劉宇松

〔摘 要〕語(yǔ)義網(wǎng)的提出與發(fā)展促使了本體機(jī)制作為一種能夠描述語(yǔ)義的新型知識(shí)組織方式受到了前所未有的重視,本體的構(gòu)建及其應(yīng)用成為知識(shí)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本體構(gòu)建是本體應(yīng)用的基礎(chǔ),需要各領(lǐng)域的專(zhuān)家遵循一定的本體構(gòu)建原則,在合理方法論的指導(dǎo)下,采用恰當(dāng)?shù)年P(guān)鍵技術(shù)或使用便捷的本體開(kāi)發(fā)工具加以實(shí)現(xiàn)。

〔關(guān)鍵詞〕語(yǔ)義網(wǎng);本體構(gòu)建;指導(dǎo)原則;方法體系;開(kāi)發(fā)工具

〔中圖分類(lèi)號(hào)〕G250 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A 〔文章編號(hào)〕1008-0821(2009)09-0017-08

Research of Approaches and Development Tools in Constructing OntologyLiu Yusong

(Library,Jiangsu Institute of Economic & Trade Technology,Nanjing 211168,China)

〔Abstract〕The advance and development of semantic web causes that importance has never been attached to ontology as a new mode of knowledge organization which could describe semantic.Ontology construction and ontology applications have been hot points of research on the field of knowledge engineering.Ontology construction is the base of ontology applications,and it is necessary for domain experts to use right key techniques or convenient development tools to constructing ontology,with following appointed principles and the guidance of reasoning methodology.

〔Key words〕semantic web;ontology construction;principle;method system;development tool

“信息爆炸”時(shí)代的到來(lái),使得人們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索、訪(fǎng)問(wèn)、顯示、整合和維護(hù)都變得異常困難。在這種情況下,互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)始人Tim Berners-Lee在1998年首次提出了語(yǔ)義網(wǎng)(Semantic Web,SWeb)的概念[1],試圖通過(guò)具有語(yǔ)義表達(dá)(這里指機(jī)器可處理)能力的元素來(lái)描述互聯(lián)網(wǎng)中的信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)、分布網(wǎng)絡(luò)信息的有效訪(fǎng)問(wèn)、合理交換、語(yǔ)義處理和準(zhǔn)確檢索。Berners-Lee對(duì)SWeb的概念、特征以及體系結(jié)構(gòu)作為完整的闡述,提出SWeb能夠?qū)崿F(xiàn)人與機(jī)器之間的語(yǔ)義交流,而具有語(yǔ)義描述能力的本體機(jī)制則是實(shí)現(xiàn)這種語(yǔ)義交流的關(guān)鍵,是解決語(yǔ)義層次上網(wǎng)絡(luò)信息共享和交換的基礎(chǔ)。隨著SWeb的興起和探討,本體機(jī)制作為知識(shí)組織層面上的核心技術(shù)開(kāi)始被人們廣泛關(guān)注。

本體是描述概念模型(conceptualization)的明確清晰的規(guī)范說(shuō)明(specification)[2],具有明確性、形式性和共享性3大特征。本體機(jī)制引入知識(shí)工程領(lǐng)域是上世紀(jì)90年代的事情,經(jīng)過(guò)近二十年迅速發(fā)展,特別是受SWeb的影響,目前在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了很多成型的知識(shí)本體,典型的如WordNet,SENSUS,CYC,SUMO以及知網(wǎng)等。當(dāng)前,對(duì)本體的研究主要集中在本體理論探索、本體構(gòu)建、本體描述、本體映射、本體推理、本體應(yīng)用等方面,而本體的構(gòu)建及應(yīng)用更是各大領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本體構(gòu)建是本體應(yīng)用的基礎(chǔ)。本體構(gòu)建是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程,需要各領(lǐng)域的專(zhuān)家(領(lǐng)域?qū)＜?、本體工程師等)按照一定的本體構(gòu)建原則,在合理方法論的指導(dǎo)下,采用合適的關(guān)鍵技術(shù)或使用便捷的本體開(kāi)發(fā)工具加以實(shí)現(xiàn)。

1 本體構(gòu)建的指導(dǎo)思想和原則

出于對(duì)各自問(wèn)題域(領(lǐng)域)和具體工程(任務(wù))的考慮,本體構(gòu)建的過(guò)程也是各不相同。由于沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的本體構(gòu)建方法,研究人員從本體構(gòu)建的實(shí)踐出發(fā),總結(jié)提出了不少有益于本體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想,其中最有影響的是Gruber于1995年提出的5條原則[3]:

(1)明確性(Clarity):本體應(yīng)該能夠有效的表達(dá)術(shù)語(yǔ)的內(nèi)在含義。本體的概念定義應(yīng)該是客觀的,即定義概念的動(dòng)機(jī)可能起源于社會(huì)性情景或計(jì)算的需要,但應(yīng)該獨(dú)立于社會(huì)或計(jì)算環(huán)境;概念定義又應(yīng)該是形式化的,即盡可能使用完整性定義(斷言滿(mǎn)足充要條件)代替局部性定義(斷言?xún)H滿(mǎn)足充分或必要條件),必要時(shí)可以采用邏輯公理描述;所有客觀的、形式化的語(yǔ)義定義都應(yīng)該使用自然語(yǔ)言描述。

(2)一致性(Coherence):本體應(yīng)該能夠支持與定義相容的推理,使推理和定義本身不會(huì)產(chǎn)生矛盾。至少,定義的公理在邏輯上應(yīng)該保持一致。

