環(huán)保領(lǐng)域本體的構(gòu)建研究*

張　旭，朱勤東（福州大學(xué)　福建省空間信息工程研究中心，福建　福州　350002）

環(huán)保領(lǐng)域本體的構(gòu)建研究*

張旭，朱勤東
（福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心，福建福州350002）

為了解決環(huán)保部門多源數(shù)據(jù)的語義異構(gòu)問題，研究了各領(lǐng)域本體構(gòu)建思路與方法，結(jié)合環(huán)保領(lǐng)域的實(shí)際特點(diǎn)，提出了一種環(huán)保領(lǐng)域本體構(gòu)建方法。以建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批基本信息為例，在領(lǐng)域?qū)＜規(guī)椭?，詳?xì)描述了其本體的構(gòu)建流程及其本體模型，為環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。

環(huán)保；領(lǐng)域本體構(gòu)建；建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)

0　引言

環(huán)保部門為了加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的管理，提高辦事效率，需要對(duì)不同應(yīng)用系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。然而，不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)在語義上往往存在較大的異構(gòu)性，造成數(shù)據(jù)難以集成。本體既能準(zhǔn)確地描述概念的含義又能描述概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并通過邏輯推理獲取概念之間蘊(yùn)涵的關(guān)系，具有很強(qiáng)的表達(dá)概念語義和獲取知識(shí)的能力，因此逐漸應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)中。

研究基于本體的數(shù)據(jù)集成首先要研究本體的構(gòu)建，本體構(gòu)建質(zhì)量的好壞決定集成系統(tǒng)的運(yùn)行效果。本文在研究各領(lǐng)域本體構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過了解環(huán)保領(lǐng)域知識(shí)，提出一種環(huán)保領(lǐng)域本體的構(gòu)建思路與方法，并且嘗試構(gòu)建建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批基本信息本體，為環(huán)保領(lǐng)域本體的構(gòu)建及以后基于本體的數(shù)據(jù)集成奠定基礎(chǔ)。

1　本體理論概述

1.1本體

本體起源于哲學(xué)，是對(duì)世界上客觀存在物的系統(tǒng)描述，后來，本體在人工智能、知識(shí)工程、信息系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域得到了發(fā)展和應(yīng)用。不同領(lǐng)域的研究者對(duì)本體的定義不同，引用比較廣泛的是STUDER R等人提出的“本體是共享概念模型的明確形式化規(guī)范說明”［1］。

1.2本體構(gòu)建

本體構(gòu)建是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，需要按照一定的構(gòu)建準(zhǔn)則，在合理方法論的指導(dǎo)下，采用合適的本體描述語言和便捷的本體開發(fā)工具加以實(shí)現(xiàn)［2］。

1.2.1領(lǐng)域本體構(gòu)建方法

領(lǐng)域本體是用于描述指定領(lǐng)域知識(shí)的一種本體，是對(duì)領(lǐng)域?qū)嶓w概念、概念間的相互關(guān)系以及領(lǐng)域特征或規(guī)律的一種形式化的描述［3］。常見的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法有：KACTUS法、TOVE法、SENSUS法、METHONTOLOGY法、IDEF-5法、骨架法、七步法等［4］。其中，比較成熟的是七步法，該方法由美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院提出，主要應(yīng)用于領(lǐng)域本體的構(gòu)建，采用7個(gè)步驟來構(gòu)建本體：（1）確定本體的專業(yè)領(lǐng)域和范疇；（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(jí)體系；（5）定義類的屬性；（6）定義類的分面；（7）創(chuàng)建實(shí)例。

1.2.2本體描述語言及開發(fā)工具

現(xiàn)有的本體描述語言有多種，此次選用比較常用的OWL（Web Ontology Language）來對(duì)領(lǐng)域本體進(jìn)行描述。本體的開發(fā)工具有OntoEdit、Protégé等。其中protégé本體構(gòu)建工具的界面友好，容易上手，另外具有可擴(kuò)展性，可以根據(jù)需要添加自定義的模塊，自定義屬性，成為大多數(shù)本體構(gòu)建的首選工具。因此，本文選用的本體構(gòu)建工具是protégé4.0。

