董建剛 ， 張 峰 ，2

（1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動化控制學(xué)院，陜西 西安 710065）

本體庫是智能化IETM系統(tǒng)核心內(nèi)容之一，信息檢索和圖形化呈現(xiàn)等后續(xù)操作都要基于本體庫進(jìn)行，所以需要在領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，?gòu)建出一個合理的領(lǐng)域本體庫。但由于本體的構(gòu)建多是面向特定領(lǐng)域，如果沒有好的方法加以指導(dǎo)，就難以在不同領(lǐng)域本體的構(gòu)建中保持一致，也不利于本體的規(guī)?；鸵?guī)范建設(shè)。為此，迫切需要研究一種面向航空武器裝備的本體構(gòu)建方法。

筆者在遵循本體建模原則的基礎(chǔ)上，綜合貫通各種方法的優(yōu)勢，尤其是相對比較成熟的“七步法”，并借鑒軟件工程領(lǐng)域的質(zhì)量環(huán)思想，提出了一種新的領(lǐng)域本體建模方法——循環(huán)進(jìn)化法[1]。

1 相關(guān)技術(shù)及研究現(xiàn)狀

目前比較有名的本體構(gòu)建方法主要有7種：Methontology法 、Enterprise 法 、TOVE 法 、KACTUS 法 、SENSUS 法 、IDEF5法和七步法。

斯坦福大學(xué)開發(fā)的七步法主要用于領(lǐng)域本體建模，其構(gòu)建步驟體現(xiàn)了“具體-抽象-具體”的思想，從語法上也經(jīng)歷從RDF（s）原語到OWL約束聲明的過程[2]。該方法主要包括以下步驟：

1）確定領(lǐng)域和范圍：分析該本體面向哪個領(lǐng)域；為哪些類型的問題提供檢索結(jié)果；系統(tǒng)用例的角色是誰。

2）考慮復(fù)用：指的是能否借用現(xiàn)成的第三方本體庫。

3）列舉術(shù)語：寫下該本體中期望出現(xiàn)的所有相關(guān)術(shù)語的一個非結(jié)構(gòu)化的列表。名詞是類名的基礎(chǔ)，動詞或動詞短語是屬性名的基礎(chǔ)。

4）定義術(shù)語層級：通過自頂向下或自底向上的方式將非結(jié)構(gòu)化列表組織成分層結(jié)構(gòu)，確保這個分層結(jié)構(gòu)是類與子類的層次結(jié)構(gòu)。

5）給類賦屬性：每個類（術(shù)語）都抽象自實例，類的屬性（成員）是所有實例共同特點的集合。給類加屬性后，通常立即給屬性限定定義域和值域，一方面便于通過層級關(guān)系使之被繼承應(yīng)用于子類；另一方面為本體一致性校驗作準(zhǔn)備；

6）定義側(cè)面：必須依賴于OWL原語，“側(cè)面”的概念包含3部分：①定義基數(shù)約束，給屬性設(shè)置數(shù)值限制；②定義范圍約束，給屬性設(shè)置實例限制；③關(guān)系特性，包括屬性的對稱性、傳遞性和逆屬性等。

7）實例化：類是抽象屬性的集合，實例化的過程就是將類中的屬性值賦以具體的值形成個體。

2 IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建步驟

2.1 IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建基本原則

由于出自對各自學(xué)科領(lǐng)域和具體工程的不同考慮，現(xiàn)有的本體構(gòu)建過程各不相同，目前也尚無統(tǒng)一的本體建模原則。針對航空武器裝備的實際情況，并借鑒Gruber于1995年給出 的5條本體建模原則[3]，筆者提出了IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建的基本原則如下：

1）應(yīng)具有較強(qiáng)的明確性和客觀性。本體應(yīng)用自然語言有效地定義航空武器裝備IETM術(shù)語內(nèi)涵，該定義應(yīng)該是客觀的、明確的，并應(yīng)是盡可能完整的。

2）應(yīng)具有較好的一致性。由IETM領(lǐng)域本體推導(dǎo)產(chǎn)生的結(jié)論應(yīng)與概念本身含義一致；本體所定義的公理以及用自然語言說明的文檔也應(yīng)該是一致的。

3）應(yīng)具有較好的可擴(kuò)展性。在原有IETM領(lǐng)域本體中添加定義新的通用或?qū)Ｓ眯g(shù)語時，并不需修改原有概念。

4）應(yīng)具有最小編碼偏差。在知識層級進(jìn)行概念的定義，而不是依賴于某一特殊化的符號層的表示方法。最小編碼偏差可以滿足知識共享代理可在不同的顯示系統(tǒng)和顯示風(fēng)格中執(zhí)行任務(wù)。

