陳亞?wèn)|，鮮國(guó)建，寇遠(yuǎn)濤，郭淑敏※，劉現(xiàn)武

(1．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081； 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京 100081)

0 引言

蘋果是世界四大水果之一，栽培和生產(chǎn)已經(jīng)遍布世界上93個(gè)國(guó)家和地區(qū)[1]。我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷史更為悠久， 4000余年的栽植過(guò)程中積累了豐富的數(shù)據(jù)[2]，這些數(shù)據(jù)形成的“資源倉(cāng)庫(kù)”能夠?yàn)榭蒲刑峁┗跀?shù)據(jù)支撐的科學(xué)決策。我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)資源雖然內(nèi)容豐富，但多源異質(zhì)且結(jié)構(gòu)松散，數(shù)據(jù)資源的整合性和關(guān)聯(lián)性差[3]，難以提供精確規(guī)范的行業(yè)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)豐富的語(yǔ)義表達(dá)，用戶獲取精品知識(shí)的需求無(wú)法被滿足。因此，從海量數(shù)據(jù)中提取有用的知識(shí)，是蘋果產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵點(diǎn)。

知識(shí)圖譜具備強(qiáng)大的語(yǔ)義處理能力，可從海量文本和圖像中抽取結(jié)構(gòu)化知識(shí)，將不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而形成富含語(yǔ)義關(guān)系的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)即結(jié)構(gòu)化的百科知識(shí)[4-6]，是解決我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)表達(dá)和語(yǔ)義推理的有效手段。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜構(gòu)建的研究鮮少報(bào)道，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和其他垂直產(chǎn)業(yè)已引起關(guān)注和重視。劉家瑋等[7]通過(guò)對(duì)知識(shí)圖譜繪制工具進(jìn)行分析比較，對(duì)農(nóng)業(yè)知識(shí)圖譜的構(gòu)建進(jìn)行了設(shè)計(jì)。張德政等[8]基于本體工具，對(duì)中醫(yī)產(chǎn)業(yè)的知識(shí)圖譜表示及構(gòu)建方法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了中醫(yī)學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的組織與整合。從構(gòu)建的技術(shù)上來(lái)看，與早期的基于詞典和規(guī)則的知識(shí)抽取相比較[9]，楊博等[10]研究發(fā)現(xiàn)，基于本體推理的抽取更有益于挖掘隱含的數(shù)據(jù)關(guān)系，通過(guò)本體和實(shí)例來(lái)進(jìn)行知識(shí)融合，更有益于知識(shí)的融合[11]?；谵r(nóng)業(yè)領(lǐng)域和其他垂直行業(yè)知識(shí)圖譜構(gòu)建的基礎(chǔ)以及相關(guān)技術(shù)，對(duì)我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜的構(gòu)建進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，可以深入揭示蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)、優(yōu)化檢索和深度推理，為我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)組織提供理論框架，同時(shí)也為蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供資源支撐。

1 概述與圖譜架構(gòu)

蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)圖譜是以蘋果產(chǎn)業(yè)語(yǔ)言為基礎(chǔ)建立起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系，能夠發(fā)現(xiàn)蘋果產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和揭示多維語(yǔ)義關(guān)系。通過(guò)將零散分布的數(shù)據(jù)形成知識(shí)網(wǎng)格，融合生產(chǎn)數(shù)據(jù)、科研數(shù)據(jù)、市場(chǎng)數(shù)據(jù)等產(chǎn)業(yè)鏈條上的資源，深入發(fā)掘蘋果產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)的整體性與關(guān)聯(lián)性。蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜的架構(gòu)如圖1所示，自下而上包括4個(gè)層級(jí)，分別是基礎(chǔ)資源層、知識(shí)單元層、知識(shí)組織層和知識(shí)表達(dá)層。通過(guò)將不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)抽取，形成蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)單元實(shí)體，再將抽取出的實(shí)體進(jìn)行知識(shí)融合，發(fā)掘?qū)嶓w之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可從語(yǔ)義的層面來(lái)實(shí)現(xiàn)蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)的組織，發(fā)掘知識(shí)間隱含的關(guān)系，形成我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