(3)可擴(kuò)展性(Extendibility):本體在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該能夠預(yù)見(jiàn)共享詞匯的用途,應(yīng)該提供一個(gè)概念基礎(chǔ)以滿(mǎn)足可預(yù)見(jiàn)的任務(wù),以擴(kuò)展現(xiàn)有的概念體系。換句話(huà)說(shuō),向本體中添加專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)時(shí),不需要修改其已有的內(nèi)容定義。

(4)最小編碼傾向(Minimal encoding bias):本體的概念模型應(yīng)該被描述為知識(shí)層次,而不依賴(lài)于符號(hào)層次的編碼。編碼主要是為了滿(mǎn)足描述或執(zhí)行的便利性。在本體設(shè)計(jì)中,編碼應(yīng)該傾向最小化,使得在不同編碼或不同類(lèi)型編碼描述的系統(tǒng)中滿(mǎn)足知識(shí)共享。

(5)最小本體化承諾(Minimal ontological commitment):本體應(yīng)該要求最小本體化承諾以支持預(yù)期的知識(shí)共享行為。即僅需要定義知識(shí)交流所必需的術(shù)語(yǔ)即可。

Perez在Gruber本體構(gòu)建5原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)修改和擴(kuò)充,并融合其他學(xué)者如Arpirez[4]等的觀點(diǎn),提出了被實(shí)踐所證明的本體構(gòu)建10原則[5]:明確性和客觀性(Clarity and Objectivity)、完全性(Completeness)、一致性(Coherence)、最大單調(diào)可擴(kuò)展性(Maximum monotonic extendibility)、最小本體化承諾(Minimal ontological commitments)、本體差別原則(Ontological distinction principle)、層次變化性(Diversification of hierarchies)、最小模塊耦合(Minimal modules coupling)、同屬概念具有最小語(yǔ)義距離(Minimization of the semantic distance between sibling concepts)、命名盡可能標(biāo)準(zhǔn)化(Standardization of names whenever is possible)。

我國(guó)本體設(shè)計(jì)研究人員也在Gruber的5原則基礎(chǔ)上進(jìn)行了繼承和發(fā)展,在本體設(shè)計(jì)實(shí)踐中提出了更適于具體開(kāi)展工作的指導(dǎo)思想。中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心李景在分析總結(jié)了本體構(gòu)建的7種方法體系后,認(rèn)為在本體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循6條原則[6]:①本體面向特定的應(yīng)用目的;②基于一定的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域、學(xué)科背景或研究課題;③概念數(shù)目應(yīng)該盡可能的最小化,盡可能地將冗余去除;④本體概念定義的規(guī)模應(yīng)該是有限增長(zhǎng)的;⑤“類(lèi)”獨(dú)立性原則,即這個(gè)類(lèi)可以獨(dú)立存在。不依賴(lài)于某個(gè)課題或者某個(gè)學(xué)科專(zhuān)業(yè);⑥共享性原則,即類(lèi)一旦被確立,就一定有被復(fù)用的可能和必要。

也有的國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)5原則進(jìn)行了自我理解,認(rèn)為本體設(shè)計(jì)應(yīng)該滿(mǎn)足[7]:①完整性:即本體是否包括了該領(lǐng)域重要概念,概念及其關(guān)系是否完整,概念的等級(jí)、層次是否多樣化;②精確性:即本體中的術(shù)語(yǔ)是否被清晰無(wú)歧義的定義;③一致性:即本體中的概念間關(guān)系在邏輯上是否嚴(yán)密、一致,能否支持本體在語(yǔ)義邏輯上的推理;④可擴(kuò)展性:即本體可否順利實(shí)施進(jìn)化,本體能否在層次結(jié)構(gòu)上可擴(kuò)充,在語(yǔ)義上可豐富與完善,能否加入新的術(shù)語(yǔ)概念;⑤兼容性。即本體的開(kāi)放性和互操作性,本體能否和其他領(lǐng)域本體及相關(guān)資源系統(tǒng)進(jìn)行映射,包括系統(tǒng)層、邏輯層、語(yǔ)義層、表現(xiàn)層等的兼容和互操作。

當(dāng)前對(duì)本體構(gòu)建的指導(dǎo)原則、方法過(guò)程以及方法的性能評(píng)估等都還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),各領(lǐng)域的學(xué)者都在自己的實(shí)踐工作中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)作為指導(dǎo)方法。不過(guò)在構(gòu)建特定領(lǐng)域本體的過(guò)程中,有一點(diǎn)是得到大家公認(rèn)的,那就是需要該領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c。

2 本體構(gòu)建的基本思路和方法體系

隨著本體構(gòu)建實(shí)踐的逐步展開(kāi),研究人員在實(shí)際開(kāi)發(fā)中總結(jié)了開(kāi)發(fā)過(guò)程,得出了一些構(gòu)建本體,特別是領(lǐng)域本體構(gòu)建的基本思路,總結(jié)出了一系列本體構(gòu)建方法。

2.1 構(gòu)建本體的基本思路

目前,構(gòu)建本體的基本思路包括:

(1)利用領(lǐng)域資源,包括非結(jié)構(gòu)化文本,半結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)頁(yè)、XML文檔、詞典等以及結(jié)構(gòu)化的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等等,借助領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?從零開(kāi)始構(gòu)建本體,這是目前構(gòu)建本體的最常用的方法。試圖實(shí)現(xiàn)本體自動(dòng)構(gòu)建的本體學(xué)習(xí)技術(shù)也是基于這種思路開(kāi)展的;

(2)將已有的敘詞表或分類(lèi)詞表改造成本體,本體是對(duì)敘詞表的有效擴(kuò)展,可以認(rèn)為敘詞表是簡(jiǎn)化的本體,基于現(xiàn)有的敘詞表構(gòu)建本體可以利用敘詞表中現(xiàn)成的概念和概念關(guān)系;

