基于本體的海軍軍械保障知識庫構(gòu)建研究

彭 菲， 糜玉林， 唐金國

（1.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊，山東 煙臺264001； 2.海軍航空工程學(xué)院 訓(xùn)練部，山東 煙臺264001；3.海軍航空工程學(xué)院 科研部，山東 煙臺264001）

當(dāng)今世界，知識已成為競爭力與價值的核心。聯(lián)合國經(jīng)濟與發(fā)展組織（Organisation for Economic Co－Operation and Development，OECD）在題為《以知識為基礎(chǔ)的經(jīng)濟》的報告中提出：知識是經(jīng)濟發(fā)展的核心［1］。軍械保障能力是軍隊體系作戰(zhàn)能力的重要組成部分，要提高體系作戰(zhàn)要求下的軍械保障能力，實現(xiàn)“綜合、機動、快速、精確、高效”的軍械保障目標(biāo)，就必須對海軍軍械保障系統(tǒng)實施知識管理。知識庫是實施知識管理的基礎(chǔ)，構(gòu)建一個集成、統(tǒng)一、規(guī)范化的知識庫才能實現(xiàn)優(yōu)化高效的知識管理。目前，海軍軍械保障系統(tǒng)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還沒有建立起集中統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫平臺，存在數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、獲取渠道不唯一等問題，導(dǎo)致基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可信度低，無法共享，集成難度大，形成了大量“信息孤島”現(xiàn)象，降低了信息化建設(shè)對海軍軍械保障的促進(jìn)作用。因此，目前急需將這些分散的、異構(gòu)的數(shù)據(jù)信息集成整合，使用一種有效的知識表示方法來構(gòu)建一個統(tǒng)一的海軍軍械保障知識庫。

1 基于本體的知識表示

本體方法是解決分布、異構(gòu)信息共享問題的重要手段。在人工智能領(lǐng)域，最早給出本體定義的是Neches等人［2］，他們將本體定義為“給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語和關(guān)系，以及利用這些術(shù)語和關(guān)系構(gòu)成的、規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則的定義”。目前關(guān)于本體的定義，最具代表性的是斯坦福大學(xué)知識系統(tǒng)實驗室Gruber教授提出的：“本體是概念化的明確的規(guī)范說明”［3］。他認(rèn)為：概念化是從特定目的出發(fā)對所表達(dá)的世界所進(jìn)行的一種抽象的、簡化的視圖。Fensel［4］對這個定義進(jìn)行分析后認(rèn)為本體的概念包括4個主要方面：①概念化（conceptualization），客觀世界的現(xiàn)象的抽象模型；②明確（explicit），概念及它們之間聯(lián)系都被精確定義；③形式化（formal），精確的數(shù)學(xué)描述；④共享（share），本體中反映的知識是其使用者共同認(rèn)可的。

從本體構(gòu)成的角度，本體的形式化定義［5］為：

本體是一類復(fù)雜的符號系統(tǒng)

式中：L為本體使用的符號集合，L：＝Lc∪Lp，Lc表示描述概念的符號集合，Lp表示描述概念間關(guān)系的符號集合。

M為符號與概念及其相互關(guān)系的映射函數(shù)，M：＝Mf∪Mg，Mf表示符號與概念的映射函數(shù)，即2Lc→2C，Mg表示符號與概念間關(guān)系的映射函數(shù)，即2Lp→2P；由語言學(xué)知識可知，由于一詞多義、同義詞等情況存在，因此符號與上述二者之間的映射是多對多關(guān)系，同時，M－1f、M－1g也成立。

C為概念集合，概念通過邏輯語言對它自身需滿足的約束進(jìn)行描述。

P為概念間關(guān)系集合，P：＝Ph∪Pb，Ph表示概念間的層次關(guān)系，層次關(guān)系是一種偏序關(guān)系，Pb表示概念間的二元關(guān)系。

A為公理集合，它是一組施加于概念和概念間關(guān)系集合上的永真命題，主要用于推理和有效性檢測。

2 海軍軍械保障領(lǐng)域本體構(gòu)建方法

目前，本體的構(gòu)建模式可以歸結(jié)為2種：一是利用現(xiàn)有的文獻(xiàn)和領(lǐng)域?qū)＜疫\用手工方式創(chuàng)建概念關(guān)聯(lián)；二是將已有的敘詞表改造成本體，或采用學(xué)習(xí)機制進(jìn)行自動或半自動化的本體構(gòu)建。由于目前海軍軍械保障領(lǐng)域知識沒有現(xiàn)成的敘詞表，無法進(jìn)行自動或半自動化的本體構(gòu)建，只能采取手工方式創(chuàng)建海軍軍械保障概念關(guān)聯(lián)。目前相對成熟的本體構(gòu)建方法是斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院開發(fā)的本體構(gòu)建七步法（seven－step method），七步法包含了領(lǐng)域分析、本體的合并與概念添加等多個方面。七步法的本體構(gòu)建步驟為［6］：①確定本體的專業(yè)領(lǐng)域與范疇；②考查復(fù)用現(xiàn)有本體的可能性；③列出本體中的重要術(shù)語；④定義類和類的等級關(guān)系；⑤定義類的屬性；⑥定義屬性的分面；⑦創(chuàng)建實例。

