基于Jena開發(fā)包的交通本體推理機(jī)制研究

馬苗苗　陳春輝

摘 要：傳統(tǒng)的基于關(guān)鍵字語(yǔ)法匹配的信息檢索技術(shù)，查詢返回的結(jié)果往往存在很大的信息冗余。而引入基于本體（Ontology）的語(yǔ)義檢索技術(shù)，通過定義明確的領(lǐng)域概念、屬性和實(shí)例來(lái)建立領(lǐng)域本體及其推理機(jī)制，發(fā)掘概念、實(shí)例之間隱含的信息，從而實(shí)現(xiàn)基于語(yǔ)義的智能地理信息檢索。本文以交通領(lǐng)域本體為例，在使用Protégé建好交通本體之后，基于Jena推理機(jī)和SWRL推理規(guī)則語(yǔ)言，自定義了一些基本的本體推理規(guī)則，并設(shè)計(jì)了一套面向具體應(yīng)用的本體推理機(jī)制，以解決實(shí)際的應(yīng)用問題。

關(guān)鍵詞：本體;地理本體;交通本體;本體推理

中圖分類號(hào)：U495;TP391.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）13-0102-03

Research on a Query System of Based on Traffic Ontology

Using Jena Development Package

MA Miaomiao1 CHEN Chunhui2

（1.Henan College of Surveying and Mapping，Zhengzhou Henan 450000;2.Geophysical Survey Team of Henan Coal Geology Bureau，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The returned results from traditional keyword-based information retrieval technology which mainly depends on syntax matching often have a lot of information redundancy. However， ontology-based semantic search technology can achieve the goal of semantic intelligent information retrieval through building ontology with well-defined concepts， attributes and instances and constructing ontology-based reasoning mechanism by which we can explore the implicit information of concepts and instances. In this paper， taking traffic domain ontology as an example， after using Protégé to build traffic ontology， based on Jena reasoning machine and SWRL reasoning rule language， some basic ontology reasoning rules were defined， and a set of ontology reasoning mechanism for specific application was designed to solve practical application problems.

Keywords： ontology;geographic ontology;traffic ontology;ontology reasoning

1 研究背景

目前，本體技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于地理信息科學(xué)領(lǐng)域，如地理概念分類、地理知識(shí)的推理與查詢等?；诮煌ū倔w的知識(shí)庫(kù)為交通應(yīng)用系統(tǒng)提供了交通信息的自動(dòng)識(shí)別和推理功能，對(duì)提供智能地理信息查詢服務(wù)具有深刻的意義。該方法有望為以地理信息為基礎(chǔ)的“數(shù)字地球”“國(guó)家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施”等項(xiàng)目進(jìn)行多元信息集成和管理提供新的解決思路。

在使用軟件Protégé建好交通本體之后，便要對(duì)交通本體進(jìn)行解析，從而開發(fā)基于RDF與OWL的語(yǔ)義應(yīng)用程序。本體解析有很多思路和工具可以使用，其中本體推理機(jī)為RDF、RDFS、OWL提供了一個(gè)程序開發(fā)環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)交通本體的推理，基于Jena推理機(jī)和SWRL推理規(guī)則語(yǔ)言，本文自定義了一些基本的本體推理規(guī)則，并設(shè)計(jì)了一套面向具體應(yīng)用的本體推理機(jī)制，以解決實(shí)際的應(yīng)用問題。

2 本體推理機(jī)

推理機(jī)（Inference Engine）主要由執(zhí)行器、調(diào)度器和一致性協(xié)調(diào)器等組成，推理機(jī)制主要包括推理和控制兩個(gè)方面[1]。推理機(jī)是專家系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)推理的部件，是基于知識(shí)的推理在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)，是知識(shí)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。常用的推理機(jī)有Jess推理機(jī)、Racer推理機(jī)、Pellet推理機(jī)和Jena推理機(jī)。下面將著重介紹Jena推理機(jī)。

Jena是由美國(guó)HP實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一個(gè)開源項(xiàng)目，是用于構(gòu)建語(yǔ)義網(wǎng)的Java程序框架。其可以被看作是一個(gè)面向語(yǔ)義網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)包，為本體描述語(yǔ)言RDF、RDFS和OWL提供了一個(gè)程序開發(fā)環(huán)境，并提供函數(shù)調(diào)用接口和對(duì)本體進(jìn)行解析、推理、查詢和存儲(chǔ)等操作的接口[2-5]。Jena中各組成部分在語(yǔ)義查詢過程中“各司其職”，其作用如圖1所示。

3 推理規(guī)則語(yǔ)言

本體在語(yǔ)義網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)中是用來(lái)描述語(yǔ)義信息資源的，也具有一定的推理功能，但其沒有提供推理規(guī)則，所以推理功能是非常有限的。通常情況下，本體是用來(lái)表達(dá)具有分類特征的概念及個(gè)體等結(jié)構(gòu)化的知識(shí)，而對(duì)于概念及個(gè)體之間關(guān)系等陳述性的知識(shí)，一般用規(guī)則來(lái)描述。規(guī)則具體以邏輯程序的形式來(lái)表達(dá)，每條規(guī)則由一系列前提和結(jié)論組成，如用[B1，…，Bn→H]來(lái)表達(dá)，如果前提[B1，…，Bn]成立，則結(jié)論[H]成立[6]。

