（计算机应用技术专业论文）基于本体的专家系统模型研究.pdf

基于本体的专家系统模型研究 滕良娟( 计算机应用技术) 指导教师：时念云( 副教授) 摘要 专家系统通过对知识库中存储的知识进行推理来获得问题的解决 方法，知识库和推理机是其核心组成部分。由于目前大部分专家系统 的知识库和推理机是针对特定领域和系统设计使用的，因此难以与其 他相关领域的专家系统实现知识共享和重用，并且难以实现推理和事 实的分离。这使得花费大量时间和精力构建的专家系统知识库不能得 到更好的应用，造成了资源的极大浪费。本体表示方式具有更强的知 识表示能力，以此为基础构建专家系统知识库，可以提供更好的推理 基础。同时，本体为不同系统之间的互操作提供了基本框架，是解决 共享和互操作问题的有效方法。 本文在对本体描述语言、推理方式、构建方法等进行研究的基础 上，针对专家系统知识库和推理中存在的问题，提出了基于本体的专 家系统模型，并对模型知识库和规则库的构建方法进行了研究；根据 该模型，给出了j e s s 基础下模型的实现，以及该实现下本体知识和 规则到c l i p s 语法规范的转换方法；最后，通过结合亲属关系判定专 家系统实例，验证了模型的可行性和有效性。 该模型用本体知识表示方式构建知识库，在本体知识库的基础上， 用s w r l 编写推理规则，有效地表示出了知识之间的关系，实现了 专家系统知识库的共享和重用。通过选用不同的本体描述语言和 s w r l 表示语言，该模型可以应用于不同领域中。 关键词：专家系统，知识表示，知识共享，本体 r e s e a r c ho nt h eo n t o l o g y - b a s e d e x p e r ts y s t e mm o d e l t e n g l i a n g - j n a n ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rs i l ln i a n - y u n a b s t r a e t e x p e r ts y s t e m su s ek n o w l e d g es t o r e di nk n o w l e d g eb a s et og e tt h e p r o b l e ms o l v i n gm e t h o d s a ne x p e r ts y s t e mh a st w om a i nc o m p o n e n t s ； t h ek n o w l 耐g eb a s ec o n t a i n sk n o w l e d g ew i t hw h i c ht h ei n f e r e n c ee n g i n e d r a w sc o n c l u s i o n s a tp r e s e n t , m o s tk n o w l e d g eb a s ea n di n f e r e n c ee n g i n e o fe x p e r ts y s t e mi s d e s i g n e df o rs p o d a ld o m a i na n ds y s t e m s ，w h i c h m a k e si th a r dt os h a r ea n dn h k n o w k d g ew i t ho t h e rs y s t e m s i n f e r e n c e sa n df a c t sa l ed i f f i c u l tt ob es e p a r a t e d t h ea p p l i c a t i o no fs u c h k n o w l e d g eb a s ei sr e s t r i c t e d , c a u s i n gat r e m e n d o u sw a s t eo fr e s o u r c e s o n t o l o g yc a nb eu s e dt ob u i l dk n o w l e d g eb a s eo f e x p e r ts y s t e m ，b yw h i c h o n t o l o g yc a np r o v i d eb e t t e ri n f e r e n c em e c h a n i s m ，a n db a s i cf r a m e w o r k s f o ri n t e r o p e r a b i l i t ya n dk n o 删g es h a r eb e t w e e nd i f f e r e n ts y s t e m s e x p e r ts y s t e m sa n do n t o l o g yw e r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r o n t o l o g y d e s o r i p t i o nl a n g u a g e ，i n f e r e n c ea n db u i l d i n gm e t h o d sw e