（机械电子工程专业论文）压铸模领域本体构建研究.pdf

摘要 摘要 随着“知识经济”时代的到来，“知识”已成为模具企业的核心竞争力，而 知识管理则被认为是提高企业竞争力的有效手段。知识管理通过运用集体的智慧 提高企业的知识运用能力和知识创新能力，实现知识的共享，从而提高企业的决 策能力、运作效率及其产品的市场地位。知识管理的首要问题就是知识的有效表 示，而传统的知识表示方法已不能满足知识管理的要求。基于语义共享的本体技 术刚好能解决这个问题。 鉴于广东工业大学c i m s 重点实验室开发的模具知识管理系统在模具企业 的应用，为实现模具知识的有效管理，需建立模具本体。本研究先以压铸模领域 本体构建为例，探索模具本体的构建方法，主要研究内容如下： 1 对现有本体构建方法和本体描述语言进行了对比分析，找到比较成熟的 本体构建方法和有效的本体描述语言，以便在构建压铸模领域本体时参考。 2 分析压铸模领域知识特点，同时参考“七步法 和软件工程的思想，提 出了基于螺旋模型的本体进化方法，给出了建立压铸模领域本体的具体过程。根 据该方法，构建了压铸模领域本体的基本框架，并用o w l 语言将压铸模领域本 体表示出来。 3 针对压铸模知识部分来源于电子文本，手工抽取领域概念效率低的特 点，提出了压铸模领域本体概念自动抽取的方法，该方法包含了领域本体概念的 检验过程，能保证本体构建高效、准确。 4 研究了o w l 语言的结构化特点，利用o w l 语言对压铸模领域本体类、 属性和个体进行了定义，重点阐述了o w l 约束公理类型及其应用领域，并以压 铸模本体为例说明了o w l 约束公理的应用，为本体推理打下基础。 本研究构建了压铸模领域本体框架，为模具本体构建提供了实践经验，为模 具知识管理奠定了基础。课题得到了国家8 6 3 计划c i m s 项目( 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 a 8 ) 的资助。 关键词：知识管理；压铸模；领域本体；本体构建；2 0 0 7 a a 0 4 2 1 a 8 广东t 业大学工学硕l j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go fk n o w l e d g ee c o n o m i c s ，k n o w l e d g eh a sb e c o m et h ec o r e c o m p e t e n c eo fm o u l de n t e r p r i s e s ，a n dk n o w l e d g em a n a g e m e n ti sc o n s i d e r e da sa n e f f e c t i v em e a n st oe n h a n c et h ee n t e r p r i s ec o m p e t e n c e k n o w l e d g em a n a g e m e n tc a l l i m p r o v ee n t e r p r i s e sa b i l i t i e so fk n o w l e d g e u t i l i z a t i o na n dk n o w l e d g ei n n o v a t i o n ，a n d t h e nr e a l i z ek n o w l e d g es h a r i n g ，s oi tc a nh e l pe n t e r p r i s ei m p r o v ed e c i s i o n - m a k i n g a b i l i t y , o p e r a t i o ne f f i c i e n c y , a n dm a r k e tp o s i t i o no ft h ep r o d u c t s i nk n o w l e d g e m a n a g e m e n t ，t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi st or e p r e s e n tk n o w l e d g ee f f e c t i v e l y , b u t t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so f k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nc a n tm e e tt h ed e m a n d b a s e do n s e m a n t i c - s h a r i n g ，o n t o l o g yc a ns o l v et h i sp r o b l e me x a c t l y m o u l dk n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e m ( m k m s ) ，w h i c hw a sd e v e l