本體理論與領(lǐng)域本體的構(gòu)建

1、第二章 本體理論與領(lǐng)域本體的構(gòu)建2.1本體理論2.1.1 本體的基本概念本體論(Ontology)的概念最初起源于哲學領(lǐng)域，是形而上學理論研究的一 個分支，與認識論相對。認識論研究人類知識的本質(zhì)和來源，即研究主觀認知， 而本體論研究的則是客觀存在。Ontology 一方面研究存在的本質(zhì)，另一方面研究 客體對象的理論定義，即整個現(xiàn)實世界的基本特征。現(xiàn)在哲學領(lǐng)域較多翻譯為本 體論”經(jīng)過多年的演進，到今天，經(jīng)過人們對本體”這一概念的重新理解和定位，本體的理論與方法早已被信息領(lǐng)域采用，用于知識的組織、表示、共享和重 用。本體在計算機學科的使用可以追溯到上個世紀80年代，Alxenader在1986年發(fā)

2、表的文章被視為本體在計算機領(lǐng)域獲得不同于哲學領(lǐng)域的新的研究的起點。 隨后Ontolgoy在人工智能領(lǐng)域界獲得穩(wěn)步的發(fā)展，并被逐漸賦予了新的含義8-9。 1991年，在人工智能領(lǐng)域，Neches等人最早給出Ontology定義，Neches認為10“ An ontology defines the basic terms and relations comprising the vocabulary of a topic area,as well as the rules for combining termsand relations to define extensions to the v

3、ocabulary.即一個本體給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語和關(guān)系，以及利用 這些術(shù)語和關(guān)系構(gòu)成的規(guī)則定義這些詞匯的外延規(guī)則?！北倔w定義了組成主題領(lǐng)域的詞匯表的基本術(shù)語及其關(guān)系，以及結(jié)合這些術(shù)語和關(guān)系來定義詞匯表外延的 規(guī)則11 。 1993年美國斯坦福大學知識系統(tǒng)實驗室(Knowledge System Laborary, 簡稱KSL)的Gruber給出了本體在信息科學領(lǐng)域被廣泛接受的定義：“An ontologyis an explicit specification of a conceptualization 12。即 本體是概念化的明確的規(guī) 范化說明”這也是最著名并被引用最為廣泛的定

4、義。1995年Guarino和Giaretta 將本體定義為13本體是概念化的明確部分的說明一種邏輯語言的模型?！边@個定義與Gruber的理解有異曲同工之妙。隨后在1997年W.N.Borst對Gruber的定 義進行了引申，提出了 本體是共享概念模型的形式化規(guī)范說明 ”以及1998年 J.Studer的 本體是共享概念模型的明確的形式化的規(guī)范說明”本體的定義隨著時間的推移也在進行著不斷的變化發(fā)展，為明確起見，現(xiàn)將 本體發(fā)展史中較有代表性的定義列表如下：表2.1本體發(fā)展史中的定義列表時間/提出人定義1991/Neches一個本體給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語 和關(guān)系，以及利用這些術(shù)語和關(guān)系構(gòu)成

5、的規(guī)© 1 *>4-2010 Chirui Academic Journal Ekctronic PuKlijihing House. All rights reserved, http:/'/wavi. Jidt則定義這些詞匯的外延規(guī)則1993/Gruber本體是概念化的明確的規(guī)范化說明1995/Guarino 和 Giaretta本體是概念化的明確部分的說明一種邏輯語言的模型1996/ Bernaras 等本體提供了一種用來顯式地描述概念化的方式1997/W.N.Borst本體是共享概念模型的形式化規(guī)范說明1997/ Swartout本體是一個為描述某個領(lǐng)域而按繼承

6、關(guān)系組織起來作為一個知識庫骨架的一系列術(shù)語1998/J.Studer本體是共享概念模型的明確的形式化的規(guī)范說明2000/ Fen sel本體是對一個特定領(lǐng)域中重要概念的共享形式化的描述2001/ Noy F.N.本體是對某個領(lǐng)域中的概念形式化的明確表示，每個概念的特性描述了這個概念的各個方面及其約束的特征和屬性2002/Fonseca本體是以某一觀點用詳細明確的詞匯表描述 實體，概念，特性和相關(guān)功能的理論2003/Starlab本體必需包括所使用術(shù)語的規(guī)范說明，決定 這些術(shù)語含義的協(xié)議，以及術(shù)語之間的聯(lián)系， 來表達概念由上述列表可見，人們對本體的定義和理解是有一個逐步認識的過程的。盡 管本體的

7、定義有很多不同的方式和不同的側(cè)重點，但從內(nèi)涵上來講，本體的概念有下面四層含義：概念化(conceputalization)：通過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，其表示的含義獨立于具體的環(huán)境狀態(tài)。 明確(explicit):概念與概念之間的聯(lián)系及使用這些概念的約束都被明確定義。(3) 形式化(formal):有精確的數(shù)學描述，是計算機可讀的。共享(Share):本體中體現(xiàn)的是共同認可的知識，反映的是相關(guān)領(lǐng)域中公認的 概念集，它所針對的是團體而不是個體14。可見這些不同的研究者雖然各執(zhí)己見，但對本體的內(nèi)涵卻認識一致，都把本 體當作某個領(lǐng)域內(nèi)不同主體(人、代理

8、、機器等)之間進行交流(對話、互操作、 共享等)的語義基礎。其實，本體就是通過對于概念、術(shù)語及其相互關(guān)系的規(guī)范 化描述，勾畫出某一領(lǐng)域的基本知識和描述語言，是一個已經(jīng)得到公認的形式化 的知識表示體系，包含詞表(或名稱表/術(shù)語表)，詞表中的術(shù)語全是與某一專業(yè)領(lǐng)7© 1 *>4-2010 China Academic Journal Electronic Publijihing House. All rights reserved,http:/'/ki.iidt域相關(guān)的，而邏輯聲明全部用來描述術(shù)語的含義及關(guān)系。2.1.2本體的分類1、按照領(lǐng)域依賴程度：（1）頂層

