（计算机应用技术专业论文）模型资源的语义表示和应用研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 在组织决策支持系统中，决策的制定离不开决策模型。数据和模型广泛地分布在整 个组织中，模型资源被及时准确地找到是实现模型共享的前提，模型资源的语义表示和 基于语义的模型发布、请求是模型管理过程中密不可分的两个方面。 要使具有不同应用背景的用户在讨论同一个模型的时候能形成统一的理解，用户要 求的语义及模型资源包含的语义就要以明确的方式表示并被机器理解。本体作为知识和 概念描述的重要工具，能以明确、一致的方式表达概念的内涵。 作者试图用本体为模型管理中的语义表示和处理提供支持，在相关研究分析的基础 上，探讨了本体中概念的包含算法和模型资源的语义标注问题，研究了基于本体的模型 发布和请求系统，对模型资源的语义表示和应用作了初步的分析和探讨。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 通过对组织决策支持系统所需模型的详细分析，建立了模型资源的数学模型， 提出了模型资源的语义表示和应用系统体系结构； ( 2 ) 在t a b l e a u 撅念包含算法工作基础上进行了扩展：计算整个t b o x 中定义的所有 概念之间的包含关系，计算概念的l c s ( l e a s tc o m m o ns u b s u m e r ) ，也考虑到那些包含 某概念却不是该概念的l c s 的概念，特别是具有祖孙关系的概念： ( 3 ) 提出了将标注和模型资源本身分开的原则，克服了必须修改模型资源本身的缺 陷，使模型资源的标注处理更加灵活； ( 4 ) 提出了预计算概念：在模型的发布阶段，计算相关本体中每个概念与这个模型 中概念的包含关系，模型的发布是一次性事件，对模型的请求可能会经常发生，在发布 时花一定时间处理模型的语义，在请求时，不需计算只需查询就可以得到请求的模型， 因此提高了对请求的响应速度。 关键词：决策支持系统；模型；本体；描述逻辑；w e b 服务 山东科技大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t i no r g a n i z a t i o n a ld e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m d e c i s i o n m a k i n gf o r m u l a t i o nc a n n o tl e a v et h e d e c i s i o nm o d e l s d a t aa n dm o d e l sa r ew i d e l yd i s t r i b u t e di nt h ee n t i r eo r g a n i z a t i o n i ti sa p r e m i s eo fi m p l e m e n t i n gm o d e l ss h a r i n gt h a tt h em o d e lr e s o u r c es h o u l db ef o u n dp r o m p t l y a n da c c u r a t e l y m o d e lr e s o u r c e ss e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o na n ds e m a n t i c - b a s e dp u b l i s h i n ga n d q u e r y i n ga r et w oi n s e p a r a b l ea s p e c t si nt h em o d e lm a n a g e m e n tp r o c e s s i n0 r d e rt of o r l t lu n i f i e du n d e r s t a n d i n gw h e nu s e r sw i md i f f e r e n ta p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d d i s c u s st h es a m em o d e l s e m a n t i ct h a tt h eu s e rr e q u i r e da n dt h em o d e lr e s o u r c ei m p l i e ds h o u i d b er e p r e s e n t e de x p l i c i f l ya n db eu n d e r s t o o db yt h ec o m p u t e r o n t o l o g y , a sa ni m p o r t a n t d e s c r i p t i o nt o o lo fk n o w l e d g ea n dc o n e e 口t ，c a ne x p r e s sc o n