1.2.3本體構(gòu)建原則

目前沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的本體構(gòu)造方法，研究人員提出了不少本體創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)，最有影響的是GRUBER T R［5］提出的指導(dǎo)本體建立的5個(gè)準(zhǔn)則：清晰性、一致性、可擴(kuò)展性、編碼偏好程度最小、本體約定最小。目前大家公認(rèn)在構(gòu)建領(lǐng)域本體的過程中需要領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c。

2　環(huán)保領(lǐng)域本體的構(gòu)建方法

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于環(huán)保領(lǐng)域本體的研究較少，可供借鑒參考的先例不多，對(duì)于環(huán)保領(lǐng)域的本體構(gòu)建是一種嘗試。環(huán)保領(lǐng)域本體構(gòu)建是在相關(guān)項(xiàng)目的支持下，由環(huán)保領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)本體的概念體系和邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行指導(dǎo)與評(píng)價(jià)。因此，此次構(gòu)建本體，在七步法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，不考慮對(duì)現(xiàn)有本體的復(fù)用，同時(shí)加入本體評(píng)價(jià)這一步驟。最終，根據(jù)此次領(lǐng)域本體構(gòu)建的實(shí)際情況，提出一種環(huán)保領(lǐng)域本體構(gòu)建方法，如圖1所示。

圖1　環(huán)保領(lǐng)域本體構(gòu)建方法

3　環(huán)保領(lǐng)域本體構(gòu)建流程

3.1明確本體構(gòu)建目的和范疇

本體的構(gòu)建不是無的放矢，明確領(lǐng)域本體的應(yīng)用目的，對(duì)于限定其范圍、增強(qiáng)針對(duì)性，進(jìn)而降低構(gòu)建難度、縮短構(gòu)建時(shí)間，具有重要意義［6］。環(huán)保領(lǐng)域本體的構(gòu)建目的是為了實(shí)現(xiàn)語義檢索，即為數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)提供一個(gè)共享的詞匯庫，在數(shù)據(jù)集成中主要起三大作用：概念定義、查詢模型和推理基礎(chǔ)。通過本體的基礎(chǔ)推理作用，在異構(gòu)、分布環(huán)境下的數(shù)據(jù)集成中，可以提高數(shù)據(jù)的查全率和查準(zhǔn)率［7］。此次構(gòu)建的本體包含構(gòu)建對(duì)象范疇內(nèi)需要集成的數(shù)據(jù)涉及的概念和關(guān)系。

環(huán)保領(lǐng)域范圍非常廣泛和復(fù)雜，為減少難度，僅對(duì)福建省環(huán)境保護(hù)部門關(guān)于建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批的基本信息數(shù)據(jù)進(jìn)行本體建模。本體模型采用的詞匯取自國(guó)家環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T416-2007《環(huán)境信息術(shù)語》、《福建省建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)文件分級(jí)審批管理規(guī)定》、《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)分類管理名錄》、項(xiàng)目資料以及被大多數(shù)專業(yè)人士認(rèn)可的環(huán)保領(lǐng)域?qū)I(yè)性詞匯。

3.2領(lǐng)域知識(shí)的收集和獲取

確定范圍之后，收集本體所涉及的知識(shí)并列出重要的術(shù)語。知識(shí)的收集和獲取是一個(gè)復(fù)雜的過程，可以通過網(wǎng)絡(luò)、書籍、文獻(xiàn)、專家、項(xiàng)目等渠道獲取相關(guān)知識(shí)。本次對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的收集，除上述渠道外，還按照構(gòu)建業(yè)務(wù)對(duì)象模型的思路對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行解讀。業(yè)務(wù)對(duì)象模型將結(jié)構(gòu)的概念與行為的概念結(jié)合起來，它探索業(yè)務(wù)領(lǐng)域知識(shí)的本質(zhì)，在建設(shè)數(shù)據(jù)架構(gòu)時(shí)起著重要的作用，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)來源分析方面，即“有什么數(shù)據(jù)”。確定業(yè)務(wù)對(duì)象定義、對(duì)象間關(guān)系、對(duì)象名稱和對(duì)象間關(guān)系名稱的流程，使得能夠以一種被業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)＜依斫夂万?yàn)證的精確方式來表達(dá)業(yè)務(wù)領(lǐng)域知識(shí)，對(duì)提取領(lǐng)域內(nèi)的概念及關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)建本體有極大的幫助。業(yè)務(wù)對(duì)象模型概念及關(guān)系如圖2所示。

