基于XML語法的模糊規(guī)則互換方法

王 星，陳 吉，孟祥福

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

1 概述

語義Web[1]是當(dāng)前Web的延伸，它賦予Web資源機(jī)器可理解的語義，其重要目標(biāo)是推理Web上廣泛存在的知識。推理的前提是知識表示。近年來，作為知識表示的重要工具，規(guī)則(Rule)受到廣泛關(guān)注，并被引入語義Web。

近年來，隨著規(guī)則的發(fā)展，多種規(guī)則語言、規(guī)則標(biāo)記語言及其系統(tǒng)開始出現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]提出一種語義Web規(guī)則語言(Semantic Web Rule Language,SWRL)，并實(shí)現(xiàn)了基于SWRL的規(guī)則系統(tǒng)Hoolet。文獻(xiàn)[3]提出一種TRIPLE，實(shí)現(xiàn)了基于TRIPLE的規(guī)則系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]提出并實(shí)現(xiàn)了一種語義Web規(guī)則語言O(shè)WL Rule+。為了標(biāo)記規(guī)則語言，規(guī)則標(biāo)記語言(Rule Markup Language,RuleML)[5]、REWERSE 規(guī)則標(biāo)記語言(REWERSE Rule Markup Language,R2ML)[6]等應(yīng)運(yùn)而生。

規(guī)則語言在語法和語義等方面的異構(gòu)性導(dǎo)致系統(tǒng)之間的交互(即規(guī)則互換)非常困難。為了解決這個(gè)問題，研究者進(jìn)行了不同的嘗試。文獻(xiàn)[7]以R2ML為中心語言，提出SWRL與R2ML、SWRL與OCL之間的規(guī)則轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以RuleML為中心的規(guī)則轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9]指出，以規(guī)則互換格式(Rule Interchange Format,RIF)[10]為中心的互換規(guī)則是規(guī)則互換發(fā)展的必然趨勢，并提出和設(shè)計(jì)了以RIF元模型為中心的規(guī)則互換結(jié)構(gòu)和原型系統(tǒng)。

上述規(guī)則語言、規(guī)則標(biāo)記語言及其互換系統(tǒng)只能表示互換經(jīng)典知識，而對廣泛存在的模糊知識無能為力。因此，模糊語義Web規(guī)則語言(fuzzy SWRL,f-SWRL)[11]、RuleML的不確定擴(kuò)展[12]、f-NSWRL[13]、f-SW-if-then-RL[14]等語言及其系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。這些模糊語言在語法和語義上具有異構(gòu)性，基于它們的系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)自由交互。因此，實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則語言之間的互換成為亟待解決的問題。到目前為止，除文獻(xiàn)[15]討論了模糊規(guī)則互換之外，尚未見到系統(tǒng)討論以f-RIF為中心的模糊規(guī)則互換的文獻(xiàn)。

針對以上問題，本文基于f-RIF，構(gòu)建以f-RIF XML語法為中心的規(guī)則互換結(jié)構(gòu)(fuzzy Rule InterchangeArchitecture based on XML,f-RIAXML)，它支持f-RIF與f-SWRL、f-NSWRL、RuleML(即模糊化擴(kuò)展后的RuleML)、f-SW-if-then-RL等常見模糊規(guī)則語言之間的雙向規(guī)則互換。這5種語言之間的轉(zhuǎn)換都基于XML語法，這樣能保證轉(zhuǎn)換過程中語法的正確性，提高轉(zhuǎn)換效率。分析模糊規(guī)則互換過程中的信息缺失問題，并給出了相應(yīng)的對策以盡量減少信息缺失帶來的影響。最后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則互換原型系統(tǒng)f-RIAXML1.0，并給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析。

2 模糊規(guī)則互換格式

RIF是基于規(guī)則的語言的可擴(kuò)展框架，稱為RIF語系(RIF Dialects)，它包括精確的、形式化的語法、語義和XML規(guī)范。目前RIF語系包括RIF-BLD(RIF Basic Logic Dialect)等6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)子語系[16]。雖然RIF章程中提到了表示和互換模糊知識的目標(biāo)，但它目前不具備此種能力。因此，對RIF進(jìn)行了模糊擴(kuò)展，提出了f-RIF(具體內(nèi)容可詳見文獻(xiàn)[17])。f-RIF是模糊集、可能性分布與RIF相結(jié)合產(chǎn)生的模糊語言，它擁有自己的元模型(模糊規(guī)則元模型如圖1所示)、XML語法和語義，具有較強(qiáng)的表達(dá)能力，能夠承擔(dān)起模糊規(guī)則互換中心語言的角色。

