Ontology理論研究和應(yīng)用建模

1、Ontology理論研究和應(yīng)用建模Ontology研究綜述、w3c Ontology研究組文檔以及Jena編程應(yīng)用總結(jié)1 關(guān)于Ontology1.1 Ontology的定義Ontology最早是一個(gè)哲學(xué)的范疇，后來(lái)隨著人工智能的發(fā)展，被人工智能界給予了新的定義。然后最初人們對(duì)Ontology的理解并不完善，這些定義也出在不斷的發(fā)展變化中，比較有代表性的定義列表如下：范疇提出時(shí)間/提出人定義哲學(xué)客觀存在的一個(gè)系統(tǒng)的解釋和說(shuō)明，客觀現(xiàn)實(shí)的一個(gè)抽象本質(zhì)計(jì)算機(jī)1991/Neches等給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語(yǔ)和關(guān)系，以及利用這些術(shù)語(yǔ)和關(guān)系構(gòu)成的規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則的定義1993/Gruber概念

2、模型的明確的規(guī)范說(shuō)明1997/Borst共享概念模型的形式化規(guī)范說(shuō)明1998/Studer共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說(shuō)明關(guān)于最后一個(gè)定義的說(shuō)明體現(xiàn)了Ontology的四層含義：l 概念模型（cerptualization）通過(guò)抽象出客觀世界中一些現(xiàn)象（Phenomenon）的相關(guān)概念而得到的模型，其表示的含義獨(dú)立于具體的環(huán)境狀態(tài)l 明確（explicit）所使用的概念及使用這些概念的約束都有明確的定義l 形式化（formal）Ontology是計(jì)算機(jī)可讀的。l 共享（share）Ontology中體現(xiàn)的是共同認(rèn)可的知識(shí)，反映的是相關(guān)領(lǐng)域中公認(rèn)的概念集，它所針對(duì)的是團(tuán)體而不是個(gè)體。Ontol

3、ogy的目標(biāo)是捕獲相關(guān)的領(lǐng)域的知識(shí)，提供對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯（術(shù)語(yǔ)）和詞匯之間相互關(guān)系的明確定義。1.2 Ontology的建模元語(yǔ)Perez等人用分類法組織了Ontology，歸納出5個(gè)基本的建模元語(yǔ)（Modeling Primitives）：l 類（classes）或概念（concepts）指任何事務(wù)，如工作描述、功能、行為、策略和推理過(guò)程。從語(yǔ)義上講，它表示的是對(duì)象的集合，其定義一般采用框架（frame）結(jié)構(gòu)，包括概念的名稱，與其他概念之間的關(guān)系的集合，以及用自然語(yǔ)言對(duì)概念的描述。l 關(guān)系（relations）在領(lǐng)域中

4、概念之間的交互作用，形式上定義為n維笛卡兒積的子集：R:C1×C2××Cn。如子類關(guān)系（subclass-of）。在語(yǔ)義上關(guān)系對(duì)應(yīng)于對(duì)象元組的集合。l 函數(shù)（functions）一類特殊的關(guān)系。該關(guān)系的前n1個(gè)元素可以唯一決定第n個(gè)元素。形式化的定義為F:C1×C2××Cn-1Cn。如Mother-of就是一個(gè)函數(shù)，mother-of(x,y)表示y是x的母親。l 公理（axioms）代表永真斷言，如概念乙屬于概念甲的范圍。l 實(shí)例（instances）代表元素。從語(yǔ)義上講實(shí)例表示的就是對(duì)象。另外，從語(yǔ)義上講，基本的關(guān)系共有4種：關(guān)系

5、名關(guān)系描述part-of表達(dá)概念之間部分與整體的關(guān)系。kind-of表達(dá)概念之間的繼承關(guān)系，類似于面向?qū)ο笾械母割惻c子類之間的關(guān)系。instance-of表達(dá)概念的實(shí)例與概念之間的關(guān)系，類似于面向?qū)ο笾械膶?duì)象和類之間的關(guān)系。attribute-of表達(dá)某個(gè)概念是另一個(gè)概念的屬性。如“價(jià)格”是桌子的一個(gè)屬性。在實(shí)際建模過(guò)程中，概念之間的關(guān)系不限于上面列出的4種基本關(guān)系，可以根據(jù)領(lǐng)域的具體情況定義相應(yīng)的關(guān)系。1.3 Ontology和語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)Ontology和語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系和區(qū)別列表如下：聯(lián)系它們都是知識(shí)表示的形式，均可以通過(guò)帶標(biāo)記的有向圖來(lái)表示，適合于邏輯推理。區(qū)別比較方面Ontology語(yǔ)義網(wǎng)

6、絡(luò)描述的對(duì)象和范圍是對(duì)共享概念模型的規(guī)范說(shuō)明，即其概念在某個(gè)特定領(lǐng)域是公認(rèn)的，是面向特定領(lǐng)域的概念模型。從數(shù)學(xué)上講是一種帶有標(biāo)記的有向圖，最初用于表示命題信息，現(xiàn)廣泛用于專家系統(tǒng)表示知識(shí)。其節(jié)點(diǎn)表示物理實(shí)體、概念或狀態(tài)，邊用于表示關(guān)系，但是對(duì)節(jié)點(diǎn)和邊都沒有特殊規(guī)定，所以描述的范圍比Ontology廣?！纠印浚赫Z(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中可以表達(dá)“我的汽車是紅色的”，而Ontology則適合表達(dá)如“團(tuán)體組織的內(nèi)部構(gòu)成”等整體內(nèi)容。表示的深度上有5個(gè)要素“元語(yǔ)，類，關(guān)系，函數(shù)，公理和實(shí)例”，它通過(guò)這5個(gè)要素來(lái)嚴(yán)格、正確地刻畫所描述的對(duì)象。深度上不如Ontology，對(duì)建模沒有特殊要求。建模條件建立必須有專家的參與