圖2　業(yè)務(wù)對(duì)象模型概念及關(guān)系圖

3.3列舉概念

在相關(guān)業(yè)務(wù)人員的幫助下，通過對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的了解，提取領(lǐng)域內(nèi)的概念和術(shù)語。列出一份盡量全的術(shù)語清單，而暫時(shí)不考慮概念間的關(guān)系。

在確定術(shù)語過程中需要注意兩點(diǎn)：（1）此次本體構(gòu)建的對(duì)象是建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批基本信息，只包含建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批工作進(jìn)行之前需要登記填寫的信息，并不包括審批批文等信息；（2）建設(shè)項(xiàng)目的行業(yè)作為建設(shè)項(xiàng)目的一個(gè)特征，經(jīng)常作為數(shù)據(jù)分類的依據(jù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)表單、數(shù)據(jù)庫中作為一個(gè)重要的字段、數(shù)據(jù)項(xiàng)出現(xiàn)，因此列舉的概念中需包含建設(shè)項(xiàng)目的行業(yè)及其分類。

參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，通過與環(huán)保部門業(yè)務(wù)人員和領(lǐng)域?qū)＜业慕涣?，歸納總結(jié)出78個(gè)領(lǐng)域概念，行業(yè)及其分類詳見《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)分類管理名錄》，其余包括：項(xiàng)目名稱、建設(shè)地點(diǎn)、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)規(guī)模、總投資、環(huán)保投資、建設(shè)性質(zhì)、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、通信地址、郵政編碼、單位名稱、法人代表、評(píng)價(jià)經(jīng)費(fèi)、證書編號(hào)、甲級(jí)報(bào)告書評(píng)價(jià)范圍、乙級(jí)報(bào)告書評(píng)價(jià)范圍、報(bào)告表評(píng)價(jià)范圍、有效期、基本情況、污染物名稱、實(shí)際排放總量、核定排放總量、實(shí)際排放濃度、允許排放濃度、環(huán)境要素名稱、保護(hù)目標(biāo)、質(zhì)量等級(jí)、涉及敏感區(qū)名稱。

3.4確定類和類的層次

類的層次的定義有3種方法，即自上向下法、自下向上法和混合法［8］?；旌戏▽⒆陨舷蛳路ㄅc自下向上法相結(jié)合，先建立那些顯而易見的概念，然后分別向上與向下進(jìn)行泛化與細(xì)化。一般來說，混合法比較適合大部分人員。

運(yùn)用混合法，在領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，?jīng)過識(shí)別、分析和統(tǒng)計(jì)，最終確定了行業(yè)、組織機(jī)構(gòu)、建設(shè)項(xiàng)目、環(huán)評(píng)類型、主要污染物、區(qū)域環(huán)境現(xiàn)狀作為核心概念。核心概念作為整個(gè)本體概念模型的頂級(jí)概念，可以有子概念，即核心類可以有子類，例如組織機(jī)構(gòu)分為建設(shè)單位和環(huán)評(píng)機(jī)構(gòu)。本體類層次如圖3所示。