o p e db yk e y l a b o r a t o r yo fc i m si ng u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , h a sb e e na p p l i e di n m o u l de n t e r p r i s e s ，i no r d e rt om a n a g em o u l dk n o w l e d g ee f f e c t i v e l y a i m i n ga t k n o w l e d g em a n a g e m e n te x a c t l y ，w em u s tb u i l dm o u l do n t o l o g y t h i sp a p e rt a k e st h e b u i l d i n go fd i e - c o s t i n gm o u l d ，f o re x a m p l e ，e x p l o r e st h em e t h o do fb u i l d i n gm o u l d o n t o l o g y t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w ： 1 b a s e do na n a l y s i so ft h ee x i s t i n go n t o l o g yb u i l d i n gm e t h o d sa n do n t o l o g yd - e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，t h i sp a p e rf i n d so u tam a t u r eo n t o l o g yb u i l d i n gm e t h o d sa n da n e f f e c t i v eo n t o l o g yd e s c r i p t i o nl a n g u a g ef o rr e f e r e n c ew h e nb u i l d i n g d i e c a s t i n g m o u l do n t o l o g y 2 t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da ne v o l u t i o nb u i l d i n gm e t h o do fd o m a i no n t o l o g y b a s e do ns p i r a lm o d e lb ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i ec a s t i n gm o u l d k n o w l e d g ea n dm a k i n g r e f e r e n c et os e v e n s t e p sm e t h o d o l o g ya n ds o f t w a r e e n g i n e e r i n g t h ed e t a i l e dp r o c e d u r eo fb u i l d i n gd i e c a s t i n gm o u l do n t o l o g yi s p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，d i e - c a s t i n gm o u l dd o m a i no n t o l o g yh a sb e e n b u i l t ，a n dt h e ni ti sd e s c r i b e db yu s i n go w l 3 t h em a i ns o u r c eo fd i ec a s t i n gm o u l dk n o w l e d g ei se l e c t r o n i ct e x t ，i fw ee x t r a c td o m a i nc o n c e p tm a n u a l l y , t h ee f f i c i e n c yw i l lb e c o m ev e r yl o w t os o l v et h i s p r o b l e m ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dam e t h o do fd o m a i nc o n c e p t se x t r a c t i o n t h i s i l a b s t r a c t m e t h o di n c l u d e sc h e c k i n gp r o c e d u r ef o rd o m a i nc o n c e p t s ，i tc a l le n s u r eb u i l d i n g p r