（计算机应用技术专业论文）应急管理中基于本体的协作模型研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 应急管理中基于本体的协作模型研究 摘要 应急管理是公共事件突发时，在有限的时间、资源和人力的约束条件 下，快速制定对事件的处理方式。传统的应急管理系统以非结构化或半结 构化的电子文本存储海量数据，并且各数据之间条块分割。海量网络信息 实时更新，应急事件的复杂性和不确定性更加突出，随着应急管理系统预 案库的数据量逐年增大，应急系统提供给决策者的建议不再是几种。因此， 建立对多输出决策分析的协作模型，增强应急系统应对各类突发事件的能 力变的更加重要。本文以火灾应急救援为背景，系统介绍基于本体的协作 模型的研究及取得的一些成果。 本体准确地描述了概念含义和概念之间的内在关联，并可以通过逻辑 推理获取概念之间蕴含的关系，具有很强的表达概念语义和获取知识的能 力。因此，将本体应用在应急决策系统中，可以解决对自然语言理解的难 题，提高决策系统的智能性。论文分析了应急管理和人工智能近几年的研 究结果，结合本体论的相关技术和应急管理知识，建立基于本体的应急管 理系统，满足应急系统既有传统应急管理的结构，又有语义的特点。 论文结合管理学科和计算机学科，对管理学科数据包络分析方法的各 种模型进行了研究，设计用全局数据包络分析模型作为应急管理的协作模 型。详细分析了模型的优点，利用该模型研究具有相同类型的确定的或不 确定的多输出，分析多个决策结果的相对有效性，进行效率评价，从成本 收益方面给决策者提供建议，协助决策者在较短的时间里做出合理的决策。 论文构建了火灾救援本体库，用m a t l a b 设计了协作模型，以j 2 e e 、 p r o t 6 9 63 2 和j e n a 作为开发工具，设计实现了基于本体的应急决策支持实 验系统。文中叙述了系统的软件体系结构和模块功能，描述了火灾救援相 关数据的处理、本体知识的表示技术、协作算法等关键技术。 最后，通过实验运行结果表明，利用协作模型对应急系统的决策结果 进行分析是可行的、有价值的，不仅可以提高系统的决策分析性能，增强 太原理工大学硕士研究生学位论文 决策者解决问题的能力，还能使系统具有更好的灵活性。并且分析了有待 继续深入研究的问题和进一步拓展的方向。 关键字：应急管理，本体，协作模型，决策支持 太原理工大学硕士研究生学1 1 ：7 ：论文 r e s e a r c ho no n t o l o g y = - b a s e dc o o p e r a t i o nm o d e l i nt h ee m e r g e n c ym a n a g e 【e n t a bs t r a c t t h ee m e r g e n c ym a n a g e m e n t ( e m ) i sd e f i n e da sh o wt od e a lw i t ht h ee v e n t i m m e d i a t e l yw h e nt h ep u b l i ce v e n ts u d d e n l yo c c u r si nt h ec o n s t r a i n t so ft h e l i m i t e dt i m e ，r e s o u r c e sa n dm a n p o w e r m a s sd a t ai nt h et r a d i t i o n a le ma r e s t o r e da sn o n - s t r u c t u r e do rs e m i s t r u c t u r e de l e c t r o n i ct e x t ，a n ds e p a r a t e se a c h o t h e r i n f o r m a t i o nu p d a t e dr e a l t i m e l y , t h ee m e r g e n c ye v e n tc o m p l e xa n d u n c e r t a i n ，a n dt h ed a t ao ft h ee m e r g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) i n c r e a s i n g y e a rb yy e a r , t h es u g g e s t i o no fe m s i sn ol o n g e rt h es e v e r a lk i n d s t h e r e f o r e ，i t i si m p o r t a n tt h a tt h ea n a l y s i sm o d e lo fm u l t i o u t p u t si se s t a b l i s h e di no r d e rt o e n h a n c et h ea b i l i t yo fd e a l i n gw i t hk i n d so fe v e n t s i nt h et h e s i s ，a u t h o r i n t r o d u c e st h er e s e