5）應(yīng)具有最少本體約束。本體的約束應(yīng)該最少，只要能滿足航空武器裝備IETM知識共享需求即可，即對建模對象給出盡可能少的約束條件。

6）在IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建過程中應(yīng)有多方面領(lǐng)域?qū)＜夜餐瑓⑴c和協(xié)作。

2.2 IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建基本流程

針對航空武器裝備IETM的實際情況，圖1給出了其領(lǐng)域本體構(gòu)建的基本流程，主要分為IETM知識需求分析、IETM知識概念化和IETM知識編碼化3個階段。

圖1 航空武器裝備IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建的基本流程Fig.1 Aviation weapon equipment IETM domain ontology construction basic flow

2.3 IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建的循環(huán)進(jìn)化法

在軟件工程領(lǐng)域中，質(zhì)量環(huán)是指從最初識別需要到最終滿足要求和期望的各階段中影響質(zhì)量的相互作用活動的概念模式，又稱為質(zhì)量螺旋或產(chǎn)品壽命周期[4]。質(zhì)量環(huán)中的一系列活動一環(huán)扣一環(huán)，相互制約，相互依存，相互促進(jìn)，且質(zhì)量環(huán)可以不斷循環(huán)，每經(jīng)過一次循環(huán)，產(chǎn)品的質(zhì)量能得到一次提高。

基于上述思想，綜合七步法和質(zhì)量環(huán)的優(yōu)點，提出了一種針對IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建的新方法——循環(huán)進(jìn)化法，其具體流程如圖2所示。

圖2 循環(huán)進(jìn)化法構(gòu)建本體的基本流程Fig.2 Cyclic evolution method to construct ontology basic flow

2.4 IETM領(lǐng)域本體庫存儲方案與管理

在IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建好之后，就需要對其進(jìn)行有效的存儲和管理。一般來說，本體存儲方法可以概括為以下3類：1）文件系統(tǒng)存儲；2）關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；3）專用管理工具。

根據(jù)IETM系統(tǒng)知識庫的結(jié)構(gòu)，把本體庫中的概念和實例分開，實例部分是存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中IETM的內(nèi)容數(shù)據(jù)。

由于IETM的內(nèi)容數(shù)據(jù)是以XML數(shù)據(jù)格式表示的，那么本體概念與其實例數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)就需要在本體的概念與XML數(shù)據(jù)之間建立一個映射關(guān)系，從而可以從XML數(shù)據(jù)中獲取其相關(guān)的實例。

具體映射規(guī)則定義為

其中：R是規(guī)則的標(biāo)簽，u是要映射的數(shù)據(jù)表，q是XML數(shù)據(jù)中的節(jié)點，p是本體庫中的抽象類。

例如：本體的抽象類發(fā)動機(jī)故障與數(shù)據(jù)庫表fault表中節(jié)點內(nèi)容相映，其規(guī)則為：

可以根據(jù)SQL Server 2005中支持的XML查詢語句方式獲得一個集合，這個集合便是發(fā)動機(jī)故障的實例集。

3 應(yīng)用實例分析

3.1 航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的規(guī)劃

飛行器發(fā)動機(jī)根據(jù)其工作原理可分為4大類[3]：

1） 吸氣式發(fā)動機(jī)（Air-breathing Engine，AE）：主要由大氣中吸取空氣作為燃燒氧化劑的發(fā)動機(jī)。

2）火箭發(fā)動機(jī)：燃料消耗較大，不適于長時間工作，僅用于短時間加速。

3）脈沖發(fā)動機(jī)：多用于低速靶機(jī)和航空模型。

4）用太陽能電池驅(qū)動的航空電動機(jī)，目前尚處試驗階段。

通常意義上講的航空發(fā)動機(jī)是指吸氣式發(fā)動機(jī)。在本實例中，選擇吸氣式發(fā)動機(jī)作為本體建模的邊界，它確定了研究的核心術(shù)語范圍。

根據(jù)吸氣式發(fā)動機(jī)的全壽命周期，可將其問題域劃分為3類：第1類是設(shè)計階段的文檔，如零部件結(jié)構(gòu)、整體性能參數(shù)和8大系統(tǒng)等設(shè)計資料；第2類是生產(chǎn)階段的文檔，如零部件制造、組裝等工藝流程；第3類是維護(hù)階段的文檔，包括飛行事故、故障分析和處理方法等歷史記錄。在本實例中，吸氣式發(fā)動機(jī)的問題域限定在設(shè)計和維護(hù)兩個階段的數(shù)據(jù)信息，解決“設(shè)計—使用—設(shè)計”的優(yōu)化問題，提供銜接兩階段數(shù)據(jù)的語義檢索。根據(jù)上述問題域，可知用戶組主要有設(shè)計人員、維護(hù)人員和領(lǐng)域?qū)＜?類，以及除此之外系統(tǒng)必需的管理員，故其頂層用例模型如圖3所示。