o c e s s e f f i c i e n ta n da c c u r a t e 4 t h i sp a p e rs t u d i e st h es t r u c t u r e dc h a r a c t e r i s t i c so fo w l ，u s e so w lt od e f t n ec l a s s e s ，p r o p e r t i e sa n di n d i v i d u a l si nd i e - c a s t i n gm o u l do n t o l o g y , e x p o u n d s e m p h a t i c a l l yt h et y p e so fr e s t r i c t i o n si no w l a n dt h e i ra p p l i c a t i o nf i e l d s ，t h e ns h o w s t h ea p p l i c a t i o no fr e s t r i c t i o n si nd i ec a s t i n gm o u l do n t o l o g y t h e s es t u d i e sp r o v i d ea b a s i sf o ro n t o l o g yr e a s o n i n g f i n a l l y , d i e c a s t i n gm o u l do n t o l o g yf r a m e w o r ki sb u i l tu pi nt h i sp a p e r , s ot h e r e s e a r c hp r o v i d e st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c eb a s i sf o rm o u l do n t o l o g yb u i l d i n g , a n dl a y s f o u n d a t i o nf o rm o u l dk n o w l e d g em a n a g e m e n t t h i st o p i ci ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l h i 曲一t e c h r & dp r o g r a mf o rc i m s o fc h i n af n o 2 0 0 7 a a 0 4 2 1a 8 ) k e yw o r d s ：k n o w l e d g em a n a g e m e n t ；d i e - c a s t i n gm o u l d ；d o m a i no n t o l o g y ； o n t o l o g yb u i l d i n g ；2 0 0 7 a a 0 4 2 1 a 8 1 1 1 广东工业大学工学硕l 论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签名：7 尊庄辩 论文作者签名：笼豸匀 冶孵厂月弓日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 课题研究背景及研究意义 1 1 1 模具行业特点 模具作为工业生产的基础工艺装备，在汽车、能源、机械、信息、航空航天、 国防工业和日常生活用品的生产中被广泛应用。据统计，7 5 的粗加工工业产品 零件、5 0 的精加工零件由模具成形：家用电器行业的8 0 零件、机电行业的 7 0 以上零件也都要靠模具加工【l 】；因此，模具又被称之为“百业之母 。模具 生产的工艺水平及科技含量的高低，成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重 要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益、新产品的开发能力，决定着一 个国家制造业的国际竞争力。 模具生产作为一种重要的工业生产方式，其具有以下典型特点： 1 模具行业是一个典型的小批量生产行业，其产品重复概率较低，一般是 单件生产。 2 模具是典型的开发型行业，模具制造周期相对较长。模具的制造周期包 括模具设计、制造、装配和试模阶段，每个阶段都对模具质量产生影响，而设计 阶段影响最大。 3 模具设计技术含量高，它综合了金属工艺学、工程力学、制造工艺学、 公差与配合、模具设备学等多学科的知识，对设计人员的要求较高。 4 模具设计和生产过程对经验性知识依赖性比较强。经验性知识是隐藏于 人的大脑中的知识，是在不断的实践中形成，一般只有老员工才具备。对于模具 企业来说，老员工的经验知识是企业重要的知识财富。 由于模具企业具有技术和知识密集性的特点，所以对模具企业的知识资源进 行有效的管理是一个企业能否在激烈的市场竞争中立于不败之地的关键。长期从 事模具企业管理的人都清楚，模具企业的人才流失对企业意味者什么，原因是人 广东t 业大学工学硕上学位论文 是知识的载体，事实上是知识在流动。