(3)綜合現(xiàn)有的本體,經(jīng)過(guò)本體合并,并有效組織后形成通用本體或參考本體。

2.2 構(gòu)建本體的方法體系

當(dāng)前典型的本體構(gòu)建方法都是從具體的本體構(gòu)建項(xiàng)目中總結(jié)獲得的。最早出現(xiàn)的是1995年根據(jù)企業(yè)本體(Enterprise Ontology)和TOVE本體的開(kāi)發(fā)過(guò)程獲得的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。此后,陸續(xù)出現(xiàn)了一些新的本體構(gòu)建方法,如KACTUS工程法、METHONTOLOGY、SENSUS本體構(gòu)建方法等等;此外,IEEE組織提出的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 1074-1995)雖然是針對(duì)軟件開(kāi)發(fā),但是其過(guò)程對(duì)于本體構(gòu)建具有一定指導(dǎo)意義。

2.2.1 IEEE 1074-1995

IEEE 1074-1995[8]是IEEE組織在1995年制訂的關(guān)于規(guī)范軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)程序、過(guò)程,以及和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的關(guān)聯(lián)文檔和數(shù)據(jù)等都可以稱(chēng)為軟件[9]。本體可以認(rèn)為是部分軟件產(chǎn)品,因此其開(kāi)發(fā)過(guò)程可以遵循IEEE的軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。因此,基于該標(biāo)準(zhǔn)的本體開(kāi)發(fā)過(guò)程描述為[10]:

(1)本體生命周期建模階段:選擇一種本體開(kāi)發(fā)的生命周期模型,確定開(kāi)發(fā)步驟及各步驟執(zhí)行的先后次序;

(2)項(xiàng)目管理階段:對(duì)本體開(kāi)發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃、控制、質(zhì)量管理等;

(3)本體開(kāi)發(fā)階段:①在開(kāi)發(fā)前期,考察本體運(yùn)行的環(huán)境,回顧本體集成系統(tǒng)的可能性、針對(duì)本體類(lèi)型進(jìn)行可行性研究等;②在開(kāi)發(fā)期間,進(jìn)行需求分析(根據(jù)領(lǐng)域本體的需要指定本體工程師,確定領(lǐng)域?qū)＜业?、本體設(shè)計(jì)、本體實(shí)現(xiàn)(編碼等);③在開(kāi)發(fā)后期,進(jìn)行本體的安裝、操作、支持、維護(hù)。

(4)統(tǒng)一階段:包括本體評(píng)價(jià)、文檔完成、本體配置管理以及人員培訓(xùn)等。

2.2.2 骨架法

骨架法[11],也稱(chēng)為EO工程法,是Uschold和King在1995年開(kāi)發(fā)EO(Enterprise Ontology,關(guān)于企業(yè)建模過(guò)程的本體,是相關(guān)商業(yè)企業(yè)間術(shù)語(yǔ)和定義的集合)中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),它提出了一種本體開(kāi)發(fā)的具體步驟,其基本流程如圖1所示:

(1)明確本體應(yīng)用的目的和范圍:根據(jù)所研究的領(lǐng)域或任務(wù),建立相應(yīng)的領(lǐng)域本體或過(guò)程本體,領(lǐng)域越大,所建本體越大,因此需限制研究的范圍。

(2)構(gòu)建本體,該部分可以分為3個(gè)步驟:①本體分析,即識(shí)別目標(biāo)領(lǐng)域范圍內(nèi)的關(guān)鍵概念及其關(guān)系;對(duì)概念和概念關(guān)系進(jìn)行精確的描述和定義;獲取概念及其關(guān)系的相關(guān)術(shù)語(yǔ)。在這個(gè)階段,骨架法推薦采用中間擴(kuò)展(middle-out)[12]的方法來(lái)獲取概念,即先識(shí)別最重要的概念而不是最一般或最特殊的概念,然后基于重要概念以普遍化和特殊化的方法獲取本體層次結(jié)構(gòu)中的其他概念。該步驟需要領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c,對(duì)領(lǐng)域越了解,所建本體越完善。②本體表示(編碼),使用形式化語(yǔ)言對(duì)獲得概念及其關(guān)系(語(yǔ)義模型)進(jìn)行明確描述。③整合現(xiàn)存本體,在分析和表示階段,可以根據(jù)需要利用現(xiàn)存的本體。

(3)本體評(píng)價(jià):建立本體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(原則),滿(mǎn)足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)入下一階段;否則重新進(jìn)行本體分析。需要說(shuō)明的是,骨架法并沒(méi)有提供評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)本體成文:符合本體評(píng)價(jià)要求的本體部分(概念和關(guān)系)以文件的形式存放。

使用骨架法開(kāi)發(fā)的最重要的本體就是EO,該本體在愛(ài)丁堡大學(xué)的人工智能應(yīng)用研究所以及IBM、Lloyds Register,Logica UK Limited,和Unilever等合作單位共同開(kāi)發(fā)完成。骨架法清晰的描述了本體開(kāi)發(fā)的具體實(shí)現(xiàn)步驟,對(duì)于當(dāng)前本體開(kāi)發(fā)實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。

2.2.3 TOVE法

TOVE法[13],也稱(chēng)為評(píng)價(jià)法,是Grüninger和Fox等開(kāi)發(fā)TOVE工程本體(關(guān)于商業(yè)過(guò)程和活動(dòng)建模的本體)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。這種方法并非直接構(gòu)建以本體形式描述的知識(shí)的邏輯模型,而是先建立本體的非形式化描述說(shuō)明,然后將這種描述形式化。這種方法的本體構(gòu)建基本流程如下所示:

(1)激勵(lì)情節(jié)的獲取。Grüninger和Fox認(rèn)為本體開(kāi)發(fā)是由應(yīng)用中的具體情節(jié)所驅(qū)動(dòng)的。獲取激勵(lì)情節(jié)就是定義直接可能的應(yīng)用和所有解決方案,提供潛在的非形式化的對(duì)象和關(guān)系的語(yǔ)義表示。

(2)非形式化能力問(wèn)題的明確表達(dá)。將系統(tǒng)能力問(wèn)題(能夠回答)作為約束條件,包括能解決什么問(wèn)題和如何解決,這里的問(wèn)題用術(shù)語(yǔ)表示,答案用公理和形式化定義回答。由于是在沒(méi)有形式化本體之前進(jìn)行的,所以叫非形式化的能力問(wèn)題。

(3)術(shù)語(yǔ)的規(guī)范化。從非形式化能力問(wèn)題中抽取非形式化的術(shù)語(yǔ),然后用本體形式化語(yǔ)言進(jìn)行規(guī)范化定義。

(4)形式化能力問(wèn)題的明確描述。一旦本體內(nèi)的概念得到了定義,能力問(wèn)題就脫離了非形式化,演變?yōu)樾问交哪芰?wèn)題。

(5)將規(guī)則形式化為公理。術(shù)語(yǔ)定義所遵循的公理用一階謂詞邏輯表示。

(6)調(diào)整能力問(wèn)題解決方案的條件,從而使知識(shí)本體趨于完備。

2.2.4 KACTUS工程法

KACTUS工程法[14]是基于KACTUS(關(guān)于多用途復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)的知識(shí)建模)項(xiàng)目,由Berneras總結(jié)的。KACTUS項(xiàng)目的目的是開(kāi)發(fā)出技術(shù)系統(tǒng)全生命周期的知識(shí)重用方法學(xué),以便在設(shè)計(jì)、診斷、操作、維護(hù)、再設(shè)計(jì)和培訓(xùn)時(shí)使用同一知識(shí)庫(kù)。該方法具體的開(kāi)發(fā)過(guò)程包括:①應(yīng)用的說(shuō)明。提供應(yīng)用的上下文和應(yīng)用模型所需的組件;②相關(guān)本體范疇的初步設(shè)計(jì)。搜索已存在的本體,進(jìn)行提煉、擴(kuò)充;③本體的構(gòu)造。用最小關(guān)聯(lián)原則來(lái)確保模型既相互依賴(lài),又盡可能一致,以達(dá)到最大限度的系統(tǒng)同構(gòu)。

KACTUS工程法是在現(xiàn)存本體或應(yīng)用知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)抽象化(自底向上策略)過(guò)程構(gòu)建本體的方法。越多的應(yīng)用被實(shí)現(xiàn),形成的本體就越普遍。

2.2.5 METHONTOLOGY法

METHONTOLOGY方法[15]由馬德里技術(shù)大學(xué)(Polytechnic University of Madrid,UPM)人工智能實(shí)驗(yàn)室提出。METHONTOLOGY框架支持在知識(shí)的層次上完成本體構(gòu)建,它根據(jù)基于進(jìn)化原型的生命周期實(shí)現(xiàn)本體開(kāi)發(fā)過(guò)程,并指定了生命周期各階段中所需要的技術(shù)、輸出結(jié)果和評(píng)價(jià)過(guò)程?；谏芷诘腗ETHONTOLOGY方法的基本流程如下:

(1)工程管理階段。這一階段的活動(dòng)包括:①規(guī)劃(planning):明確本體開(kāi)發(fā)的具體工作,包括工作安排以及完成它們所需要的時(shí)間和資源布置等,這個(gè)過(guò)程決定了本體的抽象程度;②控制(control):保證規(guī)劃的工作可以按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方式完成;③質(zhì)量保證(Quality Assurance):確保滿(mǎn)意的產(chǎn)品輸出。

(2)本體開(kāi)發(fā)階段。包括①規(guī)范化(Specification):明確本體構(gòu)建的目的、功能和最終用戶(hù)等;②概念化(Conceptualization):將領(lǐng)域知識(shí)轉(zhuǎn)化為知識(shí)層次的概念模型;③形式化(Formalization):將概念模型轉(zhuǎn)化為形式化或半計(jì)算化的模型;④執(zhí)行(Implementation):使用計(jì)算語(yǔ)言構(gòu)建可計(jì)算的模型;⑤維護(hù)(Maintenance):修改和修正模型等5個(gè)過(guò)程。

(3)維護(hù)階段。包括知識(shí)獲取、系統(tǒng)集成、評(píng)價(jià)、文檔說(shuō)明、配置管理等支撐活動(dòng)。

采用METHONTOLOGY方法開(kāi)發(fā)的本體包括:化學(xué)本體(CHEMICALS,描述化學(xué)基礎(chǔ)和晶體結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域知識(shí))、環(huán)境污染本體(Environmental Pollutants Ontologies,描述了各種污染的有關(guān)保護(hù)措施的領(lǐng)域知識(shí))、參考本體(Reference-Ontology,以一種邏輯組織方式將各種本體集合在一起,作為本體黃頁(yè)的角色)等等[16]。

2.2.6 基于SENSUS的本體構(gòu)建法

這種方法[17]是一種自頂向下的本體構(gòu)建方法,即從原始本體(這里指SENSUS)中獲得專(zhuān)用領(lǐng)域本體的過(guò)程。這種方法促進(jìn)了知識(shí)的共享,可以從同一“原始本體”庫(kù)中獲得多個(gè)領(lǐng)域的“專(zhuān)用本體”庫(kù)。為了能在SENSUS基礎(chǔ)上構(gòu)造特定領(lǐng)域本體,必須把不相關(guān)的術(shù)語(yǔ)從SENSUS中剪除?；赟ENSUS的本體構(gòu)建方法的基本步驟如下:

(1)確定與具體領(lǐng)域關(guān)聯(lián)的一系列“種子”術(shù)語(yǔ);

(2)將這些“種子”術(shù)語(yǔ)與原始本體(SENSUS)相關(guān)聯(lián);

(3)從“種子”概念到SENSUS的“根”概念路徑上的所有概念作為領(lǐng)域本體的概念;

(4)如果與專(zhuān)用領(lǐng)域相關(guān)的術(shù)語(yǔ)沒(méi)有添加到專(zhuān)用本體中,則手動(dòng)添加;

(5)根據(jù)啟發(fā)式思維“某節(jié)點(diǎn)如果有多條路徑通過(guò),那么以該節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)的子樹(shù)上的所有節(jié)點(diǎn)都與該領(lǐng)域相關(guān)”,將有很多條路徑通過(guò)的概念節(jié)點(diǎn)的子樹(shù)也作為領(lǐng)域本體的概念。

現(xiàn)存的基于SENSUS構(gòu)造的本體如軍用飛機(jī)戰(zhàn)斗計(jì)劃領(lǐng)域本體[18],包括常規(guī)武器、原油、飛機(jī)等子本體。

2.2.7 IDEF5法

該方法[19]是美國(guó)KBSI(Knowledge Based Systems Inc.)公司開(kāi)發(fā)用于描述和獲取企業(yè)本體時(shí)所采用的一種結(jié)構(gòu)化的本體開(kāi)發(fā)方法。IDEF5通過(guò)使用圖表語(yǔ)言和細(xì)節(jié)說(shuō)明語(yǔ)言,獲取關(guān)于客觀存在的概念、屬性和概念間關(guān)系,并將它們形式化,作為知識(shí)本體的主要架構(gòu)。IDEF5的本體構(gòu)建方法流程如下:

(1)組織和范圍:確定本體項(xiàng)目的目標(biāo)、觀點(diǎn)和語(yǔ)境,組織課題隊(duì)伍并為組員分配角色。

(2)數(shù)據(jù)收集:收集本體建設(shè)需要的原始數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)分析:分析數(shù)據(jù),為抽取本體做準(zhǔn)備。

(4)知識(shí)本體的初步開(kāi)發(fā):從收集的數(shù)據(jù)當(dāng)中建立一個(gè)初步的本體。

(5)本體的精煉與驗(yàn)證:完成本體建設(shè)過(guò)程。

2.2.8 AFM法

AFM(Activity-First Method)[20]是一種從技術(shù)文檔中提取任務(wù)或領(lǐng)域本體的構(gòu)建方法,是對(duì)Hozo本體構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。AFM方法的基本思想在于:任務(wù)本體中存在角色集合,這些角色將任務(wù)中的領(lǐng)域概念有效的組織起來(lái)。AFM方法構(gòu)建本體的基本步驟如下:

(1)任務(wù)單元的提取。將技術(shù)文檔劃分為小塊便于抽取術(shù)語(yǔ);在每個(gè)小塊中抽取一個(gè)任務(wù)單元;將任務(wù)單元結(jié)合在一起形成一個(gè)稱(chēng)為具體任務(wù)流的流程圖。

(2)任務(wù)活動(dòng)的組織。在任務(wù)單元的動(dòng)詞中提取任務(wù)活動(dòng)概念;將任務(wù)活動(dòng)概念組織成一個(gè)ISzA層次結(jié)構(gòu);定義任務(wù)概念,將其稱(chēng)為任務(wù)活動(dòng)角色,這些任務(wù)角色出現(xiàn)在任務(wù)活動(dòng)的輸入和輸出中。

(3)任務(wù)結(jié)構(gòu)的分析。將具體任務(wù)流一般化為通用任務(wù)流;描述對(duì)象流,這些對(duì)象流清楚的表達(dá)了任務(wù)活動(dòng)的輸入和輸出之間的關(guān)系;在對(duì)象流的基礎(chǔ)上定義任務(wù)上下文角色,通過(guò)這些任務(wù)上下文角色,我們得到了依賴(lài)于整個(gè)任務(wù)過(guò)程的角色概念;抽取領(lǐng)域概念,這些概念都扮演了任務(wù)上下文角色。

(4)領(lǐng)域概念的組織。將依賴(lài)于領(lǐng)域概念的角色和依賴(lài)于基本概念的角色區(qū)分開(kāi)來(lái);將領(lǐng)域概念組織成ISzA層次結(jié)構(gòu),該層次結(jié)構(gòu)可以通過(guò)本體編輯器半自動(dòng)化的轉(zhuǎn)化為本體。

2.2.9 七步法

該方法[21]是斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院提出的基于Protégé本體構(gòu)建工具的一種領(lǐng)域本體構(gòu)建方法。一共包括7個(gè)步驟,因此被稱(chēng)為七步法:①確定知識(shí)本體的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域和范疇;②考查復(fù)用現(xiàn)有知識(shí)本體的可能性;③列出本體中的重要術(shù)語(yǔ);④定義類(lèi)(Class)和類(lèi)的等級(jí)(層次)體系;⑤定義類(lèi)的屬性;⑥定義屬性的分面(Facets);⑦創(chuàng)建實(shí)例。

