基于Jena的移動應(yīng)用領(lǐng)域本體模型推理研究

曾 琪，陳國棟

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116)

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基于Jena的移動應(yīng)用領(lǐng)域本體模型推理研究

曾 琪，陳國棟

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116)

針對如何向用戶提供高質(zhì)量的移動個性化服務(wù)問題,該文提出一種基于Jena的移動應(yīng)用領(lǐng)域本體模型推理機制.首先,在分析移動上下文和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點的基礎(chǔ)上,采用網(wǎng)絡(luò)本體語言O(shè)WL建立移動應(yīng)用領(lǐng)域本體模型;其次,以三維虛擬試衣應(yīng)用為例,利用Jena推理引擎和自定義推理規(guī)則對移動應(yīng)用本體模型進行推理,發(fā)現(xiàn)模型中本體類間隱含的關(guān)系.實驗結(jié)果證明,該機制能夠在一定程度上提高移動個性化服務(wù)質(zhì)量.

移動個性化服務(wù);移動應(yīng)用;本體建模;Jena;本體推理

隨著寬帶無線接入技術(shù)的快速發(fā)展以及移動終端(如智能手機、PDA、平板電腦等)在硬件和軟件方面的不斷改進, 智能移動設(shè)備也逐漸成為人們獲取信息的主要平臺之一，用戶能夠根據(jù)需要隨時隨地甚至在移動過程中獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù).因此，以創(chuàng)新服務(wù)模式，用智能的、主動的、信息找人的推送模式，代替陳舊的、被動的、人找信息的搜索模式為目標的移動個性化服務(wù)得到越來越多的關(guān)注[1].移動上下文建模是移動個性化服務(wù)研究的關(guān)鍵內(nèi)容，本體作為描述概念及概念之間關(guān)系的一種工具，近年來被廣泛應(yīng)用于語義網(wǎng)等領(lǐng)域[2],它是對相關(guān)領(lǐng)域共享的概念模型的形式化的明確的規(guī)范描述[3]，具有邏輯系統(tǒng)的描述能力與推理能力，并支持知識共享，利用本體對上下文進行建模有其獨特的優(yōu)勢.目前，國內(nèi)對移動領(lǐng)域本體模型的研究較少.本文將本體理論應(yīng)用于服務(wù)器與移動設(shè)備相結(jié)合的移動應(yīng)用領(lǐng)域，分析概念之間的關(guān)系，創(chuàng)建領(lǐng)域本體模型，再利用Jena推理引擎和自定義推理規(guī)則針對具體應(yīng)用進行本體推理，以達到為用戶進行個性化推薦的目的，對構(gòu)建移動上下文感知計算模型有著重要意義.

1 Jena推理引擎工作原理

Jena來源于美國惠普實驗室為語義網(wǎng)研究項目開發(fā)的一套開源本體開發(fā)API，是用于創(chuàng)建語義網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)Java語言工具包.它為OWL、RDF、RDFS等本體描述語言提供一個程序開發(fā)環(huán)境,并配有較完整的對本體進行解析、存儲、推理和查詢的函數(shù)調(diào)用和處理接口[4].Jena包含RDF模型、SPARQL查詢語言、推理引擎、文本存儲和關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲以及本體子系統(tǒng)這5個接口[5].本文的移動應(yīng)用領(lǐng)域本體將采用Jena自帶的基于自定義規(guī)則的推理機，Jena推理機結(jié)構(gòu)[6]如圖1所示.在開發(fā)推理應(yīng)用程序時，首先，要使用模型工廠類(Model Factory)創(chuàng)建相應(yīng)類型的本體模型，并讀入本體文件信息.再用該類

圖1 Jena推理機結(jié)構(gòu)

注冊并創(chuàng)建推理機(Reasoner)，將推理規(guī)則加載到推理機中.接著把該推理機和需要進行推理與查詢的本體模型綁定得到一個具有推理機制的模型對象(Inf Model).之后，利用SPARQL查詢語句對該模型對象進行查詢處理，不僅能得到本體模型本身包含的數(shù)據(jù)信息，還能得到通過規(guī)則推理出的隱藏信息.