哪么如何实现人走知识却可以继续在企业 中留存呢? 如何实现知识不仅在某个人头脑中，而在组织的系统中并持续发挥其 作用呢? 如何使新员工可以迅速提高并掌握某项知识呢? 要解决这些问题，就必 须对模具企业进行知识管理。 1 1 2 模具企业知识管理 知识管理是在一个知识共享、不断学习的企业文化和机制下，通过知识管理 技术以及知识管理系统的开发和利用，充分获取、生产、传播和保存企业知识， 以利用企业知识和集体智慧来达到知识创新，并获取和保存企业竞争优势的目的 【2 】。知识管理将知识管理的方法和信息系统相结合，其目的是要实现人和计算机 之间的知识共享。实现模具企业知识管理，需要建立模具知识管理平台模具 知识管理系统。广东工业大学数字化制造系统研究室选取某大型模具企业的模具 设计知识为研究对象，将知识管理的先进管理理念引入模具知识管理领域，应 用n e t 开发平台，用c # 开发语言和m ss q ls e r v e r 开发了一套基于模具设计知 识的“模具知识管理系统”【3 】，其主要功能如下： 1 提供完善的知识库维护功能，可以进行知识库的基础数据配置和知识项 的录入、修改和删除操作。 2 提供灵活的设计标准目录编制功能。通过知识不同的知识特征表示进行 分类，形成企业内部的模具知识地图。 3 提供全方位的知识存储方案，同时存储相关的设计标准完整文字描述和 相关设计图形文件( 支持a u t o c a d 和p r o e 等文件) 。 4 提供目录浏览、基于知识特征和关键词的搜索等两种搜索方式。提供友 好的知识输出界面。 5 提供知识投诉及版本分布功能，通过用户反馈形成了知识反馈机制。 6 提供完善的知识权限管理功能，保障知识的正确扩散。 目前，该系统存储了丰富的模具知识，条理清晰。这些知识主要通过图、文 档的形式保存在计算机中，其说明用文本的形式存储在关系数据库中。 2 第一章绪论 1 1 3 模具知识管理面临问题 上节所提到的模具知识管理系统，主要是基于文档和信息的传统管理模式， 而知识管理的真正意义于人和计算机的互动，实现人与计算机对知识的共享，以 及计算机对知识的智能处理。要达到语义共享，模具知识必须用一种有效的方式 表示出来，所以模具知识的有效表示是模具知识管理系统面临的首要问题。目前 知识表示方法主要有以下几种： 1 谓词逻辑表示法。谓词逻辑表示法是指各种基于形式逻辑( f o r m a ll o g i c ) 的知识表示方式，利用逻辑公式描述对象、性质、状况和关系。它是人工智能领 域中使用最早和最广泛的知识表示方法之一【4 】。在这种方法中，知识库可以看成 一组逻辑公式的集合，知识库的修改是增加或删除逻辑公式。使用逻辑法表示知 识，需将以自然语言描述的知识通过引入谓词、函数来加以形式描述，获得有关 的逻辑公式，进而以机器内部代码表示。在逻辑法表示下可采用归结法或其它方 法进行准确的推理。 2 产生式规则表示法。它是依据人类大脑记忆模式中的各种知识之间的大 量存在的因果关系，并以“i f t h e n ”的形式，即产生式规则表示出来的。这种 形式的规则捕获了人类求解问题的行为特征，并通过认识一行动的循环过程求解 问题 5 】。 3 语义网络表示法。它是一种表达能力强而且灵活的知识表示方法。语义 网络利用节点和带标记的边构成的有向图描述事件、概念、状况、动作及客体之 间的关系。带标记的有向图能十分自然的描述客体之间的关系【6 】。 4 框架表示法。框架表示法是明斯基于1 9 7 5 年提出的，其最突出的特点 是善于表示结构性知识，能够把知识的内部结构关系以及知识之间的特殊关系表 示出来，并把与某个实体或实体集的相关特性都集中在一起。框架是一种描述固 定情况的数据结构，一般可以把框架看成是一个由节点和关系组成的网络。一个 框架中可以包含各种信息：描述事物的信息，如何使用框架的信息，关于下一步 将发生什么情况的期望及如果期望的事件没有发生应该怎么办的信息等等，这些 信息包含在框架的各个槽或侧面中【刀。 5 面向对象的知识表示。面向对象的知识表示方法基本出发点就是：客观 3 广东工业人学t 学硕士学位论文 世界是由一些实体组成的。这些实体有自己的状态，可以执行一定的动作。相似 的实体抽象为较高层的实体，实体之间能以某种方式发生联系 8 】。 6 基于本体的知识表示方法。本体是对领域实体存在本质的抽象，它强调 实体间的关联，并通过多种知识表示元素将这些关联表达和反映出来，这些知识 表示元素也被称为元本体。总的来说，构造本体的目的都是为了实现某种程度 的知识共享和重用【9 】。从广义来讲，本体的作用主要有以下两方面：本体的分 析澄清了领域知识的结构，从而为知识表示打好基础。本体可以重用，从而避免 重复的领域知识分析；统一的术语和概念使知识共享成为可能。 传统的知识表示方法在知识管理中的应用存在以下缺点：缺乏人机知识共 享机制。传统知识表示更多的是面向机器的，实现机器的理解，而忽略了人和机 器对知识的共同理解；与其它知识源集成困难。传统知识表示形式往往过于呆 板，灵活性不够，导致与其它知识源的集成性不好；缺乏知识语义环境。在进 行知识推理时，难以得到理想结果，知识间的语义关系不强。 