（计算机软件与理论专业论文）基于本体的消防知识集成研究.pdf

中文摘要 摘要 随着各种信息科学技术在消防领域的广泛应用，目前消防领域内部产生了大量 的异构信息。本体技术能够更好的利用这些异构信息，实现消防领域知识的全面 集成，以获取更好的知识服务。现有的知识集成方法不能很好地满足消防领域知 识集成的要求，因此，本文将研究一种新的基于本体的知识集成方法，以期解决 领域知识集成中存在的问题。 从上述应用背景出发，本文首先分析了目前国内外本体技术和知识集成的研究 现状，研究相关的理论和技术。研究了消防知识本体的构建技术，介绍了中间实 体的定义及该方法的总体流程。然后着重介绍了中间实体的生成过程和本体的生 成过程，对其中的关键问题提出了多种解决方案，并进行了比较分析，给出了消 防知识本体实例。 论文主要对消防领域异构知识系统的集成进行了研究。在异构知识系统集成中 主要研究本体映射的设计原理、本体语义映射模型及本体映射的实现方法，从而 提出适合消防领域知识集成的结构模型。本文提出的知识集成结构模型不仅可以 有效的对消防知识进行知识集成，还对其他领域的知识集成的进一步研究及应用 做出贡献。 最后，针对以上研究，开发出基于本体的消防知识集成系统，并且详细地介绍 了系统的各个功能及程序流程。 关键词：本体：知识集成；本体映射；知识表示；本体构建 英文摘要 r e s e a r c ho nf i r ek n o w l e d g e i n t e g r a t i o nb a s e d o no n t o l o g y a b s t r a c t a l o n gw i t he a c hk i n do fi n f o r m a t i o ns c i e n c et e c h n o l o g yi nt h ef i r ed o m a i n s w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，t h ef i r ed o m a i ni n t e r i o rh a sh a dt h em a s s i v ei s o m e r o u s i n f o r m a t i o na t p r e s e n t t h eo n t o l o g yt e c h n o l o g yc a l lt h eb e t t e ru s et h i si s o m e r o u s i n f o r m a t i o n , r e a l i z et h ef i r ep r e v e n t i o nd o m a i nk n o w l e d g ec o m p r e h e n s i v ei n t e g r a t i o n ， g a i nt h eb e t t e rk n o w l e d g es e r v i c e t h ee x i s t i n gk n o w l e d g ei n t e g r a t i o nm e t h o dc a n n o t w e l ls a t i s f yt h er e q u e s to ft h ef i r ep r e v e n t i o nd o m a i n k n o w l e d g ei n t e g r a t i o n ，t h e r e f o r e ， t h i sa r t i c l ew i l ls t u d yo n ek i n dn e w l yb a s e do no n t o l o g yk n o w l e d g ei n t e g r a t i o nm e t h o d ， h a st h ep r o b l e mb yt h et i m es o l u t i o nd o m a i nk n o w l e d g e i n t e g r a t i o n e m b a r k sf r o mt h ea b o v ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h i sa r t i c l eh a sf i r s ta n a l y z e dt h e p r e s e n to n t o l o g yt e c h n o l o g ya n dt h ek n o w l e d g ei n t e g r a t i o nr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n ， a n dr e s e a r c h e dc o r r e l a t i v et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s s t u d i e dt h ef i r e k n o w l e d g e o n t o l o g y sc o n s t r u c t i o n ，i n t r