a r c h e so nc o o p e r a t i o nm o d e lb a s e do no n t o l o g yi nf i r e e m e r g e n c yf i e l da n ds o m ea c c o m p l i s h m e n t t h eo n t o l o g yd e s c r i b e s c o n c e p ta n d t h er e l a t i o nb e t w e e n c o n c e p t s a c c u r a t e l y ，o b t a i n st h e r e l a t i o n so fc o n c e p t s t h r o u g h t h e l o g i cr e a s o n i n g ， e x p r e s s e ss e m a n t i c sc l e a r l y , a n da c q u i r e sk n o w l e d g e t h eo n t o l o g ya p p l i e di n t h ee m sc a ns o l v et h en a t u r a ll a n g u a g eu n d e r s t a n d i n gp r o b l e ma n de n h a n c et h e i n t e l l i g e n c eo fe m s t h et h e s i sa n a l y z e st h ea c c o m p l i s h m e n to fe m sa n d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，c o m b i n e st h eo n t o l o g yt e c h n iq u ea n dt h ee m e r g e n c y m a n a g e m e n t ，a n dd e v e l o p se m sb a s e do no n t o l o g yt os a t i s f yt h es t r u c t u r eo f t r a d i t i o n a le m sa n ds e m a n t i c s t h em a n a g e m e n td i s c i p l i n ea n dt h ec o m p u t e rd i s c i p l i n ec o m b i n e d ，d a t a e n v e l o p m e n ta n a l y s i st e c h n i q u e ss t u d i e d ，t h eg l o b a ld a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s l i i 太原理【人学硕士研究生学位论文 m o d e li sd e s i g n e da st h ec o o p e r a t i o nm o d e lo fe m s t h em o d e la d v a n t a g e a n a l y z e d ，t h ed e t e r m i n i s t i c o rn o n d e t e r m i n i s t i cm u l t i - o u t p u t ss t u d i e d ，t h e r e l a t i v ev a l i d i t yo fm u l t i d e c i s i o nr e s u l t sc o m p a r e d ，s u g g e s t i o n si sg i v e nt o d e c i s i o n m a k e rc o n s i d e r i n gt h ec o s ta n di n c o m ei no r d e rt oo b t a i nr e a s o n a b l e t h ed e c i s i o n m a k i n gi nt h es h o r tt i m e t h eo n t o l o g yb a s eo ff i r er e s c u ec o n s t r u c t e d ，t h ec o o p e r a t i o nm o d e l d e s i g n e dw i t hm a t l a bd e v e l o p m e n tk i t ，t h ee me x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do n o n t o l o g yw a sd e v e l o p e du t i l i z i n gj 2 e e ，p r o t r 9 63 2a n dj e n a a u t h o ri n t r o d u c e s t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dm o d u l e