Protege构建本体笔记.doc

Protg构建本体1 3种OWL语言OWL可以分为三种子语言：OWL-Lite，OWL-DL，OWL-Full。子语言的特征是由它的描述能力来分类的。其中，OWL-Lite描述能力最弱，OWL-Full描述能力最强，OWL-DL的能力属于中间，同时，OWL-Full可以视为是OWL-DL的一个扩展。1.1 OWL-Lite在语法上，OWL-Lite是最简单的语言。一般用于只有一个简单的类层次和定义的约束比较简单的情况。比如，根据一个现有的百科全书建立的本体。1.2 OWL-DLOWL-DL是建立在描述逻辑基础上的的，描述能力比OWL-Lite强得多。描述逻辑是第一顺序逻辑的决定性部分，可以进行自动推理。因此，可以自动的计算分类层次，并且检查本体的一致性。1.3 OWL-FullOWL-Full的表达能力是最强的。OWL-Full可以适用于需要很强的表达能力的情况。2 OWL本体的组成OWL本体由个体、关联和类组成，三者分别和实例（Instances）、扩展连接点（Slot）、类（Classes）相通信。2.1 个体（Individuals）个体就是在领域中，我们所感兴趣的物体。Protg和OWL之间有一个显著的区别，就是OWL没有独立名字假定（Unique Name Assumption, UNA）。这意味着两个不同的名字可以指向同一个个体。个体就是我们常说的实例，个体可以被理解为“类的实例”。2.2 关联（Properties）关联指的是两个个体之间的二元关系，比如，一个关联可以把两个个体连接在一起。例：关联hasSibling，因为Matthew和Gemma是两兄弟，就可以通过hasSibling这个关系把Matthew和Gemma连在了一起，关联也可以只有一个参数，如使某种功能化的关联，如transitive（传递）或symmetric（对称）。在Protg中，关联基本和扩展连接点（Slot）的意思是一致的。在描述逻辑中，扩展连接点是一个角色，在UML中是关系，也可以是指向其他物体的概念。在GRAIL（另一种本体语言）和其他的形式化语言中，也被称作属性。2.3 类（Classes）OWL类是一组包含了个体的集合。它是通过使用形式化的数学语言，精确描述类成员的特性。比如，类Cat包括了特定领域中所有包括“猫”的类。类由超类（superclass）和子类（subclass）的层次结构分类构成，也被称作taxonomy。子类是超类的细化，子类可以继承超类的性质，也就是说，超类的条件是形成子类的必要条件。同时超类-子类关系式OWL-DL的关键特性之一，这可以为推理机自动调用。同时，概念（concept）一词也类中也时有出现，类是表述概念的基础。建立一个OWL类，就是建立一个说明类的环境的描述，这个环境首先必须满足描述此类的一个个体成员的要求。3 OWL本体的构建3.1 建立类3.1.1 一个类层次（class hierarchy）也被称之为一个分类法（taxonomy）。3.1.2 不相交类（disjoint class）不相交类的定义是，一个个体（或事物）不可能成为多个（1）类的实例。子类（subclass）3.2 建立关联（properties）关联的作用是表示两个个体之间的关系。关联主要分为两种：事物关联（object properties）和数据类型关联（datatype properties）。事物关联连接两个个体。数据类型关联连接一个个体和一个XML Schema 数据类型值（XML Schema Datatype value）或RDF描述（RDF literal）。OWL也有第三种关联，称为注释关联（Annotation properties），注释关联可以向类、个体或者事物/数据类型关联里添加信息（元数据）3.2.1 逆关联（Inverse Properties）每个事物关联都可能有一个逆关联。如果一个关联连接个体a和b，那么它的逆关联就将连接b和a。比如关联hasChild就是关联hasParent的逆关联3.2.2 OWL关联的特征（OWL Property Characteristics）3.2.3 功能性关联（Functional Properties）具有某种特定功能的关联。最常见的是，通过一个关联，将两个个体连接在一起。3.2.4 反向功能关联（Inverse Functional Properties）3.2.5 传递关联（Transitive Properties）若一个关联是传递的，那么如果关联P关联了a和b，且P也关联了b和c，那么，可以推知，P也可以关联a和c。3.2.6 对称关联（Symmetric Properties）若关联P是对称的，P关联了个体a和b，那么P同样可以关联a和b。3.3 关联的定义域和值域关联把个体从定义域连接到值域。例子在关联P中，把个体从定义域a连接到值域b。那么在它的反向关联P中，定义域就是b，值域是a，就是把个体从定义域b连接到值域a。