o d u c e dt h em i d d l ee n t i t yd e f i n i t i o na n dt h i sm e t h o do v e r a l l f l o w t h e ni n t r o d u c e de m p h a t i c a l l yt h em i d d l ee n t i t y s p r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h e o n t o l o g yp r o d u c t i o np r o c e s s ，p r o p o s e dt ok e yq u e s t i o nm a n yk i n d so fs o l u t i o n s ，a n d h a v ec a r r i e do nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h ep a p e rm a i n l yh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h ef i r ed o m a i ni s o m e r i s m k n o w l e d g es y s t e m si n t e g r a t i o n t h ep r i n c i p l eo fd e s i g nw h i c h ，t h eo n t o l o g ys e m a n t i c s m a p p i n gm o d e la n dt h eo n t o l o g yt h em a i nr e s e a r c ho n t o l o g ym a p si nt h ei s o m e r i s m k n o w l e d g es y s t e mi n t e g r a t i o nm a pr e a l i z et h em e t h o d ，t h u sp r o p o s e dt h a ts u i t st h ef i r e p r e v e n t i o nd o m a i nk n o w l e d g ei n t e g r a t i o nt h es t r u c t u r a lm o d e l t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h e k n o w l e d g ei n t e g r a t i o ns t r u c t u r a lm o d e ln o to n l ym a ye f f e c t i v ec a r r yo nt h ek n o w l e d g e i n t e g r a t i o nt ot h ef i r ek n o w l e d g e ，b u ta l s om a k e st h ec o n t r i b u t i o nt ot h eo t h e rd o m a i n s k n o w l e d g ei n t e g r a t i o n sf u r t h e rr e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o n f i n a l l y ，i nv i e wo ft h ea b o v er e s e a r c h ，d e v e l o p e df i r ek n o w l e d g ei n t e g r a t i v es y s t e m b a s e do no n t o l o g y ，a n di n t r o d u c e ds y s t e m se a c hf u n c t i o na n dt h ep r o c e d u r ef l o wi n d e t a i l k e yw o r d s ：o n t o l o g y ；k n o w l e d g ei n t e g r a t i o n ；o n t o l o g ym a p p i n g ；k n o w l e d g e e x p r e s s i o n ；o n t o l o g yc o n s t r u c t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= =基王奎佳数澄堕翅迟塞盛硒塞：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：锄) 西7 年 专月7 珀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密舐请在以上方框内打“，) 论文作者签名：冶耽勃u 是师签名：桶 e t 期：昭年2 月弦日 基于本体的消防知识集成研究 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着知识工程领域的发展，消防领域提出各种各样的知识表示形式和推理方 法，开发出各种不同的知识系统。