毕业论文-基于本体的E-Learning服务布与发现机制的研究.docVIP

中文摘要毕 业 论 文题目： 基于本体的E-Learning服务布 与发现机制的研究院（系） 商务策划学院 专业年级 2010电子商务 学生姓名 邹小龙 学号 2010043224 指导教师 杨艺 职称 副教授 日 期 2011-3-12 II中文摘要摘要随着互联网及相关技术的发展，越来越多的人通过网络进行信息互通、知识传播和文化交流。网络学习(E-Learning)也逐渐成为人们获取知识的重要方式。E-Learning是指通过Internet进行的学习与教学活动，它充分利用现代信息技术所提供的、具有全新沟通机制与丰富资源的学习环境，实现的一种全新的学习方式。但是，目前网络学习资源数量急剧增加，如何有效地组织和管理这些资源，以实现网络学习资源的共享和重用，并支持学习资源的可访问性就成为一项重要而紧迫的任务。本体技术的出现为领域知识的组织、管理和共享提供了一种有效的途径。因此，为了支持网络学习资源的共享和重用，支持对学习资源的有效访问，本论文构建学科本体来组织学科领域的知识，以实现对学科领域共享概念以及概念之间关系的表达。另外，本论文采用Web服务的方式将学习资源封装成E-Learning服务，并将学科本体引入到E-Learning服务的发布与发现过程中，增强了E-Learning服务发现能力，并在一定程度上提高了服务查找的效率和准确率。本文在研究和分析国内外相关研究成果的基础上，主要完成了以下几个方面的工作：首先研究了当今语义Web关键技术和Web服务相关技术，包括本体技术、WSDL、UDDI、SOAP以及OWL-S等，并对语义Web中本体技术和语义Web服务的描述模型OWL-S进行了详细阐述。通过对本体技术的研究，构建了计算学科本体原型，在此基础上研究将本体技术应用于E-Learning服务的发布与发现过程中的方法，提出了一种基于本体的E-Learning服务发布与发现框架，既解决了网络学习资源的共享和重用问题，又实现了E-Learning服务的语义识别和匹配。论文最后给出了一个基于本体的E-Learning服务发布系统原型的设计和实现。本论文在研究本体技术和Web服务技术基础上，设计的E-Learning服务语义发布系统，为进一步对E-Learning服务的语义发现的研究提供了很好的支持。关键词：网络学习(E-Learning)，Web服务，学科本体 英文摘要AbstractWith rapid development of Internet，more and more people share, disseminate, exchange information and knowledge through InternetE-learning is becoming an important way to acquire knowledgeE-learning refers to the teaching and learning activities through the internet，which is able to take full advantages of Internet and is a promising way for lifetime educationAt present, E-learning resources are sharply increasingNew approach is urgently needed, which is able to effectively organize and manage E-learning resources，and further to support the reuse and access to E-learning resourcesThe emergence of Ontology technology provides an effective way for the organization and management of domain knowledgeTherefore, in order to share and reuse E-learning resources and support access to E-learning, Discipline Ontology is adopted to formally express the shared concepts and the relations among concepts in a discipline；E-learning resources are encapsulated as E-learning ServicesDiscipline Ontology is used in the process of E-learning services publication and discovery, in order to improve efficiency