（计算机应用技术专业论文）水环境特定业务的语义及构件研究.pdf

河海大学硕士学位论文摘要 摘要 在苏州水环境信息系统的开发中，遇到3 个值得进一步研究的问题，即：如何更好地 解决异构数据库问的数据“翻转”问题；如何实现表现能力更强、操作更灵活的用户界面； 如何进一步完善现有系统，使其具有一定的推理能力。本文以这三个问题为出发点，通过 研究本体、描述逻辑、o w l 、r i a 等理论和技术，从语义的层次来研究水环境领域的特定 业务，并给出使用描述逻辑对其建模的方法。使用描述逻辑研住q 刻画水环境特定业务， 然后将描述逻辑研但q 表述的特定业务转换成计算机可处理的o w l 的形式。在以上步骤 的基础上实现相关的构件来解决问题，完善系统。 具体内容包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍本体、描述逻辑、o w l 和本体开发工具以及r j a 等理论和技术以及研究现 状； ( 2 ) 结合苏州水环境系统的实际需求和水环境领域已有的相关标准等，归纳出水环境 的特定业务并从本体的角度对水环境特定业务进行分析； ( 3 ) 介绍描述逻辑中的基本概念、推理机制，特别的介绍了描述逻辑，牝和研但q 的 语法和语义； ( 4 ) 介绍了r d f 、r d f s 与o w l 相比存在的不足，o w l 的三种类型，o w l 与描述 逻辑s t - e z q 的关系以及本体开发工具p r o t d g d - o w l ( 5 ) 在对本体构建的原则和方法进行介绍的基础上，给出了使用描述逻辑对水环境特 定业务建模的方法，然后使用描述逻辑研位_ q 为水环境特定业务建模，构建知识库；使用 p r o t d g do w l 将- 野旺q 描述的水环境特定业务转化成o w l 的形式，为构件的实现做准备； ( 6 ) 在描述水环境特定业务的o w l 本体的基础上，讨论绪论中提出的问题，给出解 决方案。 关键词：水环境、特定业务、语义、本体、描述逻辑、o w l ，知识表示系统、组件 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ed e v e l o p m e n to fw a t e re n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo fs u z h o u , t h e r emt h r e e p r o b l e m sw h i c hd e s e r v e f u r t h e rr e s e a r c h , n a m e l y ：h o wt os o l v et h ep r o b l e mo f d a t a t r a n s f o r m a t i o n b e t w e e nh e t e r o g e n e o u sd a t a b a s e sb e t t e r ；, h o wt oi m p l e m e n tt h eu s e ri n t e r f a n e w h i c hh a sm o r ee x p r e s s i v ea b i l i t i e sa n dm o r ec o n v e n i e n to p e r a t i o n s ；h o wt op e r f e c tt h ec u r r e n t s y s t e mb ya d d i n gs o m ei n f e r e n c ea b i l i t i e s t h et h e s i ss t a r t sf r o mt h ep r o b l e m s b yd e l v i n gi n t o s o m et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e ss u c h 舔o n t o l o g y , d e s c r i p t i o nl o g i c s o w la n dr i a , t h et h e s i s p r e s e n t sp o i n to f v i e wt h a tt h eg i v e nb u s i n e s so f w a t e re n v i r o n m e n tc o u l db ei n v e s t i g a t e df r o m t h el e v e lo fs e m a n t i c s , a n dg i v e sam e t h o d o l o g yt om o d e lt h eg i v e nb u s i n e s sw i t hd e s c r i p t i o n l o g i c u s e , s t - 伍qt of o r m a l i z et h eg i v e nb u s i n e s