的符号规则建模，即规则可视化建模语言（RVML）的使用;向导创建和编辑知识库元素;概念模型和规范的电子表格作为领域知识的主要新软件的核心是一个统一的模型，用于以逻辑规则的形式表示和编辑知识，以及使用内置规则引擎对其进行解释。这使得可以使用UML类图、概念图、思维导图、Ishikawa图等形式的概念模型作为信息源，也有助于让非编程用户参与知识库工程的过程，并最大限度地减少编码错误。我们的实证结果表明，能够使用所提出的软件原型基于规则的知识库，通过转换不同的概念模型。还介绍了两个案例研究©2020作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。软件元数据当前软件版本4.2018.0201.6此版本可执行文件的永久链接http://knowledge-core.ru/downloads/pkbd/setup_PKBD_4.2018.0201.exe法律软件许可证GNU通用公共许可证计算平台/操作系统Microsoft Windows操作系统：Windows 2000，XP，Vista，7，8，8. 1，10CPU：500 MHz可用硬盘空间：20 MbRAM：256 Mb其他软件：MS Word（用于报告生成模块）如果可用，用户手册链接-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物http://knowledge-core.ru/downloads/pkbd/en_PKBD_User_manual.pdf问题支持电子邮件iskander@icc.ru代码元数据当前代码版本4.2018.0201.6此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/GNU通用公共许可证（GPL）代码版本控制系统使用Git软件代码语言ObjectPascal编译要求、操作环境依赖性（如有）开发人员文档/手册链接问题支持电子邮件iskander@icc.ru∗通讯作者。电子邮件地址：iskander@icc.ru（A.Yu. Yurin）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.1004112352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2A.Yu. Yurin和N.O.Dorodnykh/SoftwareX 11（2020）1004111. 介绍一般说来，专家系统工程的复杂性取决于知识库工程的复杂性。这个过程包括形式化和编程任务。解决这些任务可以在专业软件的帮助下自动化。这种软件（例如，可视化专家系统设计器、专家系统设计器、ES-Builder等）通过使用可视化建模、知识表示模板、知识库验证和程序代码生成，可以提高专家系统工程的效率。创建可以与CASE工具集成的知识库工程工具（例如，IBMRational Rose、StarUML等），概念和思维导图工具（例如，IHMC CmapTools、XMind、MindMeister等），本体编辑器（例如，Protégé、NeOn Toolkit等）在进口和模型分析方面是一个新兴的研究领域。个人知识库设计器（PKBD）是一个专门的知识库编辑器，主要面向非程序员. PKBD支持：特定于领域的规则建模符号-规则可视化建模语言（RVML）[1];与外部软件的集成，例如IBM Rational Rose，StarUML，XMind，CMapTools和TabbyXL; CLIPS（C语言集成生产系统）的代码生成[2]。PKBD的核心是以逻辑规则的形式表示领域知识的统一模型，而不考虑特定的基于规则的编程语言的特征。PKBD的主要目的是支持基于规则的知识库和专家系统原型的可视化建模，重点是非程序员（例如，领域专家、分析师等）。2. 问题和背景我们考虑两个方面的背景：方法的可视化知识库工程和工具，用于创建知识库的逻辑规则。2.1. 知识库工程可视化编程是提高问题求解效率的途径之一。在知识库工程领域，可以区分以下基于可视化编程的主要方法组文本方法提供了对编程语言结构的直接操作。这种方法主要针对程序员，并以专用编辑器的形式实现，例如，用于Java专家系统外壳（JESS）[4]的 VISUAL JESS [3]，它为语法结构和知识库元素的交互式定义提供颜色突出显示表格方法提供了决策表的构造以及将其翻译成知识表示语言中的程序代码。使用决策表的标准形式及其专门化，例如扩展表树（XTT 2）[5]图形方法提供了与逻辑规则元素相对应的可视化抽象的设计，随后将其翻译成知识表示语言中的程序代码。这种方法是最流行的一种，允许非程序员开发知识库和专家系统。在图表方法中，可以确定以下领域：语义图结构[6] -这一领域在设计概念图和本体的软件中得到了很好的体现。然而，在将模型转换为逻辑规则时，缺乏对概念之间关系的普遍接受的有意义的解释，阻碍了它在基于规则的知识库和专家系统工程中的广泛应用。例如，存在基于图形流程图节点[7]、弧[8]或用于命名概念和关系的约束的颜色区分的特定解决方案[9]。领域特定的符号-这些符号提供逻辑和因果关系的建模。但也有其中，例如，可视化命令式编程（VIPR）包含非标准工件。在这方面，众所周知的建模语言的扩展或简档，特别是统一建模语言（UML），是有用的。