2 移動應(yīng)用領(lǐng)域本體建模

雖然研究領(lǐng)域與具體工程的不同造成構(gòu)造本體的標準不盡相同，但是大多數(shù)領(lǐng)域本體建模都采用1995年T.R.Gruber提出的“清晰、一致、可擴展性、編碼偏好程度最小、本體約定最小”這5條指導(dǎo)本體構(gòu)造的基本原則[7].領(lǐng)域本體的一般構(gòu)建過程[8]為：①確定領(lǐng)域本體的范圍和對象；②選擇本體形式化描述語言描述并表示；③選擇有效的本體開發(fā)工具；④對領(lǐng)域本體進行內(nèi)容分析和詳細設(shè)計；⑤對領(lǐng)域本體進行形式化表示和存儲.在本課題研究中，采用Protege4.3建立移動應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)本體模型，以Jena為推理引擎，本體描述語言選擇萬維網(wǎng)聯(lián)盟推薦的語義互聯(lián)網(wǎng)本體描述語言O(shè)WL.

2.1 確定本體領(lǐng)域

在移動個性化服務(wù)研究領(lǐng)域中，移動上下文是移動環(huán)境下描述用戶周圍的情況(例如位置、時間、同伴、事件、溫度等)并且影響到用戶需求和行為的各種信息及其變化的集合[9].根據(jù)用戶自身的屬性、用戶所處的周圍環(huán)境，以及用戶使用的終端設(shè)備的屬性可將上下文分為移動用戶上下文、移動環(huán)境上下文、移動計算上下文這3類[9]：移動用戶上下文主要指描述用戶狀態(tài)和行為的相關(guān)信息；移動環(huán)境上下文主要指用戶所處環(huán)境的物理信息；移動計算上下文則主要包括設(shè)備能力上下文，終端業(yè)務(wù)上下文、終端環(huán)境上下文，以及實時處理并發(fā)布從用戶上下文和計算上下文中獲取的信息.再從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的特點來看，移動應(yīng)用領(lǐng)域本體主要可從服務(wù)器、移動終端、用戶和時空這4個方面進行本體建模.

2.2 領(lǐng)域本體設(shè)計

領(lǐng)域本體核心概念層次體系設(shè)計.定義類層次的方法有3種[10]:自上向下法，即先定義領(lǐng)域里最頂層的概念,然后逐步細化概念；自下向上法，即先定義最底層的概念，從那些細小的、具體的概念開始綜合成大的概念；混合法,即將自上而下與自下而上結(jié)合起來，即先定義那些重要的、顯而易見的概念，然后分別向上或向下進行歸納和演繹.根據(jù)2.1節(jié)中對本體領(lǐng)域范圍的分析，確定該領(lǐng)域的頂級概念為服務(wù)器、移動終端、用戶、時間、位置，另外將移動設(shè)備上的應(yīng)用獨立出來作為一個單獨的概念以便于對不同移動應(yīng)用進行具體研究.本文采用的是自上向下的層次體系構(gòu)建方法，具體的本體核心概念分析如下：

①服務(wù)器又分為文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器.

②移動終端具體還可分為手機、筆記本、平板電腦、POS機和車載電腦.由于移動應(yīng)用領(lǐng)域主要是針對移動智能設(shè)備，故此處留下智能手機和平板電腦兩個概念.

③應(yīng)用的子類本體概念需要根據(jù)具體應(yīng)用的相應(yīng)需求確定.

④用戶、時間、位置無需再細分子類本體概念.