2 構(gòu)建方法與解析

2.1 基礎(chǔ)資源層——蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)來(lái)源

蘋果產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)資源是構(gòu)建知識(shí)圖譜的基礎(chǔ)，深入剖析數(shù)據(jù)特點(diǎn)與來(lái)源組成是構(gòu)建的必要條件。從數(shù)據(jù)內(nèi)容來(lái)看，我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)資源可以分為8個(gè)類別，包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)、種質(zhì)資源數(shù)據(jù)、育種數(shù)據(jù)、栽培數(shù)據(jù)、病蟲害數(shù)據(jù)、采后加工數(shù)據(jù)、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和產(chǎn)業(yè)支撐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[12](科研文獻(xiàn)、成果專利、領(lǐng)域?qū)＜业戎萎a(chǎn)業(yè)發(fā)展的數(shù)據(jù))； 從數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)上看，蘋果產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)資源包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)三大類?；A(chǔ)資源為知識(shí)的提取提供了基礎(chǔ)，是架構(gòu)的根基。

圖1 蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜構(gòu)建框架

2.2 知識(shí)單元層——蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)獲取

蘋果產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)知識(shí)獲取的目的是從海量的基礎(chǔ)資源中抽取出有用的知識(shí)，為知識(shí)圖譜的構(gòu)建以及關(guān)聯(lián)關(guān)系發(fā)現(xiàn)提供依據(jù)，是承上啟下的一個(gè)單元層。為更好地實(shí)現(xiàn)知識(shí)獲取，可以以蘋果產(chǎn)業(yè)的本體框架為組織工具。知識(shí)單元層要解決兩個(gè)問(wèn)題，一是蘋果產(chǎn)業(yè)本體的構(gòu)建； 二是以本體為基礎(chǔ)，進(jìn)行知識(shí)抽取。

2.2.1 蘋果產(chǎn)業(yè)本體構(gòu)建

基于蘋果產(chǎn)業(yè)的資源基礎(chǔ)與專業(yè)知識(shí)，對(duì)蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定蘋果產(chǎn)業(yè)的核心概念，形成概念體系。通過(guò)對(duì)蘋果產(chǎn)業(yè)的類、屬性及其之間的關(guān)系進(jìn)行分析，可形成類目結(jié)構(gòu)圖(圖2)，最終形成蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)邏輯體系，呈現(xiàn)出具有樹形結(jié)構(gòu)的蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)組織體系，即蘋果產(chǎn)業(yè)本體框架，蘋果產(chǎn)業(yè)的本體是開放集成的體系，在知識(shí)圖譜的構(gòu)建過(guò)程中能夠從語(yǔ)義層面來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)的關(guān)聯(lián)、共享和重復(fù)利用。

圖2 蘋果產(chǎn)業(yè)本體類目結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 知識(shí)抽取

蘋果產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)資源中包括3種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，首先要對(duì)知識(shí)單元進(jìn)行抽取，抽取的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)中的實(shí)體、屬性與關(guān)系?；谔O果產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)域本體架構(gòu)，可采用多策略學(xué)習(xí)方法來(lái)進(jìn)行知識(shí)的獲取[13]，其原理是利用不同知識(shí)之間的冗余關(guān)系，通過(guò)較容易抽取的信息來(lái)幫助不易抽取的信息。結(jié)構(gòu)化的知識(shí)可通過(guò)D2R映射來(lái)轉(zhuǎn)化成知識(shí)圖譜中的知識(shí)單元； 對(duì)于半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，可通過(guò)Wrapper(數(shù)據(jù)封裝器)來(lái)進(jìn)行抽取[14]； 在抽取的過(guò)程中，將這兩類知識(shí)抽取的結(jié)果都加入到種子集中。對(duì)于非結(jié)構(gòu)的純文本知識(shí)，可采用遠(yuǎn)程監(jiān)督和基于模式相結(jié)合的增量迭代抽取方式[15]。遠(yuǎn)程監(jiān)督是基于假設(shè)兩個(gè)實(shí)體存在某種關(guān)系，那么任何包含這對(duì)實(shí)體的句子都很有可能表達(dá)相同的關(guān)系[16]，利用種子集自動(dòng)標(biāo)注文本數(shù)據(jù)，然后根據(jù)標(biāo)注結(jié)果自動(dòng)地生成高質(zhì)量的模式。利用這些模式到文本中學(xué)習(xí)新的知識(shí)，并加入到種子集中。這一過(guò)程不斷迭代，直至沒(méi)有新的知識(shí)被學(xué)習(xí)出來(lái)，采用這種方式可完成蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)單元的獲取，可實(shí)現(xiàn)知識(shí)的抽取。