当积累了一定数量的知识系统之后人们发现， 由于采用不同的表示和推理机制，这些系统之间的知识难以互相共享，系统之间 难以进行互操作。为了在不同的组织和系统之间进行交互，需要对知识共享和重 用进行有效的研究，屏蔽这种由于系统建造者不同而造成的对领域概念理解上的 差异。 知识系统中知识异构体现为以下两个方面：1 ) 知识的表示形式存在着差异，如 知识表示形式有语义网表示、谓词表示及产生式表示等。2 ) 知识的语义存在着不 同，如相同的知识在不同的知识系统中存在不同的语义。为了解决以上问题，人 们引入了本体的概念。本体提出的主要目标就是减少或消除领域概念及术语间的 混乱，成为系统间通信、共享、互操作的基础，解决知识共享和重用的问题，避 免重复开发，节省投资l 。 o n t o l o g y 作为一种能在语义和知识层次上描述知识系统的概念模型和建模工 具，自被提出以来就引起了国内外众多科研人员的关注，并在计算机的许多领域 得到了广泛的应用，如知识工程、数字图书馆、软件复用、信息检索和w e b 上异 构信息的处理、语义w e b 等【撕】。o n t o l o g y 是共享概念模型的形式化规范说明， 通过概念之间的关系来描述概念的语义1 1 1 。它是通用意义上的概念定义集，是关于 种类和关系得词汇表。这种词汇表，是在各种事务代理人之间交换意见时所用到 的共同语言。这就为人与人之间或者组织与组织之间的通讯提供了共同的词汇， 实现了某种程度的知识共享和重用，同时为机器能自动理解语义提供最根本的支 持。本体的引入，为解决消防知识系统中知识共享与重用提供了一条新的思路。 1 2 课题研究的目的及意义 随着互联网技术和多智能体技术的发展，我们已不能满足将现有知识系统应用 于封闭的环境中，而是希望能够将知识系统中蕴含的知识通过智能体进行通信与 交互，以便扩大现有知识系统的使用范围。由于本体自身易于共享与重用的特性， 第1 章绪论 我们选择本体作为系统中知识的表示形式，来实现消防领域的知识集成。本文将 对现有消防领域的异构知识系统资源进行知识集成，给出一种兼顾效率与质量的 基于中间实体本体构建方法；研究本体映射的设计原理、本体语义映射模型及本 体映射的实现方法，从而提出适合消防领域知识集成的结构模型。本文提出的知 识集成结构模型不仅可以有效的对消防知识进行知识集成，还对其他领域的知识 集成的进一步研究及应用做出贡献。 1 3 国内外应用和研究现状 1 3 1 国外应用和研究现状 表1 1 列举了国外对本体研究的主要项目【6 1 ，从本体论的目标和内容进行分类： 项目1 ，2 ，6 主要建立一般化的本体；项目3 ，5 ，7 ，8 ，1 0 主要建立特定领域的 本体。其中8 ，1 0 侧重应用于企业信息集成：项目4 ，9 侧重讨论本体的一般性表 示的建立。 表1 1 本体项目研究 t a b 1 1o n t o l o g yp r o j e c tr e s e a r c h 项目名称项目描述 1 c y cp r o j e c t | 7 1 适用于常识知识的一般化本体项目 2 g e n e r a l i z e du p p e rm o d e l i ” 面向一般任务和领域独立的本体项目 3 g e n s i mp r o j e c t o 川 一般性的仿真系统本体项目 4 一1 0 l 以描述性语义定义的本体语言 5 p l i n l j sp r o j e c t o u l 表达陶瓷材料的机械属性的本体项目 6 j s o w a t 叫 综合哲学见解的一般化的本体项目 7 t o v ep r o j e c t l l 剐 应用于企业建模的本体项目 8 e n t e r p r i s eo n t o l o g y l l 4 j 应用于企业信息集成的本体项目 9 k a ( 1 u s l l 纠 本体的形式和框架 1 0 u m l sp r o j e c t 1 。1 医学概念本体项目 1 3 2 国内的应用和研究现状 国内对本体的研究刚刚起步，主要有信息检索【1 7 1 、产品信息建模、虚拟企业建 模【1 8 】、常识知识库f 1 9 j 等方面，如中国科学院计算机技术研究所大规模知识系统的 2 基于本体的消防知识集成研究 研究【加】、中国科学院数学研究所常识知识库的研究【2 1 1 、浙江大学人工智能研究所 基于本体论的产品信息集成研究等【2 2 1 。 1 3 3 基于本体进行知识集成管理的有关研究 o n t o b r o k e l 2 3 】针对w e b 中或组织结构i n t r a n e t 异构、分布的半结构化信息源，采 用a i 技术以改进对这种信息源的访问，o n t o b r o k e r 使用o n t o l o g y 标记w e b 页面、 规范化查询、推导查询的结果。为了标记w e b 文档，结构化甚至封装w e b 文档， o n t o b r o k e r 支持三个方面的语言：表示语言、标记( a n n o t a t i o n ) 语言和查询语言，同 时o n t o b r o k e r 还依赖于两个工具：w e b 爬虫( w e b c r a w l e r ) 和推理引擎。 