so fw a t e re n v i r o n m e n tt h e nc h a n g et h e f o r m a l i s mo f g i v e nb u s i n e s si ns m z qi n t oo w lw h i c hi sa na n c e s s i b l ef o r m a to f c o m p u t e r o n t h eb a s i so fs t e p sm e n t i o n e d ，t h er e l a t e dc o m p o n e n t sc o u l db ei m p l e m e n t e dt os o l v et h e p r o b l e m sa n dm a k et h es y s t e mp e r f e c t t h ec o n t e n to f t h i st h e s i sc o n t a i n ss e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c et h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e ss u c ha so n t o l o g y , d e s c r i p t i o nl o g i c s , o w la n d r i a a n ds t o d yt h es t a t u sq u oo f t h e m ( 2 ) i n t e g r a t et h ea c t u a ln e e do fs u z h o uw a t e re n v i r o n m e n tw i t ht h er e l a t e ds t a n d a r d so f t h e a l c no fw a t e re n v i r o n m e n t , t h e na n a l y z ea n dc o n c l u d et h eg i v e nb u s i n e s so fw a t e re n v i r o n m e n t f r o mt h ep o i n to f v i e wo f o n t o l o g y ( 3 ) i n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e ：p t sa n di n f e r e n c eo fd e s c r i p t i o nl o g i c s e s p e c i a l l y , t h et h e s i s i n t r o d u c e st h es y n t a xa n ds e m a n t i c so f d e s c r i p f i o nl o g i c 4 a n dd e s c r i p t i o nl o g i c 研仃g “) i n t r o d u c et h el i m i t a t i o no fr d fa n dr d f s ，a n dt h r e et y p e so fo w la n dt h er e l a t i o n b e t w e e n 研t z qe n do w l ( 5 ) o nt h eb a s i so f i n t r o d u c t i o no f t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so f c o n s t r u c t i n go n t o l o g y , t h e t h e s i sg i v e sam e t h o dt om o d e lt h eg i v e nb u s i n e s so f w a t e re n v i r o n m e n ti l s i n gd e s c r i p t i o nl o g i c s u s et h ed e s c r i p t i o nl o g i cs 旺qt om o d e lt h eg i v e nb u s i n e s so fw a t e re n v i r o n m e n t , a n d c o n s t n l c tt h ek n o w l e d g eb a s e t h e nu s ep r o t d g do w lt oc h a n g et h eg i v e nb u s i n e s sd e s c r i b e db y 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t 翻坦qi n t oo w lf i l e si no r d e rt op r e p a r ef o