r es t u d i e d o n t o l o g yb a s e de x p e r ts y s t e m sw e r eb u i l tt os o l v ep r o b l e m se x i s t e di n k n o w l e d g eb a s ea n di n f e r e n c ee n 百n eo fe x p e r ts y s t e m s ，a n dm e t h o d so f b u i l d i n gk n o w l e d g ea n dr u l e b a s e sw e r ed i s c u s s e d ；aj e s s - b a s e d r e a l i z a t i o no ft h em o d e lw a sp r o p o s e d , a n dm e t h o d so ft r a n s l a t i n g i j i o n t o l o g yk n o w l e d g ea n dr u l e st oc l i p ss y n t a xn o r m a t i v ew e r eg i v e n f e a s i b i l i t yo ft h em o d e lw a sv a l i d a t e db ys i m p l ee x a m p l ei nt h ee n do f t h ep a p e r k n o w l e d g eb a s ew a sb u i l tb yo n t o l o g yk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n m e t h o d , a n di n f e r e n c er u l e sw e r ew r i t t e n b ys w r l r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n k n o w l e d g ew e r er e p r e s e n t e de f f e c t i v e l y , r e a l i z i n gt h e1 - c u s ea n d s h a r i n gb e “v g e nk n o w l e d g eb a s eo fd i f f e r e n te x p e r ts y s t e m s 1 1 1 em o d c j c a nb ea p p l i e di nd i f f e r e n td o m a i n s ，a n dd i f f e r e n to n t o l o g yd e s c r i p t i o n l a n g u a g e a n ds w r ll a n g u a g ec a nb e c h o s e n a c c o r d i n g t o y o u r r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：e x p e r ts y s t e m s ，k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n , k n o w l e d g es h a r i n g , o n t o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：瞌皂。娟上。o 年 年月 f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 瞌良娲 加。 年牟 月1 日 导师签名：鹊垒l z 矿卯年 每 月 f 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题的提出和研究意义 专家系统【l 2 】作为人工智能领域最活跃的分支之一，自二十世纪六 十年代中期发展至今，其理论与技术日趋成熟，并在医疗诊断、金融 决策、地质勘探等领域得到了广泛应用，带来了可观的经济效益和社 会影响。专家系统本质上是一个知识工程系统，知识获取、知识表示、 知识存储和知识运用构成了专家系统的主要内容。其中，知识库和推 理机是专家系统的核心部分。专家系统以知识库中存储的知识进行推 理来获得问题的解决办法。由于目前大部分专家系统的知识库和推理 机是针对特定系统设计使用的，难以与其他相关领域的专家系统实现 共享和重用，并且难以实现推理和事实的分离，这使得花费大量时间 和精力构建的专家系统知识库不能得到更好的应用，造成了资源的极 大浪费。 在专家系统中，知识表示方式至关重要，它不仅决定了知识应用 的形式，并且直接影响到专家系统的推理效率，以及推理实现的难易 程度。目前，专家系统采用的知识表示方式十分多元化，包含产生式 规则、语义网络、框架、逻辑等，这些表示方法各有其优缺点，但是 传统知识表示方法在对复杂事物进行描述时，往往具有很大的局限 性，并且不能很好地解决人、机器，以及人与机器之间共享对信息及 结构共同理解的问题。