Введение в визуализацию знаний

1 Лекция 9 Введение в визуализацию знаний Лекция посвящена вопросу разработки визуальных моделей структурирования знаний, которые служат мощным инструментом анализа сложных предметных областей. План 1. Понятие структурирования знаний. 2. Классификация методов визуализации. 3. Типы знаний и виды диаграмм. 3.1. ЧТО-знания. Интеллект-карты, концептуальные карты, диаграммы Венна. 3.2. ПОЧЕМУ-знания. Диаграммы Ишикавы. Карта аргументов. Блоксхемы. 3.3. КАК-знания. Плавательные дорожки, дерево целей, дерево решений. 3.4. ЗАЧЕМ-знания. 3.5. КТО-знания. 3.6. КОГДА-знания. Сетевые графики, диаграммы Ганта. 3.7. ГДЕ-знания. 4. Литература. 5. Контрольные вопросы 1. Понятие структурирования знаний Дадим определения информационных понятий1. Данные – форма представления информации, различные формы представления информации имеют различные количественные, включая комбинаторные, свойства. Информация – результат восприятия и интерпретации данных, выраженный в осмысленной совокупности слов. Знания – отражение окружающего мира в сознании в результате интерпретации и обработки информации. В XXI в. множество профессий связано с интенсивной многофункциональной переработкой различных видов информации, постепенно большинство людей испытывает стресс — человечество захлебывается в информационном море. Компьютер и различные мобильные гаджеты могли бы стать помощником, но чаще становятся дополнительным источником лишней и бесполезной информации. При запоминании большого количества информации нам необходимо ее структурировать. Правильнее сказать, что мы структурируем знания. Зачем структурировать бесполезную информацию? Седякин В.П. Информация и знания // Научные ведомости БелГУ. Серия: Философия. Социология. Право. 2009. №8 (63). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/informatsiya-iznaniya (дата обращения: 05.09.2019). 1 2 Структурирование знаний заключается в:  делении информации на группы по определенному критерию (классификация),  умении строить логические связи между выделенными группами информации, чтобы структура надёжно хранилась в нашей памяти. При структурировании знаний полезным инструментом являются различные графические диаграммы (деревья, графы, сети и пр.). Визуализация всегда считалась мощным инструментами познания, т.е. средством, предназначенным для организации и облегчения процесса познания. Любые графические модели от географической карты до модели бизнес-процесса являются инструментами познания, если они помогают сформулировать и объяснить природу и структуру явлений. Некоторые науки принципиально основываются на визуальных представлениях (геометрия, география, частично физика и химия). Активно используются графические представления в современных науках об информации. В гуманитарных науках они используются пока достаточно редко. Исключением является менеджмент, где последние десятилетия активно внедряются языки моделирования бизнес-процессов, табличные представления и различные диаграммы. В менеджменте как междисциплинарной науке разные виды визуализации позволяют рассмотреть предметную область с различных сторон и точек зрения. Визуализация знаний играет важную роль при получении и передаче знаний. Методы визуализации полезны преподавателям для наглядного и компактного изложения материала. Как отмечает ряд профессионалов в области дистанционного образования, визуализация играет значительную роль для улучшения усвоения материала. Визуализация материала не только упрощает его восприятие, но и повышает вовлеченность учеников в процесс обучения, что достаточно сложно достигнуть при отсутствии прямого контакта с преподавателем. 2. Классификация методов визуализации Одна из классификаций методов визуализации, основанная на неформальном описании типов знаний, предложена и развита в работах Гавриловой Т.А. и Кудрявцева Д.