而本体作为基于人工智能的知识表示方法，能够克服上述缺点，实现对知识 的共享。这是因为本体就是对某一领域的概念以及相互关系的统一、正规、明确 的表述，提供对该领域知识的共同理解。这种形式化的表述就为人与人之间、组 织与组织之间、计算机之间的通信提供基础，能够实现人机之间的知识共享，和 知识的语义表达。同时，本体的形式化的描述语言，为不同知识库之间的沟通和 继承提供了基础。于是建立模具知识本体成为模具知识管理的迫切需要解决的问 题。 1 2 本体研究现状 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初，哲学领域的概念“o n t o l o g y 被人工智能领 域所借鉴，本体理论和本体建模得到了快速的发展。近年来，国外对本体建模作 了大量研究并将其运用于知识工程领域。 w 3 c 是w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m 的简称，是一个国际化的联盟，是在“互 联网之父 t i mb e m e r s l e e 倡导下成立的针对万维网的国际标准制定组织，也 4 第一章绪论 是全球互联网界最具有影响力的标准组织【l o 。w 3 c 致力于本体的研究始于2 0 0 1 年，主持本体研究的是w e b o n t o l o g yt 作组，工作组一开始就将自己的研究定 位于为语义网的构建打基础。w e b o n t o l o g y 工作组的主要贡献是制定了o w l 标 准规范。o w l 能够被用于清晰地表达词汇表中词条( t e r m ) 的含义以及这些词 条之间的关系，而这种对词条和它们之间关系的表达形式就称作本体。相对于 x m l ，r d f 和r d f ( s ) 来讲，o w l 拥有更多的机制来表达语义，因而它超 越了x m l 、r d f 和r d f ( s ) 仅能够表达网上机器可读文档内容的能力。 德国卡尔斯鲁厄大学( u n i v e r s i t yo f k 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形式化描述方法研究所( 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 s a 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( 如 o m o l o g y l e a m i n g ) 和本体的数学表达进行了深层次的研究f 】l 】。a i f b 研究所目前 从事的研究重点是构建基于本体的知识门户和语义门户。其课题范围涉及知识管 理、知识表示与推理、语义网、本体工程、万维网系统、知识门户、数据和文本 挖掘、代理系统、语义标引、机器学习、形式概念分析、办公信息系统、商业过 程分析等十余个领域【l2 】。承担这些项目的研究小组主要是知识管理研究组、商 务信息和通讯系统研究组和复杂性管理研究组。 美国斯坦福大学的知识系统实验室( 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，当前k s l 正在进行的项目有8 项【1 3 】。其代表项目是 d a m lv r o j e c t ( d a r p aa g e n tm a r k u pl a n g u a g ea r o j e c t ) ，该项目研究重点是 d a m l 语言研究，d a m l 网络服务研究，d a m l 工具研究和基于d a m l 的查 询应答研究。其主要成果是创建了一种本体描述语言d j 蝴l 【1 4 】，该语言允 许用户在其数据上标记语义信息，从而使计算机能对所标注的信息资源进行“理 解”。该实验室的o n t o l i n g u as e r v e r 是第一个本体构建工具，这个工具允许分散 团体通过w e b 发表、浏览、创立和编辑存储在o n t o l i n g u as e r v e r 上的本体，从 而辅助了协作开发。目前k s l 研究主题主要包括：知识共享技术、物理系统的 建模与分析、应用性智能系统【1 5 】。 广东t 业人学工学硕上学位论文 1 2 2 国内研究现状 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。目前，国内进行本体研究的主要有三支科研力 量。一是中国科学院自动化研究所的实验室，二是浙江大学人工智能研究所，三 是哈尔滨工业大学计算机科学与工程系，此外北京大学计算机系、视觉与听觉处 理国家重点实验室，北京理工大学计算机科学工程系人工智能研究所、同济大学 c i m s 中心等单位也在进行有关本体的研究【1 6 】。 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。 浙江大学人工智能研究所创建于1 9 8 1 年，在2 0 多年从事计算机科学、技术 与工程的研究过程中，形成了一支拥有国际知名的学术带头人、具有创新精神的 学科队伍，其代表人物为高济。