基于本體的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈知識(shí)表示與推理研究

劉超 耿凡凡

(1.安徽經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院信息技術(shù)中心，合肥 230059;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，合肥 230036)

農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈?zhǔn)侵敢赞r(nóng)產(chǎn)品為對(duì)象，圍繞農(nóng)產(chǎn)品核心企業(yè)，通過信息流、物流和資金流實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工和銷售，從而將農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地、農(nóng)產(chǎn)品收購(gòu)商、加工商、零售商、消費(fèi)者連成一體的功能網(wǎng)鏈［1］。我國(guó)目前農(nóng)業(yè)信息化水平滯后，整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的信息和知識(shí)共享程度不高，供應(yīng)鏈中的部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)“牛鞭效應(yīng)”現(xiàn)象，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的計(jì)劃、生產(chǎn)與銷售造成嚴(yán)重影響。對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈知識(shí)進(jìn)行有效地表示并搭建知識(shí)共享平臺(tái)，可以有效地解決農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的信息和知識(shí)共享問題。

本次研究主要展開基于本體的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域知識(shí)表示和建模工作。首先，搜集整理農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)，確定農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域內(nèi)概念及概念間關(guān)系，搭建農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域本體框架;其次，通過本體編輯工具Protégé 4.3定義農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體的概念、屬性、實(shí)例和公理，并基于OWL2語言生成形式化的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體，在語義和知識(shí)層面上表示農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域知識(shí);最后，通過描述邏輯理論和相似度算法對(duì)本體進(jìn)行推理、檢測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，從而保證所構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域本體的質(zhì)量。農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體的構(gòu)建是農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域知識(shí)的語義表示，其意義是農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域知識(shí)的共享和復(fù)用。

1 農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體的構(gòu)建

本體通過對(duì)概念、術(shù)語及其相互關(guān)系的規(guī)范化描述，勾畫出某一領(lǐng)域的基本知識(shí)體系，用于很好地解決知識(shí)表示、知識(shí)組織以及知識(shí)共享等問題［2］。按照聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)的定義，農(nóng)業(yè)本體是一個(gè)包含農(nóng)業(yè)術(shù)語及其定義以及術(shù)語間規(guī)范關(guān)系說明的體系［3］。構(gòu)建概念清晰、邏輯結(jié)構(gòu)合理的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域本體，有助于語義網(wǎng)站對(duì)多種語言的農(nóng)業(yè)資源進(jìn)行描述并把它們聯(lián)系起來，增加其功能性與相關(guān)性。

本次研究首先通過搜集整理農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域知識(shí)，梳理農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域中的概念及概念間的關(guān)系;然后通過本體編輯工具 Protégé 4.3［4］，利用本體形式化語言O(shè)WL2構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體，并基于描述邏輯的方法對(duì)形式化的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體進(jìn)行推理檢測(cè);最后評(píng)價(jià)構(gòu)建好的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 知識(shí)準(zhǔn)備與獲取

從文獻(xiàn)、書刊、網(wǎng)絡(luò)媒體等相關(guān)途徑獲取農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈知識(shí)，然后梳理農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域中所涵蓋的詞匯、術(shù)語等內(nèi)容，從而確定領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的概念，并詳細(xì)整理出概念間分類和非分類關(guān)系以及概念的屬性、相應(yīng)的實(shí)例等，最終完成農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈知識(shí)整理，搭建農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體框架，繼而定義農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體的類、屬性、實(shí)例、公理等。

我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈分類繁多，目前多數(shù)是通過供應(yīng)鏈的復(fù)雜度、供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)企業(yè)集中程度、供應(yīng)鏈的可靠度和優(yōu)化目標(biāo)等方面對(duì)其分類。例如供應(yīng)鏈復(fù)雜度分類中的線性農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈，各節(jié)點(diǎn)間只通過上下游的節(jié)點(diǎn)參與到鏈中，彼此之間除了相鄰節(jié)點(diǎn)外沒有其他聯(lián)系，形式比較單一。這樣分類概念并不明確，不適合本體概念的分類體系。在此以農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)為分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈概念進(jìn)行分類，將農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈知識(shí)分為農(nóng)產(chǎn)品種類、產(chǎn)前供應(yīng)環(huán)節(jié)、消費(fèi)環(huán)節(jié)、產(chǎn)中生產(chǎn)環(huán)節(jié)、產(chǎn)后加工環(huán)節(jié)和銷售流通環(huán)節(jié)。

