（计算机应用技术专业论文）owl+ontology在制造知识管理系统中的应用研究.pdf

中文摘要 e r p 系统可以改善企业业务流程、提高企业核心竞争力，但是庞大的e r p 系统结构不灵活，可重用性差。通过把e r p 系统的核心知识，比如物料需求计 划( m a t e r i a lr e q u i r e m e n t sp l a n n i n g , m p p ) 解耦成模型，而不是代码，这样就可以 使组织的知识独立于软件系统，仅在需要的时候被使用，因此可以提高e r p 系 统的性能。而且从制造角度来看，由于在采购、生产、销售过程中，各种信息间 存在着复杂的相互依赖制约的关系，目前以表结构为核心的数据库技术很难将复 杂的关系表达清楚，也很难直接由机器或程序对其做出处理。这种情况下，需要 寻找一种具有强大语义关系表达能力而又十分灵活的资料存储结构作为企业信 息的载体。本体( o n t o l o g y ) 恰好可以满足这一要求。 本文中使用o w ld l 作为该项目中开发本体的语言，因为其既有足够的知 识表达能力，又有适合大规模应用的推理效率，还可以将描述逻辑领域研究的大 量成果应用到o w ld l 上来。p r o t 6 9 6 及其o w l 、p a l 插件被用来开发机械领 域本体中的类和各种关系。首先，我们对到工厂调研的结果进行了分析后，发现 由于制造业知识间存在着复杂的相互关系，而且目前知识表示方法的局限，所以 在e r p 系统中存在着很多数据之间关系表示上的问题。针对这一问题，我们应 用o w lo n t o l o g y 来解决数据之间关系的表示问题，帮助企业更有效的管理各种 信息。本文要阐述了一种新型的适合于开发o w lo n t o l o g y 的方法，构建出的本 体可以用来管理制造业企业中机械零件知识的存储和信息获取，以及如何利用推 理工具基于现有条件推断出新的事实。为使用者开发一个工具能直观的体现程序 的功能，并且自动生成p a l 程序，而不需要他们先要去学习复杂的p a l 语法。 在实际生产中，可以使得企业便于管理原材料的采购和最终产品的生产和销售， 并且实现减小库存，优化库存的目的。 最后讨论了本体如何被重用，以及结合a g e n t 技术可以实现基于本体的搜索， 展望了下一步的工作方向。 关键词：本体，企业语义网，m r p i f e r p ，o w l ，p a l a b s t r a c t e r p s y s t e mc a ni m p r o v et h ep r o c e s so f t h ee n t e r p r i s eo p e r a t i o na n dt h ec o m p e t i t i o n p o w e r , b u th u g ee r ps y s t e m ss t r u c t u r ei sn o ta g i l i t ya n dh a r dt o b cr e u s e d b y d e c o u p l i n g c o r ep r o d u c t k n o w l e d g eo fe r ps y s t e m , s u c h a sm r p ( m a t e r i a l r e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ) ，i nm o d e l s ，n o ti nc o d e ，i tc a i lb er e p u r p o s e db yt h em a n y d i f f e r e n t k i n d s o f e r ps y s t e m s t h a t m i g h tr e q u i r e i t i n t h i s w a y , t h ee f f i c i e n c y o f e r a s y s t e mc a nb er e f o r m e d f u r t h e r m o r e , i nt h ep r o c e s so fs t o c k , m a n u f a c t u r ea n ds a l e ， t h e r ea r ec o m p l i c a t e dr e l a t i o n s h i p sb e t w e e na l lk i n d so fi n f o r m a t i o n ，s ot h er e l a t i o n a l d a t a b a s ei sn o te n o u g ht od e s c r i b et h eh i b e r a r c h ya n di n t e r d e p e n d e n c ei n t e r r e l a t i o n , w h i c hc a no n l yb eu n d e r s t a n db yh u m a n i na d d i t i o n , t h ep r o c e s so fo p e r a t i n gd a t a c