（计算机应用技术专业论文）基于本体的elearning服务发布与发现机制的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 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 l e a r n i n g ) 也逐渐成为人们获取知识的重要方 式。e l e a r n i n g 是指通过i n t e r n e t 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w e b 服务的方式将学习资源封装成 e l e a r n i n g 服务，并将学科本体引入到e l e a r n i n g 服务的发布与发现过程中， 增强了e l e a r n i n g 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w e b 关键技术和w e b 服务相关技术，包括本体 技术、w s d l 、u d d i 、s o a p 以及o w l - s 等，并对语义w e b 中本体技术和语 义w e b 服务的描述模型o w l - 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 l e a r n i n g 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 l e a r n i n g 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 l e a r n i n g 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 l e a r n i n g 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w e b 服务技术的基础上，设计的e l e a r n i n g 服务 语义发布系统，为进一步对e l e a r n i n g 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 l e a r n i n g ) ，w e b 服务，学科本体 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，m o r ea n dm o r ep e o p l es h a r e , d i s s e m i n a t e , e x c h a n g ei n f o r m a t i o na n dk n o w l e d g et h r o u g hi n t e m e t e - l e a r n i n gi sb e c o m i n ga n i m p o r t a n tw a yt oa c q u i r ek n o w l e d g e e l e a m i n gr e f e r st ot h et e a c h i n ga n dl e a r n i n g a c t i v i t i e st h r o u g ht h e m c m c t ，w h i c hi sa b l et ot a k ef u l la d v a n t a g e so fi n t e r a c ta n di s ap r o m i s i n gw a yf o rl i f e t i m ee d u c a t i o n a tp r e s e n t , e - l e a r n i n gr e s o u l - c 鼎3a l es h a r p l y i n c r e a s i n g n e wa p p r o a c hi su r g e n t l yn e e d e d , w h i c hi sa b l et oe f f e c t i v e l yo r g a n i z e a n dm a n a g ee l e a r n i n gr e s o u r c e s ，a n d 如i t l l e rt os u p p o r tt h er e b s ea n da c c e s st o e l e a r n i n gr e s o u r c e s t h ee m e r g e n c eo fo n t o l o g yt e c h n o l o g yp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yf o r t h e o r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to f d o m a i nk n o w l e d g e t h e r e f o r e , i no r d e rt os h a r e a n dr e l l s e e - l e a m i n gr e s o u r c e s a n d s u p p o r ta c c e s st oe - l e a r n i n g 北：s o 堋嬲， d i s c i p l i n eo n t o l o g yi sa d o p t e dt of o r m a l l ye x p r e s st h es h a r e dc o n c e p t sa n dt h e r e l a t i o n sa m o n gc o n c e p t si nad i s c i p l i n e ；e l e a r n i n gr e s o u r c e sa r oe n c a p s u l a t e da s e - l e a r n i n gs e r v i c e s d i s c i p l i n eo n t o l o g yi su s e di nt h ep r o c e s so fe l 朗m i i l g s e r v i c e sp u b l i c a t i o na n dd i s c o v e r y , i no r d e rt oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo f e l e a r n i n gs e r v i c e sp u b l i c a t i o na n dd i s c o v e r y r e s e a r c hw o r k si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s a tf i r s t , t h el a t e s tt e c h n o l o g i e so n w c bs e r v i c e sa n ds e m a n t i cw a b ，i n c l u d i n go n t o l o g y , w s d l , u d d i , s o a pa n d o w 【广s ，e t c ，a r ed i s c u s s e d t h e n , o n t o l o g ya n dt h es e m a n t i cw e ；bs e r v i c e s d e s c r i p t i o nm o d e lo w l - sa r ee l a b o r a t e d ac o m p u t i n gd i s c i p l i n eo n t o l o g yi s b u i l t ；ad i s c i p l i n eo n t o l o g yb a s e df r a m e w o r kf o re - l e a r n i n g $ e l v i c e sp u b l i c a t i o n a n dd i s c o v e r yi sp r e s e n t e d , w h i c ho j n l st o s u p p o r tt h es h a r i n ga n d 职u o f e l e a r n i n gr e s o u r c e sa n df u r t h e rt or e a l i z es e m a n t i ci d e n t i f i c a t i o na n dm a t c h i n gi n t h ep r o c e s so fe l e a r n i n gs e r v i c 酷p u b l i c a t i o na n dd i s c o v e r y f i n a l l y ，t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n o fa l l e - l e a r n i n gs e r v i c e s p u b l i c a t i o n s y s t e mp r o t o t y p e i s i n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s ，as e m a n t i