c e p t s i n t e n t i o ni na ne x p l i c i ta n d c o n s i s t e n tw a y t h ea u t h o ra t t e m p t e dt oe m p l o yo n t o l o g yt op r o v i d es u p p o r tt os e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o na n d p r o c e s s i n gi nm o d e lm a n a g e m e n t b a s e do na n a l y s i so f r e l a t e dr e s e a r c h ，a l g o r i t h mo f c o n c e p t s u b s u m p t i o ni no n t o l o g ya n dq u e s t i o no fm o d e lr e s o u r c es e m a n t i ca n n o t a t i o nw e r ed i s c u s s e d o n t o l o g y - b a s e dm o d e lp u b l i s h i n ga n dq u e r y i n gs y s t e mw a si n v e s t i g a t e d m o d e lr e s o u r c e s e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o na n da p p l i c a t i o nw a ss t u d i e d p r e l i m i n a r ya n a l y s i sa n dr e s e a r c hw a s d o n eo nm o d e lr e s o u r c e ss e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o na n da p p l i c a t i o n t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y s i so ft h em o d e l st h a tn e e d e db yt h eo r g a n i z a t i o n a ld e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ，m o d e lr e s o u r c em a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t 曲l i s h e d a r e h i t e c t u r eo fm o d e lr e s o u r c e s e m a n t i cr e p r e s e n t a t i o na n da p p l i c a t i o ns y s t e mw a sp r o p o s e d ( 2 ) e x t e n s i o nw a sm a d ei n t h ew o r ko ft a b l e a nc o n e 印t s u b s u m p t i o na l g o r i t h m ： s u b s u m p t i o n so fa l l c o n e e d t sd e f i n e di nt h ee n t i r et b o xw e r ec a l c u l a t e d l c s s ( l e a s t c o m m o ns u b s u m e r ) o f c o n e e p t sw e f ec a l c u l a t e d t h o s ec o n e 印i st h a ts u b s u m es o m ec o n c e p t b u ta r en o tl c s s ，e s p e c i a l l yt h o s ec o n c e p t st h a th a dt h er e l a t i o no fg r a n d p a r e n ta n dg r a n d c h i l d a r ec o n s i d e r e d ，t o o ( 3 ) t h ep r i n c i p l e 也a ta n n o t a t i o na n dt h em o d e lr e s o u r c ei t s e l fs h o u l db es e p a r a t e di s p r o p o s e d , w h i c ho v e r c o m e st h es h o r t c o m i n gt h a tm o d e lr e s o u r c ei t s e