此外，知识表示的差异，造成了对同一概念的 不同解释，从而导致系统缺乏可共享的理解，使得各基于知识的系统 彼此分离独立，互操作困难，很大程度上制约了专家系统的共享性和 重用性。在需要通过多个子系统间协作来解决问题的时候，知识共享 的重要性就显得更加突出。 本体 3 1 正是为了实现知识的共享和重用而提出来的。本体是共享 概念模型的明确的形式化规范说明。目前，本体已经成为许多应用系 统的基础元素，一些a g e n t 系统、知识管理系统和电子商务平台应用 等都使用了本体技术。本体为不同系统之间的互操作提供了基本框 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 架，是解决共享和互操作问题的有效方法。同时，本体作为一种概念 化的规范，也为人们对常识性知识表示和推理的研究提供了基础。 本体作为一种知识表示方法，与谓词逻辑、框架等其他方法的区 别在于他们属于不同层次的知识表示方法 4 1 。本体表达了概念结构、 概念之间的关系等领域中实体的固有特征，即“共享概念化”，而其 它知识表示方式，表达的则是某个个体对领域中实体的认识，而不一 定是实体的固有特征。这正是本体层与其它层次知识表示方法的本质 区别。 将本体应用于专家系统中，具有如下优点： 知识共享：本体通过s c h e m a 建立标准的格式，因此使用本体 的知识平台可以使知识分享更容易，所构建的本体知识可以应用于不 同系统中。 知识可验证性：对传统知识进行验证，一般使用测试方法，若 可以执行则表示知识正确，而对于本体表示的知识，则可以对本体知 识表示形式进行验证。 知识获取：因为本体可以规范知识的表示格式，因此可以指定 知识获取的标准方式，知识工程师可依照该流程进行知识获取。 知识重用：本体可以在相同或相关的领域重复利用。 利用具有分类和类别关系描述能力的本体知识表示方式，可以将 专家系统过去难以描述的知识表示出来，通过较佳的知识表示基础， 可以提供更好的推理功能。此外，本体为不同系统之间的互操作提供 了基本框架，是解决共享和互操作问题的有效方法。 因此，本文对基于本体的专家系统模型进行了研究。通过利用本 体来构建专家系统知识库，可以提高专家系统知识表示的能力，增强 知识的共享性和重用性，并在一定程度上降低专家系统知识获取和知 识表示的难度。 1 2 课题的研究现状 作为人工智能最重要的一个应用研究领域，专家系统在过去3 0 多年中取得了很大的进展。7 0 年代的专家系统多采用概率统计法；8 0 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 年代后则采用人工智能的方法，以数值表示与推理相结合的方式来解 决问题；进入9 0 年代后，专家系统的研究转向了与知识工程、神经 网络技术、模糊技术、实时操作技术及多媒体技术相结合。随着专家 系统应用领域和范围的不断扩展，以及问题复杂度的不断提高，系统 之间协作和互操作的要求也在不断提高。 目前，本体己被应用在智能体间通信、异构数据源集成、语义w e b 、 信息检索以及知识系统重用等领域。本体在知识系统中的应用研究多 用于领域本体构建及知识的管理与查询，将本体用于专家系统中的研 究和应用较少。文献【5 】给出的废水处理专家系统中引入了本体，在该 系统中，本体位于推理层，用于获取、理解和描述关于整个物理、化 学和微生物环境的知识。一旦其他知识库系统的推理陷入僵局，本体 的分层结构和公理可以帮助对这种情形进行诊断。在该系统中，本体 通常处于静止状态，只有在特殊请求下，才会激活它的推理机制，对 诊断僵局给出回答和解释。 p u n a mb e d i 掣6 】给出了一个基于本体的专家系统框架。该框架适 用于语义w e b 情形，它可以利用网络上已有的o w l 文件构建专家系 统知识库，实现了专家系统中事实性知识的本体表示，为专家系统知 识库的构建提供了一种较好的方法。 文献【7 】利用本体获取专家拥有的特定领域的共享概念化知识，为 天然气管道决策支持专家系统的构建提供了基础。文献 8 】给出了一个 基于w e b 的课程表安排专家系统，该系统将网络上订l 表示的知识， 利用x m l 翻译器转化为j e s s 中的事实和规则，通过w e b 接口实现 了专家系统知识的动态性和实时性表示。文献【9 】也利用x m l 构建了 专家系统，以增强数据的灵活性、可扩展性。但是与本体知识表示方 式如o w l 等相比，x m l 的表达能力相对较弱。 国内，本体在专家系统中的应用研究较少。中国农业大学的郭永 洪博士对基于本体的鱼病知识获取与诊断推理集成系统进行了研究 l l o l l 】。针对已有鱼病诊断子系统存在的异构及缺乏共同理解问题，提 出了基于领域本体的鱼病诊断系统集成的概念体系，其主要工作是通 过构建本体翻译器，来实现不同专家系统之间知识的集成。傅谦1 1 2 l 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 等给出了两种基于本体的可实现知识共享的应用系统：理想型和 l e g a c y 型。这两种模型均将本体核心固化在了程序之中，实现了知识 层次上的集成，但在这种模型下本体可扩展性较差。 