研究所的主要研究领域为人工智能领域：包括知 识发现与知识工程、认知科学与形象思维、智能美术与智能设计、智能机器人、 智能决策与控制、智能信息系统、分布式人工智能与a g e n t 技术、计算机语言学 与计算逻辑学等。高济在1 9 9 6 年发表的论文中提到已经用o m s i 方法开发了一 个中等规模的知识库系统输电网规划专家系统t r a n s p e s ，以及若干试验 性系统。早期的知识表示和专家系统方面的成果，使得浙江大学无论在新技术应 用还是在本体研究中都处在国内领先地位。 从1 9 9 9 年至今，哈工大计算机科学与工程系的研究人员一直致力于企业本 体论系统的构建和相关理论的研究。其中王念滨博士等人的研究是国内极少数面 向企业需求进行本体构建的实用性研究。在国内各大中型企业纷纷逐步走向集团 化、跨国经营的模式，且逐渐实现生产、管理的全部数控( c m s ) 模式的过程 中，这一研究具有重要的实践价值和指导意义。 综上所述，目前本体研究主要集中在以下三个方面g 1 本体理论深化研究，探索领域本体构建方法。 2 本体在信息系统中的应用，主要包括处理信息组织、信息检索和异构信 6 第一章绪论 息系统互操作问题。 3 本体作为一种能在知识层提供知识共享和复用的工具在语义网中的应 用。 1 3 章节安排 本文的具体章节安排如下： 第一章“绪论 介绍模具企业的特点，模具企业知识管理所面临的问题，提 出本体能够解决这个问题，接着研究了本体的国内外研究现状。 第二章“本体相关理论 介绍了本体的基本知识，重点分析了本体描述语言 和本体构建方法。通过对比分析得出，“七步法”和o w l 语言可以被本文所借 鉴，为第三章的压铸模领域本体构建方法的提出奠定了理论基础。 第三章“压铸模领域本体构建研究 首先分析了领域本体构建构成和软件工 程的相似性，结合“七步法 、软件工程模型、压铸模知识特点提出了一种基于 螺旋模型的本体进化构建方法。接着，利用该方法构建出压铸模本体基本框架， 并用o w l 本体语言进行描述。 第四章“领域本体概念自动抽取 首先针对压铸模知识主要来源于文本，人 工抽取压铸模概念比较耗时、耗力的特点，提出了一套基于中文分词技术的领域 本体概念自动抽取的方法。接着，详细说明了本体概念自动抽取的步骤；最后， 给出了领域概念的评价标准。 第五章“基于o w l 的本体约束公理 首先介绍了o w l 语言的结构化文档， 并用结构化语言对压铸模知识进行表示。接着，分析了o w l 约束类型和应用领 域。最后，在压铸模构建过程中说明约束公理的实际应用，为基于o w l 的知识 分析和推理打下基础。 7 广东工业人学工学硕j j 学位论文 2 1 本体的定义 第二章本体相关理论 本体( o n t o l o g y ) 又称为实体，源自于形而上学的哲学分支，它对客观世界 的事物进行分解，发现其基本的组成部分，进而研究客观事物的抽象本质。近年 来，本体的概念越来越多的应用于计算机知识工程领域，用于对客观世界的存在 现实进行系统化描述，方便知识的重用和交互。人们己经从不同的角度和方面为 本体论概念进行了定义，其中在人工智能界，最早给出本体定义的是n e c h e s 等 人，他们将本体定义为“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这 些术语和关系构成的规定这些词汇外延的规则的定义 【l7 】。后来在信息系统、 知识系统等领域，随着越来越多的人研究o n t o l o g y ，产生了不同的定义。1 9 9 3 年， g m b c r 给出了本体的一个最为流行的定义，即“本体是概念模型的明确的规范说 明”【1 8 。后来，b o r s t 在此基础上，给出了本体的另外一种定义：“本体是共享 概念模型的形式化规范说明 【1 9 】。s t u d e r 等对上述两个定义进行了深入的研究， 认为“本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明 【2 0 】。他的定义体现了本 体的4 层含义： 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。 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( 即能被计算机处理) 。 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，针对的是团体而非个体的共识。 尽管定义的方式有多种多样，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( 可以是特定领域的，也可以是普遍范围的) 内部不同主体( 人、应用系统等) 之间进行交流( 对话、互操作、共享等) 的一种语 义基础，是对某一领域的概念以及相互关系的统一、正规、明确的描述，是知识 库较高层次的知识抽象，即由本体提供一种明确定义的共识。本体提供的这种共 第二章本体相关理论 识更主要的是为机器服务，而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问题。这涉及 到本体的描述语言、本体的建设方法等具体研究内容。 