基于本體的高校知識分析和推理

袁小艷

摘 要： 以高校知識為研究和應(yīng)用背景，研究基于本體理論的高校知識本體結(jié)構(gòu)化表示和描述，并采用protege 4.0建立了高校知識本體。同時(shí)從高校知識中提取出基本公理、類內(nèi)公理和類間公理，建立公理庫，并采用protege的PAL推理引擎對高校知識進(jìn)行一致性分析和推理。解決了高校知識語義層次上的信息共享和交互的問題，為高校知識的管理提供語義支撐。

關(guān)鍵詞： 高校知識； 本體； 公理； 知識一致性； 知識推理

中圖分類號： TN911?34； TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）14?0028?04

Analysis and reasoning of knowledge based on ontology of colleges and universities

YUAN Xiao?yan

（College of Computer， Sichuan University of Arts and Science， Dazhou 635002， China）

Abstract： With knowledge of colleges and universities as the research and application background， the university knowledge ontology structuring representation and description based on the theory of the ontology are studied. Protege4.0 is adopted to establish the university knowledge ontology. The axiom library was established by extracting the basic axioms， class axiom and axioms between classes from university knowledge. The PAL inference engine of Protege is used to do consistency analysis and reasoning of university knowledge. The information sharing and interaction in the semantic level of knowledge in colleges and universities was realized. It provided a semantic support for knowledge management of colleges and universities.

Keywords： university knowledge； ontology； axiom； knowledge consistency； knowledge reasoning

高校是國家知識儲備的一支精銳力量，高校知識資源的優(yōu)劣決定著高校教育發(fā)展的好壞。由于高校知識的類型多元化、各種交叉學(xué)科使得各種知識分散、無序，如何獲取高校知識并進(jìn)行分析和推理，已經(jīng)成為高校知識工程中一項(xiàng)很重要的工作。

本體是一種概念模型建模工具，用于描述知識，它需要定義類、屬性、關(guān)系、公理和實(shí)例等元素，給信息、知識賦予了語義，具有很好的概念層次，并支持知識的一致性檢查和邏輯推理。本文基于形式本體的理論建立了高校知識本體及其描述，用Protege本體構(gòu)建工具來協(xié)助構(gòu)建本體，以此為基礎(chǔ)建立公理體系，利用公理對高校知識進(jìn)行一致性檢查和知識推理，這將對高校知識工程領(lǐng)域提高智能基礎(chǔ)。

1 高校知識本體

高校知識本體從知識工程的角度來說，指的是高校知識本體結(jié)構(gòu)以及對高校知識各種概念的知識本體描述，它包含了高校所有相關(guān)知識，且知識必須與高校知識領(lǐng)域相符合，刻畫出所有高校知識的概念、屬性、關(guān)系和公理。

1.1 本體結(jié)構(gòu)化表示

高校知識本體模型O={N，AN，RN，A，T A}。其中：N表示高校知識概念的集合，N={學(xué)生，教師，教學(xué)，科研，…}；AN表示N中所有概念的屬性的集合，AN={AN（學(xué)生），AN（教師），AN（教學(xué)），… }；RN表示N中概念間的關(guān)系的集合，RN={superclass，subclass，學(xué)習(xí)，講授，…}；A表示RN中所有關(guān)系的屬性的集合，A={A（superclass），A（subclass），A（講授），…}；T A表示高校知識本體的公理集，T A={講授（x，y），被講授（y，x），…}。

高校知識本體有6種建模元語：類（categories）、概念（notions）、關(guān)系（relationships）、函數(shù)（gammas）、公理（justices）和實(shí)例（examples），基本語義關(guān)系有5種：繼承的關(guān)系（is?a）、所屬的關(guān)系（kind?of）、相似的關(guān)系（resemble?of）和屬性關(guān)系（attribute?of）、實(shí)例間的關(guān)系（instance?of）。

1.2 本體描述

本文采用W3C推薦的資源描述框架RDF/RDFS來描述高校知識本體。RDF是一個(gè)類似于實(shí)體關(guān)系模型的基本數(shù)據(jù)模型，利用主語、謂詞、賓語（三元組）來表示資源[1]。高校知識本體的三元組如圖1所示。

