基于SWRL的枸杞病蟲害本體知識(shí)推理研究

李貫峰+李衛(wèi)軍

摘要：針對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域存在的知識(shí)表示、推理和重用等問題，將本體理念與技術(shù)引入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，并對(duì)如何構(gòu)建枸杞病蟲害本體及相應(yīng)的SWRL規(guī)則進(jìn)行研究。首先對(duì)枸杞病蟲害知識(shí)本體中的概念及概念之間的關(guān)系進(jìn)行知識(shí)表示，構(gòu)建1個(gè)可共享、可重用、可擴(kuò)展的枸杞病蟲害領(lǐng)域本體；然后根據(jù)枸杞病蟲害本體中邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)一系列SWRL規(guī)則；最后將構(gòu)建的枸杞病蟲害領(lǐng)域本體和SWRL規(guī)則放入Jess推理機(jī)中進(jìn)行推理，通過(guò)推理的方法得到病害領(lǐng)域本體的隱含知識(shí)，從而完善枸杞病蟲害領(lǐng)域本體。

關(guān)鍵詞：領(lǐng)域本體；SWRL規(guī)則；推理；枸杞病蟲害

中圖分類號(hào)： TP391；S435.671 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0399-03

本體（ontology）作為共享概念模型的明確形式化規(guī)范說(shuō)明，在知識(shí)的組織、共享和重用方面優(yōu)勢(shì)明顯，近年來(lái)備受人們的關(guān)注[1]。隨著理論基礎(chǔ)和相關(guān)技術(shù)不斷完善與發(fā)展，本體在許多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)是一種可以大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力和生產(chǎn)效率的生產(chǎn)要素，研究農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)建模，建立一個(gè)基于本體的共享農(nóng)業(yè)知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)本體知識(shí)庫(kù)的推理功能，完善農(nóng)業(yè)知識(shí)服務(wù)體系，是加快農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展的迫切任務(wù)。

本體可以描述領(lǐng)域中的概念關(guān)系，本體知識(shí)庫(kù)的建立是為了將領(lǐng)域知識(shí)及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞給用戶。而基于知識(shí)的推理則借助一定的規(guī)則，利用已知的關(guān)系可推出隱含的關(guān)系，本體知識(shí)庫(kù)的推理研究是為了提供更優(yōu)質(zhì)的知識(shí)服務(wù)。目前對(duì)本體的研究除了將其作為一個(gè)領(lǐng)域知識(shí)建模工具外，一些本體推理方法也已經(jīng)用于推理和查詢語(yǔ)義Web，其中比較典型的本體推理方法有：基于描述邏輯的推理方法，例如Racer[2]、Pellet[3]等；基于規(guī)則的推理方法，例如Jena等[4]；基于傳統(tǒng)的一階謂詞證明器的推理方法，例如Hoolet[5]；基于邏輯編程的推理方法，例如F-OWL[6]、KAON2[7]等。這些推理方法都能實(shí)現(xiàn)檢查本體的一致性和得到隱含知識(shí)的兩大基本推理功能，但是也存在著一些局限性。

本研究借助本體理論思想，選擇枸杞病蟲害領(lǐng)域知識(shí)作為研究對(duì)象，提取枸杞病蟲害中的主要構(gòu)成要素，借助本體構(gòu)建工具Protégé手工構(gòu)建結(jié)構(gòu)良好的枸杞病蟲害領(lǐng)域本體庫(kù)，根據(jù)枸杞病蟲害中概念之間的關(guān)系構(gòu)建相應(yīng)的SWRL（Semantic Web Rule Language）規(guī)則，用SWRL規(guī)則與Jess[8]推理引擎相集成，建立基于SWRL規(guī)則的本體推理機(jī)制，通過(guò)推理的方法得到枸杞病蟲害領(lǐng)域本體的隱含知識(shí)，進(jìn)一步完善枸杞病蟲害領(lǐng)域本體的描述，為枸杞病蟲害知識(shí)服務(wù)提供支持。

