（计算机应用技术专业论文）基于语义网的教学资源管理系统关键技术研究.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n j i nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o r t h em a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho nt h e k e yt e c h n i q u eo f s e m a n t i cw e b b a s e dt e a c h i n g r e s o u r c e sm a n a g e m e n t s y s t e m b y k u nz h u s u p e r v i s o r w e n j i el i j a n u a r y 2 0 10 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨盗堡墨太望 或 其他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。 学位论文作者签名：球、呻 签字日期：劢，口年 7 月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨兰盘至有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 券彳导师签名：芝气刍刀 签字日期：阳lo 年f 月苦日 签字日期：舢f 。年f 月少毛日 摘要 由于传统的教学资源管理系统对分布式异构知识的描述和获取具有一定的局限性， 导致了学生选课的片面性、被动性和盲目性。为此，本文把本体和语义网等相关理念及 其相关技术引入到教学资源管理系统中，进行了一系列工作来表达和获取语义网上分布 式的异构信息源中的知识。 本文在介绍了语义网和本体的概念及其关键技术前提下，通过领域专家的帮助，根 据本体的构建规则，运用本体描述语言o w l 和本体编辑工具p r o t 6 9 6 描述了教学资源 管理领域的概念、概念属性以及概念之间的关系，构造出教学资源管理领域本体知识库。 之后，在已存在的概念相似度算法的基础上，提出了适应于本系统的结合语义相似度和 语义相关度的概念相似度算法，用以计算词语间的距离和建立概念映射对，并用j e n a a p i 接口实现对学生所输入的信息进行语义分析，在领域本体知识库中利用提出的概念相似 度算法搜索相似课程并推荐给学生以供其选择。 本文以构建本体知识库为基础，通过研究教学资源管理系统的构建原理、开发方法 和工作流程建立教学资源管理原型系统。虽然系统的某些功能还需进一步完善，但是对 基于语义网的教学资源管理系统的关键技术的研究已具有很强的理沦和实际意义。 关键词：语义网本体j e n a 概念相似度 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lt e a c h i n gr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts y s t e m sa r el i m i t a t i o n so nt h e d e s c r i p t i o na n da c q u i s t i o no fd i s t r i b u t e dh e t e r o g e n e o u sk n o w l e d g e ，l e a d i n g t ot h el i m i t m i o n s ， p a s s i v ea n db l i n d n e s s a ss e l e c t i n gc o u r s e s o ，o n t o l o g ya n do n t o l o g y - r e l a t e dt e c h n o l o g y h a v eb e e ni n t r o d u c e di n t ot h et e a c h i n gr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts y s t e m ，f o rd e s c r i b i n ga n d a c q u i r i n gk n o w l e d g eo ft h ed i s t r i b u t e dh e t e r o g e n e o u si n f o r m a t i o no nt h es e m a n t i cw e b u n d e rt h ep r e m