本体在专家系统中的应用研究，主要集中在采用不同知识表示方 式的系统之间的互操作上，通过本体作为桥梁来实现系统间的知识共 享。这样做有利于对现存专家系统中的知识进行重用。随着语义w e b 和本体研究的不断发展，两者的结合将成为必然趋势。 1 3 课题研究的目标和内容 本文在研究本体及知识共享的基础上，结合专家系统的特点，构 建了一个基于本体的专家系统模型，以解决专家系统中存在的知识异 构性问题。由于专家系统的实现需要与专业领域相结合，是一项比较 大的工程，因此本文只对模型各部分的实现技术进行探讨，并用简单 实例说明，不涉及专业领域的模型实现。 主要研究内容如下： ( 1 ) 熟悉本体的表达能力，构建方法和描述语言。由于本体与传 统知识表示方法存在着很大差别，因此需要研究本体的表示特点和表 达能力，从而确定其表达知识的范围。 ( 2 ) 针对专家系统共享性差的缺陷，在对本体表达能力分析的基 础上，设计基于本体的专家系统模型总体结构。 ( 3 ) 对本体描述方法和专家系统推理规则进行分析，针对专家系 统的特点，确定适合专家系统知识库构建的知识描述方法，并对推理 规则进行描述。 ( 4 ) 给出了基于本体的专家系统模型的一种实现，并对其中知识 和规则的表示及其转换进行了讨论，给出了一种知识和规则的转换方 法。 ( 5 ) 结合简单的应用实例，介绍了基于本体的专家系统的构建过 程，验证了模型的有效性和可行性。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 1 4 论文内容安排 第1 章前言部分，简单说明了课题的提出及研究意义，介绍了课 题相关领域的研究现状，主要研究内容，以及本文的内容安排。 第2 章本体概述部分，介绍了本体的定义，描述逻辑基础，本体 建模元语、描述语言及构建方法。重点介绍了本体描述语言o w l 和 本体构建工具p r o t s 9 6 。 第3 章，对基于本体的专家系统模型进行研究。本章介绍了专家 系统定义和基本结构，以及专家系统中的知识表示，并对本体与传统 知识表示方法进行了比较。针对专家系统存在的知识表示能力弱，系 统共享性差等问题，提出了基于本体的专家系统模型。介绍了模型的 设计思想、模型结构，并给出了基于本体的专家系统推理实现过程。 第4 章，在基于本体的专家系统模型基础上，给出了一种基于j e s s 的o e s 模型实现。重点对模型中知识库和规则库的构建进行了研究。 通过分析知识和规则的表示方法，给出了本体知识和规则的转换方 法。 第5 章，通过亲属关系判定专家系统实例，对基于本体的专家系 统模型的有效性进行了验证。 第6 章，总结部分，指出了基于本体的专家系统模型中存在的问 题，并为下一步研究工作指出方向。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 第2 章本体概述 本体论是哲学的一个分支，主要研究存在的本质。在计算机相关 领域，本体指应用本体论方法，通过概念分析、建模，把现实世界中 的实体抽象为一组概念与概念之间关系的理论和方法。自2 0 世纪9 0 年代以来，本体成为计算机领域重要研究方向之一，用于知识表达、 知识共享及重用。 2 1 本体的定义 从哲学范畴来说，本体( o n t o l o g y ) 是客观存在的一个系统的解释和 说明，关心的是客观现实的抽象本质。在人工智能界，最早给出本体 定义的是n e c h e s 等人，他们将o n t o l o g y 定义为“给出构成相关领域 词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的规定这些词 汇外延的规则的定义。”【1 3 j 1 9 9 3 年，g r u b e r 给出了本体的一个最为流行的定义：“本体是概 念模型明确的规范说明。”1 1 4 l 后来，b o r s t 在此基础上，给出了本体 的另一种定义：“本体是共享概念模型的形式化规范说明。州坫】s t u d e r 等通过深入研究，认为本体是共享概念模型的形式化规范说明。这包 含四层含义【1 6 1 ； 1 ) 概念模型( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：通过抽象出客观世界中一些 现象的相关概念而得到的模型。概念模型表示的含义独立于具体环境 状态。 2 ) 明确( e x p l i c i t ) ：所使用的概念及使用这些概念的约束都有 明确定义。 3 ) 形式化( f o r m a l ) ：本体是计算机可读的。 4 ) 共享( s h a r e ) ：本体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。 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词汇，并从不同层次的形式化模型上给 出这些词汇( 术语) 和词汇间相互关系的明确定义。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 2 2 本体建模元语 p e r e z 等人认为本体可以按分类法来组织，他归纳出本体包含5 个基本建模元语【m ，分别为：类( c l a s s e s ) 、关系( r e l a t i o n s ) 、函数 ( f u n c t i o n s ) 、公理( a x i o m s ) 和实例( i n s t a n c e s ) 。