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基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法及其应用研究 中文摘要 基于角色概念的o n t oio g y 工程化方法及其应用研究 中文摘要 o n t o l o g y 最早是一个哲学的范畴，后来随着人工智能的发展，被人工智能界 赋予了新的定义。在语义w e b 中，o n t o l o g y 具有非常重要的地位，是解决语义层 次上w e b 信息共享和交换的基础。对于o n t o l o g y 建模，虽然人们提出了许多开 发方法，但是这些方法大都是基于特定领域的，没有出现成熟的方法论作为支持。 本文针对o n t o l o g y 构建中存在的语义混乱现象，讨论基于语境和角色概念处 理语义冲突方法；然后借鉴软件工程领域开发软件的原理，提出基于角色概念构 建o n t o l o g y 的工程化方法，并将该方法应用到基于o n t o l o g y 的学习支持系统开 发实践中。因此，本课题研究的主要内容为： ( 1 ) 基于角色概念的o n t o l o g y 分析方法。上世纪7 0 年代晚期，角色概念开 始出现在计算机领域的知识表示和概念建模中。角色概念在概念建模领域的引入 主要用来解决这样的问题：捕获被表示实体真实而又复杂的变化，而同时保持它 们各自的身份。例如，当一个“学生一变成了“职工 ，而其本质身份“人”应当 保持不变。近年来，国外研究者开始将角色概念引入到o n t o l o g y 概念建模中。实 践证明，完善的角色概念分类法，是构建良好o n t o l o g y 的基础。但国内类似的实 践及其研究尚处于起始阶段，相关文献极少。 专 本文在查阅大量国外相关参考文献的基础上，综合论述了角色概念分析理论 在o n t o l o g y 构建中的最新研究成果。其中包括基本概念、角色概念、角色持有者 和语境之间关系与分类，角色分析理论在o n t o l o g y 构建中的应用方法。 ( 2 ) 在总结已有o n t o l o g y 构建方法的基础上，借鉴软件工程领域软件开发的 成功经验，结合o n t o l o g y 开发的特点，提出基于角色概念构建o n t o l o g y 的工程 化方法。考虑到o n t o l o g y 开发大都是一个长期进化的过程，故该方法可以借鉴软 件工程中的原型演化方法，强调整个开发过程的文档化工作，提出o n t o l o g y 开发 的生命周期模型及其部分文档的格式。 ( 3 ) 应用( 2 ) 中提出的基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法，进行中学信息技 术课程教学相关o n t o l o g y 的构建。要创建的o n t o l o g y 是基于目标o n t o l o g y 的学 习支持系统的核心。本研究课题以中学信息技术教学相关o n t o l o g y 的构建为研究 ! 苎塑茎 董主垄鱼壁垒箜旦旦竺! 丝兰三堡些查鎏墨基壁旦竺壅 对象进行探讨。 ( 4 ) 在构建中学信息技术教学相关o n t o l o g y 的基础上，开发了基于o n t o l o g y 的学习支持系统，为中学信息技术教学相关的教师和学生提供有效的教学支持。 关键词：本体，角色概念，语境，本体工程 作者：孙全党 指导教师：龚声蓉 t h er e s e a r c ho f o n t o l o g ye n g i n e e r i n gm e t h o da n da p p l i c a t i o nb a s e do nr o l ec o n c e p t s a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fo n t o l o g ye n g i n e e r i n gm e t h o da n d a p p l i c a t i o nb a s e d o nr o l ec o n c e p t s a b s t r a c t o n t o l o g yo r i g i n a t e df r o mp h i l o s o p h yf i e l da tf i r s ta n da c q u i r e sn e wd e f i n i t i o n a s s i g n e db ya if i e l d l a t e rw i t hd e v e l o p m e n to fa i r e c e n t l y , o n t o l o g yp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ns o l v i n gw e bi n f o r m a t i o ns h a r i n ga n de x c h a n g ei ns e m a n t i cl e v e l m a n yd e v e l o p m e n tm e t h o d sa r ep r o p o