and accuracy of E-learning services publication and discoveryResearch works in this thesis are as followsAt first, the latest technologies On Web Services and Semantic Web，including Ontology, WSDL,UDDI,SOAP and OWL-S，etc，are discussedThen, Ontology and the Semantic Web Services Description Model OWL-S are elaboratedA Computing Discipline Ontology is built；A Discipline Ontology based framework for E-learning services publication and discovery is presented, which aims to support the sharing and reuse of E-learning resources and further to realize semantic identification and matching in the process of E-learning service publication and discoveryFinally，the design and implementation of all E-learning Services Publication System prototype is introducedIn this thesis，a semantic publication system of E-learning services is designed on the basis of Ontology technology and Web Service technology, which provides a better support for further research 0n semantic discovery of E-learning servicesKeywords：E-learning,Web service,Discipline ontology目录目录摘要IAbstractII第1章 绪论21.1研究背景及意义21.2国内外研究现状31.2.1 E-Learning方面的研究现状31.2.2 语义WEB服务方面的研究51.3本文研究内容和创新点91.3.1主要研究内容归纳如下：91.3.2本研究的创新点主要体现在：101.4本文组织结构10第2章 基于本体的Web服务关键技术122.1本体概述122.1.1本体的概念122.1.2本体描述语言132.1.3本体开发工具172.2 Web服务182.2.1 Web服务概述182.2.2 Web服务核心技术192.2.3 Web服务发布与发现机制222.3语义Web服务222.3.1语义Web服务概述222.3.2语义Web服务描述模型232.4本章小结27第3章 基于OWL的学科本体构建283.1本体构建概述283.1.1本体的构建原则283.1.2本体的构建步骤293.1.3本体的构建方法303.2 本课题的本体构建方法323.3学科本体的构建333.3.1需求分析343.3.2领域分析与概念建模353.3.3学科本体的形式化描述373.4本章小结38第4章 基于本体的E-Learning服务发布与发现框架394.1设计目标394.2系统框架及组件介绍394.2.1系统框架394.2.2系统关键组件功能介绍404.3本章小结45第5章 系统设计与实现465.1原型系统概述46目录5.1.1需求分析465.1.2开发平台和工具475.2服务发布系统设计与实现495.2.1 E-Learning服务发布系统结构495.2.2 E-Learning服务发布系统处理过程515.2.3 E-Learning服务发布系统程序设计525.3本章小结53第6章 总结与展望546.1研究总结546.2未来工作与展望55参考文献5661第1章 绪论第1章 绪论1.1研究背景及意义随着互联网及相关技术的发展，网络成为人们进行信息互通、知识传播和文化交流的重要手段，网络学习(E-Learning)作为一种能拓展学习时空的新的教育形式，也越来越受到人们的普遍关注，网络学习浪潮已经到来。E-Learning是指通过Internet进行的学习与教学活动，它是充分利用现代信息技术所提供的、具有全新沟通机制与丰富资源的学习环境，实现的一种全新的学习方式。网络学习突破了传统的时空限制，但也存在一些问题：如网络学习资源重用性低，导致大量资源重复建设；各学习资源不能实现大范围、高效率的共享，众多学习资源成为离散的、孤立的“信息孤岛”。Web服务的出现为这一问题的解决提供了一个有效的途径。