1.2 本體類的創(chuàng)建

本體中類被用來表示一些擁有某一共同特征個(gè)體的集合，通過定義父子類、兄弟類、等價(jià)類、互斥類等關(guān)系完善概念分類關(guān)系，以保證領(lǐng)域概念知識(shí)的完整性和準(zhǔn)確性。

農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體將農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)前供應(yīng)環(huán)節(jié)、產(chǎn)中生產(chǎn)環(huán)節(jié)、產(chǎn)后加工環(huán)節(jié)、銷售流通環(huán)節(jié)、消費(fèi)環(huán)節(jié)等定義為頂層類，再分別設(shè)置子類或?qū)嵗?，如流通渠道與產(chǎn)地批發(fā)市場(chǎng)為父子類，產(chǎn)地批發(fā)市場(chǎng)與銷地批發(fā)市場(chǎng)為兄弟類。圖1所示為農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體類示例。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體類示例

1.3 本體屬性的創(chuàng)建

本體屬性包括對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性。其中對(duì)象屬性是關(guān)聯(lián)2個(gè)實(shí)例的紐帶，表示概念與概念之間的非分類關(guān)系，具有反逆性、對(duì)稱性、傳遞性等約束條件，它的定義域和值域分別來自確定關(guān)聯(lián)的2個(gè)類。本課題定義農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈產(chǎn)前供應(yīng)環(huán)節(jié)、產(chǎn)中生產(chǎn)環(huán)節(jié)、產(chǎn)后加工環(huán)節(jié)、銷售流通環(huán)節(jié)、消費(fèi)環(huán)節(jié)等為關(guān)聯(lián)的類，即對(duì)象屬性設(shè)置為“is_part_of”“flow_to”“produce_from”等，其中“product_hierarchy”屬性設(shè)置有子屬性。

數(shù)據(jù)屬性是用于描述實(shí)例本身的特性，用基本數(shù)據(jù)類型來表示。它的定義域是用于限定該屬性為某個(gè)類特有的數(shù)據(jù)屬性，而值域則包括布爾型、浮點(diǎn)型、字符型等數(shù)據(jù)類型。本次研究中數(shù)據(jù)屬性定義為“funding”“l(fā)evel”“information”等屬性。圖 2 所示為農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性

1.4 本體實(shí)例的創(chuàng)建

本體實(shí)例是類的組成部分，具有原子性這一特性。創(chuàng)建實(shí)例需要充分列舉出各子類所包含的成員，并分別設(shè)置其對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性，標(biāo)記每個(gè)實(shí)例的具體特性以及實(shí)例與實(shí)例之間存在的客觀聯(lián)系。本體定義中需要清楚區(qū)分領(lǐng)域知識(shí)的實(shí)例(instanceof)關(guān)系和子類(subclassof)關(guān)系。

農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體實(shí)例主要集中于農(nóng)產(chǎn)品種類、銷售流通環(huán)節(jié)和消費(fèi)環(huán)節(jié)這幾個(gè)概念中。本課題定義肉牛、雞蛋等作為農(nóng)產(chǎn)品種類的實(shí)例，以某一農(nóng)產(chǎn)品為實(shí)例，描述該農(nóng)產(chǎn)品在整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中經(jīng)歷的所有環(huán)節(jié);在消費(fèi)環(huán)節(jié)中物流配送服務(wù)商這一概念則將順豐快遞、天天快遞等公司作為實(shí)例。

