面向智慧旅游的文物領(lǐng)域本體構(gòu)建及推理

徐順航，楊長春，徐 筱，葛天一，陳延雪

(常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

目前國內(nèi)外有關(guān)智慧旅游[1,2]的研究有很多，Vecchio等[3,4]采用語義網(wǎng)(semantic web)中的本體(ontology)技術(shù)在旅游業(yè)知識管理領(lǐng)域創(chuàng)建電子旅游信息本體論，用于建立和增強(qiáng)旅游業(yè)的分析引擎。語義網(wǎng)[5,6]的主要思想是使得網(wǎng)絡(luò)信息具有語義，實現(xiàn)更精確的人機(jī)交互和合作。本體位于語義網(wǎng)體系層次結(jié)構(gòu)的核心位置，是共享概念的知識表示，本體的邏輯基礎(chǔ)是描述邏輯(description logics，DL)。本體作為一個強(qiáng)大的知識庫被用來表達(dá)各種旅游概念，實現(xiàn)旅游資源的整合及共享。文獻(xiàn)[7]提出了在智能空間方法的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一種面向歷史旅游的推薦服務(wù)技術(shù)，使用本體格式來保存語義描述的信息，利用本體對信息進(jìn)行集成，不僅可以從現(xiàn)有的信息資源處理中獲取信息，還可以從中推斷出新的知識。然而現(xiàn)有的智慧旅游還存在著智能技術(shù)能力的不足、與游客脫節(jié)、不能很好滿足用戶需求等問題。

本文通過搜集面向智慧旅游的文物領(lǐng)域相關(guān)知識，使用Protégé工具基于描述邏輯建立領(lǐng)域概念間關(guān)系層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一個面向智慧旅游的文物領(lǐng)域本體，并針對現(xiàn)有文物旅游存在的不足，提出一種在本體知識庫中定義規(guī)則描述進(jìn)行推理得出潛在語義信息的研究方法。在智慧旅游的文物景點中，可以提供精準(zhǔn)的語義搜索結(jié)果以及隱含的語義信息，向用戶提供多樣化的旅游計劃建議，滿足用戶個性化需求。

1 本體相關(guān)理論與構(gòu)建

1.1 本體概念

本體是知識表達(dá)的一種形式，表示特定領(lǐng)域中知識概念及其相互之間的關(guān)系，達(dá)到共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明[8]。本體可以看成是由特定領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)概念知識組成的知識庫，其中包括本領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)概念的定義以及概念間關(guān)聯(lián)關(guān)系。領(lǐng)域本體(domain-specific ontology)則是對特定學(xué)科領(lǐng)域的一種知識表述，表示某一特定領(lǐng)域范圍內(nèi)的特定知識，包括概念、屬性及其之間的關(guān)系、約束等。知識因其具有顯著的領(lǐng)域特性，可以方便領(lǐng)域本體進(jìn)行合理有效的知識表示。知識庫(knowledge base，KB)是一種存儲知識實體的關(guān)于世界事實的數(shù)據(jù)庫，以計算機(jī)可讀的形式表示知識。隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可用性的飛速增長，語義網(wǎng)應(yīng)用的領(lǐng)域范圍更加廣泛，越來越多的數(shù)據(jù)被表示為知識庫，大多數(shù)項目中使用的知識庫都是基于本體的方式表示，這樣可以更好地組織和訪問數(shù)據(jù)[9]。

1.2 文物領(lǐng)域本體構(gòu)建

領(lǐng)域本體的構(gòu)建需要遵循以下5個原則[10]：

(1)明確性：本體能說明所定義的概念內(nèi)容信息；

(2)完全性：本體中定義的概念能完全表達(dá)含義；

(3)一致性：本體定義的概念和由本體推理得到的概念是一致的；

(4)可擴(kuò)展性：本體中定義的概念能擴(kuò)展，即添加新的概念時，不需要修改已有的內(nèi)容；

(5)最小約束性：本體要對模擬的事物生成較小推斷，方便用戶自由按需求去實例化。

本文主要采用斯坦福大學(xué)提出的七步法和其開發(fā)的開源本體編輯器軟件Protégé來構(gòu)建面向智慧旅游的文物領(lǐng)域本體。Protégé中本體結(jié)構(gòu)以樹形層次顯示，并且可以擴(kuò)展、刪除或編輯本體的類、子類、屬性、實例以及關(guān)系等；還擁有多種插件，提供可擴(kuò)展標(biāo)記語言(extensible markup language，XML)、資源描述框架(resource description framework，RDF)、網(wǎng)絡(luò)本體語言(web ontology language，OWL)等多種存儲格式[11]。以七步法進(jìn)行文物領(lǐng)域本體構(gòu)建的步驟流程如圖1所示，具體步驟如下。