構(gòu)建海軍軍械保障領(lǐng)域本體需要海軍軍械保障領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c，由領(lǐng)域?qū)＜掖_定海軍軍械保障領(lǐng)域知識的概念及其關(guān)聯(lián)，并組建海軍軍械保障領(lǐng)域本體開發(fā)團隊，通過本體建模工具構(gòu)建海軍軍械保障領(lǐng)域本體。當(dāng)前，本體手工建模主要采用國外開發(fā)的本體建模工具，包括Protégé、WebOnto、OilEd、ODE、OntoEdit等。

本文選擇目前應(yīng)用較為廣泛的Protégé本體開發(fā)工具來進(jìn)行海軍軍械保障領(lǐng)域本體的開發(fā)研究，斯坦福大學(xué)開發(fā)的Protégé［7］本體開發(fā)工具，由用戶輸入結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的實體概念和屬性信息然后輸出本體化、語義化的知識模型并基于知識模型進(jìn)行語義推理。本文將通過制作一個局部的維修保障本體來描述使用Protégé構(gòu)建海軍軍械保障領(lǐng)域本體的方法。首先，假定領(lǐng)域?qū)＜覍τ诰S修保障的相關(guān)概念及關(guān)聯(lián)規(guī)定如圖1所示。

圖1 維修保障相關(guān)概念關(guān)聯(lián)圖

2.1 建立owl類

打開Protégé，創(chuàng)建一個新的本體項目，選擇owl Classes來編輯。在Asserted Hierarchy（用戶定義類結(jié)構(gòu)）中，會有所有類的超類owl：Thing，點擊Asserted Hierarchy旁邊的Create subclass或者在owl：Thing點擊右鍵選擇Create subclass，會出現(xiàn)自動定義名為Class＿1的類，可以將該類名修改為“維修保障”。

2.2 建立owl屬性

新建一個ObjectProperty（對象屬性），將屬性名稱改為“包括”，在其Domain（定義域）中定義該屬性的主體的類為“預(yù)防性維修”，在其Range（值域）中定義該屬性的客體的類為“定期檢查”。同樣可以建立一個對象屬性“屬于”，在其Domain（定義域）中定義該屬性的主體的類是“定期檢查”，在其Range（值域）中定義該屬性的客體的類是“預(yù)防性維修”，它是屬性“包括”的逆關(guān)系（owl：inverseOf），故此在右下角Inverse框中選擇“包括”屬性。重復(fù)上述步驟我們可以建立圖1中維修保障相關(guān)的其他owl屬性。

2.3 owl屬性約束

對owl屬性可以進(jìn)行約束定義，即對屬于某一類的個體進(jìn)行條件限制。owl屬性約束主要包括：Quantifier Restrictions（量詞限制）、Cardinality Restrictions（基數(shù)限制）以及hasValue Restrictions（值限制）。由于本實例的概念間關(guān)聯(lián)較簡單，在此不需要對圖中屬性進(jìn)行約束定義。

2.4 owl關(guān)系圖

在設(shè)定好維修保障各概念間關(guān)聯(lián)之后，可以使用owlViz查看能表達(dá)類之間關(guān)系的owl關(guān)系圖。選擇Project→Configure在出現(xiàn)的對話框中，在owlVizTab前打上對號，就會出新owlViz編輯器。單擊owlViz編輯器，選擇Show all classes，就可以看到owl關(guān)系圖。維修保障owl關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 維修保障本體owl關(guān)系圖

這樣，局部的海軍軍械保障領(lǐng)域維修保障本體就初步建立了。在建立了初步的概念和關(guān)聯(lián)之后，可使用推理機等工具對本體間關(guān)聯(lián)進(jìn)行推理，推導(dǎo)出更多的本體概念及關(guān)聯(lián)，最終形成較完善的海軍軍械保障本體庫。

3 海軍軍械保障知識庫構(gòu)建研究

在建立了海軍軍械保障本體庫之后，便可進(jìn)行海軍軍械保障知識庫的構(gòu)建，包括構(gòu)建海軍軍械保障知識模型和海軍軍械保障知識庫的各層次的建設(shè)。

3.1 基于本體的海軍軍械保障知識模型構(gòu)建

海軍軍械保障知識模型需要基于海軍軍械保障知識本體加以構(gòu)建，即滿足前面知識本體的定義模式。本文研究的海軍軍械保障知識庫系統(tǒng)采用“事實－概念－規(guī)則”所表示的三級知識體系［8］。