s e df o ro n t o l o g ym o d e l i n g ，b u tt h e ya r eb a s e d o ns p e c i a lf i e l d sa n dd o n th a v et h es u p p o r to fm a t u r em e t h o d a tf i r s t , m e t h o d st od e a lw i t hs e m a n t i cc o n f l i c tb a s e do nc o n t e x ta n dr o l ec o n c e p t a r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r , a i m i n ga ts e m a n t i cc o n f u s i o ne x i s t e di no n t o l o g y c o n s t r u c t i n g a n dt h e n ，e n g i n e e r i n gm e t h o d so fo n t o l o g yc o n s t r u c t i o n ，b a s e do nr o l e c o n c e p t , a r ep r o p o s e df r o mm a n yr e f e r e n c e st ot h ep r i n c i p l eo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t i ns o f t w a r ee n g i n e e r i n gf i l e da n d a p p l i e di nt h ed e v e l o p m e n tp r a c t i c eo fs t u d ys u p p o r t s y s t e mb a s e d o no n t o l o g y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o n t o l o g ya n a l y s i sm e t h o db a s e do nr o l ec o n c e p t l a t e1 9 7 0 s ，r o l ec o n c e p t b e g a n 幻e m e r g ei nk n o w l e d g ed e n o t a t i o na n dc o n c e p tm o d e l i n gi nt h ec o m p u t e rf i e l d t h ei n t r o d u c t i o no fr o l ec o n c e p ti nt h ec o n c e p tm o d e l i n gf i e l di sm o s t l yu s e dt os o l v e s u c hp r o b l e m s ：t h et r u ea n dc o m p l e xc h a n g e so fd e n o t e de n t i t yw a sc a p t u r e d ，w h i l e m a i n t a i n i n gt h e i ro w ni d e n t i t y f o re x a m p l e ，w h e na s t u d e n tb e c o m e saw o r k e r ，h i s i n b e i n gi d e n t i t ya sap e o p l ei su n c h a n g e d i nr e c e n ty e a r s ，f o r e i g nr e s e a r c h e r ss t a r t e dt o i n t r o d u c et h er o l ec o n c e p t 幻t h eo n t o l o g ym o d e l i n gs e t p r a c t i c e ss h o wt h a tt h e p e r f e c tr o l ec o n c e p tc l a s s i f i c a t i o ni st h eb a s i sf o rc o n s t r u c t i n ga l le x c e l l e n to n t o l o g y b u t ，t h ed o m e s t i cs i m i l a rp r a c t i c e sa n dr e s e a r c h e sa r es t i l li nt h es t a r t - u pp h a s e ，w i t h v e r yl i t t l el i t e r a t u r e t h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so ft h er o l ec o n c e p ta n a l y s i st h e o r yi nt h e o n t o