（计算机应用技术专业论文）基于uml的本体表示方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着本体在各个领域的广泛应用，本体的表示方法也成为近年来研究热 点之一，目前存在多种本体表示语言，主要分为基于谓词演算、基于图和面 向w e b 三类。通过分析和研究发现，目前主流的本体描述语言存在一些问题。 首先，这些本体描述语言大多有着复杂的语法和逻辑，用户使用较困难；其 次，一些本体表示语言只注重本体的展示，而不注重本体知识库的编程与重 用。在面向对象技术占据主导地位的时代，迫切需要一种与其相适应的表示 方法，u m l 是o m g 发布的面向对象标准建模语言，u m l 中存在的泛化、 关联、聚合与组合等基本关系与本体中关系很相似，并且u m l 是面向对象 建模语言，利用面向对象思想表示本体有利于本体的重用，同时u m l 拥有 强大的数据库和成熟开发环境的支持，也存在大量熟悉u m l 的软件开发人 员，所以这种方法将具有很好的推广性，对其研究具有一定的价值。因此本 文选择u m l 表示本体。 针对u m l 本体表示方法的研究需要，基于国内外有关u m l 应用于本体 及本体表示方法研究的成果，深入理解和分析本体表示观以及知识表示方法。 在此基础上，本文提出了一种利用u m l 表示本体的方法u b o r ( u m l b a s e d o n t o l o g yr e p r e s e n t a t i o n ) ，此方法利用u m l 的图形元素及定义的语法表示本 体中的概念、属性、方法、模型等，并在这种表示方法的基础上，设计一种 推理机制，鉴于产生式推理方法的优势，u b o r 推理机制采用传统产生式与 面向对象思想相结合的新方法，可实现对本体的简单推理。本文对u b o r 方 法的相关研究、基础研究进行了详细的阐述，对u b o r 推理方法进行了研究， 包括推理模型、推理知识库设计、推理算法等。 关键词：本体；本体表示；统一建模语言；推理机制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l y a p p l i c a t i o n o fo n t o l o g yi nv a r i o u s f i e l d s ，o n t o l o g y r e p r e s e n t a t i o nh a sb e c o m eo n eo fh o ts p o t si nr e c e n ty e a r s ，n o w a d a y st h e r ea r e m a n yk i n d s o fo n t o l o g yl a n g u a g ew h i c ha r em a i n l yb a s e do np r e d i c a t e c a l c u l u s ，c h a r ta n dw e b o r i e n t e d t h r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o u n dt h a tt h e m a i n s t r e a mo n t o l o g yl a n g u a g eh a v es o m ep r o b l e m s ：f i r s to fa l l ，i ti sd i f f i c u l tf o r c o n l m o nu s e r st ou s eo n t o l o g yl a n g u a g e ，m o s to fw h i c ha r eb a s e do nc o m p l e x s y n t a x a n d l o g i c ；t h es e c o n d ，m a n yo n t o l o g yl a n g u a g eo n l y f o c u s o n d i s p l a y ，i g n o r ep r o g r a m m eo no n t o l o g yk n o w l e d g eb a s ea n dr e u s e i nt h ee r ao f o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y , t h e r ei sa nu r g e n tn e e dt or e s e a r c h a o n t o l o g y r e p r e s e n t a t i o n ，u m li sas t a n d a r do b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n gl a n g u a g ei s s u e db y o m gt h e r ea r em a n yb a s i cr e l a t i o n si nu m lw h i c ha r es i m i l a rt oo n t o l o g y r e l a t i o n ，s u c ha sg e n e r a l i z a t i o n ，a s s o c i a t i