領(lǐng)域本體屬性設(shè)計. 根據(jù)研究范疇的不同，構(gòu)建的本體類所設(shè)置的屬性也有所差別.本文僅針對移動應(yīng)用領(lǐng)域基本需求設(shè)計基本屬性如下：

數(shù)據(jù)屬性的設(shè)計.①由于4種類型服務(wù)器的工作內(nèi)容不同，所以應(yīng)該考慮到的屬性也略有不同.它們具有的共同屬性有：軟硬件信息：操作系統(tǒng)、硬盤容量、內(nèi)存大小、CPU主頻、CPU型號、GPU頻率、GPU型號、硬盤是否可擴充、CPU是否可擴展；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)信息[11]：連接速率、請求數(shù)、并發(fā)連接數(shù)、并發(fā)用戶數(shù)、事務(wù)處理次數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸時延、丟包率.此外，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還包括數(shù)據(jù)庫軟件、數(shù)據(jù)讀寫率、數(shù)據(jù)庫數(shù)目、數(shù)據(jù)表數(shù)目這些屬性.

②移動終端的數(shù)據(jù)屬性設(shè)計為操作系統(tǒng)、電池容量、電量、CPU核心數(shù)、CPU主頻、CPU型號、GPU頻率、GPU型號、RAM大小、ROM大小、前后置攝像頭像素、屏幕尺寸、屏幕分辨率、屏幕ppi、移動設(shè)備型號、無線網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)制式、網(wǎng)絡(luò)流量、信號強度.

③用戶則包括用戶基本信息，如姓名、性別、年齡、身高、體重、職業(yè)、收入、教育背景等.

④時間則包含日期、小時數(shù)、分鐘數(shù).

⑤位置包含GPS坐標屬性.

⑥應(yīng)用定義運行狀態(tài)屬性.

對象屬性的設(shè)計.①操作.用戶和應(yīng)用是操作關(guān)系，用戶操作移動終端上的某個具體應(yīng)用.

②響應(yīng).相反的，應(yīng)用不斷對用戶的操作做出響應(yīng)以提供所需的個性化服務(wù)，故應(yīng)用和用戶是響應(yīng)關(guān)系.

③請求.移動終端在需要新數(shù)據(jù)的情況下向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，故移動終端和服務(wù)器是請求數(shù)據(jù)關(guān)系.

④返回.相反的，服務(wù)器將所需數(shù)據(jù)發(fā)送回移動終端，故服務(wù)器和移動終端是返回請求數(shù)據(jù)關(guān)系，

⑤運行.應(yīng)用屬于移動終端的一部分.應(yīng)用以移動終端為平臺運行.

⑥時間為.將服務(wù)器、移動終端和時間類聯(lián)系起來，以表示設(shè)備時間.

⑦位于.將服務(wù)器、移動終端和位置類聯(lián)系起來，以表示其位置信息.

⑧包含于.應(yīng)用的子類是屬于應(yīng)用的一部分，和應(yīng)用不是父子關(guān)系而是包含與被包含的關(guān)系.由上述分析的本體概念以及概念關(guān)系，可得出移動應(yīng)用領(lǐng)域本體關(guān)系模型，具體如圖2所示.

圖2 移動應(yīng)用領(lǐng)域本體關(guān)系模型

2.3 基于OWL的領(lǐng)域本體建模

根據(jù)前文中提出的移動應(yīng)用領(lǐng)域本體關(guān)系模型，采用Protege4.3建立基于OWL的領(lǐng)域本體模型, 采用的OWL API版本為3.4.2.Protege是斯坦福大學(xué)為知識獲取而開發(fā)的一個工具，主要應(yīng)用于知識的獲取，以及現(xiàn)存本體合并和排列，可免費下載，再加上對中文的支持，Protege已經(jīng)成為目前國內(nèi)使用最為廣泛的本體編輯工具[12].建立基于OWL的移動應(yīng)用領(lǐng)域本體模型的主要步驟如下所述.

