基于范疇論的Web本體論描述研究

葉丹丹，汪海濤

（昆明理工大學(xué) 信息與自動(dòng)化學(xué)院，昆明 650500）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，人們不僅從互聯(lián)網(wǎng)中獲取到了信息，還進(jìn)行電子商務(wù)、在線聊天等活動(dòng)。它擯棄了傳統(tǒng)方式在時(shí)間和空間上的局限性，讓人們便利的獲取各種信息。下面介紹一下Web的演變。

Web 1.0是Web的第一階段，用戶主要是閱覽網(wǎng)站的內(nèi)容。信息只是用戶和互聯(lián)網(wǎng)之間的單項(xiàng)傳輸。到Web 2.0時(shí)，用戶既是網(wǎng)站信息的閱覽者又是創(chuàng)建者。例如Blog、Wiki、RSS等為典型的運(yùn)用，通過這摒棄了傳統(tǒng)方式中由于時(shí)間和空間的局限性獲取信息的模式。在Web2.0的環(huán)境下用戶能夠自己創(chuàng)建內(nèi)容，此時(shí)互聯(lián)網(wǎng)的信息日益增多。這時(shí)用戶不能夠非常便捷、高效、準(zhǔn)確地獲取自己所需的信息。于是Web3.0就以個(gè)性化、友好化等特點(diǎn)為核心應(yīng)運(yùn)而生。 Web3.0是在用戶行為習(xí)慣和信息的集聚下產(chǎn)生的。它將在Web2.0的基礎(chǔ)上向用戶提供個(gè)性化、高效化等的服務(wù)。圖1為Web的演變過程。

圖1 Web演變過程Fig.1 Evolution of Web

實(shí)現(xiàn)Web3.0的關(guān)鍵是語義網(wǎng)。語義網(wǎng)的技術(shù)是得出本體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本文還利用范疇論來進(jìn)行本體論的研究。

1 語義網(wǎng)

語義網(wǎng)概念是互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)始人英國科學(xué)家Tim Berners-Lee于2000年12月18日在XML2000的會(huì)議上正式提出來的。他對語義網(wǎng)的定義如下：“語義網(wǎng)是一個(gè)網(wǎng)，它包含了文檔或文檔的一部分，描述了事物間的明顯關(guān)系，且包含語義信息，以利于機(jī)器的自動(dòng)處理?！闭Z義網(wǎng)是為了改變現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)依靠文字信息來共享資源的模式，而利用本體來描述語義信息，以到達(dá)語義級的共享，使得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)智能化。

語義網(wǎng)是運(yùn)用一套通用的標(biāo)簽把數(shù)據(jù)信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的。由于這些標(biāo)簽具有預(yù)定義的語義，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息處理的時(shí)候，通過讀取這些標(biāo)簽來關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)頁才具有了語義。一個(gè)典型的Web網(wǎng)頁是用HTML標(biāo)記語言來表現(xiàn)的。如下：

上面的信息用戶通過瀏覽器，可以明白其表達(dá)的語義。但是對于處理其數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)來說，它們是無法理解”name“、”birthday“等信息的語義的。

使用通用“標(biāo)簽”來標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)則可以解決這個(gè)問題。它也逐漸成為了定義Web數(shù)據(jù)的通用語言，這稱為元數(shù)據(jù)（metadata)。于是，上面用HTML標(biāo)記語言表示的數(shù)據(jù)可以表示為：

應(yīng)用上面通用標(biāo)簽的思想為描述Web數(shù)據(jù)定義一套通用元數(shù)據(jù)，從而形成了本體的概念。

2 本體概念

本體論最早是來源于哲學(xué)，它研究物質(zhì)世界中存在的本質(zhì)（nature of existence），即研究哪些客體是真實(shí)存在的，以及如何描述它們。在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中，本體被稱為“對概念的顯示和形式化的規(guī)格說明(explicit and formal specification of a conceptualization)”。下面是本體論形式化的描述定義。