rt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h er e l a t e dc o m p o n e n t s ( 6 ) o nt h eb a s i so fas e to fo w lf i l e sw h i c hd e s c r i b et h eg i v e nb u s i n e s so fw 锄盯 e n v i r o n m e n t , d i s c u s st h et h r e ep r o b l e m sm e n t i o n e di ne x o r d i u mt h e nb r i n gu pr e l a t e ds o l u t i o n s k e y n o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n t 、g i v e nb u s i n e s s 、s e m a n t i c s 、o n t o l o g y 、 d e s c r i 州o nl o g i c s 、o w l ，k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o ns y s t e m 、 c o m p o n e n t 河海大学硕士学位论文 目录 图目录 图1 1 苏州古城区河网水环境实时监控系统界面截图1 图1 2 苏州古城区河网水环境实时监控系统体系结构图2 图1 - 3h y d r o l o g i co n t o l o g i e sf o rt h ew e b 在p r o t 6 9 6 - o w l 中的截图5 图1 - 4c u a h s iw e bs e r v i c e 的体系结构6 图1 - 5 论文体系结构说明9 图2 - l 基于描述逻辑的知识表示系统的体系结构1 0 图2 - 2 使用r a c e r p r o 对研仃q 描述的本体的推理2 5 图3 一lp r o t 6 9 6 本体开发平台的体系结构图2 9 图3 - 2p r o t 6 9 6 - o w l 3 2 b e t a 中p i z z a 例子的截图3 0 图4 - l 水质测站子本体的示意图3 8 图4 2 水质测站子本体各个概念在p r o t e g e - o w l 中的显示一4 l 图4 - 3 水质测站子本体在p r o t 6 9 6 - o w l 中的显示4 l 图5 - 1 苏州水环境系统中转换代码的实现算法4 4 图5 2 适配器的示意图4 5 图5 - 3o n t o l o g i c a lh y p e r t e x t 的示意图4 6 i i i 河海大学硕士学位论文目录 表目录 表2 - 2 各种构造子的语法和语义1 9 表3 - 1o w l 构造子与描述逻辑语法的对应2 7 表3 - 2o w l 公理与描述逻辑语法的对应2 7 表舢1 水环境特定业务本体的概念集合3 4 表4 2 水质测站子本体的概念集合3 5 表4 3 水功能区子本体的概念集合3 8 表5 1 苏州水质信息实时表4 3 表5 - 2 苏州水文实时信息相关表4 3 表5 - 3 数据实时表4 3 i v 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： k 士础 2 7 年3 月3 1 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：垃丛k 2 0 0 7 年33 1 日 河海大学硕士学位论文 水环境特定业务的语义及构件研究 第一章绪论。 1 1 研究背景与问题的提出 永是生命之源，是人类赖以生存和发展的基础。但是由于工业化的发展、人口的增长等 因素的影响，水环境污染日趋严重。在2 0 0 6 年2 月国家统计局公布数据显示：七大水系的 4 11 个水质监测断面中。有4 1 的断面满足国家地表水3 类标准；3 2 的断面为4 - 5 类水质： 超过5 类水质的断面比例占2 7 【1 。水环境的日趋恶化的现状严重地制约了我国的各项事 业的协调发展，严重地影响了广大人民群众的生活。因此，如何保护水环境、减少水环境污 染、有效地利用水资源成为重要的课题。 本文选题来源于8 6 3 专项的子课题“苏州古城区河网水环境实时监控系统示范工程”。 苏州古城区河网水环境实时监控系统1 基于j 2 e e 平台，客户端使用r i a ( r i c hi n t e r n e t a p p l i c a t i o n s ) 【2 , 3 a & 6 模式系统具有c s 和b s 体系结构的优点，比较完善地实现了水 环境信息查询、水环境信息发布等要求【7 】。系统界面截图和体系结构图分别见图1 - 1 和图 1 2 。 