o n 2 b r o k e r 是对o n t o b r o k e r 扩展的一种原型系统【2 4 l ，o n 2 b r o k e r 把查询和推理 引擎分开，并把w 3 c 的x m l 和r d f 标准集成在内。o n 2 b r o k e r 框架中包括了一个 数据库管理器、一个信息a g e n t 、一个查询引擎和一个推理引擎，在o n 2 b r o k e r 中， o n t o l o g y 是总的结构化原则；信息a g e n t 使用o n t o l o g y 提取事实；推理引擎实际 上是一个a g e n t 使用o n t o l o g y 推理事实；数据库管理器对数据进行结构化；而查 询引擎利用o n t o l o g y 规范化查询。 o n t o k n o w l e d g e 是一个欧洲e u i s t 项引2 引，旨在为k m 建立一种基于 o n t o l o g y 的工具环境，处理大型机构i n t r a n e t 内或w e b 上的大量异构的、分布的、 半结构化的文档。o n t o k n o w l e d g e 是一种针对信息访问开发的三层机构体系， o n t o l o g y 是每一层的关键技术。其中：最底层是信息层，处理弱结构的信息源，从 中提取机器可处理的元信息；中间层是表示层，使用元信息对信息源进行自动的 访问、创建和维护；最高层是访问层，借助a g e n t 技术、最新的查询技术以及可 视化技术，对信息源进行形式化标记，从而引导用户对信息访问。 i b r o w 是另一个正在建设的欧洲e u i s t 项引2 5 1 。除了信息访问外，i b r o w 还将提供可定制的推理服务。针对w e b 中动态推理服务的访问，i b r o w 开发了 一种面向i n t e r n e t 的b r o k e r 。通过访问w e b 上可重用的p s m 库，并根据用户的问 题和相应的领域，对方法库中的方法进行选择、适配、配置和执行，i b r o w 的 b r o k e r 可以处理w e b 上的客户对知识系统类的请求。 g f i s c h e r 对i ( m 的问题、展望等进行了综述【2 6 】；在基于面向设计的方法实现 k m 过程中，存在的障碍除了技术的因数外，还分析了社会以及其他知识工人之间 3 第1 章绪论 合作的因素。还提出称为s e r 过程模型的概念框架，并介绍了面向领域的设计环 境d o d e 原型系统。d o d e 是一个支持k m 生命周期的集成系统。 s t e f f e ns t a a b 和r u d is t u d e r 介绍了一种基于o n t o l o g y 的k m 方法1 2 7 1 ，k m 的 实现过程包括了知识过程和知识元过程，其中知识过程主要是处理知识，包括了 知识创建、知识导入、知识提取、知识访问和使用，知识元过程主要是引入和维 护l ( m 系统，包括可行性研究、开始阶段、细化阶段、评估阶段以及维护阶段。在 知识过程和知识元过程中，o n t o l o g y 是基础和纽带，o n t o l o g y 工程采用o n t o e d i t 工具对领域概念、相关的属性进行建模。 a p r e e c e 用k e 方法建立了一个钻井性能优化的k m 系统【2 8 1 ，为石油和天然气 工业的工程师提供机械工程、地理、物理等其他学科的专门知识技能。该l ( m 系统 关于钻井技能的知识仓库采用传统的知识表示系统l o o m ，在建模过程中采用 o n t o l o g y 技术定义概念和关系，并把l o o m 的知识地图和案例同l o t u s n o t e s d o m i n o 数据库结合起来，为钻井工程提供技术上的支持。 1 4 论文的研究内容 作者结合国家自然科学基金项目“智能化语义网服务中的本体集成机理与应用 模式”( 项目号：6 0 6 7 2 0 3 1 ) ，利用本体的理论和方法，对消防领域的知识集成的 理论、方法和应用进行了研究。 本文的目标是深入研究消防知识本体构建的方法与异构系统知识的集成，并以 此为基础构建基于本体的知识集成原型系统。在异构系统知识集成中主要研究： 本体映射的设计原理，并给出映射的体系结构、映射的步骤，着重研究映射的规 则和映射方法；以x m l 数据为例，研究语义映射的定义、本体语义映射模型；以 文档实现本体实例化为例说明本体映射的实现方法和作用；x m l 数据语义化过程 的实现框架、数学定义、实现步骤，并给出示例；给出异构系统知识集成的结构 模型。 1 5 论文的组织与结构 本文按先理论后实践的顺序进行论述，具体内容如下： 第1 章绪论。对论文的研究背景和意义、国内外研究现状以及论文主要内容 进行概述。 4 基于本体的消防知识集成研究 第2 章简要介绍了本体与知识集成理论。包括本体理论和知识集成理论，并 介绍了本体与知识集成的关系。 第3 章主要对消防知识本体的构建进行研究。