a n tb eh a n d l e da u t o m a t i c a l l ya n dl l l d st h eh e l po f h a n d i w o r k t h u sw en e e dan e w f l e x i b l ed a t a - s t o r i n gs t r u c t u r et h r o u g hw h i c hw ec a ne x p r e s sa l lt h es e m a n t i cr e l a t i o n o n t o l o g yc a l ls a t i s f ya l lr e q u i r e m e n t s ，a si ti su s e dt oc a p t u r ek n o w l e d g ea b o u ts o m e d o m a i no fi n t e r e s ti nac o m p u t e r - r e a d a b l ef o r mt oe n a b l ei t se x p l o i t a t i o n , s h a r i n ga n d r e u s e w eu s eo w ld la st h el a n g u a g eo fb u i l d i n go w l o n t o l o g y p r o t d 9 6a n di t so w l a n dp a l p l u g i n sa t eu s e df o ro n t o l o g yd e v e l o p m e n to fc o n c e p t sa n dr e l a t i o n s h i p so f m e c h a n i s md o m a i n f i r s t l y , w ea n a l y z et h er e s u l t so fi n v e s t i g a t i n gt h em a n u f a c t u r e p r a c t i c e ，a n df i n ds o m ed i f f i c u l t i e so fe x p r e s s i n gt h ed a t ar e l a t i o n s f o rs o l v i n gt h e s e p r o b l e m s w ea p p l yo w lo n t o l o g yt oe r ps y s t e m w eu t i l i t ya no w lo n t o l o g y a p p r o a c ht os u p p o r tm e c h a n i c a lp a r t sk n o w l e d g es t o r a g ea n df a c i l i t a t ei n f o r m a t i o n r e t r i e v a l t l l i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nd e m o n s t r a t i n gt h ew a yi nw h i c ha no w l o n t o l o g yi sb u i l tt h r o u g hu s i n ga r e n o v a t e dm e t h o d o l o g y , a n dt h ea b i l i t yt oi l l f b fn e w f a c t sw i t had e s c r i p t i o nl o g i cc l a s s i f i e r , r a c e r a n dt h e nw ed e v e l o pat o o lt o g e n e r a t et h ep a lp r o g r a m sa u t o m a t i c a l l y , s ot h eu s e r sn e e dn o tt ol e a r nt h ep 札 s y n t a x t b i sw a yc a s e st h es t o c ko fr a wa n dp r o c e s s e dm a t e r i a l sa n dt h es a l eo ft h e p r o d u c t s ，a n do p t i m i z e st h ee n t e r p r i s er e p e r t o r y w ea l s os h o wh o wt h i so n t o l o g ye , a nb er e u s e da n ds h a r e dt op e r f o r mo n t o l o g y - b a s e d s e a r c hw i t ha g e n t si ns e m a n t i cw 曲f i n a l l yw ep r o s p e c to u rf u t u r ew o r k k e y w o r