圖1 高校知識本體三元組表示

OWL 語言和 RDF Schema 一起提供一種正式的描述機(jī)制對 RDF 模型進(jìn)行描述，不僅可以表述資源的層次結(jié)構(gòu)，還有資源的屬性特征。高校知識本體的一個(gè)教師及部分屬性如圖2所示[1]。

圖2 教師及部分屬性

OWL語義對圖2的描述如下：

1.3 本體實(shí)現(xiàn)

本文采用本體的開發(fā)工具Protege 4.0建立本體庫，Protege 4.0應(yīng)用程序把本體結(jié)構(gòu)以樹形的層次結(jié)構(gòu)顯示，用戶可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)的項(xiàng)目來增加或編輯類、子類、屬性和實(shí)例等，使用戶在不需要了解具體的本體表示語言的情況下就可以在概念層次上設(shè)計(jì)領(lǐng)域模型[2]。高校知識本體模型如圖3所示。

2 高校知識公理庫

在建立了高校知識本體和知識庫后，就要對知識進(jìn)行檢查和推理，但僅僅依靠現(xiàn)有的本體是無法實(shí)現(xiàn)的，這就必須建立一個(gè)公理庫，根據(jù)公理庫對現(xiàn)有的知識進(jìn)行檢查和推理。公理的實(shí)質(zhì)是描述了不同概念所對應(yīng)的客觀對象間的真實(shí)關(guān)系，公理本身也是知識，而且應(yīng)該是更高層次的知識。一個(gè)本體建得好不好，很大程度上取決于它的公理庫建得如何，因?yàn)楣碇饕潜ＷC了知識之間以及知識庫與本體之間的一致性，另外，還可以利用公理對知識進(jìn)行推理和利用公理實(shí)現(xiàn)知識之間的聯(lián)通[3]。

圖3 高校知識本體模型

高校知識本體的公理分為基本公理、類內(nèi)公理和類間公理?；竟硎乔懊嫣峒暗幕菊Z義關(guān)系的公理。類內(nèi)公理約束類中的屬性槽和關(guān)系槽，或者這些槽之間的關(guān)系。類間公理約束類之間的關(guān)系，或者不同類的槽之間的關(guān)系。高校知識公理采用一階謂詞來表示公理，本文的函數(shù)和謂詞如表1所示。

表1 高校知識公理的函數(shù)和謂詞

2.1 基本公理

高校知識本體的基本特性有對稱性（symmetry）、傳遞性（transitivity）、逆轉(zhuǎn)性（reversion），基本語義關(guān)系的公理如下：

公理1 is?a關(guān)系擁有傳遞性。

公理2 is?a關(guān)系沒有對稱性。

公理3 kind?of關(guān)系擁有傳遞性。

公理4 kind?of關(guān)系沒有對稱性。

公理5 resemble?of關(guān)系沒有傳遞性。

公理6 resemble?of關(guān)系擁有對稱性。

2.2 類內(nèi)公理

類內(nèi)公理主要用來對類中的槽進(jìn)行約束，最終精確語義解釋，分為值域公理、語義類型公理、屬性關(guān)系公理和屬性關(guān)系內(nèi)涵公理，部分類內(nèi)公理如下所示：

公理7 所有教學(xué)評價(jià)的分?jǐn)?shù)大于0且小于100。

for ?x：TeachingEvaluation [larger（x，PointofEvalluteach，0）

∧less （x， PointofEvalluteach，100）]

公理8 對于所有必修課程x，如果它的前驅(qū)課程是y，則y也是一種必修課程。

for ?x：RequiredCourse[precourse（x，y）

?isa（y， RequiredCourse）]

公理9 對于所有選修課程x，如果它的后繼課程是y，則y也是一種選修課程。

for ?x：ElectiveCourse[subsequentcourse（x，y）

?isa（y， ElectiveCourse）]

公理10 科研量化分不小于0

for ?x：ResearchQuantita

[larger_or_equal（x，PointofQuantireserch，0）]

公理11 所有教學(xué)評價(jià)的最大分?jǐn)?shù)都大于它的最小分?jǐn)?shù)。

for ?x： TeachingEvaluation

[larger（x.MaxPoint ，x.MinPoint）]

公理12 對于所有必修課程x，如果它的前驅(qū)課程是y，則y先于x開課。

for ?x ： RequiredCourse[precourse（x，y）

?before（y，x）]