7、，相對(duì)更加嚴(yán)格和困難，這也是Ontology目前的主要缺點(diǎn)之一。不必有專家的參與。1.4 Ontology的描述語(yǔ)言目前在具體應(yīng)用中Ontology的表示方式主要有4類：l 非形式化語(yǔ)言l 半非形式化語(yǔ)言l 半形式化語(yǔ)言l 形式化語(yǔ)言可以用自然語(yǔ)言來(lái)描述Ontology，也可以用框架、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)或邏輯語(yǔ)言來(lái)描述。目前普遍使用的方法列表如下：名稱描述特點(diǎn)Ontolingua一種基于KIF（knowledge interchange format）的提供統(tǒng)一的規(guī)范格式來(lái)構(gòu)建Ontology的語(yǔ)言。ü 為構(gòu)造和維護(hù)Ontology提供了統(tǒng)一的、計(jì)算機(jī)可讀的方式；ü 由其構(gòu)造的Ont

8、ology可以方便地轉(zhuǎn)換到各種知識(shí)表示和推理系統(tǒng)（Prolog、CORBA的IDL、CLIPS、LOOM、Epikit、Algernon和KIF），從而將Ontology的維護(hù)與使用它的目標(biāo)系統(tǒng)隔開；ü 主要用于Ontology服務(wù)器。CycLCyc系統(tǒng)的描述語(yǔ)言，一種體系龐大而非常靈活的知識(shí)描述語(yǔ)言。ü 在一階謂詞演算的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了等價(jià)推理、缺省推理等功能；ü 具備一些二階謂詞演算的能力；ü 其語(yǔ)言環(huán)境中配有功能很強(qiáng)的可進(jìn)行推理的推理機(jī)。LoomOntosaurus的描述語(yǔ)言，一種基于一階謂詞邏輯的高級(jí)編程語(yǔ)言，屬于描述邏輯體系。后來(lái)發(fā)展為PowrLo

9、om語(yǔ)言（采用前后鏈規(guī)則（backward and forward chainer）作為推理機(jī)制）。ü 提供表達(dá)能力強(qiáng)、聲明性的規(guī)范說(shuō)明語(yǔ)言；ü 提供強(qiáng)大的演繹推理能力；ü 提供多種編程風(fēng)格和知識(shí)庫(kù)服務(wù)。1.5 已有的Ontology及其分類目前廣泛使用的Ontology列表如下：名稱描述Wordnet基于心理語(yǔ)言規(guī)則的英文詞典，以synsets（在特定的上下文環(huán)境中可互換的同義詞的集合）為單位組織信息。Framenet英文詞典，采用稱為Frame Semantics的描述框架，提供很強(qiáng)的語(yǔ)義分析能力，目前發(fā)展為FramenetII。GUM面向自然語(yǔ)言處理，支持多

10、語(yǔ)種處理，包括基本概念及獨(dú)立于各種具體語(yǔ)言的概念組織方式。SENSUS面向自然語(yǔ)言處理，為機(jī)器翻譯提供概念結(jié)構(gòu)，包括7萬(wàn)多概念。Mikrokmos面向自然語(yǔ)言處理，支持多語(yǔ)種處理，采用一種語(yǔ)言中間的中間語(yǔ)言TMR表示知識(shí)。Guarino提出以詳細(xì)程度和領(lǐng)域依賴度兩個(gè)維度對(duì)Ontology進(jìn)行劃分。具體說(shuō)明如下：維度說(shuō)明分類級(jí)別詳細(xì)程度描述或刻畫建模對(duì)象的程度高的稱作參考（Reference）Ontologies低的稱作共享（share）Ontologies領(lǐng)域依賴程度頂級(jí)（top-level）Ontologies描述的是最普遍的概念及概念之間的關(guān)系，如空間、時(shí)間、事件、行為等，與具體的應(yīng)用無(wú)關(guān)

11、，其他Ontologies均為其特例。領(lǐng)域（domain）Ontologies描述的是特定領(lǐng)域中的概念和概念之間的關(guān)系。任務(wù)（task）Ontologies描述的是特定任務(wù)或行為中的概念及概念之間的關(guān)系。應(yīng)用（application）Ontologies描述的是依賴于特定領(lǐng)域和任務(wù)的概念和概念之間的關(guān)系。1999年P(guān)erez和Benjamins歸納出了10種Ontologies：l 知識(shí)表示Ontologiesl 普通Ontologiesl 頂級(jí)Ontologiesl 元（核心）Ontologiesl 領(lǐng)域Ontologiesl 語(yǔ)言O(shè)ntologiesl 任務(wù)Ontologiesl 領(lǐng)域任務(wù)

12、Ontologiesl 方法Ontologiesl 應(yīng)用Ontologies但它們之間有交叉，層次不夠清晰。1.6 構(gòu)造Ontology的規(guī)則出于對(duì)各自問(wèn)題域和具體工程的考慮，構(gòu)造Ontology的過(guò)程各不相同。目前沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Ontology的構(gòu)造方法。最有影響的是Gruber在1995年提出的5條規(guī)則：l 明確性和客觀性：Ontology應(yīng)該用自然語(yǔ)言對(duì)所定義的術(shù)語(yǔ)給出明確、客觀的語(yǔ)義定義。l 完全性：所給出的定義是完整的，完全能表達(dá)所描述的術(shù)語(yǔ)的含義。l 一致性：由術(shù)語(yǔ)得出的推論與術(shù)語(yǔ)本身的含義是相容的，不會(huì)產(chǎn)生矛盾。l 最大單調(diào)可擴(kuò)展性：向Ontology中添加通用或?qū)Ｓ玫男g(shù)語(yǔ)時(shí)，不

