基于NeOn Toolkit的本體重用方法實(shí)例研究*

畢 琳 張 瑩 紀(jì)姍姍

（1.中科院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館 北京 100190）（2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 吉林長(zhǎng)春 130022）（3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）（4.中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 吉林長(zhǎng)春 130033）

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用為人們提供了極其方便的信息服務(wù)，改變了人們獲取信息的途徑和方式，也改變了很多人的生活方式。但是隨著信息數(shù)量的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)信息的有效組織和語(yǔ)義理解已成為亟待解決的問(wèn)題。本體技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效途徑，本體可將所有信息的元數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的表示，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的語(yǔ)義化表達(dá)。但是本體的建模與開(kāi)發(fā)本身是一項(xiàng)系統(tǒng)性較強(qiáng)、投入量較大的工程。通過(guò)重用已有的本體，能夠減少系統(tǒng)的開(kāi)銷，避免重復(fù)建設(shè)。重用的思想和理論，在軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟，但是對(duì)于本體這種特殊知識(shí)表示形式的重用，還屬于比較前沿和新興的研究?jī)?nèi)容。

本文通過(guò)使用NeOn Toolkit工具，以從網(wǎng)絡(luò)獲取到的本體實(shí)例為分析對(duì)象，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的本體重用，并利用SPARQL對(duì)重用后的本體實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義推理，最后分析目前針對(duì)大規(guī)模本體重用存在的問(wèn)題。

1 NeOn Toolkit介紹

2006年，由14個(gè)歐盟機(jī)構(gòu)參與、受歐盟第六框架計(jì)劃資助的NeOn（Networked Ontologies）項(xiàng)目開(kāi)始研究如何有效利用本體實(shí)現(xiàn)分布式大規(guī)模語(yǔ)義應(yīng)用，并發(fā)展了本體工具和相應(yīng)方法。NeOn Toolkit是NeOn項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的基于Java的開(kāi)源本體編輯工具，NeOn Toolkit平臺(tái)及其豐富的插件可以幫助本體開(kāi)發(fā)人員和本領(lǐng)域?qū)＜彝瓿筛鞣N各樣的本體工程活動(dòng)，包括注釋和文檔、人機(jī)交互、模塊化和定制、本體調(diào)試、本體動(dòng)力學(xué)、本體評(píng)估、本體匹配、本體論規(guī)范、推理及重用等。目前最新版本是2011年12月推出的 NeOn Toolkit-2.5.2。

在NeOn Toolkit中，對(duì)OWL語(yǔ)言描述的本體，從概念（Classes），對(duì)象屬性（Object Properties），數(shù)據(jù)屬性（Bata Properties）， 注 釋 （Annotation Properties）， 數(shù) 據(jù) 類 型（atatypes）五個(gè)方面加以描述（見(jiàn)圖 1）。

圖1 NeOn Toolkit平臺(tái)對(duì)本體的描述

本文主要以Location和Building本體為例，結(jié)合本體管理的實(shí)際需求，利用NeOn Toolkit平臺(tái)豐富的功能，實(shí)現(xiàn)本體重用與本體推理。利用NeOn Toolkit實(shí)現(xiàn)地理位置本體的管理，比利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)地理信息有著明顯的優(yōu)勢(shì)：NeOn Toolkit支持簡(jiǎn)單的邏輯推理，還支持復(fù)雜的知識(shí)表達(dá)，因此，它更接近人類的知識(shí)表達(dá)；而數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)實(shí)例和列名定義是相互獨(dú)立的，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模較為單一，無(wú)法全面表示實(shí)例之間復(fù)雜的隱性關(guān)系。

2 本體重用簡(jiǎn)介

在人工智能界，最早給出Ontology定義的是Neches等人，他認(rèn)為“本體定義了組成主題領(lǐng)域的詞匯表的基本術(shù)語(yǔ)及其關(guān)系，以及結(jié)合這些術(shù)語(yǔ)和關(guān)系來(lái)定義詞匯表外延的規(guī)則”。但其中最著名并被引用得最為廣泛的定義是由T.Gruber提出的“本體是概念化的明確的規(guī)范說(shuō)明”。本體的作用就是對(duì)客觀世界進(jìn)行抽象的描述，并實(shí)現(xiàn)概念層次的統(tǒng)一性。本體和本體工程吸引了來(lái)自不同領(lǐng)域的學(xué)者和研究人員，已經(jīng)逐步成為信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

