среда, 23 июня 2010 г.

Анализ естественного языка при разработке интерфейсов автоматизированных систем – Часть 1

Основные характеристики и составляющие части ЕЯ-интерфейсов

В современном информационном мире проблемы доступа пользователей к различным компьютерным источникам информации встают чрезвычайно остро. С возникновения первых компьютеров задача хранения данных была и остается одной из главных. И одновременно с появлением первых хранилищ данных появились системы, которые облегчали доступ к данным.
Под пользовательским интерфейсом к структурированным источникам данных в данной работе понимается система средств, облегчающих поиск, получение, просмотр и обработку информации из внешней системы - структурированного источника данных (СИД). Естественно-языковой интерфейс (ЕЯИ) - разновидность пользовательского интерфейса, который принимает запросы на естественном языке, а также, возможно, использует ЕЯ и для вывода информации (реакции системы на запрос пользователя).

Сравнительный анализ ЕЯ-интерфейсов и традиционных интерфейсов к СИД

В противоположность ЕЯ-интерфейсам, нетрадиционным с точки зрения распространенности, существуют другие виды пользовательских интерфейсов к СИД, которые можно назвать традиционными. Среди них:
· Интерфейсы с формальным языком запросов
· Интерфейсы с графическим построением запросов
· Интерфейсы, основанные на заполнении форм запросов
Предполагается, что рассматриваемые здесь виды интерфейсов по своему предназначению ограничены только получением информации из базы данных, это предположение сделано в силу ограничения на ЕЯ-интерфейсы областью запросов, поскольку область занесения данных и их модификации с помощью естественно-языковых оболочек является отдельной большой темой для рассмотрения.
В интерфейсах с формальным языком запросов пользователь, для того, чтобы правильно задать запрос, должен, во-первых, знать синтаксис языка запросов (например, SQL), а во-вторых, представлять устройство конкретного структурированного источника данных (например, реляционную схему базы данных). При работе с этим типом интерфейсов пользователь должен обладать достаточно высокой квалификацией. Опыт показывает, что такой необходимой квалификацией обладают лишь специалисты, проектирующие и создающие информационные системы, и сам термин "пользователь" с учетом современных тенденций здесь не совсем адекватен. Очевидно, ЕЯ-интерфейсы обладают большей гибкостью - один и тот же запрос обычно можно формулировать различными способами. Что немаловажно, ЕЯ-интерфейсы, как правило, обладают системой понятий - описанием предметной области, которая находится выше логического уровня хранения данных. Это позволяет абстрагироваться от деталей устройства той или иной базы данных как на уровне структуры, так и на уровне содержимого.
Средства графического построения запросов, которыми снабжаются многие "настольные" СУБД (например, MS Access, MS FoxPro), безусловно, обладают большим удобством - по крайней мере пользователь не должен держать в голове названия таблиц, полей и конструкции языка. Однако для работы с такими средствами необходим опыт и представление некоторых понятий, относящихся скорее к математике (например, термин связывания таблиц в реляционной алгебре), а не к предметной области, и иногда достаточно утомительные действия по заполнению форм. Так, в базе данных Microsoft Access для того, чтобы сформулировать выражение AVG(PERSONNEL.SALARY), эквивалентный ЕЯ-фразе "средняя зарплата", требуется около 15 нажатий мышью. Неподготовленный пользователь обычно пасует перед системами, требующими сложных действий. Как и в случае интерфейсов с формальным языком, пользователь должен представлять устройство базы данных. По сути, эти средства позволяют графически создавать формальные запросы, и не случайно они обычно позволяют редактировать пользователя полученный формальный запрос.
Интерфейсы, основанные на заполнении форм запросов, являются более дружественными, по сравнению с формальными языками. Сама метафора формы и ее заполнения подразумевает, что пользователь сразу видит набор критериев и параметров поиска, а иногда и список возможных значений полей формы, это сводит к минимуму ошибки при вводе запроса. От предыдущего метода построения пользовательских интерфейсов данный отличается тем, что как правило, все необходимые запросы уже написаны разработчиком интерфейса, и пользователь, чтобы получить ответ, должен просто вставить недостающие значения. Отличие заключается также в том, что задавая значения формы, пользователь обычно не выбирает, какие атрибуты данного класса объектов будут в результате, а сам список доступных классов (в реляционной базе - таблиц) ограничен множеством построенных форм. Так работают многие современные коммерческие приложения, работающие с базами данных - пользователю информация в системе доступна в виде нескольких типовых "срезов" информационного пространства. К недостатку систем, основанных на таком подходе, как и в предыдущем, также следует отнести необходимость наличия у пользователя опыта работы с подобными системами, а также необходимость создания форм, что требует дополнительных усилий программиста для создания интерфейса.