Web服务是独立的、模块化的应用程序，能够在网络上被描述、发布、查找和调用1。Web服务因其可移植性、跨平台性和易部署性等优点得到越来越广泛的应用。因此，我们可以将网络学习资源封装成Web服务的形式，来解决网络学习领域中“丰富的数据和贫乏的知识”的问题。E-Learning服务就是通过Web服务技术对学习内容进行管理和发布的一类Web服务。近年来。E-Learning服务已成为网上学习的重要形式。但是Web服务是源于传统的万维网的，E-Learning服务也不例外，这些服务尽管在信息格式上作了改进，却不能实现服务的自动发布、自动发现、自动执行等操作。E-Learning服务的急剧增加，为如何准确高效地从庞大的服务群中找到所需要的服务提出了挑战。为了有效实现服务的应用价值，我们需要解决以下问题：如何发现满足用户需要的服务以及如何选择最佳服务等。传统的技术大都采用关键字匹配机制来解决上述问题，但存在查全率和查准率低且不能很好地解决语义匹配的弊端。语义Web的出现为上述问题的解决带来了契机。语义Web是对未来Web体系结构的一个伟大构想，基本思想是通过本体和对Web内容的语义标记，使计算机可以理解并处理Web上的信息。因此，将本体引入到E-Learning服务的发布与发现过程中，可以实现对网络学习服务的准确高效的检索。学科本体是一类特殊的领域本体，它将某个特定学科作为应用领域，通过对特定学科的深入研究，抽取出该学科领域中已被认可的相对固定的概念，并归纳出它们之间的语义联系，然后通过某种描述机制对抽取出的概念及其语义联系进行描述，就可以构造出学科本体2。通过学科本体，可以实现对学科词汇的语义识别和匹配，为学习资料的共享和重用以及E-Learning系统的互操作性提供支持。因此，学科本体在E-Learning中得到了越来越广泛的研究。本论文的选题正是针对存在问题，逐步探索解决方案，最终确定将本体技术和Web服务技术相结合，研究将本体技术引入E-Learning服务的发布与发现中。这样，既解决了网络学习资源的共享和重用问题，又实现了E-Learning服务的语义识别和匹配。因此，研究基于本体的E-Learning服务发布与发现，具有非常重要的理论和现实意义1.2国内外研究现状1.2.1 E-Learning方面的研究现状计算机在教育领域的应用最早可追溯到1958年IBM公司成功开发世界上第一个计算机教学系统，从此计算机辅助教学(CAI)得到迅速发展。进入90年代后，随着学习理论、信息技术的发展，计算机辅助教学也有了飞速发展。1996年第一篇有关局域网培训的论文在美国Training Magazine杂志上发表以来，教育技术界和培训界正式开始了关于E-Learning的研究E-Learning方面的研究可归纳为以下几个方面：(1)E-Learning中学习理论和网络教育技术标准的研究研究内容主要包括现代学习理论及其在E-Learning中的应用以及网络教育相关标准。目前，对网络教育技术标准的研究有很多，AICC(Aviation Industry CBT Committee，美国航空工业计算机辅助训练委员会)最早提出计算机管理教学(CMI)规范，现成为广泛采用的行业标准3；美国国防部(DoD)的美国高级分布式学习研究项目(ADL)借鉴AICC的CMI标准建立了可共享课程对象参考模型SCORM (Sharable Course Object Reference Model)4；美国大学校际交流委员会(EDUCOM)于1996年设立的一个研究项目IMS现已建立了内容包装规范、元数据规范等5。2001年，我国开始启动教育信息化技术标准研究项目，成立了中国教育信息化技术标准委员会，根据我国教育情况创建了各项标准，形成了“中国教育信息化技术标准体系”6。国际组织在E-Learning服务方面的标准化研究主要有DCMI(都柏林核心元数据研究行动)和IEEELTSC(IEEE学习技术系统标准化委员会)DCMI建立了DC元数据规范和DCEducation元数据规范，IEEELTCS建立了参考模型、学习者模型和学习对象元数据标准IEEE-LOM7。目前比较成熟的标准主要有DC和IEEE-LOM。(2)E-Learning中学习资源管理的研究该研究主要包括对学习对象元数据的抽取、学习对象重用、利用本体技术实现学习资源查找等内容，主要是将内容管理思想应用到学习资源的组织中。Bergstedt研究内容管理系统和E-Learning的关系，指出实行内容管理可显著提高E-Learning系统的教学质量。J.M.su等人研究了SCORM兼容学习对象库的内容管理模式。华东师范大学的李君丽、祝智庭对学习内容关系系统的功能、角色进行研究，指出学习资源管理是实现教学资源和课程融合的重要手段8。(3)E-Learning系统体系结构的研究研究E-Learning系统的体系结构主要是对抽象的逻辑结构的研究。舒蓓，申瑞民等人对支持个性化学习的E-Learning系统架构及其组成部分进行了研究；Suthers将CSCL体系结构分成中央结构、复制结构、分布式结构和混合结构。