從零開(kāi)始構(gòu)建本體是一項(xiàng)需要大量投入的工程，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，本體在自然語(yǔ)言理解、知識(shí)表示與獲取、數(shù)據(jù)集成和信息檢索等多個(gè)方向上得到了廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越多的人研究本體，網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的本體數(shù)量與日俱增，本體重用就是根據(jù)不同實(shí)際需求，利用這些已有的本體，構(gòu)成新的本體的過(guò)程。通過(guò)以后本體的重用，能夠減少系統(tǒng)的開(kāi)銷避免重復(fù)建設(shè)。本體重用的思想和理論是近年發(fā)展起來(lái)的，屬于比較前沿和新興的研究?jī)?nèi)容。國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究集中在：本體模塊化、本體上下文、本體演化、本體緩存與語(yǔ)義緩存等方面。本文則主要是利用NeOn Toolkit平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)本體重用的實(shí)踐過(guò)程。

3 利用NeOn Toolkit實(shí)現(xiàn)本體重用

本文實(shí)現(xiàn)本體重用的過(guò)程，選擇了ASTRA項(xiàng)目當(dāng)中產(chǎn)出的Location和Building兩個(gè)本體作為源本體。由Ioannis Zaharakis擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理的ASTRA項(xiàng)目旨在通過(guò)建立泛在認(rèn)知系統(tǒng)框架，用以支持對(duì)人類社會(huì)關(guān)系的建模。該框架包括指導(dǎo)并支持社會(huì)交流的泛在認(rèn)知系統(tǒng)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的理論，以及支持該系統(tǒng)應(yīng)用的工具和服務(wù)。其中Location和Building兩個(gè)本體在系統(tǒng)中用以定位人類社會(huì)活動(dòng)的位置。本文通過(guò)對(duì)這兩個(gè)已有本體的重用，闡述利用NeOn Toolkit平臺(tái)本體重用的過(guò)程，并對(duì)重用后產(chǎn)生的目標(biāo)本體，進(jìn)行邏輯推理及查詢。本文采用的方法適用于各種OWL格式所描述的本體數(shù)據(jù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置

首先，在計(jì)算機(jī)當(dāng)中配置Java運(yùn)行環(huán)境。

然后，分析用于重用的本體資源。在本文中選用的位置本體Location.owl將地理位置信息概況為以下幾個(gè)關(guān)鍵 概 念 ：Continent、Federation、Country、Province、City、Quarter、 Building 、Room、Place，并且輔以屬性、關(guān)系、實(shí)例等相關(guān)信息的描述（對(duì)于Location.owl的關(guān)鍵概念之間上位superlocation_of、下位sublocation_of以及繼承isa關(guān)系描述見(jiàn)圖2）。

圖2 Location.owl關(guān)鍵概念之間的關(guān)系

對(duì)于Location.owl中的building概念，可以為其添加更為豐富的語(yǔ)義關(guān)系，所以選用Buliding.owl本體，將Location.owl和Buliding.owl整合為一個(gè)新的目標(biāo)本體（對(duì)于Buliding.owl的關(guān)鍵概念之間的關(guān)系描述見(jiàn)圖3）。

圖3 Buliding.owl關(guān)鍵概念之間關(guān)系

3.2 本體重用過(guò)程

調(diào)用 NeOn Toolkit，將 Location.owl和 Buliding.owl作為源本體輸入本體整合程序（整合操作見(jiàn)圖4，整合后產(chǎn)出的目標(biāo)本體層次結(jié)構(gòu)及上下位關(guān)系見(jiàn)圖5）。目標(biāo)本體對(duì)原來(lái)Location本體中的building信息進(jìn)行了擴(kuò)展，所以對(duì)地理位置信息的描述更加精確，在包含了Buliding.owl中信息之外，同時(shí)對(duì)上位、下位及繼承關(guān)系都做了重新調(diào)整。