В (см. п. 4). Эта классификация устанавливает взаимосвязь между типом знаний, которые нужно представить, и видом модели. При анализе любой сложной предметной области требуется взгляд с разных точек зрения — необходимо представить ЧТО-, КАК-, ЗАЧЕМ-, ПОЧЕМУ-, КТО-, ГДЕ- и КОГДА-знания. Эта классификация помогает делать обоснованный выбор определенного метода для наиболее адекватного представления знаний. Данная задача актуальна как для преподавателей и широкого круга профессионалов из различных областей как естественных, так и для гуманитарных наук. Также она полезна для широкого круга специалистов бизнес-информатики и ИКТ. 3 Для визуализации знаний необходимо установить их тип. Описание типов знаний представлено на рисунке 1. Рисунок 1 Рисунок 2 уточняет, какие понятия и типы связей между ними относятся к тому или иному типу знаний, а также присутствуют в соответствующих визуальных языках моделирования. Рисунок 2 4 С помощью рисунка 3 определяется метод визуализации. Рассмотрим сценарий: специалист ищет визуальный язык моделирования, обладая неформализованным пониманием своих потребностей и желая доходчиво и наглядно отобразить свои знания. В таком случае можно предложить практический рецепт использования данного подхода. А) Из рисунка 1 выбрать, какой вопрос наиболее точно отражает потребность и определить тип знаний, к которому относится данный вопрос. Уточнить выбор типа знаний можно с помощью рисунка 2, оценив какие взаимосвязи и между какими понятиями хочется отразить. Б) Определить какие визуальные языки можно использовать для представления требуемого типа знаний по рисунку 3. Рисунок 3 3. Типы знаний и виды диаграмм 3.1. ЧТО-знания Практически во всех задачах ЧТО-знания являются определяющими и первоочередными. Особенно это важно в преподавании. Классический способ преподавания предполагает, что сначала дается определение изучаемого понятия, затем изучаются его свойства и лишь затем — взаимодействие с другими объектами или понятиями. Именно поэтому для визуализации ЧТО-знаний придумано множество языков. Рассмотрим основные из них. Интеллект-карты (mindmaps) — один из наиболее привлекательных и простых способов отображения понятийных структур. Хотя автором идеи интеллект-карт считается Тони Бьюзен, в России похожий метод успешно использовался в педагогике уже в 20-е годы [Глаголева, 1926] (рис. 4). 5 Рисунок 4 Интеллект-карты — это иерархические диаграммы, используемые для представления идей, проектов, заданий, которые связаны с центральным ключевым понятием и организованы радиально вокруг него. Идея интеллект-карт заключается в использовании и совмещении функции левого и правого полушарий для достижения целостного и наглядного представления рассматриваемого понятия. Фактически, это переход от последовательного (текстового) изложения к сетевому (образному). Интеллект-карта — графическое выражение процесса радиантного мышления. Интеллект-карты имеют 4 отличительные черты [Бьюзен, 2002]:  объект внимания/изучения кристаллизован в центральном образе;  основные темы, связанные с объектом изучения, расходятся от центрального образа в виде ветвей, которые поясняются ключевыми словами или образами;  вторичные идеи также ветвятся;  ветви формируют связанную узловую структуру. Бьюзен сформулировал идею еще в 1970-е гг. в качестве компактного средства организации конспектов, позднее он понял, что метод гораздо шире и может использоваться как мощное орудие мышления применительно к научной работе, инновациям, бизнес-идеям, политическим дискуссиям, мозговому штурму, педагогике и пр. Интеллект-карты применяются, с одной стороны, с целью генерирования, визуализации, структурирования и классификации идей, с другой стороны, с целью облегчения (ускорения) процесса обучения, а также при составлении и написании различных документов. Их можно использовать как для объяснения, так и для проверки усвоенного материала. В этом случае структура интеллект-карты служит критерием понимания изучаемого предмета. Среди интеллект-карт, созданных студентами, встречаются диаграммы, демонстрирующие частичное (или полное) непонимание дисциплины, что является хорошей обратной связью для преподавателя. 6 Благодаря упрощенному и ясному изображению идей в графическом (радиальном и нелинейном) виде интеллект-карты иногда используют для активизации «мозгового штурма» при решении организационных задач и осуществлении планирования. В образовательном процессе данная модель применения интеллект-карт может быть полезна, например, при выполнении обучающимися групповых проектов, анализе кейсов и т.