1 相關(guān)理論

1.1 本體的構(gòu)建方法

本體論原是哲學(xué)領(lǐng)域中為研究存在而發(fā)展出來(lái)的概念，隨著人工智能的發(fā)展，本體論逐漸成為計(jì)算機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。本體是通過(guò)領(lǐng)域?qū)＜曳e極參與和通力協(xié)作而構(gòu)建的領(lǐng)域概念、關(guān)系和公理體系的集合，以計(jì)算機(jī)能理解的語(yǔ)言和形式描述、表示和組織知識(shí)，促進(jìn)知識(shí)重用、知識(shí)共享和知識(shí)服務(wù)[9]。隨著本體論研究在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的滲透，本體在農(nóng)業(yè)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建、知識(shí)共享服務(wù)及智能檢索等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著本體在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了多種本體構(gòu)建方法，國(guó)內(nèi)外比較有影響的本體構(gòu)建方法有骨架法、IDEF5法、TOVE法、METHONTOLOGY法、XHEMICALS法、SENSUS法及七步法等[10]。

1.2 本體推理機(jī)

本體推理機(jī)主要是針對(duì)本體進(jìn)行推理，是對(duì)知識(shí)進(jìn)行解釋的程序，根據(jù)知識(shí)的語(yǔ)義，按一定策略找到知識(shí)進(jìn)行解釋執(zhí)行[11]。目前常用的本體推理機(jī)主要有Racer[2]、Pellet[3]、Jena[4]、Jess[8]等。Jess規(guī)則推理引擎是以CLIPS為基礎(chǔ)擴(kuò)展的、采用Java編寫的開放式規(guī)則引擎。Jess推理引擎的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含事實(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)和推理機(jī)3部分，其中類、屬性、實(shí)例和屬性值作為事實(shí)存儲(chǔ)在本體中，推理規(guī)則用SWRL規(guī)則表示。推理實(shí)施時(shí)Jess推理引擎需將本體實(shí)例、屬性值和SWRL規(guī)則翻譯成Jess事實(shí)和Jess規(guī)則，推理得出的新知識(shí)可再寫回本體中。

1.3 SWRL規(guī)則

SWRL規(guī)則基于OWL語(yǔ)言，采用了基于Horn子句的RuleML的1個(gè)子集，是按語(yǔ)義方式呈現(xiàn)規(guī)則的一種規(guī)則描述語(yǔ)言[8]。SWRL是語(yǔ)義Web規(guī)則事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，作為W3C的成員提案，主要目標(biāo)是提供OWL在邏輯表達(dá)方面不支持的表達(dá)能力，同時(shí)保持與OWL語(yǔ)法、語(yǔ)義和理論模型的兼容性。一個(gè)合法的SWRL規(guī)則是由表示前提（antecedent）和結(jié)論（consequent）構(gòu)成的推導(dǎo)關(guān)系，而每個(gè)前提和結(jié)論都是由多個(gè)元素（atom）組成，元素之間是邏輯與的關(guān)系，SWRL框架中的元素用于定義條件判斷的限制式，如pests（？x），說(shuō)明是x屬于pests類，hasSymptom（？x，？y），說(shuō)明x有癥狀y。

2 枸杞病蟲害領(lǐng)域本體的構(gòu)建

本研究借鑒相關(guān)構(gòu)建本體的方法，依據(jù)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的特點(diǎn)，確定了枸杞病蟲害領(lǐng)域本體構(gòu)建的方法，其流程如圖2所示，具體思路如下：

（1）構(gòu)建本體之前，進(jìn)行需求分析，確定領(lǐng)域本體框架，明確領(lǐng)域本體的應(yīng)用目標(biāo)和范疇，對(duì)于限定本體范圍、增強(qiáng)本體針對(duì)性，以縮短構(gòu)建時(shí)間、降低構(gòu)建難度具有重要的意義。

（2）通過(guò)專業(yè)相關(guān)書籍、文獻(xiàn)資料、權(quán)威網(wǎng)站信息等途徑獲取領(lǐng)域知識(shí)，結(jié)合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜医ㄗh，對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行分析、整理和歸納，得到所需領(lǐng)域的概念和關(guān)系。

（3）在對(duì)領(lǐng)域知識(shí)充分了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合需求分析，將領(lǐng)域中的主要概念和關(guān)系列舉出來(lái)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑笇?dǎo)下，確定領(lǐng)域的核心概念和關(guān)系。

（4）基于前面劃分的概念層次結(jié)構(gòu)，使用本體構(gòu)建工具對(duì)類、屬性和實(shí)例等本體元素進(jìn)行編碼以及形式化，實(shí)施本體構(gòu)建。本研究將用Protégé工具來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)枸杞病蟲害本體的構(gòu)建。