o n ，a g g r e g a t i o na n dc o m p o s i t i o n u m li s o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，r e p r e s e n to n t o l o g yu s i n go b j e c t o r i e n t e di d e a i nf a v o ro fr e u s eo fo n t o l o g y a tt h es a m et i m e ，u m ln o to n l yh a ss u p p o r to f d a t a b a s ea n dm a t u r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，b u ta l s oh a sal a r g en u m b e ro f s o f t w a r ed e v e l o p e rw h i c ha r ef a m i l i a rw i t hu m l ，s ot h em e t h o r dw i l lh a v e p r o m o t i o na n d r e s e a r c h f u lv a l u e t h e r e f o r et h ep a p e rc h o o s et ou s eu m l r e p r e s e n to n t o l o g y i nt h en e e d so fb a s e d - u m lo n t o l o g yr e p r e s e n t a t i o nr e s e a r c h ，b a s e do nt h e r e s u l to fr e s e a r c ho fu m la p p l i e dt o o n t o l o g ya n do n t o l o g yr e p r e s e n t a t i o n ， o n t o l o g yr e p r e s e n t a t i o nv i e wa n dk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o na r ea n a l y z e d ；t h e t h e s i sp u t sf o r w a r dab a s e d u m lo n t o l o g yr e p r e s e n t a t i o nm e t h o du b o r , w h i c h i su s i n gg r a p h so fu m la n dd e f i n e dg r a m m a rr e p r e s e n t c o n c e p t ，a t t r i b u t e ， f u n c t i o n , m o d e la n ds oo ni no n t o l o g y , o nt h eb a s i so fr e p r e s e n t a t i o n ，ak i n do f r e a s o n i n gm e c h a n i s mi sd e s i g n e d ，i nv i e wo ft h ea d v a n t a g eo fp r o d u c t i o n r e a s o n i n g ，u b o rr e a s o n i n gm e c h a n i s ma d o p tt h en e wm e t h o dt h a ti sc o m b i n e t r a d i t i o n a lp r o d u c t i o nr e a s o n i n gm e t h o dw i t ho b j e c t o r i e n t e di d e a ，t h es i m p l e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r e a s o n i n gc a nb er e a l i z e d r e l a t e da n db a s a lr e s e a r c ho fu b o r i se x p a t i a t e d ，a s w e l la sr e a s o n i n gm o d e l ，r e a s o n i n gk n o w l e d g eb a s ea n dr e a s o n i n ga r i t h m e t i ci s d i s c u s s e di nt h et h e s i s k e y w o r d s ：o n t o l o g y ；o n t o l o g yr e p r e s e n t a t i o n ；u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ； r e a s o n i n gm e c h a n i s m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：q 汤 日期： 口。