д. Создание интеллект-карты начинается с объекта изучения, который располагается в центральном узле. Затем основные темы, связанные с объектом изучения, расходятся от центрального образа в виде ветвей, при этом иерархически детализируются, формируя связную смысловую структуру. Важными элементами интеллект-карт являются графические образы, цвет и различная величина шрифтов на разных уровнях иерархии, — все это позволяет четче и яснее отразить структуру карты, ускорить и упростить чтение интеллект-карты. На рисунке 5 представлен пример интеллект-карты для понятия «Окно» (предположим, это продукция компании), описывающий виды окон, их конструктивные элементы, предназначение и характеристики. Рисунок 5 Поскольку интеллект-карты позволяют представлять древовидные структуры произвольного содержания, они также могут использоваться не только для работы с ЧТО-знанием, но и для представления знаний других типов. Интеллект-карты можно создавать на бумаге при помощи ручки или карандаша, но этот способ не всегда удобен, да и современный мир компьютерных технологий предлагает нам огромный выбор программ, где за считанные минуты при помощи мыши и клавиатуры можно создать настоящие шедевры, затратив минимум сил и средств. 7 За последние 5 лет на рынке программного обеспечения появились десятки средств для быстрого и красивого мгновенного формирования интеллект-карт (майнд мэппинга): платного и бесплатного, с установкой на компьютер и онлайн. С обзором 18 инструментов для создания интеллект-карт Герасимович Т. вы можете познакомиться на сайте https://texterra.ru/blog/obzor-15besplatnykh-programm-dlya-sozdaniya-intellekt-kart.html. Там же можно скачать сравнительную таблицу сервисов по их созданию. Пример и-карты, сформированной сотрудником одной из компаний (на тренинге в Москве) при помощи инструмента Mind Manager, представлен на рисунке 6. Рисунок 6 Хорошую интеллект-карту нарисовать может только эксперт, у новичков обычно получаются весьма запутанные и невнятные карты. Можно сформулировать правило «хорошей интеллект-карты». Понятия, лежащие на одном уровне иерархии, должны быть однородны. Однородность означает принадлежность одному уровню абстракции (так однородны «одежда–обувь» и неоднородны «мебель–стул») или детализации понятий. Так, например, все признаки или атрибуты понятия, или все его компоненты, или ассоциации. Так, на рисунке 7 понятия нижнего уровня неоднородны. Рисунок 7 8 Концептуальные карты Если интеллект-карты показывают связи и древовидную структуру произвольных фрагментов знаний, то концептуальные карты (concept maps) позволяют глубже рассмотреть предметную область и включают отношения между понятиями или концептами. Такие концептуальные карты состоят из узлов и направленных поименованных отношений, или связей, соединяющих эти узлы. Связи могут быть различного типа, например, «является», «имеет свойство» и т.п. Концепты и связи имеют универсальный характер для некоторого класса понятий предметной области. Поэтому любая разработка кграфа подразумевает анализ структурных взаимодействий между отдельными понятиями предметной области. Впервые концептуальные карты были предложены Новаком в начале 70х гг. при изучении детского мышления и формирования первых научных понятий. Концептуальные карты оказались эффективным инструментом отображения понятийной системы человека. Визуальные спецификации в форме концептуальных карт широко применяются в обучающих системах (e-learning) и в традиционном обучении в классе. Их применяют для формальных обоснований в химии и для аргументации высказываний в биологии. Также было показано, что концептуальные карты полезны при описании процессов проведения научных исследований. Концептуальные карты, как и интеллект-карты также могут использоваться не только для работы с ЧТО-знанием, но и для представления знаний других типов. В простейшем случае построение концептуальной карты сводится к:  определению контекста путем задания конкретного фокусирующего вопроса (focus question), определяющего главную тему и границы к-карты;  выделению концептов — базовых понятий данной предметной области (обычно не