3.4 描述和定义类3.4.1 关联约束OWL关联的作用是定义约束，约束的作用是限制归属类的个体，OWL中的约束主要有三种：l 计量约束（Quantifier Restrictions）l 基数约束（Cardinality Restrictions）l 赋值约束（hasVaule Restrictions）首先我们来看计量约束：l 存在约束（existential restrictions ）l 任意约束（universal restrictions ）例如，约束 hasTopping MozzarellaTopping表示存在一个个体中类或者集合，其中至少有一个个体含有MozzarellaTopping。事实上，约束所描述的是一个佚名的类，这个类包含的个体满足这个约束。当约束描述一个类的时候，它事实上也描述了（限定）这个类的超类，比如，MargheritaPizza是一个事物的子类，那么Pizza也至少含有一个满足MozzarellaTopping的子类。3.4.2 存在约束在OWL本体中，存在约束是最常用的约束。存在约束定义了，存在一个特定类的个体，满足一个给定的关联关系。例如，hasBase PizzaBase描述了在所有的个体中，至少有一个个体，满足在hasBase关联中，与类PizzaBase的一个个体相连接。3.5 使用推理机前面谈到OWL有3种子语言：OWL-Lite，OWL-DL（Description Logics）和OWL-Full。本体的一个主要特征就是可以被OWL-DL语言所描述，并被推理机所运行。推理机的一个主要服务就是测试一个类是否是其他类的一个子类，测试的结果被放在Protg的inferred ontology class hierarchy中。推理机提供的另一个标准服务是一致性检查，推理机给予类的描述可以确定，类是否可能拥有实例，当类被认为是不可能实例化的，类就是不一致的，比如与其他的类（如父类）的定义相冲突。3.5.1 使用RACER首先，本体的推理是通过Protg-OWL的DIG接口进行的，首先要安装完整的RACER机，并且打开它。Protg默认的推理机URL是http:/localhost:8080，如果要使用其他的推理端口，就要在Protg的OWL Preferences Dialog中设置它。3.5.2 调用RACER完成了RACER或者其他的推理机的设置以后，本体会“自动的”发送到推理机，自动计算分类层次，并且检查本体的逻辑完整性。Protg中，手动建立的类层次叫做“asserted hierarchy”，通过推理过后生成的类层次叫做“inferred hierarchy”。3.6 必要和充分条件（Necessary And Sufficient Conditions）目前，我们创建的所有类，都只用了必要条件来描述。必要条件就是，如果某个个体是一个类的成员，那么它必须满足的条件。换句话说，就是如果某个个体满足这些条件，那么它一定是这个类的成员。如果一个类只有必要条件，我们称之为简单类（Primitive Class）。如果一个类至少含有一组充分必要条件，我们称之为规范类（Defined Class）。如果一个类只有必要条件，也可称之为部分类（Partial Class），如果一个类至少含有一组充分必要条件，就可以成为完整类（Complete Class）。如果类A有一个必要条件，我们就可以说如果一个个体是类A的成员，它一定满足该条件。但是我们不能说任意满足这个条件的个体一定是类A的成员。如果类A是规范的，有一个充分必要条件，我们可以说，如果某个个体满足这个条件，这个个体就是A的成员；且任意一个满足这个条件的个体，都一定是类A的成员，这个条件不仅对A的成员是必要的，也是充分的，因此，满足此条件的个体，一定是A的成员。简单类和规范类（Primitive And Defined Classes）至少有一组充分必要条件的类就是规范类，我们可以定义，任何一个满足这个定义的个体都是这个类的成员。只有一个必要条件的类是简单类。3.7 自动分类使用OWL-DL子语言可以自动的对本体的类层次进行分类，当建立一个很大的本体时，我们可以通过推理机计算子类-超类之间的关系，从而提高一个大规模本体的可维护性，保持其处于一个逻辑上的正确状态。当一个本体的类有很多的超类的时候，最好的办法就是把类层次关系构建成为一个树的结构。因此，在asserted hierarchy中（人工构建的层次）的类不能有多个超类。计算和维护复杂的类关系是推理机的主要功能，通过推理计算，使类之间的关系保持一个可维护和标准的状态。这不仅提高了本体的可重用性，也把维护复杂层次关系时的人工错误降到了最低。3.8 任意约束（universal restrictions）任意约束限制了在一个给定的关联关系中，和某一个个体相连接的一个特定类的所有成员；该约束所包括的是符合这一条件的所有成员，而不是特定成员。任意约束和存在约束的区别在于，在一个给定的关联中，任意约束不是指定一个关系的存在，它仅仅表示，如果一个关联关系存在，其关联的个体一定是特定类的所有成员。3.9 自动分类和开放世界推理（Automatic Classification and Open World Reasoning）3.9.1 闭合公理（Closure Axioms）关联的闭合公理由一个任意约束构成，表示只能被特定的参数所填充的关联关系。此约束有一个参数集，该参数集是所有该关联的存在约束参数的并集。例如，对MargheritalPizza而言，hasTopping的闭合公理是关联hasTopping的任意约束，其参数是MozzarellaTopping和TomatoTopping的并集，就是hasTopping (MozzarellaToppingTomatoTopping)。