圖3 吸氣式發(fā)動機(jī)的頂層用例模型Fig.3 Airbreathing engine top use case model

AE設(shè)計人員和維護(hù)人員是該本體的核心用戶，主要向他們提供語義檢索功能和知識庫支持[5]；本體工程師和AE領(lǐng)域?qū)＜沂窃摫倔w的知識庫抽象模型構(gòu)建者，后者的領(lǐng)域知識需要轉(zhuǎn)化成OWL語言模型，轉(zhuǎn)化的過程中需要經(jīng)過規(guī)范和優(yōu)化才能達(dá)到高效運(yùn)行的目的，這就需要具有軟件工程經(jīng)驗且熟悉本體語言的本體工程師；實例采集員也是該本體的核心輸入者，其主要任務(wù)是根據(jù)抽象模型采集實例發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)錄入到知識庫中。

3.2 航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的設(shè)計

目前國外已經(jīng)成型的本體知識庫資源仍非常有限，尤其是專業(yè)領(lǐng)域的本體庫更少。在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，目前只有少量的本體設(shè)計片段刊載在實驗性的研究文獻(xiàn)中，而尚無公開發(fā)布的航空發(fā)動機(jī)本體庫可供共享復(fù)用[6]。

上表的分類是對AE進(jìn)行頂層劃分的子模塊，該結(jié)構(gòu)化的過程以及后續(xù)步驟可以按照子模塊分別進(jìn)行建模。以發(fā)動機(jī)類型為例進(jìn)行分層結(jié)構(gòu)定義，層級結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 吸氣發(fā)動機(jī)類層級Fig.4 Aspirated engine type hierarchy

該結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照類和子類間的繼承關(guān)系構(gòu)建，它滿足DL中最基本的subClass分類傳遞，確保owl:subClassOf和rdfs:subClassOf等原語的內(nèi)嵌語義得到遵守和執(zhí)行。該層級的類屬關(guān)系是傳遞的，例如圖5所示的“CFM56-3”是渦扇發(fā)動機(jī)的一個實例，則可以推出“CFM56-3”是燃?xì)馐桨l(fā)動機(jī)的一個實例。另一類層級關(guān)系由傳遞屬性完成，如構(gòu)建“零部件”之間的組成與被組成關(guān)系時，subClass層級不能從含義上代替“hasPart”來表義。

圖5 CFM56-3發(fā)動機(jī)Fig.5 CFM56-3 engine

事實上，很大一部分層級結(jié)構(gòu)都在類層級之外，這種情況下就需要通過“屬性傳遞”來自定義層級關(guān)系。該過程通常與后續(xù)的屬性定義和側(cè)面?zhèn)鬟f定義交叉進(jìn)行。以**型號航空發(fā)動機(jī)零部件為對象，定義的層級結(jié)構(gòu)如圖5所示，該結(jié)構(gòu)在機(jī)械制造業(yè)普遍出現(xiàn)，向OWL或RDF（s）轉(zhuǎn)化的過程中需要通過自定義屬性“hasPart/isPartOf”來描述組件從屬關(guān)系。綜上所述，subClass原語并非層級關(guān)系的唯一映射方式，層級關(guān)系也并不局限于類（Class），圖6描述的是解決非Class層級的一個典例，以屬性定義的方式可以解決目前絕大部分Class以外的層級表義問題，盡管這類層級不是嚴(yán)格意義上的分類結(jié)構(gòu)，但這樣的資源作為開發(fā)起點經(jīng)常是難以回避的。常見的泛層級關(guān)系主要有5種：鄰近關(guān)系、繼承關(guān)系、從屬關(guān)系、陣列關(guān)系和參考關(guān)系。依此類推，完成其他分類的層級定義。

3.3 航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域本體的實現(xiàn)

在Protégé中，構(gòu)建本體包括建立文件、建立類及類層次、建立屬性及屬性的允許值、添加實例4個基本步驟。經(jīng)過上述4個步驟所建立的本體知識庫不僅能表現(xiàn)出領(lǐng)域知識縱向的類屬分類，還通過本體術(shù)語間的關(guān)聯(lián)關(guān)系揭示領(lǐng)域知識間的內(nèi)在聯(lián)系，有效地提高領(lǐng)域本體庫的共享與重用性。

圖6 渦扇發(fā)動機(jī)零部件層級圖Fig.6 Turbofan engine components hierarchy chart

1）建立文件

打開Protégé后，先定義文件名并設(shè)定保存路徑，然后在“元數(shù)據(jù)（MetaData）”畫板中輸入關(guān)于本體的各項元數(shù)據(jù)，如本體的注釋和默認(rèn)名稱空間等信息。