более 15–20 понятий);  построению связей между концептами — определению соотношений и взаимодействий базовых понятий;  упорядочению графа — уточнению, удалению лишних связей, снятию противоречий. «Хороший» граф обычно получается после 2–3 итераций. Типичные ошибки:  целые предложения вместо отдельных концептов в узле;  линейные карты;  слишком много пересекающихся связей;  слишком много концептов;  неверно определенные типы отношений. Для построения концептуальных карт можно воспользоваться свободно распространяемым инструментарием IHMC CmapTools (его можно скачать с сайта http://cmap.ihmc.us/). Система CmapTools обладает интуитивно понятным интерфейсом (редактором) и позволяет пользователю легко строить кон- 9 цептуальные карты, вводя понятия-концепты и связывая их именованными отношениями. Редактор системы позволяет варьировать шрифты, цвета, толщину линий, устанавливать нужный фон. Интересной особенностью системы является возможность связывать (ассоциировать) с любым понятием некий ресурс (текст, картинку, видео или аудиофайл, страницу в сети Интернет). Создаваемые с помощью инструментария IHMC CmapTools карты можно размещать как в закрытом пространстве, на жестком диске компьютера пользователя, так и в открытом пространстве, на удаленных серверах для совместного использования сообществом Cmap. Программа может экспортировать концептуальные карты в графические образы, в формат XML, как webстраницу и др. Концептуальная карта представляется в виде графа, узлы которого отображают понятия (объекты или концепты), а направленные поименованные дуги, соединяющие эти узлы, — отношения (связи). Могут использоваться связи различного типа, например, «является», «имеет свойство» и т. п. Некоторые концепты и связи имеют универсальный характер для различных классов понятий и предметных областей. На рисунке 8 представлена концептуальная карта данного понятия. Рисунок 8 10 Диаграммы Венна Диаграммы Венна в узком смысле — это геометрические представления множеств. Но в более широком смысле их можно рассматривать как метод визуализации и способ графической иллюстрации, широко используемых в различных областях науки. Данный тип визуализации позволяет показать все возможные теоретико-множественные или логические отношения между множествами, событиями или понятиями. Названы они по имени Джона Венна, который ввел их в 1881 г. в своей работе «Символьная логика». Пример диаграммы Венна показан на рисунке 9. Рисунок 9 3.2. ПОЧЕМУ-знания Анализ причин, которые привели к текущей ситуации, относятся к ПОЧЕМУ-знаниям. Диаграммы Ишикавы Самый распространенный способ их визуализации — причинно-следственные диаграммы Ишикавы (или «скелет рыбы»). В области контроля качества диаграмма Ишикавы — это диаграмма, которая показывает отношение между показателем качества и воздействующими на него факторами. В частности, рисунок 10 заимствован из стандарта по качеству Северной железной дороги — филиала ОАО «РЖД» «Методика восьми шагов решения проблем качества технических средств железнодорожного транспорта». Кроме того, данный тип диаграммы может служить для визуального описания истории компании (продукта, технологии и т. п.), разбивая ее ход на определенные этапы и отмечая некоторые ключевые события (см. п. 3.6 КОГДА-знания). В процессе обучения данная модель может эффективно использоваться как раз для анализа редких событий, таких как экономические и финансовые кризисы, внедрение прорывных инноваций (конкретных) и т. п. 11 Рисунок 10 На рисунке 11 отображена диаграмма, построенная социальными педагогами воспитательной колонии для несовершеннолетних. В “скелете” рыбы “позвоночником” является развитие духовно-нравственного мира детей, крупными “костями” – факторы развития, в числе которых духовно-нравственные практики, самовоспитание, проектная и исследовательская деятельность детей, мелкие “кости” иллюстрируют механизмы реализации факторов (книги, фильмы, проекты и др.). При построении диаграмм обучающиеся использовали сетевой сервис classtools.net: http://classtools.net/education-gamesphp/fishbone/. Рисунок 11 12 Еще одним способом объяснения «зачем» является карта аргументов, заимствованная из неформальной логики. Пример