c 1 年z 月z 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。f， 作者( 签字) ：长磊丽 导师( 签字) ：玄么荔纱、 日期：扩a 年弓月乃日。叶年；具；日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 近年来，本体逐渐成为计算机领域的一个研究焦点，尤其是随着s e m a n t i cw e b 的提出，本体作为w e b 信息在语义层次上共享和交换的基础，更是显 示出其不可忽视的重要作用。目前，本体己经广泛应用于软件工程、自然语 言理解、多问题求解、多a g e n t 系统等许多领域，它已经成为知识表示、知识 管理、知识共享、知识复用的主流技术之一，正成为自然语言处理、w e b 信 息检索、数据库和知识库管理、异构数据集成、数字图书馆、g i s 、多a g e n t 系统、s e m a n t i cw e b 等研究领域共同关心的一个核心。 在本体开发过程中，非常关键的一步是选择本体表示语言。过去十年中， 产生了许多用于本体开发的语言，例如，o n t o l i n g u a ，l o o m ，o c m l ，f l o g i c 等等，o n t o l i n g u a 是这些语言中最具有代表性的一个。一些协议被用来访问 知识表示系统，比如o k b c 。最近几年，产生了一些应用于万维网的新语言 如x m l ，r d f ，r d fs c h e m a ，然而，目前这些语言还不够成熟，仍然处于 发展阶段，同时还出现了另外一些新的本体表示语言：s h o e ，x o l ，o i l ， d a m l + o i l ，o w l ，它们都是基于前面各种本体表示语言的。 如今随着面向对象技术日趋成熟，面向对象的思想和方法对计算机许多 领域的发展产生了巨大的推动作用。基于本体的系统如果要从实验室走出， 实现其产业化和商业化，必须考虑使用一种能被更多开发人员接受的统一表 示语言。在面向对象建模领域，o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 的u m l 已 成为面向对象软件建模的标准语言，支持整个软件生命周期的系统模型建立， 并且有强大的商业支持环境。u m l 在面向对象软件开发中得到了广泛的应 用，因此研究一种基于u m l 的本体表示方法具有重要的意义。 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 项目) 异构数字化系统的 集成方法与实现( 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 4 7 ) 。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 1 2u m l 应用于本体概述 1 2 1 面向对象建模与本体建模研究 l r m l 是用于面向对象( o 0 ，o b j e c t - o r i e n t e d ) 建模的语言，人们常常把 o 0 模型和本体模型看作不同的模型，因此用不同的语言来刻画它们。其实， 这两者之间有不同点，也有相同点“，。 1 面向对象建模与本体建模不同点 ( 1 ) 两者的建模目的不同，o o 模型是抽象的，用于消除和简化不必要 的概念与关系，只遴选必要的知识来解决某个特定的问题。本体模型在于知 识表达，往往需要囊括一个领域中所有的知识，强调知识的完备性。由于知 识总在发展变化，因此本体建模是个不断完善的过程，这要求本体的开发工 具能支持本体的持续更新和相互引用。 ( 2 ) 0 0 模型用于在软件系统开发时创建精确、具体的实例。本体模型关 注的是概念层的问题，虽然能说明某个事实，但是却不具体指导软件开发中 元素的建立蹦。本体的“实例”可能仅仅是一种观点，并且关于某个“实例 的多种观点可能共存于该本体之中。 2 。面向对象建模与本体建模相同点 ( 1 ) 两者都用来表达现实世界中可处理的概念。 ( 2 ) 两者都建立在类概念和关系之上，比如子类和聚合关系。 ( 3 ) 无论是本体还是面向对象思想，都是为了得到在某个领域上可重用 的模型。 同一个领域的o o 模型和本体模型的相似性是u m l 有效开发本体的基 础，但o o 模型和本体模型的差异导致u m l 在一些方面不适于进行本体建 模，比如本体中的属性是第一级的建模元素，而在u m l 中属性和关联都不 是第一级的，为此，就必须扩展帆。 1 2 2 本体与u - m l 中关系分析 基于前面对面向对象建模与本体建模的分析，本节简单地比较一下本体 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与u m l 中的关系。 1 本体中概念之间关系 ( 1 ) a s s o c i a t i o n 关系：描述概念之间的对等关系； ( 2 ) i s a 关系：指出事物间抽象概念的类属关系； ( 3 ) i n s t a n c e o f 关系：实例关系是典型的概念和个体之间的二元关系； ( 4 ) h a s a 关系：概念之间的整体与部分关系； 2 u m l 定义的主要关系 ( 1 ) d e p e n d e n c y 关系：a 的变化会影响元素b ，则b 依赖a ： ( 2 ) g e n e r a l i z a t i o n 关系：通常所说的继承关系，特殊个体i sk i n do f 一般 个体。