s f u n c t i o n ，a n dd e s c r i b e st h ek e y t e c h n o l o g i e ss u c ha sp r e m a n a g e m e n t ，o n t o l o g yk n o w l e d g ee x p r e s s i o n a n d c o o p e r a t i o na l g o r i t h mi ns o m ef i r ee m e r g e n c yc a s e s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ti t sf e a s i b l ea n dw o r t ho fu s i n g c o o p e r a t i o nm o d e lt oa n a l y z e t h ee m s t h ec o o p e r a t i o nm o d e ln o to n l y e n h a n c e st h e p e r f o r m a n c e o fd e c i s i o n a n a l y z i n g ，i m p r o v e st h ea b i l i t yo f d e c i s i o n m a k i n g ，b u ta l s od e v e l o p sf l e x i b i l i t yo f e m s k e y w o r d s ：e m e r g e n c ym a n a g e m e n t ，o n t o l o g y , c o o p e r a t i o nm o d e l ， d e c i s i o n s u p p o r t i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 型尘二遮日期：2 1 2 旦壁：篁：! l 。关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：越厶1 司 导师签名：丝垒数期：望生：丛 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 1 1 1 问题的提出 第一章绪论 当今世界在和平与发展的主题下，各国的经济高速发展，同时又伴随着各种危机事 件频频发生。现实社会中人们不断遭受各种自然灾害的侵害，如地震、火山、海啸等， 此外由人为因素导致的灾难也不断发生，如火灾、恐怖事件、交通事故等。这些突发性 事件不仅对个人、群体和组织的正常活动构成了巨大威胁，也严重影响了整个社会经济 系统的运行。因而进行危机管理和应急决策的研究与应用，尽力避免危机的发生或减少 危机带来的损失，有着迫切的现实意义。正确处理各种危机事件，不仅对保障我国的安 全稳定局势方面是必要的，而且对经济建设有着举足轻重的作用。 现在虽然有各个领域部门的相应机构在处理这些危机，但由于资源能力的分散，从 时空、力度、机遇和效果上都显得远远不能满足要求。2 0 0 3 年爆发的伊拉克战争、s a r s ， 2 0 0 4 年的海啸、禽流感，以及近年来连续不断的煤矿爆炸事故，暴露了国家在应付各种 紧急事态方面存在不少缺陷和薄弱环节。风云多变的国际局势、国内持续经济增长和城 市化的迅速发展，不断产生着新的不平衡及不安全的因素，极有必要建立一个大范围的 安全防范体系。 1 ，1 2 研究背景及意义 应急管理( e m e r g e n c ym a n a g e m e n t ) 产生于2 0 世纪9 0 年代，是政府应对突发公共 事件的一系列举措，包括预防、准备、响应、恢复、重建、倡议和立法等，目的是为了 减少人员伤亡，降低财产损失，控制破坏程度，以尽可能快的速度和小的代价终止紧急 状态，回复到正常状态。由于决策问题的复杂性、解决方案的不确定性和处理时间的紧 迫性，决策者比以往更加需要计算机系统的辅助。这就要求应急管理系统要比其他系统 有更高的性能，为此响应快捷、交互简便、运行可靠等特性成为了应急管理研究的重要 方面。 应急管理以寻求最优和快速有效的决策为目标，成功的应急管理具有决策最优化、 反应快速性两大特点。应急管理比较灵活机动，不需做过多的备份，但是有一套很好的 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统方法，遇到事情之后能灵活实时地做出好的决策。这些特点决定了应急管理无法完 全遵循传统决策管理过程，因为在很短的时间内，决策者没有足够的时间或充分的信息 进行这种程序化的决策，应急决策往往是跳跃式甚至是逆向的非程序化决策。 本体论( o n t o l o g y ) 是哲学上的一个概念，是一种对“存在”的系统化解释，用于 描述事物的本质。近几年，这个词被广泛地应用到计算机界，并在人工智能、计算机语 言以及数据库理论中扮演着越来越重要的作用，用于知识表示，知识共享和重用。直观 地讲，本体是一个实体，是对某领域应用本体的方法分析、建模的结果，即把现实世界 中的某个领域抽象为一组概念及概念之间的关系，本体的本质是概念模型。构建可共享、 互理解的本体库，将对应急决策知识的准确性与应急响应的快速性两个关键问题有很大 促进作用。 