近年来，又出现了基于知识驱动的E-Learning体系架构、基于工作流的E-Learning体系架构等。(4)E-Learning系统实现技术的研究实现技术的研究主要集中在对XML和元数据的应用研究上，近年来出现了对语义技术的研究。其中前两个方面的应用研究比较成熟，对语义技术的应用研究还处于探索阶段。山东大学的郝兴伟、孟祥旭研究了基于知识本体的E-Learning系统的实现。1.2.2 语义WEB服务方面的研究最早为Web服务增加语义信息的是DAMLS，OWL-S是在DAML-S的基础上发展起来的。DAML-S提供了足够的表示Web服务能力和特性的语义信息来描述Web服务，目的在于实现WEB服务发现、调用、合成和执行监控的自动化。目前许多语义表示的研究、服务绑定的研究、基于本体的服务匹配的研究、DAMLS和UDDI相结合的研究等方面的研究都是基于DAML-S展开的。当前存在的研究主要分为两类：(1)实现DAML-S本体描述信息到UDDI的映射，补充UDDI的Web服务语义描述能力；(2)基于DAMnoIL扩展WSDL模式，并基于扩展的WSDL实现WSDL到DAMLS本体的映射，再将语义信息扩展到UDDI中。国外的经典研究有：美国卡内基梅隆大学的Massimo Paolucci提出的基于DAML-S的augmentUDDI语义Web服务注册系统。该系统的匹配思想成为后来的语义Web服务发现方向研究的核心思想。它利用本体概念之间的包含关系来实现Web服务的输入输出的匹配。但该算法仅实现了同一本体中的概念之间的匹配，没有考虑服务质量的匹配，导致匹配的范围过窄且有效性不足，而且匹配程度的划分粗糙、响应时间长。美国麻省理工学院的Mark Klein和美国纽约大学的Abraham Bemstein提出基于过程本体论的服务发现方法嗍。通过定义过程本体来表达查询请求与Web服务。由于过程本体与WSDL之间无映射关系，需要花大量时间对服务建立索引，因此服务发现的高效性不能完全保证。美国乔治亚大学LSDIS实验室的METEOR-S系统，采用语义本体论推理和QoS策略相结合的服务匹配和筛选方法，由于使用的是简单的基于服务模板的匹配算法，所以不能支持复杂的逻辑推理。国内的经典研究有：清华大学的许斌、李涓子等提出了一种Web服务语义标注方法。为了对WSDL文件进行自动语义标注并提高标注的准确度，采用OWL描述的领域本体来增强WSDL文件的语义信息，利用XML schema的格式信息与本体概念之间的相似性，实现对Wcb服务的语义标注，并制定WSDL到OWL-S的转换规则，生成OWL-S格式的Web服务语义描述。山东大学的李庆忠、王凯等对Web服务语义描述和语义匹配进行研究。在语义描述方面，运用语义本体定义和表述Web服务，参考Web服务本体OWL-S设计相关的服务本体和领域本体，并运用到既定的Web服务匹配算法中。在Web服务语义匹配方面，根据智能化和高效性的要求，在服务功能语义描述的基础上，通过对服务功能的输入、输出语义相似匹配，提高服务检索的查准率和查全率。3)学科本体的构建方面研究现状自从1977年知识工程的鼻祖Fcigenbaum提出“知识工程”这个概念以来，基于人工智能和信息技术的对知识的理解、抽取、表示和应用一直是相关领域的研究重点。上世纪90年代初，哲学中“Ontology”被AI领域借鉴，本体建模方法也初步确立，本体论为知识工程中的知识提供了新的组织形式。近年来，国内外对本体做了大量研究并将其运用于知识工程领域。国外的经典研究主要有：W3C致力于本体的研究始于2001年，W3C的Web-ontology工作组一开始就将自己的研究定位于为语义网的创建打基础。该工作组的主要贡献是从2002年1月起开始制订OWL(Ontology Web Laguage)标准规范。2004年2月10日，OWL已成为了W3C的正式推荐标准。OWL促进了由XML，RDF(S)支持的Web内容在机器间的互操作性。美国斯坦福大学的知识系统实验室(KSL-Knowledge Systems Laboratory以下简称KSL)，无论是在本体建模工具领域，还是在本体应用层面的研究方面，都站在了知识工程领域的最前沿。KSL的N.Gruber在1993年最早提出了“本体”在知识工程领域的定义。目前，KSL的研究主题主要有知识共享技术、物理系统的建模与分析、应用性智能系统三大方面。德国卡尔斯鲁厄大学(University of Karlsruhe)的Rudi Studer，Alexander Maeche和以他们为首的应用情报学和规范描述方法研究所(AIFBInstitute of Applied Informatics and Formal Description Methods)对本体基础理论(ontology learning)和本体的数学表达进行了深层次的研究。AIFB研究所目前从事的研究重点是创建基于本体的知识门户和语义门户。欧洲的OntoWeb依托AIFB研究所的OntoWeb项目，建立了以知识管理为目的的网上知识门户。