2.3 知識(shí)組織層——蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)融合

2.3.1 實(shí)體對(duì)齊

通過(guò)知識(shí)獲取可以得到不同數(shù)據(jù)源抽取出的知識(shí)單元，形成一個(gè)個(gè)孤立的抽取圖譜。為形成完整的蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜，需要將這些抽取的結(jié)果集成和知識(shí)融合。由于數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛，質(zhì)量也未經(jīng)校驗(yàn)，還需要解決多種類型數(shù)據(jù)沖突的問(wèn)題，包括一個(gè)短語(yǔ)對(duì)應(yīng)多個(gè)實(shí)體、實(shí)體屬性名不一致、實(shí)體屬性缺失、實(shí)體屬性值不一致、實(shí)體屬性值一對(duì)多映射等。通過(guò)實(shí)體對(duì)齊可以發(fā)現(xiàn)具有不同標(biāo)識(shí)但代表真實(shí)世界中同一對(duì)象的實(shí)體，并將這些實(shí)體合并為一個(gè)具有全局唯一標(biāo)識(shí)的實(shí)體對(duì)象添加到知識(shí)圖譜中。目前，實(shí)體對(duì)齊主要采取基于聚類的實(shí)體對(duì)齊算法，將相似的實(shí)體盡量聚集到一起，再進(jìn)行實(shí)體對(duì)齊[17]。

2.3.2 實(shí)體關(guān)聯(lián)構(gòu)建

抽取出的實(shí)體(E1，E2……)都具有一定的屬性值，如蘋果品種的屬性包括品種名稱、親本、育種機(jī)構(gòu)等(圖3)，任何兩個(gè)實(shí)體間只要具有相同的屬性值，即可以通過(guò)兩者之間的行為描述或者屬性關(guān)系來(lái)構(gòu)建關(guān)聯(lián)[18]，多個(gè)關(guān)聯(lián)的實(shí)體聚合在一起，就會(huì)形成多維度的數(shù)據(jù)關(guān)系(圖4)。由于蘋果產(chǎn)業(yè)實(shí)體、實(shí)體屬性和關(guān)系的多樣性與專業(yè)性，一些較為復(fù)雜的關(guān)聯(lián)規(guī)則除了以蘋果本體模型為組織工具，還需人工推理等方法來(lái)手動(dòng)輔助完成。深度的挖掘?qū)嶓w之間的關(guān)系和關(guān)聯(lián)，是知識(shí)圖譜構(gòu)建的關(guān)鍵點(diǎn)。關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建后，數(shù)據(jù)資源會(huì)形成一個(gè)富含語(yǔ)義關(guān)系的知識(shí)庫(kù)，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、特色數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等都會(huì)關(guān)聯(lián)和整合到一起，可以根據(jù)用戶的需求來(lái)提供各類知識(shí)服務(wù)。

圖3 實(shí)體屬性結(jié)構(gòu)圖(以品種為例)

圖4 蘋果產(chǎn)業(yè)實(shí)體關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

2.4 知識(shí)應(yīng)用層——知識(shí)圖譜

通過(guò)知識(shí)融合，可以構(gòu)建出富含語(yǔ)義關(guān)系的知識(shí)庫(kù)，蘋果產(chǎn)業(yè)的實(shí)體及其屬性之間的關(guān)系會(huì)最大程度地在知識(shí)庫(kù)中融合，支持不同形式的應(yīng)用探索。

2.4.1 蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)檢索

作為蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜的基本檢索服務(wù)，可支持蘋果產(chǎn)業(yè)的術(shù)語(yǔ)查詢、術(shù)語(yǔ)之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)等服務(wù)，檢索結(jié)果會(huì)以可視化的知識(shí)地圖形式呈現(xiàn)給用戶。例如輸入“華紅”進(jìn)行檢索，可以查詢到我國(guó)華紅蘋果的資源分布、文獻(xiàn)、育種信息、市場(chǎng)信息等，可以縮短用戶通過(guò)不同來(lái)源獲取不同類型數(shù)據(jù)的時(shí)間成本。

2.4.2 知識(shí)發(fā)現(xiàn)

輸入檢索詞后，基于知識(shí)圖譜可以實(shí)現(xiàn)將具有同一屬性關(guān)系的知識(shí)單元有序聯(lián)系在一起。如輸入專家名字，可以呈現(xiàn)以該專家為中心的知識(shí)地圖，呈放射狀分布，該專家發(fā)表的論文、合著者、工作單位、成果、專利等數(shù)據(jù)會(huì)被展示和發(fā)現(xiàn)，通過(guò)點(diǎn)擊論文合作者的發(fā)現(xiàn)，還能發(fā)現(xiàn)以合作者為中心的知識(shí)圖譜，以檢索詞為中心的知識(shí)都會(huì)被發(fā)現(xiàn)，不僅擴(kuò)大用戶的知識(shí)檢索范圍，還能發(fā)掘用戶的潛在需求。