13、需要修改已有的內(nèi)容。l 最小承諾：對(duì)待建模對(duì)象給出盡可能少的約束。目前大家公認(rèn)在構(gòu)造特定領(lǐng)域的Ontology的過(guò)程中需要領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c。2 Ontology的研究和應(yīng)用Ontology的研究和應(yīng)用主要包括以下3方面：l 理論上的研究，主要研究概念及其分類，Ontology上的代數(shù)；l 信息系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要包括處理信息組織、信息檢索和異構(gòu)信息系統(tǒng)互操作問(wèn)題；l Ontology作為一種能在知識(shí)層提供知識(shí)共享和重用的工具在語(yǔ)義Web中的應(yīng)用。2.1 Ontology的理論研究Ontology的理論研究包括概念和概念分類、Ontology上的代數(shù)。最有代表性的是Guarino等人對(duì)概念的分類所做

14、的深入和細(xì)致的研究，他們從一般的意義上分析了什么是概念、概念的特性、概念之間的關(guān)系以及概念的分類，提出了一套用于指導(dǎo)概念分類的可行理論?；谶@個(gè)理論，他又提出了Ontology驅(qū)動(dòng)的建模方法，在理論上為建模提供了一個(gè)通用的模式。Guarino認(rèn)為概念之間的差別不僅體現(xiàn)在概念的定義上，同時(shí)也體現(xiàn)在概念的某些特性上。從這些特性出發(fā)，歸納出概念的元特性（最基本的特性），從而用公式給出元特性的嚴(yán)格的形式定義。在此基礎(chǔ)上，他們又討論了元特性之間的關(guān)系和約束，最終把研究結(jié)果作為概念分類的基本理論工具并提出一套完成的概念分類體系結(jié)構(gòu)。Guarino的理論可以歸納如下：概念分類理論的基礎(chǔ)是概念的元特性。以概念

15、的元特性為出發(fā)點(diǎn)，按照一定的規(guī)則，把具有相同元特性組合的概念歸為一類，進(jìn)而給出一般意義上的概念分類體系。概念的基本元特性包括：持久特性、非持久特性、反持久特性、半持久特性、載體標(biāo)識(shí)特性、支持標(biāo)識(shí)特性、外部依賴特性等。以下是對(duì)各種特性的說(shuō)明：名稱描述舉例持久特性嚴(yán)格定義為：。代表某個(gè)概念，代表x是的一個(gè)實(shí)例，表示其后的斷言永遠(yuǎn)為真。Person具有持久性，而Student不具有持久性。非持久特性對(duì)某個(gè)概念而言，存在某些實(shí)例不會(huì)永遠(yuǎn)屬于該概念。Student具有非持久性。反持久特性對(duì)概念的任何一個(gè)實(shí)例，這個(gè)實(shí)例不會(huì)永遠(yuǎn)屬于該概念。Youth具有反持久性。半持久特性非持久性和反持久性的差集。載體標(biāo)識(shí)

16、特性如Student具有載體標(biāo)識(shí)特性，因?yàn)閷W(xué)生之間的區(qū)別不是靠學(xué)生，而是作為人來(lái)區(qū)分的。支持標(biāo)識(shí)特性每個(gè)實(shí)例相互之間是可以區(qū)分的。Person具有支持標(biāo)識(shí)特性，人和人之間可由標(biāo)識(shí)（人的指紋）來(lái)區(qū)分。外部依賴特性一個(gè)概念對(duì)另外一個(gè)概念的某種依賴關(guān)系。概念A(yù)對(duì)概念B的外在依賴關(guān)系表現(xiàn)為概念A(yù)中的任何一個(gè)實(shí)例a必蘊(yùn)涵屬于概念B的實(shí)例b，而b不是a的一部分。Parent外在依賴于Child，某人的父母蘊(yùn)涵他（她）有小孩，而他的小孩當(dāng)然不是他身體的一部分。2.2 Ontology在信息系統(tǒng)中的應(yīng)用目前信息檢索技術(shù)的分類和對(duì)他們的描述列舉如下：分類特點(diǎn)缺點(diǎn)全文檢索（Text retrieval）把用戶的查

17、詢請(qǐng)求和全文中的每一個(gè)詞進(jìn)行比較，不考慮查詢請(qǐng)求和文件語(yǔ)義上的匹配。雖然可以保證查全率，但是查準(zhǔn)率大大降低。數(shù)據(jù)檢索（Data retrieval）查詢要求和信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)都遵循一定的格式，具有一定的結(jié)構(gòu)，允許對(duì)特定字段檢索。需要有標(biāo)識(shí)字段的方法。性能取決于所使用的字段標(biāo)識(shí)方法和用戶對(duì)方法的理解，具有很大的局限性，支持語(yǔ)義匹配的能力較差。知識(shí)檢索（Knowledge retrieval）基于知識(shí)的、語(yǔ)義上的匹配，在查準(zhǔn)率和查全率上有更好的保證。是信息檢索的重點(diǎn)，特別是面向Web信息的知識(shí)檢索的重點(diǎn)。Ontology具有良好的概念層次結(jié)構(gòu)和對(duì)邏輯推理的支持，在知識(shí)檢索中有廣泛應(yīng)用?；贠nto

18、logy的信息檢索的基本思想有：l 在領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，建立相關(guān)領(lǐng)域的Ontology；l 收集信息源中的數(shù)據(jù)，并參照已建立的Ontology把收集來(lái)的數(shù)據(jù)按規(guī)定格式存儲(chǔ)在元數(shù)據(jù)庫(kù)（RDB，KDB等）中；l 對(duì)用戶檢索界面獲取的查詢請(qǐng)求，查詢轉(zhuǎn)換器按照Ontology把查詢請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成規(guī)定的格式，在Ontology的幫助下從元數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配出符合條件的數(shù)據(jù)集合；l 檢索的結(jié)果經(jīng)過(guò)定制處理返回給用戶。關(guān)于Ontology的表達(dá)，主要分為兩種情況進(jìn)行處理：l 檢索系統(tǒng)如不需要太強(qiáng)的推理能力，Ontology可用概念圖的形式表示并存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)可以保存在一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用圖匹配技術(shù)完成檢索；l 如要求