2.2.10 五步循環(huán)法

Maedche和Staab在研究基于語(yǔ)義網(wǎng)的本體學(xué)習(xí)時(shí),提出了一種具有5個(gè)步驟的本體開(kāi)發(fā)方法[22],并認(rèn)為這5個(gè)步驟可以循環(huán)往復(fù),直至本體構(gòu)建完成或更新實(shí)現(xiàn)。

(1)本體導(dǎo)入(import)階段:導(dǎo)入現(xiàn)有的本體,通過(guò)合并現(xiàn)存的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行本體重用;在現(xiàn)有的本體和結(jié)構(gòu)之間定義規(guī)則圖。

(2)本體抽取(extraction)階段:通過(guò)學(xué)習(xí)網(wǎng)頁(yè)文件,從中抽取大部分的本體概念,構(gòu)建目標(biāo)本體的模型。

(3)本體修剪(pruned)階段:通過(guò)本體修剪,去除在本體導(dǎo)入和本體萃取階段產(chǎn)生的不相關(guān)領(lǐng)域的本體(非研究對(duì)象),適當(dāng)?shù)乜s小本體庫(kù)的范圍,使得目標(biāo)本體庫(kù)達(dá)到完整和不足的平衡,被調(diào)整至最好的效果。

(4)本體精細(xì)(refinement)階段:通過(guò)對(duì)特定的領(lǐng)域本體的精細(xì)工作,根據(jù)具體的應(yīng)用數(shù)據(jù),調(diào)整目標(biāo)本體庫(kù),使得本體處于一個(gè)好的粒度狀態(tài),更有利于用戶(hù)的使用和其進(jìn)一步的發(fā)展。調(diào)整、維護(hù)、擴(kuò)展等工作都屬于本體精細(xì)。

(5)本體評(píng)價(jià)階段:通過(guò)對(duì)目標(biāo)本體的應(yīng)用服務(wù),評(píng)價(jià)目標(biāo)本體,從而確認(rèn)最終的結(jié)果本體。

除了上面介紹的10種典型的本體構(gòu)建方法外,還有很多本體研究學(xué)者,如Staab(提出了On-To-Knowledge方法)[23],Bachimont[24],Khan[25],Lonsdale[26]、Moldovan[27]等,在本體的實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中也都提出了具有一定應(yīng)用范圍的本體構(gòu)建方法。此外,我國(guó)研究學(xué)者,如李景[28]、董慧[29]、劉柏嵩[30]、唐愛(ài)民[31]等,在借鑒國(guó)外本體構(gòu)建方法的基礎(chǔ)上,根據(jù)中文漢語(yǔ)本體構(gòu)建的實(shí)際情況,也提出一些具有影響的本體構(gòu)建方法。

3 本體構(gòu)建的常用開(kāi)發(fā)工具

隨著本機(jī)機(jī)制研究的逐漸深入,越來(lái)越多的本體開(kāi)發(fā)活動(dòng)在國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開(kāi)展。然而本體開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)龐大的知識(shí)工程,研究人員在采用上述方法構(gòu)建本體的過(guò)程中遇到了各種問(wèn)題,如一致性檢查、本體展示等等,人們迫切希望產(chǎn)生一些工具幫助其完成本體開(kāi)發(fā)任務(wù)。在這種情況下,本體構(gòu)建工具應(yīng)運(yùn)而生,各研究單位都試圖開(kāi)發(fā)適合特定領(lǐng)域本體構(gòu)建的環(huán)境,以支持本體開(kāi)發(fā)過(guò)程中的多個(gè)環(huán)節(jié)。借助這些工具,本體構(gòu)建者可以把精力集中在本體內(nèi)容的組織上,而不必了解本體描述語(yǔ)言和描述方式等細(xì)節(jié),極大地方便了本體的構(gòu)建。目前,在國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了眾多的本體構(gòu)建工具,典型的包括OntoEdit、WebOnto、WebODE、KAON和Protégé等。

3.1 OntoEdit

OntoEdit[32]是由德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)開(kāi)發(fā)的,支持本體開(kāi)發(fā)和維護(hù)的一個(gè)圖形環(huán)境。OntoEdit建于內(nèi)部本體模型的頂層,在本體工程生命周期的不同階段有不同的本體支持模型的圖形視圖;該工具允許用戶(hù)編輯概念的層次結(jié)構(gòu),這些概念可以是抽象的也可以是具體的,具體概念可以直接包含實(shí)例,概念可以具有多個(gè)名稱(chēng),即所謂的同義詞;OntoEdit提供簡(jiǎn)單的復(fù)制、粘貼功能;基于靈活性大的插入式框架,可以以工具組建方式實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展,OntoEdit的插入式界面是公開(kāi)的,用戶(hù)可以方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展,其插件集為用戶(hù)提供了個(gè)性化的工具應(yīng)用,可以根據(jù)不同的用途場(chǎng)景個(gè)性化進(jìn)行插件組建;OntoEdit支持F-Logic、RDFS和DAML+OIL等描述語(yǔ)言,可以導(dǎo)入與對(duì)象有關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式和文檔類(lèi)型定義。

OntoEdit基于On-To-Knowledge項(xiàng)目(該項(xiàng)目起源于KADS工程)的本體構(gòu)建方法。在本體獲取(Capture)階段,提供了2個(gè)工具:①OntoKick,適合熟悉軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的計(jì)算機(jī)工程師,用于構(gòu)建非正式化本體概念描述的相關(guān)結(jié)構(gòu);②Mind2Onto則是一個(gè)圖形化的界面,用于獲取非正式化的概念關(guān)系,具有可視化界面并允許自由的概念關(guān)系定義;在本體精煉階段則需要開(kāi)發(fā)者使用編輯器精煉本體結(jié)構(gòu)和概念及關(guān)系的定義,OntoEdit采用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模式,可以通過(guò)多個(gè)終端對(duì)存儲(chǔ)在服務(wù)器中本體進(jìn)行修改;OntoEdit允許用戶(hù)形成一個(gè)實(shí)例和公理集合作為評(píng)價(jià)本體的測(cè)試集,并提供測(cè)試工具用于發(fā)現(xiàn)并修正本體錯(cuò)誤部分。OntoEdit以F-Logic作為其推理引擎,用于在本體精煉和評(píng)價(jià)階段處理公理。