通常也把类称作概念 ( c o n c e p t s ) a 1 ) 类( c l a s s ) 或概念( c o n c e p t s ) 概念的含义非常广泛，可以指任何事物，如工作描述、功能、行为、 策略和推理过程等等。从语义上讲，它表示对象的集合，其定义一般 采用框架结构，包括概念的名称，与其它概念之间的关系集合，以及 概念的自然语言描述。 2 ) 关系( r e l a t i o n s ) 关系代表在领域中概念之间的交互作用。形式上定义为n 维笛卡 儿积的子集：r ：c l c 2 xc i l ，如子类关系( s u b c l a s s o f ) 在语 义关系上对应于对象元组集合。 3 ) 函数( f u n c t i o n s ) 函数是一类特殊关系，在这种关系中，前n _ 1 个元素可以唯一决 定第n 个元素。形式化定义如下： f ：c l x c ：x c l l l _ c 口 例如m o t h e r - o f 关系就是一个函数，其中m o t h e r - o f ( k ，”表示y 是x 的母亲，显然x 可以唯一确定他的母亲y 。 4 ) 公理( a x i o m s ) 公理代表永真断言，比如概念乙属于概念甲的范围。 5 ) 实例( i n s t a n c e s ) 实例代表元素。 另外，从语义上来讲，基本的关系有四种： 1 ) p a r t - o f ：表示概念之间部分与整体的关系； 2 ) k i n d - o f ：表达概念之间的继承关系，类似于面向对象中的父 类和子类之间的关系，给出两个概念c 和d ，记c k x i x 是c 的实 例 ，d k x ix 是d 的实例) ，如果对任意x 属于d ，x 都属于c ， 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 则称c 为d 的父概念，d 为c 的子概念： 3 ) i n s t a l l c e o f 表达概念的实例和概念之间的关系，类似于面向 对象中的对象和类之间的关系； 4 ) a t t r i b u t e - o f ：表达某个概念是另外一个概念的属性。例如概 念“价格”可作为概念“桌子”的一个属性。 在实际应用中，不一定严格按照上述5 类元语构造本体。概念之 间的关系也不仅限于上面列出的4 种基本关系，可以根据特定领域的 具体情况定义相应关系，以满足应用的需要。 2 3 本体描述语言 本体描述语言起源于历史上人工智能领域对知识表示的研究，现 有的描述语言和系统可以分为两类【j g l ，一类是基于一阶谓词逻辑表示 方法，包括k i f 与o n t o l i n g u a 、o k b c ( o p e nk n o w l e d g eb a s e c o n n e c t i v i t y ) 、o c m l ( o p e nc o n c e p t u a lm o d e l i n gl a n g u a g e ) 、f r a m e l o g i e 、l o o m 等；另一类是以共享为特征的基于x m l 的本体语言， 包括s h o e ( s i m p l eh t m lo n t o l o g ye x t e n s i o n ) 、o m l ( o n t o l o g ym a r k u p l a n g u a g e ) 、x o l ( x m l - b a s e do n t o l o g y - e x c h a n g el a n g u a g e ) 、 r d f ( r e s o u r e ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 、o i l ( o n t o l o g y r e f e r e n c e l a y e r ) 、d a m l + o i l ( t h e d a r p a a g e n tm a r k u pl a n g u a g e ) 和 o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 等。这些描述语言虽然都是基于咀。 的本体语言，但存在着不同的层次，图2 1 给出了语义w e b 本体语言 “栈”。 语义w e b “栈”中前两层已成为国际标准，第三层r d f + r d f s 已经成为推荐标准。o i l 是第一个完全建立在w 3 c 标准基础上的领 域模型表达语言，它的主要技术基础是描述逻辑、基于框架的系统、 基于x m l 与r d f 语法的w e b 语言标准。d a m l 最早在2 0 0 0 年1 月 公布，形成于d a m l - o n t ( - - 种本体语言) 和d a m l l o g i c ( - - 种表达 公理和规则的语言) ，d a m l 扩展了r d f ，增加了更多更复杂的类、 属性等的定义。