19、較強(qiáng)的推理能力，一般需要一種描述語(yǔ)言（Loom等）表示Ontology，數(shù)據(jù)保存在知識(shí)庫(kù)中，采用描述語(yǔ)言的邏輯推理能力完成檢索。目前Ontology用于信息檢索的項(xiàng)目列舉如下：項(xiàng)目名稱說(shuō)明(Onto)2Agent為了幫助用戶檢索所需要的WWW上已有的Ontology，主要采用參照Ontology，即以WWW上已有的Ontology為對(duì)象建立起來(lái)的Ontology，保存各類Ontology的元數(shù)據(jù)。Ontobroker面向WWW上的網(wǎng)頁(yè)資源，目的是幫助用戶檢索所需的網(wǎng)頁(yè)，這些網(wǎng)頁(yè)含有用戶關(guān)心的內(nèi)容。SKC解決信息系統(tǒng)語(yǔ)義異構(gòu)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的自治系統(tǒng)間的互操作。希望通過(guò)在Ontology上的一個(gè)

20、代數(shù)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)Ontology之間的互操作，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作。2.3 Ontology和語(yǔ)義Web提高Web信息檢索的質(zhì)量包括兩方面的內(nèi)容：l 如何在現(xiàn)有的資源上面設(shè)計(jì)更好的檢索技術(shù)；l 如何為Web上的資源附加上計(jì)算機(jī)可以理解的內(nèi)容，便于計(jì)算機(jī)處理，即給出一種計(jì)算機(jī)能夠理解的表示資源的手段?；诤笠环N考慮，Berners-Lee在20001218的XML2000的會(huì)議上提出了語(yǔ)義Web。語(yǔ)義Web的目標(biāo)是使得Web上的信息具有計(jì)算機(jī)可以理解的語(yǔ)義，滿足智能軟件代理（Agent）對(duì)WWW上異構(gòu)和分布信息的有效訪問(wèn)和檢索。下面是Berners-Lee為未來(lái)Web發(fā)展提出的基于語(yǔ)義的體

21、系結(jié)構(gòu)語(yǔ)義Web體系結(jié)構(gòu)：低高層數(shù)名稱描述第一層UNICODE和URI整個(gè)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，Unicode處理資源的編碼，URI負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)資源。第二層*XMLNSxmlschema用于表示數(shù)據(jù)的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。第三層*RDFrdfschema用于描述Web上的資源及其類型。第四層*Ontology vocabulary用于描述各種資源之間的聯(lián)系。第五層Logic在下面四層的基礎(chǔ)上進(jìn)行的邏輯推理操作。第六層Proof第七層Trust* 核心層，用于表示W(wǎng)eb信息的語(yǔ)義。XML和RDF都能為所表述的資源提供一定的語(yǔ)義。但是XML中的標(biāo)簽（tags）和RDF中的屬性（properties）集都沒有任何限制。

22、一個(gè)例子是：XML可以用“<Author>TOM</Author>”表示TOM是教師。而“<rdf:Description about=/Home/Lassila><s:Creator>Ora Lassila</s:Creator></rdf:Description> ”這個(gè)RDF片斷描述了Web頁(yè)的創(chuàng)建者問(wèn)題。而上面的Author和Creator完全可以用Writer來(lái)代替。另一個(gè)例子是：某醫(yī)院和某大學(xué)的Web頁(yè)上都有<Doctor>，但是不知道它代表醫(yī)生還是博士。綜上，XML

23、和RDF在處理語(yǔ)義上存在的問(wèn)題是：l 同一概念有多種詞匯表示；l 同一個(gè)詞匯有多種概念（含義）。Ontology通過(guò)對(duì)概念的嚴(yán)格定義和概念之間的關(guān)系來(lái)確定概念精確含義，表示共同認(rèn)可的、可共享的知識(shí)，從而解決上面的問(wèn)題。因此在語(yǔ)義Web中，Ontology具有非常重要的地位，是解決語(yǔ)義層次上Web信息共享和交換的基礎(chǔ)。為了便于Web上應(yīng)用程序使用方便，需要有一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)表示Ontology，就像XML作為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換語(yǔ)言一樣。目前正在開發(fā)中的語(yǔ)言有：SHOE、OML、XOL、Riboweb、RDFS和OIL。下面將就w3c提出的OWL（Web Ontology Language）做進(jìn)一

24、步的分析。目前語(yǔ)義Web是一個(gè)新興的研究方向，Ontology在其中的應(yīng)用剛剛起步。3 Web Ontology Language (OWL)概述3.1 OWL簡(jiǎn)介OWL（Web Ontology Language）適用于這樣的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，不僅僅需要提供給用戶可讀的文檔內(nèi)容，而且希望處理文檔內(nèi)容信息。OWL能夠被用于清晰地表達(dá)詞匯表中的詞條（term）的含義以及這些詞條之間的關(guān)系。而這種對(duì)詞條和它們之間的關(guān)系的表達(dá)就稱作Ontology。OWL相對(duì)XML、RDF和RDFSchema擁有更多的機(jī)制來(lái)表達(dá)語(yǔ)義，從而OWL超越了XML、RDF和RDFSchema僅僅能夠表達(dá)網(wǎng)上機(jī)器可讀的文檔