1.5 公理規(guī)則的創(chuàng)建

公理規(guī)則闡述了概念和概念間的關(guān)系，使得本體邏輯性更加嚴(yán)謹(jǐn)，便于本體邏輯沖突檢測(cè)及知識(shí)推理。創(chuàng)建公理規(guī)則的目的是加強(qiáng)本體形式化語言的表達(dá)能力，擴(kuò)展本體知識(shí)表示水平，增強(qiáng)概念的“語義”性。本體公理主要包括類的公理、屬性公理、實(shí)例公理、約束公理、自定義規(guī)則等。

類的公理中“disjointclasses”“subclassof”“equivalentclasses”分別表示互斥類、父子類、等價(jià)類，完善了概念之間的分類關(guān)系。本體在構(gòu)建類的同時(shí)定義類的三大公理，如圖3所示，物流配送服務(wù)商的互斥類為消費(fèi)者服務(wù)部門等，等價(jià)類為第三方物流企業(yè)等中間商，父類為消費(fèi)環(huán)節(jié)等。屬性公理包括屬性定義域值域的限定以及對(duì)稱性、傳遞性等約束。如農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體屬性“produced_from”定義域?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品，值域?yàn)楫a(chǎn)中生產(chǎn)環(huán)節(jié);屬性“produce”定義域?yàn)楫a(chǎn)中生產(chǎn)環(huán)節(jié)，值域?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品，且與“produced_from”互為逆屬性。實(shí)例公理則指本體實(shí)例的聲明，如相同實(shí)例、不同實(shí)例等約束限制。

約束公理分為值約束和基數(shù)約束，主要用來表示定義類的充要條件。值約束包括“all values from(?)”“some values from(?)”，用于限制屬性的值域。如果屬性的形容詞限制是“只有”或“只存在”，則添加“all values from”即“only”約束，若屬性的形容詞限制是有些或存在，則添加“some”約束?；鶖?shù)約束包括“max cardinality(≤)”“min cardinality(≥)”“exact cardinality(=)”，用于限制屬性取值的個(gè)數(shù)。本體公理既可以通過圖形化添加約束關(guān)系來定義，也可以通過約束規(guī)則的描述來定義。

圖3 農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體公理

2 農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體的推理與評(píng)價(jià)

2.1 本體的推理

目前，領(lǐng)域本體以手工構(gòu)建為主，存在工作量大、過程繁復(fù)等問題，為此需要本體推理來檢測(cè)邏輯沖突以及推理隱含知識(shí)。本體推理是以描述邏輯為基礎(chǔ)，運(yùn)用推理規(guī)則檢測(cè)本體的知識(shí)框架和形式化表達(dá)，確定是否存在不一致性等沖突，并能基于提供的領(lǐng)域知識(shí)推理得到其中蘊(yùn)含的信息。本文選擇FaCT++推理機(jī)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體進(jìn)行邏輯推理檢測(cè)［5］。若檢測(cè)出存在邏輯或?qū)嵗龥_突，則根據(jù)提示進(jìn)行改正直至不再提示錯(cuò)誤。

經(jīng)過FaCT++推理機(jī)的運(yùn)行，農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體中存在不一致性，推理機(jī)對(duì)本體中不一致性給出錯(cuò)誤提示。定義物流配送服務(wù)商為消費(fèi)環(huán)節(jié)的子類，其等價(jià)類是第三方物流等中間商，而第三方物流等中間商卻被錯(cuò)誤定義為消費(fèi)渠道的子類，因此，農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體發(fā)生了邏輯沖突。通過推理機(jī)的運(yùn)行及修改，將第三方物流等中間商重新定義為流通渠道的子類，繼續(xù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體進(jìn)行推理檢測(cè)，直至最終結(jié)果顯示出農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體沒有邏輯沖突和實(shí)例沖突。

2.2 本體的評(píng)價(jià)

本體在特定領(lǐng)域或特定環(huán)境的性能和適用性，是影響本體是否能在語義網(wǎng)中被廣泛應(yīng)用的重要因素，而單純靠人類手工構(gòu)建的本體，無法保證領(lǐng)域本體的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。因此，針對(duì)領(lǐng)域本體構(gòu)建過程中可能出現(xiàn)的缺乏科學(xué)依據(jù)、構(gòu)建過于簡(jiǎn)單、脫離實(shí)際等問題，需要對(duì)領(lǐng)域本體進(jìn)行評(píng)價(jià)。領(lǐng)域本體的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，本體評(píng)價(jià)主要集中在概念評(píng)價(jià)、概念間關(guān)系評(píng)價(jià)上。