介绍了中间实体的定义及该方 法的总体流程。然后着重介绍了中间实体的生成过程和本体的生成过程，对其中 的关键问题提出了多种解决方案，并给出示例进行说明。 第4 章主要对基于本体的异构系统知识集成进行研究。介绍了本体映射的设 计原理、映射的体系结构及映射的步骤；介绍了语义映射的定义、本体语义映射 模型：介绍了x m l 数据语义化过程的实现框架、数学定义、实现步骤；给出了异 构系统知识集成结构模型。 第5 章知识集成原型系统实现。通过构建一个面向消防领域的基于本体的知 识库系统，介绍了知识集成系统如何进行知识库的构建、本体的分类、属性的定 义、数据库导入、本体库的扩展和映射。本软件按照知识集成的知识分类、知识 的表达、知识库的构建、知识的利用四个关键技术进行开发，验证了本论文的理 论和方法。 第6 章总结与展望。 5 第2 章本体与知识集成 2 1 本体论 第2 章本体与知识集成 2 1 1 本体定义 本体原来是一个哲学的概念( 也有人将其译成“本体论”) ，被哲学家用来描述 事物的本质。后来知识工程学者借用了这个概念，一般翻译成“本体 以示区别， 在开发知识系统时用于领域知识的获取1 2 9 删。 在哲学界，本体论( o n t o l o g y ) 3 1 】是表述哲学理论的一个术语，在西方哲学史和 中国哲学史中分别具有各自的含义。在西方哲学史中，本体论是指关于存在及其 本质和规律的学说，是物质存在的一个系统的解释，这个解释不依赖于任何特定 的语言。在中国古代哲学中，本体论又叫做“本根论 。指的是探究天地万物产 生、存在、发展变化的根本原因和根本依据的学说。 而对本体的理解，哲学界和知识工程界( 或更广泛地说是计算机界) 存在着不同 的观点1 3 2 】。在知识工程界，明确本体的定义经历了一个过程。1 9 9 3 年，g r u b e r 指 出“本体是概念模型的明确的规范说明”【3 3 】。后来，b o r s t 对此稍做修改，提出： “本体是共享概念模型的形式化规范说明”。这两个定义后来成为人们经常引用 的定义，它们有一个共同的特点，即特别强调了给出形式解释的可能性。但是这 两个定义仍存在不足之处，其主要缺点是，对其中所用到的“概念化 一词只能 凭直觉来理解，定义中并没有给出明确的解释。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。这个定义中包含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 ) 、明确( e x p l i c i t ) 、形式化( f o r m a l ) 和共享 ( s h a r e ) 。“概念模型”指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”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”指o n t o l o g y 是计 算机可读的( 即能被计算机处理) 。“共享 指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，即o n t o l o g y 针对的是团体而非个体的共 口1 3 4 眇、o 6 基于本体的消防知识集成研究 除上述定义以外，不少文献从不同的问题域和研究角度出发，对本体又给出了 各种各样的定义。这些定义都是从不同的角度给出的相应解释，并且不断扩充本 体的应用范围，但都包含在g r u b e r 定义所指出的事实中。总而言之，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 1 2 本体的构成 p e r e z 蚓等人认为o n t o l o g y 可以按分类法来组织，他归纳出o n t o l o g y 包含5 个基本构成元素。这些元素分别为：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 ) 。 通常也把c l a s s e s 写成c o n c e p t s 概念的含义很广泛，可以指任何事物，如工作 描述、功能、行为、策略和推理过程等一本体中的这些概念通常构成一个分类层 次。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 维笛卡儿乘积的 子集：r ：c 1 x c 2 x x c 。如：子类关系( s u b c l a s so f ) 。函数是一类特殊的关系。 在这种关系中前n 1 个元素可以惟一决定第n 个元素。形式化的定义如下： f ：c 1 x c 2 x c n - 1 _ c n 。例如b l o o dt y p eo f 关系就是一个函数，其中b l o o dt y p e o f ( x ，y ) 表示y 是x 的血型，显然x 可以惟一确定他的血型y 。公理代表永真 断言，是定义在“概念”和“属性”上的限定和规则，比如概念乙属于概念甲的 范围。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，实例表示的就是对象，而概念表示的则是对象的集合，关系对 应于对象元组的集合。