基于本體的數(shù)字圖書館語義互操作模型

劉成山　趙捧未　劉懷亮

〔摘 要〕本文給出 了基于本體的數(shù)字圖書館5S模型并用5SL進(jìn)行了描述,同時提出了一種基于本體的數(shù)字圖書館的層次模型:資源層?元數(shù)據(jù)層?本體層和互操作層,詳述了各層的作用,并用OWL的抽 象語法描述了各層的概念與關(guān)系?最后探討了利用語義Web Services實現(xiàn)數(shù)字圖書館的語義 互操作?

〔關(guān)鍵詞〕數(shù)字圖書館;本體;5S ;OAIS;OWL

〔中圖分類號〕C931.6 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號 〕1008-0821(2009)08-0066-04

Semantic Interoperability Models

of Digital Library Based on OntologyLiu Chengshan Zhao Pengwei Liu Huailiang

(School of Economics & Management,Xidian University,Xi餫n 710071,China)

〔Abstract〕In this paper,a 5S model of digital libraries described by 5SL

based on ontology was given.A hierarchical model of digital libraries based on

ontology with four layers,i.e.,resource layer,metadata layer,ontology layer an d interoperation layer was proposed and the function of each layer was elaborate d.Then classes and their relationships in each layer were described by abstract

syntax of OWL.Finally,semantic interoperation of digital libraries achieved by S emantic Web Services was also discussed.

〔Key words〕digital librarie s;ontologies;5S;OAIS;OWL

數(shù)字圖書館的互操作是解決一個數(shù)字圖書館系統(tǒng)能夠理解另一個數(shù)字圖書館的資源的問 題?而語義互操作是數(shù)字圖書館系統(tǒng)通過本體映射等方法,理解多個領(lǐng)域的語義表達(dá),使資 源的語義外顯化,從而能夠使系統(tǒng)具有語義交互的能力?也就是說,數(shù)字圖書館需要在承認(rèn) 環(huán)境無序的前提下尋求一種跨語義的解決方案?顯然,解決語義互操作的核心在于建立一個 統(tǒng)一?公認(rèn)的概念模型?本文分別在數(shù)字圖書館的5S模型和開放存檔信息系統(tǒng)(OAIS)模型 的基礎(chǔ)上,提出基于本體的語義互操作的模型?

1 基于本體的5S模型

5S模型定義了數(shù)字圖書館是具有5個模塊的復(fù)雜系統(tǒng):社會性模塊(Societies,各個角色和 職能);情境性模塊(Scenarios,提供相應(yīng)的服務(wù)行為細(xì)節(jié));結(jié)構(gòu)性模塊(Structures ,以有用的方式組織內(nèi)容);空間性模塊(Spaces,描述內(nèi)容的內(nèi)在屬性和關(guān)系);流體性 模塊(Streams,展示內(nèi)容的外在表示)?5SL是一種基于XML的對數(shù)字圖書館5S模型進(jìn)行建 模的語言,用于表達(dá)某領(lǐng)域各類實體及其相互關(guān)系,以及對問題進(jìn)行抽象表述[1] ?

本體(Ontology)通過對術(shù)語的嚴(yán)格概念定義和術(shù)語間的關(guān)系來確定術(shù)語的精確含義,用于 表示共同認(rèn)可的?可共享的知識,從而產(chǎn)生計算機(jī)可理解的語義,因此本體是解決語義層次上的信息交換和共享的基礎(chǔ),圖1是利用5SL建立的基于本體的數(shù)字圖書館語義模型?

流體性模塊包含了數(shù)字圖書館內(nèi)容(Collection)的多媒體表現(xiàn)格式:文本?圖像?音頻和 視頻等;空間性模塊用于對數(shù)字圖書館內(nèi)容屬性和關(guān)系的描述;結(jié)構(gòu)性模塊主要由數(shù)字對象 (流體性模塊所表現(xiàn)的內(nèi)容)和元數(shù)據(jù)組成;情景性模塊描述查詢?瀏覽?推送等服務(wù)行為 的細(xì)節(jié);社會性模塊包含用戶所需要的服務(wù),通過管理員或代理實現(xiàn)?