25、內(nèi)容的能力。3.2 OWL在語(yǔ)義網(wǎng)中的地位語(yǔ)義網(wǎng)是對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)設(shè)想，在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，信息都被賦予了明確的含義，機(jī)器能夠自動(dòng)地處理和集成網(wǎng)上可用的信息。語(yǔ)義網(wǎng)使用XML來(lái)定義定制的標(biāo)簽格式以及用RDF的靈活性來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)，下一步需要的就是一種Ontology的網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言（比如OWL）來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)文檔中的術(shù)語(yǔ)的明確含義和它們之間的關(guān)系。OWL是w3c推薦的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)“?！敝械囊徊糠郑@個(gè)“?！北槐磉_(dá)如下：名稱描述XML結(jié)構(gòu)化文檔的表層語(yǔ)法，對(duì)文檔沒有任何語(yǔ)義約束。XML Schema定義XML文檔的結(jié)構(gòu)約束的語(yǔ)言。RDF對(duì)象（或者資源）以及它們之間關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，為數(shù)據(jù)模型提供了簡(jiǎn)單的語(yǔ)義，這些數(shù)據(jù)模

26、型能夠用XML語(yǔ)法進(jìn)行表達(dá)。RDF Schema描述RDF資源的的屬性和類型的詞匯表，提供了對(duì)這些屬性和類型的普遍層次的語(yǔ)義。OWL添加了更多的用于描述屬性和類型的詞匯，例如類型之間的不相交性（disjointness），基數(shù)（cardinality），等價(jià)性，屬性的更豐富的類型，屬性特征（例如對(duì)稱性，symmetry），以及枚舉類型（enumerated classes）。下圖給出了w3c的Ontology語(yǔ)言棧描述：W3C2002年7月31日透露了發(fā)行OWL Web 本體論語(yǔ)言（OWL Web Ontology Language） 工作草案的細(xì)節(jié)，其目的是為了更好地開發(fā)語(yǔ)義網(wǎng)（Semant

27、ic Web）。W3C 發(fā)言人Ian Jacobs說(shuō)，開發(fā)語(yǔ)義網(wǎng)的目的是能夠在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行更結(jié)構(gòu)化的智能處理，例如，當(dāng)一個(gè)人確定要參加某個(gè)城市的會(huì)議后，就可以自動(dòng)查找有關(guān)航班和酒店的信息。W3C稱，W3C Web 本體論工作小組正在對(duì)OWL Web本體論語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，OWL是本體論Web 語(yǔ)言（Ontology Web Language）的字母縮寫。設(shè)計(jì)的最終目的是為了提供一種可以用于各種應(yīng)用的語(yǔ)言，這些應(yīng)用需要理解內(nèi)容，從而代替只是采用人類易讀的形式來(lái)表達(dá)內(nèi)容。作為語(yǔ)義網(wǎng)的一部分，XML、RDF和RDF-S支持通過(guò)提供針對(duì)術(shù)語(yǔ)描述的詞匯表，共同推進(jìn)了機(jī)器的可靠性。W3C發(fā)行的三種工作草案名為

28、特色大綱（Web Ontology Language (OWL) Guide Version 1_0）、抽象句法（OWL Web Ontology Language 1_0 Abstract Syntax）和語(yǔ)言參考。W3C本周還發(fā)行了其Web 服務(wù)架構(gòu)使用方案集合的工作草案，目的是為下一代的Web服務(wù)提供使用案例和方案。W3C Web服務(wù)架構(gòu)工作小組特別發(fā)行的方案包括諸如旅行社使用案例和類似電子數(shù)據(jù)交換的采購(gòu)等情形。Jacobs說(shuō)：“W3C官員正在制定有關(guān)Web服務(wù)架構(gòu)范圍的文件。”3.3 OWL的三個(gè)子語(yǔ)言O(shè)WL Lite、OWL DL、OWL Full3.3.1 子語(yǔ)言描述OWL的三個(gè)子

29、語(yǔ)言描述列表如下：子語(yǔ)言描述例子OWL Lite用于提供給那些只需要一個(gè)分類層次和簡(jiǎn)單的屬性約束的用戶。支持基數(shù)（cardinality），只允許基數(shù)為0或1。OWL DL支持那些需要在推理系統(tǒng)上進(jìn)行最大程度表達(dá)的用戶，這里的推理系統(tǒng)能夠保證計(jì)算完全性（computational completeness，即所有地結(jié)論都能夠保證被計(jì)算出來(lái)）和可決定性（decidability，即所有的計(jì)算都在有限的時(shí)間內(nèi)完成）。它包括了OWL語(yǔ)言的所有約束，但是可以被僅僅置于特定的約束下。當(dāng)一個(gè)類可以是多個(gè)類的一個(gè)子類時(shí)，它被約束不能是另外一個(gè)類的實(shí)例。OWL Full支持那些需要在沒有計(jì)算保證的語(yǔ)法自由的R

30、DF上進(jìn)行最大程度表達(dá)的用戶。它允許在一個(gè)Ontology在預(yù)定義的（RDF、OWL）詞匯表上增加詞匯，從而任何推理軟件均不能支持OWL FULL的所有feature。一個(gè)類可以被同時(shí)表達(dá)為許多個(gè)體的一個(gè)集合以及這個(gè)集合中的一個(gè)個(gè)體。3.3.2 子語(yǔ)言間以及子語(yǔ)言和RDF的關(guān)系這三種子語(yǔ)言之間的關(guān)系是：l 每個(gè)合法的OWL Lite都是一個(gè)合法的OWL DL；l 每個(gè)合法的OWL DL都是一個(gè)合法的OWL Full；l 每個(gè)有效的OWL Lite結(jié)論都是一個(gè)有效的OWL DL結(jié)論；l 每個(gè)有效的OWL DL結(jié)論都是一個(gè)有效的OWL Full結(jié)論。用戶在選擇使用哪種語(yǔ)言時(shí)的主要考慮是：l 選擇O

31、WL Lite還是OWL DL主要取決于用戶需要整個(gè)語(yǔ)言在多大程度上給出了約束的可表達(dá)性；l 選擇OWL DL還是OWL Full主要取決于用戶在多大程度上需要RDF的元模型機(jī)制（如定義類型的類型以及為類型賦予屬性）；l 在使用OWL Full而不是OWL DL時(shí)，推理的支持不可預(yù)測(cè)，因?yàn)槟壳斑€沒有完全的OWL Full的實(shí)現(xiàn)。這三種子語(yǔ)言與RDF的關(guān)系是：l OWL Full可以看成是RDF的擴(kuò)展；l OWL Lite和OWL Full可以看成是一個(gè)約束化的RDF的擴(kuò)展；l 所有的OWL文檔（Lite，DL，F(xiàn)ull）都是一個(gè)RDF文檔；l 所有的RDF文檔都是一個(gè)OWL Full文檔；l