应急管理要求在突发公共事件发生时，在有限的时间、资源和人力的约束条件下， 制定对事件的处理方式。当前，许多应急管理系统都能帮助决策者进行决策分析，但是 随着突发公共事件的逐年增多，决策系统提供给决策者的决策建议不再是简单的几种， 而是变得越来越多，决策者难以在短的时间里迅速作出合理的决策，延缓了应急救援的 时间。因此，建立多输出决策的协作模型，用协作模型对决策建议的合理性进行分析， 通过挽回得损失与投入的人力、物力和预估计的损失相比较，给决策者提供以小代价处 理突发事件的决策建议，使决策系统生成的决策建议更加集中，这样可以加快决策者选 择决策建议的时问，使得决策建议可以快速生成。本论文以火灾应急救援为背景，对基 于本体的协作模型进行探讨。 本课题拟构建可共享、互理解的本体库，并以此为信息基础，建立协作模型，帮助 决策者从众多信息中选择合适的决策解，它必将对应急管理的准确性与应急响应的快速 性两个关键问题有大的促进作用。 通过上述探讨，应急管理系统的反应及时性和可靠性可以得到一定的提高，对于风 险管理、安全生产、国家防御、智能决策的建设和发展具有一定的理论研究价值和应用 前景。 1 2 国内外研究动态 当前，将本体论应用于应急决策系统，并通过建立协作模型对运行结果进行分析成 为一个研究的热点。 国内对应急管理开展了多方面的研究。北京大学计算机系博士王文俊等人从1 9 9 6 年 起，开始做应急项目，丌发：f i 作，他们描述了应急系统中事件、过程和动作的o n t o l o g y 语 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 义模型e 2 m ，能提供信息交换的通用模型和词汇表。中国科学技术大学国家火灾科学重 点实验室副主任廖光煊等人设计并建立了事故扑救调度指挥过程有色非自主p e t r i 网模 型，结合g i s 空间分析功能解决难以描述和模拟且数据结构较差的空间决策问题，实现 了火灾事故过程动态离散事件的推理决策。北京大学遥感与地理信息系统研究所副所长 陈秀万等人研究并设计了u e r s 系统，以g i s 技术、卫星导航定位技术、g s m 无线通讯 作支撑，整合城市多部门、多行业的已有系统，利用基于i n t e m e t s f i w e b g i s 的分布式数 据库和统一的空间信息基础设施平台，实现对城市紧急事件的实时响应和调度指挥。 国外对应急管理的研究比较早，u n i v e r s i t yo f t e x a s 的b e n j a m i ngt h e n g v a l l 等人用 启发式拉格朗日松弛算法从非约束松弛问题解中找到可行解，解决了航线紧急恢复规划 问题。美国i l l i n o i s 州成立的应急知识中心( e m e r g e n c yk n o w l e d g ec e n t e r ) 提出的e k c 理论( e l e a r n i n g ，k n o w l e d g em a n a g e m e n t ，c r e a t i o no fd i g i t a lk n o w l e d g ea n dl e a r n i n g e n v i r o n m e n t s ) 建立的分布式系统环境，可以实时不间断地获取、分析、共享知识，使 应急计划具有一定的柔性、稳定性和预测性，缓解了灾害的影响，明显提高应急指挥的 效率。最近做的非常出色的是美国德州大学奥斯汀分校于刚教授等人开发的应急管理系 统，是实时应急管理理论成功应用的典范，实现了航空管理中航班延误和取消模型的求 解过程，在整个“9 1 1 事件中，大陆航空公司使用该系统，比其他的航空公司提前 两天开始j 下常运营，为公司挽回了3 0 0 0 多万美元的损失。 1 3 本文主要研究的内容 ( 1 ) 以应急系统作为领域研究背景，分析决策领域术语、术语的定义和与这些术 语相关的公理，利用本体论约定，形式化的表达领域本体。分析本体论的相关方法学， 选择一种适合决策支持中本体知识库建立的方法，进一步建立与实现原型化的本体知识 库。在对现有本体方法学，如：m i k e u s c h o l d d e d e k i n g 的“骨架”法、g r u n i n g e r & f o x 的“评价法”、m e t h o n t o l o g y 方法和s e n s u s 描述法等深入研究的基础上，使用 d a m l + o i l 或o w l 建立形式化的表达领域本体的本体知识库原型系统；并研究从现有 知识库中抽取知识，采用紧耦合或松耦合的方式自动或半自动地转换为本体知识库，对 原型库不断扩充的方法。 ( 2 ) 比较传统应急管理的数据存储方式和基于本体的存储方式的异同，分析现有 本体论的技术特点，研究本体在应急管理方面的应用。 ( 3 ) 分析现有的协作模型，选择合适的协作模型对应急事件的复杂性和不确定性 进行分析，建立协作模型的数学原型。设计一个应急决策实验系统，将协作模型应用于 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统中，探讨系统在实际中的应用。 