1）事實處于最底層，它是對象、事件和符號之間各種關(guān)系的集合。事實可用語句、二維表、鏈表、框圖、樹圖和文本等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。

2）概念處于第2層，它是關(guān)于具有相同屬性的一組對象、事件或符號的知識，其中包括模型、例子集合和復(fù)雜的元素，可具體或抽象地定義、刻畫某一對象類的一般特征，也可以高層或低層表示具有層次結(jié)構(gòu)的一組概念的集合。

3）規(guī)則處于第3層，它是一組操作和步驟，用于達(dá)成某一目標(biāo)，解決某個問題或產(chǎn)生某種結(jié)果。規(guī)則被定義為類似E…：－nei語句的條件表達(dá)式，被用于推理和問題的求解，是一種形式化的知識表示方法。

同時，結(jié)合具體應(yīng)用需求，海軍軍械保障知識庫中還應(yīng)存儲相應(yīng)的任務(wù)信息，即使用事實、概念及規(guī)則要解決的任務(wù)描述。因此，海軍軍械保障知識模型應(yīng)包括3部分，每一部分包含一組相關(guān)的知識結(jié)構(gòu)，即知識范疇：

1）海軍軍械保障領(lǐng)域知識——詳細(xì)描述海軍軍械保障領(lǐng)域知識和在一個應(yīng)用中所討論的信息類型。例如，一個涉及裝備故障診斷應(yīng)用的領(lǐng)域知識將包含相關(guān)故障信息、故障表現(xiàn)和不同故障之間的關(guān)系等信息。領(lǐng)域知識在某種程度上相當(dāng)于軟件工程中的“對象模型”或“數(shù)據(jù)模型”。

2）推理／方法知識——描述使用海軍軍械保障領(lǐng)域知識的基本推理步驟，可以將這些推理步驟看作是推理機或推理引擎的基本構(gòu)件。推理知識定義了這些基本構(gòu)件的模型。

3）任務(wù)知識——描述一個應(yīng)用所要達(dá)到的目標(biāo)，以及如何通過將任務(wù)分解成子任務(wù)和推理來實現(xiàn)這個目標(biāo)。

基于以上對海軍軍械保障知識范疇的分類，海軍軍械保障知識模型將由3部分組成：海軍軍械保障領(lǐng)域知識模型、推理／方法知識模型和任務(wù)知識模型。海軍軍械保障知識模型的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 海軍軍械保障知識模型結(jié)構(gòu)圖

對應(yīng)于知識表示體系，海軍軍械保障領(lǐng)域知識模型屬于“事實／概念”層次，推理／方法知識模型屬于“規(guī)則”層次，任務(wù)知識模型對相應(yīng)的應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行描述。

3.2 基于本體的海軍軍械保障知識庫架構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的海軍軍械保障知識庫儲存海軍軍械保障領(lǐng)域知識，為系統(tǒng)用戶提供知識查詢、調(diào)用等服務(wù)。本文將基于本體的海軍軍械保障知識庫構(gòu)建分為3個層次：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層，如圖4所示。

圖4 海軍軍械保障知識庫架構(gòu)

1）表示層，是用戶與海軍軍械保障知識庫交互的接口，用戶通過瀏覽器或其他界面對知識庫進(jìn)行訪問，用戶界面接收查詢請求，并將服務(wù)端的檢索結(jié)果反饋給用戶。雖然在海軍軍械保障知識庫中引入了本體，但表示層對用戶屏蔽了本體。

2）業(yè)務(wù)邏輯層，主要應(yīng)用邏輯層，實現(xiàn)海軍軍械保障知識的檢索。它由本體管理組件、語義分析組件、推理引擎、查詢組件和信息獲取組件5個部分構(gòu)成。

3）數(shù)據(jù)層，包括本體庫、資源描述庫及資源數(shù)據(jù)庫3個部分。它是海軍軍械保障知識庫的存儲介質(zhì)，創(chuàng)建并提煉出結(jié)構(gòu)化的海軍軍械保障知識本體，是海軍軍械保障知識檢索的直接來源。

4 結(jié) 束 語

本文在研究本體與知識庫相關(guān)理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上建立了一種基于本體的海軍軍械保障知識模型，并根據(jù)對知識庫的系統(tǒng)描述，提出了基于本體的海軍軍械保障知識庫構(gòu)建方法。但是，目前所做的工作還不徹底，有許多問題值得進(jìn)一步研究。進(jìn)一步的研究將對知識庫模型的完備性進(jìn)行驗證，并結(jié)合具體的應(yīng)用環(huán)境實現(xiàn)面向具體應(yīng)用的海軍軍械保障知識庫系統(tǒng)。

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