（5）本體構(gòu)建完成后，領(lǐng)域內(nèi)術(shù)語(yǔ)定義是否清晰，概念及關(guān)系是否完整，需要運(yùn)用推理工具自動(dòng)判斷和一致性檢驗(yàn)，并對(duì)有邏輯錯(cuò)誤的地方進(jìn)行修改，以確保本體中包含的所有知識(shí)不存在矛盾。

（6）本體創(chuàng)建是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，本體庫(kù)需要在實(shí)際使用過(guò)程中不斷去修改、優(yōu)化和完善以便更好地適應(yīng)實(shí)際使用情況。

根據(jù)上述構(gòu)建步驟，在學(xué)習(xí)關(guān)于枸杞病蟲害書籍和大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合枸杞病蟲害領(lǐng)域?qū)＜医ㄗh，以寧夏地區(qū)常見的枸杞蚜蟲、枸杞紅癭蚊、枸杞癭螨等51種枸杞害蟲和根腐病、炭疽病、白粉病等15種枸杞病害為研究對(duì)象，以診斷和防治為研究目標(biāo)，抽取領(lǐng)域中的重要概念、屬性及實(shí)例，用Protégé工具構(gòu)建了1個(gè)內(nèi)容豐富、層次清晰、體系完善的枸杞病蟲害本體庫(kù)，構(gòu)建好的枸杞病蟲害本體的類結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中Thing是默認(rèn)的超類，其他的類都是它的子類，共計(jì)37個(gè)本體類，基本涵蓋了實(shí)際生產(chǎn)中主要的枸杞病蟲害種類。該本體中有7個(gè)數(shù)據(jù)屬性和12個(gè)一級(jí)對(duì)象屬性用于描述枸杞病蟲害的基本信息。還包括51個(gè)害蟲實(shí)例、15個(gè)病害實(shí)例和其他本體類實(shí)例。

3 SWRL推理規(guī)則構(gòu)建

3.1 SWRL規(guī)則設(shè)計(jì)

在已建的枸杞病蟲害本體基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)本體概念的提取確定病蟲害所涉及的具體推理元素，并根據(jù)元素組建推理規(guī)則。推理中的規(guī)則定義最為關(guān)鍵，規(guī)則是表示知識(shí)的一種方式，推理規(guī)則是典型的條件語(yǔ)句：if-then子句。規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則是根據(jù)枸杞病蟲害的癥狀、發(fā)生規(guī)律、防治方法等概念層次和概念之間的關(guān)系定義出的關(guān)系規(guī)則，這些規(guī)則嚴(yán)格控制著本體的行為，能夠?yàn)殍坭讲∠x害知識(shí)的診斷、推理或判定提供依據(jù)。

舉1個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明SWRL規(guī)則的建立方法。根據(jù)對(duì)枸杞根腐病的癥狀描述為枸杞病株外觀表現(xiàn)為葉片發(fā)黃、萎垂；挖起病株剖檢根、莖部，可見患部變褐至黑褐色，有的皮層腐爛、脫落、露出木質(zhì)部。用SWRL翻譯以上的自然語(yǔ)言，可以得到SWRL規(guī)則：葉片發(fā)黃∧葉片萎垂∧根部變黑褐色∧莖部變褐色∧根部皮層腐爛∧莖基部皮層脫落 →根腐病。然后依照SWRL的語(yǔ)法和語(yǔ)義，構(gòu)建相應(yīng)的SWRL推理規(guī)則格式如下：

Wolfberry（？x）∧Disease（？y）∧（Roots（？z）∧harmsOn（？x，？z）∧hasColor（？z，blackbrown）∧hasDS（？z，rot））∧（Leaf（？u）∧harmsOn（？x，？u）∧hasColor（？u，yellow）∧ hasDS（？u，sag））∧（Branches（？v）∧harmsOn（？x，？v）∧hasColor（？v，brown）∧hasDS（？v，Cortex fall off））→Ceitocybe bescens（？y）

其中x、y、z、u、v分別為類Wolfberry（枸杞）、Disease（病害）、Roots（根部）、Leaf（葉片）Branches（莖）的實(shí)例，harmsOn、hasColor、hasDS等為屬性關(guān)系。