d s ：o n t o l o g y , t h ee n t e r p r i s es e m a n t i cw e b ，m r p i i e r p ， o w l ，p a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导9 耐旨导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名： 签字日期：必彳年月位日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫垄盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：b 8 i 叉 导师签名： 签字日期：文睁月肛日 签字日期：妊月y 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在不确定是唯一可确定因素的经济环境中，知识是企业获得持续竞争优势的 源泉。知识管理就是利用先进信息技术实现知识获取创造、组织存储、传播、 应用，使企业在动荡的市场中保持高度智能化的管理手段。但是，在知识的表示、 信息的组织、软件的复用等方面还存在着很多亟待解决的问题。特别是由于因特 网的快速发展，面对信息的海洋，如何组织、管理和维护海量信息并为用户提供 有效的服务也就成为一项重要而迫切的研究课题。 最近，正在飞速发展的w 曲s e r v i c e s 标准整合了协议信息服务和接口规格说 明这两项技术，实现了一系列安全的规模性的开放式整合技术 2 2 】。即使这样， 各种组织仍然面临着同3 0 年前一样的问题不可兼容的数据。w 3 c 组织提出了 使用语义网( t h es e m a n t i cw e b ) 技术来辅助w e bs e r v i c e s 的体系结构，减少高投 入且劳动密集型的信息熔合方式，更克服了共享词汇在语义上的限制。一种被称 为企业语义网( t h ee n t e r p r i s es e m a n t i cw e b ) 的技术针对某些特定领域把语义网 技术变为现实。它为那些需要大规模资料的解决方案的组织提供了突破性的性 能，而且确保了基于全球化标准的信息体系结构的支持。资源描述框架( r e s 6 u r c e d e s c r i p t i o nf r a m c w o r k ，简称r d f ) 【2 3 】和网络本体语言 铈o n t o l o g y l a n g u a g e ，简称o w l ) 6 】是企业语义网的核心技术。 2 0 世纪9 0 年代初开始出现的e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，企业资源计 划) ，是从m r p i i ( m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ep l a n n i n g ) 发展而来的新一代集成化信 息管理系统。e i 冲跳出了传统企业边界，从供应链范围去优化企业的资源，覆盖 了企业物料、采购、库存、财务、生产等各个部门，是一个巨大而浩繁的工程， 并不是简单的企业信息数字化。e r p 系统建立在信息技术基础上，以系统化的管 理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。e r p 系统集中信息 技术与先进的管理思想于一身，成为现代企业的运行模式，反映时代对企业合理 调配资源，最大化地创造社会财富的要求，成为企业在信息时代生存、发展的基 石，对于改善企业业务流程、提高企业核心竞争力的作用是显而易见的。然而， 庞大的e r p 系统结构不灵活，可重用性差，需要软件供货商专门为企业量身定制 适合的系统。然而如果使用企业语义网，通过把商业知识解耦成模型，而不是代 第一章绪论 码，这样就可以使组织的知识独立于软件系统，仅在需要的时候被使用 2 4 1 。 本文的研究是把本体技术和e r p 原理进行有效的优势联合，使得e r p 软件 结构上，不再追求大而全，而更趋于灵活、实际和面向具体用户。随着中国正式 宣告加入w t o ，外国公司的大量涌入必然会给本土企业带来巨大的冲击，但也 同时带来了前所未有的发展机遇。中国企业首先必须在管理上缩短与国外企业的 差距，即进行必要的、彻底的管理变革，还要在更为有效的e r p 管理软件的帮 助下，才能克服风险，抓住机遇，利用自身的优势在激烈的竞争中胜出。随着国 家“以信息化带动工业化”方针的提出，国民经济信息化被提到了前所未有的高 度、深度和广度。本文为这一方针的实现进行了有益的尝试，并提出了很有启发 的解决思路，为制造业管理信息系统的发展进入一个新阶段推波助澜。 1 2 研究现状和本文工作 作为企业语义网的核心，r d f 和o w l 的显著特点就是它们把商业各个方面 知识，例如：工作流、元资料和商业流程等，都看作是资料。这使得普通工具就 可以对它们进行处理，而不需要专门的仅适合于局部资料的工具。由于本体 ( o n t o l o g y ) 的优势越来越明显，越来越多的领域本体被开发出来。