i s eo fi n t r o d u c t i n gt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es e m a n t i cw e ba n d o n t o l o g y , a c c o r d i n gt o c o n s t r u c t i o nr u l eo fo n t o l o g y , d o m a i no n t o l o g yk n o w l e d g eb a s eo f t e a c h i n gr e s o u r c e sm a n a g e m e n th a sb e e nb u i l tw i t ht h eh e l po fe x p e r t si nt h ef i e l d ，b yu s i n g o w lo n t o l o g yd e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n dp r o t 6 9 6o n t o l o g yc o n s t r u c t i o nt o o l sf o r d e s c r i b i n gt h ec o n c e p t s ，t h ep r o p e r t i e sa n dt h er e l a t i o n si nt h et e a c h i n gd o m a i n a n dt h e n ， b a s e do nt h ee x i s t e da l g o r i t h m ，an e wa l g o r i t h mo fc o n c e p ts i m i l a r i t yc o m b i n i n gs e m a n t i c s i m i l a r i t ya n ds e m a n t i cr e l a t i v i t yh a sb e e np r o p o s e df o rc a l c u l a t i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e n t h e w o r d s a tt h es a m et i m e ，j e n aa p ii n t e r f a c eh a sb e e nu s e df o rd o i n gs e m a t i ca n a l y s i so ft h e i n p u ti n f o r m a t i o no fs t u d e n t sa n ds e a r c h i n gs i m i l a rc o u r s e si nd o m a i no n t o l o g yk n o w l e d g e b a s ef o rs t u d e n tc h o o s i n gb yu s i n gt h en e wa l g o r i t h mo fc o n c e p ts i m i l a r i t y b a s e do nb u i l d i n gt h eo n t o l o g yb a s e ，t h es y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e db ys t u d y i n gt h e b u i l d i n gp r i n c i p l e s ，w o r kp r o c e s s e sa n dd e v e l o p m e n t m e t h o d so ft e a c h i n gr e s o u r c e s m a n a g e m e n ts y s t e m a l t h o u g hs o m e f e a t u r e so ft h es y s t e mn e e df u r t h e ri m p r o v e m e n t ，i tv e r y u s e f u lt or e s e a r c ht h ek e yk n o w l e d g eo ft e a c h i n gr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ： s e m a n t i cw e bo n t o l o g yj e n a c o n c e p ts i m i l a r i t y 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 课题研究现状1 1 2 1 语义网。