本體結(jié)構(gòu)O可以用一個(gè)四元組（C，R，Hc，rel）表示，其中，C表示概念集合；表示概念（c∈C），概念是特定領(lǐng)域中的一組或一類實(shí)體或者事物，每個(gè)概念可以由屬于分別描述其不同方面的特點(diǎn)；R表示關(guān)系集合，r表示關(guān)系（r∈R），關(guān)系描述了概念與概念之間或者屬性與屬性之間的關(guān)系，關(guān)系可以分為2類：分類關(guān)系和連接關(guān)系；Hc表示分類關(guān)系，是概念與概念之間的父類、子類等上下位的層次關(guān)系，HC?C×C；rel表示連接關(guān)系，是除了上下位層次關(guān)系以外的其他關(guān)系，rel：R→C×C 。［1］

為了在Web中表現(xiàn)本體論的結(jié)構(gòu)，則用描述概念和概念之間的關(guān)系——元數(shù)據(jù)來表示。萬維網(wǎng)聯(lián)盟提供了一系列定義元數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的推薦標(biāo)準(zhǔn)，如下：

XML（Extensible Markup Language）：提供了機(jī)構(gòu)化文檔的表層語法，但是沒有任何具體的語義限制。

XML Schema：用于限制XML文檔的結(jié)構(gòu)。

RDF（Resource Description Framework）：用于定義對象（“資源”）和對象之間的關(guān)系，它提供了對象模型的簡單的數(shù)據(jù)語義，并且使用基于XML的語法表達(dá)出來。

RDF Schema：是一種詞匯描述語言，用于描述RDF資源所示的概念和屬性之間的關(guān)系。

OWL（Web Ontology Language）：它是一種用于描述元數(shù)據(jù)的本體語言，用于描述概念，屬性，已及它們內(nèi)部及之間的關(guān)系，包括概念的所屬關(guān)系，不交關(guān)系，基數(shù)限制，屬性的類型，相等，枚舉等。

3 范疇論

范疇是從數(shù)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域中概況出來的一個(gè)高度抽象的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。它的提出被普遍的運(yùn)用到了計(jì)算機(jī)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，解決和解釋其領(lǐng)域的科學(xué)問題。下面先介紹一下范疇論中需要用到的知識(shí)。

一個(gè)范疇C由下列內(nèi)容組成：

（1）一個(gè)對象類ob(C)，ob(C)的元稱為C中的對象，通常用A，B，…等表示范疇的對象。

（2）一個(gè)態(tài)射類Mor(C)，Mor(C)的元稱為C中的態(tài)射。對于C中對象的每個(gè)有序偶(A，B)，對應(yīng)有唯一的一個(gè)集 HomC(A，B)，簡記作 Hom(A，B)。Hom(A，B)中的元稱為C中以A為論域，以B為余論域的態(tài)射。

若f ∈Hom(A，B)，則記作f：A→B.有時(shí)也用dom(f)，cod(f)分別表示f的論域A，余論域B。

（3）對于C中對象的每個(gè)有序三元組(A，B，C)對應(yīng)一個(gè)稱為合成（或復(fù)合）的映射Hom(A，B)×Hom(B，C)→Hom(A，C)，即(f，g)∣→ g。f，g。f稱為f和g的合成（或復(fù)合）。

要求C中的對象和態(tài)射滿足下列公理：

（1）若(A，B)≠(C，D)，則Hom(A，B)∩Hom(C，D)為空；

（2）若f∈Hom(A，B)，g∈Hom(B，C)，h∈Hom(C，D)，則(h。g)。f=h 。(g 。f)；

（3）任意 A∈ob(C)，存在 idA∈Hom(A，A)，使得任意f∈Hom(A，B)，任意g∈Hom(C，A)有f。idA=f，idA。g=g，idA稱為A上的恒同態(tài)射。

圖是定義范疇的基礎(chǔ)，范疇是圖加上滿足某種條件的圖中箭頭的合成規(guī)則。于是范疇則可看成為一個(gè)有向圖，如圖2所示。圖中的節(jié)點(diǎn)對應(yīng)范疇中的對象，箭頭對應(yīng)范疇中的態(tài)射，每個(gè)箭頭有一個(gè)源（source）（或論域（domain））節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)（target）(或余論域（codomain）)節(jié)點(diǎn)。