OntoWeb的目标是集合欧洲语义网网页标准的研究人员和产业学会的力量，加强该领域的跨学科协作，促进欧洲文化的复兴，保护欧洲语言多元化和欧洲文化多样性，并在本体领域的研究中占据主导地位。与国外相比，国内无论是在理论研究、实证研究还是在技术手段的实现和应用方面都相对落后，与国外高水平的研究相比存在很大差距。国内对于本体的研究大约始于20世纪90年代初。国内对于本体的研究主要有：中国科学院自1998年就开始从事本体领域的课题研究。其中，数学与系统科学研究院，数学研究所、知识处理与人机交互实验室，管理、决策与信息系统开放实验室一直走在研究的最前沿。他们在“天马”专家系统开发环境研究成果的基础上，致力于如下几个方面工作：(1)研究以本体作为关联手段，增强面向对象方法的表现力，以达到完成信息系统需求分析的目的。提出了面向本体的需求分析(OORA-ontology-oricnted Requirements Analysis)模型。(2)研究形式化的本体在领域知识的复用和共享中的基础地位和作用。(3)研究基于专业领域知识复用的，虚拟领域本体的创建技术。另外，浙江大学人工智能研究所早在1985年就致力于地质探矿专家系统的研究。并通过了国家自然科学基金资助项目验收和成果鉴定；哈工大计算机科学与工程系的研究人员则一直致力于企业本体论系统的创建和相关理论的研究。国内外重要的本体系统主要有：基于心理语言规则的英文词典WordNet：由美国国家科学基金赞助，加州大学伯克力分校的国际计算机科学研究所承担开发的FrameNet：南加州大学信息科学研究所(ISI-Information Sciences Institute)的Bill Mann和Christian Matthiessen等人开发的GUM(通用上层模型)，希望用自然语言的表达方式来组织信息面向自然语言处理，支持多语种处理，包括基本概念及独立于各种具体语言的概念组织形式；SENSUS面向自然语言处理，为机器翻译提供概念结构，包括7万多概念。OntoSeek是一个集中了在线黄页和产品目录的，基于内容检索的系统。Cycorp集团正在进行的Cyc项目，旨在提供一种可以为其它程序使用的“深层次的”理解。德克萨斯大学计算机系知识系统研究小组将知网(HowNet)列为本体项目之一，用于自然语言处理，包含中文词典中概念与概念间的关系，概念的属性与属性间的关系。同时还包含了与中文对应的英文概念，以及概念的属性间的关系。由新墨西哥州立大学的计算研究实验室负责研制开发的Mikrokmos，是一个概念揭示程度深入彻底，覆盖学科范围广泛的用于多语种自然语言处理的本体。目前，学科领域还没有比较成熟的现成的本体可以使用，只有一些个人建立的简单的针对某一课程的小型学科本体。所以，要研究基于本体的网上学习内容的发现，还需要对学科领域进行深入研究，准确地抽取出该领域中的重要概念、属性以及相互之间的关系，从而构建出一个包含信息尽可能丰富的学科本体。1.3本文研究内容和创新点本文的研究重点：学科本体的构建；将学科本体作为对学科词汇进行语义识别和匹配的基础，应用于E-Learning服务的发布与发现过程中，支持基于语义的E-Learning 服务的发布与发现。本文提出了一个基于领域本体的E-Learning服务发布与发现框架，该框架将学科本体引入E-Learning服务发布与发现过程中，增强了E-Learning服务发现能力，并在一定程度上提高了服务查找的效率和准确率。1.3.1主要研究内容归纳如下：1)深入学习和研究了本体和Web服务相关的理论知识。包括本体的概念、描述语言OWL的语法、本体构建的方法和步骤、本体开发工具等以及Web服务描述语言WSDL、Web服务发布与发现过程、服务描述方法和集成协议UDDI以及用于Web服务调用的简单对象访问协议(SOAP)等。2)对学科知识进行概念提取，构建出一个计算学科本体原型，并对该学科中涉及的知识进行分析，提取出该部分学习资源中的关键概念、属性及它们之间的联系，利用本体开发工具Prot696，为计算学科中的软件工程知识域开发了一个本体实例，为知识的共享提供了基础。3)提出一种基于本体的E-Learning服务发布与发现框架，从语义层上对学习资源进行描述，使学习资源可以实现共享和互操作。该框架分为4个层次，从上到下依次为用户层、表示层、中间件层和数据存储层。用户层主要面向两类用户：服务提供者和服务请求者。表示层为用户服务提供了接口，语义层主要完成语义查询、语义分析、语义推理功能，存储层包括学科本体、服务本体和UDDI注册中心，分别用于存储学科知识、服务语义描述信息和已发布的E-Learning服务基本信息。4)基于该框架利用Java语言开发了一个原型系统。该原型系统通过对计算学科本体的引用，尝试将E-Learning服务提供者所提供的服务进行语义发布，以便让网上学习用户能够准确高效地发现这些E-Learning服务。1.3.2本研究的创新点主要体现在：1)将本体技术引入到E-Learning服务的发布与发现过程中，实现对E-Learning服务发布和发现信息的语义描述，提高E-Learning服务查找准确性。