l f h a dt ob em o d i f i e da n d m a k e st h ep r o c e s so f m o d e lr e s o u r c ea n n o t a t i o nm o r ef l e x i b l e ( 4 ) t h ec o n c e p to fp r e - c a l c u l a t i o nw a sp r o p o s e d ：d u r i n gm o d e lp u b l i s h i n gp h a s e ， s u b s u m p t i o nr e l a t i o nb e t w e e ne v e r yc o n c e p ti nr e l a t e do n t o l o g ya n dp u b l i s h e dm o d e l si s c a l c u l a t e d p u b l i s h i n gm o d e li sao n e - t i m ee v e n tb u tq u e r y i n gm o d e li sh a p p e n e dm o r eo f t e n s o m et i m ew a ss p e n ti nd e a l i n gw i t hm o d e ls e m a n t i cd u r i n gt h ep u b l i s h i n gp h a s e m e n m o d e li sq u e r i e d ，s e a r c hi sm e r e l yn e e d e db u tc a l c u l a t i o ni su n n e c e s s a r yi ng e t t i n gq u e r i e d m o d e l ，h e n c er e s p o n s es p e e di si m p r o v e d k e y w o r d s ：d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ；m o d e l ；o n t o l o g y ；, d e s c r i p t i o nl o g i c ；w e bs e r v i c e 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名弘杉 日 期：p f 6 j a f f i r m a t l 0 n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w bw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na t a n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e 山东科技太学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出 2 0 世纪7 0 年代初期，美国的m s s c o t tm o r t o n 在管理决策系统一文中首次提 出了“决策支持系统”( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，d s s ) 概念，这标志着利用计算机和信 息支持决策的研究与应用进入了一个新的阶段。 随着应用的不断深入和发展，h a c k a t h o m 和k e e n 于1 9 8 1 年提出“组织决策支持” 概念，出现了“组织决策支持系统”( o r g a n i z a t i o n a ld e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，o d s s ) ， 它是一个能对组织决策( 包括参与组织决策的各成员以及组织决策的全过程) 提供支持 的人一机系统【5 0 i 。 决策的制定离不开决策模型。模型是以某种形式对一个系统的本质属性的描述，以 刻画系统的功能、行为及其变化规律。组织中的模型像数据一样，广泛地分布在整个组 织中，是重要的组织资源。当前的决策制定要求安全和容易地存取这些资源、正确理解 模型的含义以及建立的上下文、快速地集成决策模型以及实时地采纳。 可见，在组织决策支持系统中，模型资源能否及时准确地被找到是实现模型菇享的 前提。但是，在组织中的分布式环境下，经常存在这样一种情况：由于历史的原因，组 织的各部门往往针对自己的需求开发决策支持系统和决策模型，这些模型彼此相互独立， 一个部门开发的模型不容易被其他部门准确地知晓，当决策制定者需要某方面的模型时， 他往往不知道是否存在他所需的模型，即使存在，也不知到哪里去找。随着时间的推移， 不同的用户角色拥有的模型各种各样。这些模型对其拥有者来说具有特定意义，对应一 定的语义信息。