概念的定义一般采用框架( f r a m e ) 结构，包括概念的名称， 与其他概念之间关系的集合，以及用自然语言对该概念的描述。基本的关系有4 种：p a r t o f ，k i n d o f ，i n s t a n c e o f 和a t t r i b u t e o f 。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和子类之间 的关系，给出两个概念c 和d ，记c = xx 是c 的实例) ，d7 = xx 是d 的实例 ，如果对任意的x 属于d7 ，x 都属于c ，则称c 为d 的父概念，d 为c 的子概念；i n s t a n c e o f 表达概念的实例和概念之间的关系，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 表达某个概念是另外一个概念的属性。例 7 第2 章本体与知识集成 如概念“价格”可作为概念“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 类元语来构造o n t o l o g y 。同时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，以满足应用 的需要。 2 1 3 本体描述语言 用本体语言描述的领域中的概念应具有清晰、形式化的特征，因此本体语言应 该满足以下要求【3 6 】： 1 ) 良好定义的语法( aw e l l d e f i n e ds y n t a x ) 2 ) 良好定义的语义( aw e l l d e f i n e ds e m a n t i c s ) 3 ) 有效的推理支持( e f f i c i e n tr e a s o n i n gs u p p o r t ) 4 ) 充分的表达能力( s u f f i c i e n te x p r e s s i v ea b i l i t y ) 5 ) 表达的方便性( c o n v e n i e n c eo fe x p r e s s i o n ) 自上个世纪9 0 年代以来，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，经常被使用的本体表示语言大都以框架模型或逻辑为基础。一 般将其归为以下两大类【3 7 1 ： 1 ) 基于w e b 的本体语言( 也叫做本体标记语言) 有：r d f 和r d f ( s ) 、o i l 、 d a m l 、o w l 、s h o e 、x o l 等。其中s h o e 是基于h t m l 的，而其他语言之 间有着密切的联系，使w 3 c 的本体语言栈中的不同层次，都是基于x m l 的。 2 ) 基于a i 的本体实现语言有：k i f 、o n t o l i n g u a 、c y c l 、l o o m 、h o g i c 等。 k i f 是美国国家标准，但是它没有被广泛应用于互联网，作为一种交换格式更多 的应用于企业级。 2 1 4 本体编辑工具 到目前为止，已经出现了许多本体构建工具。根据这些工具所支持的本体描述 语言，大致可以分为两类。 第一类包括o n t o l i n g u a ，o n t o s a u r u s ，w e b o n t o ，w eb o d e 等。其中，前三个 工具的共同点是：都基于某种特定的语言( o n t o l i n g u a 基于o n t o l i n g u a 语言， o n t o s a u r u s 基于l o o m 语言，w e b o n t o 基于o c m l 语言) ，并在一定程度上 支持多种基于a l 的本体描述语言。 8 基于本体的消防知识集成研究 第二类包括p r o t 6 9 6 系列，o n t o e d i t ，o i l e d 等。这些工具最大的特点是独立 于特定的语言，可以导入、导出多种基于w e b 的本体描述语言格式( 如x m l 、 r d f ( s ) 、d a m l + o i l 等) 。其中，除了o i l e d 是一个单独的本体编辑工具外，其 他都是一个整合的本体开发环境或一组工具。它们支持本体开发生命周期中的大 多数活动，并且因为都是基于组件的结构，很容易通过添加新的模块来提供更多 的功能，具有良好的可扩展性。 p r o t 6 9 6 是由斯坦福大学的s t a n f o r dm e d i c a li n f o r m a t i c s 开发的一个开放源码 的本体编辑器【3 8 1 ，它是用j a v a 编写的。p r o t 6 9 6 界面风格与普通w i n d o w s 应用 程序风格一致，用户比较容易学习使用。本体结构以树形的层次目录结构显示， 用户可以通过点击相应的项目来增加或编辑类、子类、属性、实例等。允许用户 在概念层次上进行领域模型设计，所以本体工程师不需要了解具体的本体表示语 言。