Преимущества ЕЯ-интерфейсов
Преимущества ЕЯ-интерфейсов достаточно очевидны:
· Минимальная предварительная подготовка пользователя. Естественный язык является наиболее привычным и удобным средством коммуникации, и именно в силу этого с ростом эффективности ЕЯ-систем, он, безусловно, будет вытеснять другие виды интерфейсов к СИД, традиционные в данный момент.
· Простота задания запросов на ЕЯ. Во многих случаях запрос на ЕЯ получается гораздо короче языка на формальном языке, поскольку ЕЯ-представление более емко, ведь в самой структуре языка содержится понятийная база, которую отражает структура источника данных. Зачастую сложность этой структуры отражается на сложности запроса на формальном языке.
· Большая скорость создания произвольного запроса (отсутствует стадия формального задания запроса). Как правило, пользователь сразу может сформулировать корректное ЕЯ-представление запроса, поскольку такое представление является самым естественным для человека, тогда как построение запроса на формальном языке, даже с помощью вспомогательных средств, таит множество ошибок, зачастую исправить которые можно, только проанализировав результат запроса.
· Более высокий уровень модели предметной области. Традиционные интерфейсы обычно не обладают моделью предметной области как таковой, и в лучшем случае скрывают от пользователя искусственные средства и особенности структуры, присущие конкретному типу СИД (такие, как связи по идентификаторам между таблицами в реляционных базах данных или синтаксис XML).
Более подробно рассмотрим недостатки ЕИЯ по сравнению с другими типами интерфейсов.
Недостатки:
· Неоднозначность естественного языка приводит к множественности смыслов. Специфика естественного языка такова, что часто запрос может иметь несколько смыслов, о которых пользователь в момент задания запроса не предполагает. Формальные же языки лишены проблемы неоднозначности. Это свойство ЕЯ приводит к усложнению ЕЯ-интерфейсов и методов анализа, в противном случае ЕЯ-интерфейс получается слишком примитивным для реального использования.
· Недостаточная надежность анализаторов ЕЯ-запросов может привести к неправильному пониманию. Современные ЕЯ-интерфейсы далеко не всегда позволяют диагностировать причины неудач понимания. Причины этих неудач могут быть как в лингвистической сфере, так и в концептуальной. Например, запрос к кадровой базе данных "Кто получает больше Иванова" может привести к непониманию, если ЕЯ-интерфейс не умеет распознавать вложенные запросы (а в данном случае надо сначала получить значение зарплаты Иванова, а затем сравнить с ней зарплату сотрудников). Это случай лингвистической проблемы. Второй пример - "Как зовут жен сотрудников?" может привести к неудаче понимания, если ЕЯ-интерфейс не поймет, что имя супруга/супруги - это реальный атрибут сотрудника, но отсутствующий в данной базе данных. В данном случае налицо будет концептуальная проблема - ЕЯ-интерфейс должен уметь отличать реальную предметную область, которую имеет в виду пользователь, задавая ЕЯ-запрос, от той ее части или трансформации, которая представлена в данном источнике данных.
· Пользователь может иметь завышенные или заниженные ожидания от ЕЯ-интерфейса. Сравнительный анализ типов пользовательских интерфейсов (основанных на формах, с формальным языком запросов, графические) показывает, что в целях построения ЕЯ-интерфейсов превалирует желание максимально приблизить интерфейс к потребностям неподготовленного пользователя. Это несколько поднимает планку требований к дружественности и надежности ЕЯ-интерфейсов, поскольку пользователь, впервые столкнувшись с системой, понимающей естественный язык, слабо представляет, насколько интеллектуальна система. При этом ожидания к степени понимания ЕЯ может отличаться от реальных способностей системы в обе стороны - т.е. пользователь может спрашивать систему о том, чего она "не знает", а может "по привычке" использовать простейшие шаблонные формулировки запросов. В других же типах интерфейсов к СИД рамки того, что пользователь может делать с помощью интерфейса, видны, как правило, сразу.
Поскольку характеристики ЕЯ-интерфейсов и систем для их построения могут существенно различаться, то преимущества и недостатки ЕЯ-интерфейсов по сравнению с другими типами интерфейсов к СИД можно выделить довольно схематично, только на качественном уровне. Для сравнения подходов к построению ЕЯ-интерфейсов введем метрику показателей, характеризующих качество ЕЯ-интерфейсов к структурированным источникам данных.