圖1 f-RIF模糊規(guī)則元模型

下面是文獻(xiàn)[13]中式(2)的模糊規(guī)則的f-RIF XML語法片段的部分內(nèi)容，以此來說明f-RIF具體語法的構(gòu)成：

3 模糊規(guī)則互換體系結(jié)構(gòu)f-RIAXML

基于f-RIF、f-SWRL、RuleML、f-R2ML和f-SW-ifthen-RL的具體語法，本節(jié)將構(gòu)建模糊規(guī)則互換體系結(jié)構(gòu)f-RIAXML。如圖2所示，f-RIAXML以f-RIF 為中心，支持f-RIF、f-SWRL、RuleML、f-NSWRL和f-SW-if-then-RL，f-RIF與基于f-SWRL、RuleML、f-NSWRL和f-SW-if-then-RL的規(guī)則語言，以及f-SWRL、RuleML、f-NSWRL和f-SW-if-then-RL之間的雙向規(guī)則互換。通過規(guī)則語言之間基于XML的規(guī)則互換，f-RIAXML能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出文件的全XML化，可以提高轉(zhuǎn)換效率，為計(jì)算機(jī)對模糊規(guī)則語言的自動(dòng)表示和推理打下基礎(chǔ)。

圖2 模糊規(guī)則互換體系結(jié)構(gòu)f-RIAXML

3.1 f-RIF與f-SWRL之間的轉(zhuǎn)換

為了使f-RIF與f-SWRL能夠共享規(guī)則，在抽象語法的層次上定義了f-RIF與f-SWRL之間在原子和公理方面的映射。每一個(gè)f-SWRL規(guī)則都可以映射成一個(gè)f-RIF的全稱規(guī)則，而且其中必然包含規(guī)則蘊(yùn)涵。表1詳細(xì)闡述了f-SWRL和f-RIF之間主要原子和公理的映射。

表1 f-SWRL與f-RIF之間的原子和公理映射

其中，F(xiàn)C,FC1,FC2表示模糊類描述，F(xiàn)P1,FP2表示模糊屬性ID，表達(dá)式χf-RIF是轉(zhuǎn)換函數(shù)(即χf-RIF(f-SWRL原子)=f-RIF原子)，t是變量，F(xiàn)ormulai(i=1,2)表示f-RIF中維數(shù)為i的模糊公式。這里需要注意的是，f-SWRL中的等價(jià)包括2種情況：類的等價(jià)和屬性的等價(jià)。而且，f-RIF中的常量包括5種類型：即個(gè)體名、數(shù)據(jù)值名、類名、個(gè)體屬性名和數(shù)據(jù)值屬性名。更重要的是，f-RIF中的原子、表達(dá)式和框架由f-SWRL中的類和屬性來表示。為簡化表示形式，從3.2節(jié)開始的語言之間的轉(zhuǎn)換用語言的XML語法表示。

3.2 f-RIF與RuleML之間的轉(zhuǎn)換

經(jīng)過對f-RIF的XML Schema和RuleML 0.91術(shù)語集的深入分析，可以得到下面的結(jié)論。首先，f-RIF中的元素,,,,,,,,,和分別映射成RuleML的,,,,,,,,,和；f-RIF中的常量視具體情況對應(yīng)為關(guān)系名、函數(shù)名和槽(Slot)名；再者，f-RIF中的,和對應(yīng)到RuleML的和。值得一提的是，f-RIF中的槽可由RuleML的多個(gè)二元關(guān)系來表達(dá)。

3.3 f-RIF與f-NSWRL之間的轉(zhuǎn)換

通過分析f-RIF XML Schema和f-R2ML XML Schema，可以得到如下的結(jié)論：(1)f-RIF中的,,,,,,和分別對應(yīng)到f-R2ML的,,,,,,和。(2)f-RIF中的常量對應(yīng)f-NSWRL中的TypedLiteral名、ObjectClassi ficationAtom名、ReferencePropertyAtom名或Attribution Atom名。而且f-NSWRL中不區(qū)分和。f-NSWRL中的屬性是二元的，因此f-RIF中的槽對應(yīng)成f-NSWRL多個(gè)屬性的合取，其中槽名轉(zhuǎn)換成關(guān)系名，框架名和填充(filler)轉(zhuǎn)換成關(guān)系的參數(shù)，即常量TypedLiteral或者是變量ObjectVariable。