l 1 2 2 本体2 1 2 3 教学资源管理现状分析。2 1 3 主要研究工作：3 第二章语义网及相关技术4 2 1 引言4 2 2 语义网体系结构4 2 3 本体的概念5 2 4 本体的描述语言5 2 4 1r d f 、r d f s 6 2 4 2o w l 6 2 4 3o i l 和d a m l 7 2 5 本体的构造准则及方法7 2 5 1 本体的构造准则8 2 5 2 本体的构建方法8 2 6 本体编辑工具9 2 7 本体与语义网。9 2 8 本章小结1 0 第三章构造教学资源本体库1 l 3 1 引言1 l 3 2 需求分析一1 1 3 3 教学资源库知识结构1 2 3 4 定义类1 3 3 5 定义属性1 3 3 6 定义实例l5 3 7 本体的有效性评估1 6 3 8 本章小结1 7 第四章语义查询的相关技术1 8 4 1 引占一l8 4 2j e n a 简介18 4 3j e n a 的r d f 包- 一l9 4 4j e n a 与整个建模流程19 4 4 1 陈j 丕( s t a t e m e n t ) 。19 4 4 2 书写和读取r d f 2 0 4 4 3j e n a 推理流程2 0 4 5 概念相似度的计算2 2 4 5 1 本体映射2 2 4 5 2 有关概念相似度的概念2 2 4 5 3 相似度已有的算法2 3 4 5 4 相似度的改进算法2 3 4 5 5 相似度算法的比较2 5 4 6 本章小结2 7 第五章教学资源管理系统的设计与实现2 8 5 1 引言2 8 5 2 系统分析2 8 5 3 系统设计2 8 5 3 1 系统结构的设计2 9 5 3 2 系统的查询流程3 0 5 4 系统的开发运行平台3l 5 4 1 开发平台_ j a v a 3l 5 4 2 开发工具e c l i p s e 3l 5 4 3 界面s w t 3l 5 4 4 数据库文件存储3 2 5 4 5 其他软件3 2 5 5 数据查询的实现3 2 5 5 1 数据查询流程3 2 5 5 2 数据查询编程3 4 5 5 3 数据查询实现3 8 5 6 系统的实现与分析3 9 5 7 本章小结4 l 第六章总结与展望4 2 参考文献4 3 发表论文和科研情况说明4 6 致谢4 7 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着信息技术的快速发展和网络基础设施的同益完善，高校教育信息化的建设取得 了令人瞩目的成绩，目前高校应用的各种教育教学信息管理系统均是采用现代信息技术 支持、组织和运行的，目的是为了提高学校教育管理的科学化和现代化水平。与此同时， 现有的技术对分布式异构知识的描述和获取等方面还有一定的局限性，目前在高校的教 学课程系统中仅描述了一些有关课程的基本信息( 课程名称、编号、简介、任课教师和 学时等) ，却很少涉及对于课程、教师和学生以及它们各自的属性之间复杂关系的描述， 这样学生在最初选择某些课程时不能充分了解课程的全面信息，从而导致了学生选课的 片面性、被动性和盲目性。为了解决这一问题，在本文中引入了语义网的相关技术。 关于未来网络，国际互联网组织( w 3 c ) 制定了一个长远的蓝图一语义网。语义网 是一种智能网络，网络上的信息都具有明确的含义而且机器能自动处理和集成网上各种 可用的信息。x m l 、r d f 和本体是语义网的实现所需要三大关键技术。本体是一种概 念模型建模工具，它能在语义和知识层次上对信息系统进行描述，它可以明确定义某领 域中所使用的所有概念及概念问的相互关系，它可以在用户之间以及用户与机器之间建 立一个桥梁，使信息实现共享，因此它是实现语义网的核心技术。所以关于对本体的研 究引起了很多国内外科研工作者的广泛关注，各国研究人员根据不同的需要构造了一些 通用本体和领域本体。例如，m a r v i nt a n 和a n g e l ag o h 就成功构建了教育领域的本体， 从而实现了基于语义网的网络学习资源的分类、浏览和查询等基本功能【i 】。 鉴于此，本论文将能描述分布式异构信息的本体理念及语义网等相关技术引入课程 教学管理领域，构建课程教学管理系统的领域本体知识库，使课程、学生和老师等信息 源之间知识的映射与转换更加便利，方便学生轻松获取语义网上的选课信息，从而提高 学生学习的积极性和主动性以及学校的办公效率。 1 2 课题研究现状 1 2 1 语义网 语义网( s e m a n t i cw 曲) 的概念自1 9 9 8 年被t i mb e r n e r s l e e 提出了之后，就一直 成为专家学者讨论与研究的热点。现在关于语义网的研究还处于基础阶段，为了推动语 义网的快速发展，w 3 c 成立了专门的工作组对各种相关技术制定标准。