(1)添加類及其層次關(guān)系.根據(jù)前文中分析設(shè)計的移動應(yīng)用領(lǐng)域本體概念體系，利用Protege創(chuàng)建相應(yīng)的頂級類及其子類，建立起領(lǐng)域本體類關(guān)系基礎(chǔ)模型.其中，類對應(yīng)Protege中的Class，根據(jù)6個頂級本體概念創(chuàng)建頂級類Server、Mobile_terminal、User、Application、Time、Location，且所有Class都是OWL:Thing的子類.而Server又進一步細分為File_server、Database_server、Web_server、Application_server這4個子類；Mobile_terminal則包含Mobile_phone和Pad這2個子類；Application的子類需要根據(jù)應(yīng)用的具體內(nèi)容進行創(chuàng)建.整體的Class結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 移動應(yīng)用領(lǐng)域本體Class結(jié)構(gòu)圖

(2)添加各本體類屬性.①由前文可知，領(lǐng)域本體間主要包括操作、響應(yīng)、請求、返回、運行、時間為、位于、包含于這8種關(guān)系，每個關(guān)系都對應(yīng)Protege中的一個對象屬性，即創(chuàng)建operate、respond、request、return、run、timeOn、locatedIn、isPartOf這8個ObjectProperty，并可通過其domain 和 range子屬性將定義域和值域設(shè)置為本體模型內(nèi)部的本體類和子類對象，以便于本體模型內(nèi)部各類通過上述關(guān)系進行關(guān)聯(lián).定義的對象屬性結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.

圖4 移動應(yīng)用領(lǐng)域本體對象屬性結(jié)構(gòu)圖

②由前文中分析得出的各本體類所包含的基本數(shù)據(jù)屬性，在Protege中創(chuàng)建相應(yīng)的DataProperty，并設(shè)置好屬性的類型以及其他約束.

(3)添加本體實例.這里以三維虛擬試衣應(yīng)用為例，用實例填充定義的Class，并定義相應(yīng)的屬性及屬性值.該應(yīng)用主要包含服裝、模特、背景3個部分，

圖5 移動應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵗?/p>

所以對應(yīng)的Application應(yīng)用類就可以具體細分為Dress、Model、Background這3個子類，并與 Application是isPartOf的關(guān)系.然后定義基本的數(shù)據(jù)屬性，Dress類包含性別和風格屬性，Model類包含性別和體型(胖、瘦、正常)屬性，Background類包含適用時間(白天、黑夜)和風格屬性.最后手動創(chuàng)建多個本體類預(yù)設(shè)實例供后續(xù)推理查詢使用.創(chuàng)建的本體實例如圖5所示.

3 移動應(yīng)用領(lǐng)域本體模型推理的實現(xiàn)

實現(xiàn)移動應(yīng)用本體模型的推理主要包含以下兩個步驟：首先，在分析應(yīng)用需要為用戶提供何種個性化服務(wù)，以及各本體類相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)Jena的自定義規(guī)則語法編寫領(lǐng)域本體推理規(guī)則；其次，采用Jena API和Java集成開發(fā)工具編寫推理程序，利用自定義規(guī)則進行推理以得到相應(yīng)的推理結(jié)果.

3.1 推理規(guī)則的編寫

Jena包含有前向鏈推理RETE引擎和tabled Datalog引擎兩個內(nèi)部規(guī)則引擎，并提供了前向鏈、后向鏈，以及混合執(zhí)行模型[13].Jena推理機是基于規(guī)則的推理機，需要在相關(guān)規(guī)則的支持下完成推理工作.Jena自身包含了一系列針對本體的特點而定義的默認通用推理規(guī)則，用于檢查概念的可滿足性，不同類之間的關(guān)系，以及屬性的傳遞、互逆、不相交等[14].

但是，這些默認通用規(guī)則無法滿足具體領(lǐng)域的一些推理要求.在移動應(yīng)用領(lǐng)域本體的推理過程中，為了準確定義各本體類之間的關(guān)系，可自己制定規(guī)則來滿足具體要求.這里以三維虛擬試衣應(yīng)用為例，講解如何制定自定義推理規(guī)則(下文中web表示).

(1)推薦服裝規(guī)則：依據(jù)何種風格適合何種職業(yè)再結(jié)合用戶性別進行推理.