从以上定义我们可以认为构造本体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和词汇之间相互关系的明确定义。 2 2 本体的分类 为了对本体进行有效的分类，g u a r i n o 提出以详细程度和领域依赖度两个维 度作为对o n t o l o g y 划分的基础。详细程度是相对的、较模糊的一个概念，指描述 或刻画建模对象的程度。详细程度高的称作参考( r e f e r e n c e ) 本体，详细程度低 的称为共享( s h a r e ) 本体。依照领域依赖程度，可以分为顶级( t o pl e v e l ) 、领域 ( d o m a i n ) 、任务( t a s k ) 和应用( a p p l i c a t i o n ) 本体四类 2 1 】。 顶级本体( 上层本体或通用本体) 描述的是最普通的概念及概念之间的关系， 如空间、时间、事件、行为等等，这些观念不依赖于特定的问题或学科领域，与 具体的应用无关，其他种类的本体都是该类本体的特例。 领域本体描述的是特定领域中的概念及概念之间的关系，是专业性的本体。 在这类本体中被表示的知识是针对特定学科领域的。这类本体描述的词表，关系 到某一学科领域，如医药卫生、化学元素周期表等。它们提供了关于某个学科领 域中概念的词表以及概念之间的关系，或者该学科领域的重要理论。例如， g e n e o n t o l o g y 是关于基因和基因产物的本体。 任务本体描述的是特定任务或行为中的概念及概念之间的关系。任务本体提 供了用于解决与特定任务相关联问题的术语集合。因此，任务本体与解决问题的 方法相关。在问题判断过程中，任务本体的术语必然包括“观测( o b s e r v a t i o n ) 、 “假设( h y p o t h e s i s ) 和“目标( g o a l ) 等。 应用本体描述的是依赖于特定领域和任务的概念及概念之间的关系。一个应 用本体与用来描述专业领域的概念相关联，这些概念是解决问题的方法体系的组 成部分。它们明确表示出在特定的解决问题的方法体系中，专业领域的概念所起 9 广东丁业大学丁学硕i ：学位论文 的作用。 虽然上述分类在知识工程领域中得到了普遍认同，但还是存在其它的分类方 案。例如，m i z o g u c h i 等人建议按照本体的内容划分类别，认为本体应分为三类： 领域本体、通用本体和任务本体【2 2 】。 1 9 9 9 年，p e r e z 和b e n j a m i n s 在研究了多种本体分类方案的基础上，归纳出 1 0 种类型【2 3 】，分别是：知识表示本体( k n o w l e d g e - r e p r e s e n t a t i o no n t o l o g y ) 、通 用本体、顶级本体、核心本体( 或称元本体m e t a c o r eo n t o l o g y ) 、领域本体、语 言本体( l a n g u a g e o n t o l o g y ) 、任务本体、领域一任务本体( d o m a i n t a s ko n t o l o g y ) 、 方法本体( m e t h o d o n t o l o g y ) 和应用本体。这种划分方法是对g u a r i n o 分类方法 的扩充和细化，但这十类本体之间的界限比较模糊，彼此又有交叉，层次不够清 晰。 2 3 本体的描述语言 本体的描述语言是用来描述本体的，为用户提供领域概念模型的清晰、形式 化的概念描述。它起源于人工智能领域对知识表示的研究，理想的本体描述语言 不仅仅需要具有良好定义的语法和语义，充分的表达能力，更需要有效的推理支 持。为此，李景提出本体的描述语言应该具有如下功f 1 9 2 4 j ： 1 为本体的构建提供建模元语。 2 为本体从自然语言的表示格式转化为机器可读的逻辑表达格式提供标 引工具。 3 为本体在不同系统之间的导入和输出提供标准的机读格式。 4 形式化语言表示，利用机器可读的形式化表示语言表示本体，可以直接 被计算存储、加工、利用，或在不同的系统之间进行互操作。 总体来讲，本体描述语言可以是自然语言，也可以是框架( f r a m e w o r k ) 、 语义网或逻辑语言。截至目前本体的表示语言已经达到近3 0 种之多，不同的语 言针对不同的应用环境，其中比较知名的本体表示语言包括l o o m ，o i l ，c y c l ， o n t o l i n g u a ，s h o e ，r d f ，o w l 等等。 l o o m 2 5 是一种基于一阶谓词逻辑的知识表示语言，由美国南加州大学信息 科学学设计并实现，目的是为支持o n t o s a u r u s 工具进行本体构建提供一种底层描 1 0 第二章本体相关理论 述语言。它的描述性知识包括定义、规则、事实和缺省规则等，利用向前推理， 语义一致化和面向对象范例能集成在同一个应用中。因此，l o o m 可以提供表达 能力强、声明性的规范说明语言、强大的演绎推理能力以及多种编程风格和知识 库服务，目前l o o m 语言已更新为p o w e r l o o m e 。 