9、（top-level）本體：描述的是最普通的概念及概念之間的關(guān)系，如空 間、時間、事件、行為等，完全獨立于特定的問題和領(lǐng)域，其他本體都是該類本 體的特例。（2）領(lǐng)域（domain）本體：描述的是特定領(lǐng)域（醫(yī)學、地理等）中的概念及概念 之間的關(guān)系。（3）任務（task）本體：描述的是特定任務或行為中的概念及概念之間的關(guān) 系。（4）應用（application）本體：描述的是依賴于特定領(lǐng)域和任務的概念及概念 之間的關(guān)系。在這個分類當中，領(lǐng)域本體和任務本體是處于同一個研發(fā)層次的，它們都能應用頂層本體中定義的詞匯來描述自己的詞匯。應用本體既能應用領(lǐng)域本體中的概念，也能引用任務本體中的詞匯。2、按照細化

10、程度Guari no從兩種不同的維度對本體進行劃分。除了依據(jù)對領(lǐng)域的依賴程度分 類，還提出了以詳細程度分類。詳細程度是相對的、模糊的一個概念，是描述或 刻畫建模對象的程度。參考（refere nee本體：詳細程度高。共享（shareable本體：詳細程度低。3、按照形式化程度（1）高度非形式化：用自然語言松散表示。（2）結(jié)構(gòu)非形式化：用限制的結(jié)構(gòu)化的自然語言表示。（3）半形式記：用半形式化（人工定義的）語言表示。（4） 嚴格形式化：所有術(shù)語都具有形式化的語義，能在某種程度上證明完 全性和合理性。4、按照是否具備推理功能（1）輕量級本體（Lightweight ontology）:輕量級本體不具

11、備邏輯推理功能， 例如敘詞表和WordNet。（2）中級本體（Middle ontology）:中級本體具有簡單的邏輯推理功能，系統(tǒng) 可以識別一階謂詞邏輯的表達式。（3）重量級本體（Heavyweight。ntology）:重量級本體具有復雜的邏輯推理功能，系統(tǒng)可以識別更加復雜的二階謂詞邏輯的表達式，并為更加復雜的推理功能的實現(xiàn)預留了接口，女口 Cyc本體系統(tǒng)I9】。8© 1 *>4-2010 Chirui Academic Journal Elec Iran ic PuKlijihing House. Al rights reserved, http: /'/wav

12、.cnk i. iidt5、按本體描述對象的不同，Uschold把本體分為特殊領(lǐng)域本體(如醫(yī)藥、地 理、金融等)、一般世界知識本體、問題求解本體和知識表示語言本體等。6按不同的研究主題15:(1) 知識表示本體(Knowledge Representation ontologies)如 Frame Ontology和斯坦福大學知識系統(tǒng)實驗室提出的知識描述語言KIF(K nowledge In tercha ngeFormat)。(2) 通用或常識本體(General/Common ontologies，女口 Cyc本體系統(tǒng)。到 2000年為止，Cyc的常識庫已有了 1,600,000條知識和幾

13、百個微理論 (micro-theory)。(3) 領(lǐng)域本體(Domain ontologies)，如基因本體 GO(Gene ontologies)愛丁 堡大學企業(yè)本體。(4) 語言學本體(linguistic ontologies)，關(guān)于語言、詞匯等的本體，典型實 例有 GUM(Generalized Upper Model)，WordNet 和 MindNet 等。(5) 任務本體(Task ontologies)，主要研究如 Chandrasekaran等人的關(guān)于任 務和問題求解方法本體的研究。除了上述幾種分類方法外，1999年，Perez和Benjamins在分析和研究了各 種本體分類

14、法的基礎上，歸納出10種本體：知識表示本體、常識本體、頂級本體、元(核心)本體、領(lǐng)域本體、語一言本體、任務本體、領(lǐng)域一任務本體、方法 本體和應用本體。這種分類法是對 Guarino提出的分類方法的擴充和細化，但是 這10種本體之間存在交叉，層次不夠清晰。2.1.3本體的功能與作用1、本體為人和主體之間的溝通和交流提供了共享的基礎，也方便了不同領(lǐng) 域的系統(tǒng)開發(fā)人員和研究人員之間的溝通，它是人機在語義上交互的最好的基 礎。而開發(fā)領(lǐng)域本體的主要目的之一就是在人們和軟件智能之間對信息結(jié)構(gòu)的理 解提供一種可共享的、共同的理解機制。2、本體支持對于知識的重用。本體提供了獨立于應用的描述方法使之可在 不同系

15、統(tǒng)間重用。例如在基于構(gòu)件的軟件開發(fā)過程中，開發(fā)知識系統(tǒng)時知識工程 師可以將本體論概念引入知識工程，詳細說明模型中的概念、實例、關(guān)系和公理 等實體，并以此建立領(lǐng)域本體。然后針對屬性提出本體建模概念化分析的形式化 方法，解決知識共享中的問題。此舉有效的提高了工作效率，促進了來自不同領(lǐng) 域的研究人員和組織間的交流。3、本體提供了一種結(jié)構(gòu)化的表示領(lǐng)域知識的形式化方法。在本體中，明確說明了領(lǐng)域概念及概念之間的關(guān)系，并且支持對領(lǐng)域規(guī)則的描述，是領(lǐng)域知識的形式化表示。4、知識本體可以明確領(lǐng)域假設，使領(lǐng)域公理得到明確描述從而達成共知。9© 1 *>4-2010 China Academic J

