基于本体的语义推理实例研究

基于本体的语义推理实例研究岳笑峥北京邮电大学计算机系，北京（100876）E-mail：yuexiaozheng@摘要：作为下一代Web基础的本体正在被越来越多的人关注，本文首先介绍了本体的概念、描述语言及构建方法，然后在热门的本体编辑器Protégé环境下实现了一个具体的本体构建实例，并实现了在此基础上的推理研究。

关键词：语义Web；OWL；本体；Protégé；推理1.引言随着互联网规模的壮大，如何正确有效的处理海量Web信息成为了一个核心话题。

目前的计算机只能对Web信息进行识别，而不能更好的理解，为此有人提出了语义Web的概念，而本体则是语义Web的基础，基于本体论的语义模型为信息的表示、交换和处理提供了一个较为合理的标准，从而使得网上信息的共享成为可能。

2.语义Web介绍语义Web(Semantic Web) [1]是当前万维网的扩展， 1999年由万维网创始人Tim Berners—Lee等人提出，其目的是通过结构化和形式化的方法来表示We上的资源，使得计算机程序能够对网络资源进行分析和推理．这首先要求机器“理解”网络资源，因此需要一系列的统一语言来表示Web上的资源．于是， Tim Berners—Lee在2000年提出了语义Web 的体系结构,如图1所示：图1 语义Web体系结构构建语义Web体系结构的语义层首先由RDF (Resource Description Framework，资源描述框架)开始，RDF是用来表现万维网上各类资源的信息的一种语言．它采用Web标识符(统一资源标识符URI)来标识事物，采用三元组(资源，属性，值)表示资源，但这种说明性的语言没有提供机制来描述属性或说明属性与其他资源之间的关系，因此需要RDF的词汇描述语言RDF Schema(RDFS)．RDFS是在RDF的基础上引进了类的概念、类之间的包含关系、属性之间的包含关系，以及属性的定义域和值域。

但RDFS的表达能力并不足以表达Web上资源所属领域的概念模型，如RDF(s)不能自定义新的概念，无法强调属性的传递性或对称性，这些局限性导致了Web本体语言的提出． OWL(Web Ontology Language) [2]，是W3C推荐的语义Web中本体描述语言的标准．它在RDFS的基础上提供了更为丰富的类描述能力．OWL按照不同约束要求可分为三种子语言：OWL Lite， OWL DL和OWL Full。

其中OWL Lite适用于只需要一个概念分类层次和简单属性约束的情况，它除了具有RDFS特征外，还具有描述属性特征(传递性、对称性等)以及对属性基数进行约束的能力；OWL DL支持既需要丰富表达能力又需要较强推理功能的情况，它在OWL Lite的基础上引入类型分割，要求一个属性要么为对象属性(Object Property表示两对象之问的关系)，要么就为数值属性(Data Type Property表示对象与XMI DataType之间的关系)，其语义描述能力基于描述逻辑且包含OWL语言中所有的语言约束，在保证推理系统的计算完整性(保证所有结果均可计算)和可判定性(所有计算都能在有效时间内结束)基础上，支持最强的语义表达能力；OWL Full不仅包含所有OWL、RDFS词汇，而且还允许Ontology在预定的RDF和OWL词汇表以外增加词。

因此能让用户最大限度地表达知识。

三种子语言之间的关系为：每个合法的OWL Lite都是一个合法的OWL DL；每个合法的OWL DL都是一个合法的OWL Full；每个有效的OWL Lite结论都是一个有效的OWLDL 结论；每个有效的OWL DL结论都是一个有效的OWL Full结论。

3.本体建模3.1本体构建准则本体(Ontology)的概念起源于哲学领域，指的是对客观存在系统的解释和说明，近几十年来，在人工智能、计算机科学和知识工程等诸多领域得到了迅速发展。

本体可以实现某种程度的知识共享和重用，使得计算机对信息和对语言的理解上升到语义层次，并在一定程度上解决语义异构问题，在信息互操作、知识理解和信息集成等领域具有很大的应用前景。

在基于本体的实际应用中，构建本体是一项基本任务，虽然出于对待定问题域和具体工程需求的考虑，构造本体的过程各不相同，但人们在总结构建经验基础上，归纳出一些有用的本体构建准则，其中Gruber在1995年提出的五条准则[3]：清晰性。

本体应该能有效地传达其中所定义的术语的含义。

一致性。

本体必须是一致的，即由本体得出的推论与原有的定义是相容的，不能产生矛盾和冲突。

可扩展性。

本体在设计时不仅要使用领域内公认的词汇，同时还要考虑可能的应用任务范围，使得本体的表达能被单调地扩展。

编码偏好程度最小。

概念应该在知识层次上说明，而不应依赖于特定的符号层次的编码。

最小本体承诺。

对待建模对象给出尽可能少的约束。

一般地，本体承诺只要能够满足特定的知识共享需求即可，这可以通过定义约束最弱的公理以及只定义交流所需的基本词汇来保证。

这五条设计原则，在本体的构建过程中，往往需要进行权衡，找出最佳的方案。

3.2本体构建步骤Stanford大学的Noy和Hafner分析了早期著名的本体设计项目，包括Cyc、WordNet 和UMLS等并结合他们开发和使用Protégé,Ontolingua等本体编辑环境的经验，给出了一种构建本体的具体过程：本体的开发过程通常是迭代的，即先给出初步的本体框架，然后再对本体进行不断修改和精炼的过程中补充细节。