d a m l + o i l 是专门为语义w e b 设计的一种本体描述 语言，它将框架系统、描述逻辑和w e b 标准这三个不同领域的优点 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 图2 - 1 语义w e b 本体语言。栈”描述 结合在一起，采用面向对象方法用类和属性来描述领域知识的结构。 d a m l - s 是一种由多家研究机构共同创建的用于描述智能w e b 服务 的d a m l + o i l 本体语言。它使语义w e b 服务的自动交互成为可能。 然而本体描述语言要走向通用，还需要解决很多问题，如对推理 的有效支持，正规和充足的语义表示机制，以及标准化问题等。2 0 0 2 年，w 3 c 在提交的d a m + o i l 基础上发展了o w l 语言，使其成为 国际通用的标准本体描述语言。 2 3 1 描述逻辑 描述逻辑( d e s c d p t i o nl o g i c ，d l ) 0 9 , 2 0 】由b r a n c h m a n 于1 9 7 7 年 在他的博士论文中首次提出，并实现了第一个d l 系统k _ l - o n e ，其 最初的研究动机是为知识表示中的语义网络( s e m a n t i cn e t w o r k ) 提 供形式化基础。从9 0 年代初期至今，描述逻辑研究重点是如何在保 证描述逻辑表达能力的前提下，提供完备且高效的推理机制。 描述逻辑的基本组成部分是概念( c o n c e p t ) 、角色( r o l e ) 和实 例( i n d i v i d u a l s ) ，简单的概念和角色可以通过复合方式表达复杂的 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 概念和角色。描述逻辑特别适合于表达结构化和半结构化数据之间具 有层次、多重继承、聚合及组合的情况，被广泛应用于知识建模，软 件工程以及基于万维网的信息提供等领域。 描述逻辑的推理功能集中在以下两个方面： ( 1 ) 归约( s u b s u m p f i o n ) ：即判断一个概念是否为另一个概念的 子集，如判定“老虎是否是哺乳类动物”等，主要用于概念的自动分 类。 ( 2 ) 相容( s a t i s f m b i l i t y ) ：即判断一个概念与已有概念集( 本体) 是否相容，主要用于进行概念集合的一致性检测。 根据不同的应用环境，描述逻辑有许多变种，o w l 就是基于其 中一类s h i q 的描述逻辑。因此，基于o w l 的本体建模，可以通过 转换为s h i q 表达，并采用相应的推理机，实现概念的一致性检测。 表2 1 给出了s h i q 语言的语法和语义。 表2 - 1s h i q 描述逻辑基本构建及对应语义 构造算子语法语义例子 原子概念 一4 7 7h u m a n 原子关系r一7 x oh a s - c h i l d 合取c n dn z ) ，h u m a n 几m a l e 析取 c l j dc ，u z ) ， d o c t o rul a w y e r 非 - 1c 7 、cm a l e 存在量词| 足c ( x l 弓弘 f 八y jh a s _ c h i l d m a l e 幽 全称量词v 置c扛f 地qy e v h a s - c h i l d d o c t o r ；j ， 全集t7m a l ei j m a l e l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 构造算子语法语义例子 空集 上am a l l 几一m a n 数量约束2 n r c x l l y l 一y 3 h a s c h i l d m a l e 一) i 疗) 艘c 圳i 沙 一y u l 3 h a s c h i l d m a l e n 逆 月 q 驴i 一) h a s - c h i l d 传递闭包 r 耐) h 稻- c l l i l d 在描述逻辑中，语义通过映射( ：o ) 定义，其中为论域， 映射函数。把一个概念映射为1 的一个子集，把关系映射为。 的一个子集。如概念a 的语义为：ao o ，关系r 的语义为ro 7 。 2 3 2r d f 与r d f ( s ) r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 是w 3 c 在x m l 的基础 上推荐的一种标准【2 i 】。r d f 提出了一个简单模型用来表示任意类型 的数据。这个数据类型由节点和节点之间带有标记的连接弧所组成。 节点用来表示w e b 上的资源，弧用来表示这些资源的属性。因此， 这个数据模型可以方便地描述对象( 或者资源) 以及它们之间关系。 r d f 的数据模型实质上是一种二元关系表达，由于任何复杂的关系都 可以分解为多个简单的二元关系，因此r d f 的数据模型可以作为其 他任何复杂关系模型的基础模型。w 3 c 推荐以r d f 标准来解决讧l 的语义局限。 r d f 只定义一个简单模型来描述资源之间的关系，r d f 模型本身 并不提供机制来描述它的属性，也不提供任何机制来描述属性之问的 关系。