公理13 對于所有課程x，若它的不及格人數(shù)大于0，則該課程是要補(bǔ)考的。

for ?x：Course[larger（x.NumberofNotpass，0）

?supplementexam_Course（x，yes）]

公理14 對于某課程的所有分?jǐn)?shù)X，若y是x的最高分?jǐn)?shù)，則：如果z是x中的一個(gè)分?jǐn)?shù)，且z不是y，那么y大于等于z。

for ?x：PointofCourse[MaxofPoint（x，y）

??z： PointofCourse [isa（z，x） ∧unequal（z，y）?larger_or_equal（y， z）]]

2.3 類間公理

類間公理用來約束類與類之間以及不同類的槽之間的關(guān)系，主要分為類之間的公理、不同類與槽之間的公理，部分類間公理如下所示：

公理15 只要是學(xué)生（Student）就不可能是教師（Tea），只要是教師就不可能是學(xué)生。

[Student?Tea=?]

公理16 實(shí)踐課程的管理難度高于理論課程的管理難度。

for ?x：Course[Beginwith（x，"practice"）

?higher（manage（x），manage（Adddiff（Cutdiff（x，"practice"），"theory"）））]

公理17 教學(xué)團(tuán)隊(duì)的成員都是教師。

for ?x：Teachingteam（isa（x，Teacher））

公理18 科研學(xué)者要么是校內(nèi)的學(xué)者，要么是校外的學(xué)者。

for ?x：Scholars[abbreviate（x，y）

?abbreviate（Addbegin（x，"inschool"），Addbegin（y，"outofschool"））]

公理19 如果一個(gè)教師t參加過一個(gè)培訓(xùn)P，而這個(gè)培訓(xùn)又用到過知識s，則該人員擁有知識s。

（?P∈Train）（?s∈Knowledge）required for（s，P） ∧

（?t∈Tea）works for（t，P）?has（s，t）

3 高校知識一致性分析

由知識工程師從文本里獲取的知識并不總是正確或者不矛盾的，知識來源的不準(zhǔn)確或人為的疏忽都有可能導(dǎo)致知識的不一致，因此在高校知識本體建立之后，一個(gè)很重要的任務(wù)就是對高校知識進(jìn)行一致性分析。一致性分析主要用來分析知識的正確性、完整性和一致性，一致性檢查包含知識完整性檢查、值錯(cuò)誤檢測與知識矛盾檢測。

本體編輯器Protege 4.0中的PAL提供對Protege公理語言的支持，如果用來表示知識的框架存在形式化不充分的情況，用戶在使用這些框架中的數(shù)據(jù)時(shí)可以進(jìn)行一定程度的限定[4]。下面采用一些例子說明如何使用PAL對公理重新進(jìn)行形式化的描述，使其滿足PAL的語法要求，形成PAL推理引擎能識別的描述形式，進(jìn)而對知識進(jìn)行一致性分析。

例1：使用PAL檢查公理11的一致性：

for ?x： TeachingEvaluation

[larger（x.MaxPoint ，x.MinPoint）]

根據(jù)PAL的語法可以把這條公理表示為：

（forall？current（or（>（MaxPoint？current）（MinPoint？current）） （=（MaxPoint？current）（MinPoint？current））））

（defrange？current：FRAME 高校知識屬性本體）

當(dāng)知識工程師創(chuàng)建實(shí)例的時(shí)候，如果最高教學(xué)評價(jià)分?jǐn)?shù)槽值低于最低教學(xué)評價(jià)分?jǐn)?shù)槽值，PAL推理引擎將根據(jù)上面描述的限定找出不一致的地方。