простейшей карты аргументов приведен на рисунке 12. Рисунок 12 Рассмотрим языки, позволяющие визуализировать ответы на вопросы «Как достичь цели?» или «Как решить проблему/задачу?» Блок-схемы Самым простым способом является графическое описание алгоритма решения задачи в виде блок-схемы, которое используется при обучении программированию. Это же представление можно использовать для визуализации процессов или любой последовательности действий и их взаимосвязи. Пример блок-схемы показан на рисунке 13. Рисунок 13 13 3.3. КАК-знания Иногда при моделировании процесса бывает полезно разбить состояния деятельности на группы, каждая из которых представляет собой роль, элемент организации, определенный ресурс или местоположение. Визуально каждая группа отделяется от соседних чертой (см. рис. 14), это похоже на плавательные дорожки в бассейне, поэтому такие диаграммы называют swim lanes (плавательные дорожки). Рисунок 14 Swim lane является визуальным элементом, используемых в процессе технологических схем, которые описывают, что или кто работает на определенной части процесса. «Плавательные дорожки» расположены либо по горизонтали, либо по вертикали и используются для группировки процессов или задач в соответствии с обязанностями этих ресурсов, ролей или отделов. Дерево целей — это структурированная, построенная по иерархическому принципу совокупность целей (например, экономической системы, программы, плана), в которой выделены генеральная цель («вершина дерева»); подчиненные ей подцели первого, второго и последующего уровней («ветви дерева»), которые позволяют достигнуть основной цели. Концепция «дерева целей» впервые была предложена Ч. Чёрчменом и Р. Акоффом в 1957 г. Важность подцелей по отношению к друг другу показывают коэффициенты значимости, которые отражают их вклад в достижение конечной цели. Пример дерева целей показан на рисунке 15. Рисунок 15 14 Дерево решений рассматривает не один-единственный способ решения некоторой задачи, а помогает осуществить выбор из совокупности альтернативных способов. Сложная задача принятия решения разбивается на несколько подзадач, чтобы получить возможность решать их по очереди. В «корне» дерева решений размещается задача, которую необходимо решить. На следующих уровнях иерархии помещаются взаимоисключающие альтернативы, среди которых происходит выбор пути решения. На последнем уровне — результат, к которому приведет выбор той или иной альтернативы, а также положительные и отрицательные стороны этого результата. Таким образом, можно сформировать понимание, как решить конкретную задачу. Пример дерева решений представлен на рисунке 16. Помимо рассмотренных выше диаграмм КАК-знания часто удобно представлять в виде обычных таблиц. 3.4. ЗАЧЕМ-знания В результате стратегического анализа получаются ЗАЧЕМ-знания о предметной области. Для визуализации ЗАЧЕМ-знаний могут применяться методы, предложенные ранее для визуализации КАК-знаний. В частности, дерево целей (рис. 15), при рассмотрении его снизу вверх (от целей низших уровней, к основной цели) будет давать ответ не столько на вопрос, как достичь основной целей, сколько показывать зачем необходимо достигать «подчиненных» целей. В образовательном процессе данная модель может быть особенно полезна для описания курса, давая более четкое осознание необходимости той или иной части материала для освоения всего курса. Это полезно, как для учеников, так и для преподавателей. Рисунок 16 15 Дерево решений (рис. 16) также может помочь ответить на вопрос «зачем». 3.5. КТО-знания Знания о том, кто за что отвечает, традиционно отображают в виде организационной диаграммы, представляющей собой иерархию структурных единиц внутри компании и даже за ее пределами (у клиентов, партнеров, поставщиков). Это также инструмент, предоставляющий возможность обнаружения необходимых ресурсов и услуг, например, информационных, и доступа к ним. На рисунке 17 можно видеть участников взаимодействия в некоторой организации. Такие сети отражают сетевой характер современного бизнеса и наглядно представляют сложность коммуникаций в организации. Рисунок 17 16 Для составления несложных организационных диаграмм можно использовать пакет программ Microsoft Office. Например, встроенный в Word, PowerPoint инструмент SmartArt. Microsoft Visio позволяет создавать схемы, наполненные динамикой. При желании можно разработать сложную многоуровневую и многосвязную структуру, демонстрирующую процесс или объект во всех их проявлениях. 