圖1 七步法本體構(gòu)建流程

(1)明確所要構(gòu)建的本體領(lǐng)域范圍。通用類本體包含太多的知識概念，構(gòu)建所需工作量太大，因此在構(gòu)建本體前先確定本體面向領(lǐng)域和應(yīng)用對象及目的。本文面向的是面向智慧旅游的文物領(lǐng)域本體構(gòu)建。

(2)在網(wǎng)上查找是否有現(xiàn)成的本體知識庫，考查復(fù)用現(xiàn)有本體的可能性。本體的目標(biāo)是實現(xiàn)領(lǐng)域知識的共享和重用，所以在構(gòu)建領(lǐng)域本體前，應(yīng)該考慮復(fù)用現(xiàn)有本體。在網(wǎng)上查找到Virmanicl等[12]構(gòu)建了一個旅游信息本體，包含旅游類別、景點和交通等概念，并基于這個本體設(shè)計了一個旅游信息系統(tǒng)，但是存在著不能很好的根據(jù)客戶需求進(jìn)行個性化服務(wù)流程的問題。于是本文通過構(gòu)建文物領(lǐng)域本體，將其用于文物景點的歷史智慧旅游的搜索中，滿足游客個性化要求。

(3)搜集領(lǐng)域知識列出主要構(gòu)成要素，羅列相關(guān)術(shù)語概念及其可能具有的屬性和對應(yīng)值。文物包含具體的名稱、制造年代、出土地點和現(xiàn)藏地點等描述文物本身的基本信息；還包含一些需要通過一定的主觀理解獲得的信息，即文物蘊(yùn)含的文化歷史、功能用途以及蘊(yùn)含意義等解讀信息。

(4)定義類和層次結(jié)構(gòu)及其關(guān)系，建立本體模型。將第(3)步中產(chǎn)生的概念進(jìn)行分類用于描述類屬關(guān)系，領(lǐng)域概念分類層次可以看成是一棵樹形結(jié)構(gòu)，樹中節(jié)點與領(lǐng)域?qū)哟沃械念悓嵗灰粚?yīng)。使用Protégé工具中的標(biāo)簽頁OWL Classes創(chuàng)建本體的類及子類，定義上層關(guān)系broader和相應(yīng)的下層關(guān)系narrower，其中文物領(lǐng)域本體中青銅器概念可視圖示例如圖2所示。

(5)定義類的屬性，描述概念間內(nèi)在的邏輯關(guān)系，概念和概念之間通過關(guān)系來交互。本體中類的屬性分為對象屬性(Object Properties)和數(shù)據(jù)屬性(Data Properties)兩種，在Protégé中選擇Object Properties和Data Properties標(biāo)簽創(chuàng)建相應(yīng)屬性，如在Data Properties下添加related相關(guān)屬性等。表1是文物領(lǐng)域本體中部分屬性的說明。

(6)定義屬性取值類型、容許的取值及其個數(shù)以及其它有關(guān)屬性取值的特征。在Object Properties標(biāo)簽右側(cè)勾選屬性對應(yīng)的性質(zhì)，如上述第(5)步定義的related屬性擁有symmetric相稱性質(zhì)。

(7)為確定的類創(chuàng)建一個實例，并添加屬性值。在Protégé的Individuals標(biāo)簽頁中，選擇某個類，創(chuàng)建該類的實例并添加屬性值描述。

1.3 OWL語言描述

本體構(gòu)建好后選擇OWL語言對本體編碼、形式化存儲。OWL由W3C制定，通過對本體進(jìn)行形式化地語義描述，可以使得計算機(jī)能夠理解本體描述的內(nèi)容知識，其語法見表2。與XML和RDF支持的Web內(nèi)容相比，OWL可以用來精確描述概念、屬性和個體之間的邏輯關(guān)系，為知識的推理做了良好的準(zhǔn)備。