图1 - 1 苏州古城区河网水环境实时监控系统界面截图 1 苏州古城区河网水环境实时监控系统在下文简称苏州水环境系统 i 河海大学硕士学位论文第一章绪论 图l - 2 苏州古城区河网水环境实时监控系统体系结构图 但是在研究、开发及完善系统的过程中遇到的几个问题是值得深入研究的。问题如下： 问题i ：异构数据库间的数据“翻转”。 在水利领域中，各部门应用系统的开发和建设大多是各自完成，每个部门都有自己的数 据库的设计和数据库管理系统【8 】，结果容易导致数据库的异构性。数据库的异构性体现在 四个层次：系统异构、模型异构、结构异构和语义异构【9 1 。 在苏州水环境系统中，系统数据库中的数据要从专门负责实时水质采集的其他单位的数 据库进行数据“翻转”来获得，并且数据库之间是异构的。比如在结构层次上，被翻转的数 据库的实时水质表中将所有的监测指标不加分类地并列为表中的字段，但在苏州水环境系统 的数据库中根据监测指标具体的属性不同，将其作为不同的表中的字段；在语义层次上，对 同一的概念“水温”，被翻转的数据库中使用字段名“t v a l u c ”、类型“r e a l ”来表示，而在 苏州水环境系统数据库中则定义为。w a t e r t e m p e r m u r e ”，字段类型和长度定义为n ( 3 1 ) 为了实现数据“翻转”，实现方式是在2 个数据库之问实现转换代码，而且代码的长度和调 试的难度会随着所“翻转”的表的不同字段而改变。潜在问题是，旦被翻转的数据库增加 了一个监测指标字段或者修改了字段的属性，转化代码必须做出修改才能适应新的情况。如 何有效地解决异构数据库的数据“翻转”问题，减少数据库问的转换代码，提高转换代码的 可用性是值得研究的。 问题2 ：如何提供给用户功能更强大、操作更方便的系统界面 良好的界面设计和合理的信息表示方式对应用软件本身是非常重要的，也方便用户学习 2 河海大学硕士学位论文水环境特定业务的语义及构件研究 与使用苏州水环境系统使用f l e x 5 ，6 】提供的标签语言m x m l s 来实现用户界面。由于 m x m l 在信息表示方面比h t m l 要强大的多，并且f l e x 类库中的很多组件具有访问x m l 文件的属性，这样就可以实现更加丰富、灵活的界面。苏州水环境系统中，将水质测站、断 面等都实现成m x m l 组件，用户通过操作菜单来实现对各个单一组件的调用。 但是如果用户在看到某一组件显示的信息后，希望能方便地直接访问与该组件相关联的 其他组件( 比如水质测站组件可与测站设备信息组件相关) ，而不想要再从菜单中重新查找 想访问组件的链接，此时系统的功能就不能满足要求这由于x m l 所描述的树形结构不能 表达丰富的语义【l o 】，想实现更加“语义化的”、更加智能化的操作界面就需要考虑使用新 的解决方法。 问题3 ：如何更合理地对水环境领域的知识进行形式化描述，并为系统增加一定的推理 能力。 对任何问题进行研究，首先要弄清楚所研究的对象或实体是什么。通常把对象或实体的 集合称为系统，组成系统的基本单元称为元素。系统可以包括若干个子系统，每个子系统可 以由若干元素组成，或由更小的子系统组成。系统中各元素之问、各子系统之间都存在着相 互联系。要弄清整个系统的性质及其发展变化规律，必须弄清该系统中的元素以及元素之间 的直接或间接的、明确的或隐藏的关系或关联。要对包括了自然界中的各类水体以及水体中 相关的各种物质的水环境系统进行研究，也需要如此。 水环境系统是自然环境系统的一部分，也是最为复杂的一部分。从知识的层次来看，水 环境领域是一个具有丰富知识的研究领域，也可以说水环境领域包含大量的数据、事实和信 息。并且水环境领域中既有与时间无关的、确定的、明确的知识，也有与时间相关的、模糊 的、不确定的知识如何描述水环境领域中的知识，实现成机器可访问的形式，然后通过应 用程序对显式表示的知识进行推理获得隐含的知识，这也是论文研究动机之一。 通过初步的学习研究。本文提出如下思路来解决以上问题： ( 1 ) 以苏州水环境系统为应用背景，结合文献 i l ，1 2 , 1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 , 1 8 ，1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 确定 出水环境领域的特定业务。 ( 2 ) 从语义的层次分折水环境特定业务，使用本体给出水环境领域中的类、关系和实 例的一致性说明。 ( 3 ) 结合构建本体的准则和方法，给出一个使用描述逻辑为水环境特定业务建模的方 法，然后使用描述逻辑来为水环境特定业务建模。 ( 4 ) 使用本体开发工具将描述逻辑s 尬q 描述的水环境特定业务转换成机器可访问的 河海大学硕士学位论文第一章绪论 o w l 2 3 2 4 1 ：艾件的形式。 ( 5 ) 在以上工作的基础上，提出实际问题的解决方案和实现方法，进一步完善系统。 1 2 研究现状 1 2 1 本体 本体最初被用来研究知识的获取，接下来本体在概念上有了改变，从知识获取转向了知 识建模 2 5 1 。本体被应用于开发基于知识的系统，根据具体环境不同可以被分成领域本体、 方法本体、任务本体以及顶层本体。