在該模型中,將本體引入結(jié)構(gòu)性模塊中,利用5SL編碼如下:

resource=″http:∥sigmakee.cvs.sourceforge.net/*checkout*/sigmakee /KBs/Merge.kif″/>

ture

schema=″http:∥purl.org/dc/elements/1.1″/>

……

本體的作用在于共享和重用語義,不同領(lǐng)域?不同應(yīng)用系統(tǒng)之間通過本體映射進(jìn)行交流?協(xié) 定并可以共享理解?以下是引入本體后,以情景性模塊中的Search服務(wù)為例的5SL編碼:

……

Search Agent

Semantic MatchMaker

query

Search Agent

Interface Manager

……

2 基于本體的層次模型

數(shù)字圖書館從海量的?分布式的資源中采集到有價值的信息,有效地提供給用戶使用,它需 要提供一個規(guī)范信息描述和信息解釋的系統(tǒng)環(huán)境作為一個統(tǒng)一框架,以適當(dāng)?shù)姆椒ü芾砗褪?用不同元數(shù)據(jù)和本體建立的語義系統(tǒng),需要建立或?qū)σ延邢到y(tǒng)抽象出一個統(tǒng)一的能夠進(jìn)行互 操作的語義層次?本文借鑒OAIS模型[2],提出基于本體的數(shù)字圖書館語義互操作 的層次模型,分為4層:資源層(SIP)?元數(shù)據(jù)層(AIP)?本體層(AIP)和互操作層(DI P),如圖2?上層通過接口訪問下層,下層為上層提供服務(wù)?

2.1 資源層(Resource Layer)

資源層包括基本的對象數(shù)據(jù),為系統(tǒng)提供海量的數(shù)據(jù)資源,建立動態(tài)的?跨平臺的?虛擬的信息環(huán)境組成領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫或知識庫?Unicode用于資源的編碼,統(tǒng)一標(biāo)識URI(Uniform Reso urce Identifier)負(fù)責(zé)標(biāo)識資源?數(shù)字圖書館中的每個資源至少用一種元數(shù)據(jù)方案的一種 元素進(jìn)行描述,元數(shù)據(jù)應(yīng)用綱要(AP)通過URI標(biāo)識在網(wǎng)上聲明?AP要求元數(shù)據(jù)元素都取自U RI的命名域,不再定義新的元素,但可以定義相關(guān)的編碼體系和規(guī)則,融合和復(fù)用來自于不 同元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語,在一個共同的抽象模型中達(dá)到語義互操作的目的[3]?

2.2 元數(shù)據(jù)層(Metadata Layer)

如何將資源層的多種資源映射成數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)實體是語義互操作要解決的首要問題,元數(shù)據(jù) 描述是將數(shù)字圖書館中的信息資源語義化的基本方式,它是數(shù)字圖書館的語義基礎(chǔ),可以對 資源進(jìn)行語義描述,提供資源的微觀結(jié)構(gòu)?

該層主要包括XML/XML Schema?RDF/RDF Schema?AP以及元數(shù)據(jù)注冊系 統(tǒng)(MDRS)等?XML/XML Schema表示數(shù)據(jù)的內(nèi)容和語法結(jié)構(gòu)[4];RDF/RDF Schema描述資源及其類型[5]? XML可以由用戶靈活定義在不同的應(yīng)用中所使用的標(biāo)記組合,是計算機(jī)之間共享數(shù)據(jù)的一種 有效方式,但它不具備語義描述能力?RDF提供了一個通用模型用于對任意類型資源的描述 ,它以一種標(biāo)準(zhǔn)化?互操作的方式來規(guī)范XML的語義,在XML中引用RDF可以將XML的解析過程 與解釋過程相結(jié)合,即RDF可以幫助解析器在閱讀XML時,獲得XML所要表達(dá)的主題和對象, 并可以根據(jù)它們的關(guān)系進(jìn)行推理,從而做出基于語義的判斷?因而可以把XML看作為一種標(biāo) 準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)語法規(guī)范,而RDF是一種標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)語義描述規(guī)范?

該層用到的元數(shù)據(jù)收割模型(比如OAI-PMH)[6]能夠從每個數(shù)字圖書館系統(tǒng)中采 集并提取元數(shù)據(jù),經(jīng)過處理?合并后集中保存在一個元數(shù)據(jù)庫中,方便用戶對元數(shù)據(jù)進(jìn)行查 詢?該方法有效地解決了各資源庫在元數(shù)據(jù)格式上可能存在的異構(gòu)性問題,實現(xiàn)跨庫互操作 ?元數(shù)據(jù)注冊系統(tǒng)MDRS能夠提供元數(shù)據(jù)術(shù)語的定義?屬性和關(guān)系,用于進(jìn)行查詢?映射和轉(zhuǎn) 換服務(wù)?

2.3 本體層(Ontology Layer)

本體是“元”元數(shù)據(jù),可以從宏觀層面上描述數(shù)字圖書館的語義模型[7]?模型中 的本體層用于描述數(shù)據(jù)的語義內(nèi)容,封裝數(shù)據(jù)的異構(gòu)性,向上層提供語義服務(wù), 同時提供邏輯推理的規(guī)則?包括對傳輸對象進(jìn)行描述的語義本體?對服務(wù)過程和行為描述的 服務(wù)本體以及發(fā)布和共享相同或相似服務(wù)的機(jī)制(即注冊體系和本體的建立/映射/融合機(jī) 制)?