圖2 青銅器概念可視圖

表1 本體部分屬性說明

表2 OWL語法

OWL Lite、OWL DL和OWL Full是OWL的3種子語言，三者的表達(dá)能力根據(jù)描述需求依次遞增[13]。OWL Full是OWL的一個全集，提供的表達(dá)能力最強(qiáng)，但很難對推理進(jìn)行有效的支持，且不能保證可判定推理，因此適用于表達(dá)能力很強(qiáng)、語法自由以及對計算要求不高的需求。OWL Full的一個子集是OWL DL，提供了基于描述邏輯的推理功能，表達(dá)能力較強(qiáng)且和推理可判定，保證了所有的計算都可以在有限的時間內(nèi)完成，并且相關(guān)結(jié)論都能夠被計算出來。OWL DL的一個子集則是OWL Lite，表達(dá)能力沒有OWL DL強(qiáng)。于是采用OWL DL語言描述構(gòu)建的本體內(nèi)容，本體構(gòu)建完成后以.owl文件的形式存在。

2 本體推理

本體在構(gòu)建完成后需要進(jìn)行本體推理來檢測概念的包含關(guān)系和一致性，通過檢測出不一致來不斷完善本體，確保本體中包含的所有知識不存在矛盾。基于描述邏輯(DL)來實現(xiàn)推理，DL定義請參見文獻(xiàn)[14]。TBox(terminology)和Abox(assertion)組成了一個基于DL的領(lǐng)域本體知識庫,其中TBox是該領(lǐng)域概念術(shù)語的公理集合，通常用于描述術(shù)語知識或相關(guān)的應(yīng)用背景知識，關(guān)注的是類之間的關(guān)系，例如在構(gòu)建的文物領(lǐng)域本體中，“防護(hù)器具和武器”是一個概念術(shù)語集合。ABox則是對于個體的斷言集合，是具體的個體信息，關(guān)注的是實例關(guān)系，即個體所屬類別的斷言和個體之間關(guān)系的斷言，例如在構(gòu)建的領(lǐng)域本體中“劍”這一詞條就是上述“防護(hù)器具和武器”概念術(shù)語集合下的一個具體實例。推理也分為TBox和ABox上的推理[15]，如圖3所示。實例使用Protégé本體建模工具建立本體模型，獲取TBox中類的關(guān)系和屬性的關(guān)系；再獲取ABox中的類的實例及其屬性，目的是把一個描述好的實例歸入一個最具體的、最能反應(yīng)它特征的類中。

圖3 描述邏輯知識推理結(jié)構(gòu)

2.1 Tableau算法

Tableau算法定義請參見文獻(xiàn)[16]，通過使用否定將包含推理規(guī)則規(guī)約到概念描述的可滿足性上，假設(shè)概念描述為C和D，Tableau算法有以下定理來處理二者的包含關(guān)系：

在Pellet推理機(jī)中基于Tableau算法進(jìn)行本體的推理，Pellet是一個實現(xiàn)了OWL DL推理的推理機(jī)，主要用于本體的加載、解析、驗證以及調(diào)試修復(fù)，形成TBox和Abox并能實現(xiàn)推理服務(wù)。推理機(jī)一般可以實現(xiàn)兩個功能，第一個是檢查本體的一致性，即保證本體中已獲得的類和類包含的個體實例在邏輯關(guān)系上保持一致性，沒有矛盾；第二個是通過推理得到隱性的知識。

2.2 TBox推理

TBox上的推理主要是指概念的可滿足性檢測(Satisfia-bility)，即如果在TBox T中有一個解釋I使得CI是非空的，對概念C進(jìn)行T的可滿足性檢測，那么概念C就是可T滿足的。圖4是概念的可滿足性檢測，詞條“青銅器”類別在“瓷器”類別之下，通過查詢通用類知識庫CN DB-Pedia[17]，概念分類有著明顯的錯誤，檢測出不一致將其修正，即回溯到七步法中的第(4)步，將“青銅器”從“陶器”類別下刪除，將“青銅器”與“陶器”建立同級別關(guān)系。修正后再一次進(jìn)行檢測，直到最終檢測正確為止。

圖4 概念可滿足性檢測

2.3 ABox推理

ABox上的推理主要包括對ABox中添加的實例進(jìn)行檢測、個體實現(xiàn)以及一致性檢測，其中最基本的推理是一致性檢測，判斷某個個體是否為某個類的一個具體實例?？梢砸罁?jù)TBox的相關(guān)性質(zhì)來檢測ABox的一致性，即當(dāng)且僅當(dāng)一個解釋I滿足ABox A和TBox T中所有的公理和斷言，則說明ABox A中的個體實例是一致的。圖5是一致性檢測，其中“青花瓷”是“青銅器”概念下的一個實例，根據(jù)2.2的方法檢測出不一致并進(jìn)行修正，將“青花瓷”添加到“瓷器”類別下。