但此时本体所担当的角色和影响都是有限的。随着t i m b e m e r s - l e e 在文献【2 6 】提出语义网的观点，本体的发展得到极大的推动。 本体在多样的领域都得到应用，因此很难为本体下一个完全一致的定义在计算机领域 得到公认的一个概念是由t g m b e r 在文献 2 7 q h 提出的：本体是概念模型的明确的形式化 规范说明。这其中包含4 层含义：概念化、明确、形式化和共享 2 3 1 。概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) 是指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，即概念系统所蕴含的语义结 构，是对某一事实结构的非正式的约束规则，可以理解及表达为概念和关系。明确( e x p l i c i t ) 是指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 ) 是指本体是能 被计算机处理的共享( s h a r e ) 是指本体中体现的共同认可的知识，反映了相关领域中公 认的概念集，即本体针对是一个团体而非个体的共识。 在文献 2 8 中，p e m z 等提出本体中表达的知识由5 类本体的组件来构成，这些组件分 别是：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 ) 。 概念是客观世界中任何事物的抽象描述，语义上为表示事物、功能、行为、策略和推理过程 等对象集合。关系代表了在领域中概念之间的交互作用，形式上定义为n 维笛卡尔积的子集： r ：c l c 2 c n 。如子类关系( s u b c l a s s - o f ) 和连接关系( c o n n e c t e d - t o ) 是2 元关系。函数 是一类特殊的关系，在这种关系中前n - 1 个元素可以唯一决定第1 1 个元素，其形式化定义为： f ：c lx c 2 c n - i 寸c n ，比如m o l h e r - o f 关系或p a r t - o f 关系。公理代表永真断言，是定义在 “概念”和“属性”上的限定和规则。实例是指属于某概念类的基本元素，即某概念类所指 的具体实体。从语义上分析，实例表示的是对象，概念表示的是对象的集合，关系则对应于 对象元组的集合 2 3 1 。 文献1 2 9 从4 个大方面对当前本体研究领域的现状以及发展前景提供了一个综合的介 绍，这些方面分别为：( 1 ) 本体的表示与推理机制( r e p r e s e n t a t i o n a n d r e o n m g ) ；( 2 ) 本 体工程( o n t o l o g ye n g i n e e r i n g ) ：( 3 ) 本体结构( o n t o l o g yi n f n ) s m | c t u r e ) ) ( 4 ) 本体应用 ( o n t o l o g y a p p l i c a t i o n ) 本体在水利上得到应用的实例可以见引用 3 0 1 ，即“h y d r o l o o co n t o l o g i e sf o rt h ew e b 4 河海大学硕士学位论文 水环境特定业务的语义及构件研究 ( h o w ) ”。引用【3 0 】中介绍了关于本体和水文学本体的相关概念、实现方法以及有向图说明， 并给出了以o w l 描述的水文学本体。该水文学本体中定义了与水文学相关的比较通用的概 念( 比如；水文单元、测量工具、管理机构) 以及定义了概念之间的一定的关系( 比如：h 豁 m e a s u r e s 、t y p e _ _ o f 等) 并给出了概念的实例( 比如：水文现象中定义了冰雹、降雨、径流 等1 4 个个体，可测量属性中定义了水温、大气湿度、p h 等7 3 个实例) ，其本体表示在 p r o t 6 9 & o w l 中的显示见图1 3 当然由于采用的标准不同，基于的背景也不完全相同，如 果将该本体应用在具体w r 程项目中，需要对该本体做进一步修改与扩展。另外可以参考的 例子是c u a h s i 水文资料数据门户f 3 1 ，3 2 ，该数据门户就提供了本体服务( o n t o l o g y s e r v i c e s ) ，其本体被存储在一系列的o w l 文件中。作为约束词汇( c o n t r o l l e dv o c a b u l a r y ) 超集( s u p e r s e t ) 的本体提供了2 个功能：( i ) 给表单的参数选择框返回一个约束词汇；( 2 ) 给定一个选择的术语( t e r m s ) ，返回给每个特定源一栏扩展的术语。其w e b 服务的体系结 构见图1 4 。 