然而，其他用户要共享使用该用户模型资源的难度较大，因为他们并不 知道该用户所拥有模型资源的语义，他可能通过搜索引擎输入关键词，由于当前的搜索 引擎主要基于关键词的，没有太多的语义支持，所以他不得不花大量时间在搜索引擎返 回的大量无关信息中逐个察看，以期找出可能满足需要的模型。可见，效率非常低。这 就和当前互联网存在的情况一样【1 1 ，组织决策支持系统的现状是一方面用户角色拥有丰 富的模型资源，另方面用户角色找不到所需要的模型。 这就要求对于模型管理的不同方法，即允许决策制定者不仅共享存取而且也能理解 这些模型，从模型集合中选择合适的模型，实时地妥善安排模型的运行。所以，如何适 当地表示模型资源的语义，实现模型资源的语义层面上的表示与模型的发布和请求，以 坐至型茎查兰堡主兰丝堡主 堑堡 达到更高层次的辅助决策能力，是至关重要的。另外，已发布模型与用户所需模型在功 能表述上必然存在一定的差异，这就可能导致在理解上的不同，模型发布者和请求者相 互之问不能真正理解对方所阐述概念的内涵，从而阻碍了查找的顺利进行。为保证查找 顺利，必须有一种机制保证在查找中对所表述的内容理解一致。 早期的d s s 基于集中的计算模型，这就将模型管理者、数据管理者和接口管理者置 于单台计算机上。互联网导致了像w e b 服务那样的面向服务的体系结构，为在广泛分布 的组织环境中对模型和相关信息进行有效的管理提出了新的希望和挑战。 用户在查找模型的时候希望找到满足其个人语义需求的模型，其关键是用广，要求的 语义及模型资源包含的语义能否以明确的方式表示并被机器理解。为了使基于语义的查 询成为可能，合理的选择是在添加过语义标注的模型资源库上查询或者在具有半结构化 形式的模型资源库上提取语义后查询。如果希望具有语义联系的模型被查询到，就必须 添加语义标注，语义的表达可以借助于当前本体研究所取得的成就，也就是用适当的本 体语言显式地将模型的内涵和用户的查询要求表示出来。本体作为知识和概念描述的重 要工具，能以明确、一致的方式表达概念的内涵。采用本体来解释用户表述的概念，该 概念的语义就具有明确的、统一的解释，从而不同应用背景的用户在讨论同一个模型的 时候就能形成统一的理解。 由此可见，本体可以为模型资源的语义表示及应用提供坚强的支持，以本体作为基 础，研究模型资源的语义表示是可行的。 本文的研究工作得到山东科技大学承担的国家自然科学基金资助项目“组织决策支 持系统( o d s s ) 中基于本体论的模型管理研究”( 编号：7 0 3 7 1 0 5 2 ) 的支持。 1 2 相关研究分析 1 2 1 模型表示的相关研究 模型管理是决策支持系统走向实用和成功的关键。 许多学者开展了模型管理系统的理论研究，把人工智能引入模型库管理系统，包括 基于关系的模型管理框架、基于谓词逻辑的模型管理框架、基于图的模型管理框架、结 构化模型管理框架、面向对象的模型管理框架、统一建模语言l u 和基于人工智能推理 技术的模型管理等 3 - 9 1 。这些研究把各种计算机技术应用到模型管理中，从各个侧面探讨 有效管理决策模型的问题。 很多学者认为模型表示是模型管理系统的基础，模型管理的关键在于模型表示方法。 很多学者认为模型表示是模型管理系统的基础模型管理的关键在于模型表示方法。 2 山东科技大学硕士学位论文 绪论 模型表示方法恰当与否直接影响模型的定义、模型操纵、模型求解等具体功能。在模型 表示方面，有结构化构模表示、面向对象表示、模型的数据表示、框架表示和构模语言 表示等各种方法。一个好的模型表示方法应支持模型与方法的集成，模型与方法独立， 支持渐近式构模，支持模型的集成、共享与重用。 使用c s 模型的d s s 设计者面临的关键问题是在客户机和服务器上如何分配功能。 一个简单方法是将模型管理者、数据管理者和接口管理者置于客户机，将模型库和模型 及相关数据存储于服务器。这种方法将导致模型库和客户端应用程序之间的紧耦合，这 就意味着如果改变了应用逻辑，必须为了适应这种改变而修改模型库。 另一种方法称为三层结构，它使客户端只对显示和用户接口逻辑负责，服务器专用 于维护模型库和数据库。中间层存储逻辑和策略，逻辑用来构建或修改模型，策略用于 对存取的信息，以便于模型的构建和修改。这就允许客户和服务器之间的松耦合，因此 就允许多个无关的客户使用相同的服务器或多个服务器( o r a c l e ，s y b a s e 等) 能被同一 客户所访问。 eb a l a s u b r a m a n i a n 等探讨了上述三层体系结构的变种【1 0 1 ，采用面向服务的基于w e b 服务的方法来管理模型，描述了这种体系结构在分布式环境中的实现。其目标是产生一 个环境，通过模型的共享和重用增进基于模型的协同工作。该项研究首先从模型管理角 度提出了一个人员的分类，定义了在这个环境中的三类角色；模型建立者、模型分析者 和决策制定者。确认了管理模型所要求的构模知识的五个层次：工作流知识、评估知识、 操作知识、内容知识和过程知识。然后定义了一个用s m ( s t r u c t u r e dm o d e l i n g ) 来组织 内容知识的形式化描述。从这种模型模式，就可以产生一个电子数据表的正确的总体形 式。用户只需输入数据和函数关系，用户也可以以任何形式定制与模式相一致的电子数 据表的外观。