l o g y c o n s t r u c t i o ni sd i s c u s s e ds y n t h e t i c a l l yb a s e d0 1 1r e f e r r i n gt oa l a r g en u m b e ro fr e l e v a n t i n f o r m a t i o na n dd o c u m e n t s ，w h i c hc o n s i s to ft h ei n t e r r e l a t i o n s h i pb e t w e e na n dt h e c l a s s i f i c a t i o no fb a s i cc o n c e p t , r o l ec o n c e p t , r o eh o l d e r , a n dc o n t e x t ，a n dt h e a p p l i c a t i o nm e t h o d so ft h e r o l e a n a l y s i st h e o r y i n o n t o l o g yc o n s t r u c t i o n t h e c o r r e s p o n d i n gt r e a t m e n t sf o rt h ec a u s eo f r o l ec o n c e p tc o n f u s i o na n ds e m a n t i cc o n f l i c t i no n t o l o g yc o n s t r u c t i o na l s oa r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r ( 2 ) a ne n g i n e e r i n gp r o c e d u r eo fe s t a b l i s h i n go n t o l o g yb a s e do nr o l ec o n c e p ti s a b s t r a c tt h er e s e a r c ho fo n t o l o g ye n g i n e e r i n gm e t h o da n da p p l i c a t i o nb a s e do nr o l ec o n c e p t s p r o p o s e db yr e f e r r i n gt os u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n ti ns o f t w a r e e n g i n e e r i n gf n e da n dc o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fo n t o l o g y d e v e l o p m e n t c o n s i d e r i n gt h a to n t o l o g yd e v e l o p m e n t sm o s t l ya r el o n g t e r me v o l u t i o n a lp r o c e s s ，i t u s e sf o rr e f e r e n c e st oa n t i t y p ee v o l v e m e n tm e t h o di ns o f t w a r ee n g i n e e r i n gf i l e d d o c u m e n t a lw o r ki nd e v e l o p m e n tp r o c e s si se m p h a s i z e d ，a n dl i f e c y c l em o d e la n dt h e s t a n d a r do fp a r to fd o c u m e n t sa l ep r o v i d e d ( 3 ) at e a c h i n go n t o l o g yi n v o l v e di ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc o u r s ei nm i d d l e s c h o o lh a sb e e nc o n s t r u c t e da p p l y i n gt h er o l e - b a s e dc o n c e p tp r o p o s e di ni t e m ( 4 ) c o u r s et e a c h i n go n t o l o g yi st h ek e r n e lo fa l lo n t o l o g y - b a s e ds t u d ys u p p o r t i n g s y s t e m t h ew o r kd o n ei nt h i sp a p e rt a k e sa ne s t a b l i s h m e n to ft e a c h i n go n t o l o g yo