32、只有一些RDF文檔是一個(gè)合法的OWL Lite和OWL DL文檔。3.4 OWL語(yǔ)言大綱【說(shuō)明】：以下用斜體標(biāo)出的為OWL中的詞條（term），rdf:和rdfs:前綴表示這些詞條已經(jīng)在RDF和RDF Schema中出現(xiàn)。3.4.1 OWL Lite語(yǔ)言大綱分類詞條RDF Schema Features· Class · rdf:Property · rdfs:subClassOf · rdfs:subPropertyOf · rdfs:domain · rdfs:range · Individual (In)Equalit

33、y· equivalentClass · equivalentProperty · sameIndividualAs · differentFrom · allDifferent Property Characteristics· inverseOf · TransitiveProperty · SymmetricProperty · FunctionalProperty · InverseFunctionalProperty Property Type Restrictions· a

34、llValuesFrom · someValuesFrom Restricted Cardinality· minCardinality (only 0 or 1) · maxCardinality (only 0 or 1) · cardinality (only 0 or 1)Header Information· imports · versionInfo · priorVersion · backwardCompatibleWith · incompatibleWith Class Interse

35、ction· intersectionOf Datatypes3.4.2 OWL DL和OWL Full大綱下面給出了在OWL Lite基礎(chǔ)上添加的OWL DL和OWL Full語(yǔ)言架構(gòu)分類詞條Class Axioms· oneOf · disjointWith · equivalentClass (applied to class expressions) · rdfs:subClassOf (applied to class expressions) Boolean Combinations of Class Expressions

36、3; unionOf · intersectionOf · complementOfArbitrary Cardinality· minCardinality · maxCardinality · cardinality Filler Information· hasValue3.5 OWL Lite語(yǔ)言描述和OWL DL和OWL Full相比，OWL Lite只是使用了OWL語(yǔ)言的一些feature，并且做了限制。l Class只能根據(jù)命名了的superclass（它不能是任意的邏輯表達(dá)式）進(jìn)行定義，而且只能使用特定類型的class

37、 restriction。l 類之間的Equivalence以及子類關(guān)系只能在命名了的class上做聲明，不能應(yīng)用于任意的類型表達(dá)式。l OWL Lite只允許屬性限制應(yīng)用于命名類型。l OWL Lite對(duì)cardinality的概念也有限制它的取值范圍只能是0和1。以下列出了OWL Lite大綱中各類feature的描述。3.5.1 OWL Lite RDF Schema Features名稱描述實(shí)例Class定義了一組共享了某些相同屬性的individual。Class能夠通過(guò)subClassOf定義出一個(gè)特定的類層次。有一個(gè)內(nèi)置的公共類Thing，它是所有individual的Class

38、，也是所有Class的superclass。Deborah 和Frank都是Person這個(gè)Class的成員。rdfs:subClassOf類層次可以通過(guò)給出諸如一個(gè)類是另一個(gè)或多個(gè)類的子類這樣的聲明來(lái)創(chuàng)建。Person可以被定義為是Mammal的一個(gè)subclass，這樣我們就能夠推斷：如果X是一個(gè)Person，那么X一定也是一個(gè)Mammal。Rdfs:Property表達(dá)了individual之間的關(guān)系。例如hasChild，hasRelative,，hasSibling,和hasAge都是Property的例子。前三個(gè)例子用于表達(dá)Person之間的關(guān)系，最后一個(gè)把一個(gè)Person和一個(gè)D

39、atatype Integer關(guān)聯(lián)起來(lái)。rdfs:subPropertyOf屬性層次可以通過(guò)給出諸如一個(gè)屬性是另一個(gè)或多個(gè)屬性的子屬性這樣的聲明來(lái)創(chuàng)建。hasSibling是hasRelative的子屬性。通過(guò)這一點(diǎn)我們就可以推理出：如果X和Y通過(guò)hasSibling進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，那么它們一定也通過(guò)hasRelative進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。rdfs:domain一個(gè)property的domain是能夠應(yīng)用該property的individual的集合。如果property P把class X和class Y關(guān)聯(lián)起來(lái)，P的domain是class Z，那么X一定是Z的一個(gè)實(shí)例。Domain是一個(gè)全局約束，

40、因?yàn)樗蚿roperty而言，但是當(dāng)它與一個(gè)特定的class關(guān)聯(lián)時(shí)也不只是就property而言。Property hasChild可以被說(shuō)擁有domain Mammal，從這一點(diǎn)我們就能夠推理出如果Frank hasChild Anna，那么Frank一定是一個(gè)Mammal。rdfs:range一個(gè)property的range是該property所必須有的值的individual的集合。如果proerty P將class X和class Y關(guān)聯(lián)，P的range是class Z，那么Y一定是Z的一個(gè)實(shí)例。Property hasChild可以被說(shuō)擁有range Mammal，從這一點(diǎn)我們就能夠

41、推理出如果Louise hasChild Deborah，那么Deborah一定是一個(gè)Mammal。IndividualClass的實(shí)例，property可以被用來(lái)把一個(gè)individual和另一個(gè)individual關(guān)聯(lián)起來(lái)。一個(gè)名叫Deborah的individual可以被描述為是Person這個(gè)class的實(shí)例，而property hasEmployer可以把individual Deborah和individual StanfordUniversity關(guān)聯(lián)起來(lái)。3.5.2 OWL Lite Equality 和Inequality名稱描述實(shí)例equivalentClass兩個(gè)類可以被聲