1 4 文章的组织结构 论文总共分为五章，具体安排如下： 第一章绪论，主要介绍了应急系统中基于本体的协作模型的研究意义、研究现状 和本文主要的研究内容。 第二章介绍了本体论，包括本体的定义、分类、以及面临的问题等，对现有的各 种基于本体的应用系统进行了介绍，并对其进行了分析。 分析了决策理论的发展，详细描述了应急决策理论的发展过程。在综合现有的各种 应急管理系统的基础上，介绍了基于本体的应急管理系统，并对其思想、描述进行详细 阐述。同时介绍了在应急管理中利用本体带来的优势，及其对应急决策系统的发展所起 的作用。 第三章根据应急管理系统的特征，分析了建立协作模型给应急系统带来的益处， 阐述使用协作模型的优点。 介绍了论文中使用的g d e a ( g l o b ed a t ae n v e l o p m e n ta n a l y s i s ) 协作模型的特点， 并对模型的设计方法和数学公式进行阐述。分析现在使用频繁的d e a ( d a t ae n v e l o p m e n t a n a l y s i s ) ) 模型分析软件，比较它们的特点和执行效率。考虑软件执行的复杂度，使用 m a t l a b 开发了本文的协作模型分析软件。 第四章设计应急决策系统实验方案，选择火灾救援作为应用背景，建立具有快速 处理功能的智能系统。利用p r o t 6 9 6 构建消防领域的本体库，然后利用该本体库进行实 验，详细说明了实验中软件工程的思想。 在实验系统中加入协作模型模块，通过对系统运行结果的分析，阐明本文使用协作 模型进行应急决策分析的优点。 第五章总结已有的研究成果，并分析有待继续深入研究的问题和迸一步拓展的方 向。 1 s 本章小结 本章主要论述了论文的研究背景、研究目的和研究意义，综述了国内外相关研究的 现状及发展趋势，给出了论文的主要研究思路和解决办法，最后，列出了论文的主要研 究内容和章节安排。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章基于本体的应急管理系统 2 1 本体论的发展与应用 2 1 1 本体论概述 本体论( o n t o l o g y ) 是哲学上的一个概念，是一种对“存在”的系统化解释，用于 描述事物的本质。近几年，这个词被广泛地应用到计算机界，并在人工智能、计算机语 言以及数据库理论中扮演着越来越重要的作用，用于知识表示，知识共享和重用。 o n t o l o g y 通常被称为领域模型或概念模型，是关于特定知识领域内各种对象、对象 特性以及对象之间可能存在的关系的内容理论。通过对应用领域的概念和术语进行抽 象，o n t o l o g y 形成了应用领域中共享和公共的领域概念，可以描述应用领域的知识或建 立一种关于知识的描述。o n t o l o g y 已经成为知识工程、自然语言处理、协同信息工程、 智能信息集成、i n t e m e t 上智能信息获取、知识管理等方面普遍研究的热点。 当不同的理论家提出本体的不同建议，或者在不同的知识领域谈论本体建议时，应 该使用本体的复数即本体论( o n t o l o g i e s ) 来表示本体集合。1 9 9 3 年g r u b e r 采用概念化 的形式将本体论定义 结构，其中d 是领域，j r 是d 中相关的关系集合，把本体 定义成“共享概念化的形式的、明确的规范”。在此基础上，b o r s t 它又做出了新的定义， 即“本体论是共享概念模型的形式化规范说明”。 直观地讲，本体是一个实体，是对某领域应用本体的方法分析、建模的结果，即把 现实世界中的某个领域抽象为一组概念及概念之间的关系，本体的本质是概念模型。对 于本体的定义也出在不断的发展变化中，比较有代表性的定义如表2 1 所示。 这些定义体现了本体的四层含义【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( p h e n o m e n o n ) 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( 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的定义； 形式化( f o r m a l ) ：本体是计算机可读的； 共享( s h a r e ) ：本体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。 5 太原理：e 大学硕士研究生学位论文 表2 - 1 本体的定义 t a b l e2 - 1o n t o l o g yd e f i n i t i o n 通过以上定义可以看出，本体的目标是获取相关领域内的知识，提供对领域知识的 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式上给出这些词汇 ( 术语) 和词汇之间相互关系的明确定义。 一个典型的本体定义可用公式2 1 所示的五元组表示【2 】 o = ( c ，i ，r ，f 。a )( 、2 一、) 其中，c 表示概念( c o n c e p t ) 的集合，即抽取出来用来描述事物对象的集合。，表 示概念的实例( i n s t a n c e ) ，代表元素，从语义上讲实例表示的就是对象。