RVML [1]就是这种语言的一个例子。这种语言的使用受到现有软件的缺乏或重大功能限制的RVML是用于建模和描述基于规则的知识。这种语言允许用户从各种基于规则的知识表示语言中抽象出来。反过来，一些RVML元素（特别是规则优先级（P）、确定性因子（CF）、槽的“默认”值）的细化有助于考虑知识库的2.2. 知识库工程用于知识库工程的工具范围从众所周知的商业系统到研究原型。以下标准用于对其中一些进行比较审查关注最终用户（从编程语言和向导中抽象出来）;支持可视化建模和图形符号;综合知识库程序代码（支持的知识库编程语言）;验证知识库程序代码（语法和语义）;用CRUD（创建、读取、更新、删除）接口合成专家系统原型在不同概念模型的导入、导出和转换利用其他信息来源建立知识库。比较结果如表1所示。基于比较（表1），我们可以得出结论，PKBD在RVML支持，与CASE工具的集成以及TabbyXL的规范表3. 软件PKBD是作为一个为非程序员设计的桌面应用程序实现的。PKBD的主要目的是原型化使用逻辑规则的形式化的知识库。在这种情况下，使用两种主要方法来设计知识库：分析和转换概念模型和电子表格;·············A.Yu. Yurin和N.O.Dorodnykh/SoftwareX 11（2020）1004113表1知识库工程工具的比较（使用逻辑规则的形式主义–ClipsWin [2]ES-Builder Web [12]++决策树++graph Lisp+PKBD+ + RVML CLIPS+ TabbyXL向导作为GUI形式的序列，用于操纵知识库的元素，隐藏编程语言的细节。PKBD的特性之一是支持RVML。RVML被认为是UML的扩展。其他PKBD功能如下：一种模块化体系结构，提供了添加模块以支持知识编程语言的能力。目前支持CLIPS和Drools;在导入和导出概念和关系时，与概念建模工具的集成性。3.1. 软件构架图中所示的PKBD架构。1决定了以下主要组成部分的相互作用：一个知识库管理模块，它以EKB格式（专有的类XML格式）提供项目的存储;一个用户界面子系统包括以下模块：用于操作知识库元素的软件向导、GUI生成、TinyRVML编辑器;一个支持程序设计语言模块的子系统，它提供模块的连接和断开，访问它们的功能以生成程序代码;与概念模型源集成的模块：IBM Rational Rose，StarUML，XMind，CMapTools，Protégé和TabbyXL [13];规则引擎控制模块提供用于测试知识库的规则引擎的激活;“领域特定编辑器”支持模块提供对先前准备的事实和规则模板的加载和解释，与知识库开发系统（KBDS）[14]云交互的模块。3.2. 软件功能我们软件的主要功能是：由非程序员使用一组向导和定义的概念模型源来设计规则库的元素（事实模板、事实和规则）;检查所开发的知识库的完整性（语法和语义控制）;使用RVML [1]表示知识库元素;生成CLIPS格式的知识库代码;使用集成的CLIPS规则引擎测试开发的知识库代码（逻辑推理）;与CASE-tools集成：IBM Rational Rose、StarUML、XMind、CMapTools和Protégé（关于导入和转换）与TabbyXL [13]集成，导入和转换规范的电子表格表格，以便突出显示创建知识库草稿的主要实体（概念）和关系;使用预先开发的事实和规则模板的描述并限制其更改的可能性，在“特定领域编辑器”模式下运行• 与KBDS服务交互。4. 执行情况和实证结果建议的软件实现为一个桌面应用程序，使用Delphi XE。我们的软件用于开发教育和现实生活任务中的知识库原型。PKBD在伊尔库茨克国立研究技术大学（IrNRTU）1的信息技术和数据分析研究所用于教授“案例工具”和“信息工具”课程mation technologies”。我们做了一个复杂性评估的知识库的发展在教育过程中使用PKBD和不同的条件下：与使用的软件知识库设计，特别是ClipsWin（这是一个纯粹的程序员静态专家系统的设计有12个任务变量，以解决不同学科领域的诊断和预后问题。对领域模型和知识库的特征（对任务）施加了一些限制，特别是：领域实体的数量：5这些约束的使用提供了任务的多次重复及其时间紧凑性的可能性。时间标准的有效性的分析表明，使用PKBD的知识库的开发该实验在[1]中有详细描述我们使用PKBD来执行两个现实生活中的任务。第一个[16]旨在开发用于预测石化设备降解过程的知识库。领域概念模型[17]被用作知识的来源。这些模型是与伊尔库茨克化学和石化工程研究设计院（IrkutskNIIHimmash）2的专家合作开发的。利用PKBD对概念模型进行了深入的分析和转换。从模型中提取包含因果关系和其他依赖关系的片段，这些片段足以构建知识库元素。总共有26个概念模型，包含256个概念建立概念模型，以突出用于创建知识库草稿的主要实体（概念）和关系;1 http://www.istu.edu/eng/网站。2 http://hm.irk.ru/? page_id=920& lang=en.·················软件/标准非程序员支持可视化建模支持代码生成码校验专家系统生成集成CASE工具其他信息源专家系统设计师[10]专家系统创建者[第11话]正/负+++夹子，Jess+决策树/表CLIPS，JESS++++++––+XML–––·4A.Yu. Yurin和N.O.Dorodnykh/SoftwareX 11（2020）100411Fig. 1. PKBD架构。