3.4 f-RIF與f-SW-if-then-RL之間的轉(zhuǎn)換

在f-RIF中的,,,,,和分別對應(yīng)到f-SW-if-then-RL的,,,,,和。

4 信息丟失與解決方案

在f-RIAXML中，具有不同表達(dá)能力的模糊規(guī)則語言進(jìn)行規(guī)則互換時(shí)，可能出現(xiàn)源語言的原子在目標(biāo)語言中無法找到對應(yīng)原子的情況，這樣模糊規(guī)則互換就可能帶來信息的丟失。重視信息缺失有利于提高轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性。模糊規(guī)則的轉(zhuǎn)換是雙向的，這導(dǎo)致信息的丟失也具有雙向性[10]，即從f-RIF到f-SWRL,f-NSWRL,RuleML,f-SW-if-then-RL和從f-SWRL,f-NSWRL,RuleML,f-SW-if-then-RL到f-RIF。盡管在一些情況下信息丟失不可避免，但可以采取補(bǔ)救方法減少它的負(fù)面影響。

(1)從f-RIF 到f-SWRL,f-NSWRL,f-SW-if-then-RL,RuleML的轉(zhuǎn)換

1)從f-RIF到f-SWRL的轉(zhuǎn)換

在此方向上，信息丟失在以下方面體現(xiàn)比較明顯：模糊規(guī)則蘊(yùn)涵，模糊原子與模糊公式，模糊框架。①f-SWRL是建立在SWRL基礎(chǔ)上的規(guī)則語言，它的前提中只允許模糊原子的交，結(jié)論只能是原子公式或者模糊原子的交。當(dāng)要轉(zhuǎn)換的f-RIF規(guī)則的前提由多個(gè)模糊原子的并組成，結(jié)論由模糊原子的交組成時(shí)，轉(zhuǎn)換無法完成。但可通過如下的方法完成：依據(jù)任意命題都可以轉(zhuǎn)換成析取范式的結(jié)論，(a∨b→c)?((a→c)∧(b→c))[9]以 及Lloyd-Topor 方 法 ，一個(gè)f-RIF的模糊規(guī)則可以轉(zhuǎn)成前提是模糊原子交的模糊規(guī)則，然后再把規(guī)則分別轉(zhuǎn)換成f-SWRL模糊規(guī)則的合取的形式。②f-RIF的模糊原子與模糊公式可以表示N維屬性，而f-SWRL只能表示類和二維屬性，因此需要把一個(gè)N維屬性轉(zhuǎn)化成多個(gè)二維屬性，即建立Cn2個(gè)f-SWRL模糊屬性代替一個(gè)N維的f-RIF模糊原子或模糊公式。③f-RIF的框架元素?zé)o法映射到f-SWRL中，但可以使用幾個(gè)f-SWRL屬性近似代替f-RIF模糊框架。

2)從f-RIF到f-NSWRL的轉(zhuǎn)換

與f-SWRL類似，f-NSWRL只有模糊類和模糊屬性，因此沒有元素直接對應(yīng)f-RIF的N元原子。解決辦法是近似替代，把N元原子和表達(dá)式轉(zhuǎn)換成Cn2個(gè)f-NSWRL屬性。

3)從f-RIF到f-SW-if-then-RL的轉(zhuǎn)換

f-SW-if-then-RL允許模糊規(guī)則的前提和結(jié)論出現(xiàn)析取，因此f-RIF的模糊規(guī)則可以直接向f-SW-if-then-RL轉(zhuǎn)化。f-SW-if-then-RL所能表示的關(guān)系只有模糊類和模糊屬性，因此f-RIF中有關(guān)N元關(guān)系的模糊原子也需要轉(zhuǎn)換成多個(gè)模糊屬性來實(shí)現(xiàn)。有關(guān)f-RIF槽向f-SW-if-then-RL轉(zhuǎn)化的方法與向f-NSWRL的轉(zhuǎn)化類似，不再贅述。此外，由于f-SW-ifthen-RL不具有表示非單調(diào)規(guī)則的能力，因此f-RIF帶有2種否定的規(guī)則原子無法映射到f-SW-if-then-RL中。

4)從f-RIF到擴(kuò)展的RuleML的轉(zhuǎn)換

擴(kuò)展的RuleML的N維屬性無法直接表示f-RIF中含槽的模糊原子、表達(dá)式和框架。與f-SWRL類似，RuleML也使用近似替代方法把框架轉(zhuǎn)換成多個(gè)二元關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。

(2)從f-SWRL,f-NSWRL,f-SW-if-then-RL,RuleML到f-RIF的轉(zhuǎn)換

1)從f-SWRL到f-RIF的轉(zhuǎn)換

一方面，f-SWRL的否定(如ComplementOf和Different-IndividualsAtom)主要映射成f-RIF的否定，至于失敗即否定NAF(Negation As Failure)的轉(zhuǎn)換需要視具體情況來定。另一方面，f-SWRL從OWL繼承來的類和屬性的一些特征(如自反、對稱與傳遞)也無法直接對應(yīng)到f-RIF，此問題主要通過定義多個(gè)對應(yīng)的宏定義來解決。