该研究的焦点在于决策制定者以及用来支持他们的构模知识的层次。 在b h a r a d w a j 等的模型管理系统综述【1 1 1 中，指出了三种模型表示方法：数据库表示 法、基于图的表示法和基于知识的表示法。这些方法的区分在于它们所使用的基本概念 不同。数据库表示法设想使用一个特别的数据模型来组织模型，如e r 模型或关系模型。 基于图的表示法依赖于图论概念及将数学模型表示为图、图表或超图。基于知识的表示 法使用知识表示模式，如语义网络、一阶谓词演算和产生式规则。 b h a r g h a v a 描述了一个在互联网上共享模型和解决方案算法的系统d e c i s i o n n e t ，提 出用于查找模型的两种体系结构，一种体系结构为建模语言a m p l 所构造，另一种体系 结构为建模语言g a m s 所构造。两种体系结构都依赖于模型提供者在“黄页”上注册他 3 些查型垫查堂堡主兰垡笙苎 堕笙 们的产品以便能被潜在的模型用户所找到。为a m p l 构造的体系结构要求用户有较多关 于模型、方法学和语言的知识。相反，为g a m s 构造的体系结构在这些方面要求不多， 而要求模型提供者提供关于他们所注册产品的详细信息，更多地依靠系统( 软件a g e n t ) 帮助用户识别和使用模型。由于d e c i s i o n n e t 中模型的运行发生在提供者端，所以，在某 些条件下可能发生拥塞现象。 d o l k 为分布式模型管理提出了一种允许定制的集成建模环境【1 2 】。决策规格( d e c i s i o n m e t r i c s ) 、模型的结构化定义和用于分析和解释结果的模型都分别进行存储，前两者存储 于数据仓库，第三者作为软件组件可根据用户需要进行插入。一个转换过程读取数据仓 库中的模型信息，然后用u m l 语言表示模型，依次翻译成模型运行所需要的可执行代 码，插件附属于可执行代码。还不清楚在这种系统中用户是否可以搜索或查询模型信息 或对模型进行评估。在这种方法中，使用数据仓库来获取结构定义限制了结构化定制扩 展的可能性，而且要求模型提供者和用户都必须对注册的模型和采用的模型有足够的认 识。 林杰等提出了基于w e b 服务的分布模型管理【5 2 】，他们把分布存储在各地的模型视为 独立的对象，运用w e b 服务来实现，并统一管理，形成一个虚拟的模型库，并供分布在 各地的决策者或系统调用。其目的是构建运用于动态联盟的群体决策支持系统，为供应 链中的全局优化决策提供支持。 在所有这些研究中，很少涉及模型资源的语义表示，而对于模型资源的语义表示则 是模型理解的基础，本文针对分布式环境下模型资源的语义表示进行研究，并探讨它在 组织环境中的应用。要表示模型资源的语义，使不同用户角色对模型的功能达成一致理 解，离不开本体。 1 2 2 本体表示的相关研究 本体有多种表示方法，如：表示词汇集的简单表示，表示概念和属性关系的框架和 语义网络表示，能表达丰富语义的逻辑表示，如o n t o l i n g u a ，k i f ，x o l ，s h o e ，o i l ， d a m l + o i l 3 8 1 等都是表示本体的比较成功的方法。总的来看，这些本体表示方法一般可 以分为非逻辑本体表达和逻辑本体表达两类。从概念包含角度来看，非逻辑表达壹观方 便，但必须由用户自己实现推理；逻辑表达可以通过谓词演算自动分类 1 5 】。通用的一阶 谓词逻辑的推理要通过定理证明器实现，但是文献 1 6 1 指出：定理证明器的运行时闻是 不确定的，因此在实用中存在一定问题；另外它的表达能力太强，反两没有真正抓住概 些蔓型垫查兰堡主兰些丝兰 塑堡 念及其关系的本质。描述逻辑是一阶谓词逻辑的子集，它只有概念和角色两个基本成分， 较好地和本体的定义相对应【l7 1 。描述逻辑不像一阶谓词逻辑那样用定理证明器，它通过 专门的过程来推理，降低了推理的复杂度【1 8 】。研究发现，推理的不确定性和计算复杂性 和逻辑语言的表达能力密切相关，表达能力越强推理的不确定性和计算复杂性越大，但 表达能力太弱可能使其无法充分表达领域的概念【1 9 】。用描述逻辑表示的每个概念都使用 逻辑公理来定义，所有定义的概念组成了t b o x 。这些概念只有在被分类后才能有价值， 主要的概念包含方法为结构包含算法【2 0 1 和t a b l e a u x 算法1 2 l 】。前者的运行速度比较快，但 只能对简单的概念表达式分类：而后者能处理复杂的表达式，但如果表达式采用的构造 符太复杂，计算复杂性可能是指数级的口2 1 。 1 2 3 资源标注的相关研究 传统的资源标注方法是采用元数据，例如描述魄予图书资源的d u b l i nc o r e ，软件 a g e n t 可以在元数攒支持下完成靥户的资源检索f 2 3 】。文献【2 4 】从地图资源的角度讨论了元 数据标注问题，它首先定义了包含公共属性的基本资源描述模式，然后通过扩充基本的 模式来实现对其他不同地理资源的标注。但是，由于普通的元数据袭示缺乏语义，其使 用受到较大限制。文献【2 5 】分柝了电子图书标注的发展趋势，指出只要这些元数据据有 丰富的语义，那么a g e n t 就可以在这些拥有丰富语义的元数据上推理，支持用户的语义 查询。