泛化是在定义超类型与子类型的关系中提取共同之处的活动，这是一 个在类型层次中已说明的概念当中构造分类的方法； ( 3 ) a s s o c i a t i o n 关系：元素间的结构化关系，是一种弱关系，被关联的元 素间通常可以独立地考虑； ( 4 ) r e a l i z e 关系：元素a 定义一个约定，元素b 实现这个约定，则b 和 a 的关系是r e a l i z e ； ( 5 ) a g g r e g a t i o n 关系：聚合是关联的一种形式，代表两个类之间的整体 与局部关系，聚合暗示着整体在概念上处于比局部更高的一个级别，而关联 暗示两个类在概念上位于相同的级别，聚合是一种松散的概念间的关系； ( 6 ) c o m p o s i t i o n 关系：组合是聚合关系的变种，表示元素间更强的组合 关系。如果是组合关系，若整体被破坏则个体一定会被破坏，而聚合的个体 则可能是被多个整体所共享的，不一定会随着某个整体的破坏而被破坏； 根据二者关系比较分析，二者存在许多相似处，所以用u m l 语言表示 本体有很大的优势。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 本体研究及应用现状 1 总体研究现状 从总体上来看，当前对本体的研究包含3 个层次上的内容： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 本体论工程。其主要目的是研究和开发本体的内容，包括两个方面， 其一是研究和创建特定领域的本体库，其二是研究和建立通用知识的( 或常 识知识的) 本体库。 ( 2 ) 本体的表示、转换和集成。研究用于表示各种本体的知识表示系统， 提供形式化方法和工具，使所建立的本体能够方便地被共享和重用，提供不 同的本体评价和比较框架，研究不同本体之间的转换方法和不同本体的集成 方法，提供不同本体之间互操作的手段。 ( 3 ) 本体的应用。主要研究以特定领域本体或通用知识本体为基础的应 用。 2 国外著名的本体研究项目 ( 1 ) c y c 。c y c 是m c c 公司的研究项目，其目的是通过本体开发为常识 推理提供基础。 ( 2 ) t o v e 。t o v e 是加拿大多伦多大学的研究项目，其目的是构造企业 本体。 ( 3 ) e n t e r p r i s e 。e n t e r p r i s e 项目是英国爱丁堡大学人工智能应用研究所 a l i 的研究项目。其目的是通过一个集成框架，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。 ( 4 ) k a c t u s 。k a c t u s 是欧洲e s p r i t 项目。其目的是开发出技术系统 全生命周期的知识重用方法学，以便在设计、诊断、操作、维护、再设计和 培训时使用同一知识库。 ( 5 ) k s l 。k s l 是美国d a r p a 项目，主要由斯坦福大学知识系统实验室 承担。其目的是使得知识系统的开发者能够从可重用的模块库中选择构件进 行装配，形成所需的新系统。 ( 6 ) g u a f i n o 对于本体的研究。g u a r i n o 是意大利帕多瓦大学l a d s e b c n r 的高级研究员。他分析总结了本体及相关概念的含义，提出了“本体层” 的概念，研究了表示本体的本体约定，并探索了本体在物理对象、s t e p 语 义方面的应用，具有重要的参考价值。 ( 7 ) c o m m o nk a d s 。c o m m o nk a d s 是欧洲e s p r i t 项目：它在问题求 解模型研究方面有重要作用。 ( 8 ) 工作流管理同盟、s t e p 和e x p r e s s 、c o r b a 和k i f 等。本体的 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 开发可以使得不同工具之间的表示标准化。 总体来说，国外主要研究领域，始于人工智能及知识工程领域，主要解 决知识重用和共享问题。目前应用主要在以下几个方面：人工智能及知识工 程领域；图书情报及标准化领域；信息集成特别是网络信息集成领域。 3 国内的本体研究和应用 国内对本体及应用技术的研究比较有影响的有： ( 1 ) 中国科学院数学与系统科学研究院陆汝钤、史忠植对本体进行大量 的基础性研究； ( 2 ) 浙江大学计算机学院李善平对基于本体的产品知识表达进行了研 究，吴朝晖对基于o w l 本体映射研究： ( 3 ) 上海交通大学计算机系张申生利用本体进行知识管理的研究。 1 3 2 本体表示方法研究现状 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。事实上，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和语义，充分 的表达能力，更需要有效的推理支持。 