3.2 WebOnto

WebOnto[33]起源于英國(guó)Open University開(kāi)始于1997年的KMI項(xiàng)目,目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)基于Web的本體編輯器。它能提供比Ontolingua更為復(fù)雜的瀏覽、可視化和編輯能力;基于OCML推理引擎的知識(shí)模型,提供多重繼承、鎖機(jī)制,支持用戶(hù)合作地瀏覽、構(gòu)建和編輯本體;但是WebOnto沒(méi)有提供源代碼。

Ontolingua,Ontosaurus等系統(tǒng)使用瀏覽器作為客戶(hù)端接口,導(dǎo)致3個(gè)問(wèn)題:①數(shù)據(jù)的集中存放:由于所有數(shù)據(jù)集中存放于中央數(shù)據(jù)庫(kù),這樣中間的用戶(hù)修改就會(huì)被覆蓋,而且無(wú)法提供迅速反饋的接口;②一次性連接:服務(wù)器僅僅對(duì)網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求做出回應(yīng),這意味接口僅能對(duì)用戶(hù)動(dòng)作做出反應(yīng),因此本體構(gòu)建工具無(wú)法包含異步通信(如周期地提醒存儲(chǔ)數(shù)據(jù)),用戶(hù)必須記住以前的頁(yè)面;③瀏覽器展現(xiàn)的呆板:瀏覽器對(duì)于圖形接口的支持非常有限。

WebOnto可以解決上述問(wèn)題。WebOnto由一個(gè)中央服務(wù)器和Java編寫(xiě)的客戶(hù)端組成。它包括一個(gè)圖形用戶(hù)接口和用于存放細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)的檢查窗口。WebOnto提供大量定制信息表示類(lèi)型的選項(xiàng)。最后它提供一個(gè)客戶(hù)端的API,用于從WebOnto本體中檢索信息,以及運(yùn)行WebOnto建成的應(yīng)用。

3.3 WebODE

WebODE[34]是西班牙馬德里技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)綜合性的本體建模工具,它集成了本體開(kāi)發(fā)過(guò)程中的大多數(shù)行為,支持METHONTOLOGY本體構(gòu)建方法論,目前只有WebODE和OntoEdit能夠?qū)⒈倔w開(kāi)發(fā)環(huán)境和實(shí)際的本體構(gòu)建方法相對(duì)應(yīng)。

WebODE支持構(gòu)建知識(shí)層次的本體,并可以將其轉(zhuǎn)化為不同的本體語(yǔ)言加以描述。它不同于OntoEdit和Protégé的插件結(jié)構(gòu)體系,而是采用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模式的體系結(jié)構(gòu),通過(guò)Java、RMI、COBRA、XML等技術(shù)實(shí)現(xiàn),具有較高的可擴(kuò)展性和可用性,允許添加新的服務(wù);使用WebODE構(gòu)建的本體以SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ),對(duì)于大規(guī)模本體來(lái)說(shuō)具有較高的執(zhí)行效率;通過(guò)定義實(shí)例集來(lái)提高概念模型的可重用性;支持多重繼承、類(lèi)型一致性、數(shù)值一致性、集合基一致性檢查,并且提供了分類(lèi)一致性驗(yàn)證機(jī)制。

如圖2所示,WebODE體系結(jié)構(gòu)分為4層:

(1)第一層基于本體的應(yīng)用提供了用戶(hù)接口。通過(guò)使用IE等Web瀏覽器提供接口,使用HTML或XML與其它應(yīng)用進(jìn)行交互。

(2)第二層本體中間件提供了業(yè)務(wù)邏輯,包括兩個(gè)子層:邏輯子層,通過(guò)Minerva Application Server使用一組定義好API(如Ontology Selection Services等)來(lái)對(duì)本體進(jìn)行直接訪(fǎng)問(wèn);表示子層,生成需要在用戶(hù)瀏覽器上顯示的內(nèi)容,并且處理客戶(hù)端用戶(hù)的請(qǐng)求。

(3)第三層是數(shù)據(jù)層,即本體庫(kù)(Ontology Library),本體存儲(chǔ)在SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中,通過(guò)JDBC訪(fǎng)問(wèn)。

(4)第四層是本體開(kāi)發(fā)和管理層,負(fù)責(zé)本體的編輯、合并、轉(zhuǎn)化、評(píng)價(jià)等等。

3.4 Protégé

Protégé[36]是斯坦福大學(xué)為知識(shí)獲取而開(kāi)發(fā)的一個(gè)工具,主要應(yīng)用于知識(shí)的獲取以及現(xiàn)存本體合并和排列,可以免費(fèi)下載并公開(kāi)源代碼,再加上其支持中文,Protégé已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)使用最為廣泛的本體編輯工具和基于知識(shí)的框架。Protégé主要具有以下特征:

(1)可擴(kuò)展的知識(shí)模型能夠使用戶(hù)重新定義原始知識(shí)集合;

(2)友好的本體導(dǎo)入導(dǎo)出功能,可以從RDFS、帶DTD的XML文件、XML Schema等文件中導(dǎo)入本體,也可以將本體轉(zhuǎn)化為多種形式化語(yǔ)言描述,如RDF(S)、OWL等。