通過(guò)上述方法就能將枸杞病蟲害本體中概念、屬性和實(shí)例等元素之間的關(guān)系建成相對(duì)應(yīng)的SWRL規(guī)則。根據(jù)本體推理的目標(biāo)，枸杞病蟲害知識(shí)推理會(huì)更新領(lǐng)域本體，通過(guò)建立的枸杞病蟲害診斷規(guī)則進(jìn)行推理，逐步完善枸杞病蟲害知識(shí)領(lǐng)域本體。表1是本研究定義的枸杞病蟲害領(lǐng)域本體的SWRL規(guī)則庫(kù)中的部分SWRL規(guī)則，包括部分診斷病害、蟲害及防治方法的規(guī)則。

4.2 SWRL實(shí)現(xiàn)

SWRL Editor是一個(gè)開源的SWRL規(guī)則編輯器，可以讓用戶以Horn子句邏輯公式形式的輸入方式來(lái)創(chuàng)建、修改和讀寫SWRL規(guī)則并提供與Jess推理引擎的整合，可以方便快速地構(gòu)建基于SWRL的推理規(guī)則并進(jìn)行推理規(guī)則的驗(yàn)證。該編輯器被作為插件嵌入Protégé OWL Plugin中，使用戶能在Protégé軟件中方便地編輯SWRL規(guī)則。編輯規(guī)則時(shí)，用戶可以直接引用1個(gè)本體中的OWL類、屬性和實(shí)例，也可以直接訪問SWRL Built-in本體中的所有Built-ins[12]。只有符合語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn)的SWRL規(guī)則才能被有效保存，而且SWRL規(guī)則以O(shè)WL實(shí)例的形式保存在相關(guān)的OWL文件中。圖4顯示的是枸杞病蟲害診斷規(guī)則的建立過(guò)程。由于SWRL Editor本身并沒有推理能力，需要和Jess推理引擎結(jié)合使用才能完成推理功能。運(yùn)用SWRL Factory機(jī)制，SWRL Editor與Jess API實(shí)現(xiàn)連接，從而在API級(jí)上與已有規(guī)則引擎相互操作。

SWRL規(guī)則的建立是為了更好地解決基于本體的查詢和推理問題。推理時(shí)需要將Protégé中的枸杞病蟲害本體的信息（如類、屬性和實(shí)例等）導(dǎo)入Jess中的事實(shí)庫(kù)，將SWRL表示的規(guī)則導(dǎo)入Jess規(guī)則庫(kù)中，并將其通過(guò)SWRL JessBridge轉(zhuǎn)換成Jess實(shí)例和規(guī)則。通過(guò)調(diào)用Jess推理引擎，用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SWRL規(guī)則的語(yǔ)義推理，并可以根據(jù)推理結(jié)果更新知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容。在SWRL JessBridge操作界面，點(diǎn)擊“OWL+SWRL→Jess”按鈕，將枸杞病蟲害領(lǐng)域本體和SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)換成Jess事實(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)；使用“Run Jess”按鈕、使用Jess推理機(jī)進(jìn)行推理生成新的知識(shí)，點(diǎn)擊“Jess→OWL”按鈕即可將推理所得的新知識(shí)傳回本體文件，從而更新本體文件[13]。

將構(gòu)建的枸杞病蟲害本體和SWRL規(guī)則放入Jess推理機(jī)中進(jìn)行推理，能得到本體中的隱含知識(shí)?；谝陨系倪@些推理規(guī)則可以進(jìn)一步處理枸杞病蟲害領(lǐng)域本體中的各類之間以及類與實(shí)例之間的沖突關(guān)系，深度挖掘類與實(shí)例之間隱含的語(yǔ)義關(guān)系，使得推理結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

本體的推理通過(guò)一些處理機(jī)制把隱含在顯式定義和說(shuō)明中的知識(shí)提取出來(lái)，目的是在本體的應(yīng)用中充分利用這些知識(shí)解決實(shí)際問題。本研究以枸杞病蟲害領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)為例，運(yùn)用本體開發(fā)工具建立了枸杞病蟲害知識(shí)庫(kù)。設(shè)計(jì)了一系列的SWRL規(guī)則，并嘗試使用SWRL規(guī)則語(yǔ)言與Jess推理引擎將枸杞病蟲害領(lǐng)域本體和SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)換成Jess事實(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)，建立了基于SWRL規(guī)則的本體推理機(jī)制，得到包含新本體知識(shí)的推理結(jié)果， 從而更新了枸杞病蟲害領(lǐng)域本體的隱含知識(shí)。

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