綜合的戰場空間領域本體構建方法

摘要:為了建設我軍的一體化知識處理平臺#65380;獲取知識優勢#65380;構建我軍的戰場空間領域本體，針對我軍實際，結合我軍信息化建設的經驗，提出了一種綜合的戰場空間領域本體構建方法MSBCO，設計了具體算法;最后對相關研究進行了比較#65377;

關鍵詞:本體;本體合并;戰場空間

中圖分類號:TP18文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)10-0082-04

0引言

知識共享#65380;集成的基礎是本體[1]#65377;要建設我軍的一體化知識處理平臺，解決知識共享#65380;集成的問題，關鍵是構建我軍的戰場空間領域本體[2]#65377;戰場空間領域本體是典型的大規模復雜本體，涵蓋多門學科#65380;包含多個領域#65380;涉及多家單位#65377;如何構建我軍的戰場空間領域本體將關系到一體化知識處理平臺建設的成敗#65377;目前，針對大規模本體的開發方法還不成熟，沒有一套完整的統一的方法論[3~5]#65377;盡管已經提出了許多本體開發方法，如Cyc#65380;UscholdKing#65380;GrüningerFox#65380;Bernaras#65380;Methontology#65380;Sensus等方法[3]#65377;但是這些方法僅僅提供一些通用的本體構建框架，沒有考慮我軍的管理體制#65380;信息化建設的實際情況，因而不能很好地指導戰場空間領域本體的構建#65377;文獻[6]指出，對于本體構建方法而言，沒有一個是絕對正確的，只有適合自身項目的方法#65377;也就是說，本體構建方法的選擇，不僅要考慮技術因素，如選擇更適合所需解決任務的#65380;更直觀的#65380;更易擴展的并且易于維護的本體構建方法，同時也要考慮構建領域本體的組織特點#65380;具體實施策略等#65377;

由于戰場空間子領域的多樣性和專家的分布性使得戰場空間領域本體的開發具有分布式特征，首先考慮一種分散本體開發方法，即組織各相關單位自己開發相應領域子本體，然后進行綜合集成#65377;但是，戰場空間領域本體完全分散開發，不利于集成#65377;Stuckenschmidt等人[7]總結了這種本體開發方式的弊端:在分布式環境下，各地的本體獨自建設#65380;高度異質，對遠程本體概念的不嚴格引用會導致嚴重的語義問題#65377;反之，采用完全集中的開發方法，一方面組織管理難度大#65380;成本高;另一方面也不利于調動各相關單位的積極性，不能發揮各自的創造力#65377;

從目前我軍信息化建設的管理體制#65380;機制來看，采用集中指導下的分散開發，再進行集成的開發方法是比較適合我軍特點的#65377;因此將戰場空間本體集分成領域核心本體#65380;領域子本體和領域本體#65377;核心本體反映領域高層概念的分類結構#65380;關系#65380;約束#65380;公理，因此相對規模較小，便于集中開發;然后以此核心本體為基礎，各相關單位建立自己的領域子本體;最后將各領域子本體進行集成，形成最終的戰場空間領域本體#65377;為此，結合通常的本體開發步驟以及本體集成方法，本文提出了一種比較適合我軍組織管理特點的戰場空間領域構建方法(domain ontology construction by merging subontology based on core ontology，MSBCO)#65377;

1戰場空間本體集

從內容上看，戰場空間本體集包括領域核心本體#65380;領域子本體和領域本體三類本體#65377;其中，領域本體是戰場空間本體集的主要組成部分，開發戰場空間本體集的最終目標是建立其領域本體#65377;

1.1戰場空間領域核心本體

戰場空間領域核心本體(battlespace core ontology，BSCO)作為戰場空間描述的核心模型，主要描述領域相對通用#65380;必需的高層概念#65380;關系#65377;由于BSCO抽象層次較高，可以涵蓋范圍較廣的戰場空間研究領域，可以被許多具體的應用領域所重用#65377;抽象是任何重用技術的基礎，當然，抽象也是相對的#65377;如果抽象層次太高，對領域子本體構建的指導意義就不明顯，參考價值不大#65377;反之，BSCO的規模大#65380;開發難度大#65380;重用性差#65377;因此，BSCO應該抽象到哪一個概念層次需要作好規劃#65377;

BSCO概念的提出參考了美國Teknowledge公司知識本體開發小組開發Teknowledge本體的思想[6]#65377;Teknowledge本體分成三層，即建議上層共用知識本體SUMO#65380;中層本體MILO和領域本體DO#65377;其中SUMO已作為IEEE標準核心本體SUO的一部分#65377;其目的是促進數據互操作#65380;信息查詢和檢索#65380;自動推理和自然語言處理，它可以為其他本體開發提供基礎#65377;SUMO的作用如下:作為構建其他子領域本體的基礎;作為多個面向領域的本體之間的集成框架;作為涵蓋相同領域卻使用不同詞匯表的本體之間轉換的指導#65377;