圖5 一致性檢測

本體的構(gòu)建是一個長期的工程，通過在使用本體的過程中，發(fā)現(xiàn)其中存在的不足并不斷優(yōu)化，使得所構(gòu)建的本體逐漸符合實際情形。合理構(gòu)建文物領(lǐng)域本體，為進(jìn)一步的推理操作提供事實基礎(chǔ)。

3 規(guī)則推理

本體屬于數(shù)據(jù)層，可以用來表示領(lǐng)域資源數(shù)據(jù)，構(gòu)建的面向智慧旅游的文物領(lǐng)域本體知識庫，用戶可以通過搜索概念關(guān)鍵詞，到本體庫中進(jìn)行查詢，得到相關(guān)文物信息。但是由于本體庫中存在著未顯示定義的知識，不能直接查詢到隱性知識，而導(dǎo)致搜索的結(jié)果不能滿足用戶潛在需求。因此需要對本體中描述的邏輯概念關(guān)系使用規(guī)則語言添加規(guī)則描述，對本體進(jìn)行推理得到新知識。將構(gòu)建的本體和規(guī)則一起放入推理機(jī)中進(jìn)行規(guī)則推理，推理機(jī)可以從已有知識中推斷出符合用戶潛在需求的新知識，并返回與搜索結(jié)果相關(guān)的更多的有關(guān)新知識的結(jié)果。

3.1 SWRL規(guī)則

雖然OWL為概念定義和分類操作提供了充分的公理，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以表達(dá)推理規(guī)則。語義網(wǎng)規(guī)則描述語言(semantic web rule language，SWRL)是一種面向OWL推理的規(guī)則描述語言，通過對本體中概念的規(guī)則定義，實現(xiàn)個體實例的規(guī)則推理，得出新知識。將OWL和SWRL相結(jié)合，可以創(chuàng)建更強(qiáng)大的本體語言來表示知識和推理，在定義規(guī)則時可以充分結(jié)合OWL中本體豐富的表達(dá)能力，從而挖掘出更多的新的隱性知識[18,19]。

SWRL規(guī)則是表示前提(Antecedent)和結(jié)論(Consequent)之間的推導(dǎo)關(guān)系，其基本形式為Antecedent → Consequent，且兩者之間都可以包括單個或多個基本命題，命題之間通過邏輯與建立連接關(guān)系。SWRL在本體中主要使用以下兩個限制式：

(1)C(x)：x是本體的一個實例，而C則是一個類，即說明類C下的一個實例是x；

(2)P(x,y)：x和y是本體的實例，P是對象屬性，說明x和y之間存在的關(guān)系為P。

3.2 SWRL規(guī)則推理

基于本體的規(guī)則推理，是在構(gòu)建的本體知識庫中為本體概念實例添加規(guī)則描述，從而制定相應(yīng)的規(guī)則庫，然后借助推理機(jī)按照推理算法可以從已存在的事實中推理出隱性結(jié)論，通過遵循SWRL規(guī)則，可以增強(qiáng)本體的語義信息[20]。從面向智慧旅游的文物領(lǐng)域本體出發(fā)，對推理規(guī)則的定義主要從以下兩個方面出發(fā)：

(1)在文物領(lǐng)域本體中，用戶需要了解文物具體代表的相關(guān)信息，相關(guān)推理規(guī)則定義如下：

[Rule1: cultural relic(?x) → hasMeanings(?x， ?y)]；

[Rule2: cultural relic(?x) → hasUsage(?x，?y)]；

[Rule3: related(?x， ?y) → related(?y， ?x)];

其中Rule1和Rule2中x是文物實例，y是本體中定義的對象屬性涵義或者擁有用途，即如果x是某文物，那么x具有某種涵義或用途；Rule3中x和y是實例，即如果x和y相關(guān)聯(lián)，則y與x相關(guān)聯(lián)。

(2)在智慧旅游中，用戶除了想要知道某景點具體信息外，可能還會想要了解景點的周邊景點以及周邊景點的相關(guān)信息如飯店住宿等，因此根據(jù)本體中定義的nearBy屬性，定義推理規(guī)則如下：