[Rule1:(?u rdf:type web:User)(?u web:job 'stude-nt')(?u web:sex 'false'^^xsd:boolean)(?d rdf:type web:Dress)(?d web:dress_style 'PreppyStyle')(?d web:dres-s_sex 'false'^^xsd:boolean)->(?u web:suggestedDress ?d)]

若User實例u是學(xué)生且是女性，Dress實例d的服裝風格是女性學(xué)院風，則u的推薦服裝為d.其他風格服裝的推理規(guī)則與此類似.

(2)模特匹配規(guī)則：依據(jù)用戶的超重系數(shù)判斷體型.

[Rule2:(?u rdf:type web:User)(?u web:overweig-ht ?ow)greaterThan(?ow -10.1)lessThan(?ow 10.1)(?uweb:sex ?s)(?m rdf:type web:Model)(?m web:shape 'normal')(?m web:model_sex ?s)->(?u web:suggested-Model ?m)]

若User實例u的超重系數(shù)在正負10之間，且Model實例m為正常體型模型，且兩者性別一致，則u的匹配模特為m.偏胖和偏瘦體型的推理規(guī)則與此類似.

(3)背景匹配服裝規(guī)則：為服裝匹配相應(yīng)風格的背景.

[Rule3:(?d rdf:type web:Dress)(?d web:dress_st-yle ?s)(?b rdf:type web:Background)(?b web:bg_styl-e ?s)->(?d web:suggestedBg ?b)]

若Dress實例d和Background實例b的風格一致，則b為適合d的背景.

(4)背景匹配時間規(guī)則：根據(jù)移動設(shè)備時間匹配合適的背景.

[Rule4:(?t rdf:type web:Time)(?t web:hour ?h) greaterThan(?h 6.9) lessThan(?h 17.1)(?b rdf:type web:Background)(?b web:isBgDay 'true'^^xsd:boolea-n)->(?t web:match ?b)]

此處以白天(7點至18點)為例，若Time實例t的小時屬性h的值處于7到17之間，Background的isBgDay屬性值為真，則b為適合此時間點的背景.

3.2 本體推理的具體實現(xiàn)

本課題采用Eclipse開發(fā)工具并調(diào)用Jena API中的Ontology API、Inference API、SPARQL創(chuàng)建推理程序.為了方便推理規(guī)則的統(tǒng)一修改和管理，將3.1節(jié)中的推理規(guī)則統(tǒng)一寫入一個規(guī)則文件(web.rules).本課題程序?qū)崿F(xiàn)的主要功能是根據(jù)用戶輸入的個人信息自動創(chuàng)建User實例，通過Jena推理機和上述3.1節(jié)中定義的規(guī)則完成以下3個推理行為：①在所有Dress預(yù)設(shè)實例中推理出與該User實例存在推薦關(guān)系的Dress實例；②在所有Model預(yù)設(shè)實例中推理出與該User實例存在匹配關(guān)系的Model實例；③選擇一個Dress實例，結(jié)合Time實例，推理出與該Dress實例存在匹配關(guān)系的Background實例.最后，通過SPARQL查詢語句將結(jié)果返回給用戶.實現(xiàn)上述推理查詢過程的主要代碼如下：

//創(chuàng)建OWL本體模型

OntModel model=ModelFactory.createOntology-

Model(OntModelSpec.OWL_MEM,null);

model.read("file: web.owl");//讀取本體文件

String ruleFile="file: web.rules";

Listrules=Rule.rulesFromURL(ruleFile);

//讀取推理規(guī)則文件

Reasoner reasoner=new GenericRuleReasoner

(rules);//創(chuàng)建推理機

createIndividual(model,userNameGet,"student",false,163,50,10,timeName);//創(chuàng)建User實例

InfModel inf=ModelFactory.createInfModel

(reasoner,model);//創(chuàng)建具有推理機制的本體模型

getDress(userNameGet,inf);//推理查詢得出推薦的服裝實例

getModel(userNameGet,inf);//推理查詢得出匹配的模特實例

getBg("DressMale1",timeName,inf);//推理查詢得出匹配的背景實例

其中，getDress方法的具體實現(xiàn)代碼如下：

public static void getDress(String userName,Inf-

Model inf){

String user="CA:"+userName;

//定義查詢語句

String queryString="PREFIX CA:

semanticweb.org/fd/ontologies/2015/3/Web#>"

+ "SELECT ?dress "

+"WHERE {"

+ user

+" CA:suggestedDress ?dress."