目前，很多没 有使用o w l 方法表示的本体被开发出来，它们被用来表示制造业企业的知识， 并在网上被共享使用，例如：p r o c e s ss p e c i f i c a t i o nl a n g u a g eo s l ) 1 9 】是一种交 互的格式，可以在数量众多的制造业应用程序间进行过程信息的交互。这些制造 业应用程序包括：流程建模，流程规划，调度，仿真，工作流，项目管理以及业 务流程再设计等工具。通过p s l 的翻译，上述这些工具之间可以进行互操作并且 可以自动交互流程信息。t h ee n t e r p r i s ep r o j e c t 2 0 】是英国政府支持的项目，为 了推动在企业建模过程中使用基于知识的系统。这个项目建立了一个企业本体 ( t h ee n t e r p d s eo n t o l o g y ) ，用来表示企业建模过程中涉及到的各种企业信息和生 产活动。t o v e ( t o r o n t ov i r t u a le n t e r p r i s e ) f 2 1 项目创建了一个企业本体，有如 下四个方面的特点：1 ) 为企业提供了一个可被每个应用程序共享使用的术语集 合；2 ) 使用一阶逻辑，尽可能明确和准确的定义了每个术语的语义；3 ) 使用 p r o l o g 语言定义了一个公式集合，使得这个本体可以自动推理出很多有关企业方 面的常识性问题的答案；钔使用了图形符号来描述创建的本体中的概念。再有， 我们也可以在 1 0 】找到一些使用o w l 开发的本体，但它们大多数是医药生物领 域的，机械领域的本体目前还很少。所以我们需要从头开始研究我们这个机械领 域的o w lo n t o l o g y 。 本文中我们使用的是前面提到的企业语义网的核心之一的o w l 技术，来表 第一章绪论 示制造业中的各种知识，比如m r p ( m a t e r i a lr e q u i r ep l a n n i n g ，物料需求计划) 。 尤其是，作为e r p 系统计算物料需求过程中的控制文件，物料清单是非常重要 的，为了使e r p 系统正常运行，物料清单必须完整和准确1 8 。我们的o w l o n t o l o g y 可以被视作所有产品的数据结构，拥有一个灵活可变的结构，通过推理 可适应特定应用程序或者用户的需求。再有，有效的开发工具是顺利完成任务的 前提条件，我们采用s t a n f o r dm e d i c a li n f o r m a t i e s 开发的p r o t 6 9 6 8 】作为知识建模 的工具。同时我们使用p r o t 6 9 6 的o w l 插件建立遵循于o w l - d l ( d e s c r i p t i o n l o g i c s ，描述逻辑) 的本体。因为本体是模型，所以其开发方法不是唯一的，本 文中采用的是一种迭代的方法，它和 1 ，2 】中描述的类似，但是它更适合于开发 o w lo n t o l o g y 。本文主要介绍如何使用方便的工具和适当的方法来构建一个 o w l o n t o l o g y ；为使用者开发一个工具能直观的体现程序的功能，并且自动生成 p a l 程序，而不需要他们先要去学习复杂的p a l 语法。在实际应用中，这个本 体使得企业便于管理原材料的采购和最终产品的生产和销售，并且实现减小库 存，优化库存的目的。 1 3 本文的组织结构 本文第二章介绍了本体的基本概念及在各个领域中的应用，以及本文中使用 的构件本体的语言o w l d l ；第三章对本项目的需求做了详细的分析，并介绍了 如何使用本体构建工具来创建我们的本体中的类、属性及其之间的关系；第四章 中讲述了如何把描述逻辑作为本体推理的基础，对已经构建好的本体进行逻辑推 理，并且结合实际案例说明如何使用该本体来帮助企业管理物料信息；第五章对 全文进行了总结，并且展望了今后的工作方向。 第二章本体技术和本体表示语言o w l 第二章本体技术和本体表示语言o w l 2 1 本体的定义 本体( o n t o l o g y ) 的概念最初起源于哲学领域，可以追溯到公元前古希腊哲 学家亚里士多德尝试对世界上的事物分类，在哲学中定义为“对世界上客观存在 物的系统地描述，即存在论”f 2 5 。牛津英语词典定义为“存在的科学或研究”。 当不同的理论家提出本体的不同建议，或者不同的知识领域谈论本体建议时，应 该使用本体的复数即本体论( o n t o l o g i e s ) 以便表示总的本体集合【2 6 】。 1 9 9 1 年美国s t a n f o r d 大学的g m b e r 和n e c h e s 等人【2 7 】最早把本体定义为“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”。 1 9 9 3 年g m b e r 2 8 采用概念化的形式定义 结构 2 9 1 ，其中d 是领域， r 是d 中相关的关系集合。把本体定义成“共享概念化的形式的、明确地规范”， 因此能够很好地表现出本体的本质特性。 