f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nm i d d l es c h o o la ss t u d y i n go b j e c t ( 5 ) a no n t o l o g y - b a s e ds t u d ys u p p o r t i n gs y s t e mo fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc o u r s e i nm i d d l es c h o o lh a sb e e nd e v e l o p e do nt h eb a s i so fc o n s t r u c t i n go n t o l o g yo f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nm i d d l es c h o o lt op r o v i d ee f f e c t i v et e a c h i n gs u p p o r tf o r r e l a t e dt e a c h e r sa n ds t u d e n t s k e y w o r d s ：o n t o l o g y , r o l ec o n c e p t s ，c o n t e x t , o n t o l o g ye n g i n e e r i n g i v w r i r e nb ys u n q u a n d a n g s u p e r v i s e db yg o n g s h e n g r o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明? 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 。 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，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，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：珈1 1 乙f t 名 鲁 擞 蝴 雠 凇 籼 师 基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法及其应用研究第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 万维网( w w w - - - w o r l dw i d ew e b ) 是人们获得信息、取得服务的重要渠道之 一。随着其应用的拓广，人们发现w e b 存在两个明显的不足：一是计算机不能理 解网页内容的语义；二是网上有用信息难以寻找。其原因在于w e b 采用的是超文 本标记语言0 - r r m l ) ，网页的内容设计是供人类浏览的，不是供计算机理解和处理 的，w e b 无法为用户提供自动处理网上数据的功能。同时，w e b 是按“网页的地 址，而非“内容的语义刀来定位信息资源的，网上所有信息都是由不同的网站发 布的，相同主题的信息分散在全球众多不同的服务器上，又缺少有效工具将不同 来源的相关信息综合起来。 如何为w e b 上的资源附加上计算机可以理解的内容，便于计算机处理，即“给 出一种计算机能够理解的表示资源的手段，使得用户很方便地找到有价值的信息。 并从中提取出知识内容 已经成为目前信息检索、数据挖掘和知识管理等研究领 域的重要课题。 为了解决上述问题，t i mb e m e r s - 1 e e 在2 0 0 0 年x m l 2 0 0 0 会议上提出了语义 w e b ( s e m a n t i cw e b ) 的概念【l 】。语义w 曲的目标是定义、互联一个在功能方面不仅 仅显示内容( 给人看) 的网络，还要尽量使得机器可以通过各种各样的程序自动操 作、集成以及重复使用整个网络上的信息。语义w e b 是一个“数据网，某种意义 上可以说是全球数据库 。 语义w e b 服务体系的建立必须在语义( 或概念) 层次上解决w e b 信息共享和交 换的问题，而语义w e b 服务体系建立的核心是构建o n t o l o g y 。o n t o l o g y 的建设目 前尚处于初始阶段，o n t o l o g y 开发中存在着诸多问题。主要有： ( 1 ) 需求难确定。o n t o l o g y 是一个领域的概念模型，是为不同应用之间的交互 提供共同的语义基础，领域o n t o l o g y 虽然要为一定的应用服务，但它并不依赖于 某个具体的应用。正是由于o n t o l o g y 的这种基本特性，使得o n t o l o g y 的需求难 以确定，从而直接导致o n t o l o g y 边界的模糊和建设过程的无计划性。 第一苹绪论基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法及其应用研究 ( 2 ) 过程无规范。