[Rule4: nearBy(?x， ?y) ∧ nearBy(?y， ?z) → nearBy(?x， ?z)]；

[Rule5: hasCulturalRelic(?x， ?y) ∧hasCulturalRelic (?m， ?n) ∧ related(?y， ?n) →related(?x， ?m)]；

Rule4中，x、y、z為3個不同實例，nearBy為對象屬性。該規(guī)則的前提是：如果x附近有y，并且y附近有z，則推理結(jié)論是x附近有z。Rule5中x、m為景點實例，y、n為具體文物實例，hasCulturalRelic和related是屬性關(guān)系。則上述規(guī)則說明景點x有文物y，景點m有文物n，并且文物y與文物n是具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的，則推理出景點x與景點m也是相關(guān)聯(lián)的。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗案例

將構(gòu)建的文物領(lǐng)域本體運用到智慧旅游中，可以為用戶提供多樣化的旅游計劃。在智慧旅游中，用戶通過搜索得到景點A，景點A附近存在景點B，景點B附近又存在景點C，而景點C又滿足用戶需求，通過推理規(guī)則Rule4可以向用戶展示景點C的相關(guān)信息。

例如當(dāng)用戶輸入青銅器A這一概念查詢詞時，可以向用戶展示所構(gòu)建的領(lǐng)域本體知識庫中存在的青銅器實例A的詳細(xì)信息如意義和用途等。用戶有時并不只關(guān)注所搜索的信息結(jié)果，還會去深入了解信息背后所隱含的知識。此時由于在構(gòu)建的本體中青銅器實例A存在著hasLocation屬性，即青銅器A的原出土地B以及現(xiàn)收藏地C，構(gòu)建的規(guī)則如Rule6所示，向用戶展示文物景點B和C可能感興趣的相關(guān)內(nèi)容信息，達(dá)到智慧旅游滿足用戶個性化需求，提供更加便利快捷的智能化的服務(wù)需求的目的。

[Rule6: bronzeVessel(?A) ∧ unearthedPlace (?A， ?B) ∧ locatedIn(?A， ?B)→related(?B， ? C)]；

4.2 推理實現(xiàn)

用OWL語言存儲的領(lǐng)域本體提供推理事實的基礎(chǔ)前提，而用SWRL語言編寫的規(guī)則提供推理的要求，在Protégé中使用推理機(jī)將文物領(lǐng)域本體和相應(yīng)的SWRL規(guī)則進(jìn)行集成導(dǎo)入，推理產(chǎn)生新知識，得到文物領(lǐng)域本體中的隱含知識，將滿足條件的實例推理結(jié)果加入到相應(yīng)的查詢結(jié)果中反饋給用戶，用戶根據(jù)推理結(jié)果選擇滿足自己需求的服務(wù)?；谝?guī)則推理的查詢實現(xiàn)，通過自定義規(guī)則推理挖掘隱含知識以提高查詢效果，其中推理流程如圖6所示。

圖6 本體規(guī)則推理流程

將自定義推理規(guī)則加載到Pellet推理機(jī)中，進(jìn)行推理使得本體中本來不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的實例變得聯(lián)系起來，產(chǎn)生新的結(jié)果概念。通過推理機(jī)對概念的推理，完成基于語義的信息檢索，推理得出隱性知識，可以滿足用戶潛在需求，得到想要的結(jié)果。圖7是SWRL規(guī)則導(dǎo)入圖，圖8是根據(jù)圖7的規(guī)則推理得出的結(jié)果。

圖7 SWRL規(guī)則

圖8 推理結(jié)果

5 結(jié)束語

本文利用本體建模工具Protégé構(gòu)建了面向智慧旅游的文物領(lǐng)域本體,并通過本體的一致性檢測等推理確保本體中包含的知識沒有矛盾，用OWL語言進(jìn)行存儲形成本體知識庫；解析OWL表達(dá)的語義關(guān)系，通過構(gòu)建SWRL規(guī)則，在推理機(jī)中進(jìn)行推理，能夠從已知的知識中推理出隱含知識，向用戶提供其感興趣的潛在語義信息，滿足潛在需求。為防止收集的領(lǐng)域知識不完整，構(gòu)建的領(lǐng)域本體不充分，導(dǎo)致推理不出結(jié)果，下一步工作將進(jìn)一步完善現(xiàn)有本體，引用外部通用型中文知識庫CN DB-Pedia來輔助推理，與現(xiàn)有的領(lǐng)域本體建立連接，使用本體映射和本體演化等技術(shù)以便更好地推理出符合規(guī)則的隱性知識。