圖3　本體類層次圖

3.5定義類的屬性

類的屬性包括數(shù)據(jù)屬性（DataType property）和對(duì)象屬性（Object property）。數(shù)據(jù)屬性的屬性值為基本類型值，即非領(lǐng)域中概念，對(duì)象屬性的屬性值為領(lǐng)域中概念。本體概念間的關(guān)系主要有4類：屬性關(guān)系、繼承關(guān)系、整體和部分關(guān)系、類和實(shí)例關(guān)系。上一步所定義的類的層次就是繼承關(guān)系。除上述4種常見的關(guān)系外，還可以根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)自定義屬性，如建設(shè)項(xiàng)目和行業(yè)之間的具有關(guān)系，建設(shè)單位和環(huán)評(píng)機(jī)構(gòu)之間的委托關(guān)系等。自定義關(guān)系通過對(duì)屬性的定義和約束予以實(shí)現(xiàn)，約束包括屬性的定義域、值域的約束。對(duì)于不同的類，在約束時(shí)將相同屬性特征的定義域設(shè)置為其父類，根據(jù)子類繼承父類的特性，子類不用定義就會(huì)獲得這些特征，減少了冗余。類的屬性可以有多個(gè)，并不需要對(duì)每個(gè)屬性都進(jìn)行定義，而是要結(jié)合領(lǐng)域范圍和本體構(gòu)建目的，進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩?。此次自定義36個(gè)屬性，部分屬性如表1所示。

當(dāng)屬性特征確立之后，借助Protégé4.0將屬性進(jìn)行編輯并存儲(chǔ)，圖4是部分對(duì)象屬性的編輯，圖5是部分?jǐn)?shù)值屬性的編輯。

表1　自定義的部分屬性表

圖4　對(duì)象屬性

圖5　數(shù)據(jù)屬性

3.6創(chuàng)建實(shí)例

支撐項(xiàng)目從福建省各級(jí)環(huán)保部門收集了許多建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)數(shù)據(jù)，這些可以作為本體實(shí)例的重要來源。建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批基本信息本體實(shí)例的數(shù)量非常巨大，鑒于文章篇幅，也為了便于實(shí)驗(yàn)測(cè)試，只列舉少數(shù)實(shí)例。

通過領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)所建本體的審核和評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)本體概念體系及邏輯結(jié)構(gòu)的不足，返回前面第三步進(jìn)行修改。在領(lǐng)域?qū)＜业膸椭?，?jīng)過反復(fù)修改，最終構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批基本信息本體模型。部分本體模型結(jié)構(gòu)在Protégé4.0中的視圖如圖6所示。

4　結(jié)論

建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批基本信息本體只是環(huán)保本體的一部分，也是基于本體的環(huán)保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成的開端與基礎(chǔ)，最終目的是為了更好地實(shí)現(xiàn)環(huán)保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成。本文結(jié)合本體的應(yīng)用目的，設(shè)計(jì)了一種該領(lǐng)域本體的構(gòu)建方法，提出了基于業(yè)務(wù)對(duì)象模型分析領(lǐng)域知識(shí)的思路，嘗試性地構(gòu)建了建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)審批基本信息本體，為基于本體的相關(guān)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也在一定程度上促進(jìn)了環(huán)保領(lǐng)域知識(shí)管理的發(fā)展。

鑒于作者水平所限以及對(duì)領(lǐng)域知識(shí)了解不夠，本文構(gòu)建的本體在規(guī)模、深度上都比較簡(jiǎn)單，本體的領(lǐng)域范圍和深度都有待擴(kuò)展。另外，本文無論是概念、關(guān)系的獲取，還是本體編碼都是純手工完成，當(dāng)領(lǐng)域范圍較廣，本體比較復(fù)雜時(shí)，純手工完成費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，因此，如何半自動(dòng)、自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)本體的構(gòu)建也有待繼續(xù)研究。

［1］STUDER R，RICHARD B，DIETER F.Knowledge engineering：principles and methods［J］.Data and Knowledge Engineering，1998，25（1-2）：161-197.

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［4］李恒杰，李軍權(quán)，李明.領(lǐng)域本體建模方法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（2）：381-384.

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［7］李星毅，高文浩，施化吉.基于本體的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（8）：1931-1933.