同任何科学研究活动一样，领域o n t o l o g y 建设需要科学方 法的指导，需要遵循一定的规范和程序。目前领域o n t o l o g y 建设尚未形成合适的 科学方法，也没有一套规范的操作程序，使得当前的o n t o l o g y 建设只能依赖于领 域专家来完成。这种状况难以满足飞速发展的应用需要。 ( 3 ) 共享无保证。o n t o l o g y 建设也是人类知识机器化积累的一个过程，需要考 虑o n t o l o g y 的共享和重用。领域o n t o l o g y 作为领域的概念模型，应能解释数据 库中的数据对象( 实例) ，如同数据库的模式能够解释数据库中的数据。但是， o n t o l o g y 和实例之间的联系是最难建立和维护的。 ( 4 ) 评价无标准。目前对o n t o l o g y 的评价尚无公认的标准，无法对形成的 o n t o l o g y 进行科学合理的评价。没有合适的评价。将直接导致o n t o l o g y 的进化没 有依据，上述问题直接影响到o n t o l o g y 的开发和利用。 开发一个结构良好的o n t o l o g y ，需要o n t o l o g y 设计方法学( m e t h o d o l o g y ) 和开 发环境的支持。o n t o l o g y 开发作为一种新型的软件活动，应该遵循软件工程的思 想，借鉴软件工程的经验。软件工程使得软件生产从程序员的个人劳动提高成为 有组织、可控制的工程，从而大大提高了软件开发的效率和质量。由于o n t o l o g y 更强调知识的共享、重用，它本身的出现就是为了给不同系统之间提供一种统一 的表示。因此，o n t o l o g y 构建中的工程化需求更为强烈。 要有效地构建一个o n t o l o g y ，需要对领域中的概念及其关系有清楚的理解。 因此，o n t o l o g y 构建工作的重点主要集中于领域的概念化上。这主要涉及到领域 的语义信息建模。在构建o n t o l o g y 时，必须分析清楚领域的概念、关系和角色。 尽管目前已有多个o n t o l o g y 系统开发出来，但其中大多没有充分考虑o n t o l o g y 理论。例如，“一个自行车轮 人们可能描述为： ( 橡胶轮概念是车轮的子概念，它的许多属性是从车轮中继承下来的，它是 一个关系) ，同时，人们可能也描述为 ( 前轮仅仅 是轮子扮演的角色，它不是一个关系) 。橡胶轮和前轮有什么不同? 橡胶轮被认为 是车轮的子概念，而前轮不是车轮的子概念，只是车轮扮演的角色。因此，概念 与角色，在构建o n t o l o g y 时，不论是基本o n t o l o g y 的开发，还是分布式开发中 的一些管理，其基本元素是基本概念和角色概念。这些概念的识别和区分是十分 重要的。本文首先综述了国外相关的角色概念分析理论及其在o n t o l o g y 构建中的 2 茎量鱼鱼塑垒竺旦! 竺! ! 望三堡些查鎏墨苎壁旦塑壅墨二雯堕堡 应用，分析了语义混乱的原因，并给出了相关文献采取的处理方法。然后，在研 究o n t o l o g y 构建的基本方法的基础上，借鉴软件工程领域中的软件开发方法结合 o n t o l o g y 开发的特点提出基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法。最后，应用该方 法开发了基于o n t o l o g y 的中学信息技术课程的教学支持系统。 1 2 研究综述 1 2 1o n t o l o g y 的定义 o n t o l o g y ( ；z l s ：体) 原是一个哲学上的概念，指客观存在的一个系统的解释和说 明，客观现实的一个抽象本质。在近几年作为信息抽象和知识描述的工具被计算 机领域所采用。关于o n t o l o g y 很多人给出了不同的理解，其中g r u b e r 的定义得 到众多认可，他认为o n t o l o g y 是概念模型的明确规范的描述圆。w ：n b o r s t 对 该定义也进行了引申“o n t o l o g y 是共享的概念模型的形式化的规范说明 ( a n o n t o l o g yi saf o r m a ls p e c i f i c a t i o no fas h a r e dc o n c e p t u a l i z a t i o n ) 川。 f e n s e l 对这个定义进行分析后认为o n t o l o g y 的概念包括四个主要方面： ( 1 ) 概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) - 客观世界的现象的抽象模型； ( 2 ) 明确( e x p l i c i 0 ：概念及它们之间联系都被精确定义； ( 3 ) 形式化( f o r m a l ) 精确的数学描述； ( 4 ) 共享( s h a r e ) - o n t o l o g y 中反映的知识是其使用者共同认可的。 o n t o l o g y 的目标是捕获相关的领域的知识，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式上给出这些词汇( 术语) 和词汇之间相互关系的明确定义。 