目前，经常使用的本体表示语言大都以框架模型或谓词演算或两者相结 合为基础，最具有代表性的有k i f ，o n t o l i n g u a ，c y c l ，l o o m ，o i l 等。还 有另外一种本体表示方法就是用图来表示本体，一个典型例子是w o r d n e t 。 它采用语义网络作为词汇本体的基本表示形式。另外，s o w a 提出概念图的表 示方法。下面简要介绍几种代表性的本体描述语言： 1 基于谓词逻辑的本体表示语言 ( 1 ) k i f t 司：斯坦福( s t a n f o r d ) 大学知识系统实验室进行了关于知识本体 的研究，包括研究知识的本质特征和基本属性。在这项研究中汇聚了d b o b r o w ，r b r a c h m a n ，p h a y e s ，j m c c a r t h y 和v l i f s c h i t z 等顶级a i 专家的智 慧，提出了一种称为知识交换格式( k n o w l e d g ei n t e r c h a n g ef o r m a t ，简称 f ) 的知识描述语言，它的研究重点是语言的表达能力。k i f 是一种形式化的 语言，其定义者的目的是用它来进行知识表示形式不同的计算机程序之间的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 知识交换。在这个意义上，k i f 被誉为第一个知识共享的桥梁。从这个需求 出发，k i f 和其它知识表示语言之间的区别在于，首先它必须是和应用完全 无关的；其次，它必须有足够的表达能力使得所有其它的知识表示语言都有 转换成k i f 标准格式的可能。 k i f 的3 个基本的概念类为对象、函数和关系，采用模型论语义。其基 本本体包含数、集合和序列表等，提供了函数和关系定义操作符，支持函数 和关系的属性表示，支持元知识的表示，也支持单调和非单调推理规则的表 示。愈来愈多本体描述语言都是采用k i f 作为它们的核心语言。 ( 2 ) o n t o l i n g u a 。1 ：在o n t o l i n g u a 中，定义本体是一种形式化和描述性的 表示。它包含一个主体领域中涉及到的词汇( 术语) 以及描述这些词汇是什 么，它们之间如何相关和能否彼此相互关联的逻辑化断言。因此，本体提供 了表示特定主体的关联词汇表以及掌握这些词汇的一组关系。 o n t o l i n g u a 采用k i f 为其核心语言，它定义框架本体作为知识表示的基 础，该语言支持3 种本体定义方式：采用k i f 表示；仅仅使用f r a m eo n t o l o g y 的词汇库定义本体；同时使用上述两种表示方式。无论采用哪种表示方式， 所有i 拘o n t o l i n g u a 定义都包含3 个部分：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。全 球第一个本体论服务器是由斯坦福大学知识系统实验室于1 9 9 5 年建立的，通 过互联网供全球使用，该本体论服务器就是采用o n t o l i n g u a 作为它的本体表示 语言。 ( 3 ) i mf 【7 】：r d f 是由全球资讯网协会主导和结合多个元数据团体所发展 而成的一个架构。因为w 3 c 先前曾致力发展一个元数据- - p i c s ，因此r d f 受到p i c s 很深的影响，在语法上则遵循另一个w 3 c 致力推广的架构一一 x m l 。由于目前x m l 已受到业界广泛的支持，如浏览器的两大霸主n e t s c a p e 和i n t e m e te x p l o r e 都已经各自制作使用x m l 格式的元数据规格，因此x m l 和r d f 的发展备受关注。 ( 4 ) o i l 哺，：o i l 把基于框架表示的方法应用于建模基元，实现了由描述逻 辑来刻画形式化的语义并以此为系统提供有效的推理支持，另外它的语法标 准还和x m l 以及r d f 相兼容。正是遵循这三个主要基石，o i l 才逐渐发展 成为应用于多个领域逐渐为人认可的一种网络本体表示规范。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o i l 为一个标准化的本体语言提供了层次化的表示方法。在从底层向高 层扩展的过程中，功能和复杂性都是逐级加强的。这种做法的好处是：在底 层处理事务的a g e n t s ( 人或机器) 仍然可以理解在高层表示的本体，具体层 次构架( 见图1 1 ) 。 图1 10 i l 层次框架图 ( 5 ) o w l ：o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 是w 3 c 开发的一种网络本 体语言，用于对本体进行语义描述。由于o w l 是针对各方面的需求在 d a m l + 0 i l 基础上改进而开发的，所以一方面要保持对d 舢儿+ 0 i l 瓜d f s 的兼容性，另一方面又要保证更加强大的语义表达能力，同时还要保证描述 逻辑的可判定推理，因此，w 3 c 的设计人员针对各类特征的需求制定了三种 相应的o w l 的子语言，即o w ll i t e 、o w ld l 和o w lf u l l ，而且各子语 言的表达能力递增。 