(3)具有友好的開(kāi)發(fā)界面。

(4)具有強(qiáng)大的功能插件體系和開(kāi)放的模塊化風(fēng)格?；陂_(kāi)放式組件的體系結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)生成恰當(dāng)?shù)牟寮栽黾有碌墓δ堋?/p>

(5)提供一個(gè)半自動(dòng)化工具PROMPT用于自動(dòng)地執(zhí)行本體的合并和排列。

(6)Protégé平臺(tái)支持兩種類(lèi)型的本體建模:①Protégé-Frames編輯器用于構(gòu)建基于框架的本體。在這種模型中,本體是由具有層次結(jié)構(gòu)的類(lèi)集合組成,類(lèi)的槽(slots)集合表示概念的屬性和關(guān)系;類(lèi)的實(shí)例集合則表示概念的具有特定屬性值的個(gè)體;Protégé-OWL編輯器則用于構(gòu)建應(yīng)用于語(yǔ)義網(wǎng)的本體。專(zhuān)門(mén)使用W3C的OWL語(yǔ)言描述,一個(gè)OWL本體包含類(lèi)的描述、屬性以及實(shí)例。

Protégé因其簡(jiǎn)單易用性、不斷升級(jí)的品質(zhì)、免費(fèi)獲取的特性以及強(qiáng)大的功能可擴(kuò)展性使之成為國(guó)內(nèi)最受歡迎的本體構(gòu)建工具之一。

3.5 KAON

KAON[37]是德國(guó)Karlsruhe大學(xué)編制的一套用于語(yǔ)義網(wǎng)和本體研究的工具,包含各種模塊用于本體的構(gòu)建、存儲(chǔ)、檢索、維護(hù)以及應(yīng)用,其中OI-Modeler是KAON模塊集中的本體建模工具,可便捷的實(shí)現(xiàn)本體的創(chuàng)建和維護(hù)。KAON是當(dāng)前比較好的本體構(gòu)建和維護(hù)工具之一,其主要特性如下所示:

(1)OI-Modeler提供了方便的、可視化的添加概念、屬性、實(shí)例和概念間關(guān)系的方法,并通過(guò)樹(shù)形結(jié)構(gòu)策略實(shí)現(xiàn)本體管理。由于具有圖示區(qū),可以清晰地反映本體概念的變化情況,增加了知識(shí)含義的直觀性。

(2)可以導(dǎo)出成標(biāo)準(zhǔn)的RDF數(shù)據(jù)格式,使得本體可被其它標(biāo)準(zhǔn)軟件重用和共享。

(3)支持多人在局域網(wǎng)上同時(shí)構(gòu)建同一本體,這就為在資金和人員到位的前提下,快速構(gòu)建本體論提供了可能;在進(jìn)行本體合并后,需要對(duì)其中的語(yǔ)義含義和詞間關(guān)系進(jìn)行修改和矯正,尤其是一些相互矛盾的語(yǔ)義,在線(xiàn)同時(shí)構(gòu)建并試圖建立與已有語(yǔ)義矛盾的關(guān)系時(shí),OI-Modeler會(huì)提示錯(cuò)誤原因。

除了前面介紹的本體開(kāi)發(fā)工具外,還存在Apollo、LinkFactory、OILEd、Ontolingua、OntoSaurus、OpenKnoME等等工具可用于本體的構(gòu)建和管理。這些本體開(kāi)發(fā)工具功能各不相同,對(duì)于本體語(yǔ)言的支持能力、表達(dá)能力、邏輯支持能力以及可擴(kuò)展性、靈活性、易用性等都相差甚遠(yuǎn)。就目前而言,在國(guó)內(nèi)Protégé和KAON的使用最為廣泛。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)對(duì)本體構(gòu)建過(guò)程中采用的指導(dǎo)思想、方法以及常用的工具進(jìn)行了研究綜述。認(rèn)為現(xiàn)有的常用的本體構(gòu)建工具往往支持本體開(kāi)發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié),因此在構(gòu)建原則的指導(dǎo)下,選擇適合特定領(lǐng)域本體構(gòu)建的方法,使用支持該方法的構(gòu)建工具,領(lǐng)域?qū)＜铱梢苑奖?、可視化的開(kāi)發(fā)特定領(lǐng)域的本體。

然而,需要指出的是,本體開(kāi)發(fā)工具提供的僅僅是本體的編輯和管理功能,支持的是本體開(kāi)發(fā)人員(包括領(lǐng)域?qū)＜?手工構(gòu)建本體的方式,即人為的從文檔中識(shí)別領(lǐng)域中每個(gè)概念以及概念的名字、約束、屬性以及關(guān)系等內(nèi)容,在逐個(gè)地輸入和編輯以生成本體。顯然上述方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,而且專(zhuān)家建模往往帶有偏見(jiàn)、具有誤差傾向,使得基于領(lǐng)域文檔實(shí)現(xiàn)本體構(gòu)建特別是大型本體構(gòu)建成為一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。因此,如何利用知識(shí)自動(dòng)獲取技術(shù)來(lái)降低本體構(gòu)建的開(kāi)銷(xiāo)成為一個(gè)很有意義的研究方向,即本體學(xué)習(xí)(ontology learning,OL)技術(shù)。隨著語(yǔ)言學(xué)方法、數(shù)學(xué)方法不斷引入OL中,機(jī)器自動(dòng)化處理技術(shù)的逐漸成熟,半自動(dòng)化或自動(dòng)化構(gòu)建領(lǐng)域本體的方法必將取代繁雜的手工操作,成為本體構(gòu)建的主流技術(shù)。

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