16、ournal ElBttranic PuKlijihing House. Al rights reserved, http:5、本體有助于知識的標準化。本體為人們描述目標世界提供了一組通用詞 匯，而這種通用的詞匯正是實現(xiàn)知識系統(tǒng)化的基礎。 通用詞匯和知識的系統(tǒng)化有 利于實現(xiàn)知識的標準化。2.1.4本體的應用目前本體已經(jīng)廣泛應用于人工智能、知識工程及其相關(guān)領(lǐng)域。本體的功能及 其應用領(lǐng)域大致可以概括為三類：作為知識表示方法，應用于知識工程和知識管 理；作為系統(tǒng)分析方法，應用于信息建模、面向?qū)ο蠓治龊蛿?shù)據(jù)庫設計；作為信 息語義的形式化表示方法，應用于異構(gòu)信息集成、多智能體系統(tǒng)、語義Web等。具體來說

17、可以分為以下幾個方面：1、信息檢索本體具有的良好的概念層次結(jié)構(gòu)和對邏輯推理的支持，因而在信息檢索，特 別是在基于知識的檢索中得到了廣泛的應用?；诒倔w的信息檢索的基本設計思 想可以總結(jié)如下：（1）在領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，建立相關(guān)領(lǐng)域的本體；（2）收集信息源中的數(shù)據(jù)，并參照已建立的本體把收集來的數(shù)據(jù)按規(guī)定格式存 儲在元數(shù)據(jù)庫（RDB（關(guān)系數(shù)據(jù)庫），KDB（知識數(shù)據(jù)庫）等）中；（3）對用戶檢索界面獲取的查詢請求，查詢轉(zhuǎn)換器按照本體把查詢請求轉(zhuǎn)換成規(guī)定的格式，在本體的幫助下從元數(shù)據(jù)庫中匹配出符合條件的數(shù)據(jù)集合，檢索的結(jié)果經(jīng)過定制處理返回給用戶。表2.2本體應用于信息檢索的項目項目說明2（Onto） Ag

18、e nt幫助用戶檢索所要的 www上已有的Ontology，主要采用參照 Ontology， 即以www上已有的Ontology為對象建立起來的 Ontology，保存各類Ontology的元數(shù)據(jù)。On tobroker面向www上的網(wǎng)頁資源，目的是幫助用戶檢索所需的網(wǎng)頁，這些網(wǎng)頁含有用戶關(guān)心的內(nèi)容。SKC解決信息系統(tǒng)語義異構(gòu)問題，實現(xiàn)異構(gòu)自治系統(tǒng)間的互操作，通過在Ontology上的一個代數(shù)系統(tǒng)來實現(xiàn)Ontology之間的互操作，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作。2、電子商務電子商務的出現(xiàn)，為來自不同領(lǐng)域、不同地區(qū)甚至不同國家的商業(yè)伙伴之間 進行交易提供了更為方便快捷的商務平臺，因此受到了企業(yè)和商家

19、越來越多的重 視。但由此而來的電子商務交易方的大量產(chǎn)品描述、目錄和文檔，以及亟待解決的異構(gòu)問題成為B2B電子商務發(fā)展的瓶頸所在。10© 1 *>4-2010 Chirui Academic Journal Ekctronic PuKlijihing House. All rights reserved, http:/'/wavi. Jidt本體在B2B的通信中可以起到信息集成的作用，它將信息的表示分為三個 層次：語法層、數(shù)據(jù)模型層和本體層，其中語法層與使用XML序列化表示的文檔實例相對應；數(shù)據(jù)模型層將語法層中的差異抽取出來進行統(tǒng)一表示，并用對象-屬性-值的形式對產(chǎn)品進行

20、描述；而本體層則定義不同產(chǎn)品和文檔標準提供的 各種信息的術(shù)語，有效地幫助其完成 Web數(shù)據(jù)的語義處理和管理。3、數(shù)字圖書館數(shù)字圖書館是社會信息基礎結(jié)構(gòu)中信息資源管理、 存儲和傳輸?shù)幕窘M織形 式,擁有豐富的超容量多媒體介質(zhì)的數(shù)字化信息資源，依托網(wǎng)絡為信息需求者提 供快捷高效的數(shù)字化圖書館信息服務。但各類信息常在具體系統(tǒng)條件限制下用專 門語言定義組織為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和格式， 難以有效進行機器支持的檢索、 解析、處理 和交換，更不要說進行跨文獻單元、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)層次和系統(tǒng)范圍的信息挖掘、 抽取、綜合分析描述、轉(zhuǎn)換了。本體的出現(xiàn)就極大的解決了語義知識缺乏的問題， 為XML與RDF等技術(shù)提供語義支持。在進

21、行信息資源整合時，本體可以靈活 處理各類信息資源，有效識別信息資源的類型，提供資源庫領(lǐng)域知識的規(guī)范描述， 提供元數(shù)據(jù)映射方案，為智能代理與信息環(huán)境之間提供基于語義的理解機制，此外還可作為跨平臺、跨系統(tǒng)之間的通信中介存在，為揭示知識間的語義關(guān)系提供 了清晰的描述，為數(shù)字圖書館提供了一個統(tǒng)一框架、 規(guī)范模型，利用概念、屬性、 屬性與屬性之間的映射關(guān)系等對語義進行描述，為語義理解與交流的可行性大大 加分。4、知識服務知識服務，即以信息知識的搜尋、組織、分析的知識和能力為基礎，根據(jù)用 戶的問題和環(huán)境，融入用戶解決問題的過程之中，提供能有效支持知識應用和知 識創(chuàng)新的服務。目前，數(shù)字圖書館知識服務需要一個