其中最为活跃 的工作组是r d fc o r e 工作组【2 3 】和w 曲o n t o l o g y t 4 , 5 】工作组。r d fc o r e 工作组主要目标 是修订r d f 模型和语法的推荐标准，以规定r d f 模式的规范，并使r d f 模式规范与 第一章绪论 x m l 模式中的数据类型规范能够紧密结合。w e bo n t o l o g y 工作组的目标是创建一种用 来定义基于网络的结构化本体的标准语言。 t i mb e m e r s l e e 提出的还只是一个理想化的语义网模型，其中的核心思想就是运用 本体来表示或者描述语义信息。而语义信息共享是通过在语义网中引入本体层而实现 的，从而使网络信息服务的智能化和自动化程度得剑提高。目自订，这一思想已经得到了 众多语义网研究者的广泛认同，当自仃的关于许多项目的研究都致力于将本体层【6 ，7 】引入 到语义网的研究中，其中o n t o k n o w l e d g e 、k a o n 和c o h s e 项目最具有代表性。 1 2 2 本体 语义网的目标是使网络上的信息具有语义性，能够使计算机对网络信息进行理解， 以满足智能软件能够对互联网上的分布式异构信息进行高效访问或者智能搜索。在 x m l2 0 0 0 国际会议上，t i mb e m e r s l e p 互联网的创始人和w 3 c 组织的核心成员一 一正式提出了基于语义的分层体系结构，即语义网的体系架构【8 】，语义网架构的核心就 是本体词汇层。本体( o n t o l o g y ) 这个概念起源于哲学领域，其在哲学领域中的定义是 “客观系统的描述世界上的存在物，【9 1 。自上世纪9 0 年代丌始，本体论工程引起广大研 究学者的同益关注，现在已成为关于信息系统研究的主题。 为了使对本体信息的编辑与描述具有同一的标准，世界各国的研究学者都在致力于 研发本体编辑工具和本体的描述语言。现在主要的本体编辑工具有：英国m a n c h e s t e r 大学的o i l e d 1 0 】、西班牙m a d r i d 理工大学的w e b o d e 1 i j 、德国k a r l s r u h e 大学的 o n t o e d i t 1 2 】和美国s t a n f o r d 大学的p r o t 6 9 62 0 0 0 ”l 。目前通用的主要本体描述语言有： 欧盟开发的o i l 语言【1 4 】、w 3 c 组织推荐的o w l 语言【1 5 1 ，以及美国国防部与欧盟联合 开发的d a m l + o i l 语言【1 6 1 。这些描述语言为本体理论的发展提供了标准化的描述语言。 当前，本体已经成功的应用在某些领域，例如医学u m l s ( u n i f i e dm e d i c a ll a n g u a g e s y s t e m ) 语义刚1 7 】，y a h o o 网和a m a z o n 网等。但这些应用仅是利用本体所具有的最基 本的结构化表现形式对领域概念进行分类，并没有实现对领域概念语义信息进行描述， 也就是说这些应用没有对语义信息进行智能推理的能力。 1 2 3 教学资源管理现状分析 现有的国内外高校的教学资源管理系统基本上是将数据统一集中存放在中央数据 库中，在校园网的客户微机上通过客户机朋艮务器( c s ) 、浏览器服务器( b s ) 或者两者的 混合方式【l8 】实现对数据库中数据的操作。在国外，由于系统都是多年运行和使用，且 不断的进行改进，这种管理模式已经比较完善，运行状态也比较稳定。 当前，国内高校的教学管理系统大多也使用这种模式，系统所涉及到的模块大致分 为：学生管理、课程管理、系统用户管理和选课信息查询等模块【l 引。由于教学管理系统 没有标准一致要求关于课程的描述，所以各学校各院系的老师对于课程的表达方式也不 尽相同，从而导致课程教学信息表达的随意性进而造成信息的异构性。因此，现有的数 据库存储方式对于课程、教师和学生以及它们各自的属性等之间复杂的关系已经不能清 楚地进行表达和描述了，也就是说现有数据库不能完整地描述出数据信息相关联的各种 第一章绪论 隐性知识1 2 。学生很难根据系统提供的简单的课程名称、课程编号、上课时间等信息来 决定选择哪些课程，从而使学生选课具有一定的局限性、被动性和盲目性。 当前，关于本体在教学领域方面的研究逐渐增多。例如基于本体的教学管理系统语 义检索的研究和基于语义w e b 的网络学习资源库本体实现【2 2 1 。基于本体的教学管理 系统语义检索只是关于论文检索方面的研究，而基于语义w e b 的网络学习资源库本体 实现只是构建了学习资源本体库并没有涉及检索方法。本文要构建的课程教学领域本体 主要是面向学生选课的，目的为学生选课提供更多的参考信息，提高学生选课及学习的 主动性。 