概念評(píng)價(jià)主要是針對(duì)概念完整性及概念準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過計(jì)算本體概念的準(zhǔn)確率和召回率完成對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體概念的有效性評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

表1 農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體概念評(píng)價(jià)結(jié)果

概念間關(guān)系評(píng)價(jià)主要包含關(guān)系準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)、關(guān)系一致性評(píng)價(jià)和關(guān)系簡(jiǎn)潔性評(píng)價(jià)。本文評(píng)價(jià)概念間關(guān)系采用的算法是語義相似度算法。該方法首先利用語義相似度計(jì)算公式計(jì)算概念的相似度:

式中，D(c1，c2)表示兩概念間的公共父節(jié)點(diǎn)深度，L(c1，c2)表示兩概念間的路徑長(zhǎng)度。根據(jù)相似度值與所設(shè)閾值ε的結(jié)果進(jìn)行比較:S(c1，c2)≥ε，表示符合相應(yīng)性質(zhì);S(c1，c2)＜ε，表示不滿足，并指出錯(cuò)誤類型。判斷所構(gòu)建本體概念間關(guān)系是否滿足一致性、準(zhǔn)確性、簡(jiǎn)潔性，從而完成對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體概念間關(guān)系的評(píng)價(jià)，并得出評(píng)價(jià)結(jié)果(表2)。

表2 農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體關(guān)系評(píng)價(jià)一覽表

由表2看出，關(guān)系一致性檢測(cè)結(jié)果顯示為0例錯(cuò)誤，關(guān)系準(zhǔn)確性檢測(cè)結(jié)果顯示為2例錯(cuò)誤，關(guān)系簡(jiǎn)潔性檢測(cè)結(jié)果顯示為1例錯(cuò)誤，據(jù)此對(duì)提示的錯(cuò)誤進(jìn)行了修正。

根據(jù)本體概念評(píng)價(jià)及關(guān)系評(píng)價(jià)所得結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可判定農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域本體建模效果良好，領(lǐng)域知識(shí)表示達(dá)到原有目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享和重用。

3 結(jié)語

本體作為知識(shí)表示的基本工具，基于其知識(shí)共享、復(fù)用、服務(wù)等優(yōu)勢(shì)在語義網(wǎng)、知識(shí)工程等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。通過整理農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域知識(shí)信息，探討農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈本體構(gòu)建過程，完成農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈知識(shí)的表示和推理，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈領(lǐng)域知識(shí)的共享和復(fù)用。然而，手工構(gòu)建領(lǐng)域本體費(fèi)力耗時(shí)、易出現(xiàn)傾向性錯(cuò)誤，因此下一步將嘗試?yán)脵C(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理等技術(shù)自動(dòng)或半自動(dòng)構(gòu)建本體，以提高知識(shí)的表示和推理準(zhǔn)確性和實(shí)效性，更好地開展農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈知識(shí)服務(wù)。

［1］薛麗柯，姚雨辰，姜方桃.我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈存在的問題及對(duì)策［J］.當(dāng)代經(jīng)濟(jì)，2014(1):76-77.

［2］Gruber T.R.Atranslation Approach to Portable Ontology Specifications［G］//Technical Report，KSL 92-71.Stanford:Knowledge System Laboratory，1993.

［3］錢平，鄭業(yè)魯.農(nóng)業(yè)本體論研究與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2006:50-62.

［4］Knublauch H，F(xiàn)ergerson R W，Noy N F，et al.The Protégé OWL Plugin:An Open Development Environment for Semantic Web Applications［G］.Lecture Notes in Computer Science，2004:229-243.

［5］Tsarkov D，Horrocks I.FaCT++Description Logic Reasoner:System Description［G］.Lecture Notes in Computer Science，2006:292-297.