尺表示定义在 概念集合上的关系( r e l a t i o n ) 的集合。，表示定义在概念集合上的函数( f u n c t i o n ) 的 集合。彳表示公理( a x i o m ) 集合，用于约束概念、关系、函数的一阶逻辑谓词集合。 尽管o n t o l o g y 的定义有很多不同的方式，理解的角度也有许多不同，但是从内涵上 来看，不同研究者对于本体的认识是一致的，都把本体当作是领域( 可以是特定领域的， 也可以是更广的范围) 内部不同主体( 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，即由本体提供一种明确语义的共识。这种共识的目 标主要是为机器服务。 2 1 2 本体描述语言 本体语言是一种描述概念与概念之间关系的可实用的语言，它将逻辑定义和关系用 一组限定的词汇进行表达。实质上，本体可以理解为一个概念集，以及该概念集上的各 种关系，而且这些概念和关系都要有一个清晰的公认的语义，以便机器理解和处理。 为了便于w e b 上应用程序使用方便，需要有个通用的标准语言来表示本体，就 像x m l 作为标准的数据交换语言一样。自上个世纪9 0 年代以来，一些基于a i 的本体 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 实现语言陆续被提出。目前正在开发中的本体表示语言有：s h o e 、x m l 、x o l 、r d f s 、 d a m l o i l 以及o w l 等1 3 j 。 ( 1 ) s h o e 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 s ) 作为h t m l 的扩展，s h o e 是马里兰 大学开发的。它是基于框架和规则的。它使用不同于h t m l 的一些标记，使得可以在 h t m l 文档中插入本体。当x m l 产生并成为w e b 上交换信息的标准后，s h o e 的语法 被修改为基于x m l 。目前，马里兰大学已经停止研究s h o e ，他们有关本体的研究项 目开始使用o w l 和d a m l + o i l 作为本体的描述语言。 ( 2 ) x o l x o l ( o n t o l o g ye x c h a n g el a n g u a g e ) 是s k ii n t e r n a t i o n a l 的人工智能中心( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ec e n t e r ) 开发的。它是一种简单通用的定义本体的方法。其目的是在不同的 数据库、本体开发工具、或者其他应用程序之间交换本体。x o l 设计之初是为生物信 息学领域本体的交换，但是它可以应用于各种领域。 ( 3 ) r d f ，r d f s 资源描述框架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 提出的，它并不是一 种新的语言，而是一个开放的元数据描述框架，它属于语义网络中的元数据层。r d f 本 身并没有规定语义，但是它为每一个资源描述体系提供一个能够描述其特定需求的语义 结构的能力。 在r d f 资源描述框架中主要涉及到以下三个概念： ( 1 ) 资源( r e s o u r c e ) ：资源泛指可通过u r i 标识的任何事物，包括：网络可达资 源( 如一份电子文档、一个图片、一个w e b 服务等) ，和网络不可达资源，如具体的 物理对象( 人、公司、在图书馆装订成册的书籍等) 和抽象概念实体( 作者) 等。 ( 2 ) 特性( p r o p e r t y ) ：特性是描述某个资源的性质、特征、属性或关系。 ( 3 ) 陈述( s t a t e m e n t ) ：陈述是有关具体资源对象特性的具体描述，一个特定的 资源和特性名称加上该特性的值一起构成了一个r d f 声明。通常可用形如 的 三元组来描述。其中s 表示一个待描述的资源对象，尸表示该资源的特定方面，d 则 表示该资源s 在特性p 上的取值，d 可以是其它的资源对象也可以是平凡文字，如字 符串等。 由于x m l 并不能对所使用的标签提供语义解释，因此，它对机器语义理解方面并 没太大的帮助，而构建在x m l 之上的r d f 则提供了一种能有效描述网络资源的标准化 模型，在这种模型中，它以三元组的方式给出了关于资源对象的具体解释。r d fs c h e m a 太原理：t ：大学硕士研究生学位论文 从某种程度上进一步拓展了这种资源描述的能力，然而，和其它的完备的知识表示语言 相比，r d fs c h e m a 显得过于简单，它的语义表达能力还不够。 ( 4 ) d a m l + o i l d a m l + o i l ( d a r p a a g e n tm a r k u pp l u so n t o l o g yi n f e r e n c el a y e r ) 是由欧洲与美洲 的联合会所发展出来的一种语义语言。d a m l + o i l 的能力是建立在x m l 及r d f 的基 础上，这些x m l 的应用帮助提供了语义网页的初步能力。