cp u b l i c a t i o ns y s t e mo fe l e a r n i n gs e r v i c e si sd e s i g n e d o nt h eb a s i so fo n t o l o g yt e c h n o l o g ya n dw e bs e r v i c et e c h n o l o g y , w h i c hp r o v i d e sa b e t t e rs u p p o r tf o rf u r t h e rr e s e a r c h0 ns e m a n t i cd i s c o v e r yo fe - l e a r n i n gs e r v i c e s k e y w o r d s ：e - l e a r n i n g , w e bs e r v i c e , d i s c i p l i n eo n t o l o g y 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丛壅望日 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 黜c 蚴：袄建谭搠鞫：杉看日期姚2 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 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 l e a r n i n g ) 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 - l e a r n i n g 是指通过i n t e r n e t 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”。 w e b 服务的出现为这一问题的解决提供了一个有效的途径。w e b 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。w e b 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w e b 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 - l e a r n i n g 服务就是通过w e b 服务技术对学习内容进行管理和发布的一类 w e b 服务。近年来。e l e a r n i n g 服务已成为网上学习的重要形式。但是w e b 服 务是源于传统的万维网的，e - l e a r n i n g 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 l e a r n i n g 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w e b 的出现为上述问题的解决 带来了契机。语义w e b 是对未来w e b 体系结构的一个伟大构想，基本思想是通 过本体和对w e b 内容的语义标记，使计算机可以理解并处理w e b 上的信息【2 】。 因此，将本体引入到e - l e a r n i n g 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。 武汉理工大学硕士学位论文 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。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 l e a r n i n g 系统的互操作性 提供支持。因此，学科本体在e l e a r n i n g 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w e b 服务技术相结合，研究将本体技术引入e - l e a r n i n g 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 l e a r n i n g 服 务的语义识别和匹配。因此，研究基于本体的e i , e a r n i n g 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 ) e l e a r n i n g 方面的研究现状 计算机在教育领域的应用最早可追溯到1 9 5 8 年m m 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( c a j ) 得到迅速发展。进入9 0 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。 1 9 9 6 年第一篇有关局域网培训的论文在美国 t r a i n i n gm a g a z i n e 杂志上发表 以来，教育技术界和培训界正式开始了关于e - l e a r n i n g 的研究 e - l e a r n i n g 方面的研究可归纳为以下几个方面： ( 1 ) e l e a r n i n g 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 l e a r n i n g 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，a i c c ( a v i a t i o ni n d u s t r y c b tc o m m i t t e e ，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( c m i ) 规范，现成为广泛采用的行业标准【3 j ；美国国防部( d o d ) 的美国高 级分布式学习研究项目( a d l ) 借鉴a i c c 的c m i 标准建立了可共享课程对象 参考模型s c o r m ( s h a r a b l ec o u r s eo b j e c tr e f e r e n c em o d e l ) ：美国大学校际交 流委员会( e d u c o m ) 于1 9 9 6 年设立的一个研究项目i m s 现已建立了内容包 装规范、元数据规范等。2 0 0 1 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”。国际组织在e l e a r n i n g 服务方面的标 准化研究主要有d c m i ( 都柏林核心元数据研究行动) 和i e e e l t s c ( i e e e 学 2 武汉理工大学硕士学位论文 习技术系统标准化委员会) d c m i 建立了d c 元数据规范和d c e d u c a t i o n 元数 据规范，i e e e l t c s 建立了参考模型、学习者模型和学习对象元数据标准 i e e e l o m 。目前比较成熟的标准主要有d c 和i e e e - l o m 。 ( 2 ) e l e a r n i n g 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。 b e r g s t e d t 研究内容管理系统和e - l e a r n i n g 的关系，指出实行内容管理可显著提 高e - l e a r n i n g 系统的教学质量。j m s u 等人研究了s c o r m 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【4 】。 ( 3 ) e l e a r n i n g 系统体系结构的研究 研究e l e a r n i n g 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 l e a m i n g 系统架构及其组成部分进行了研 究；s u t h e r s 将c s c l 体系结构分成中央结构、复制结构、分布式结构和混合结 构【5 】。近年来，又出现了基于知识驱动的e l e a r n i n g 体系架构、基于工作流的 e l e a r n i n g 体系架构等。 ( 4 ) e l e a r n i n g 系统实现技术的研究 实现技术的研究主要集中在对x m l 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 l e a r n i n g 系统的实现。 2 ) 语义w 曲服务方面的研究 最早为w e b 服务增加语义信息的是d a m l s ，o w l - s 是在d a m l - s 的基 础上发展起来的。d a m l - s 提供了足够的表示w e b 服务能力和特性的语义信息 来描述w e b 服务，目的在于实现w 曲服务发现、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、 d a m l s 和u d d i 相结合的研究等方面的研究都是基于d a m l - s 展开的。当前 存在的研究主要分为两类【6 】：( 1 ) 实现d a m l - s 本体描述信息到u d d i 的映射， 补充u d d i 的w e b 服务语义描述能力；( 2 ) 基于d a m n o i l 扩展w s d l 模式， 并基于扩展的w s d l 实现w s d l 到d a m l s 本体的映射，再将语义信息扩展 到u d d i 中。 