42、明為相同，即它們擁有不同的名字但是卻擁有相同的individual的集合。它被用來(lái)創(chuàng)建同義類。Car可以被說(shuō)成是Automobile的equivalentClass。從這一點(diǎn)我們能推理得到任何Car的實(shí)例都是Automobile的實(shí)例，反之也一樣。equivalentProperty兩個(gè)類也可以被聲明為相同。它可以被用來(lái)創(chuàng)建同義屬性。HasLeader可以被說(shuō)成是hasHead的equivalentProperty。從這一點(diǎn)我們能夠推理得到：如果X通過(guò)HasLeader與Y關(guān)聯(lián)，那么X也通過(guò)hasHead與Y關(guān)聯(lián)。我們也能夠推理得到：HasLeader是hasHead的子屬性，同時(shí)hasHea

43、d也是HasLeader的子屬性。sameIndividualAs兩個(gè)individual也可以被聲明為相同。它可以被用來(lái)創(chuàng)建一系列指向同一個(gè)individual的名字。Deborah被說(shuō)成與DeborahMcGuinness是同一個(gè)individual。differentFrom一個(gè)individual可被聲明為與其他一些individual不同，這在使用如OWL（RDF）等語(yǔ)言時(shí)表達(dá)individual有而且只有一個(gè)名字時(shí)非常重要。l Frank可被說(shuō)成與Deborah以及Jim是不同的individual，這樣當(dāng)Frank和Deborah都被說(shuō)成是一個(gè)functional（最多只有一個(gè)值

44、）的property的值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)矛盾；l 沒有特別指出的話，我們不能推理說(shuō)Deborah和Frank指的是不同的individual。allDifferent在一個(gè)allDifferent聲明中，我們可以指出一定數(shù)量的individual兩兩不同。這在表達(dá)一個(gè)不同對(duì)象的集合而建模者側(cè)重于強(qiáng)調(diào)這些對(duì)象的唯一的名字時(shí)尤其有用。可以在一個(gè)allDifferent聲明中說(shuō)明Frank、Deborah、Jim兩兩不同。3.5.3 OWL Lite Property Characteristics名稱描述實(shí)例inverseOf一個(gè)屬性可以被聲明為另一個(gè)屬性的翻轉(zhuǎn)屬性。如果P1被聲明為P2的翻轉(zhuǎn)屬性，那

45、么如果X通過(guò)P1關(guān)聯(lián)到Y(jié)，那么Y通過(guò)P1關(guān)聯(lián)到X。如果hasChild是hasParent的翻轉(zhuǎn)屬性，Deborah hasParent Louise，那么我們就能夠推理出Louise hasChild Deborah。TransitiveProperty屬性可以被聲明為傳遞的。如果(x,y)是傳遞屬性P的一個(gè)實(shí)例，(y,z)也是傳遞屬性P的一個(gè)實(shí)例，那么(x,z)是傳遞屬性P的一個(gè)實(shí)例。OWL Lite給出了關(guān)于傳遞屬性的一個(gè)邊界條件：傳遞屬性和它的superproperty不能有maxCardinality為1的限制，否則OWL Lite和OWL DL都將成為不確定語(yǔ)言。如果ancesto

46、r被聲明為傳遞的，(Sara,Louise)是它的一個(gè)實(shí)例，(Louise,Deborah)也是他的一個(gè)實(shí)例，那我們就能夠推理出(Sara,Deborah)是他的一個(gè)實(shí)例。SymmetricProperty屬性可以被聲明為是對(duì)稱的。如果(x,y)是對(duì)稱屬性P的一個(gè)實(shí)例，那么(y,x)也是它的一個(gè)實(shí)例。被聲明為對(duì)稱的屬性不能有任意的domain和range。Friend可以被說(shuō)成是一個(gè)對(duì)稱屬性，如果Frank 是 Deborah的Friend，那我們可以推斷出Deborah 是Frank的Friend。FunctionalProperty屬性可以被聲明為只有一個(gè)值。即一個(gè)individual如果

47、被聲明為FunctionalProperty，那么對(duì)于這樣的一個(gè)實(shí)例它最多只有一個(gè)值。這可以被方便的用來(lái)說(shuō)明一個(gè)屬性的cardinality最小為0，最大為1。l Frank可被說(shuō)成與Deborah以及Jim是不同的individual，這樣當(dāng)Frank和Deborah都被說(shuō)成是一個(gè)functional（最多只有一個(gè)值）的property的值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)矛盾；l 沒有特別指出的話，我們不能推理說(shuō)Deborah和Frank指的是不同的individual。InverseFunctionalProperty如果一個(gè)屬性被聲明為inverse functional，則意味著它的翻轉(zhuǎn)屬性是functi

48、onal的，也就是說(shuō)該屬性的翻轉(zhuǎn)屬性的每個(gè)individual最多只有一個(gè)值。HasUSSocialSecurityNumber（SecurityNumber是美國(guó)居民的唯一標(biāo)識(shí)符）可以被聲明為inverse functional。該屬性的翻轉(zhuǎn)屬性isTheSocialSecurityNumberFor在社會(huì)保險(xiǎn)號(hào)這個(gè)class中任何一個(gè)individual至多只有一個(gè)值。由此我們可以推斷出任何兩個(gè)Person的實(shí)例都不能有相同的SecurityNumber。還可以推斷出：如果兩個(gè)Person的實(shí)例有相同的SecurityNumber，那么他們一定是表示同一個(gè)individual。3.5.4

49、OWL Lite Property Type Restriction該約束針對(duì)某個(gè)屬性，屬于局部約束。名稱描述實(shí)例allValuesFrom該約束將一個(gè)屬性的取值和一個(gè)class相關(guān)。也就是說(shuō)，如果一個(gè)class的實(shí)例通過(guò)這個(gè)屬性和另外一個(gè)individual相關(guān)，那么后一個(gè)individual則能夠被認(rèn)為是改約束類的一個(gè)實(shí)例。Class Person有一個(gè)屬性hasOffspring，該屬性被約束在allValuesFrom上取值為Person類。這就是說(shuō)如果Person的一個(gè)實(shí)例Louise通過(guò)屬性hasOffspring和另一個(gè)individual Deborah相關(guān)，從這一點(diǎn)我們能推斷