为了澄清信息系统领域对本体概念的理解，1 9 9 5 年意大利p a d o v a 大学的 g u a r i n o 等人 3 0 】对不同概念解释进行深入分析，给出基本得到领域认同的概念， 即“某些方面概念化的明确解释或表示”。此定义不是最终的标准定义，但却符 合大多数普通的标准用法，对信息系统具有理论指导意义。 1 9 9 8 年g u a r i n o 3 1 认为g r u b e r 的本体定义仅指出了领域中普通的数学关系， 即反映事物特殊状态的外延关系，却没有清楚地区别本体和概念化。为了明确独 立于事物状态的关系的意思，需要引入统称为概念关系的内涵关系。并把本体定 义为“解释形式词汇的指定意思的逻辑理论”，也就是世界的特殊概念化，这里 的概念化指的是领域空间定义的一组概念关系，包含着领域空间中对象之间所有 可能关系的意思解释。 但是这两种本体定义都没有涉及跨学科，况且c n u b e r 的本体定义太含糊， 而g u a r i n o 的本体定义对推理原理又模棱两可。这就需要在形式化和逻辑 理论之间进行折衷，因此信息系统本体论应该是“特定的形式语言产生的清晰 公理理论”3 2 ，本体论的粒度越细含有的公理也就越多。该本体论至少用于一 个特殊且实际的应用，并能描绘特定对象领域的结构，还能解释研究领域中系统 使用的形式词汇或协议的指定意思。 第二章本体技术和本体表示语言o w l 过去的十几年中，在信息系统中已经出现了本体的很多定义，术语本体 大多分成两种意思 2 6 1 。第一，本体是表示性词汇，经常指定到某些领域或主题。 简单来讲，不是把词汇当成本体，而是获取词汇中术语的概念化。特别强调的是 概念化是语言无关的，而本体是语言相关的，应该符合特定的形式语言。第二， 本体有时指的是使用表示性词汇来描述某些领域的知识体，特别是描述领域的共 识知识。换句话说，表示性词汇提供描述某些领域的事实的一套术语，而使用词 汇的知识体是领域的事实集合。 尽管信息系统中各领域对术语本体的理论解释还存在着很多矛盾和问题， 但是本体论已成为信息系统专业语言的必要组成部分，并在信息交换时起到至关 重要的作用，因此信息系统研究者在多数情况下已经基本认同这种歧义状况的存 在，并用其表示系统中隐含( 或不明确的) 信息，以便实现知识的共享和复用。 来自哲学、自然语言理解、知识表示与获取、过程管理，数据库集成和企业 建模等历史上相互分离的不同领域的研究人员，围绕本体论召开了为数众多的专 题研讨会，都从各自的领域出发共同探讨本体论问题的核心。1 9 9 8 年6 月在意 大利召开第一次主题会议“信息系统中形式本体论国际会议”，同时伴随着研究 成果数量和质量的剧增，这一会议的召开是本体论研究成熟化的标志。 另外，通常我们会将本体同数据库模式( d a t a b a s es c h e m a ) 相混淆，实际上 这是两个不同的概念。数据库模式是指一组以资料定义语言来表达的语句集，该 语句集完整地描述了数据库的结构。二者的区别主要在于：( 1 ) 数据库模式不能 为他们的资料提供清楚的语义信息，而o n t o l o g y 可以提供清楚的而正式的语义信 息。( 2 ) 数据库模式不能共享或重用，一般来讲他们只是定义了某个特定领域的 资料信息；而o n t o l o g y 是自然描述某个领域的概念及其关系，因此他们可以被重 用和共享。( 3 ) o n t o l o g y 开发越来越成为一个分布式的过程。数据库的迭代开发 把大量的精力都放在了资料的修改和扩充上；而o n t o l o g y 中知识的表达更加自 然，包含的信息量更为丰富，因此o n t o l o g y 可以通过更加具有表现力的语言来描 述更为复杂的模型。 2 2 本体的应用 在工程研究中，从知识共享的角度来说，o n t o l o g y 作为一种概念化的说明， 采用框架系统对客观存在的概念和关系的描述。它是通用意义上的“概念定义 集”，是关于“种类”( k i n d ) 和“关系”的词汇表。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。 今天，哲学的分支本体论可以充当连接信息系统和哲学之间的桥梁，尽 第二章本体技术和本体表示语言o w l 管本体论在信息系统中的作用好象与哲学中的作用完全不同 3 1 】。信息系统需要 推理世界模型，因此研究者采用术语本体在程序中描述表示世界的信息。自 从2 0 世纪9 0 年代开始，本体论工程日益引起关注，已经变成流行的研究主题， 因为研究者已经逐步意识到本体论不仅仅适用于基于知识的系统，所有软件都需 要现实世界的模型，并在设计阶段就开始充分利用本体论【2 5 】。 综合来讲，使用本体的原因如下： 2 】 1 1 有助于不同的人( 或代理) 之间对信息结构理解的一致性。 2 ) 有助于领域知识的重用 3 ) 使领域知识结构更加明确 钔可以从可操作的知识库中分离出领域知识 5 1 有助于领域知识的分析 下面是一些领域中本体的具体使用情况。 2 2 1 信息系统 本体论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 该领域内共享信息的研究者共同认可的公共词汇，从不同层次的形式化模式给出 这些词汇( 术语) 和词汇间相互关系的明确定义，通过概念之间的关系来描述概 念的语义。 