图1 - 3 h y d r o l o g i c o n t o l o g i e s f o r t h e w e b 在p l u 峨 w l 中的截图 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 描述逻辑 图l - 4c u a h s iw e bs e r v j 的体系结构 描述逻辑( 1 ) e s c r i p t i o nl o g i c s ，简写为d l ) 2 9 ，3 3 】是知识表示语言的一个形式化体系， 它被用来以结构化的、形式上容易理解的方式表示应用领域的知识。同时，描述逻辑也是一 阶逻辑的一个可判定的子集。 文献【2 9 3 4 】概要地介绍了描述逻辑起源、发展的4 个阶段：阶段1 ( 1 9 8 0 1 9 9 0 ) 研究主 要集中于类似于k l o n e 、b a c k 和l o o m 【3 5 , 3 6 ，3 刀，这些系统使用结构化的包含算法 ( s t r u c t u r a ls u b s u m p t i o n a l g o r i l h m s ) 虽然在规格化( n o r m a l i z e ) 概念描述时有很高的效率 ( 多项式级的复杂度) ，但由于这些算法仅对表达能力不强的描述逻辑是完备的，因此无法 应用于更强表达能力的描述逻辑；在第一阶段后期，研究发现大部分的描述逻辑的推理复杂 度不是多项式时间的阶段2 ( 1 9 9 0 - 1 9 9 5 ) 基于t a b l e a u 的算法( t a b l e a u - b a s e d a l g o r i t h m s ) 被引入到描述逻辑中并得到发展和应用；全面地对不同的描述逻辑推理的复杂性进行了分 析；描述逻辑与模态逻辑具有很近的关联性。阶段3 ( 1 9 9 5 - 2 0 0 0 ) 适于较强表达能力的 ( e x p r e s s i v e ) 描述逻辑的推理程序的发展是这一阶段的主要特征，这些推理程序既可以是 基于t a b l e a u 方法的，也可以是转换成模态逻辑的( m o d a ll o g i c ) 3 8 。3 9 , 4 0 , 4 1 ，并且一阶 逻辑的可判定的框架和模态逻辑有了更深入的研究；高度优化的系统如f a c t 、r a c e 4 2 a 3 】 等表明适于较强表达能力的描述逻辑的基于t a b l e a u 的算法有很好的实用性。阶段4 ( 2 0 0 0 - ) 6 河海大学硕士学位论文水环境特定业务的语义及构件研究 由于应用的推动，工业级的( i n d 删跏舶g l l l ) 描述逻辑系统正使用具有更强表达能力的 ( v e r y e x p r e s s i v e ) 描述逻辑，基于t a b l e a u 的算法也在发展，这些在语义两( s e m a n t i c w e b ) 、 知识表示与集成等方面得到应用。 文献【3 3 】是对描述逻辑探讨最为全面的资料，主要从理论、实现和应用三个大的方面对 描述逻辑做了详细的介绍：( 1 ) 探讨了描述逻辑的理论基础并介绍了描述逻辑理论研究领域 的最新进展；( 2 ) 介绍了基于描述逻辑的知识表示系统的实现技术，描述了描述逻辑系统的 基本功能，概观了最有代表性的基于描述逻辑的知识表示系统，并提出了专门的实现技术； ( 3 ) 提出了如何在实际的应用设计中使用描述逻辑和基于描述逻辑的系统。关于对描述逻 辑基本理论，详细内容见第二章。 为了说明基于描述逻辑的系统具有实用性，或进一步说明利用描述逻辑来研究水环境领 域的问题是有实际应用意义的，可以类比一些使用描述逻辑的应用领域。这些应用领域包括： 软件工程( s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 、配置( c o n f i g u r a t i o n ) 、医药信息学( m e d i c a ll n f o r m a t i c s ) 、 数字化图书馆( d i g i t a ll i b r a r i e s ) 、基于w e b 的信息系统( w e b - b a s e di n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、 数据挖掘等( d a t a m i n i n g ) 。具体以医药信息学为例，医药学领域中的术语中大概包含2 5 0 ， 0 0 0 条概念，些概念问具有非常多的关联并且深度嵌套( d e e pn e s t i n g ) ；解剖学与心理学 的属性与其他方面都有所关联，并且符号表示涉及非常大的广度，既有心理学也有分子生物 学【3 3 】。正是由于医药领域中的复杂性，才需要使用基于描述逻辑的知识表示系统为了处 理如此大规模的知识库，开发了以g a l e n 4 4 为代表的系统。 1 2 3o w l 、本体编辑工具和, l e n a o w l ( w e b o n t o l o g yl a n g u a g e ) 2 3 ，2 4 】已经成为w 3 c 的推荐标准。它是一种定义和实 例化 w e b 本体的语言，用于描述w e b 本体的类，属性和实例。