2)分析了语义WEB服务相关技术，提出了一种基于本体的E-Learning服务发布与发现框架。1.4本文组织结构本文共分六大章：第l章介绍了本课题的研究背景和意义，对与本课题相关的国内外研究现状做了简要分析，同时本章还对目前学习资源建设现状，本体研究现状，以及语义Web在ELeaming中的应用现状进行了介绍。最后给出了本文的主要工作内容和组织结构。第2章主要介绍了本体理论和Web Service相关理论，对本体的概念、描述语言、开发工具，Web Service关键技术以及语义Web服务描述模型进行了深入学习和研究，为课题的研究工作提供理论上的依据。第3章研究学科领域本体的构建。通过对本体构建理论的深入研究，综合考虑各种本体构建方法的优缺点，提出一种基于螺旋模型的原型化方法。通过对学习领域顶层概念的抽取以及概念之间关系的分析，构建出一个计算学科本体原型。然后，通过对计算学科中软件工程知识域中的学习资源的深入研究，对构建的本体原型进行实例化，构建出一个简单的计算学科本体。为实现基于本体的E-Learning服务发布与发现做好准备。第4章提出一种基于本体的E-Learning服务发布与发现框架，该框架分为4个层次，从上到下依次为用户层、表示层、中间件层和数据存储层。用户层主要面向两类用户：服务提供者和服务请求者。表示层为用户服务提供了接口，语义层主要完成语义查询、语义分析、语义推理功能，存储层包括学科本体、服务本体和UDDI注册中心，分别用于存储学科知识、服务语义描述信息和已发布的E-Learning服务信息。在该框架的基础上，对Web服务语义发布机制进行了分析。第5章依据基于领域本体的学习资源管理框架，开发了一个原型系统。原型系统以构建的计算学科本体为基础，为E-Learning服务提供者提供一个语义发布的平台。本章首先对系统进行了需求分析，提出了设计目标和发布系统结构，并选择了相应的开发平台和工具。然后对发布系统进行了设计和实现。经实验表明，该原型系统能够实现E-Learning服务的语义描述，能够实现E-Learning服务的语义发布。第6章对研究成果进行了总结，对其不足和待改进之处进行了分析和总结，并对下一步的工作前景进行了展望。 第2章 基于本体的Web服务关键技术第2章 基于本体的Web服务关键技术本章将对论文中涉及的相关技术进行分析，包括本体技术和Web服务技术以及语义Web服务技术。其中本体技术包括本体的概念、描述语言及开发工具等。Web服务技术包括Web服务的概念、核心协议及发布与发现机制。语义Web服务主要研究其概念及描述模型OWL-S。本章内容是进行课题研究的理论基础。2.1本体概述2.1.1本体的概念Ontology最早是一个哲学概念，后来随着人工智能的发展，被人工智能界赋予了新的定义。比较有代表性的是1998年Studer提出的定义：本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明(Ontology is a formal，explicit specification of a shared conceptualization.)。这个定义体现了本体的4层含义：概念模型(conceptualization)通过客观世界中一些现象的相关概念而得到的模型，其表示的含义独立于具体的环境状态。明确(expliciO所使用的概念及其约束都有明确的定义。形式化(formal)Ontology是计算机可读的，即能被计算机处理的。共享(share)Ontology中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。尽管本体有很多不同的定义方式，但是从内涵上来看，不同研究者对于本体的认识是统一的，都把本体当作是领域内部不同实体(人、机器、软件系统等)之间进行交流(对话、互操作、共享等)的一种语义基础，本体的目标是捕获相关领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的概念词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些概念和概念之间相互关系的明确定义，实现知识共享，即本体提供一种明确定义的知识。就语义Web要实现的功能目标来说，本体提供的这种共识更主要的是为机器服务，机器并不能像人类一样理解自然语言中表达的语义，目前的计算机也只能把文本看成字符串进行处理。因此，在计算机领域讨论本体，就要讨论本体究竟是如何表达共识的，也就是概念的形式化表达问题。2.1.2本体描述语言本体描述语言是用来描述本体的，它让用户可以为领域模型编写清晰、形式化的概念描述。本体描述语言起源于人工智能领域对知识表示的研究，因此本体的描述语言不仅仅需要具有良好定义的语法、语义和充分的表达能力，更需要有效的推理支持(包括计算复杂性和可判定性等)。大量的研究工作者活跃在该领域，因此诞生了许多种本体描述语言，主要分为两大类：即传统的本体描述语言和与Web相关的本体描述语言。