2 基于图的本体表示语言 ( 1 ) w o r d n e t 的语义网络一，：w o r d n e t 采用语义网络作为其词汇的表示形 式，是典型的基于图的本体表示例子，w o r d n e t 的词汇包括名词、动词、形 容词、副词和功能词。每个词是一个网络节点。节点之间通过“同义关系 、 “反义关系”、“上位关系”、“下位关系、“部分整体关系”、“形态 关系 等联系在一起。目前，w o r d n e t 已经分别建立了名词、动词、形容词 和副词四个相互独立的语义网络，包括约9 5 6 0 0 个词项。w o r d n e t 是由 p r i n c e t o n 大学g a m i l l e r 教授主持开发的一个庞大的语言知识库系统。 ( 2 ) 概念图n o 】概念图是s o w a 提出的基于图的本体表示方式，是c s p e i r c e 存在图的扩展。概念图是二分有向图，包括“概念”和“关系 两类节 点，分别称为“概念节点”和“概念关联节点”，二者之间通过由“概念关 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 联节点”到“概念节点”的有向弧相连。概念图中的所有概念按照“i s k i n d o f ，关系形成一个格结构。这个格的最顶层元素的“e n t i t y ，任何事物都是 它的子类型或者实例；最底层元素是“a b s u r d i t y ，是任何类型的子类型， 而且任何事物都不是它的实例。 ( 3 ) c o n c e p t u a lr e p r e s e n t a t i o n b l ：是一种概念图，由r o u x 等人采用其描述 本体。c o n c e p t u a lr e p r e s e n t a t i o n 中的节点按照”i s a 关系连接成一个格结构。 基于图的本体描述语言还有f a u r e 和p o i b e a u 的d i r e c t e da c y c l i cg r a p h 、 b o r g o 等人的l e x i c a ls e m a n t i cg r a p h 、g u a r i n o 和m a s o l o 等人的l e x i c a l c o n c e p t u a lg r a p h 等。 从对研究文献和成果的分析可见，国内外对本体的研究日益广泛，本体 表示方法的研究也成为热点之一，目前存在多种本体表示方法，大多数是基 于框架模型和谓词演算的，存在不容易理解、同软件工程方法融合困难等缺 点，所以用图形表示本体将成为发展趋势，具有研究价值。 1 3 3u m l 应用于本体研究现状 u m l 是软件分析和设计的形式化标准，它产生的初衷，是为了在面向 对象的程序语言系统中建立人与人通信的模型n ”，但是，现在u m l 则被设计 成用于需要更多说明的工艺系统中，就像x m ld t d 和s c h e m a ，资源描述框 架( r d f ) 的s c h e m a ，数据库s c h e m a 和知识模型n 2 1 等，对象管理组织o m g 的基于u m l 相关标准，例如元对象工具m o f 和x m l 元数据交换x m i 的 模型驱动构架m d a ，就是用于支持各种不同级别的应用、中间件代码以及 数据在异质环境的转换。m d a 的产生使得u m l 模型不仅仅是作为人与人交 流的一种图形描述工具，它变得更为形式化，计算机更容易处理，在许多方 面都能得到广泛应用。研究人员正在为u m l 和m o f 开发形式语义n ”，这些 努力将解除人们对于u m l 在表示标准模型( 例如本体) 的适用性上的担心。 目前，已经有越来越多的人将u m l 用于本体的开发，在开发和维护基于a g e n t 和语义w e b 的本体中，u m l 的优势越来越得到体现。 近年来，一些不同的研究项目和商业应用已经将u m l 用于本体表示， 在这些项目中，采用了不同的方法： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 u m l 直接用于本体的表示，它作为另一种本体表示语言的图形化的前 端工具。例如d a r p a 代理标记语言、本体推理语言和本体w e b 语言“”。 2 u m l 与各种a g e n t 基础架构和知识库实现工具协同工作，例如j a v a 对象和开放知识库连接的a p i 。 3 将u m l 应用到各种与本体相关的任务，例如本体映射和一致性检查。 与此同时，国内许多学者也做了大量研究工作，总结为如下几个方面： 1 钟凌燕n 引等在利用i f v o 进行企业建模的过程中，先利用u m l 建立 本体论模型，再将其映射成i f v o 的本体论标记语言o m l 。 2 王狮n 毗等采用u m l 的p r o f i l e 扩展技术作为消除o w l 复杂符号体系 与本体建模易操作性需求之间矛盾的关键技术，制定了u n t o 建模元素与 o w ll i t e 语法元素之间的映射关系，建立了o w ll i t e 的u n i lp r o f i l e 元模 型。 3 曾宪文n ”等详细对比分析了o w l 特性元素和u m l 特性元素及本体开 发，讨论了o w l 本体通过u m l 类图向面向对象语言转换的方法。 