3.10 值分割（Value Partitions）值分割不是OWL的一部分，也不是其他本体语言的内容，而是一种设计模式（design pattern），其作用是用于改进对类的描述。在本体设计中，设计模式的作用类似于在面向对象程序设计中对一个模式化的问题可以重复使用的解决方案。这些设计模式通常由专家设计，其正确性经过证明，可以解决一般的模式化问题。比如，创建一个“SpicinessValuePartition”的值分割，用于描述PizzaTopping的香味，值分割限定了一个可能值范围的一个详细列表，其中枚举出所有可能值。比如，在SpicinessValuePartition中限定范围为“Mild”，“Medium”，“Hot”。3.10.1 覆盖公理（Covering Axioms）覆盖公理包括两部分，被覆盖的类和形成覆盖的类。例如，我们有类A、B和C，类B和C是A的子类。假设A被B和C所覆盖，这意味着A的成员必须是B和/或C的成员。如果B和C是不相交（disjoint）的，A的成员必须是B或者C的成员。3.11 基数约束（Cardinality Restrictions）OWL中，我们可以描述与其他个体或者数据类型有关系的类的个体的至少、至多或者准确的数目。这个描述的约束就是基数约束。对于一个给定的关联P，最小基数约束定义了可以加入P关系的个体的最小数目；最大基数约束确定了这个最大数目；也可以确定可以加入P关系的个体的准确个数。4 开放世界推理（Open World Reasoning）这一章说明了开放世界推理的细节。 ：非符号5 在Protg-OWL中建立其他OWL结构5.1 建立个体OWL可以定义个体且维护他们的关联。个体可以使用在类描述，也就是在hasValue约束和可数的类中。5.2 hasValue约束（hasValue Restrictions）hasValue约束用符号（此符号需要反过来）表示，表示了一个个体集有至少一个特定关联关系的个体。例如，有hasValue约束 hasCountryOfOriginItaly(Italy是一个个体)，表示了一个个体集（一组个体的任意类），和个体Italy至少有一个hasCountryOfOrigin关联关系。如果我们要表示MozzarellaTopping是来自Italy的，在pizza本体中有多个国家（包括Italy）个体，我们就可以在MozzarellaTopping的hasValue约束中定义这个关系。5.3 可数类（Enumerated Classes）在描述类的时候，除了可以直接命名超类和通过约束定义佚名的超类的时候，也可以通过列举类的成员个体的形式定义超类。如，我们可以通过列举类DaysOfTheWeek的个体Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday来定义一个可数类。5.4 注释关联（Annotation Properties）OWL允许类、关联、个体和本体本身（技术上讲是本体的头文件）可以通过添加信息或者元数据来进行注释。这些信息片段可以成为审计（auditing）和编辑的信息。比如，创建日期、作者、资源的引用灯信息，OWL-Full对注释关联的应用没有任何的限制，但是OWL-DL对此有所限制，主要是：l 注释关联的参数必须是可读数据（data literal）、URI引用或者个体。l 注释关联不能用在关联公理中（property axioms）例如，不能用在关联层次中，因此这个关联不能含有子关联，也不能是其他关联的子关联。同样，注释关联也要有定义域和值域。OWL有五种头定义（pre-defined）的注释关联，用于注释类（包括任意类，比如约束）、关联和个体。具体略P985.5 充分必要条件的多重集合（Multiple Sets Of Necessary & Sufficient Conditions）在OWL中，可能有多个充分必要条件的集合。6 其他6.1 语言概述6.2 名字空间（Namespace）每个本体都有一个名字空间被称之为默认名字空间，本体也可以使用别的名字空间。一个名字空间是一串类、关联、个体前缀的字符，用于标识本体。通过获得不同本体的不同的名字空间，使一个本体引用另一个本体中的类成为可能。例如，一个本体要引用类owl:Thing，其名字空间就是：/2002/07/owl#。为了保证名字空间的唯一性，其唯一资源标识（Unique Resource Identifiers，URI）须以“/”或者“#”结尾。名字空间的作用是在本体引用其他本体的类、关联和个体的时候避免名字冲突。比如，在本体AircraftOntology中有一个类Wing，另一个本体BirdOntology中也有一个类Wing。AircraftOntology的名字空间是/aircraft#，BirdOntology的名字空间是/ontologies/BirdOntology#。很显然，AircraftOntology中的类Wing不同于BirdOntology中的类Wing，假设把AircraftOntology引入到BirdOntology中，AircraftOntology中的Wing的全名就是/aircraft#Wing。BirdO