SWRL基本構(gòu)成部分為Imp、Atom、Built-in和Variable。其中，Imp中包括head（推理結(jié)果）與body（推理前提的基本形態(tài)）;Atom組成SWRL架構(gòu)中使用的Horn字句;Built-in是SWRL中模塊化的組件，記錄SWRL能夠引用的邏輯比較關(guān)系;而Variable記錄Atom中所使用的變量。用SWRL編寫空間關(guān)系本體推理規(guī)則的實(shí)質(zhì)就是自定義該規(guī)則中的Imp和Atom，即在Imp中描述相關(guān)的空間關(guān)系規(guī)則，在Atom中建立相應(yīng)的條件判定的限制條件。

SWRL只是一種規(guī)則語(yǔ)言，不是查詢語(yǔ)言。但是，很多基于本體的應(yīng)用需要從本體中抽取有用的信息[2]。針對(duì)這種問題，一種高級(jí)的語(yǔ)義網(wǎng)規(guī)則查詢語(yǔ)言SQWRL應(yīng)運(yùn)而生，其是SWRL的擴(kuò)展，支持OWL本體的查詢。

4 交通本體推理規(guī)則

由于地理本體空間關(guān)系極其錯(cuò)綜復(fù)雜，因此要根據(jù)具體需要自定義一些基于SWRL的推理規(guī)則。實(shí)現(xiàn)本體推理的關(guān)鍵前提就是要制定相應(yīng)的本體推理規(guī)則，推理規(guī)則定義了由已知關(guān)系推導(dǎo)出未知關(guān)系，推理規(guī)則的格式為：

[rule-name：（a R1 b）（b R2 c）→（a R3 c）]

其中，rule-name表示規(guī)則的名稱;R1、R2、R3分別表示a與b、b與c、a與c之間的關(guān)系，其中R3是推理得到的。通過這種推理關(guān)系，可以得出a與c之間原本隱含的關(guān)系。

規(guī)則1：如果起點(diǎn)和終點(diǎn)剛好是某條線路的兩個(gè)站點(diǎn)，則乘該路車可直接到達(dá)。

Bus_station（？x）∧Bus_station（？y）∧Bus（？z）∧Belong_to_bus（？x，？z）∧Belong_to_bus（？y，？z）→Direct（？x，？y）

規(guī)則2：如果起點(diǎn)是站點(diǎn)，終點(diǎn)是離另一個(gè)站點(diǎn)很近的場(chǎng)所，過這兩個(gè)站點(diǎn)剛好有直達(dá)車，則乘該路車可直接到達(dá)。

Bus_station（？x）∧Bus_station（？y）∧Site（？z）∧Bus（？a）∧Belong_to_bus（？x，？a）∧Belong_to_bus（？y，？a）∧Close（？y，？z）→Direct（？x，？z）

規(guī)則3：如果起點(diǎn)和終點(diǎn)都不是站點(diǎn)的場(chǎng)所，起點(diǎn)距離一個(gè)站點(diǎn)很近，終點(diǎn)離另一個(gè)站點(diǎn)很近，過這兩個(gè)站點(diǎn)剛好有直達(dá)車，則乘該路車可直接到達(dá)。

Site（？x）∧Site（？y）∧Bus_station（？z）∧Bus_station（？a）∧Bus（？b）∧Close（？x，？z）∧Close（？y，？a）∧Has_bus_station（？b，？z）∧Has_bus_station（？b，？a）→Direct（？x，？y）

規(guī)則4：如果地理實(shí)體x在地理實(shí)體y里邊，地理實(shí)體y在地理實(shí)體z里邊，則地理實(shí)體x在地理實(shí)體z里邊。

GeoFeature（？x）∧GeoFeature（？y）∧GeoFeature（？z）∧Inside（？x，？y）∧Inside（？y，？z）→Inside（？x，？z）

規(guī)則5：如果兩條公交線路有公共站點(diǎn)，則這兩條線路可在該站點(diǎn)換乘。

Bus（？x）∧Bus（？y）∧Bus_station（？z）∧Has_bus_station（？x，？z）∧Has_bus_station（？y，？z）→Transfer（？x，？y）

規(guī)則6：如果兩條公交線路的兩個(gè)站點(diǎn)離得很近，則這兩條公交線路可在這兩個(gè)站點(diǎn)換乘。

Bus（？x）∧Bus（？y）∧Bus_station（？z）∧Bus_station（？a）∧Has_bus_station（？x，？z）∧Has_bus_station（？y，？a）∧Close（？z，？a）→Transfer（？x，？y）

規(guī)則7：如果兩條線路可以換乘，則在這兩條線路的兩個(gè)站點(diǎn)可換乘到達(dá)。

Bus_station（？x）∧Bus_station（？y）∧Bus（？z）∧Bus（？a）∧Belong_to_bus（？x，？z）∧Belong_to_bus（？y，？a）∧Transfer（？z，？a）→Transfer_to_arrive（？x，？y）

本文利用Protégé-OWL集成的SWRL Editor對(duì)SWRL規(guī)則進(jìn)行創(chuàng)建和編輯，如圖2所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了Jena推理機(jī)和SWRL推理規(guī)則語(yǔ)言，并在此基礎(chǔ)上通過實(shí)例自定義了一些基本的本體推理規(guī)則，將構(gòu)建的空間關(guān)系推理規(guī)則進(jìn)行形式化表達(dá)，為基于交通本體的知識(shí)推理查詢奠定了基礎(chǔ)。

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收稿日期：2020-04-08

作者簡(jiǎn)介：馬苗苗（1989—），女，碩士，助理講師，研究方向：測(cè)繪教學(xué)。