22、新型的技術(shù)基礎，支持數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)、知識析取、知識應用和智能化服務（智能Web服務）。無疑，本體技術(shù)仰仗其豐富的語義和廣泛的關(guān)系， 是實現(xiàn)以上目標的最佳手段，將本體 建設和相應的代理引擎設計相結(jié)合即可解決問題。用DAML-S在服務模型基礎上定義流程模型本體，綜合人工智能規(guī)劃和工作流程研究成果，定義Web服務中的流程類型和流程控制等信息，可以較好的表示W(wǎng)eb服務自動集成中的流程分類、合成、控制和時間約束等細節(jié)。5、自然語言理解本體是對世界知識概念化描述，它作為系統(tǒng)中的知識庫，是由概念集合以及 概念之間的關(guān)系所組成的計算實體。我們可以利用本體中所蘊涵的世界知識中的 約束，結(jié)合語言知識可以進行消

23、歧和推理。在系統(tǒng)中，歧義的產(chǎn)生主要源于兩方面：句法分析產(chǎn)生多種可能的句法分 析樹，即結(jié)構(gòu)歧義；詞匯對應多個語義概念，即由多義詞產(chǎn)生的詞匯歧義。消11© 1 *>4-2010 China Academic Journal ElBttranic PuKlijihing House. Al rights reserved, http:歧就是在多個可能的意義中選擇最適合的意義，利用本體中的概念以及概念之間的約束關(guān)系進行語義分歧的消除。 一般來說消歧可以有以下幾種手段：第一，利用句法信息，在分析及生成句法樹的同時檢查結(jié)構(gòu)是否符合詞匯的句法限制。第二，利用語義片斷組合過程來檢查語義限制。第

24、三，利用本體的結(jié)構(gòu)定義權(quán)重， 用語義描述的權(quán)值來消歧。由此可知，本體在自然語言理解領(lǐng)域中的作用：首先, 領(lǐng)域知識在釋疑中往往起到極為重要的作用，而領(lǐng)域本體則為領(lǐng)域知識的表示提 供了基礎；其次，領(lǐng)域本體有助于識別不明確的語義分類，在此處本體又擔當起了概念詞典的作用。2.1.5本體的集成本體集成的問題由歐洲委員會于2001年啟動的 SWAP(Semantic Web andPeer-to-peer項目16發(fā)現(xiàn)。該項目需要一種能夠在每個終端構(gòu)建各自的本體之后 生成一個大本體的工具，因而發(fā)現(xiàn)了將多個不同團隊構(gòu)建的多個小本體集成為一 個大本體時的本體映射和本體合并的問題 17。另外，由歐洲委員會資助的另

25、外 一個項目 SEKT(Semantically Enabled Knowledge technologies嚴也發(fā)現(xiàn)了本質(zhì)上 相同的問題，他們需要為使用多個不同本體的應用找出這些本體之間的關(guān)系，實現(xiàn)本體之間的交互，以達成基于這些本體的數(shù)據(jù)間的重用和互操作19，稱其為本 體調(diào)解”(ontology mediation)在本體集成的研究過程中，美國斯坦福大學、德國 卡爾斯魯厄大學等一批頂尖本體研究機構(gòu)與知識網(wǎng)”(KnowledgeWeb, KW)2°等項目取得了大量的研究成果，處于國際領(lǐng)先水平。而在國內(nèi)，本體集成還是一個 相對較新的研究領(lǐng)域，相關(guān)研究剛剛起步。其中，對于本體構(gòu)建工程的研

26、究集中 于本體的自動構(gòu)建，也就是本體學習(ontology learning)，孔敬21、杜小勇等人22 進行了較為全面的綜述。本體維護工程，也就是本體生成之后使用過程中對本體 進行修改使其進化的工程，由于這一方面的研究在國際上也還沒有展開，所以馬文峰等人23只是簡單的介紹了本體進化的概念和研究前景。而對于本體集成工 程，目前還未見有研究綜述出現(xiàn)。1、本體集成的基本原則通過國內(nèi)外本體集成方法和過程的研究，本體集成應該遵循以下四條基本原則：(1) 完備性原則。主要指語義完備性和約束完備性，待集成本體中如果有 語義或約束應用需求，則該語義或約束一定要在目標本體中有所體現(xiàn)。(2) 進化原則。本體集成

27、同本體構(gòu)建一樣，是一個動態(tài)過程，集成后的本 體一定要具有可復用性及二次開發(fā)的空間和能力。(3) 廣度與深度兼顧原則。即覆蓋程度和細化程度要求兩者兼顧。(4) 實用性原則。所謂實用性原則就是一方面要盡量減少人的工作量，另 一方面要考慮集成的復雜程度，當將多個本體進行集成所花費的工作量及耗費比12© 1 *>4-2010 Chirui Academic Journal Elec Iran ic PuKlijihing House. Al rights reserved, http: /'/wav .cnk i. iidt重新構(gòu)建一個新本體還要大的時候，就已經(jīng)無所謂集成了24

28、。2、本體集成的分類廣義上所說的本體集成，即本體融合(On tology Rec on ciliati on)，指的是把多 個本體匯聚到一起使用，此時所涉及到的情況很多，本體集成也可廣義的分為如 下兩類：本體串聯(lián)(Ontology Aligning)和本體集成(Ontology Integrating)。本體串 聯(lián)是把兩個本體串在一起，建立相互之間的映射，但各自本體仍然獨立并且沒有 被改變。本體集成則是把兩個本體Oi和。2有機地結(jié)合在一起，產(chǎn)生新的一個本 體O和從實體Oi和O2到實體O的映射A*。狹義來講，按照集成程度的不同，本體集成可以分為本體映射(on tologymapping)、本體結(jié)