該層是整個模型的核心,由本體代理?本體查詢模塊?本體庫和包裝器等部分組成?本體代 理用于提取該領(lǐng)域的本體,生成本體庫?上層的查詢送到該層,由本體查詢模塊分解成子查 詢,與本體庫進(jìn)行語義匹配,通過包裝器傳遞給下層?包裝器的功能是與響應(yīng)的信息源進(jìn)行 交互,將代理所使用的查詢語言翻譯給相關(guān)信息源,并將查詢結(jié)果送回上層?

不同的領(lǐng)域有不同的本體,即使是相同的領(lǐng)域也可能存在不同的本體,需要用本體映射的方 法解決本體的互操作問題,通?？刹捎弥苯臃g或者共享本體的方法?

2.4 互操作層(Interoperation Layer)

該層是整個數(shù)字圖書館面向用戶的統(tǒng)一服務(wù)平臺,由客戶代理向本體層提出服務(wù)請求(本層 也可直接訪問資源層的局部對象數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)層的元數(shù)據(jù)),在本體層構(gòu)造的邏輯集成信息 服務(wù)機(jī)制上提供數(shù)字圖書館各類分布式?異構(gòu)資源的透明訪問,為用戶提供個性化的信息內(nèi) 容和業(yè)務(wù)服務(wù)?用戶可以通過單一的語義入口獲取個性化服務(wù),在單一的語義空間里獲取共 享知識?該層還對下層送回的結(jié)果進(jìn)行抽取?推理,然后更新知識庫?

3 層次模型的本體描述

如上所述,XML/XML Schema提供了語法,但沒有語義約束;RDF/RDF Schema是描述資源的類 和屬性的詞匯表,提供了這些類和屬性的層次結(jié)構(gòu)的語義?而本體描述語言O(shè)WL(Web Ontol ogy Language)[8]添加了更多的用于描述類和屬性的詞匯,可用來明確表示詞匯 表中術(shù)語的概念以及術(shù)語間的關(guān)系?在表達(dá)概念和語義方面,OWL比XML(S)/RDF(S) 有更多的表達(dá)手段,因此在Web上表達(dá)計算機(jī)可理解的語義的能力也更強(qiáng)?

OWL的抽象語法[9]可讀性強(qiáng),易于修改,本文使用OWL的抽象語法來描述各層中主 要的術(shù)語的概念和關(guān)系[10]?

Ontology(Annotation(owl:imports http:∥sigmakee.cvs.sourceforg e.net/*checkout*/sigmakee/KBs/Merge.kif)∥僅為舉例

Annotation(rdfs:label″SUMOnto″)∥IEEE的“建議上層共用本體”

……)

3.1 資源層的主要概念和關(guān)系定義

Class(Concept owl:Thing)∥Concept是根類

Class(Collection Concept)∥Collection分為3個不相關(guān)的子類:

Class(PersistentCollection Collection)∥靜態(tài)收藏,也即數(shù)字圖書館的存儲資源

Class(DynamicCollection Collection)∥用戶服務(wù)時使用的動態(tài)數(shù)據(jù)

Class(TemporaryCollection Collection)∥臨時數(shù)據(jù),比如檢索結(jié)果等

Class(DataCollection PersistentCollection)

DisjointClasses(PersistentCollection DynamicCollection TemporaryCollection)

ObjectProperty(derivedzfrom range(Collection)domain(Collection))∥內(nèi)容派生

ObjectProperty(referzto range(Collection)domain(Collection))

3.2 元數(shù)據(jù)層的主要概念和關(guān)系定義

Class(Metadata Concept)

Class(Profile Concept)

Class(MetadataCollection PersistentCollection)

Class(MetadataProfile Profile)∥元數(shù)據(jù)應(yīng)用綱要

Class(Actor Concept)

Class(Agent Actor)

Class(SearchAgent Agent)

ObjectProperty(haszmetadata domain(DataColletion)range(MetadataCollection))

ObjectProperty(haszrule domain(MetadataProfile)range(MetadataCollection))

ObjectProperty(uses domain(SearchAgent)range(MetadataCollection))

3.3 本體層的主要概念和關(guān)系定義

Class(Relationship owl:Thing)∥Relationship是抽象類,分為3個子類:

Class(Belongzto Relationship)∥隸屬

Class(Relatezto Relationship)∥相關(guān)

Class(Create Relationship)∥產(chǎn)生

Class(OntologyAgent Agent)

Class(Synonym Concept)

ObjectProperty(uses domain(OntologyAgent)rang(Synonym))

3.4 互操作層的主要概念和關(guān)系定義

Class(Service Concept)

Class(Interface Concept)

Class(User Actor)

Class(ClientAgent Agent)

ObjectProperty(haszaccess domain(User)range(Interface))

ObjectProperty(haszservice domain(ClientAgent)range(Service))

ObjectProperty(uses domain(Service)range(Collection))

ObjectProperty(updates uses domain(Agent)range(Collection))

OWL通過把抽象語法轉(zhuǎn)化為RDF圖來定義RDF/XML語法?OWL所描述的術(shù)語之間的關(guān)系存在于層 中,也存在于層間,這些術(shù)語的概念和關(guān)系產(chǎn)生了本體?