例2：知識完整性檢查

在知識庫中有這樣的公理：

（forall？course（exists？difficulty（典型難點(diǎn)？course？difficulty）））

（defrange？course：FRAME 課程本體）

（defrange？defficulty：FRAME 難點(diǎn)屬性）

當(dāng)知識工程師添加實(shí)例后，如果課程沒有難點(diǎn)槽值，PAL推理引擎將根據(jù)上面描述的限定找出不一致的地方。

例3：值錯(cuò)誤檢測

在知識庫中有這樣的公理：

（forall？course（=>slot?not?null 后繼于？course）

（slot?at?class?is?instance?valued后繼于課程本體）））

（defrange？course：FRAME 課程本體）

根據(jù)該公理，一門課程知識中如果有“后繼于”這個(gè)槽的描述，那么槽中所填值必然是一門課程，這在填寫實(shí)例時(shí)起到約束作用。

例4：知識矛盾檢測

知識工程師在高校知識庫中試驗(yàn)性地輸入以下錯(cuò)誤信息：輸入某課程的最大分值是100，最小分值是110，這與下面的公理相矛盾：

（forall？current（or（>（MaxPoint？current）（MinPoint？current）） （=（MaxPoint？current）（MinPoint？current））））

（defrange？current：FRAME 高校知識屬性本體）

通過PAL分析，能夠檢查出剛才輸入出錯(cuò)的知識。

4 高校知識推理

高校知識公理庫除了可以分析知識的一致性，還可以對知識進(jìn)行推理?？梢詮墓韼熘幸阎母拍畛霭l(fā)，推理出新的概念知識；也可以從概念的已知屬性知識出發(fā)，推理出未知的屬性知識。

例5：假如有以下關(guān)于教師A和知識點(diǎn)B的兩條知識。

教師A：教師

{擁有知識點(diǎn)：知識點(diǎn)A，知識點(diǎn)B，知識點(diǎn)C，……；

參加培訓(xùn)：培訓(xùn)D，……；

……}

知識點(diǎn)B：知識點(diǎn)

{……

屬于課程：課程C；

用于培訓(xùn)：培訓(xùn)E；

……}

知識點(diǎn)F：知識點(diǎn)

{……

屬于課程：課程G；

用于培訓(xùn)：培訓(xùn)D；

……}

由圖4（a）可看出，已知教師擁有知識點(diǎn)，知識點(diǎn)屬于課程，可以推理出教師可以講授這門課程。可以為教師添加一個(gè)屬性“可以講授的課程”，那么這條推理結(jié)果就為知識庫增加了新的知識，并為教務(wù)處提供“教師可以講授的課程”查詢，將教師的查詢更加細(xì)致和具體化。如例1中教師A擁有知識點(diǎn)B，而知識點(diǎn)B屬于課程C，如上所述可以推理出該教師A可以講授課程C。故屬性“可以講授的課程：課程C”可以作為一條新的屬性加入教師A的類中。

圖4 類間關(guān)系子圖

同理，由圖4（b）可看出，已知教師參加了培訓(xùn)，培訓(xùn)用到了知識點(diǎn)，則可以推理出教師擁有知識點(diǎn)。那么可以在知識點(diǎn)類中增加一個(gè)“屬于教師”的屬性。對教務(wù)處來說，只有提供知識點(diǎn)，就可以查詢有哪些教師擁有此知識點(diǎn)。如例5中教師A參加了培訓(xùn)D，培訓(xùn)D用到了知識點(diǎn)F，則教師A擁有知識點(diǎn)F，并且可以在知識點(diǎn)F的屬性“屬于教師”中添加一條記錄為教師A。

5 結(jié) 語

本文從本體論的方面出發(fā)，探討了高校知識的結(jié)構(gòu)化表示和描述方法，構(gòu)建了一個(gè)比較完備的、可共享的、可重用的、可擴(kuò)充的、實(shí)用的高校知識本體。同時(shí)還建立了一套公理集合，定義了基本公理、類內(nèi)公理和類間公理，并用公理檢查了知識的一致性和對不明知識的推理，這對高校知識本體和公理的定義有一定的研究意義。由于高校知識是類型多元化、各種交叉學(xué)科的交叉信息眾多的知識領(lǐng)域，下一步需要對本體不斷補(bǔ)充和完善概念、屬性和關(guān)系集，并添加新的概念；其次，公理庫中的公理還不夠完善，還要添加更多的公理，以保障知識的完備性和一致性，并進(jìn)行更多知識的推理。

參考文獻(xiàn)

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……}

由圖4（a）可看出，已知教師擁有知識點(diǎn)，知識點(diǎn)屬于課程，可以推理出教師可以講授這門課程。可以為教師添加一個(gè)屬性“可以講授的課程”，那么這條推理結(jié)果就為知識庫增加了新的知識，并為教務(wù)處提供“教師可以講授的課程”查詢，將教師的查詢更加細(xì)致和具體化。如例1中教師A擁有知識點(diǎn)B，而知識點(diǎn)B屬于課程C，如上所述可以推理出該教師A可以講授課程C。故屬性“可以講授的課程：課程C”可以作為一條新的屬性加入教師A的類中。