在人们对网上信息语义查询的需求目益扩大情况下，语义w e b 的研究逐渐受到重 视，语义w e b 必须在资源标注的基础上工作。w e b 酌发明者t i mb e m e r s ，l e e 指出【2 6 】： 通过语义标注，网上的智能a g e n t 就可以自动处理信息内容、进行精确搜索、资源发现、 信患a g e n t 以及信息过滤等工作。p i f ( p r o c e s si n te r c h a n g ef o r ma t ) 是一种公共的翻译 语富，它服务于异构进程a g e n t s 闻表达的沟通，并支持韭务进程摸型选塌不同的格式和 方案进行交换。原黧系统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 ) 对h t m l 作了小 的扩展，采用在网页上加标注的方式为网页中的内容添加可以被识别的语义信息，允许 w e b 员的作者髑机器可读的知识来注解他们的w e b 文档，s h o e 使w e b 上的智能软件 a g e n t s 成为可能。然而，s h o e 必须对网页本身进行修改，也就是说要么在创建嘲页时 直接添加语义标注，要么对已经创建的阏员进行语义编辑，显然，这种方式由于访问权 限阀题是不灵活的。另外，每次都让推理枫先输入整个文件资源然后再分析处理影响了 系统性能。当前，语义w e b 中采用资源标注的主要目的是为语义查询服务，文献 2 7 描 述了通过语义a g e n t 完成语义的豆操作的方法。文献【2 8 j 分析了当前的语义w e b 研究成 生奎型垫查兰堕主兰垡堡苎 堕丝 果后认为，由于目前一些新开发的语义w e b 的标注符采用本体库，这样就存在标注某一 文档时候因为语义表达的范围比较广而必须引用不同本体库，而用户的语义查询是建立 在这些本体库的集成基础上的，这是一件必须解决但又很困难的事情。 目前的资源标注的重点大都集中在对大量的网页内容的标注方面，而在模型资源的 语义标注方面则研究较少。由于决策模型通常仅涉及一个具体的决策范围，所以，标注 决策模型所采用的本体库就可以限制在单个本体库中。 1 3 课题的研究内容 本选题研究主要包括以下几项内容： 1 研究一个模型资源的语义表示框架，实现在该框架下模型的发布与请求。 研究模型的分类和模型用户的不同类型，为建立一个在分布式的组织环境中支持模 型管理的框架打好基础： 研究模型资源的数学模型，为模型资源的语义表示作准备； 在上述研究的基础上，建立模型资源的语义表示和应用系统体系结构。 2 + 研究适合于表示决策模型知识的本体的概念包含算法以及在此算法支持下模型 资源的语义表示的系统结构。 为了进行模型资源的语义表示，实现概念术语的一致性检查和一致性理解，必须借 助本体的研究成果。模型管理框架之所以能够实现语义层次上的模型表示，其关键在于 在本体中包含了有关模型知识和元知识( 概念，术语以及之间的关系) 的系统定义。而 在模型管理的过程中，往往需要对概念及概念之间的关系进行创建、修改或者删除。在 组织范围内，保证这些操作不会引起矛盾和误解是一个非常重要的问题。为此，需要借 助于描述逻辑的关于概念的推理技术。 在组织中的分布式环境下，为使模型资源被高效检索，必须解决资源的语义表示和 相应的推理问题。模型资源语义标注就可以在计算本体概念包含关系的基础上进行。 3 研究基于本体的模型的发布和请求系统。 研究匹配机制实现模型资源的语义匹配； 建立一个模型库，存储和表示已注册模型的语义信息，研究这个模型库的结构形式， 以实现w e b 模型服务的发布和请求，重点在于如何建立模型资源标注，表示模型的语义 信息。 6 坐查型垫奎堂堡主兰些兰茎 竺堕 1 4 本论文的组织 模型资源的语义表示和基于语义的模型发布、请求是模型管理过程中密不可分的两 个方面，语义的相互理解涉及到了本体表示的问题，本文试图用本体为模型管理中的语 义处理提供支持。全文包括以下6 个部分： 第一章是绪论，有关课题的提出，研究内容介绍，相关研究分析，主要从模型管理 的相关研究，本体表示的相关研究，资源标注的相关研究等三个角度进行讨论。 第二章介绍本体和本体描述语言以及w e b 服务语义标识o w l s ，是有关本论文研 究的理论基础。 第三章是模型资源的语义表示和应用系统分析。首先把组织决策支持系统中用到的 模型进行分类，分析组织决策支持系统的用户角色，针对组织中模型分布式存储的特点， 将用户的常用操作简化为模型的发布和请求，通过对组织决策支持系统所需模型的详细 分析，给出模型资源的数学模型。定义模型资源的语义表示和应用系统中的基本概念、 操作和规则，研究模型的发布和请求过程所进行的操作，提出模型资源的语义表示和应 用系统体系结构。 第四章是本体的概念包含和模型资源的语义标注。模型资源的语义可通过本体来支 持，通过计算本体中的概念包含可以为当前知识点进行分类并提供统一的语义解释，分 类的核心是概念包含算法。采用描述逻辑表示本体，从模型论的角度研究了本体中的概 念包含问题。 为提高在分布式组织环境下对共享模型资源的查找效率，借鉴语义w e b 的研究，提 出了将标注和模型资源本身分开的原则。