29、盟(ontology alignment)和本體合并(ontology merging)。上述 3 種形式的集成程度依次增強，體現(xiàn)了從松散集成、封裝集成到緊密集成的過渡關(guān) 系25。按照本體語言的不同，本體集成可以分為本體概念層集成和本體語言層集 成。當有兩個或多個本體庫描述的領(lǐng)域有交集時，要對這些本體庫進行集成，就必須解決概念層描述的差異。而當語法存在差異以及表達能力上存在差異時，即 需進行本體語言層的集成26。2.2領(lǐng)域本體構(gòu)建研究根據(jù)前文所述，本體作為一種通用的知識共享模式，為特定領(lǐng)域的人和應用 系統(tǒng)的交流提供極大的便利，也因為如此，本體的研究和應用迅速延伸到知識工 程、自然語言處理、信息

30、檢索系統(tǒng)、智能信息集成和知識管理、信息交換和軟件 工程等領(lǐng)域，而如何對這些不同領(lǐng)域內(nèi)的知識進行抽取和描述并構(gòu)建出合適的領(lǐng) 域本體已成為目前的研究熱點之一。所謂的領(lǐng)域本體(domain-specific ontology)就是對學科概念的一種描述，包 括學科中的概念、概念的屬性、概念間的關(guān)系以及屬性和關(guān)系的約束27。由于知識具有顯著的領(lǐng)域特性，所以領(lǐng)域本體能夠更為合理而有效的進行知識的表 示。領(lǐng)域本體可以表示某一特定領(lǐng)域范圍內(nèi)的特定知識。 這里的 領(lǐng)域”是根據(jù)本 體構(gòu)建者的需求來確立的，它可以是一個學科領(lǐng)域，可以是某幾個領(lǐng)域的一種結(jié) 合，也可以是一個領(lǐng)域中的一個小范圍。2.2.1領(lǐng)域本體的模型及

31、建模原語下面是一個用于領(lǐng)域知識表示的本體模型：領(lǐng)域本體是一個四元組O=C,l,R,Ax。其中：C是本體中的類集，I是類集C中的實例集，R是類集C上 的關(guān)系集合，類的繼承關(guān)系(is a)是最常見的類間關(guān)系，而 Ax是類間公理集合， 給出類集C的類之間屬性和關(guān)系的嚴格約束。13© 1 *>4-2010 Chirui Academic Journal Elec Iran ic PuKlijihing House. Al rights reserved, http: /'/wav .cnk i. iidt如果再把關(guān)系R詳細劃分為關(guān)系和函數(shù)，就有了 Perez等人用分類法組織的

32、五元組本體：0=(C, R，F(xiàn)，A，I)，其中C、R、F、A和I分別是本體中概念、 關(guān)系、函數(shù)、公理和實例的集合，這五點也可以被稱為五個基本的建模原語。1、類(classes或概念(con cepts)概念(Concept)是一類對象的集合的抽象描述：C= O1，O2O n，其中Oi是領(lǐng)域中的對象。概念的含義很廣，可以表示任務、功能、行為、策略和推理過程等等。在實踐中，本體中的概念往往可以和類(Class)、類I(Category)、種類(Type) 通用。但是本體中的類與面向?qū)ο缶幊讨械念愂怯袇^(qū)別的， 兩者的重心不同，前 者關(guān)心類的結(jié)構(gòu)特征，而后者則關(guān)心類的操作特征。2、關(guān)系(Relatio

33、n)描述n個概念所含對象之間的聯(lián)系：0， C2Cn間的n元關(guān)系Rn：C1 x(c xxC是n個概念的笛卡兒乘積的任意子集。關(guān)系描述領(lǐng)域概念間的相互作用，基本的二元關(guān)系有4種：part-of，表示概念之間部分與整體的關(guān)系；kind-of，表示概念之間的繼承關(guān)系；instance-of表示 概念的實例與概念之間的關(guān)系；attribute-of示某個概念是另一個概念的屬性。在 實際建模中，概念之間的關(guān)系不限于這4種，可以根據(jù)領(lǐng)域的具體情況定義相應 的關(guān)系，例如connect-to。在實踐中，本體中的關(guān)系往往可以和性質(zhì)(Property)、屬性(Attribute)、角色(Role)，槽(Slot)通

34、用，例如在描述邏輯中稱為Role，而在基于框架的表示中稱為 Slot。3、函數(shù)(Fu nctio n)F： C1XCcX-X£-1Cn，函數(shù)是一類特殊的關(guān)系，其前 n-1個元素可以唯一 的確定第n個元素，如Mother-of就是一個函數(shù)，mother-of(x,y)表示y是x的母 親。4、公理(Axiom)公理是無需證明的永真斷言。公理在本體中有兩個作用：嚴格定義概念和在 本體所表達的知識范圍內(nèi)回答問題。5、實例(In sta nce 或 In dividual)實例表示元素，即概念對應的對象。一般認為，類C是具有類似性質(zhì)的所有個體的抽象。在領(lǐng)域本體中，實例I和類C緊密相關(guān)，是本體中

35、最基本最具體的對象，個體從屬于某個類就成為這 個類的一個實例。類有外延和內(nèi)涵兩個側(cè)面。外延指類所代表的個體的范圍，可 以認為是類的所有實例構(gòu)成的集合；內(nèi)涵則是類的實例共同具有的所有性質(zhì)。某個個體是類的實例，當且僅當它具有內(nèi)涵中規(guī)定的所有性質(zhì)；某種性質(zhì)在類的內(nèi)14© 1 *>4-2010 China Academic Journal ElBttranic PuKlijihing House. Al rights reserved, http:涵中，當且僅當類的所有實例都具有這種性質(zhì)。 本體中所有類和實例構(gòu)成本體的 論域。另外，在基于描述邏輯的本體中，公理A可以分為兩類：術(shù)語公理和