50、出 Deborah是Person的一個(gè)實(shí)例。這種約束允許hasOffspring屬性被其他class使用，例如被class Cat使用，從而做出相應(yīng)的約束。someValuesFrom和上面類似，該約束也將一個(gè)屬性的取值和一個(gè)class相關(guān)。只不過(guò)此時(shí)要求該屬性的取值至少有一個(gè)是該class類型的。Class SemanticWebPaper在property hasKeyword上的someValuesFrom 約束值SemanticWebTopic說(shuō)明hasKeyword存在某個(gè)取值應(yīng)該是class SemanticWebTopic的一個(gè)實(shí)例。但是我們不能就此推斷說(shuō)hasKeyword的所

51、有取值都是SemanticWebTopic的實(shí)例。3.5.5 OWL Lite Restricted Cardinality同上，該約束也是局部約束，而且OWL Lite在Cardinality上的局部約束只允許Cardinality的取值為0和1（這不同于其他兩類OWL允許任意數(shù)目的Cardinality）。名稱描述實(shí)例minCardinalityCardinality是依據(jù)一個(gè)特定的class在一個(gè)property上做的聲明。如果就一個(gè)class而言某個(gè)property的minCardinality為1，則該class的任何一個(gè)實(shí)例都通過(guò)該property至少和一個(gè)individual相關(guān)

52、。這也是一種用來(lái)表達(dá)某property必須在某class的任何一個(gè)實(shí)例中有一個(gè)值的辦法。在OWL Lite中，minCardinality的值只能為0或者1。0表示的意思是對(duì)于某個(gè)class而言這個(gè)proerty是可選的。l Class Person在property hasOffspring并沒有minCardinality約束，因?yàn)椴皇撬械腜erson都有Offspring的。l Class Parent則在property hasOffspring上有minCardinality為1。l Class Person在property hasOffspring上的minCardinalit

53、y值可以為0。根據(jù)上面的前兩條信息我們可以推斷出，如果Louise是一個(gè)Person，我們并不能得到任何有關(guān)他后代的信息；但是一旦發(fā)現(xiàn)他是一個(gè)Parent，則Louise通過(guò)property hasOffspring至少和一個(gè)individual相關(guān)。但是我們不能得到他最多和幾個(gè)individual相關(guān)。maxCardinality如果就一個(gè)class而言某個(gè)property的maxCardinality為1，則該class的任何一個(gè)實(shí)例都通過(guò)該property至多和一個(gè)individual相關(guān)。MaxCardinality值為1的約束property有時(shí)也叫做functional或者uniq

54、ue property。通過(guò)它我們不能得到有關(guān)minCardinality的任何信息，但是這對(duì)于我們表達(dá)某些class在某些property上沒有值是很重要的。l Class UnitedStatesCitizens上的property hasRegisteredVotingState的MaxCardinality值為1（因?yàn)橐粋€(gè)公民只能在一個(gè)州投票）。l Class UnmarriedPerson實(shí)例不能通過(guò)property hasSpouse和任何individual相關(guān)，這時(shí)只要把hasSpouse的maxCardinality設(shè)為0就可以了。cardinality它用于方便表達(dá)在一個(gè)c

55、lass上的property同時(shí)擁有約束minCardinality 0 和 maxCardinality 0 或者 minCardinality 1 和 maxCardinality 1。Class person在property hasBirthMother上只有一個(gè)值，可以設(shè)定該property的Cardinality。3.5.6 OWL Lite Class Intersection名稱描述實(shí)例intersectionOf:OWL Lite允許在class和約束之間存在交集。Class EmployedPerson可以被定義為intersectionOf class Person和Em

56、ployedThings（后者可以被定義為擁有hasEmployer屬性并在該屬性上的minCardinality為1）。3.5.7 DatatypesOWL 使用了RDF的datatype schema，而后者又參考了XML Schema的datatype。這些datatype能夠通過(guò)URI被識(shí)別。每當(dāng)有一個(gè)datatype的實(shí)例出現(xiàn)時(shí)，必須有一個(gè)RDF屬性rdf:datatype，它的值為URI引用的XML Schema datatype。3.5.8 OWL Lite Header InformationOWL支持ontology引用、包含以及元信息描述。上面提到的三個(gè)層次的OWL都包含了

57、用于指定導(dǎo)入的ontology、ontology版本信息和前版本信息、可向后兼容的ontology信息以及不兼容的ontology信息等一系列信息的方法。3.6 增量語(yǔ)言O(shè)WL DL和OWL Full描述盡管OWL DL添加了一些約束，它和OWL Lite實(shí)際上共享了詞匯表?？偟膩?lái)講，OWL DL引入了類型分割（一個(gè)class不能是一個(gè)property或者一個(gè)individual，一個(gè)property也不能是一個(gè)class或者individual）；它要求property或者是ObjectProperties，或者是DatatypeProperties。后者RDF literal、XML Datatype以及class實(shí)例之間的關(guān)系。前者是兩個(gè)class實(shí)例之間的關(guān)系。下面繼續(xù)列出了OWL DL和OWL Full的擴(kuò)展詞匯：名稱描述實(shí)例One of（枚舉類型）Class可以通過(guò)枚舉構(gòu)成該class的individual來(lái)描述。Class daysOfTheWeek可以簡(jiǎn)單地通過(guò)枚舉Sunday、Monday、Tuesday、Wednesday,、Thursday、Friday、 Saturday這7個(gè)individual來(lái)表達(dá)。我們可以由此推斷出任何擁有