2）建立類

在Protégé中，根據(jù)全面確定的航空發(fā)動機(jī)本體的類層次結(jié)構(gòu)，可建立如圖7所示的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)類圖。

圖7 航空發(fā)動機(jī)的類圖Fig.7 Aero engine class diagram

3）建立屬性

從語義上講，本體中的基本關(guān)系共有4種：part-of、kindof、instance-of和 attribute-of。但在實際構(gòu)建本體過程中，概念之間的關(guān)系不僅限于這4種，還需要增加一些屬性用于更好的表示概念關(guān)系，本文中增加的基本關(guān)系有：

①因果關(guān)系：A引起B(yǎng)，則B造成了A。在propeties里添加“hasCaused”和“isCausedOf”，設(shè)置它們的 Domain 和 Range，并分別把InverseProperties屬性和TransitiveProperty屬性選中，這樣就可以在語義上實現(xiàn)逆推和傳遞。

②實體/定位關(guān)系：A放在B處，則B處有A。在propeties中添加“hasLocation”和“isLocationOf”，把 Inverseproperties 選中，并設(shè)置它們的Domain和Range。

③代理/對象關(guān)系：A操作B，則B被A操作。在propeties中添加“hasoperator”和“isOperatorOf”，把 Inverseproperties 選中，并設(shè)置它們的Domain和Range。

④執(zhí)行/方法關(guān)系：A執(zhí)行B，則B被A執(zhí)行。在propeties中 添 加 “hasManner” 和 “isMannerOf”， 把 Inverseproperties 選中，并設(shè)置它們的Domain和Range。

在 Protégé中，可建立航空發(fā)動機(jī)的 DataType屬性、Object屬性、Annotation屬性等，其屬性如圖8所示。

圖8 航空發(fā)動機(jī)的屬性圖Fig.8 Aero engine property map

4 結(jié) 論

本體庫是智能化IETM系統(tǒng)核心內(nèi)容之一。針對IETM系統(tǒng)中海量領(lǐng)域知識庫的構(gòu)建和存儲問題，提出了一種領(lǐng)域本體構(gòu)建的循環(huán)改進(jìn)法。主要包括：

1）提出了IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建的基本原則和基本流程，對比分析了當(dāng)前較為成熟的七種本體構(gòu)建方法的優(yōu)缺點，并指出了它們存在的不足。

2）提出了IETM領(lǐng)域本體構(gòu)建的循環(huán)進(jìn)化法，它包括本體規(guī)劃、本體設(shè)計、本體實現(xiàn)、本體評價、本體確定、本體維護(hù)、改進(jìn)與擴(kuò)展共7部分。該方法克服了傳統(tǒng)的七步法本體構(gòu)建過程中存在的改進(jìn)性和擴(kuò)展性差的不足。

3）設(shè)計了IETM領(lǐng)域本體庫的存儲方案，并給出了本體概念與實例數(shù)據(jù)的映射方法，實現(xiàn)了本體知識的有效存儲和管理。

4）在詳細(xì)對比分析了4種本體構(gòu)建工具的基礎(chǔ)上，選擇了Protégé作為本文本體構(gòu)建工具，并給出了創(chuàng)建本體的步驟，據(jù)此可得到OWL描述的領(lǐng)域本體。

5）通過航空發(fā)動機(jī)本體構(gòu)建實例驗證了所提循環(huán)進(jìn)化法的有效性和實用性。

[1]Scott B E.Telemaintenance applications for the WearableTM PC[C]//Proceedings of the 1996 AIAA/IEEE Digital Avionics Systems Conference，USA，1996（1）：407-413.

[2]Cooper D W.Document scripting with open standards:transport of application behavior for interactive technical documents[J].Multimedia Tools and Applications，1999，8（1）：115-136．

[3]Taylor M A.Case study in knowledge engineering:interactive electronic technical manuals[J].Proceedings of the 1997 ISA TECH/EXPO Technology，1997，1（2）：35-43.

[4]Boser C S.Automating the capture of technical information[C]//Proceedings of the 2007 IEEE Military Communications Conference MILCOM，Monterey，CA，USA，1997（2）：773-776.

[5]Taylor M A.Case study in knowledge engineering:interactive electronic technical manuals[J].Proceedings of the 1997 TECH/EXPO Technology，1997（1）：35-43.

[6]Su L，Bosco C D，England W.Application of New information technology to DOD legacy paper technical manuals[C]//Proceedings of the 1997 Autotestcon，Anaheim，USA，1997（1）：22-25.