o i l 2 6 是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 和o n t o l o g yi n f e r e n c el a y e r 的缩写， 即“本体交换语言 和“本体推理层 。o i l 将基于框架表示的方法应用于建模 元语，具有合并和表示本体以及进行系统间交互两种功能。o i l 将本体定义为一 个由若干元素和组件组成的结构，分为三个层次，即对象层、本体定义层和本体 容器。利用o i l 可以定义概念、关系以及公理，但无法定义有关实例的语法结 构、规则和公理。 c y c l 2 7 是c y c 的表达能力和灵活性很强的知识表示语言。它在一阶谓词演 算的基础上扩充了等价推理、缺省推理等功能，具备一些二阶谓词演算的能力并 且它的语言环境中配有功能很强的推理机制。在c y c 中，命名是唯一的，断言 的语法形式与l i s p 语法一致。c y c l 中有大量的概念和概念之间的关系，目前最 多处理五元组，基本可以满足实际应用。 o n t o l i n g u a 2 8 是o n t o l i n g u a 服务器进行本体构建的一种基于知识交互格式 ( k i f ，k n o w l e d g ei n t e r c h a n g ef o r m a t ) 的本体构建语言，由斯坦福大学的k s l 从 1 9 9 5 年开始开发。o n t o l i n g u a 的定义包括三个部分，即定义头部分，用自然语言 描述的非形式化定义部分以及用k i f 或f r a m eo n t o l o g y 的词汇描述的形式化定 义部分。它的特点是为构造和维护本体提供了统一的计算机可读的方法。同时由 于其构造的本体可以方便地转换到各种知识表示和推理系统中( 如p r o l o g 、 c l i p s 等) ，从而将本体的维护与使用它的目标系统分割开。 s h o e 2 9 是s i m p l eh t m lo n t o l o g ye x t e n s i o n 的缩写，即“简单h t m l 本体 扩展。它是由马里兰大学计算机系并行理解系统研究组( p a r a l l e lu n d e r s t a n d i n g s y s t e m sg r o u p ) 从2 0 0 0 年开始开发的，可用于开发高级的本体表示语言。作为h tm l 的一个扩展，s h o e 将机器可读的语义知识结合到h t m l 文档，允许直接 在万维网上设计和应用本体。它的特点是具有x m l 兼容性，并基于h t m l 的 w e b 上的知识表示语言。s h o e 使得a g e n t s 能够收集有意义的w e b 页面和文档 信息，改善搜索机制的知识收集。该过程主要包括3 个阶段：一是定义本体，二 是用本体信息注解h t m l 页面以描述自身和其他页面，三是通过搜索所有现存 广东t 业人学工学硕l 学位论文 页面和保持信息更新，用a g e n t 在语义层面检索信息。 r d f 3 0 ( 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 ) e l i 资源描述框架。它是由国际万维 网联盟w 3 c 于1 9 9 9 年开始开发的表述对象及对象之间二元关系的语言规范，目 的是为了创建描述w e b 资源的元数据。元数据( m e t a d a t a ) 群l 数据的数据，主要是 描述数据属性的信息，用来支持如指示存储位置、资源寻找、文件记录、评价和 过滤等功能。r d f 模型的基础要素是三种类型的对象：资源( r e s o u r c e s ) ，它使 用统一资源标识符( u p d ) 标识实际的以网络为基础的资源，如网页和网站。属 性( p r o p e r t i e s ) ，定义了资源的各个方面，包括特征、属性或关系。声明 ( s t a t e m e n t s ) ，即拥有己被命名的属性，属性又己被赋值的特定资源就是r d f 声 明。基本的r d f 是一个与任何特定语法无关的抽象的表述模式，并不限定于某 个领域的网络资源定义。r d f 可以用x m l 表示，r d fs c h e m a 则是基于x m l 对r d f 的一种实现。 o w l 3 1 【3 2 】于2 0 0 2 年正式成为w 3 c 推荐的w e bo n t o l o g y 的表示语言，目 的是提供一种可以面向各种应用的语言。o w l 采用面向对象的方式来描述领域 知识，即通过类和属性来描述对象，并通过公理来描述这些类和属性的特征和关 系。 o w l 语言包括类、属性、实例以及类间的关系4 种基本元素。首先，o w l 语言的表述能力主要体现在对类和特性的描述上，它通过构造函数( c o n s t r u c t o r s ) 来构造类和特性。o w l 继承了r d f s 中的r d f s ：c l a s s 等一系列的构造函数，同 时也新增了部分函数。其次，为了能够进一步描述类和特性的特征关系，o w