圖4 類間關(guān)系子圖

同理，由圖4（b）可看出，已知教師參加了培訓(xùn)，培訓(xùn)用到了知識點(diǎn)，則可以推理出教師擁有知識點(diǎn)。那么可以在知識點(diǎn)類中增加一個(gè)“屬于教師”的屬性。對教務(wù)處來說，只有提供知識點(diǎn)，就可以查詢有哪些教師擁有此知識點(diǎn)。如例5中教師A參加了培訓(xùn)D，培訓(xùn)D用到了知識點(diǎn)F，則教師A擁有知識點(diǎn)F，并且可以在知識點(diǎn)F的屬性“屬于教師”中添加一條記錄為教師A。

5 結(jié) 語

本文從本體論的方面出發(fā)，探討了高校知識的結(jié)構(gòu)化表示和描述方法，構(gòu)建了一個(gè)比較完備的、可共享的、可重用的、可擴(kuò)充的、實(shí)用的高校知識本體。同時(shí)還建立了一套公理集合，定義了基本公理、類內(nèi)公理和類間公理，并用公理檢查了知識的一致性和對不明知識的推理，這對高校知識本體和公理的定義有一定的研究意義。由于高校知識是類型多元化、各種交叉學(xué)科的交叉信息眾多的知識領(lǐng)域，下一步需要對本體不斷補(bǔ)充和完善概念、屬性和關(guān)系集，并添加新的概念；其次，公理庫中的公理還不夠完善，還要添加更多的公理，以保障知識的完備性和一致性，并進(jìn)行更多知識的推理。

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[17] 袁輝，李延香.基于本體的知識庫語義WEB擴(kuò)展搜索方法研究[J].電子測試，2013（5）：69?71.

……}

由圖4（a）可看出，已知教師擁有知識點(diǎn)，知識點(diǎn)屬于課程，可以推理出教師可以講授這門課程?？梢詾榻處熖砑右粋€(gè)屬性“可以講授的課程”，那么這條推理結(jié)果就為知識庫增加了新的知識，并為教務(wù)處提供“教師可以講授的課程”查詢，將教師的查詢更加細(xì)致和具體化。如例1中教師A擁有知識點(diǎn)B，而知識點(diǎn)B屬于課程C，如上所述可以推理出該教師A可以講授課程C。故屬性“可以講授的課程：課程C”可以作為一條新的屬性加入教師A的類中。

圖4 類間關(guān)系子圖

同理，由圖4（b）可看出，已知教師參加了培訓(xùn)，培訓(xùn)用到了知識點(diǎn)，則可以推理出教師擁有知識點(diǎn)。那么可以在知識點(diǎn)類中增加一個(gè)“屬于教師”的屬性。對教務(wù)處來說，只有提供知識點(diǎn)，就可以查詢有哪些教師擁有此知識點(diǎn)。如例5中教師A參加了培訓(xùn)D，培訓(xùn)D用到了知識點(diǎn)F，則教師A擁有知識點(diǎn)F，并且可以在知識點(diǎn)F的屬性“屬于教師”中添加一條記錄為教師A。

5 結(jié) 語

本文從本體論的方面出發(fā)，探討了高校知識的結(jié)構(gòu)化表示和描述方法，構(gòu)建了一個(gè)比較完備的、可共享的、可重用的、可擴(kuò)充的、實(shí)用的高校知識本體。同時(shí)還建立了一套公理集合，定義了基本公理、類內(nèi)公理和類間公理，并用公理檢查了知識的一致性和對不明知識的推理，這對高校知識本體和公理的定義有一定的研究意義。由于高校知識是類型多元化、各種交叉學(xué)科的交叉信息眾多的知識領(lǐng)域，下一步需要對本體不斷補(bǔ)充和完善概念、屬性和關(guān)系集，并添加新的概念；其次，公理庫中的公理還不夠完善，還要添加更多的公理，以保障知識的完備性和一致性，并進(jìn)行更多知識的推理。

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