1 3 主要研究工作 本文在分析现有的教学资源管理系统和现有的语义网以及本体技术的基础上，把本 体理念及语义网等相关技术引入到教育教学管理系统的课程教学管理领域中，以方便描 述和获取语义网上分布式异构信息源中的知识，实现信息的共享和满足用户的需求。 本文在领域专家的指导帮助下，借鉴本体理念用标准且公共格式的本体描述语言以 及本体编辑工具，根据本体的构造规则构造了课程教学管理领域的领域本体知识库。然 后运用概念相似度的计算方法实现词语距离的计算，从而得到本体概念之间的相似程度 并建立映射对，再利用j e n a a p i 接口技术对学生输入信息进行语义分析并完成对领域本 体知识库的搜索，最后通过界面将搜索结果显示给学生，以实现给学生推荐相似课程的 功能。 本文主要的研究内容如下： 第一章：绪论，主要介绍本文的研究背景及研究意义，并对教学资源管理系统、语 义网以及本体的研究现状进行简单描述和分析。最后概述本文的主要研究 工作。 第二章：语义网及相关技术分析，包括对语义网的概念和结构，本体与语义网之间 的关系，本体的基本概念，本体的主要描述语言、构建方法、构造准则及 构建工具等关键技术的介绍。 第三章：领域本体知识库的建立，详细描述了课程教学领域本体的建立过程，通过 p r o t 6 9 6 本体构建工具运用骨架法构建教学领域本体知识库并对建立的领 域本体库进行有效性评估。 第四章：语义查询的相关技术，包括j e n a a p i 的介绍及应用，本体映射概念及本体 概念间相似度计算方法的研究。 第五章：教学资源管理系统的构建，主要包括教学资源管理系统模型的提出及各个 组成部分的详细设计的描述，最后通过实验实现本系统。 第六章：总结与展望，总结本文的研究成果并指出今后的研究方向。 第二章语义网及相关技术 2 1 引言 第二章语义网及相关技术 由于网络信息不断增长，信息的组织、管理以及维护变得越来越困难。在此形势下， 语义网则应运而生。语义网有着良好的发展前景，是关于未来网络的一个蓝图。而本体 ( o n t o l o g y ) , 贝l j 是语义网架构中的重要组成部分。本章主要介绍语义网及本体的相关技术。 2 2 语义网体系结构 语义网运用形式化的语义来丰富目自订网络，用机器可理解的方式来捕获页而和相关 链接以方便信息的共享，从而在x m l ( 可扩展标记语言) 基础上更大程度地实现信息 之f h j 的互操作1 2 引。语义网能够给w e b 文档增加语义解释，目的是为了更好的访问知识 而不是非结构化信息。为了促进语义网发展，w 3 c 依靠万维网本体( w e bo n t o l o g y ) 工 作组和r d f 核心工作组提出了一整套基础的标准支持协议。目前，被广大研究学者广 泛认可的语义网体系框架( 如图2 1 所示) 是t i mb e m e r s l e e 在2 0 0 0 年x m l 国际会 议上提出的。 图2 1 语义网的体系框架 第一层：u n i c o d e 和u r i 是整个语义网体系结构的基础层。其中，u n i c o d e 负责编 码处理信息资源，u r i 负责标识信息资源，使信息检索尽可能精确。 第二层：x m l + n s ( n a m e s p a c e ) + x m l s c h e m a ，主要负责在语法层次上表示数据的结 构和内容，通过使用标准的描述语言实现网络信息的描述、数据结构以及内容分离。 第_ 二章语义网及相关技术 第三层：r d f + r d fs c h e m a ( r d f s ) ，它为描述w e b 上的信息资源和类型提供了标 准的语义模型。r d f 和r d f s 都是使用x m l 语法编码，但没有使用x m l 的树语义【2 3 】。 第四层：本体词汇层，主要负责定义共享。主要用于描述各种信息之问的关系以及 信息本身和信息之间的语义。此外，还可能包含一些特定的逻辑公理。 第五层：逻辑层，主要负责提供一些推理规则与公理。语义网可以通过逻辑推理， 能够从信息资源本体库中智能推理出新的相关知识。 第六层证明层与第七层信任层，主要负责提供一些认证和信任机制，确保系统的正 确性。 在整个体系结构中，x m l 、r d f ( s ) 和o n t o l o g y 是核心内容，它们可以实现从语义 上描述网络信息和实现知识共享。通过对概念的定义和概念之问关系的描述，本体可以 描述共同认可的、可共享的知识，并精确确定概念含义。因此，本体在语义网中是在语 义层次上解决w e b 信息共享与交换的基础。 2 3 本体的概念 本体( o n t o l o g y ) 的概念起源于哲学，被定义为“客观系统的描述世界上的存在物” 【9 l ，是对客观存在系统的解释或说明2 4 1 ，即对客观现实抽象出来的本质2 4 1 。