3.6. КОГДА-знания Традиционно информация о времени проведения мероприятий узнается из различного рода календарей и расписаний. Но они не дают возможности показать взаимосвязь большого количества событий. Для этого служат сетевые графики. Сетевые графики Сетевой график — это граф, который служит для отображения последовательности работ, их связей (одни работы не могут начаться до завершения других) и длительностей. Работы могут обозначаться как дугами (тогда вершины графа — этот состояния проекта), так и узлами (тогда дуги — это связи между работами). Но сетевой график не привязан к календарю и длительности работ никак не влияют на длины дуг. То есть сетевой график дает ответ на вопрос, в каком порядке должны осуществляться действия, но не очерчивает временных рамок их реализации. Решить обе вышеназванные задачи можно с помощью диаграммы Ганта, объединившей в себе календарь и сетевой график. По сути диаграмма Ганта — это наложенный на календарь сетевой график. Задачи в диаграмме Ганта показывают прямоугольниками, причем длина этого прямоугольника соответствует длительности задачи. Стрелками обозначаются связи между задачами. Связи могут быть различных типов. Пример учебной диаграммы Ганта показан на рисунке 18. В образовательном процессе с диаграммы Ганта вы встретитесь при изучении курса «Управление проектами». Рисунок 18 17 Ранее было сказано, что диаграмму Ишикавы можно использовать для визуализации КОГДА-знаний. На рисунке 19 отражена история компании Polaroid. Данный вариант использования позволяет комбинировать ПОЧЕМУзнания и КОГДА-знания. Такой подход особенно полезен при изучении истории организаций, стран, развития отдельных событий и т.д. Рисунок 19 3.7. ГДЕ-знания Первые карты появились задолго до возникновения письменности. Поэтому неудивительно, что способы визуализации информации о местоположении объектов столь широко распространены и развиты. Карты местности, планы расположения магазинов в торговом центре, примеры расстановка мебели в офисе — вот краткий перечень приложений этих способов. Визуализация ГДЕ-знаний также активно используется в гуманитарных науках: исторические карты, карты из экономической географии. Особенно актуален этот тип знаний также в современных ГИС (геоинформационных системах). Итак, показанная классификация языков визуального моделирования позволяет выбрать тип диаграммы в зависимости от типа знаний, которые необходимо представить. Также важен выбор программного инструмента для формирования визуальной модели. Сейчас имеется огромный выбор программ — от классического Visio до коммерческих ARIS и SmartDraw. 18 4. Литература Гаврилова, Т.А. Инженерия знаний. Модели и методы: учебник / Т.А. Гаврилова, Д.В. Кудрявцев, Д.И. Муромцев. 2-е изд., стер. Санкт-Петербург: Лань, 2018. 324 с. ISBN 978-5-8114-2128-2. Текст: электронный // Электроннобиблиотечная система «Лань»: [сайт]. URL: https://e.lanbook.com/book/107925. Режим доступа: для авториз. пользователей. Загорулько, Ю.А. Искусственный интеллект. Инженерия знаний: учебное пособие для вузов / Ю. А. Загорулько, Г. Б. Загорулько. Москва: Издательство Юрайт, 2019. 93 с. (Университеты России). ISBN 978-5-534-07198-6. Текст: электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. с. 55 URL: https://biblioonline.ru/bcode/442134/p.55. 5. Контрольные вопросы 1. В чем заключаются основные отличия данных, информации, знаний? 2. Какие можно выделить типы знаний? 3. Какие виды диаграмм вы использовали при обучении в школе? Для каких целей вы их использовали? 4. Что такое интеллект-карта? Назовите ее отличительные особенности. 5. Что такое концептуальная карта? Кратко опишите основные этапы построения концептуальной карты. 6. Что такое диаграмма Ишикавы? Какие типы связей задаются на диаграмме Ишикавы? 7. Для каких целей используются сетевые графики? 8. Какие инструменты для построения различных диаграмм вы знаете?