用d a m l + o i l 所表示的语 言适合用来建立语义网页，d a m l + o i l 的语法延伸了r d f ( s ) 也就是从r d f 的三元 组改变为n t r i p l e ，所以，d a m l + o i l 的语言更为复杂。另外d a m l + o i l 也提供一些 规则描述资源间的关系及限制( c o n s t r a i n t s ) ，所以d a m l + o i l 所表示的文件不仅机器 可以理解并能够对内容做推理( r e a s o n i n g ) 。d a m l + o i l 延伸了x m l 与r d f 的优势， 并且弥补了r d f 所不能描述的关系。 ( 5 ) o w l o w l ( w e b 本体语言，w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 是w 3 c 推荐的本体描述语言的标 准，它是为了在w e b 上发布和共享本体而提供的语义标记语言。o w l 是在d a m l + o i l 的基础上发展起来的，作为r d f ( s ) 的扩展，目的是提供更多的元语以支持更加丰富 的语义表达，并更好的支持推理。 o w l 对于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 ) 的方式和面向数据类型域( d a t a t y p ed o m a i n ) 的方式。 面向对象域的描述方式采用r d f s 和o w l 自身的语法进行，用于描述概念间分类化、 层次化的继承关系以及相互问的关联关系；在进行面向数据类型域的描述时，o w l 支 持x m ls c h e m a 的所有数据类型进行概念属性的定义与表达。因此，o w l 通过对概念、 概念属性及其相互间关系的描述，构成概念的复杂关系网络。o w l 中的概念由类( c l a s s ) 来表示，它可以是名字( 如u r i ) 或表达式，而且提供大量的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 w l 有三个子语言o w ll i t e 、o w ld l 和o w lf u l l ，o w l 的三个子语言描 述列表如下： 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 2o w l 三种子语言的比较 t a b l e2 - 2c o m p a r eb e t w e e nt h r e es u b - l a n g u a g e so fo w l 这三种子语言之间有如下的关系： 每个合法的o w ll i t e 都是一个合法的o w ld l ； 每个合法的o w ld l 都是一个合法的o w lf u l l ； 每个有效的o w ll i t e 结论都是一个有效的o w ld l 结论； 每个有效的o w ld l 结论都是一个有效的o w lf u l l 结论。 这三种子语言与r d f 的关系是： o w lf u l l 可以看成是r d f 的扩展； o w ll i t e 和o w lf u l l 可以看成是一个约束化的r d f 的扩展； 所有的o w l 文档( l i t e ，d l ，f u l l ) 都是一个r d f 文档； 所有的r d f 文档都是一个o w lf u l l 文档； 只有一些r d f 文档是一个合法的o w ll i t e 和o w ld l 文档。 显而易见，元数据遵循统一语法格式标准的信息库往往更容易取得好的检索效果。 o w l 文档模型的核心是任何复杂的概念并不是孤立存在的，它总是与其它概念之间存 在各种各样的联系，o w l 模型的描述能力强，因此本文在进行元数据语义表示时选择 o w l 模型。 9 太原理_ 1 二大学硕士研究生学位论文 2 1 3 本体中数据的储存方法 数据存储是数据流在加工过程中产生的临时文件或加工过程中需要查找的信息。数 据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。数据存储要命名，这种命名要反映 信息特征的组成含义。数据流反映了系统中流动的数据，表现出动态数据的特征；数据 存储反映系统中静止的数据，表现出静态数据的特征。 传统的数据存储方法主要有：文本文件方式、关系数据库方式、对象数据库存储方 式。随着本体的规模变得越来越大，结构越来越复杂，本体的数据存储方法成为许多研 究机构关注的问题。与传统的数据存储方法相比，本体的数据存储方法还不是很成熟， 在文本方式上与传统的相似，但是在关系数据库方式上存储效率不高，对象存储方式上 研究的还不多。 目前对于本体的存储方法可以概括为以下几种： ( 1 ) 纯文本：纯文本( 如o w l 文件) 的方式直观地显示了本体语言的语法，符合 本体的语义特性，易于理解，适用于知识的表示和存储。有p r o t 6 9 6 、j e n a 等工具支持 o w l 文件并进行开发、维护、推理、查询等操作，但是文本形式比较简单，当本体的 概念和实例多时，效率比较低，不适合大规模本体管理。 ( 2 ) 专门的管理工具：目前有一些软件，如o m n i 等支持对r d f ，o w l 的存储 管理，还提供各种接口，可以使用查询语言对本体进行查询，但这些技术还不够成熟， 不能达到关系数据库存储的效率。 ( 3 ) 关系数据库：数据库并不是表达本体的最好方式，本体含有语义信息，其内 在的逻辑性比关系模式复杂得多，但数据库开发研究历史较长，技术相对成熟，围绕它 的中间软件有很多，适合大规模数据存储，效率高、易管理、便于查找。在当前支持语 义信息存储的技术尚未成熟的时候，对于海量数据本体的存储和管理，数据库是更好的 选择。p r o t 6 9 6 和j e n a 等软件都支持将本体导入数据库，但是存在本体查询语言到s q l 的转换问题。 另外，通常我们会将本体同数据库模式( d a t a b a s es c h e m a ) 相混淆，实际上这是两 个不同的概念。数据库模式是指一组以数据定义语言来表达的语句集，该语句集完整地 描述了数据库的结构。二者的区别主要在于： ( 1 ) 数据库模式不能为其数据提供清楚的语义信息，而本体可以提供清楚的且正 式的语义信息； ( 2 ) 数掘库模式不能共享或重用，一般来讲它们只是定义了某个特定领域或者特 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 定功能的数据信息，而本体是自然描述某个领域的概念及其关系，因此它们可以被重用 和共享； ( 3 ) 本体的开发越来越成为一个分布式的过程，数据库的迭代开发把大量的精力 都放在了数据的修改和扩充上；而本体中知识的表达更加自然，包含的信息量更为丰富， 因此本体可以通过更加具有表现力的语言来描述更为复杂的模型。 2 1 4 本体建模语言 p e r e z 等人用分类法组织了本体，并且归纳出了5 个基本的本体建模元语( m o d e l i n g p r i m i t i v e s ) 【4 】： ( 1 ) 类( c l a s s e s ) 或概念( c o n c e p t s ) 指任何事务，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程。从语义上讲，它表示的 是对象的集合，其定义一般采用框架( f r a m e ) 结构，包括概念的名称，与其它概念之 间的关系的集合，以及用自然语言对概念的描述。 ( 2 ) 关系( r e l a t i o n s ) 在领域中概念之间的交互作用，形式上定义为刀维笛卡儿积的子集：尺? c 1x c 2 x x c n ，如子类关系( s u b c l a s s o f ) 。在语义上关系对应于对象元组的集合。 ( 3 ) 函数( f u n c t i o n s ) 一类特殊的关系，该关系的前，z - - 1 个元素可以唯一决定第n 个元素。形式化地定 义为，? c 1x c 2 c n 一_ 白。如“m o t h e r - o f ”就是一个函数，m o t h e r - o f ( x ，y ) 表示y 是工的母亲。 ( 4 ) 公理( a x i o m s ) 代表永真断言，如概念乙属于概念甲的范围。 ( 5 ) 实例( i n s t a n c e s ) 代表元素。从语义上讲实例表示的就是对象。 另外，从语义上讲，本体基本的关系共有4 种，如表2 3 所示： 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 3 本体的基本语义关系 t a b l e2 - 3b a s i cs e m a n t i cr e l a t i o no fo n t o l o g y 关系名关系描述 p a r t o f 表达概念之间部分与整体的关系。 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与子类之间的关系。给出两个概念c 和 d ，记c = l x l x 是c 的实例 ，d = l x l x 是d 的实例 ，如果对任意的x 属于d ，x 都属十c ， 则称c 为d 的父概念，d 为c 的子概念。 i n s t a n c e o f表达概念的实例与概念之间的关系，类似于面向对象中的对象和类之问的关系。 a t t r i b u t e - o f表达某个概念是另一个概念的属性。如概念“颜色”是概念“汽车”的一个属性。 2 1 5 国内外重要的本体系统 随着本体论相关研究的快速进展，许多基于本体应用系统已经开始使用，从应用角 度分析，基于本体的应用应该有三个基本成分： ( 1 ) 实用分类系统，用来根据不同程度的规定来描述数据； ( 2 ) 推理机，用来从现有的陈述中推断出新的关系； ( 3 ) 标注，用来指明文献内容和从实用分类系统取来的概念之间的联系。 目前广泛使用的本体主要有如下几个： ( 1 ) w o r d n e t s l 基于心理语言规则的英文词典，它以同义词集( s y n s e t s ) 为单位组织信息，对查询 结果的演绎比较符合人类思维定式。是由美国普林斯顿大学( p r i n c e t o nu n i v e r s i t y ) 认 知科学实验室( c o g n i t i v es c i e n c el a b o r a t o r y ) 的g e o r g ea m i l l e r