从语言文化 和研究内容的角度上看，哲学和信息系统之问的联系好像不是很紧密。但是近几年来， 关于本体论的相关研究已经远远超出了哲学领域的范畴【2 4 】，而且其与知识工程及人工智 能领域的研究密切相关【2 4 1 。 人工智能界的研究人员是最早将本体引入信息应用领域的，美国s t a n f o r d 大学的 g r u b e r 和n e c h e s 等人最早定义了信息领域的本体：“给出相关领域词汇的基本术语和术 语之间关系，并利用这些术语和关系构成的规则以实现词汇外延”【2 5 1 。 在目前提出的各种定义中，最被广泛认可的定义是由g r u b e r 提出的，本体被定义 为【2 6 】：“本体是概念化的明确的规范的说明 2 6 , 2 7 】。 通过对上述定义进行分析，本体包含了四层含义【2 8 】： 1 概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：本体是对客观世界的某些现象所抽象出来的模型。 2 明确性( e x p l i c i t ) ：本体精确的定义了概念和概念问的关系约束。 3 形式化( f o r m a l ) ：本体实现了对领域知识进行精确的数学描述，使计算机可以 理解本体。 4 共享( s h a r e ) ：本体中描述的知识是使用者这一领域共同认可的。 本体的目标是在某一特定领域内，捕获知识，以提供对这一领域知识的共同理解， 并确定特定领域所共同认可的词汇或术语，并实现从各个层次的形式化模式上精确定义 词汇和词汇之间的关系。 2 4 本体的描述语言 对于本体的描述，需要高级本体语言来表达和描述本体的相关信息。目前，本体的 第二章语义网及相关技术 描述语言主要有r d f 和r d f s 、o w l 、d a m l 、o i l 、s h o e 、k i f 、o c m l 、x o l 、 l o o m 、o n t o l i n g u a 、c y c l 。其中，最被广泛的应用的本体描述语言主要有r d f 和r d f s 、 o w l 、o i l 、d a m l 。本节将对这些语言进行简单介绍。 2 4 1r d f 、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 ，资源描述框架) 2 9 j 是w 3 c 在x m l 的基础 上组织开发的w e b 元数据的标准，可以表示任何的资源信息。r d f 提出了由节点和节 点之间带有标记的连接弧组成的一个数据模型，这个数据模型可以表示任意类型的数 据。w 曲上的资源用模型中的节点来表示，资源的属性用模型中的弧来表示。因此，这 个数据模型可以清楚地描述对象( 或者资源) 和它们之问的关系。也可以理解为，r d f 数据模型实质上表达的是一种二元关系，因为任何复杂的关系都可以分解为几个或多个 简单的二元关系，所以r d f 数据模型可以作为任何其他复杂关系模型的基础模型。 但是，r d f 只是提供了一个模型来表达元数据，它本身对语法是无知的。r d f 只 是提供了描述元数据的一种机制，并没有定义任何一个特定领域的相关信息或语义，即 没有假定某个特定领域，因此本体应用时需要使用其它工具来描述领域相关的语义信 息。这就需要r d f 词汇描述语言r d fs c h e m a 简称r d f s 四j 来实现。其实，r d f s 是对 r d f 基础上的扩展和补充。r d f s 定义了一系列的类和类及实例的属性，这些定义的类 和属性可以描述其它类和其它属性，因此增强了r d f 对资源描述的能力。简而言之， r d f s 要完成两个工作：一，描述类与子类间的关系，这一功能可实现定义某特定领域 的分类方法；二，定义类的属性。这两项工作总结起来就是，r d f s 提供了一些建模元 语，和一些描述类、类之间关系的简单模型。r d f s 提供的简单模型就相当于为描述网 上资源的r d f 语句提供了词汇集，它提供了一种定义领域相关的属性以及用于使用这 些属性的资源类的机制，解决了r d f 所存在的问题。 2 4 2o w l r d f 和r d f s 语言可以描述某特定领域的类和属性、领域和范围的约束以及实例等 内容，但对于定义属性的范围、属性的特征及不相交类的描述等内容还有一定的不足， 这就需要比r d f s 更丰富的语言来描述。o w l ( w 曲o n t o l o g yl a n g u a g e ) 是w 3 c 总结 了之前的r d f 、r d f s 和d a m l + o i l 等几种语言的开发经验，于2 0 0 4 年2 月正式推 出的w e b 本体语言。