4 郁书好n 町“町等结合建模实例分析u m l 和o w l 的基本概念和建模原语 在本体建模中的开发原理，并对两者在本体建模过程的方法进行分析评价。 上述研究方法的特点：主要是比较分析了u m l 与本体元素以及它们的 建模方法，建立了u m l 建模元素与本体的o w l 语法元素之间映射关系，从 而促进现有的本体开发过程，提高开发效率。这为如何将本体应用于u m l 建 模提供了借鉴和参考。 总之，u m l 已经被成功地应用于许多本体相关的任务中，并且已经为不 同类型的本体建模，包括具有挑战性的i e e es u o 等抽象的上层本体。这些 研究工作为基于u m l 本体表示方法的研究打下了坚实的基础。 1 4 本文的主要研究内容 本文首先分析面向对象建模与本体建模的异同，提出利用支持面向对象 技术的统一建模语言表示领域本体的方法，总结本体、本体表示方法以及 u m l 应用于本体研究的国内外研究现状。 研究本体表示方法的基本理论，包括本体相关理论、知识类型以及知识 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表示方法、本体表示相关知识、推理方法等，分析用u m l 表示本体的方法， 本体中的规则集表示问题以及基于此表示方法的推理机制问题，为研究基于 u m l 的本体表示方法提供坚实的理论基础。 在深入研究本体表示方法、u m l 理论与推理方法等理论基础上，提出基 于u m l 本体表示方法- i7 b o r 主要思路，研究关键技术。 u b o r 方法采用u m l 中的各个部分表示本体，本体中的概念、属性、 方法、分别由u m l 的类、类的属性、类的方法表示，本体中的规则表示为 规则对象的形式，本体模型图由u m l 类图表示，在推理部分采用面向对象 思想与产生式规则推理相结合的方式，设计推理机制，至少能实现简单的推 理功能。 最后通过实例验证u b o r 表示方法，把u b o r 表示方法应用于航空订 票本体中，测试u b o r 的可用性，根据实际应用中遇到的问题进一步改进 u b o r 方法，总结u b o r 方法的优劣势，规划将来的工作。 1 5 本文的组织结构 本文共分四章，结构安排如下： 第1 章为绪论。介绍课题的研究背景及意义；分析面向对象建模与本体 建模的异同，提出利用支持面向对象技术的统一建模语言表示领域本体的方 法，总结本体、本体表示方法以及u m l 应用于本体研究的国内外研究现状。 第2 章是基础理论研究部分。通过第一章的研究分析出目前本体表示方 法中存在的问题，针对存在的问题研究本体概念、本体分类、本体表示需求 以及面向对象表示方法等；讨论面向对象推理方法在本体推理中的应用，分 析面向对象方法推理与产生式规则推理方法各自的利弊，为基于u m l 的本 体表示方法研究奠定理论基础。 第3 章是核心部分。在前两章理论研究的基础上，提出基于u m l 的本 体表示方法- i b o r ；首先通过分析本体表示结构，进行u b o r 基础研究， 包括提出利用u m l 表示本体的具体方法，如本体中的概念、属性、方法、 分别由u m l 的类、类的属性、类的方法表示，本体中的规则表示为规则对 象的形式，本体模型图由u m l 类图表示并且给出u b o r 的形式化定义：其 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 次，u b o r 推理机制的设计，包括推理机制设计思想及推理模型图；最后， 分析u b o r 方法的优劣势。 第4 章是u b o r 方法应用，通过把u b o r 方法应用于航空订票本体， 测试u b o r 方法的可用性，对u b o r 方法进行评价分析，确定u b o r 进一 步研究的方向。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章基于u m l 本体表示理论研究 绪论部分介绍了基于u m l 的本体表示方法背景与意义，当前本体表示 领域的国内外研究现状，对u m l 应用于本体开发进行了分析，通过比较u m l 与本体中存在的异同，提出了利用扩展u m l 表示本体的方法。本章通过总 结前一章的研究情况，分析了目前本体表示方法中存在的问题，针对问题进 行基于u m l 的本体表示方法的基础理论研究，为基于u m l 的本体表示方法 研究提供理论指导。 2 1 本体相关研究 2 1 1 本体概念 本体源自于哲学概念，从哲学的范畴来说，本体定义为“对世界上客观 世界存在物的系统的描述，即存在论 ，是对客观存在的一个系统或领域的解 释或说明，关心的是客观现实的抽象本质。 2 0 世纪9 0 年代初，人工智能界最先将本体概念引入计算机领域，用于 知识表示和组织，其概念和内涵也发生了改变。在人工智能界，最早给出本 体定义的n e c h e s 等人将本体定义为“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啪 。 随着研究的不断深入，在信息系统、知识系统等领域，研究人员给出了 不同的定义。1 9 9 3 年，g r u b e 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幢u 。