建立并分析了208个关系。结果，开发了包含18个事实模板、18个规则模板、4个初始事实和30个特定规则该知识库描述了腐蚀疲劳、腐蚀开裂和氢脆的退化过程。在规则模型的基础上生成CLIPS格式的知识库代码。该应用的详细描述见[1，16]。第二项任务[18]旨在建立一个知识库，工业安全检查（ISI）ISI是一个评估工业设施技术状况的程序，目的是确定运行设备的剩余寿命。基于规则的专家系统可用于解决一些ISI任务，例如，“ISI程序的开发”、“诊断结果的分析（包括解释）”、“为修理做出决策”和“形成ISI的结论（报告）”。知识库原型是在分析和转换ISI报告[19]的电子表格的基础上开发的。在大多数情况下，电子表格表包含已经结构化的信息和域理念的TabbyXL [13]用于解决第二个任务。我们开发了一个专门的模块3，用于转换TabbyXL水平共处理了216个电子表格。从这些电子表格中提取了242个实体，包括25个概念、196个属性和21个关系，并用于进一步的处理。在解决这个任务时，对表格转换获得了以下评估：召回率-0.92，精确率-0.92。0.98.此外，所获得的结果与IrkutskNI-IHimmash和ISDCT SB技术安全研究信息和验证技术实验室的专家先前获得的结果进行了验证和比较。RAS4：[17]和[19]元素的重合（一致性）达到24%（400人中有106人）（表2）。因此，在分析[19]中的电子表格的基础上，我们以自动模式获得了ISI域模型的24%的元素，为创建3 https：//bitbucket.org/j80/pkbd/src/0caf47fc76a12be4fb0da1af54f26e5adb9123d1/Bin/UPKBClass.pas#lines-3012.4 http://idstu.irk.ru/en网站。知识库最终的知识库包含21个事实模板和9个规则模板，其中60%是从ISI领域模型中获得的。5. 说明性示例图 2示意性地显示了使用PKBD的示例，其中：分析了UML类图形式的源概念模型，并将其转换为知识库元素;将接收到的知识库元素（模板）在PKBD中编辑并表示为RVML方案;CLIPS格式的源代码在指定模板并输入规则和事实之后生成。文件中有一个更复杂的例子。还提供了创建简单知识库5、知识库预览66. 影响知识库和专家系统的开发仍然是一个复杂的过程，需要深入的知识，无论是在软件工程领域还是在学科领域[20]。此外，使用可视化编程原则[21]，特定领域的符号[1，5PKBD展示了知识库工程的新可能性[1]。与PKBD类似，现有的软件解决方案[2，7，10-与之相反，我们的软件主动使用UML类图、概念图、Ishikawa图和结构化演示形式的模型，5 http://knowledge-core.ru/downloads/pkbd/demos/creating-a-simple-knowledge-base.avi.6 http://knowledge-core.ru/downloads/pkbd/demos/a-knowledge-base-预览. avi.···A.Yu. Yurin和N.O.Dorodnykh/SoftwareX 11（2020）1004115表2数据集的定量特征[17]和[19]。数据集/标准量的元素概念数量物业款关系数量数据分析[19]2422519621[17]的片段，包含使用的4009824953定性比较[17]和[19]的对应元素（24%）10614884[17]）图二、 基于概念模型转换创建知识库的示例。TabbyXL [13]规范电子表格的形式，作为有关领域概念和关系的信息源。PKBD被用于开发预测石化设备退化过程的知识库，并支持ISI任务。在一种情况下[16]，它能够以逻辑规则的形式呈现退化过程的因果形成和发展在另一种情况下[18]，它促进了基于ISI中使用的任意表格的知识库和本体的生成。我们相信，PKBD可以用于原型基于规则的知识库。7. 结论实现的软件（PKBD）提供了开发（原型）基于规则的知识库。与现有的知识库工程工具相比，PKBD支持：知识库工程背景下的可视化程序设计使用概念模型转换;从知识库的特定编程语言中抽象（例如，CLIPS、JESS、Drools、SWRL等）通过使用基于规则的模型形式的统一内部表示;• 知识库代码生成;• 以非程序员为目标（例如，领域专家）。这些功能是使用一组软件向导实现的，这些向导以RVML符号中的逻辑规则我们软件的新颖之处在于灵活的模块体系结构，支持现有知识表示语言集的扩展，以及概念模型源的分析格式。当前方法的缺点是只使用了一组受支持的CASE工具和编程语言。进一步的研究旨在克服这一限制。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢本研究得到了俄罗斯基础研究基金会的部分支持（批准号：19-07-00927）。TabbyXL的整合（第3.2节）和与电子表格转换（第4节）相关的经验结果的讨论附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100411上找到。引用[1]A.Yu. 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