p r o t 6 9 6 支持多重继承，并对新数据进行一致性检查，并且具有很强的可扩展 性，主要表现在如下几点： 1 ) p r o t 6 9 6 是一个可扩展的知识模型。用户可以重新定义系统使用的表示原 语。 2 ) 文件输出格式可以定制。可以将p r o t 6 9 6 的内部表示转换成多种形式的文 本表示格式，包括x m l 、r d f ( s ) 、o i l 、d a m l 、d a m l + o i l 、o w l 等系列语 l 口o 3 ) 用户接口可以定制。提供可扩展的a p i 接口，用户可以更换p r o t 6 9 6 的用 户接口的显示和数据获取模块来适应新的语言。 4 ) 有可以与其他应用结合的可扩展的体系结构。用户可以将其与外部语义模 块( 例如针对新语言的推理引擎) 直接相连。 5 ) 后台支持数据库存储，使用j d b c 和j d b c o d b c 桥访问数据库。由于 p r o t 6 9 6 开放源代码，提供了本体建设的基本功能，使用简单方便，有详细友好的 帮助文档，模块划分清晰，提供完全的a p i 接口，因此，它基本上成为国内外众 多本体研究机构的首选工具【3 9 】。 9 第2 章本体与知识集成 2 2 知识集成 2 2 1 知识集成研究背景 随着知识经济时代的到来，知识集成成为一个热门的前沿领域。知识集成管 理不同于数据、信息集成管理，它是通过知识共享，运用集体的智慧提供应变和 创新能力，实现领域识共享机制。它为消防领域实现显性知识和隐性知识共享提 供新的途径。 目前知识集成研究热点集中在三个方面：知识共享、知识建模和综合集成 4 0 - 4 1 1 o ( 1 ) 知识共享：把智能系统开发视为基于知识共享技术的配置任务，通过组装 可重用的知识和推理部件构造智能系统； ( 2 ) 知识建模：把知识系统的开发视为建模活动，并将知识模型的结构化、组 织化作为建模的核心任务1 4 2 l ； ( 3 ) 综合集成：集成知识处理技术来完成复杂的知识系统的实现。 知识建模的研究为知识集成提供了基础技术；知识共享的研究使知识集成得 以经济和高效地利用；综合集成的研究促使知识集成的优化组合。 实现消防领域智能化的有效办法是知识集成。知识集成是为了完成某些组织 化的目标，将包含在消防领域中的知识有机组织的过程。这一目标的实现需要两 个方面的支持【4 3 】： ( 1 ) 建立良好的消防知识模型，将消防领域知识及知识系统有效地组织起来； ( 2 ) 提供有效的技术支持知识和知识系统的集成。 通过对目前消防信息化的研究发现，消防领域己经存在许多有效的知识和知 识系统，但这些知识和知识系统没有被有效的组织和利用。主要原因在于：没有 有效的知识组织管理措施和实现技术。需要解决的技术性问题包括：如何解决知 识及知识系统的异构性问题；如何实现知识系统的重用、共享、互操作问题；如 何进行有效的通信，解决合作的问题。 2 2 2 知识集成模型 知识集成建模的目标是分析并建立静态( 关注知识源) 和动态的( 关注知识处理 过程) 的知识模型。最近几年中，知识集成建模研究的重点从知识库系统开发方法 1 0 基于本体的消防知识集成研究 的研究转向重视语言及技术以定义可重用部件【删。人们希望通过可重用模型的开 发实现摆脱昂贵的、容易出错的知识系统开发，利用本体和问题求解方法库解决 重新开发存在的问题。知识集成建模主要涉及三方面的内容：建模语言、可重用 部件、建模框架。 ( 1 ) 建模语言 可重用部件库应该在知识层加以描述。这一方法与软件重用的观点一致。正如 k r u e g e r 指出的那样“抽象是任何重用技术的基础”。在过去几年中，提出了多种 建模语言。如欧盟组织开发的c m l 2 0 ( k a d s ) a r p a 下属r o m e 实验室开发的 k r s l , i s o 推荐的e x p r e s s 4 5 1 、斯坦福大学k s l 开发的o n t o l i n g u a 4 6 l 。但 在规范语言的研究中仍然有相当多的工作需要完成，例如采用规范语言提供对多 种建模语言集成的工作等问题。 ( 2 ) 可重用部件库 可重用部件库的开发和研究工作大致包含两个方面：本体研究( o n t o l o g y ) 、问 题求解方法研究( p s m ) 。多年来，知识获取和知识库系统的研究者一直致力于将 p s m 描述为可以方便地被重用的部件。但这一想法的实现存在许多问题，例如对 于p s m 与知识库的关系一致存在对立的观点，即方法的建立与是否可以先于领域 知识的建立；本体体系能否涵盖方法和领域知识，是否具有通用性等。尽管存在 争议，可重用部件库的研究仍然是知识集成建模领域的重用研究课题【4 似8 1 。 ( 3 ) 建模框架 建模框架对构成具体应用的知识进行组织，可以利用建模框架获取建模知识， 如c a r m e n 框架【4 9 1 。知识集成模型作为一种知识模型，主要考虑共享和重用的问 题。知识集成模型应该包含如下特点： 一致性：模型中包含的信息应该是一致的( 本体问题) 。一致性可以保证领域知 识集成模型的正确性； 无模糊性：模型中使用的术语必须是清晰的( 本体问题) ，这一需求是确保对集 成模型的理解； 逻辑连接性：不同模型中各个组成元素的逻辑连接性必须能够维护和区别，这 些逻辑连接性可以保证当模型中元素发生变化时将这些变化传递给相关的模 型，以保证逻辑上的一致。 