36、實例公理，實例公理對一個本體而言并非必需的，而術(shù)語公理則可以看成一類關(guān)系， 在實踐中往往定義為本體表示語言的描述符。 函數(shù)F和實例I不是必需的，可視 本體建模的詳盡程度而進行取舍。222本體建模語言目前有很多種本體語言，但歸結(jié)起來大體可以分為兩大類型：基于AI的本體實現(xiàn)語言和基于 Web的本體標記語言，以下我們將分別簡要介紹。一、基于AI的本體描述語言1、KIFKIF ( Knowledge Interchange Forma)是由斯坦福大學開發(fā)的。斯坦福(Sta nford)大學知識系統(tǒng)實驗室進行了關(guān)于知識本體的研究，包括研究知識的 本質(zhì)特征和基本屬性。在這項研究中，D. Bobrow, R

37、. Brachman和V. Lifschitz等AI專家提出了這種稱為知識交換格式(knowledge interchange format,簡稱 KIF)的知識描述語言，它的研究重點是語言的表達能力。它不同于KR系統(tǒng)間交換知識的格式，是一種基于一階邏輯的語言，特點是：它有公開的語義，不再 需要專門的解釋器；在邏輯上是全面的，可以對任意的邏輯語句進行表達； 可以 提供對元知識的表現(xiàn)。KIF和其它知識表示語言之間的區(qū)別在于它必須是和應用完全無關(guān)的，另 外必須具有足夠的表達能力使得所有其它的知識表示語言都有轉(zhuǎn)換成KIF標準格式的可能2、OntolinguaOn toli ngua 是一種基于 KI

38、F( Kn owledge in tercha nge format)，提供統(tǒng)一的規(guī) 范格式來構(gòu)建本體的語言。它可以用來定義對象、函數(shù)和關(guān)系。KIF擁有明確的語義，它是基于一階謂詞邏輯運算的，并帶有注釋性的前綴。KIF還可以提供元知識的表示和非單調(diào)性的推理規(guī)則。KIF作為一種交互格式，從本質(zhì)上對本體進 行了規(guī)定。但這種用KIF寫出來的有關(guān)本體的規(guī)范說明相當乏味難懂。在Ontolingua中，定義本體是一種形式化和描述性的表示。它包含一個主體領(lǐng)域中 涉及到的詞匯(術(shù)語)以及描述這些詞匯是什么，之間如何相關(guān)和能否彼此相互 關(guān)聯(lián)的邏輯化的斷言。該語言支持 3種本體定義方式：(1)采用KIF表示；(2

39、)僅僅使用frame ontology的詞匯庫定義本體；(3)同時使用上述兩種表示 方式。Ontolingua包含KIF分析器、本體分析工具和一組 Ontolingua轉(zhuǎn)換器， 且獨立于特定表示系統(tǒng)的本體定義機制。其特點是：為構(gòu)造和維護本體，提供了統(tǒng)一的、計算機可讀的方式；由其構(gòu)造的本體可以方便的轉(zhuǎn)換到各種知識表示和15© 1 *>4-2010 Chirui Academic Journal Elec Iran ic PuKlijihing House. Al rights reserved, http: /'/wav .cnk i. iidt推理系統(tǒng)(Prolog、C

40、ORBA 的 IDL、CLIPS、LOOM、Epikit、Algernon 和 KIF), 從而將本體的維護與使用它的目標系統(tǒng)分離；主要用于本體服務器(on tologyserver)。3、CycLCycL是Cyc系統(tǒng)的描述語言，本質(zhì)上是一階謂詞邏輯(FOPC)的一種擴展。 它可以處理等詞、缺省推理、skolem化和其它一些二階特性，具有多種推理機 制(通用推理機制和特殊推理機制)，命名唯一，且使用謂詞來表達概念之間的 關(guān)系，目前最多處理五元關(guān)系。CycL的特點是：在一階謂詞演算的基礎上擴充了等價推理、缺省推理等功 能；具備二階謂詞演算的能力；其語言環(huán)境中配有功能很強的可進行推理的推理 機。4

41、、LoomLoom是一種基于一階謂詞邏輯的知識表示語言，由美國南加洲大學信息科 學學院設計并實現(xiàn)。特點是：提供表達能力強、聲明性的規(guī)范說明語言；提供強 大的演繹推理能力，能供多種編程風格和知識庫服務。該語言后來發(fā)展成為 PowerLoom語言。PowerLoom是KIF的變體，它是基于邏輯的，可以提供表達 能力強、聲明性的規(guī)范說明語言，也可以提供強大的演繹推理能力，采用前規(guī)則(backward and forward chaine)作為推理機制。5、FlogicFlogic(Frame Logic)由卡爾斯魯厄大學開發(fā)，可以表示概念、概念分類、二 元關(guān)系、函數(shù)、實例、公理和規(guī)則。與上述幾種語言

42、相比，它是唯一沒有采用LISP 語法的語言。其推理引擎 OntoBr可以用來進行約束檢查和演繹新知識。Flogic擁有一套模式理論的語義(A Model-theoretic Semantics)和一套完備的基于問題解 決方案的證明理論(Proof Theory)o FLogic軟件平臺從面向?qū)ο蟮难堇[型數(shù)據(jù)庫 (Deductive Databases發(fā)展成為本體，它可以融合其他的專門邏輯(如高階邏輯 HiLog、事務邏輯Transaction Logic。)，并以此來改善本體中利用信息進行推理 的功能。6描述邏輯描述邏輯(Description Logic)是基于對象的形式化知識表示方式，它吸