传统的本体描述语言主要有：KIF、Ontolingua、Loom和OCML等，它们注重在知识工程过程中知识的共享和重用，但缺乏在本体概念之上的推理功能，不能被广泛地应用于互联网上的知识交换与共享中。为解决网络化环境下有效的知识管理问题，以知识本体为核心的语义We；b技术的研究已成为知识管理领域的最新热点。与Web相关的本体描述语言主要有RDF和RDFS、SHOE、XOL、OML、OIL、DAML、OIL+DAML、OWL。其中RDF和RDFS、OIL、DAML、OIL+DAML、OWL之间有着密切的联系，是被广泛研究的网络本体描述语言，都是基于XML的9。而SHOE是基于HTML的，是HTML的一个扩展。目前，W3C推荐的与本体语言相关的标准有三个：XML、RDFRDFS、OWL。下面对最流行的本体描述语言进行简要介绍。RDFRDFS简介RDF(资源描述框架)是W3C组织推荐使用的用来描述资源及其之间关系的语言规范，具有简单、易扩展、开放性、易交换和易综合等特点10。RDF的目标是为Web资源描述提供一种通用框架，它以一种机器可理解的方式被表示出来，可以很方便的进行数据交换，RDF提供了Web数据集成的元数据解决方案。RDF语言主要功能特征所描述的内容包括：1)Resourco：一类特定的信息条目，通常是一个WEB站点；资源，通常以切地进行标识；2)ClassSubclass：资源可以被分类，每个类以下都可以有许多小的下位类，由此形成了一个完整的分类体系；3)Property：连接两个相关资源；4)DomainRange：一个Property中的两个资源可以受到限定，一个目标域以及目的文件范围会受到一个特定类的限制；5)Container：资源集合可组织在Container中。Container包括：“集”，元素的“次序”，即按一定的顺序排列，以及“其他的选择”。RDF与XML之间的关系非常紧密，事实上，它们之间是互补的：RDF的作用之一是以一种标准化的、具有互操作性的模式为基于XML的数据规定语义。RDF是一种元数据模型，而XML是一种语法格式11。RDF数据模型可以用XML表示，也可以用其他语法格式描述。RDF Schema是基于RDF的一种模式定义语言，它使用一种机器可以理解的体系来定义描述资源的词汇，其功能就像一个字典，可以将其理解为大纲或规范。RDF Schema的作用是：定义资源以及属性的类别； 定义属性所应用的资源类以及属性值的类型； 定义上述类别声明的语法； 申明一些由其它机构或组织定义的元数据标准的属性类。OIL和DAML简介OIL(ontology interchange language，ontology inference layer)是由斯坦福大学、荷兰阿姆斯特丹大学等多家机构从2000年开始联合开发，它所依托的项目是Ontoknowlodge12。作为一种推荐标准，具有合并和表示本体以及进行系统间交互两种功能。其设计目的是为了提供最多的建模元语，可通用于基于框架和描述逻辑的本体。OIL为一个标准的本体语言指出了一个层次化的方法每一增加层将在原来的层上增加功能性和复杂性。用OIL来描述本体，需要区分3个不同的层次：首先是对象级，这一级描述具体的本体；其次是第l元级，这一级提供了确定的本体定义，用一种定义良好的语义来描述结构化的词汇；最后是第2元级，这一级描述的是一个本体的元信息，如作者、名称和主题等。OIL目前的研究关注的是第l元级和第2元级，分别称之为本体定义和本体容器。DAML(DARPA Agent Markup Language)I扫DARPA(美国国防部高级计划研究署)主持开发，力图溶入RDF、OIL等的优点，它与OIL一样建立在RDF之上，以描述逻辑为基础13。其主要目标是开发一个旨在以机器可读的方式表示语义关系、并与当前及未来技术相容的语言，尤其是开发出一套工具与技术，使得Agent(代理)程序可以识别与理解信息源，并在Agent程序之间实现基于语义的互操作。DAML扩展了RDF，增加了更多的更复杂的类、属性等定义。它一度很流行，成为网上很多本体的描述语言。后来DAML的研究者和OIL的研究者开始合作，推出了DAML+OIL语言，成为W3C研究语言互联网的本体语言的起点。DAML+OIL是由美国和欧盟在DAML背景下共同开发的。它是RDF(S)基础上的扩展，具备充分的表达能力(如唯一性、传递性、逆反性、等价等)，具有一定的推理能力，完全确定了语义网中知识表示语言的整体框架。国外已有多种支持DAML+OIL的工具软件，如：OIL Ed、Web ODE等。OWL简介OWL语言作为W3C推荐的全新的Web本体语言，虽然它的基本语法和功能与DAML+OIL很相似，但它的语言机制已大大增强14。同时它还增加了更多用于描述属性和类的词汇，具有丰富的语义和关系逻辑表示功能。而且它强调知识的表示和推理规则的应用，是当前语义Web研究中最具代表性的本体描述语言。OWL针对不同的用户群，提供了3种表达能力逐渐增强的子语言：OWL Lite、OWL DL和OWL Full15。OWL Lite 语义表达能力简单，仅限于对概念的层次支持基数，但只允许基数分类和简单的属性约束描述。