o w l 是语义网活动的一个 组成部分，这项工作的目的是通过对增加关于那些描述或提供网络内容的资源的信息，从而 使网络资源能够更容易地被那些自动进程访问。此外，o w l 提出了一个开放世界的假设 ( o p e nw o r l da s s u m p t i o n ) ，也就是说。对资源的描述并不局限于在一个简单的文件或范围 内。因此在许多领域o w l 都得到广泛的应用，包括知识管理、企业建模以及系统间互操作 等。 目前很多研究机构开发出本体编辑工具，这些编辑工具提供了友好的g u i 界面，使得 本体的构建与对信息资源的本体标注变得更为方便，并且很多集成了推理功能或提供了推理 服务的接口。文献 4 5 ，4 6 q a 对有代表性的本体编辑工具做了较为详细介绍和分析。其中美国 斯坦福( s t a n f o r d ) 大学开发的p r o t 6 9 6 - o w l 编辑器是最广泛使用的本体编辑工具之一，也 被认为是最好的本体编辑工具 4 7 1 ，因此本文采用p r o t 6 9 6 - o w l 编辑器作为编辑基于o w l 的水环境特定业务本体时的工具，具体细节见第四章。 j e n a 2 3 ，4 8 ，4 9 是用于开发语义网应用的j a v a 编程框架。它是由h p 公司实验室开发的开 7 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 源项目，为用户提供了一个可编程环境，并且具有很高的灵活性。第五章的实验中就使用了 j e n a 2 a ，其中的c o m h p h p l j e n a o n t o l o g y 包提供了访问和操作o w l 文件的类 1 2 4 r i a 与f l g x r i a ( r i c h i n t e m e t a p p l i c a t i o n s ) 是基于i n t e m e t 的应用，该类应用的显著特点是：数据 及用户界面都具有丰富性。具体来说，r i a 是集桌面应用程序的最佳用户体验与w e b 应用 程序的普遍采用与快速、低成本部署以及互动多媒体通信的实时快捷与一体的新一代网络应 用程序r 1 a 中的r i c h c l i e n t 提供可承载已编译客户端应用程序的运行环境。客户端应用程 序使用异步客户，服务器架构连接现有的后端服务器这是一种安全、可升级、具有良好适 应性的面向服务模型。这种模型由它采用的w e b 服务所驱动，可以有效地结合声音、视频 和实时对话的综合通信技术 特别的，m a c r o m e d i af l e x 为开发r i a 模式的应用提供了一个开发及运行时环境，可以 让开发人方便快捷地根据特定业务需求来建立具有丰富性的应用前端。在f l e x 中，开发者 可以使用基于标准的编程模型来开发应用程序、描述用户接口、配置用户接口的控件以及定 义数据绑定，充分发挥了f l a s h 的强大功能。 苏州古城区水环境系统的开发就是采用r i a 模式，使用f l e x l 5 来开发的。最新的发 展以及应用示例可以见引用 5 0 】。 1 3 本文结构 本文第章为绪论，介绍论文背景和研究的出发点，提出研究思路以及介绍本体、描述 逻辑等理论、技术及现况。第二章介绍描述逻辑的相关概念与理论，重点介绍了描述语言 朋和研t z q 的语法和语义，同时也初步地探讨了描述逻辑中的推理机制。第三章主要介绍 o w l ，首先说明了r d f 和r d f s 与o w l 相比在表达能力上还有很多的局限，然后介绍了 o w l 与研t z q 的关系以及o w l 的三种类型，最后介绍了本体开发工具p r o t 6 9 & o w l 。第四 章首先探究并明确了本体在水环境特定业务研究中的角色，然后在介绍构造本体的准则和方 法的基础上，提出了水环境特定业务的定义并给出了使用描述逻辑为水环境特定业务建模的 方法；并在第二、三章的基础上，对水环境特定业务进行形式化描述，使用了研伍q 和o w l 2 种描述方式第五章主要讨论绪论中提出的问题，并利用第四章中的o w l 本体来解决数 据“翻转”等问题。最后一章是对全文进行总结，提出创新点和展望。 8 河海大学硕士学位论文 水环境特定业务的语义及构件研究 第一章绪论 介绍论文背景和研 究的出发点，提出 研究思路以及介绍 本体、描述逻辑等 理论、技术及现况 第六章总结与展望 总结全文要点，给出 进一步研究的方向 第二章描述逻辑 介绍描述逻辑的相关 概念与理论，重点介 绍了描述语言业和 8 7 位 q 的语法和语义， 同时也初步地探讨了 描述逻辑中的推理机 制 第三章o w l 介绍o w l ，首先说明 了r d f 和r d f s 与 0 湘比在表达能力 上还有很多的局限， 然后介绍了o w l 与 研t z q 的关系以及 o w l 的三种类型。最 后介绍了本体开发工 具p m 晒o w l 图1 5 论文体系结构说明 9 第四章水环境特定业务 的形式化描述 本章首先探究并明确了 本体在水环境特定业务 研究中的角色，然后在介 绍了构造本体的准则和 方法的基础上，提出了水 环境特定业务的定义并 给出了使用描述逻辑为 水环境特定业务建模的 方法。