1 2 2o n t o l o g y 构建方法论的研究 目前已有的o n t o l o g y 很多，出于对各自问题域和具体工程的考虑，构造 o n t o l o g y 的过程也是各不相同的。由于没有一个标准的o n t o l o g y 构造方法，不 少研究人员出于指导人们构造o n t o l o g y 的目的，从实践出发，提出了不少有益于 构造o n t o l o g y 的标准，其中最有影响的是g r u b e r 于1 9 9 5 年提出的5 条规则4 1 ： 3 第一章结论基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法及其应用研究 ( 1 ) 明确性和客观性：即o n t o l o g y 应有效地说明所定义的术语的内涵。这里 的定义应该满足：定义是客观的，且与背景是独立的；定义是形式化的，也 就是说，当定义可以用逻辑公理表达时，就应该用逻辑公理表达： ( 2 ) 完全性：定义应该尽可能完整，完整定义比部分定义要好。除此之外，所 有的定义应该用自然语言加以说明。 ( 3 ) 一致性：一个o n t o l o g y 应该前后一致，也就是说，由这个o n t o l o g y 推理 出来的概念定义应该和这个o n t o l o g y 中的概念定义一致，而且，它所定义的公理 以及用自然语言说明的文档也应该是一致的。如果从一组公理中推理出来的一个 句子与一个非形式化的定义或实例矛盾，那么这个o n t o l o g y 就是不一致的。 ( 4 ) 可扩展性：o n t o l o g y 应该为可预料的任务提供概念基础。一个o n t o l o g y 提供一个共享的词汇系统，它应该在其任务范围内提供概念基础。人们应该能够 在不改变原有定义的前提下，以这组存在的词汇为基础定义新的术语。 ( 5 ) 最小o n t o l o g y 承诺：o n t o l o g y 的承诺应该最小，只要能满足特定的知识 共享需求即可。o n t o l o g y 应该对所模拟的事物产生尽可能少的推断，让共享者自 由地按照他们的需求去专门化和实例化这个o n t o l o g y 。由于o n t o l o g y 承诺是以词 汇的使用为基础，所以可以通过指定约束最弱的公理和只定义那些基本术语( 如只 定义通讯所需的术语) 来实现o n t o l o g y 承诺最小化。 上面所述原则给出了构建o n t o l o g y 的基本思路和框架，其不足之处是它们所 反映的内容很模糊而且难以把握。 依据上面的原则，人们构建了许多o n t o l o g y ，与此同时也出现了一些o n t o l o g y 构建的方法。比较有代表性的有：m i k eu s h o l d & m i c h e a lg r u n i n g e r 的s k e l e t a l m e t h o d o l o g y ( 骨架法) 阁、m i c h e a lg m n i n g e r & m a r k sf o x 的企业建模法( t o v e ) 1 6 1 、 m a r i a n of e r n a n d e z & g o m e z p e r e z 的“m e t h o n t o l o g y 方法【7 l 、b e m e r a s 方法【8 1 、 i d e f 一5 方法翻等。其中许多本体构建都以一个具体任务为起点，这样易于知识的 获取和本体功能的描述，这就使得本体构建成功与否很大程度上依赖于具体项目， 没有形成一套作为“科学或“工程过程的完整方法论。此外，上述方法大多 都是基于框架语言的，没有充分考虑o n t o l o g y 的基本理论。 4 基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法及其应用研究 第一章绪论 1 2 3 角色理论在o n t o l o g y 构建中的应用研究现状 在构建o n t o l o g y 时，必须分析清楚领域的概念、关系和角色，否则会出现语 义混乱的可能，使本体的可用性大打折扣。例如，如果不区分角色概念和基本概 念，那么对于 ，如果某人辞职不再是教师，那么雠也 就不再是人，显然，这与现实世界是相违背的。为了解决类似问题，人们首先在 多个领域进行了角色概念的定义及处理的相关研究，如知识表示、描述逻辑、知 识工程、面向对象的概念化建模、多代理系统以及社会学和哲学等。同样，在 o n t o l o g y 工程中角色概念也是一个重要的主题。j o h ns o w a 等提出了一种称为概 念图的知识表示方法并定义了一个项层o n t o l o g y 【l o 】，他将“角色”放在“事实 之下，并将其分为“f i r s t n e s s ，s e c o n d n c s s 及“t h i r d n e s s 。m a s o l o 等在研究 了这些领域的文献之后提出了一个社会角色的问题【1 1 1 ，g u a r i n o 提出了与角色概 念相关的问题，如i s a 重载等【1 2 1 。