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 。s t u d e r 等人对 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，包含4 层含义啮阱，： 1 概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) 。指通过抽象出客观世界中一些现象的相关 概念而得到的模型。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 明确( e x p l i c i t ) 。指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定 义。 3 形式化( f o r m a l ) 。指本体是计算机可读的，即能被计算机处理。 4 共享( s h a r e ) 。指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，即本体针对的是团体而非个体共识。 虽然研究者对本体的描述各不相同，但是从内涵上看，他们对本体的认 识是一致的，即在相关领域内，本体通过建立共享词汇库，明确定义概念， 并描述概念之间的关系，为不同主体( 人、代理、机器等) 间的交流( x t 话、 互操作、共享等) 提供语义基础。 2 1 2 本体分类 本体的分类方法较多，g u a r i n o 提出可根据详细程度和领域依赖度两个 维度对本体进行划分嘲，。详细程度是一个相对的、较模糊的概念，指描述或 刻画对象的程度。详细程度高的称为参考本体，详细程度低的成为共享本体。 根据本体对所研究的学科领域的依赖程度的划分方法，将本体细分为顶级 ( t o p l 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 ) 本体等四类。 1 顶级本体。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，与具体的应用无关，完全独立于特定的问题或领域，可以在 一个很大的范围内共享，其他种类的本体都是该类本体的特例。 2 领域本体。描述的是特定领域中的概念及概念之间的关系。 3 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。它 们都可以应用顶级本体中定义的词汇来描述自己的词汇。任务本体和领域本 体处于同一个研究和开发层次。 4 应用本体。描述特定的应用，它既可以应用特定的领域本体中的概念 及概念之间的关系，又可以引出特定的任务本体中的概念及概念之间的关系。 2 1 3 本体与领域知识库比较分析 从知识表示角度考虑，本体与知识库有类似之处，都是对一个具体或抽 象领域中包含的知识的定义、表示和组织，但两者之间也存在区别。根据 哈尔滨工程大学硕士学位论文 g o m e z 定义汹，：知识库是知识系统的知识模块，它包含特定领域抽象或特定 的知识，这些知识以机器可读的格式表达。知识库的知识可以是描述性或过 程性。g r u b e r 认为本体是概念层次上对概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) 1 约清楚描述 啪，注重概念层次上术语及术语间关系的表述。 本体是知识库的骨架，知识是基于本体骨架的血肉。本体提供一组术语 和概念来描述某个领域，知识库则使用这些术语来表达该领域的事实。本体 给出领域的抽象知识，并提供领域知识的组织架构，知识库表达领域的具体 知识内容。一般说来，两者之间并没有清晰的界限。区别仅仅在于知识库的 哪一部分是可以共享和重用的，哪一部分是针对特定应用的。 2 2 知识类型及其表示方法 知识获取和对知识进行表示、存储和管理是实现知识库系统需要解决的 首要问题，也是研究本体表示方法的基础。下面简单介绍知识类型和知识表 示方法。 2 2 1 知识分类 领域本体是对某一领域的抽象，而领域是千变万化的，因此，与领域相 关的知识类型也是多变的，概括起来主要有以下几种，如表2 1 所示倥力。 1 过程性知识。描述做某件事的过程，使人或计算机可照此去做。此类 知识提供可解决问题的方向、规则、策略和过程等。 2 事实性知识。一般采用直接表示的形式。如果事实性知识是批量的、 有规律的，则往往以表格、图册，甚至数据库等形式出现。 3 行为性知识。不直接给出事实本身，只给出它在某方面的行为。行为 性知识经常表示为某种数学模型。 4 实例性知识。只给出一些实例，关于事物的知识即隐藏在这些实例之 中。 5 类比性知识。既不给出外延，也不给出内涵，只给出它与其它事物的 某些相似之处。 6 元知识。关于知识的知识，元知识经常以控制知识的形式出现。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 知识的类型 知识类型 描述对象 过程性知识 规则、过程等 事实性知识一般的事实等 行为性知识描述事物的内涵 实例性知识大量的有内在规律性的实例 类比性知识给出与其它事物的相似之处 元知识关于知识的知识 2 2 2 知识表示方法 知识表示方法的研究是人工智能中心内容之一。不论是问题描述、领域 抽象、系统任务的描述、经验知识的表示乃至推理决策都离不开知识。而要 对知识进行充分的利用，寻求高效的知识表示方法成为必须解决的问题。