43、取了KL-ONE的主要思想，是一階謂詞邏輯的一個可判定子集。描述邏輯中的 描述”是指對一個領(lǐng)域知識采用描述的方式表達，即利用概念和規(guī)則構(gòu)造符將原子概念 (一元謂詞)和原子規(guī)則(二元謂詞)構(gòu)建出描述表達式；邏輯”是指DL采用了正規(guī) 的基于邏輯的語義，這與語義網(wǎng)絡及框架等知識表示機制是不同的四。與一階謂詞邏輯所不同的是，描述邏輯系統(tǒng)能提供可判定的推理服務。在眾多知識表示的形式化方法中，描述邏輯在近年來頗受人們的關(guān)注，主要原因也在于強大的表16© 1 *>4-2010 China Academic Journal ElBttranic PuKlijihing House. Al ri

44、ghts reserved, http:達能力和清晰的模型理論機制，另外描述邏輯提供了很多推理服務，成為眾多流 行化本體描述語言的基礎。描述邏輯的知識庫 K=<T, A>由Tbox(術(shù)語)和Abox(斷言(Assertoin)兩個部 分組成，其中Tbox是一個關(guān)于包含斷言的有限集合，有如下形式： C D，這里 C和D為概念。通常我們用CO作為C D和D C的縮寫。ABox是實例斷言 的有限集合，形式為c(a)，其中c是一個概念，a是一個個體，或者形為P(a, b)， 其中P為一個原始關(guān)系，a和b為兩個個體。一般地，描述邏輯依據(jù)提供的構(gòu)造 符，在簡單的概念和關(guān)系上構(gòu)造出復雜的概念和關(guān)

45、系。通常描述邏輯至少包含以 下構(gòu)造符：交(G)、并(U)、非()、存在量詞()和全稱量詞(口)，這種最基本的 描述的基礎上再添加不同的構(gòu)造符，則構(gòu)成不同的表達能力更強的描述邏輯。(1)描述邏輯的語法和語義表2.3中列出了描述邏輯的一般的語法和語義29:表2.3描述邏輯的一般語法及語義構(gòu)造苻的名稱構(gòu)造曲的語捷構(gòu)造符的不體縱釋TT通用類TJ =出丄空淇丄鼻0-.C原子否術(shù)舍取VAD図性值的束(VP.DY =aw M T0 w D，3ATWft存注妁康(3P.T)7|站"胡疋 嚴DJE-(nu£y 二 mur非限定性存在約束(3P.D)J 壬 W & I 站”捫 E 尸J

46、<nP 巔小數(shù)目灼束=口&|創(chuàng)3上比嚴藝町N廿(=nP)1 = <? e Ar | (tr,e F; J = «SnP最大皈目的束E“刊二佃e出|訕血時WD(2) 描述邏輯的推理功能描述邏輯的推理功能主要集中在以下兩個方面：包含(subsumption)：即判斷一個概念是否為另一個概念的子集，主要用于概念的 自動分類；可滿足性(satisfiability ):即判斷一個概念與己有的概念集(本體)是否相容，主要用 于概念集合的一致性檢測。(3) 描述邏輯的特征描述邏輯具有有很強的表達能力和可判定性，能夠保證算法在合適的地方準 確的停止，且返回結(jié)果正確無誤，并可提供

47、有效的推理服務。描述邏輯的優(yōu)點17© 1*4-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. Al rigilts reserved.定義良好的語義和表達能力，清晰的模型一理論機制；具有很強的表達能力和可判定性；基于邏輯的推理能力，且提供了有效的推理算法，如著名的Tableaux的算法;推理工具的支持，如優(yōu)化的推理工具 FaCT、RACER等30。二、基于Web的本體描述語言1、RDF 和 RDF（S）RDF（資源描述框架，Resource Description Framework） RDF-S（RDF Schema

48、）, 是W3C在XML的基礎上推薦的一種標準，用于表示任何的資源信息。RDF模型的基礎要素是三種類型的對象：（1）資源（resources，標識實際的以網(wǎng)絡 為基礎的資源，比如網(wǎng)頁和網(wǎng)絡應用程序。統(tǒng)一資源標識符（URI）可用來標識資源，每一個URI指向一個特定的網(wǎng)頁或網(wǎng)絡應用程序。（2）屬性（properties）， 指定特定資源的屬性或特性。（3）聲明（stateme nts是資源和屬性的下一級延伸， 其作用是在一項特定的資源中為屬性分配屬性值。每個RDF聲明都用XML來表述。RDF的數(shù)據(jù)模型實質(zhì)上是一種二元關(guān)系的表達，由于任何復雜的關(guān)系都 可以分解為多個簡單的二元關(guān)系，因此 RDF的數(shù)據(jù)模

49、型可以作為其它任何復雜 關(guān)系模型的基礎模型。RDF具有通用性，并不限定于某個領(lǐng)域的網(wǎng)絡資源定義， 而它所描述的網(wǎng)絡資源也可以是任意格式的，既可以是XML格式的，也可以不是。總之，RDF是W3C提出的一種知識表示模型，它希望支持網(wǎng)絡上的知識共 享（sharing）與知識交換（Exchange）。RDF Schema則為RDF資源的屬性和類型提供定義良好的詞匯表。RDFS是一種用于定義 RDF schemas的聲明語言（Declarative Language）b RDFS的數(shù)據(jù)模 型（DM Data Model）是基于框架的（Frames-based）它為定義屬性與資源之間 的關(guān)系提供了機制，核