圖4 Location.owl和Buliding.owl整合操作

圖5 目標(biāo)本體層次結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于目標(biāo)本體，為了測(cè)試其是否保證了推理邏輯合理性，可以使用NeOn Toolkit的推理測(cè)試功能。NeOn Toolkit平臺(tái)支持標(biāo)準(zhǔn)本體查詢語(yǔ)言SPARQL（Simple Protocol and RDF Query Language）， 允 許 用 戶 通 過(guò)SPARQL語(yǔ)法查詢本體。SPARQL是為RDF開(kāi)發(fā)的一種查詢語(yǔ)言和數(shù)據(jù)獲取協(xié)議，它是為W3C所開(kāi)發(fā)的RDF數(shù)據(jù)模型所定義，但是可以用于任何可以用RDF來(lái)表示的信息資源。

根據(jù)目標(biāo)本體關(guān)鍵概念、屬性及實(shí)例關(guān)系，設(shè)計(jì)以下的推理測(cè)試用例：

（1）為目標(biāo)本體中的關(guān)鍵概念Person添加實(shí)例A和B（添加方法見(jiàn)圖 6）。

圖6 對(duì)目標(biāo)本體添加實(shí)例

（2）A和B的辦公地址實(shí)例分別為 （添加方法同圖6）：A （Room：301；Building：Star；）；B （Building：Star；City：Beijing）。其中，Room 與 Building存在sublocation_of關(guān)系，Building和City存在sublocation_of關(guān)系。

采用SPARQL對(duì)目標(biāo)進(jìn)行查詢，代碼如下：

輸出推理查詢的結(jié)果如下：

從以上結(jié)果中可以得出：在City概念實(shí)例Beijing的人有A和B。

由于A的聲明中并無(wú)城市描述，推理機(jī)通過(guò)對(duì)目標(biāo)本體的推理，實(shí)現(xiàn)了關(guān)于A所在城市的推測(cè)。重用后的本體符合簡(jiǎn)單推理規(guī)則，由于篇幅有限，對(duì)于目標(biāo)本體的推理測(cè)試僅舉一例。然而對(duì)于對(duì)大規(guī)模本體重用來(lái)說(shuō)，由于關(guān)鍵概念之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，這就為對(duì)目標(biāo)本體推理規(guī)則的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難?，F(xiàn)在在本體重用這一領(lǐng)域，還沒(méi)有完整的關(guān)于推理測(cè)試的形式化的表示和操作方法?？梢?jiàn)，對(duì)于大規(guī)模本體重用，推理規(guī)則的設(shè)計(jì)仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)信息的急劇增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的有效管理成為人工智能及網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本體作為客觀世界概念化的明確的規(guī)范說(shuō)明，是解決信息組織及語(yǔ)義表達(dá)問(wèn)題的有效途徑，但從零開(kāi)始構(gòu)建本體的工程量非常巨大，所以對(duì)已有本體的重用是提高本體利用效率的有效方法。本文以ASTRA項(xiàng)目當(dāng)中產(chǎn)出的Location.owl和Building.owl兩個(gè)本體作為源本體，通過(guò)使用NeOn Toolkit平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的本體重用，并利用SPARQL對(duì)重用后的本體實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義推理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明利用本文方法實(shí)現(xiàn)本體重用方法有效。但是，對(duì)大規(guī)模的本體重用的研究還不十分成熟，尤其是對(duì)于重用后的本體推理問(wèn)題的研究，缺乏深入的探討，以及完備的測(cè)試方法。

［1］Welcome to the NeOn Project ［EB/OL］.［2010-02-24］.http：//www.neon-project.org/nw/Welcome_to_the_NeOn_Project.

［2］Gruber T R.A Translation Approach to Portable OntologySpecifications ［J］.Knowledge Acquisition，1993， （5）：199-220.

［3］毛郁欣.面向大規(guī)模本體重用的子本體模型研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.

［4］ASTRA Platform and End User tools code now available［EB/OL］.［2009-12-14］http：//www.astra-project.net

［5］SparQL［EB/OL］.［2012-05-28］.http：//baike.baidu.com/view/661304.htm.