Критерии качества ЕЯ-интерфейсов

Для сравнительного анализа подходов к созданию ЕЯ-интерфейсов рассмотрим такую качественную интегральную характеристику, как надежность. Под надежностью здесь понимается способность ЕЯ-интерфейса правильно понимать намерения пользователя по получению информации из источника, при условии, что пользователь корректно выразил потребности в виде ЕЯ-запроса. Надежность отражает правильность принципов, лежащих в методе ЕЯ-анализа, а также правильность (корректность) построения ЕЯ-интерфейса к конкретному СИД.
Любой ЕЯ-интерфейс имеет некоторое пространство правильно понимаемых запросов. Чем больше это пространство, тем большей полнотой обладает ЕЯ-интерфейс. Полнота - характеристика, тесно связанная с гибкостью интерфейса. Поскольку пространство ЕЯ-запросов весьма неоднородно, следует говорить о различных типах запросов, т.е. групп запросов, имеющих сходное строение. Гибкость - показатель того, насколько разнообразные типы запросов может понимать ЕЯ-интерфейс. Речь в основном идет о так называемых "трудных" типах запросов, в числе которых - вложенные, эллипсис, анафорические.
Другой важной характеристикой является дружественность интерфейса, которую можно определить как меру того, насколько ЕЯ-интерфейс удобен в работе, насколько корректно он может сообщать о проблемах понимания, может ли он помогать в переформулировке неберущихся запросов и т.д.
Все эти критерии можно объединить в схему, отражающую составляющие качества ЕЯИ (Рис. 1).
clip_image002
Рис. 1. Иерархия качественных характеристик ЕЯ-интерфейса

Критерии стоимости построения и сопровождения ЕЯ-интерфейса

Вышеперечисленные характеристики входят в оценки качества ЕЯ-интерфейса. Важным критерием при сравнении ЕЯ-интерфейсов является также трудоемкость его создания, то есть необходимое количество усилий (времени), требуемых для его построения. Ранние ЕЯ-интерфейсы создавались для каждой базы данных отдельно, и, разумеется, их стоимость была очень большой. Все эти системы были экспериментальными. Усугубляло проблему также то, что до конца 70-х годов не было единого универсального формального языка запросов к базам данных. Ранние системы понимания ЕЯ-запросов к СУБД были непортируемыми на другие базы данных, и зачастую лингвистическое ядро не отделялось от предметно-ориентированных настроек.
Современные промышленные системы построения ЕЯ-интерфейсов обладают достаточно высокой степенью портируемости, что, безусловно, снижает стоимость построения ЕЯ-интерфейса. Лингвистическое ядро является универсальным элементом, словарь содержит универсальную лексику, используемую во многих ЕЯ-интерфейсах, модели предметной области могут содержать шаблоны, общие для нескольких предметных областей и т.д. Зачастую используется метафора "фабрики и изделия", изделием выступает ЕЯ-интерфейс, который собирается из готовых компонентов, которые настраиваются под конкретную базу данных.
Следует отметить, однако, что вопрос портирования на другие языки является открытым. Подавляющее большинство исследований проведено для английского языка, некоторые особенности которого изначально заложили в пути исследований мину замедленного действия - первоначально огромное количество усилий были потрачены на анализ синтаксиса. Сейчас можно сказать, что эти усилия не оправдали себя.
На трудоемкость создания ЕЯИ влияет также необходимая квалификация настройщика ЕЯ-интерфейса. Для систем, требующих навыков лингвиста, трудоемкость построения ЕЯИ больше, чем для систем, где для построения интерфейса требуется просто описать предметную область по некоторым предопределенным шаблонам и отобразить ее на схему базы данных, и дело здесь не только в стоимости труда лингвиста и инженера знаний или специалиста в области баз данных. Системы, требующие подстроек на уровне лингвистического ядра, являются более гибкими, поскольку позволяют разрешать проблемы понимания ЕЯ-запросов написанием соответствующих "заплаток", однако работы по написанию таких "заплаток" являются настолько сложными, требуют такого уровня понимания принципов машинного анализа ЕЯ в целом, что настройка ЕЯИ на уровне лингвистического процессора зачастую возможна только авторами системы построения ЕЯИ. Впрочем, сложность подстройки ядра очень сильно зависит от принципов анализа, используемого при написании инструментария, открытости ядра и т.д.

Комментариев нет:

Отправить комментарий