2.4.3 產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)

基于蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)圖譜構(gòu)建，還能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)的決策與指導(dǎo)，包括蘋果產(chǎn)業(yè)布局研究、生產(chǎn)服務(wù)和指導(dǎo)、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、市場(chǎng)預(yù)警等，知識(shí)圖譜能夠以知識(shí)為單元重新組合，形成新的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)更多的產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。知識(shí)圖譜的構(gòu)建能夠?qū)⒗碚?、?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、市場(chǎng)信息、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等進(jìn)行關(guān)聯(lián)和統(tǒng)一，基于密集數(shù)據(jù)的分析來(lái)形成新的產(chǎn)業(yè)研究范式，發(fā)現(xiàn)和解決我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中的問(wèn)題，同時(shí)為重要的決策提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)論與討論

該文旨在對(duì)我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜的構(gòu)建進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，基于蘋果產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)知識(shí)特點(diǎn)結(jié)合知識(shí)圖譜構(gòu)建的技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的抽取和知識(shí)融合，初步構(gòu)建了輕量級(jí)的蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜體系架構(gòu)，從語(yǔ)義關(guān)聯(lián)的角度實(shí)現(xiàn)知識(shí)的關(guān)聯(lián)和發(fā)掘，為我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)的組織提供科學(xué)的框架和奠定理論基礎(chǔ)。蘋果產(chǎn)業(yè)的知識(shí)結(jié)構(gòu)隨著科學(xué)研究的深入不斷更新和變化，產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)也在不斷實(shí)時(shí)更新，所以本體結(jié)構(gòu)和知識(shí)庫(kù)定期更新，才能保證與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)圖譜的迭代更新。由于蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜的構(gòu)建還屬于初探，該文也存在不足，因研究目標(biāo)是對(duì)整體的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中各個(gè)層級(jí)的研究還不夠深入和完善，諸如蘋果產(chǎn)業(yè)本體的構(gòu)建只是初步列出三級(jí)層級(jí)結(jié)構(gòu)，語(yǔ)義關(guān)聯(lián)的組織和挖掘還不夠深入和詳盡，期望在以后的研究中能夠進(jìn)一步深入。

知識(shí)圖譜的構(gòu)建對(duì)我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)服務(wù)、育種生產(chǎn)、市場(chǎng)貿(mào)易和戰(zhàn)略決策都具有重大的作用和意義，能夠?yàn)樘嵘覈?guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力提供科學(xué)的知識(shí)組織工具。通過(guò)蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)圖譜的構(gòu)建，將產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和復(fù)用，最終形成蘋果產(chǎn)業(yè)知識(shí)，從科技資源的角度為我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的決策提供支撐，如知識(shí)圖譜可以分析我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)布局、統(tǒng)計(jì)我國(guó)蘋果品種的分布，對(duì)我國(guó)蘋果品種結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)區(qū)域規(guī)劃具有重要的作用和意義； 知識(shí)圖譜還能夠從文獻(xiàn)檢索服務(wù)和論文詞頻分析的角度來(lái)滿足科研人員的知識(shí)需求，提供一站式的知識(shí)服務(wù)； 對(duì)于蘋果種質(zhì)資源分布、生產(chǎn)指導(dǎo)、病蟲害防治等產(chǎn)業(yè)問(wèn)題，知識(shí)圖譜還可以提供知識(shí)工具，助力我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，服務(wù)于農(nóng)戶和企業(yè)。上述的深度知識(shí)分析和產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)功能都是基于知識(shí)圖譜的構(gòu)建才能實(shí)現(xiàn)，因此，知識(shí)圖譜對(duì)促進(jìn)蘋果產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展非常必要。該文所構(gòu)建的知識(shí)圖譜架構(gòu)，也可以應(yīng)用于其他的產(chǎn)業(yè)，如小麥、玉米等，但前提條件是深入分析和挖掘產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)的個(gè)性化關(guān)聯(lián)特點(diǎn)，構(gòu)建出適合的領(lǐng)域本體，期望后續(xù)有更多的學(xué)者關(guān)注和加強(qiáng)不同領(lǐng)域的知識(shí)圖譜建設(shè)研究。

[1] 韓明玉，馮寶榮.國(guó)內(nèi)外蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展報(bào)告.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)出版社， 2010.315

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