德国l e i p z i g 大学的l o e b ef r a n k 在他的博士论 文( a n a n a l y s i so fr o l e s t o 聊同so n t o l o g y - b a s e dm o d e l i n g ) ) 【1 3 】中详细阐述了 角色分析理论在o n t o l o g y 建模中的应用。 ： 日本大阪大学的r i i c h i r om i z o g u c h i 将概念分为基本概念、角色概念和角色持 有者，并将概念间的基本关系分为i s - a ，p a r t - o f , a t t r i b u t e o f 关系。基于角色概念 分类理论较好地解决了o n t o l o g y 概念建模中的语义混乱问题，基于这一角色分类 理论，大阪大学i s 瓜研究所的m i z o g u c h i 研究室开发了一个o n t o l o g y 开发环境 h o z o 1 4 1 。现在该软件的最新版本为5 o l 版1 5 1 ，该系统在日本已经进入实用阶段。 根据文献检索情况，目前国内尚未发现有基于角色分析理论构建o n t o l o g y 的案例 报道。基于角色概念理论的本体构建环境h o z o 在国内应用也不多见，基于角色 概念分类理论构建本体需要引起我们的重视。本文的重点集中于基于角色概念分 类理论与o n t o l o g y 工程化开发方法的研究与应用。 1 2 。4o n t o l o g y 的开发和应用情况 在知识工程中，关于o n t o l o g y 研究是在近一、二十年的事情。自2 0 世纪9 0 年代初以来，国际上举行了多次与o n t o l o g y 相关的专题会议。本体论和本体工程 是语义网目前的研究热点。鉴于语义网研究的重要价值，除了w 3 c 成立了专门的 5 箜二童笙垒茎王鱼鱼塑鱼箜旦! 塑! ! 型三堡些查鎏丝基生旦型壅 工作组来推动语义网技术的发展，国外的很多大学、研究机构、大公司也成立了 专门的项目组参与研究。2 0 0 1 年7 月3 0 日，在斯坦福大学召开了题为 i n f r a s t r u c t u r ea n dh p p li c a t i o n s f o r t h es e m a n t i cw e b 的学术会议。2 0 0 2 年 7 月9 日，在意大利召开了1 s ti n t e r n a t i o n a ls e m a n t i cw e bc o n f e r e n c e 会议。 目前，i s w c ( 国际语义网大会) 、a s w c ( 亚洲语义网会议) 和w w w ( w w w 大会) 是语义网 研究的主要会议，其中o n t o l o g y 是每次大会关注的热点。2 0 0 6 年9 月3 日在北 京的清华大学召开了第一届亚洲语义w e b 会议( a s w c2 0 0 6 一一1 s ta s i a ns e m a n t i c w e bc o n f e r e n c e ) 。在本次会议( a s w c2 0 0 6 ) 录用的7 5 篇论文中，论文题目中包含 “o n t o l o g y 的论文就有2 5 篇。 此外近几年来知识工程界的o n t o l o g y 研究也如火如荼，出现了不少的研究成 果。根据文献报告的研究成果有：建立了各式各样的o n t o l o g y 、提出了基于w e b 的工具，用于创建、编辑、浏览和使用o n t o l o g y 、提出了许多形式化的o n t o l o g y 表示机制、开发出了用于构造和评价o n t o l o g y 的初级工具、支持不同语言互操作 的语义转换工具等。尽管随着研究的深入会遇到许多困难，但o n t o l o g y 研究将会 吸引更多的研究者，并将成为今后更加活跃的研究领域。 关于o n t o l o g y 的应用情况，美国国防部正在实施的大型研究项目：高性能知 识库系统_ h p k b ( h i g hp e r f o r m a n c ek n o w l e d g eb a s e ) 的核心就是o n t o l o g y 知识 库。h p k b 的研究目标是使知识库系统的开发者能迅速地( 几个月内) 建立一个大容 量的知识库，h p k b 采用o n t o l o g y 作为基本知识库的知识表示工具，使知识库具 有良好的表达能力和可重用性，它始于1 9 9 7 年，现在还正在研究中。c y c 系统是 美国m c c ( m i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司的研 究项目，其目的是通过o n t o l o g y 开发为常识推理( c o m m o ns e n s er e a s o n i n g ) 提供 基础。其规模有1 0 5 个概念类型，1 0 6 条公型1 6 1 。t o v e ( t o r o n t ov i r t u a le n t e r p r is e ) 系统是加拿大多伦多大学的研究项目，其目的是企业建模，构造企业o n t o l o g y 。 可通过演绎推理实现对企业相关信息的问题求解。