2)從f-NSWRL到f-RIF的轉(zhuǎn)換

與f-SWRL不同的是，f-NSWRL中的否定以及失敗即否定可以轉(zhuǎn)換成f-RIF的原子。同樣地，需要定義宏定義來解決f-NSWRL中從Web本體語言中繼承的屬性。

3)從f-SW-if-then-RL到f-RIF的轉(zhuǎn)換

與f-SWRL類似，f-SW-if-then-RL從OWL DL繼承來的類和屬性的自反、對稱和傳遞等特征也無法在f-RIF中體現(xiàn)，也是需要通過定義宏定義來解決。

4)從RuleML到f-RIF的轉(zhuǎn)換

與經(jīng)典RuleML向RIF的轉(zhuǎn)換類似，擴(kuò)展后的RuleML中不具有安全性的模糊規(guī)則無法轉(zhuǎn)換成f-RIF的模糊規(guī)則。

5 原型系統(tǒng)f-RIAXML1.0

5.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

f-RIAXML1.0(fuzzy Rule Interchange Architecture based on XML,version 1.0)是基于f-RIAXML實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了f-RIF的Presentation語法與XML語法之間的轉(zhuǎn)換。由于XML語法是計(jì)算機(jī)能夠“理解”的語法，同時(shí)為了提高轉(zhuǎn)換效率，該原型系統(tǒng)的輸入輸出均為XML語法的形式。

f-RIAXML1.0通過工廠模式和Dom模型等技術(shù)實(shí)現(xiàn)(如圖3所示)，它的主要功能是：自動(dòng)處理待轉(zhuǎn)換模糊規(guī)則，并實(shí)現(xiàn)源語言與目標(biāo)語言的模糊規(guī)則互換。

圖3 f-RIAXML1.0系統(tǒng)的功能

以第2節(jié)中f-RIF XML片段為輸入，通過f-RIAXML1.0的一系列處理與轉(zhuǎn)換可以分別得到f-SWRL XML語法、f-NSWRL XML語法、f-SW-if-then-RL XML語法和RuleML XML語法的規(guī)則表示形式，為了簡化表示，本文僅給出RuleML XML形式的規(guī)則：

5.2 實(shí)驗(yàn)分析

下面通過轉(zhuǎn)換不同的規(guī)則實(shí)例對f-RIAXML1.0的性能進(jìn)行測試。f-RIAXML1.0所測試的各語言間的平均轉(zhuǎn)換時(shí)間如表2所示(f-SW-if-then-RL縮寫為f-it)，對于每一種轉(zhuǎn)換，本文給出了30個(gè)不同的輸入文檔。對于每一個(gè)文檔的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這里取最小值作為轉(zhuǎn)換時(shí)間。表2中共有2種轉(zhuǎn)換類型，分別是單步轉(zhuǎn)換和兩步轉(zhuǎn)換，前者如f-RIFpre(f-RIF的表示語法縮寫為f-RIFpre)→f-RIF，后者如RuleML→f-SWRL(實(shí)際上是RuleML→f-RIF→f-SWRL)。

表2 f-RIAXML1.0系統(tǒng)的平均轉(zhuǎn)換時(shí)間 s

該實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了900個(gè)不同規(guī)則實(shí)例的測試，每個(gè)實(shí)例都盡量做到在最大程度上包含盡可能多的源語言的元素，特別是模糊元素。測試實(shí)例表明f-RIAXML1.0能夠支持f-RIF與f-SWRL、RuleML、f-R2ML和f-SW-if-then-unless-RL模糊規(guī)則語言之間的兩兩雙向轉(zhuǎn)換，基于XML語法的轉(zhuǎn)換能夠提高轉(zhuǎn)換的效率，而且系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。下一步對系統(tǒng)的改進(jìn)將更加關(guān)注系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，盡最大可能減少轉(zhuǎn)換時(shí)間，主要措施有減少文檔自動(dòng)導(dǎo)入和導(dǎo)出的時(shí)間、提高預(yù)處理速度。

6 結(jié)束語

異構(gòu)模糊規(guī)則的互換是語義Web的重要議題之一。本文構(gòu)建了以f-RIF XML語法為中心的模糊規(guī)則互換體系結(jié)構(gòu)f-RIAXML，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)f-RIAXML1.0。所構(gòu)建的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能夠很好地解決異構(gòu)模糊規(guī)則系統(tǒng)之間的通信問題，同時(shí)也為語義Web模糊規(guī)則推理奠定了基礎(chǔ)。

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