在整个语义网的发展过程中，o w l 的出现可以说是一个重要里程 碑，它经过广泛的讨论最终得到广大研究学者相对一致的认可。o w l 是针对综合了各 方面需求而设计的，它不但保持了对d a m l o n t o i l r d f s 的兼容，而且也提供了更 强大的语义表达能力和描述逻辑的可判定推理等内容。 根据不同的需求，o w l 提供了三个不同的子语言：o w l l i t e ，o w l d l 和o w l f u l l 3 0 1 ： o w lf u l l ：它是完整的o w l 语言，运用了全部的o w l 语言基元，能够最大程度 的表达用户那些需要在没有计算保证的和语法自由的r d f 。它允许在预定义的r d f 或 o w l 词汇表上，在o n t o l o g y 中增加词汇，因此所有的推理软件都不能支持o w l f u l l 第二章语义网及相关技术 的所有特性。 o w l d l ：在推理系统上支持最大程度的表达用户那些需要，并能够保证计算完备 性( c o m p u t a t i o n a lc o m p l e t e n e s s ，即能够保证所有的结论能计算出来) 和可决定性 ( d e c i d a b i l i t y ，即在有限的时问内所有的计算都能完成) 。它包括了o w l 语言包含的所 有约束，但也叮以被限制为特定的约束条件f 。 o w ll i t e ：用于把那些只有一个分类层次和简单属性约束提供给用户，因此比较容 易掌握和实现。 以上三种子语言间存在如下关系： 每一个合法的o w ll i t e 都被认为是一个合法的o w l d l 3 0 1 。 每一个合法的o w ld l 都被认为是一个合法的o w lf u l l 3 0 1 。 每一个有效的o w ll i t e 结论都被认为是一个有效的o w ld l 结论【3 0 】。 每一个有效的o w ld l 结论都被认为是一个有效的o w lf u l l 结论【3 0 】。 其中的o w lf u l l 还可以看作是在r d f 基础上的扩展，o w ld l 与o w ll i t e 可以 看作在r d f 约束上的扩展。 2 4 3o i l 和d a m l o i l ( o n t o l o g yi n f e r e n c el a y e r ) 【删j 和d a m l ( d a r p aa g e n tm a r k u pl a n g u s g e ) 都 是在r d f 基础上建立起来的，并进一步扩展了语义的表达描述能力。 o i l 文档的本身其实就是一个p d f s 文档，所以能很好的表示本体，并能够实现与 r d f s 的兼容。多种参考资料显示，o i l 语言主要分为四个层次： 1 核心o i l ：该层的内容与r d f s 的大部分内容吻合，只是缺少了r d f s 中的一 些具体化的特征。 2 标准o i l ：该层是完整的o i l 模型，能够准确的描述语义，是为进行完整的推 理提供了基础。 3 实例o i l ：该层主要是为标准o i l 层增加概念和角色的实例了，从而丰富标准 o i l 层。 4 重型o i l ：该层是o i l 语言的未来扩展层，具有额外的表现能力。 而d a m l 语言也是对r d f 的扩展，其中增加了很多更复杂的类和属性的定义。 d a m l 和o i l 的研究者合作推出了d a m l + o i l 语言。d a m l + o i l 语言也是基于r d f ( s ) ，具有两个不相交部分：一是数据类型域；二是对象域。 虽然o i l 和d a m l 这两种语言应用的也很广泛，而且也被w 3 c 提议成表示本体和 元数据的标准，但是与o w l 语言比较起来还是不够普遍，所以本文还是采用了o w l 语言作为描述本体的语言。 2 5 本体的构造准则及方法 本体的构造需要精心的设计，也是一个费时费力的过程，整个过程不仅涉及到本体 第二章语义网及相关技术 的描述语言，而且还需要选择合适的方法并遵循本体的构造准则。而这一节主要介绍本 体的构造准则及方法。 2 5 1 本体的构造准则 由于涉及的领域和具体的特定的工程需求不同，本体构造时所遵循的原则也就没有 统一的标准。目前最具影响力的是g r u b e r 提出的构造本体的5 条准则【3 1 1 ，即： 清晰( c l a r i t y ) ：本体必须能够清楚有效的表达所定义术语的意思，且定义要客观。 当定义可以用逻辑公理表达时，它应该是形式化的并且要尽可能的完整。 一致( c o h e r e n c e ) ：本体定义的公理或者推理规则与其定义应该一致，而且用自然 语言进行说明的文档也应该具有一致性。 