本体驱动信息系统的突出优势是：本体以t o p - d o w n 方式不仅能用来建立新 的信息系统工程，而且也能同样好地用于信息系统重组，以便增加系统的复用和 可维护性【3 0 】，因此在信息系统的运行时、d b 构件、用户接1 3 构件和应用程序 构件中都将使用本体论。因此本体可以用于信息系统的很多领域，如传统软件系 统的类定义、o o 系统的对象规范、数据库的概念规范、知识基的模块建立构件、 人类协作的结构化术语表、以及a g e n t 间通讯的词汇表等等。 2 2 2 分布式信息系统( 供应链) 分布式信息系统集成面临的主要问题是结构、设备的异构和缺乏统一的语义 集( 即本体) 。集成系统中没有本体是语义异构的根本原因，造成语义异构主要 有4 种原因：不同的信息源使用多种术语( 词汇) 表示同一概念；同一概念在不 同的信息源中表达不同的含义；各信息源使用不同的结构表示相同( 或相似) 的 信息；各信息源中的概念之间存在着各种关联，但由于各信息源的分布自治性， 这种隐含的联系不能显式体现出来。 目前分布式异构信息集成的方法主要有两种【3 6 】：结构方法和语义方法。结 构方法的主要优点是实现比较简单、信息源相对固定；缺点是扩展性差、不提供 第二章本体技术和本体表示语言o w l 语义级的检索，著名项目是美国s t a n f o r d 大学开发的t s i m m i s ( t h es t a n f o r d - i b m m a n a g e ro f m u l t i p l ei n f o r m a t i o ns o u r t ? , e 8 ) 系统。语义方法的主要优点是扩展性好、 适应动态信息源、支持语义级查询、使用本体作为语义层集成手段；缺点是实现 比较复杂、涉及本体的创建，著名项目是意大利的m o m i s ( m e d i a t o re n v i r o n m e n t f o rm u l t i p l ei n f o r m a t i o ns o u r c e s ) 系统。 在很多大的应用领域里存在的主要问题是不同信息系统的术语学差异。一个 组织与另一组织的信息系统即使处于同一领域，它们使用的术语也可能不一致， 这明显阻碍信息的通讯和共享，甚至降低商业运作的效率。比如，作为供应链中 结点的企业，不同企业间( 即整条供应链内部) 存在着信息系的差异，同时企业 内部不同部门之间也存在着信息的不一致性。 使用受控词汇( c v ，c o n t r o l l e d v o c a b u l a r y ) 却能够克服这个问题，c v 是合 并和统一大的应用领域术语的概念系统 3 3 1 。通过维护公共且中央的c v ，能够 消除不同组织之间和信息系统之间通讯时存在着的昂贵且费时的转换工作。 吴国文等人 3 4 】引入本体和本体簇来处理概念模式的语义一致性问题。通过 把本体与概念模式之间术语的相似性进行量化，来评估概念模式的语义完整性。 把企业本体特殊化为本体簇，用本体簇描述应用领域之间的关联和层次关系，达 到了标准概念模式的识别、复用和储存。利用语义的相似性和内聚性，把语义相 对完整的概念模式转换成标准概念模式，从而产生标准概念模式生成算法。 2 2 3 软件领域 最近几年，本体论的开发已经从a i 实验室等领域转移到了软件领域。在软 件领域，任何软件本身都拥有一套概念体系，这个体系包括对象、对象之间的相 互约束关系、对事务处理过程的描述、语义交互，以及简单的推理和逻辑规则， 因此可以把此体系通称为软件领域的本体论 4 1 1 。 本体论，或者领域概念的明确表述，提供建立知识基的基本结构 4 2 】。每个 本体论都是概念和它们之间关系的系统，在此系统中以陈述的方式来定义和解释 所有的概念。系统定义问题域的词汇，并为怎样将其绑定到模型域的术语定义一 组约束。除了简单的事实外，本体论还能表示领域的精神实体，如信念、目标、 假设和预测f 2 6 。本体论也能描述计划和活动，因为这些都需要现实对象和关系 的规范。 因此说所有软件系统都需要本体论，系统应该一直“知道”有关世界的实体、 以及实体的属性和关系 4 3 1 。所有系统都需要知识，无论是涉及数据结构、还是 方法或者算法。领域本体编码这些知识，就像r d b m s ( r e l a t i o n a ld a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ) 系统“知道”它的关系表、资料行和字段一样【4 3 】。由于本 第二章本体技术和本体表示语言o w l 体论无处不在，因此把a i 和其它软件学科集成是很容易的。 2 2 4 多a g e n t 系统 最近几年，随着软件设计师寻求复杂环境中解决问题的新方法，对多a g e n t 系统( m a s ， m u l t i - a g e n ts y s t e m ) 的兴趣也日益增加。m a s 主要有以下几个 特点：1 ) 每个a g e n t 有解决问题的不完整信息；2 ) 没有全局控制；3 ) 资料分 散。随着a g e n t 技术的进步，对面向a g e n t 软件工程的研究试图开发方法论来帮 助研究出健壮而且可靠的m a s 4 4 1 。 