50、心的概念/類（Core classes是類、資源和屬性。RDF Schema 定義了一個類型系統(tǒng)（Type System），它與其他類型系統(tǒng)的區(qū)別在于對 類”的定 義，其他系統(tǒng)通過類的屬性來定義類，而RDF Schema通過從屬于哪些類的資源 來定義屬性。2、OILOIL是一種針對ontology的基于互聯(lián)網(wǎng)的表現(xiàn)和推理層。OIL以RDF Schema 為起點，用更為豐富的本體建模原語對 RDF Schema進行擴充，把基于框架表示 的方法應用于建?；?，實現(xiàn)了由描述邏輯來刻畫形式化的語義并以此為系統(tǒng)提 供有效的推理支持。OIL將框架系統(tǒng)、描述邏輯和 Web標準（XML和RDF）這 三個不同領(lǐng)

51、域的優(yōu)點結(jié)合起來，這三個領(lǐng)域的工作分別是：（1）基于框架的系統(tǒng)：基于框架的語言的中心建模原語是類（稱作框架）和屬性（稱為槽）。（2）描述邏輯（DL）:描述邏輯通過概念（對應于類或者框架）和角色（對應于槽） 描述知識。DL的一個重要特征是它們具有良好的理解理論性質(zhì)，并且在DL中18 © 1 *>4-2010 China Academic Journal ElBttranic PuKlijihing House. Al rights reserved, http:任何表達的含義都可以通過數(shù)學的精確的方式描述， 而OIL就是從DL中繼承了 形式化語義和有效的推理支持。（3）互聯(lián)網(wǎng)標準

52、：這里指的是 XML和RDF, OIL標記語言的語法均源自 W3C的這些標準。一個OIL 本體用關(guān)鍵字begin-ontology 和end-ontology來描述，其中包 括on tology con tai ner和實際的本體定義兩大部分構(gòu)成。von tology>:=beg in-on tology<container>vdefi niti ons>end-on tology3、SHOESHOE （簡單HTML本體擴展）是一種可以內(nèi)嵌入 web頁面的基于本體的 知識表示語言。SHOE語言的簡單性是它的長處，SHOE本體可以讓大眾在 web 頁面上定位它們，可以建立

53、/擴展本體，而本體交互所能達到的程度是：可共享 同一祖先本體。如前所述，SHOE是基于HTML的Web上的知識表示語言，具 有XML兼容性。SHOE實際上是HTML的擴展集。它的開發(fā)首要是為了擴展 HTML，然后是在HTML或者其它Web文檔中合并機器可讀的語義知識。 最近， 研究人員又對SHOE進行了調(diào)整，使之更適應于 XML。SHOE的目的在于使代 理可以收集網(wǎng)頁上、文檔中的有用信息，改進搜索機制和知識收集。SHOE有三種類型的推理子從句：分類、關(guān)系和比較。它通過建立邏輯，將數(shù)據(jù)和本體分離開來，允許本體在數(shù)據(jù)層面上提供不同視圖。通過映射SHOE到這個邏輯可展示一個本體修訂的不同類型是怎樣影

54、響已存在的數(shù)據(jù)源的。另外要注意的是增加分類或關(guān)系的修訂不會產(chǎn)生什么影響，而修改規(guī)則的修訂會改變查詢結(jié)果以及刪除分類或關(guān)系的修訂可能消除確定的答案。4、XOLXOL（Ontology Exchange Language）是 SRI International 的人工智能中心（AIC）開發(fā)的。它是一種簡單通用的定義本體的方法， 以Ontolingua和XML（本 體標記語言）為基礎，融合了 OKBC的高層表達方式和OML語法。其目的是在 不同的數(shù)據(jù)庫、本體開發(fā)工具、或者其它應用程序之間交換本體。XOL設計之初是為生物信息學領(lǐng)域本體的交換，但是它可以應用于各種領(lǐng)域。目前沒有支持 XOL本體開發(fā)的工具

55、，但由于它采用 XML語法，所以可以采用XML編輯器創(chuàng) 建XOL文件。XOL基本上不用于本體開發(fā)，但是可以在不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)間、 不同的本體開發(fā)工具間或應用程序間作為本體傳遞的中介語言。5、OWL19© 1 *>4-2010 Chirui Academic Journal Elec Iran ic PuKlijihing House. Al rights reserved, http: /'/wav .cnk i. iidtOWL （Web Ontology Language）位于 W3C 繪制的 ontology 語言棧的棧頂，應用中不僅僅需要提供給用戶可讀的文檔內(nèi)容

56、，而且希望處理文檔內(nèi)容信息。OWL能夠被用于清晰地表達詞匯表中的詞條（term）的含義以及這些詞條之間 的關(guān)系。由于OWL擁有更多的機制來表達語義，從而超越了 XML、RDF和RDF Schema僅能表達網(wǎng)上機器可讀的文檔內(nèi)容的能力。圖2.1 ontology語言棧（1）OWL子語言OWL提供了三種表達能力遞增的子語言 OWL Lite、OWL DL和OWL Full， 分別用于特定的用戶群體。OWL Lite用于提供給那些只需要一個分類層次和簡單約束的用戶。例如， 雖然OWL Lite支持基數(shù)限制，但只允許基數(shù)為0或1。提供支持OWL Lite的工 具應該比支持其他表達能力更強的 OWL子語

57、言更簡單，并且從辭典（thesuari）和 分類系統(tǒng)（taxonomy）轉(zhuǎn)換到OWLLite更為迅速。相比 OWL DL，OWL Lite還具 有更低的形式復雜度。OWL DL用于支持強表達能力的同時需要保持計算的完備性（computati noalcompleteness，即所有的結(jié)論都能夠確保被計算出來）和可判定性（decidbaility，即 所有的計算都能在有限的時間內(nèi)完成）的知識表示。OWL DL包括了 OWL語言 的所有語言成分，但使用時必須符合一定的約束，例如，一個類可以是多個類的 子類，但它不能同時是另外一個類的實例。OWL DL的命名起因于它對應于描述 邏輯，這是一個研究作為 OWL形式基礎的邏輯的研究領(lǐng)域。OWL Full支持最