最后将水环境特定 业务的本体实现成两种 形式化描述的形式：基于 描述逻辑8 - 伍q 的和基 于0 w l 的 第五章相关构件的研究 主要讨论绪论中提出的问 题，并利用第四章中的基 于o w l 的本体来解决数 据“翻转”等问题 拇海大学硕士学位论文 第二章描述逻辑 第二章描述逻辑 本体可以被实现成不同类型的语言【2 8 】：既可以是严格形式化的( r i g o r o u s l yf o r m a l ) ， 也可以是半形式化( s e m i f o r m a l ) 或半非形式化的( s e m i - i n f o r m a l ) ，甚至是高度非形式化 ( h i g h l yi n f o r m a l ) 的语言。但本体的构建、集成和发展主要取决于要有定义良好的语义和 强大的推理工具，因为描述逻辑既具有定义良好的语义也可以实现推理，因此描述逻辑可以 作为本体语言的理想候选。本章先后介绍了什么是描述逻辑，描述逻辑舡和研伍q 的语法、 语义以及相关的推理机制，然后给出了使用描述逻辑翻t z q 描述本体的例子。特别地，研位q 是a c 的扩展并且是o w l 等本体语言的基础。 2 1 描述逻辑介绍 描述逻辑( d e s c r i p t i o nl o g i c s ，简写为d l ) 是知识表示语言的一个体系，它被用来以 结构化的、形式上容易理解的方式表示并可推理应用领域的知识。它通过概念描述( c o n c e p t d e s c r i p t i o n ) 来表示应用领域的重要理论( n o t i o n s ) ，所谓概念描述就是原子概念( 一元谓 词) 和原子角色( 二元谓词) 通过使用特定的描述逻辑提供的概念和角色构造子而建立的表 达式。描述逻辑从语义网络( s e m a n t i c n e t w o r k s ) 和框架系统( f r a m e s y s t e m s ) 发展而来 5 h ， 克服了语义网络和框架系统的不足，具有了形式化的、基于逻辑的语义【3 3 】。描述逻辑具有 的推理能力是指能够从知识库中显性表示的知识中获取隐性表达的知识。使用描述逻辑目的 就是为知识表示提供良好定义的语义。 图2 - 1 基于描述逻辑的知识表示系统的体系结构 描述逻辑可以看作是知识表示系统( k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o ns y s t e m ) 的核心【3 3 】。基 1 0 河海大学硕士学位论文水环境特定业务的语义及构件研究 于描述逻辑的知识表示系统利用描述逻辑表示应用领域的知识，构建知识库，并提供基于描 述形式语义知识库的推理服务。图2 - i 表示了基于描述逻辑的知识表示系统的体系结构，通 常基于描述逻辑的知识表示系统包含以下组件： ( 1 ) t b o x ( t e r m i n o l o g i c a lc o m p o n e n t ) t b o x 引入了术语( t e r m i n o l o g y ) ，即应用领域中的词汇( v o c a b u l a r y ) 来形式化领域中 的知识。词汇包含概念( c o n c e p t ) 和角色( r o l e ) ：概念表示个体的集合，角色表示个体之 间的二元关系( b i n a r y r e l a t i o n s h i p s ) 除了原子概念和角色，所有的描述逻辑系统允许用户 构建复杂的概念与角色的描述。 ( 2 ) a b o x ( a s s e r t i o n a lc o m p o n e n t ) 。 a b o x 包含了根据词汇命名的个体的断言，用来形式化包含个体的具体场景( c o n c r e t e s i t u a t i o n ) ( 3 ) 推理引擎( i n f e r e n c ee n g i n e ) 。 推理引擎可以从显示表达的知识中获得隐含的知识。典型的推理工作有判定是否一个概 念是可满足的( 即无冲突的) 或者是否一个概念比另一个概念更一般( g e n e r a l ) ，还有可以 判定一个特别的个体是否是一个给定概念描述的实例。 ( 4 ) 知识库( k b ) 知识库是由t b o x 和a b o x 组成的。 接下来就从描述语言的语法与语义，t b o x 与a b o x ，以及描述逻辑的推理机制等方面 更详细地来介绍描述逻辑。 2 2 描述逻辑的基本形式 2 2 1 描述逻辑4 c 描述语言的基本内容包括原子概念( a t o m i cc o n c e p t s ) 和原子角色( a t o m i cr o l e s ) 。 复杂的描述内容可以对原子概念和原子角色使用构造子来获得。假定n c 是概念名的集合， n r 是角色名的集合，a 、b 是原子概念，冗是原子角色，c 、d 是概念描述。下来先讨论。4 c 的语法和语义的定义，因为