圖2 范疇圖形表示Fig.2 Graph of category theory

4 用范疇論研究Web中的本體

現(xiàn)在我們用范疇論的思想來描述研究Web中的本體論，首先要構(gòu)造范疇論中存在的對象和對象之間的關(guān)系。從本體論概念出發(fā)，我們知道本體論描述的是概念的集合和概念之間關(guān)系。通過概念的組合可以表現(xiàn)具體的事物，即我們可以把概念的組合關(guān)系看成是對象間的關(guān)系。如“小王是學(xué)生”，”小王“是姓名的概念，“學(xué)生”是教學(xué)方面的概念。但是把其兩個(gè)概念組合成一塊，“小王”具有了人的特征，“學(xué)生”也具有了學(xué)生中的某些特征。我們把人和學(xué)生是抽象化時(shí)，它們就是為類，通過類在把其實(shí)例化為對象。于是我們有理由知道，”小王“是人類的對象，并且“小王”還是學(xué)生類的對象。對本體概念的組合就是對象，表現(xiàn)了一個(gè)具體有意義的事物。而概念間的關(guān)系就轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的對象和對象之間的關(guān)系，這個(gè)關(guān)系可以表示為范疇論中對象和對象的關(guān)系，即態(tài)射。

現(xiàn)在我們用形式化的方式來表示本體，根據(jù)本體論的定義我們設(shè)本體對象O1（C，R，Hc，rel），則c1∪c3∪…∪cn∈A，c2∪c4∪…∪cn+1∈B 為對象，而（c1，c2…）∈C。因c1，c2…概念中存在的關(guān)系R，于是A和B之間也存在著關(guān)系。A—>B的態(tài)射為概念之間的關(guān)系f∈R，即R是由概念和概念之間的關(guān)系來確立對象和對象之間的關(guān)系。如學(xué)校層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，“小王是學(xué)生”，“李xx是老師”。在學(xué)校層次結(jié)構(gòu)中，概念“學(xué)生”和“老師”有明確的關(guān)系。老師是學(xué)校教職工，學(xué)生是學(xué)校的學(xué)員，他們之間有授課與聽課的關(guān)系。通過這樣的規(guī)則，此時(shí)用概念間的關(guān)系來對應(yīng)對象間的關(guān)系“小王是李xx的學(xué)生”。這樣就得到了一個(gè)通過集成的信息。

在本體論中存在了概念和概念之間的關(guān)系，如層次關(guān)系等，通過這些關(guān)系才能把實(shí)體數(shù)據(jù)給聯(lián)系在一塊。根據(jù)范疇的合成、推出和拉回，通過概念和概念之間的關(guān)系把對象和對象連接起來，使得世界就像一張網(wǎng)。如圖3所示，實(shí)例本體的關(guān)系。

圖3 實(shí)例本體關(guān)系Fig.3 The instance ontology relationship

當(dāng)用戶查詢信息時(shí)，代理軟件可以掃描和解釋網(wǎng)頁上的信息通過的就是本體論的概念。根據(jù)概念來查詢信息，并把和其概念的相關(guān)信息進(jìn)行篩選來得到用戶想要的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

由于互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用越來越廣泛，并且推動(dòng)著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。人們對Web的研究也一直在繼續(xù)，于是Web就經(jīng)過了不斷的演化來符合人們的需求?，F(xiàn)在Web研究人員正熱衷于Web3.0的研究。語義網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)Web3.0的關(guān)鍵技術(shù)，而要使計(jì)算機(jī)能夠解釋網(wǎng)頁則要通過本體來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楸倔w是表示概念與概念之間的關(guān)系，于是利用范疇論的原理來對本體論進(jìn)行了研究，為Web的研究提供了數(shù)學(xué)理論。隨著人們的對Web的研究，將最終實(shí)現(xiàn)便利人們生活和工作方式的Web誕生。但是對于人類不斷改變的需求，Web的研究也將不會(huì)停止。

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