3 武汉理工大学硕士学位论文 国外的经典研究有： 美国卡内基梅隆大学的m a s s i m op a o l u c c i 提出的基于d a m l - s 的a u g m e n t u d d i 语义w e b 服务注册系统【7 i 。该系统的匹配思想成为后来的语义w e b 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w e b 服务的 输输出的匹配。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m a r kk l e i n 和美国纽约大学的a b r a h a mb e m s t e i n 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w e b 服务。由于过程本体与w s d l 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l s d i s 实验室的m e t e o r - s 系统，采用语义本体论推理 和q o s 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【9 】。 国内的经典研究有： 清华大学的许斌、李涓子等提出了一种w e b 服务语义标注方法【。为了对 w s d l 文件进行自动语义标注并提高标注的准确度，采用o w l 描述的领域本体 来增强w s d l 文件的语义信息，利用x m ls c h e m a 的格式信息与本体概念之间 的相似性，实现对w c b 服务的语义标注，并制定w s d l 到o w l - s 的转换规则，生 成o w l - s 格式的w e b 服务语义描述。 山东大学的李庆忠、王凯等对w e b 服务语义描述和语义匹配进行研究【l 在语义描述方面，运用语义本体定义和表述w e b 服务，参考w e b 服务本体 o w l - s 设计相关的服务本体和领域本体，并运用到既定的w e b 服务匹配算法 中。在w e b 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1 9 7 7 年知识工程的鼻祖f c i g e n b a u m 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9 0 年代初，哲学中“o n t o l o g y 被舢领域借鉴，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。 4 武汉理工大学硕士学位论文 国外的经典研究主要有： w 3 c 致力于本体的研究始于2 0 0 1 年，w 3 c 的w e b o n t o l o g y 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2 0 0 2 年1 月起开始制订o w l ( o n t o l o g yw 曲l 锄g u a g e ) 标准规澍1 2 】。2 0 0 4 年2 月1 0 日，o w l 已成为了w 3 c 的正式推荐标准。o w l 促进了由x m l ，r d f ( s ) 支持 的w 曲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( k s l - k n o w l e d g es y s t e m sl a b o r a t o r y 以 下简称k s l ) ，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。k s l 的n g r u b e r 在1 9 9 3 年最早提出了“本体” 在知识工程领域的定义。目前，k s l 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【1 3 】。 德国卡尔斯鲁厄大学( u n i v e r s i t yo fk a r l s r u h e ) 的r u d is t u d e r ，a l e x a n d e r m a e c h e 和以他们为首的应用情报学和规范描述方法研究所( a i f b i n s t i t u t eo f a p p l i e di n f o r m a t i c sa n df o r m a ld e s c r i p t i o nm e t h o d s ) 对本体基础理论( o n t o l o g y l e a r n i n g ) 和本体的数学表达进行了深层次的研究。a i f b 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【1 4 1 。 欧洲的o n t o w e b 依托a i f b 研究所的o n t o w e b 项目，建立了以知识管理为 目的的网上知识门户o n t o w 曲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2 0 世纪9 0 年代初。 国内对于本体的研究主要有： 中国科学院自1 9 9 8 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( o o r a - o n t o l o g y - o r i c n t e dr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ) 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。 5 武汉理工大学硕士学位论文 另外，浙江大学人工智能研究所早在1 9 8 5 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 【1 5 】 国内外重要的本体系统主要有t 1 6 】：基于心理语言规则的英文词典w o r d n c t ： 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f r a m e n e t ：南加州大学信息科学研究所( i s i - i n f o r m a t i o ns c i e n c e si n s t i t u t e ) 的b i l lm a n n 和c h r i s t i a nm a t t h i e s s e n 等人开发的g u m ( 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；s e n s u s 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。o n t o s e e k 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。c y c o r p 集团正在进行的c y c 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( h o w n e t ) 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m i k r o k m o s ，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 l e a m i n g 服务的发布与发现过程中，支持基于语 义的e - l e a r n i n gj 艮务的发布与发现。本文提出了一个基于领域本体的e l e a r n i n g 服务发布与发现框架，该框架将学科本体引入e l e a r n i n g 服务发布与发现过程 中，增强了e - l e a r n i n g 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。 主要研究内容归纳如下： 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 深入学习和研究了本体和w e b 服务相关的理论知识。包括本体的概念、 描述语言o w l 的语法、本体构建的方法和步骤、本体开发工具等以及w e b 服 务描述语言w s d l 、w 曲服务发布与发现过程、服务描述方法和集成协议u d d i 以及用于w e b 服务调用的简单对象访问协议( s o a p ) 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p r o t 6 9 6 ，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 - l e a r n i n g 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u d d i 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 l e a r n i n g 服务基本信息。 