e n t e r p r i s e 系统是英国爱丁堡 大学人工智能应用研究所( a i a i - - a r t i f i c i a ti n t e l l i g e n c ea p p l i c a t i o n i n s t i t u t e ) 的研究项目，目的是通过一个集成框架来集成企业建模的方法和工具， 以改进和代替现有的建模方法【1 7 1 等等。在我国，中国科学院数学研究所于1 9 9 8 年开始，由陆汝钤院士承担了一项国家自然科学重点基金项目：常识知识的实用 6 薹至塑鱼塑垒塑竺! 竺! 竺墅三堡些查鲨垄茎壁旦翌窒，墨二主丝堡 研究。研究的目的之一是研究常识知识o n t o l o g y 理论及其与人的智能的关系，提 出a g e n t 和o n t o l o g y 是常识知识库的两大支柱的观点，目的是建立一个大规模的 常识知识库，探讨利用常识知识解决一些实际问题( 如自然语言理解等) 中涉及的 常识问题【1 8 1 ，在此基础上进一步探讨一般的常识性知识的处理和实用研究。从文 献上看，王听、熊光楞的“基于o n t o l o g y 的设计原理信息提取”【l 卅；吴文渊、 曾振柄、符红光的“基于o n t o l o g y 的平面几何知识库设计 1 2 0 等都是o n t o l o g y 的应用。王昕、熊光楞提出了一种基于o n t o l o g y 的设计原理信息提取方法，该方 法以设计原理的知识模型为基础，通过查询驱动的用户界面，可以动态的预测设 计人员所关心的问题，并给出相应的回答。他们以铁路货车转向架设计为例说明 了智能信息提取的实现。吴文渊，曾振柄，符红光给出了o n t o l o g y 建模方法在平 面几何知识库设计中的一个应用实例。开发教学目标o n t o l o g y ，并将o n t o l o g y 疗法应用到智能教学系统的成功案例相对较少，最近在这方面的应用研究有逐渐 升温的趋势。 1 3 研究内容与论文组织 本课题的主要研究内容是深入研究角色分类理论的基础上，参考软件工程开 芡软件的过程步骤，结合o n t o l o g y 构建的特点，基于角色概念提出o n t o l o g y 过 陧中标准化的表达方式和规范化的工作步骤。然后应用此方法构建中学信息技术 果程教学o n t o l o g y ，并在此基础上开发基于目标o n t o l o g y 的中学信息技术课程学 习支持系统。文章的组织结构如下： 第一章为绪论部分，首先说明论文选题的背景和研究内容及其意义，然后分 析了当前国内外o n t o l o g y 构建方法论的研究现状，引出基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法及其应用研究。 第二章讨论了国外相关的文献关于基于角色概念进行o n t o l o g y 概念分析的基 本理论和方法。在介绍f i r s t n e s s 、s e c o n d n e s s 和t h i r d n e s s 概念的基础上，引入了 o n t o l o g y 构建中的基本概念、角色概念和角色持有者等概念。在详细区分三者之 间关系的基础上，总结了o n t o l o g y 构建过程中基于基本概念、角色概念和角色持 有者分类进行概念组织的方法。 第三章在前一章内容的基础上参考相关文献进一步展开讨论，强调角色概念 7 第一章绪论 基于角色概念的o n t o l o g y _ - 1 2 程化方法及其应用研究 的语境依赖性，利用语境来对角色分类，分析了复杂语境( 多语境) 下的角色概 念分析处理方法。然后讨论了概念提取中语义混乱的原因及其对策。最后讨论了 基于角色概念的多语境依赖性构建o n t o l o g y 概念模型的方法。 第四章首先分析了目前典型的几个o n t o l o g y 构建方法，针对其中存在的不足， 借鉴软件工程中软件开发方法论，提出了基于角色概念的o n t o l o g y 工程化开发方 法及其生命周期模型，给出部分阶段的规范化文档描述。、 第五章为基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法的具体应用，利用该方法构建 了中学信息技术课程教学o n t o l o g y ，其中包括需求分析、基于角色概念分类的 o n t o l o g y 概念抽取，构建o n t o l o g y 的形式化描述。 第六章主要讨论了在中学信息技术课程教学o n t o l o g y 的基础上开发的基于 o n t o l o g y 的学习支持系统。 第七章为总结和展望。 8 基于角色概念的o n t o l o g y 工程化方法及其应用研究 第二章基于角色概念构建o n t o l o g y 的基本方法 第二章基于角色概念构建o n t o l o g y 的基本方法 角色概念是一个概念在语境中所扮演的角色，将角色概念与其它概念相区别 有助于建立一个理论上健全的o n t o l o g y ，这样建立的o n t o l o g y 能够恰当准确地描 述领域的概念及其关系。 2 。1f i r s t n e s s 、s e c o n d n e s s 和t h i r d n e s s 概念 实际