构造m a s 涉及传统分布式系统中的所有问题，以及单个a g e n t 行为产生的 问题，设计师需要m a s 开发的工程方法来表达和避免这些问题 4 5 1 。本体能够 提供共享的虚拟世界，用来描述a g e n t 通讯中概念的意思，每个a g e n t 可以基于 此建立自己的信念和行为。为了保持a g e n t 的独立性，我们坚持a g e n t 不和其它 a g e n t 发生直接的资料交换和共享，缺乏标准化就会阻碍a g e n t s 之间的通讯和协 作，即“互操作”问题 4 6 ，4 7 3 。那么m a s 能有效地完成一项复杂任务，需要一 组中介a g e n t ，o n t o l o g y 专门负责沟通a g e n t 和环境之间的信息交流。为了取得 互操作必须解决两个问题：结构异构和语义异构 4 7 】，结构异构关注信息的不同 表示，同一本体描述的信息能被表示成不同形式：语义异构关注被描述信息的指 定意思。 因此为了达到互操作，必须发现从一个本体的概念到另一本体的概念之间的 映像。对此w i e s m a n 等人【4 8 】给出了很好的解决方案，如果a g e n t s 使用不同的 本体，并且没有映像可知，那么a g e n t s 应该试着发现共识本体 4 9 】从而来建立映 像，也就是发现不同本体之间间接相关联的语义桥，这种方案的灵感来自于语言 游戏( 1 a n g u a g eg s m o s ) 【5 0 】。 假定a g e n t 之间使用本体库中的内容术语相互进行通信，这种通信是相当简 单的。通过链接到这些本体库，a g e n t 使用与在这些本体中规定的用法相一致的 术语进行通信。甚至没有使用同一本体库的a g e n t 之间仍然可能进行通信。如果 所有的映像都是正确的，很显然，任何a g e n t 都能与其它a g e n t 进行通信，通过 发现都能映像到的共同本体。 2 2 5 其它应用 最近a i 领域的调查 3 5 】暗示出实际系统的开发者可以从本体论的使用中获 益，主要有知识工程、自然语言处理、知识表示、智能信息检索、虚拟企业、以 及仿真和建模。一旦好的内容理论可用，所有使用同一内容的不同机制都能同样 好的用来实现有效系统 3 7 】。 第二章本体技术和本体表示语言o w l 本体论是关于指定知识领域的对象种类、对象特性以及对象之间关系的内容 理论，提供描述领域知识的潜在术语 2 5 】，本体的主要特点就是辨识某些领域中 特定的对象类和关系，因此本体论是内容理论的精髓。m c c a r t h y 和h a y e s 理论 ( 认识和启发式的区别) 3 8 1 、m a r r 的三层理论( 信息处理和策略层、算法和数 据结构层、物理机制层) 3 9 、n e w e l l 的理论( 知识级和符号级) 4 0 】，所有这 些理论都以各自的方式来特性化内容。 除了上述本体应用外，本体还被广泛应用于电子商务b 2 b 、c s c w ( 计算机 支持的协同工作) 、资料挖掘等领域。由此我们可以看出，具有澄清领域的知识 结构，以及实现知识共享和复用能力的本体，其应用领域是及其广泛的。 2 3 0 w l 介绍 2 3 1 本体表示语言 为了提高信息的检索率，必须有一个机器可处理的语言，用于描述网络信息 的内容，这种需求促成了网络本体描述语言o w l 的产生。o w l 可以用于帮助 应用程序处理包含在文文件中信息的内容而不是仅仅关注信息的显示方式。这与 传统的由人来直接处理信息内容的方式不同。o w l 可以用于显式的表达在词汇 表中类的含义和这些类之间的关系。类和它们之间关系的这种表达被称为本体。 o w l 是在d a m l + o i l 网络本体语言的基础上改进的。在设计过程中吸取 了d a m l + o i l 的设计和应用经验。 语义w c b 被认为是w 曲未来的发展方向。在语义w 曲上，信息都带有显 式的含义，使其易于机器自动处理和w e b 信息集成。语义w e b 利用了x m l 可 以自定义标签模式( t a g g i n gs c h e m e s ) 的能力和r d f 可以灵活表示资料的能力。 w 3 c 提出了一些与语义w e b 有关的建议，包括x m l 、x m l 模式、r d f 、r d f 模式。x m l 为结构化文文件提供了基本的语法，但对文文件的含义并未施加任 何语义上的限制；x m l 模式是一种约束x m l 文文件结构的语言；r d f 是一个 关于对象( 或资源) 和它们之间关系的数据模型，并为这个数据模型提供了简单的 语义。这些数据模型使用x m l 语法表示。r d f 模式是描述r d f 资源中属性和 类的词汇表，并带有这些属性和类的泛化层次的语义。这些建议构成了一个七层 堆栈结。本体层是堆栈结构中重要的一层，o w l 是用于在w e b 上描述本体的 标准语言。 第二章本体技术和本体表示语言o w l 2 3 2o w l 的3 个子语言 o w l 有3 个表达能力递增的子语言：o w ll i f e ，o w ld l 和o w lf u l l 。 o w ll i f e 是表达能力最弱的子语言，提供了类分层的能力和简单的约束功能。 