第2 章本体与知识集成 集成模型的研究工作是非常困难的，其原因主要在于：建模方法差异、建模工 具差异和“背景知识”差异。研究表明应该建立规范的领域词汇及转换方法，以 实现知识的共享。 消防知识集成系统的目标是建立一个为消防用户提供良好服务的应用环境。为 了实现这一目标，必须面对并解决两个问题；集成基础、集成实现方法。从集成 基础考虑主要解决以下两个问题： ( 1 ) 消防知识的概念体系建立； ( 2 ) 为了实现基于w e b 的知识集成，需建立一种统一的语义描述方法。 从实现机制考虑，知识集成系统可以从两个方面展开： ( 1 ) 从上而下方式：消防用户从应用的角度出发要求知识工程师建立基于知识 的应用。知识工程师将根据用户的需求，通过集成系统建立任务； ( 2 ) 从下而上建立集成模型：知识工程师根据消防内部包含的知识系统着手， 将其集成和组合为消防用户可以利用的任务。 2 2 3 知识集成的基石 现代信息技术的支持使大规模的知识存储、快速的知识传输成为可能。数据库 让知识得以有序的存储、方便的检索，互联网通信协议让知识可以传输到网络中 的每一台计算机上。知识集成每前进一步都与信息技术的发展有着密切关系。其 中，知识网格就是知识集成管理技术发展的大势所趋。知识网格有赖于语义网的 建立，而语义网又依赖以下三项前沿技术：可扩展标记语言( x m l ) 、资源描述框架 ( r d f ) 和本体( o n t o l o g y ) f 5 0 1 。 x m l 为知识集成及其相关技术的发展开辟了一片新大地，将知识集成推进到 一个全新的阶段。x m l 的出现使得知识集成在语义层面上交换信息成为可能。 x m l 作为一种标准，将大大提高知识的重用性。知识集成重用必须解决两个问题： 第一，所得到的数据分别描述的是哪些对象；第二，所得到的信息中每个词语的 真正含义是什么。第一个问题的解决依托的就是x m l ，因为在x m l 中已经标记 了哪些数据是什么。第二个问题的解决有赖于本体。 r d f 是一种用于支持语义网的语言，就好像h t m l 支持传统的万维网。r d f 是为互联网开发的一个支持资源描述的框架或元数据。 1 2 基于本体的消防知识集成研究 在r d f 中，文件被定义为有特定属性和特定价值的特定事物。每个人都可以 通过定义u r l 在网页上的某个位置来定义一个新的概念、新的动词。r d f 通过 u r l 编码确保这些概念不是在某文件中的一个词，而是任何人都可以在网页上找 到的唯一性概念。作为知识集成管理工具，r d f 的基本用途是允许使用者组织、 关联、分类和注释这些知识，从而增加存储数据的总价值。但有时，可能有两个 数据库应用了不同的标识来定义同一个概念。如果一个程序想通过两个数据库获 得组合信息，它就必须能识别这两个术语。解决这一问题要靠第三项重要的基本 技术o n t o l o g y 。最典型的o n t o l o g y 是网页上的分类和推理法则。更先进的应用 将会使用o n t o l o g y 涉及到网页知识结构和推理规则的内容。从以上的分析我们可 以认为：o n t o l o g y 是知识集成的基石，应用o n t o l o g y 的理论和方法解决知识集成 有着前瞻性和实际应用的意义。目前，世界各国和各组织都在积极探索o n t o l o g y 在知识集成管理方面的应用。我国也在9 7 3 、国家自然基金研究等项目中支持 o n t o l o g y 的信息集成、国家数字图书馆、信息检索等应用型的项目1 5 m 2 1 。 2 3 本章小结 知识集成是在信息管理基础上的延伸和发展。信息管理是以信息资源的有序化 和结构化为目的，将各种信息以一定的方式进行采集、汇总、组织、存储和控制， 方便人们利用计算机来查询和检索：而知识集成是在信息管理的基础上，对显性 知识进行有效识别、获取、开发、使用和共享，同时尽量使隐性知识转化为显性 知识。信息处理过程相对封闭和对立，比较注重信息外部形态的组织和整合；而 知识集成是以知识共享和创新为主要目的，重点解决信息超载导致的知识匾乏问 题，重视显性知识和隐性知识的交互作用。为了明确知识集成和知识集成系统概 念，本文定义： 定义1 ：知识集成( k n o w l e d g ei n t e g r a t i o n ，r d ) 是指通过信息技术和业务过程的 组合，以多种形式进行知识的表示、组织、获取、存储、使用和创新的过程。 定义2 ：知识集成系统( k n o w l e d g ei n t e g r a t i o ns y s t e m ，s ) ，从广义上来说， 是指在知识的表示、组织、获取、存储、使用和创新等任务活动中，至少实现一 个任务活动的系统；从狭义上说，通过知识工程的方法和技术，特别是o n t o l o g y 技术，至少实现知识的创建、集成及发布等任务活动的系统。 1 3 第3 章消防知识本体构建 第3 章消防知识本体构建 知识集成需要标准，本体可以帮助完成这个任务。本体应用在知识集成时，主 要是针对某种领域的知识加以定义，使领域术语、概