r d f s ( r d fs c h e m a ) 定义了一套类和属性来用于描述其它类 和属性，因此r d f s 是对r d f 的基于x m l 的实现。r d f s 在提供简 单的机器可理解语义模型的同时，为领域化本体语言( 0 i l ，o w l ) 提供了建模基础，并使得基于r d f 的应用可以方便地与这些本体语 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 言所生成的本体进行合并。r d f 这一特性使得基于i u ) f 的语义描述 结果具备了可以和更多领域知识进行交互的能力，也使基于x m l 和 r d f 的w e b 数据描述具备了良好的生命力。 2 3 3o w l 描述语言 o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 是由w 3 c 网络本体工作组研究 设计的一种以d a m l + o i l 为基础的网络本体描述语言，用于构造更 加完备的本体信息以支持自动推理，是w 3 c 推荐的语义互联网中本 体描述语言标准 2 2 1 。o w l 是w 3 c 推荐的语义w e b “栈”中的一部分 ( 见表2 - 2 ) ，在w 3 c 提出的本体语言“栈”中，o w l 处于最上层。 表2 - 2 语义w e b “栈”表达 名称描述 x 几结构化文档的表层语法，对文档没有任何约束。 x m 匝s c h e m a定义x m l 文档的结构约束的语言。 r d f对象( 资源) 及它们之间的关系的数据模型，为数据模型提 供了简单的定义这些数据模型能够用x m l 语法进行表述。 r d fs c h e m a描述r d f 资源的属性和类型的词汇表，提供了对这些属性和 类型的普遍层次的语义 o w l添加了更多的用于描述属性和类型的词汇，例如类型之间的 不相交性( d i s j o i n t n e s s ) 等 在语义w e b 体系结构中，沮，和r d f 都能为所表述资源提供一 定语义，但是它们在语义处理上存在同一个概念有多种词汇表示和同 一个词汇有多种概念( 含义) 的问题。o w l 是r d f 的扩展，它在精 确定义词汇的同时，可以定义词汇之间的关系，类与类之间的关系， 属性与属性之问的关系等。鉴于o w l 强大的表示能力，o e s 模型采 用0 w l 描述语言进行知识库构建。 o w l 对客观世界的描述主要从概念和属性两个方面进行，与其 相应的描述手段是面向对象域( o b j e c td o m a i n ) 方式和面向数据类型 域( d a t a t y p ed o m a i n ) 方式。面向对象域的描述方式采用r d f s 和 o w l 自身语法进行，用于描述概念间分类化，层次化继承关系以及 相互间的关联关系；在进行面向数据类型描述时，0 1 i 。支持x m l 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 s c h e m a 所有数据类型进行概念属性的定义与表达。 0 w l 中的概念由类( c l a s s ) 来表示，它可以是名字( 如u 砌) 或表达式，而且提供大量构造子来建立表达式，o w l 强大的表达能 力正是由它所支持的概念构造子、性质构造子，以及各种公理 ( a x i o m s ) 所决定的。o 、v l 构造子及其语义见表2 3 。 表2 - 3o w l 构造子及其语义 抽象语法d l 语法语义 o w l ：t h i n g t o w l ：t h i n g 。， i n t e v c t i o n o f ( c j 。c b ) c lnc 2( q nc 2 ) 。= c 1 nc 2 。 u n i o n o f ( c l ，c h ) + c iuc 2( c lu c 2 ) = c t u c 2 。 c o m p l e m c m o f ( o 1 c ( ，0 7 = 。c 7 o i i co 如j ) o l ， 0 1 ) = 0 1 i h s t r i c t i o n ( rj r c ( s r c ) 7 = ( x f s y ( x ，y ) r7 a n d y c s 呲v a l u e s f m i n ( c ) ) r 劬i c t i o n ( r v 且c ( v r c ) = 工i v y ( x ，y ) r 一y c 7 a l l v a l u s e f r o m ( c ) ) r e s t f i c t i o n ( r r ：o ( v r o ) = 了l ( z ，d 7 ) r 。) h a s v a l u e ( c ) ) r e s t r i c t i o t l o tn r ( n r ) 。= x i 拌( j ，( x ，”r ) 甩 m i n c a r d i n a l i t y ( c ) ) r 岍酬o “rn r c ( n r ) = x 睁( j ，( x ，力r 。 ) 栉 m a x c a r d i n a l i 坝c ) ) * o w ld l 和o w lf u l l 的增值特征 o w l ：t h i n g ：所有类的超类，o w l 中所有个体都是它的成员。 i n t c r s e c t i o n o f , u n i o n o f , e o m p l e m e n t o f ：类之间的交、并、补 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 关系，o w l d l 和o w lf u l l 允许类( 或属性) 通过布尔操作任意组 合成新的类( 或属性) 。例如，m o t h e r 类是p a r e n t 类与f e m a l e 类的 交集，p a r e n t 类是m o t h e r 类与f a t h e r 类的并集，f e m a l e 与m a l e 之间 是互补关系。 o n e o f ：枚举类，类可以通过枚举它的所有个体来进行描述，例 如： o w l ：o n e o fr d f ：p a r s e t y p e = ”c o l l e c t i o n 。 通过枚举定义了性别类。 a l l v a l u e s f r o m ，s o m e v a l u e s f r o m ：对组成属性的元素类型的限 制，仅在包含它们的类定义中起作用。a l l v a l u e s f r o m 表示对于每一个 有指定属性实例的类实例，该属性值必须是由o w l ：a l l v a l u e s f r o m 从句 指定类的成员。例如： o w l ：o n p r o p e r t yr d f ：r e s o u r c e = ”# h a s p a r e n t ”胁 o w l ：a l l v a l u e s f t o mr d f r e s o u r c e = # h u m a n ”6 表示c h i l d 类的h a s p a r e n t 属性值必须是h u m a n 类，a l i v a l u e s f r o m 限制仅仅应用在c h i l d 的h a s p a r e n t 属性上。上例中如果用 s o m e v a l u e s f r o m 进行替换，则意味着至少有一个c l l i l d 类实例的 h a s p a r e n t 属性是指向一个h u m a n 类个体的。 h a s v a l u e ：表示个体属性值至少有一个等于特定值。 m i n c a r d i n a l i t y ，m a x c a r d i n a l i t y ：对类中属性基数的限制。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章本体概述 m i n c a r d i n a i t y 表示类至少有n 个不同的属性值，如l h a s c h i l d 表示 至少有一个小孩，m a x c e r d i n a l i t y 则表示至多有n 个属性值。这种限 制在本体构建中是必须的，例如至少有一个小孩才能称为“父母”， 否则类别不成立 除了o w l 所支持的构造符集外，决定它表达能力的还有各种公 理( 见表2 - - 4 ) ，这些公理能用来声明类或性质之间的各种关系，如 包含关系、等价关系、不相交类、个体之间的等价或不等价关系等。 表2 - 4 0 w l 公理 抽象语法d l 语法语义 s u b c l a s s o f ( c 1 c 2 ) c l c 2c l 。c 2 1 e q u i v a l e a t c l a s s c ( c i c n ) c t = = c n c j 7 = = c n d 岫o m t w i t h ( c j 鼬 c n q = l i j c i ln c j | = n ，i j s u b p f 叩盯咿o q u - u 2 ) u u - 。u 2 e q u i v a l c n t p r o p c r t i e s ( u l u n ) u l = = u nu = = 沏。 【i n v e s c o h r o ) j r = ( 一r 。)r 1 = ( r o l l 。 【f u n c t i o n a l 】 丁c l 胄 足7 是函数 【i n v e r s c f u n c i t o n a l 】 ( r 7 ) 一是函数t 昏i r 一 ft r a n s i t i v e 】 r 7 = ( r ) +c ( 励 【s y m m e t r i c 】 r = ( - r )i u = ( p a ) 她f l l d i 删m l ( 0 1 ， 0 i i - - - 0 j ，o l5 2 0 _ d i f f c r c n t l n d i v i d u a l s ( o l o d o j o j , i _ ， 0 j 7 o j l , i ， s u b c l a s s o f ：类层次结构的表达，表示一个类是另一个类的子 1 5 中国石油大学(