研究以描述逻辑为基础的标注体系结构，经语 义标注后的模型信息存储于模型资源标注库，以利于对模型资源的查找。 第五章是基于本体的模型发布和请求系统。以w e b 服务的方式表达分布存储的决策 模型的功能。原子模型以w e b 服务的方式存储在组织中的各部门，一个模型对应一个 w e b 服务。用w e b 服务表示的模型注册到组织中一个通用的模型资源库，进行语义标注 后将标注过的描述信息存入模型资源标注库。使用基于功能的描述，可以根据输入、输 出、前提条件和产生的结果( i o p e ) 来表达w e b 服务的功能。这样，基于功能的搜索在 决策本体的支持下将克服基于关键字搜索的局限性，产生较好的搜索结果。 第六章是总结与展望。包括本论文的主要工作总结和对进一步研究工作的展望。 山东科技大学硕士学位论文 本体和本体描述语言 2 本体和本体描述语言 本章介绍本体和本体描述语言以及w e b 服务语义标识o w l s ，是有关本论文研究 的理论基础。 2 1 本体的定义 在英文中，o n t o l o g y 和o n t o l o g y 这两个术语出现在不同的领域，因此它们有不同的 语义。大写字母o 开头的o n t o l o g y 用于哲学领域，是指本体论。本体论是哲学的一个分 支，是- - 1 7 有关存在及其本质和规律的科学，指关于世界某个方面的特定的分类体系， 这个系统不依赖于任何一种特定的描述语言，是客观存在的一个系统的解释或说明，关 一t l , 的是客观现实的抽象本质。小写字母o 开头的o n t o l o g y 用于人工智能领域，称为本体， 是知识工程研究者构造的一项知识工程。从9 0 年代开始，人们给出了本体的多种定义， 由于对本体的理解并不完善，这些定义也在不断的发展变化中，比较有代表性的定义如 表2 1 。 表2 1 本体的有代表性的定义 t a b l e2 1r e p r e s e n t a t i v ed e f i n i t i o n so f o n t o l o g y 范畴提出时间提出人 定义 哲学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 给出构成相关领域词汇的基本术语和关系以及利用这些术语和 1 9 9 1n e c h e s 等 关系构成的规定这些词汇外延的规则的定义口9 】 计算机1 9 9 3g t u b e r 概念模型的明确的规范说明 1 9 9 7b o r s t 共享概念模型的形式化规范说明】 1 9 9 8s m d e r 共享概念模型的明确的形式化规范说明p 2 】 关于最后一个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。概念模型所表现的含义独立于具体的环境状态。 2 明确( e x p l i c i t ) ：所使用的概念及使用这些概念的属性、关系、函数、约束、公 理都有明确的定义。 3 形式化( f o r m a l ) ：本体是计算机可读的( 即可以被计算机处理) 。 4 共享( s h a r e ) ：本体指多个主体所感兴趣的某特定领域的抽象，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，即本体针对的是团体而非个体的共识。 些查型垫查堂堡主兰垡堡苎奎竺塑奎笪塑堕堕童 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) 和词汇间相互关 系的明确定义。 2 2 本体的建模原语 p e r e z 等用分类法组织了本体1 3 3 l ，归纳出5 个基本的建模原语( m o d e l i n gp r i m i t i y e s ) ： 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一( f r a m e ) 结构， 包括概念的名称，与其他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n 维笛卡儿积的 子集：r ：c 1 c 2 一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n 一1 个元素可以唯一决定第n 个元素。形式化的定义为f ：c 1 c 2 c n - 1 一c n 。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x 的母亲。 4 公理( a x i o m s ) ：代表永真断言，如概念b 属于概念a 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，概念之间的基本关系共有4 种，如表2 , 2 。 表2 2 概念之间的基本关系 t a b l e2 2b a s i cr e l a t i o n sb e t w e e nc o n c e p t s 1 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。 