4 數(shù)字圖書館語義互操作的實現(xiàn)

數(shù)字圖書館系統(tǒng)語義互操作的最終目標(biāo)是使計算機(jī)能夠自動處理語義,這需要在建立大量的 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上,還要一定的系統(tǒng)架構(gòu)來保障語義功能的實現(xiàn)?面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)從 本質(zhì)上說是一種理念,它是一種軟件架構(gòu),由一組獨立的?自我描述的服務(wù)組成,并能夠通 過標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行訪問?SOA非常適合解決分布式環(huán)境下的不同應(yīng)用之間的集成問題,而數(shù) 字圖書館的異構(gòu)信息系統(tǒng)都是具有獨立功能的實體,相互之間只具有松散聯(lián)系?SOA強(qiáng)調(diào)架 構(gòu)中提供服務(wù)的功能實體的完全獨立的自我管理和恢復(fù)能力,非常適合于實現(xiàn)數(shù)字圖書館的 語義互操作?目前SOA最普遍的應(yīng)用是Web Services?

Web Services是一種動態(tài)的互操作方案,通過UDDI(統(tǒng)一描述?發(fā)現(xiàn)和集成)動態(tài)地發(fā)現(xiàn)? 綁定和使用服務(wù)[11]?在基于本體的互操作模型中,本體的引入使得軟件代理可 以對Web Services的服務(wù)過程和行為進(jìn)行語義描述,從而實現(xiàn)語義互操作?服務(wù)本體可分為 3個子本體[12]:ServiceProfile提供了服務(wù)的功能與接口,以便于服務(wù)代理能 夠搜索與匹配該服務(wù);ServiceModel詳細(xì)說明了服務(wù)如何工作,進(jìn)行語義匹配,同時協(xié)調(diào)不 同的源,實現(xiàn)互操作;ServiceGrounding指定調(diào)用服務(wù)的具體細(xì)節(jié),解決代理通過什么樣的 手段去訪問服務(wù)的問題,比如RPC?CORBA IDL?SOAP?Java remote calls?OAA?Jini等? 以下是基于本體的語義Web Services的實現(xiàn)?

首先是服務(wù)提供者注冊?各個資源和服務(wù)在現(xiàn)有基礎(chǔ)之上增加一個Web Services的接口封裝 ,轉(zhuǎn)換成為Web服務(wù)?采用Web Services描述語言WSDL的元素來描述文檔,常用的元素有:< portType>定義一種服務(wù)訪問入口的類型;定義在通信中使用消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);定義數(shù)據(jù)類型;定義訪問入口與某一種具體的網(wǎng)絡(luò)傳輸或消息傳輸協(xié)議相綁 定?然后把ServiceProfile發(fā)送到服務(wù)注冊中心,等待調(diào)用請求?

然后服務(wù)請求者通過UDDI注冊機(jī)制查找需要的服務(wù)(由ServiceModel描述)?軟件代理提供 服務(wù)參數(shù)后,請求被送到語義匹配器(Semantic MatchMaker),在此被轉(zhuǎn)換為ServiceProf ile文檔,并利用ServiceProfile本體庫中所描述的有效服務(wù)進(jìn)行語義匹配,找到服務(wù)提供 者?

最后返回結(jié)果?綁定?組件根據(jù)返回的WSDL,生成SOAP消息,Web服務(wù)器得到SOAP應(yīng)答后,把查詢結(jié)果整理?合并,送回到客戶代理?這樣就可以遠(yuǎn)程調(diào)用該服務(wù)了?

5 結(jié) 論

要有效地利用數(shù)字圖書館各類信息資源和服務(wù),需要在分布式環(huán)境下尋找一種跨語義的互操 作解決方案?建立領(lǐng)域本體是語義互操作不可缺少的工具,本文提出了基于本體的數(shù)字圖書 館語義互操作模型:5S模型和層次模型,分別用5SL和OWL進(jìn)行了語義描述,并分析了利用語 義Web Services實現(xiàn)數(shù)字圖書館的語義互操作?

語義網(wǎng)格是在Web環(huán)境中再構(gòu)建一個中間的環(huán)境,能夠提供更高的語義和更強(qiáng)的計算能力[13],使得符合這個環(huán)境的信息體都具有語義互操作功能?其分布式環(huán)境與數(shù)字圖 書館的信息環(huán)境是完全一致,因此可以認(rèn)為語義網(wǎng)格也將為數(shù)字圖書館提供語義互操作方案 ?

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