OWL Full和OWL DL支持相同的OWL语言结构成分集，它们的不同在于对这些结构成分和RDF特征的使用限制：OWL Full可以随时与RDFS混用，它与RDFS一样在类、属性、个体和数据值之间不做强制性的严格区分；OWL DL则限制与RDF的混用，并严格区分类、属性、个体和数据值，但是支持它的推理机已经问世；OWL Lite是OWL DL的子语言，只支持OWL语言结构成分集的一部分，OWL Lite与OWL DL遵循相同的语义限制，并且具备推理机需要的属性。在构建OWL本体时，用户可以根据对表达性和复杂性的需求，选择不同的子语言16，在选择子语言时主要应该考虑以下几点：1)约束的可表达程度。OWL Lite适用于简单的约束，OWL DL约束的表达范围较广；2)RDF模型机制的继承性。OWL DL不允许定义类型的类型以及为类型赋予属性这样的机制，而OWL Full则在这方面加以实现；3)OWL Full对推理的支持不可预测性。因为目前还没有完全支持OWL Full的推理软件的实现，不能保证可计算性，因此在要求推理的应用中有困难。OWL语言作为W3C推荐的全新的web本体语言，虽然它的基本语法和功能与DAML+OIL很相似，但它的语言机制已大大增强17。同时它还增加了更多用于描述属性和类的词汇，具有丰富的语义和关系逻辑表示功能。而且它强调知识的表示和推理规则的应用，是当前语义Web研究中最具代表性的本体描述语言。本课题采用OWL作为本体描述语言。2.1.3本体开发工具本体编辑工具种类繁多，早期本体编辑工具采取较普及的用于知识库开发的KADS方法，目前已基本不用了。后来又出现了一些发展较成熟且常用的本体编辑工具，如：OntoEdit、Ontolingua、OntoSaurus、WebOnto、OilEd和Protege 2000。另外，还有两种对本体数据进行查询和维护的工具：JenaglSesame。下面对最常用的两种本体工程工具Protege和Jena进行简要介绍。 ProtegeProtege是由美国斯坦福大学开发的本体编辑工具，也是基于知识的编辑器18。Protege开发界面友好，本体开发人员可以在需宴时迅速访问相关的信息，可以直接实施导航和管理本体的操作。树形控制实现了类层次结构中迅速和简单的导航。Protege使用Java和Open Source作为操作平台；可用于编制使用分类系统和知识库；可以根据使用者的需要进行定制，通过定制用户界面以更好地适应新语言的使用；有可自行设置的数据输入格式，可以将其内部表示转换成多种形式的文本表示格式，如XML、RDF(S)、OIL、DAML、DAML+OIL、OWL等系列语言。Protege工具本身没有嵌入推理工具，不能实现推理，但它具有很强的可扩展性，可以插入插件来扩展一些特殊的功能19，如推理、提问、XML转换等。Protege是可扩展的独立平台环境，用于构建和编辑本体以及知识库。Protege体系结构的最主要优势是它开放的模块化风格。基于组建的体系结构使系统开发者可以通过生成恰当的插件来增强新的功能。插件可以分为三类，一类是后端插件，使用户可以以多种格式来存储和输入知识库；一类是slot widgets类插件，用来为特定的域或特定任务合并槽或显示边界槽值；第三类是tab插件，与Protege知识库一起，提供基于知识的应用。后端插件支持在RDF Schema、带DTD的XML文件、XML Schema文件中存储和导入本体。JenaJena是惠普实验室提供的针对语义Web应用的开源Java开发包20。它支持应用程序调用Jena提供的接口操作本体数据：支持主流的本体描述语言，如RDF、RDFS；支持多种本体编码方式，如N3方式和三元组方式：支持多种本体的存储模型，如：内存模型和数据库模型等；支持基于RDFS的推理。另外，Jena还支持利用SPARQL语言在本体数据中进行语义查询。2.2 Web服务2.2.1 Web服务概述Web Service是建立可互操作的分布式应用程序的新平台。Web Service平台是一套标准，它定义了应用程序如何在Web上实现互操作性。你可以用任何你喜欢的语言，在任何你喜欢的平台上写Web Service，只要我们可以通过Web Service标准对这些服务进行查询和访问。通常认为Web服务体系结构是由三种角色(服务提供者、服务请求者和服务注册中心)和三个操作(服务发布、服务发现和服务绑定)构成的。该体系结构中三种角色的功能：服务提供者：它是服务的所有者，发布自己的服务和接口到注册中心，并且对使用自身服务的请求进行响应。服务请求者：它是一个应用程序、一个软件模块或是男一个需要其它服务的服务。它向服务注册中心提出服务请求，通过传输器绑定该服务，然后执行该服务功能。服务消费者通过接口调用该服务。服务注册中心：它是可搜索的服务描述注册中心，服务提供者在此发布他们的服务描述。在静态绑定或动态绑定执行期间，服务请求者查找服务并获得服务的绑定信息(在服务描述中)。为了利用Web服务，必然会发生以下三个行为：发布服务描述、查询或查找服务描述以及根据服