i n s t a n c e o f 表达概念的实例与概念之问的关系，类似于面向对象中的对象和类之间的关系。 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“价格”是桌子的一个属性。 在实际的应用中，不一定要严格地按照上述5 类原语来构造本体，概念之间的关系 也不仅限于上面列出的4 种基本关系，可以根据特定领域的具体情况定义相应的关系。 2 3 本体的分类 由于研究本体的机构和组织很多，各种本体定义抓住了本体各方面的特性，因此存 在着不同的本体的分类方式。g u a r i n o 提出以详细程度和领域依赖度两个维度对本体进行 划分3 4 1 。具体说明如表2 3 。 9 山东科技大学硕士学位论文本体和本体描述语言 表2 3 本体的分类 t a b l e2 3c l a s s i f i c a t i o no f o n t o l o g y 维度说明分类级别 描述或刻画建模对象 高的称作参考( r e f e r e n c e ) 本体 详细程度 的程度 低的称作共享( s h a r e ) 本体 项级协p l e v e l ) 本体描述的是是普遍的概念及撅念之间的关系， 如空间、时间、事件、行为等，与具体的应用无关，其他本体 均为其特例。 领域( d o m a i n ) 本体针对特定的应用领域抽象领域知识的结构和 内容，包括各种领域知识的类型、术语和概念，并对领域知识 领域依赖程 的结构和内容加以约束，形成描述特定领域中具体知识的基础， 描述的是特定领域中的概念和概念之间的关系。 度 任务( t a s k ) 本体描述的是特定任务或行为中的概念及概念之问的 关系。 应用( a p p l i c a t i o n ) 本体针对特定应用领域知识建模的抽象定义。 通常，应用本体是一种概念的混合，这些概念来自领域本体和 通用本体，然而，应用本体可能包括特定方法和特定任务的扩 展，描述的是依赖于特定领域和任务的概念和概念之间的关系。 2 4 构造本体的规则 出于对各自问题域和具体工程的考虑，构造本体的过程各不相同。目前没有一个标 准的本体的构造方法。最有影响的是g r u b e r 在1 9 9 5 年提出的5 条规则1 3 】： 1 明确性和客观性：本体应该用自然语言对所定义的术语给出明确、客观的语义定 义。 2 完全性：所给出的定义是完整时，完全能表达所描述的术语的含义。 3 一致性：由术语得出的推论与术语本身的含义是相容的，不会产生矛盾。 4 最大单调可扩展性：向本体中添加通用或专用的术语时，不需要修改已有的内容。 5 最小承诺：对待建模对象给出尽可能少的约束。 目前大家公认在构造特定领域的本体的过程中需要领域专家的参与。 2 5 网络本体语言伽l w 3 c 提出了一些与语义w e b 有关的建议，包括x m l 、x m l 模式、r d f 、r d f 模 式等。x m l 为结构化文档提供了基本的语法，但对文档的含义并未施加任何语义上的限 制；x m l 模式是一种约束x m l 文档结构的语言；r d f 是一个关于对象( 或资源) 和它 们之间关系的数据模型，并为这个数据模型提供了简单的语义，这些数据模型使用x m l 语法表示；r d f 模式是描述r d f 资源中属性和类的词汇表，并带有这些属性和类的泛 化层次的语义。这些建议构成了一个七层堆栈结构”l 。本体层是堆栈结构中重要的一层， o w l 是一种旨在对w e b 本体( w e bo n t o l o g i e s ) 进行定义和例示的语言。 1 0 山东科技大学硕士学位论文本体和本体描述语言 o w l 是本体w e b 语言( o n t o l o g yw e bl a n g u a g e ) 的字母缩写。o w l 用于那些需 要由应用程序而不是由人类来处理文档中的信息的情形，提供一种可以用于各种应用的 语言，这些应用需要理解内容，从而代替只是采用人类易读的形式来表达内容。o w l 可被用来明确表示词汇表中术语的含义以及术语间的关系。在表达含义和语义方面， o w l 比x m l 、r d f 和r d f - s 有更多的表达手段，因此在w e b 上表达机器可理解内容 的能力也比这些语言强。 2 0 0 2 年7 月，w 3 c 在d a m l + o i l l 3 8 的基础上发展了o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 语言，以使其成为国际通用的标准语义w e b 语言，2 0 0 4 年2 月1 0 日，w 3 c 新公布了 o w l ( w e b o n t o l o g yl a n g u a g e ) 语言的推荐标准 3 9 , 4 0 】。 2 6 1w e b 服务 2 6o w l - s ：w e b 服务语义标识 服务是一个可以被描述、发布、发现和绑定的软件实体；服务与服务之间是一种松 散耦合的关系，它们按一定的顺序进行连接，其中一个服务的更新或替换不会影响其他 服务的性能。而且，可