+ "}";

Query query=QueryFactory.create(queryString);

//創(chuàng)建查詢對象

QueryExecution qe=QueryExecutionFactory.cre-

ate(query, inf);//針對本體模型inf執(zhí)行查詢條件

ResultSet results=qe.execSelect();//獲取查詢結(jié)果

System.out.println("推薦服裝：");

dealResults(results,"dress");//打印查詢結(jié)果

qe.close();

}

getModel()和getBg()方法的實現(xiàn)過程同上述getDress()方法類似，此處不再贅述.

4 實驗結(jié)果

運行上述程序，輸出結(jié)果如圖6所示.

圖6 推理程序運行結(jié)果

由3.2節(jié)中程序可知，其根據(jù)用戶輸入的個人信息創(chuàng)建了一個姓名為Alice，身高163cm，體重50kg，性別為女，職業(yè)為學(xué)生的User實例，且當下時間假設(shè)為上午10點.在此之前，本課題制定了為學(xué)生推薦風格為學(xué)院風和田園風服裝的推理規(guī)則，同時在Protege中創(chuàng)建了相應(yīng)風格的Dress實例.由上述結(jié)果可知，該程序通過事先定義好的規(guī)則能夠在眾多實例中推理出適合Alice的服裝以及模特，推理結(jié)果符合預(yù)期.

5 總結(jié)

本文著重研究了本體建模及其推理機制在移動應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用，建立了移動應(yīng)用領(lǐng)域OWL本體模型，采用Jena引擎和自定義規(guī)則進行推理分析，發(fā)現(xiàn)原始本體模型中隱含的信息，以達到通過各種上下文準確判斷用戶對移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求以提供其真正感興趣的、符合約束的推薦內(nèi)容的目的，為提高移動個性化服務(wù)質(zhì)量提供了一種可參考的解決方案.但是，本文研究的移動應(yīng)用領(lǐng)域所涉及的硬件終端設(shè)備只涵蓋服務(wù)器和移動設(shè)備，且本體類的屬性只考慮了基本屬性，本體模型的完整性和合理性，以及推理機制的準確性還有待進一步提高.其在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體要求對本文設(shè)計的本體模型中的類、數(shù)據(jù)屬性、對象屬性等進行必要的修改以更好地解決實際問題，實現(xiàn)未來移動通信以用戶為中心的服務(wù)模式與創(chuàng)新,提高用戶滿意度.

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(責任編輯:王前)

Reasoning Research of Ontology Model for Mobile Application Domain Based on Jena

ZENG Qi，CHEN Guo-dong

(CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350116,China)

Aiming at how to provide high quality mobile personalized services, a reasoning mechanism of the ontology model of mobile application domain based on Jena is proposed in this paper. Firstly, the ontology model of mobile application domain expressed by Web Ontology Language OWL is built based on analyzing mobile context and the characteristics of web application. Secondly, taking 3D virtual fitting application for example, the Jena reasoning engine and custom rules are used for the reasoning of mobile application ontology model and discovering the hidden contact between ontology classes. The experimental results show that the mechanism can improve the quality of mobile personalized services at some level.

mobile personalized services; mobile application; ontology modeling; Jena; ontology reasoning

2010-06-10

福建省自然科學(xué)基金項目“移動環(huán)境下基于幾何與圖像的混合繪制方法研究”(2013J05090)

曾琪，女，福建寧德人，碩士研究生．

TP181

A

1008-7974(2016)05-0010-06

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.10.004