［8］甘健侯，姜躍，夏幼明.本體方法及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

山石網(wǎng)科虛擬化防火墻解決方案在AWS中國(guó)區(qū)正式上線

AWS方案部署拓?fù)鋱D

山石網(wǎng)科近日發(fā)來最新消息，山石網(wǎng)科虛擬化防火墻系列正式通過了AWS云服務(wù)平臺(tái)的測(cè)試，預(yù)計(jì)本周正式在AWS中國(guó)區(qū)上線提供服務(wù)！

山石網(wǎng)科SG-6000-VM系列虛擬防火墻實(shí)現(xiàn)了與AWS云服務(wù)業(yè)務(wù)的整合，虛擬防火墻可以作為VPC網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)，具備精細(xì)化應(yīng)用識(shí)別、訪問控制、VPN、攻擊防護(hù)、IPS、服務(wù)器負(fù)載均衡以及日志報(bào)表等功能，為使用AWS云服務(wù)的企業(yè)用戶提供全面的安全防護(hù)，保障企業(yè)業(yè)務(wù)的連續(xù)性。山石網(wǎng)科虛擬防火墻能夠動(dòng)態(tài)部署在AWS平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了按需使用的網(wǎng)絡(luò)安全。

現(xiàn)階段，AWS中國(guó)區(qū)的用戶已經(jīng)可以部署使用山石網(wǎng)科解決方案。本產(chǎn)品在本次上線后，山石網(wǎng)科計(jì)劃將在未來將本品推向國(guó)際市場(chǎng)，為AWS全球客戶提供安全服務(wù)。

本解決方案將為客戶創(chuàng)造更多的價(jià)值，如實(shí)現(xiàn)AWS VPC租戶的安全隔離，租戶擁有了專業(yè)的NGFW安全防護(hù)能力，完成了基于AWS平臺(tái)安全防護(hù)的一大突破，實(shí)現(xiàn)了走在國(guó)內(nèi)其他安全廠商的前列。

通過AWS Portal進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)編排和安全設(shè)備管理，虛擬防火墻的部署更加簡(jiǎn)單便捷，將有助于用戶更加便捷管理和規(guī)劃自己的業(yè)務(wù)，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行更直接便捷的管理。

虛擬防火墻能夠在AWS平臺(tái)上動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，并按需使用，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)安全的按使用量付費(fèi)，這一創(chuàng)新之舉將更加人性化和清晰化，幫助用戶降低使用成本，最大化使用產(chǎn)品的安全防護(hù)能力。

具備通過EBS快照功能夠進(jìn)行虛擬防火墻的備份，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備故障的快速恢復(fù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)虛擬防火墻的靈活部署和動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，具備硬件無關(guān)的特點(diǎn)，將有助于用戶伴隨業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)程度，更加靈活管理和控制安全設(shè)備提供更多服務(wù)。

（山石網(wǎng)科供稿）

Research of building domain ontology of environmental protection

Zhang Xu，Zhu Qindong
（Spatial Information Research Center of Fujian，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350002，China）

In order to solve the problem of semantic heterogeneity of multi-source data of the environmental protection department，the paper researches different ideas and methods of building domain ontology from scholars in various fields，then combined with the actual characteristics of ontology in the environmental protection field，puts forward a method of constructing environmental protection domain ontology.This paper takes the construction project Environmental Impact Assessment（EIA）approval basic information as the example，with the help of domain experts，detailedly describes the construction process of the ontology and its ontology model，and it establishes the foundation for the following application.

environmental protection；building domain ontology；construction project EIA

X3；TP18

A

1674-7720（2015）10-0092-04

2014-12-18）

張旭（1990-），男，碩士，主要研究方向：地理信息工程。

朱勤東（1964-），通信作者，女，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)地理信息共享與服務(wù)、空間數(shù)據(jù)工程。E-mail：zgd@fzu.edu.cn。

福建省環(huán)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目，福建省環(huán)境信息化頂層設(shè)計(jì)研究（2013R002）