4 ) 基于该框架利用j a v a 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 l e a r n i n g 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 l e a r n i n g 服务。 本研究的创新点主要体现在： 1 ) 将本体技术引入到e - l e a r n i n g 服务的发布与发现过程中，实现对 e l e a r n i n g 服务发布和发现信息的语义描述，提高e l e a r n i n g 服务查找准确性。 2 ) 分析了语义w 曲服务相关技术，提出了一种基于本体的e l e a r n i n g 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w e b 在e l e a m i n g 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w e bs e r v i c e 相关理论，对本体的概念、描述 语言、开发工具，w e bs e r v i c e 关键技术以及语义w e b 服务描述模型进行了深入 武汉理工大学硕士学位论文 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 l e a r n i n g 服务发布与发现做好准备。 第4 章提出一种基于本体的e l e a r n i n g 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u d d i 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 l e a r n i n g 服务信息。在该框架的基础上，对w e b 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 l e a r n i n g 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 l e a r n i n g 服务的语义描述，能够实现 e l e a r n i n g 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。 s 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于本体的w e b 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w 曲服务技术 以及语义w e b 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。w e b 服务技术包括w e b 服务的概念、核心协议及发布与发现机制。语义 w e b 服务主要研究其概念及描述模型o w l - 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 o n t o l o g y 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1 9 9 8 年s t u d e r 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( o n t o l o g yi saf o r m a l ，e x p l i c i ts p e c i f i c a t i o no fa s h a r e dc o n c e p t u a l i z a t i o n ) 旧这个定义体现了本体的4 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。 2 ) 明确( e x p l i c i o 所使用的概念及其约束都有明确的定义。 3 ) 形式化( f o r m a l ) o n t o l o g y 是计算机可读的，即能被计算机处理的。 4 ) 共享( s h a r e ) o n t o l o g y 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( 入、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 9 武汉理工大学硕士学位论文 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w e b 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w e b 相关的本体描述语言【1 8 】。 传统的本体描述语言主要有：k i f 、o n t o l i n g u a 、l o o m 和o c m l 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w e ；b 技术的研究已成为知识管理领 域的最新热点【1 9 1 。 与w e b 相关的本体描述语言主要有r d f 和r d f s 、s h o e 、x o l 、o m l 、 o i l 、d a m l 、o i l + d a m l 、o w l 。其中r d f 和r d f s 、o i l 、d a m l 、o i l + d a m l 、 o w l 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x m l 的。而s h o e 是基于h t m l 的，是h t m l 的一个扩展。 目前，w 3 c 推荐的与本体语言相关的标准有三个：x m l 、r d f r d f s 、o w l ， 如图2 1 所示。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 0 昵 上 d a m i ，+ o i l d a m l o n to i l 、i l f s x o lt o p i cm a p s i s m i lr d f h t m 【l x m l + n a m e s p a e e + x m l s c h e m a u n i c o d e删 图2 1w 3 c 的本体语言栈 下面对最流行的本体描述语言进行简要介绍。 2 1 2 1r d f r d f s 简介 r d f ( 资源描述框架) 是w 3 c 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。r d f 的目标 是为w e b 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，r d f 提供了w e b 数据集成的元数据解决方案刚。 r d f 语言主要功能特征所描述的内容包括： 1 ) r e s o u r c o ：一类特定的信息条目，通常是一个w 曲站点；资源，通常以 切地进行标识； 2 ) c l a s s s u b c l a s s ：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 ) p r o p e r t y ：连接两个相关资源； 4 ) d o m a i n r a n g e ：一个p r o p e r t y 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 ) c o n t a i n e r ：资源集合可组织在c o n t a i n e r 中。c o n t a i n e r 包括：“集”，元 素的“次序”，即按一定的顺序排列，以及“其他的选择”【2 。 r d f 与x m l 之间的关系非常紧密，事实上，它们之间是互补的：r d f 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x m l 的数据规定 武汉理工大学硕士学位论文 语义。r d f 是一种元数据模型，而x m l 是一种语法格式。r d f 数据模型可 以用x m l 表示，也可以用其他语法格式描述【2 2 1 。r d fs c h e m a 是基于r d f 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。r d fs c h e m a 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。 2 1 2 2o i l 和d a m l 简介 o i l ( o n t o l o g yi n t e r c h a n g el a n g u a g e ，o n t o l o g yi n f e r e n c el a y e r ) 是由斯坦福大学、 荷兰阿姆斯特丹大学等多家机构从2 0 0 0 年开始联合开发，它所依托的项目是 o n t o k n o w l c d g e 。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。o i l 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o i l 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