它支持基数约束，但只容许基数值为0 或l 。因为表达能力较弱，为o w ll i t e 开发支持工具要比其它两个子语言容易一些。o w ld l ( d l 表示描述逻辑) 在保 持计算完整性( 所有的结论可以保证计算出来) 和可判定性( 所有的计算在有限时 间内结束1 的前提下，提供了尽可能大的表达能力。o w ld l 包含了o w l 的全 部语言构造成分，但它们的使用受到一些限制( 如一个类可以是许多类的子类， 但不能是另一个类的实例) 。描述逻辑是o w l 的形式化基础，o w ld l 提供了 描述逻辑的推理功能。o w lf u l l 包含o w l 的全部语言构造成分并取消了o w l d l 中的限制。在o w lf u l l 中，一个类可以看成是个体的集合，也可以看成是 一个个体。由于o w lf u l l 取消了o w ld l 中的保证可计算性的某些限制，因 此不存在完整的推理算法支持o w lf u l l 的全部特性。 适合语义w e b 的知识表示标记语言既要有足够的知识表达能力，又要有适合 大规模应用的推理效率。知识表示领域中研究的描述逻辑是一阶谓词逻辑的可判 定子集( 描述逻辑的概念是一元谓词，角色是二元谓词) ，是关于知识表达能力 和推理效率的一个好的折衷。从语义w e b 的知识表示标记语言的需求看，描述 逻辑作为其形式化基础是合适的。因此本文中选用o w ld l 作为该项目中开发 本体的语言。 2 a 描述逻辑 描述逻辑源于构造遗传网络和基于框架的表示，是一阶谓词逻辑的可判定子 集，能够精确地刻画语义，在该领域进行了大量关于知识表达能力和推理的复杂 性的研究，从语义w e b 知识表示标记语言的需求看，描述逻辑作为形式化基础 是合适的。在现实世界中需要指定个体和个体间的关系( 二元的) 。描述逻辑描述 形成了层次知识：概念( c o n c e p t ) 和角色( r o l e ) 名。角色表示二元描述，如 h a s _ c h i l d ( x ，y ) 。概念表示一元描述，如p a r e n t ( x ) e p e r s o n ( x ) a | y ：o m s _ c h i l d ( x ， y ) 八p e r s o n ( y ) 。描述逻辑具有固定的表示符号，像构造符n 、s 、上、一、了、 v 。由原始概念和角色用构造符集可以建立复杂的概念和角色，从而实现知识的 表示和推理。含有以上这些基本构造符的a c c 是标准描述逻辑。 第二章本体技术和本体表示语言o w l 2 4 1 描述逻辑的语义 语义w 曲里的本体是一个公理( 表示类包含等价) 集。描述逻辑以其优良的 特性成为表达本体的有力工具。如：定义良好的语义；支持推理；对本体设计的 支持检查类一致性( 尤其是对大的本体或多人设计的本体) ；支持本体集成一 一表达内本体关系( i n t e r o n t o l o g y ) 、建立完整的类层次；支持本体开发检查是 否事实的一个集是关于一个本体一致的、回答关于本体的查询。 描述逻辑是句法( s y n t a x ) + 语义( s e m a n t i c s ) 的。语义通过一个解释 ( i n t e r p r e t a t i o n ) = ( ，o i ) 给出。其中，是一个非空集合，称作j 的域。1 是把每 个原子概念a 映像到的子集，而把每个原子关系映像到，的子集。 2 4 2o w ld l 和描述逻辑问的对应关系 2 4 】中以描述逻辑作为o w ld l 的形式化基础，详细分析了o w ld l 和描 述逻辑间的对应关系，用描述逻辑的语义解释了o w ld l 的各个基本元素，从 而可以将描述逻辑领域研究的大量成果应用到o w ld l 上来，为进一步研究 o w l d l 的知识表示、推理等问题奠定了基础。在实际应用中，可以将用o w l d l 刻画的知识转成相应的描述逻辑形式，在描述逻辑的领域中考虑o w ld l 的语 义、知识表示、推理等问题。 o w l d l 提供六种类型的类描述，分别是( 1 ) 类标识符( 2 ) 枚举( 3 ) 属 性限制( 4 ) 两个或两个以上类描述的交( 5 ) 两个或两个以上类描述的并( 6 ) 类描述的补。通过使用类描述的构造器，可以归纳定义复杂的类。o w l d l 的各 个基本元素均有相应的描述逻辑形式，可以使用描述逻辑作为o w ld l 的形式 化基础，以描述逻辑的语义解释o w ld l 的各个基本元素，从而可以将描述逻 辑领域研究的大量成果应用到o w l d l 上来，为研究o w l d l 的知识表达能力 和推理奠定了基础。 2 4 3o w r l d l 和d l 的区别 o w l d l 的逻辑基础是d l 但由于o w l d l 要面向语义w e b ，而d l 是传统 的逻辑语言，两者还是有一定的区别的： 1 ) o w l 用u r i r e f 来标识概念，属性，实例，等等，而d l 用名字( 字符串) ， 另外，逻辑中一般采用唯一名假设，即名字不同的两个东西是不同的，而o w l 由于w 曲的开放性，很有可能不同的人对同一个东西给出的u