本体的构建的过程分为七步进行：确定本体的领域和范围。

本体开发的第一步必须明确一些基本问题，诸如：该本体针对什么领域？用途是什么？要描述什么信息？回答哪一类的问题？谁将使用和维护这个本体？等等。

需要注意的是，随着开发的进行，这些问题和它的回答可能会发生变化。

考虑重用现有本体。

收集和待开发本体相关的其他本体是有价值的。

可以精炼、扩充或修改现有的本体，通常可以避免很多不必要的开发工作。

目前网络上已有一些本体库，如DAML本体库。

列出本体中的重要术语。

列出所关心的术语，这些术语大致表明建模过程所感兴趣的事物、事物所具有的属性和它们间的关系等。

定义类和类的继承。

类的继承结构的定义可以采用自顶向下的方法或自底向上的方法，无论选择哪种方法，都要从定义类开始，选择那些从具体存在的对象中抽象出来的术语作为本体中的类，然后将它们构成分类等级体系。

定义属性和关系。

仅有类对很多问题都不能给出回答，因此还需要定义概念和概念间的内部关系。

这里所指的关系可分为两种：一种是概念自身的属性，称为内在属性，另一类属性成为外在属性，也有的文献直接称之为“关系”，通常用于连接概念间的实例。

定义属性的限制。

这一步需要定义属性的一些限制，包括属性的基数、属性值的类型以及属性的定义域和值域。

构建实例。

最后还需要为类构建实例。

这需要确定与个体最接近的类，然后添加个体进去作为该类的一个实例，同时要为实例的属性赋值。

4.本体构建工具protégé简单易用的本体编辑工具对于降低本体开发强度、减少开发成本和加速开发过程都有着重要意义。

一个良好的本体编辑工具应能在本体建模过程中提供书写本体、一致性检查、可视化、查询、推理，以及将结果转换为不同本体语言表示格式等功能。

最著名的本体编辑工具当属Stanford大学开发的Protégé,最新的版本是2005年6月公布的Protege3.1beta版，包括了50个样例本体和58个插件。

它是一个免费和开源的本体编辑平台。

Protégé基于Java 语言，能在Windows、Solaris和Linux等平台上使用。

Protégé采用图形化界面，主界面包含多个标签，分别支持Classes、Slots、Forms、Instances和Queries等编辑操作。

Protégé支持OWL、RDF(S)、XML和DAML+OIL等本体语言，提供了对本体的读入和编辑后的输出，其中对OWL文件的操作借助了惠普实验室开发的Jena工具包。

Protégé中的推理嵌入了Racer等推理引擎。

Protégé支持功能上的可扩展，很多本体应用可直接在它的基础上进行特定应用的二次开发。

插件是Protégé中最重要的特色，用户可以根据所需要的功能选择相应的插件，被选中的插件会以新标签的形式出现在主界面中。

4.1 Protégé的编辑操作类的编辑。

类又叫做概念(Concept)，表示对象的集合，是本体最基本、最重要的一个建模元语，是构建本体的基础。

作为本体的骨架支撑起本体的所有结构。

Protege软件对类的构建在Class标签中实现，主要分为Name(类的名字)、Documentation(对类的描述性文本)、Constraints(对类的约束)、Role(类所属类型)、Tem—plate Slots(描述类的属性)。

每一个Name 即是一个主题词的名称；Documentation栏中输入的则是对主题词所进行的描述；而对类的约束(Constraint)是通过约束实例(Instance)来描述的，约束实例是由布尔算符构成的；Protégé中类的类型(Role)有两种：Abstract(抽象型)和Concrete(确定型).选择哪种类型是由所构建的本体概念所决定的，构建完一个类后，可以继续添加它的下位类。

属性的编辑。

属性对类进行描述，它可以被用来说明类的共同特征以及某些实例的专有特征。

一个属性是一个二元关系。

对属性的构建实在Slot标签中实施的,它分为Name(属性名字)、Documentation(对属性的描述)、Template Value(属性值)、Value Type(属性类型)、Default Value(默认值)、Domain(所属类)、Maximum(输入的最大字符数值)、Minimum(输入的最小字符数值)、Inverse Slot(相反的属性)。

实例的编辑。

实例也称为个体，类是一个相对抽象的东西，而实例则将概念所表达的某一领域的知识或信息加以实际化。

实例的建立是在Instance标签中实现的，实例继承了它所代表的类的所有属性，是将抽象的类具体化的形式，在建立的副主题词这一概念里，构建了名称、注释等属性，并建立分类、教育等与主题词想组配的副主题词实例。

一个类的实例可以不仅仅存在于这个类之下，还可以存在于多个类下。

4.2 Protégé的可视化界面本体构建的可视化。