可扩展性( e x t e n d i b i l i t y ) ：在已有的本体中添加一些通用或者专有的术语概念，不 需要修改已经有的信息。 编码偏好程度最小( m i n i m a le n c o d i n gb i a s ) - 不应该依赖于某一种特殊的符号层对 概念进行描述。因为实际的系统对知识的表达或描述所采用的方法示可能不同。 本体约定最小( m i n i m a lo n t o l o g i c a lc o m m i t m e n t ) ：在满足特定的知识共享需求的前 提下，本体的约定应该尽量最小。也就是说，对建模的对象要提供尽量少的约束条件。 为了说明以上准则，g r u b e r 还在文献【3 l 】中分析了两个具体本体的构造实例：图书信 息本体和工程数学本体。 2 5 2 本体的构建方法 构建本体的方法主要是根据各自学科领域的特点和具体工程的应用情况来构造本 体，当前主要有几种构建本体的方法，例如骨架法、t o v e 法、m e t h 本体方法、s e n s u s 法、i d e f s 法、k a c t u s 工程法，其中每个本体构建方法都是由总体流程和各步的操作 规则所组成的。为了更好地描述领域知识，就必须设计出科学合理的流程和准确、可控 的操作细节及原则。下面简单介绍四种常用的构建本体的方法【3 2 】： 1 骨架法( s k e l e t a lm e t h o d o l o g y ) 。首先确定所要构建本体的目的和范围，然后在 领域专家的帮助下定义本体所有术语含义及其之间的关系，并运用语义模型来表示本 体，然后就是评估本体的清晰性、一致性、完善性和可扩展性，最后将本体以文档形式 保存。本文就是使用这种方法来构建本体知识库的。 2 评价法( t o v e ) 。首先要设计动机，激发场景，定义直接可行的一些应用和所 有的解决方案。其次把解决什么问题及解决过程作为约束条件，并运用术语来表述问题， 用公理和形式化定义来描述答案。然后把这些术语规范化，即用术语定义遵循一阶谓词 逻辑表示的公理，如果术语没有定义，则应继续返回解决什么问题及解决过程作为约束 条件，并用术语表述问题，用公理和形式化定义描述答案步骤。最后必须保证问题的解 决方案是完备的。 3 m e t h 本体方法。首先要进行系统规划，安排任务的整体进度，以及所需要的资 源等相关问题，其次就是进行规范说明、概念化、形式化以及执行和实现。最后就是维 第二章语义网及相关技术 护系统，包括维护知识的获取、表达和描述，系统的集成、评估和文档的说明以及配置 管理。 4 循环获取过程( c y c l i ca c q u i s i t i o np r o c e s s ) 。这种方法是一种环状的结构。环形 的起点是选择一个通用的核心本体，然后从文本中获取或者抽取与领域相关的概念，并 实现对概念的分类。只留下领域相关的概念，在此过程中建立目标本体的层次概念结构 以及概念之间的属性关系。最后评价得到的领域本体，还可以根据用户需要再进一步的 重复上述过程。 2 6 本体编辑工具 本体编辑工具或软件，主要是为了帮助知识工程师或者领域专家建立和维护本体， 狭义范围内是实现本体的构建、编辑、维护和开发，广义范围内是用本体一知识表示工 程、开发本体库乃至构建语义网基础的软件体系的总称【3 3 1 。目前主要的本体编辑工具有： o n t o e d i t 、o i l e d 、o n t o l i n g u a 、p r o t 6 9 6 r d f a u t h o r 、w e b o n t o 、w e b o n t o 和o n t o s a u r u s 等等。这些编辑工具一般都提供了图形可视的用户界面，与基于w e b 软件丌发标准基 本一致，能够实现概念层次、属性，以及规则和约束的定义，能够浏览、检查、编辑和 修改本体，并能够丌发和维护本体。本文采用的本体构建工具是p r o t 6 9 63 3 1 。 由美国斯坦福大学医学院医学信息中心开发研制的p r o t 6 9 6 的开发环境是j a v a p l u g i na r c h i t e c t u r e 和j a v as t a n da l o n ea p p l i c a t i o n 3 3 j ，因此具有可扩展性和跨平台的特点。 p r o t 6 9 6 主要有以下四点特征： 1 用户可以自己定制文件的输出格式。用户可以根据自己的需要将p r o t 6 9 6 的内部 表示形式转换成多种形式的文本格式，其中包含x m l ，d a m l ，o w l ，r d f ( s ) ，o i l ， d a m l + o i l 、u m l l 4 类图等格式【z 3 j 。 2 用户可以自己定制用户接口。p r o t 6 9 6 提供了a p i 接i e