1.2戰場空間領域子本體

戰場空間領域子本體(battlespace subontology，BSSO)是各相關單位在統一的規范下，以BSCO為基礎，經對某些學科或子領域中概念#65380;關系擴展而成的相對完整的領域本體模塊#65377;對領域子本體的劃分可以根據我軍機構職責#65380;學科等原則進行，例如武器裝備保障部門負責建立武器裝備相關學科的領域子本體#65377;

BSSO的開發思想借鑒了模塊化的思想#65377;文獻[7，8]認為模塊化的本體開發對本體的構建#65380;管理#65380;應用#65380;更新都具有重要的意義#65377;尤其在本體開發方面，可以實現不同領域的專家分工合作，根據領域關注點或者特長的不同分別開發自己熟悉的本體模塊，在統一的規范下各司其職，并有效集成#65377;

1.3戰場空間領域本體

戰場空間領域本體(battlespace domain ontology，BSDO)作為戰場空間描述的元模型，規范和系統化戰場空間描述#65380;保證戰場空間描述的完整性和一致性#65377;以BSSO為基礎，利用本體歸并技術，可以建立針對戰場空間領域的共享本體——BSDO#65377;圖1說明了戰場空間領域核心本體#65380;領域子本體#65380;領域本體三者之間的關系#65377;

2戰場空間領域本體開發方法

基于建立本體的基本原則和一般步驟[6]，提出一種比較適合我軍組織管理特點的戰場空間領域本體開發方法#65377;具體過程如圖2所示#65377;

2.1限定領域本體所需覆蓋的范圍

首先必須深入理解所討論的領域，依據所需要解決的任務限定戰場空間領域本體所需覆蓋的范圍#65377;主要考慮如下四個問題:領域本體究竟要覆蓋什么領域;使用領域本體干什么;依據領域本體中的信息可以給什么類型的問題提供解答;誰使用和維護領域本體?另外，限定領域本體所需覆蓋范圍的有效方法之一是列出一系列的能力問題#65377;這些能力問題要求領域本體是必須能夠回答的，當然它們只是一個大概的框架，不要求很全面#65380;無遺漏#65377;可以在以后使用這些能力問題對領域本體進行檢驗:領域本體是否包含足夠的信息來回答所有這些能力問題;對這些能力問題的回答是否需要特定層次的細節或特定范圍的表達?

2.2構建領域核心本體

由一體化知識處理平臺主管部門組織相關領域專家協商合作，集中開發戰場空間領域核心本體;然后，組織專家進行評審#65377;如果存在問題則進行修訂#65380;精煉#65377;這個過程可以多次反復，直到得到相對滿意的戰場空間領域核心本體#65377;

構建BSCO可以借鑒現有的多種本體構建方法從頭開始開發[3]，也可以利用IEEE標準上層本體SUO[9]#65380;Cyc工程中的高層頂級本體等作為基礎進行擴展開發[10]#65377;

2.3基于領域核心本體BSCO構建領域子本體BSSO

在統一的規范下劃分領域子本體模塊，組織各相關單位以BSCO為基礎開發各自的領域子本體#65377;

2.4基于領域子本體構建領域本體

將各領域子本體進行合并，形成最終的BSDO#65377;當新的領域子本體創建出來后，將它與已有的BSDO歸并，而且這個過程是不斷進行的#65377;因此，BSDO是不斷完善的#65377;

2.5領域本體正確性分析

本體正確性分析包括一致性分析#65380;冗余分析#65380;完整性分析#65377;建立本體是一項復雜而艱難的工作，建立包含多個學科#65380;各種粒度知識的本體尤其繁雜和艱難，并且分模塊開發，其中的問題和錯誤在所難免#65377;為了找出并改正本體中的錯誤，保證本體是一致的#65380;正確的和可用的，必須對本體進行細致的分析#65377;

以上五個步驟中，關于前面兩個步驟已經有許多的研究成果，因此本文不再深入研究#65377;領域本體正確性分析也可以通過本體推理引擎自動完成#65377;本文主要研究基于核心本體構建領域子本體#65380;基于領域子本體構建領域本體的實現算法#65377;為方便描述，選用KIF作為本體描述語言[11]#65377;

3實現算法

3.1基于核心本體構建領域子本體

戰場空間領域子本體構建方法是以BSCO為基礎，經對某些學科或子領域中概念#65380;關系擴展而成的相對完整的領域子本體模塊#65377;其構建過程是向BSCO添加術語的過程#65377;

基于核心本體的領域子本體構建方法的具體算法BSC_1如下:

a)從領域資料中抽取術語T#65377;

b)從BSCO中發現術語T的相應類term#65377;如果兩者完全相同，則轉步驟a)#65377;

c)分析T與term的關系，進行相應處理#65377;下面針對幾種最常見的關系類型，說明處理方法:

(a)如果term包容T，則生成一個term的子類T，即添加(subclassof T term)，并且:

·為子類T添加屬性#65377;子類T可以重用BUO中term的屬性，也可以通過創建類term已存在屬性的子關系，擴展BUO屬性#65377;·為子類T添加定義信息#65377;定義約束#65380;表達子類與超類的特別之處#65377;

·用本體語言表達類和屬性，建立公理#65377;

(b)如果term與T等價，則為概念term定義一個別名T，即添加(equalof T term)#65377;

(c)如果T是term的一個實例，則為概念term定義一個新實例T，即添加(instanceof T term)#65377;

(d)如果T是term的一個屬性，則為概念term定義一個新屬性T，即添加(propertyof T term)#65377;

d)重復步驟a)~c)，直至得到相對完整的領域子本體為止#65377;

e)調用相應本體推理系統，檢查新生成的領域子本體的一致性#65377;

為了說明BSC_1算法，利用BSC_1構建一個陸軍武器裝備領域子本體示例片段和海軍武器裝備領域子本體示例片段#65377;假設戰場空間核心本體中有軍事資源(包括彈藥#65380;武器裝備#65380;物資器材等)概念#65377;

戰場空間核心本體為

(subclassof武器裝備 軍事資源) 

(subclassof物資器材 軍事資源)

(subclassof彈藥 軍事資源)

……

陸軍從它所配備的武器裝備中發現有“重機槍”，從BSCO中找到它的相關概念“武器裝備”，而且顯然與“武器裝備”概念之間存在包容關系#65377;因此生成一個“武器裝備”的子類“重機槍”，為“重機槍”添加屬性#65380;約束等信息#65377;繼續添加陸軍的武器裝備概念，可得如下的武器裝備領域子本體:

(subclassof武器裝備 軍事資源) 

(subclassof物資器材 軍事資源)

(subclassof彈藥 軍事資源)

(subclassof槍炮 武器裝備)

(subclassof輕機槍 槍炮) 

(subclassof重機槍 槍炮) 

……

同樣，海軍也可以建立海軍的武器裝備領域子本體:

(subclassof武器裝備 軍事資源)

(subclassof物資器材 軍事資源)

(subclassof彈藥 軍事資源)

(subclassof槍炮 武器裝備)

(subclassof艦用機槍 槍炮) 

(subclassof艦炮 槍炮)

……

3.2基于領域子本體構建領域本體

本體合并是將兩個本體合并為一個新的#65380;更大本體的過程#65377;本體合并的關鍵是確定兩個本體術語之間的關系，尤其是兩個或多個本無聯系的本體的合并#65377;由于戰場空間領域子本體都是從核心本體擴充而來，可以利用核心本體作為語義關系的橋梁，確定兩個本體術語之間的語義關系#65377;

e)調用相應推理引擎，檢查合并后的領域本體的一致性#65377;

結合上面介紹的武器裝備實例，利用BSC_2方法將海軍的武器裝備領域子本體合并到陸軍的武器裝備領域子本體中#65377;假設已抽取到海軍的武器裝備領域子本體中術語“艦用機槍”，從陸軍的武器裝備領域子本體中得到相關術語“槍炮”，顯然“槍炮”與“艦用機槍”之間存在包容關系#65377;因此，生成一個“槍炮”的子類“艦用機槍”，將“艦用機槍”的屬性#65380;定義信息#65380;相關公理添加到陸軍的武器裝備領域本體中#65377;重復上述過程，可以得到新的武器裝備領域本體:

(subclassof武器裝備 軍事資源)

(subclassof彈藥 軍事資源)

(subclassof槍炮 武器裝備)

(subclassof物資器材 軍事資源)

(subclassof輕機槍 槍炮)

(subclassof重機槍 槍炮)

(subclassof艦用機槍 槍炮) 

(subclassof艦炮 槍炮)

4相關研究比較

目前本體開發方法主要分為三類:a)本體工程師利用知識獲取方法構建本體#65377;其基本步驟通常包括決定本體的領域和范圍#65380;列舉重要的術語#65380;定義類和類層次結構#65380;定義類的屬性#65380;定義相應的公理，最后對本體進行編碼等#65377;這種方法存在于本體開發的早期，主要原因是本體是一個新生事務，沒有多少現成的本體可利用#65377;這些方法中典型的有Cyc#65380;UscholdKing#65380;GrüningerFox#65380;Methontology等#65377;b)通過機器學習#65380;模式轉換技術，自動或半自動地構建本體，即本體學習#65377;例如文獻[12]使用映射技術將關系數據庫模式映射為本體;文獻[13]通過分析HTML窗體信息抽取窗體模式，然后利用映射規則將窗體模式轉換成本體#65377;c)重用已有本體知識構建新本體#65377;隨著本體應用范圍的進一步擴大，出現了越來越多的本體#65377;尤其是Web上公開的#65380;可獲取的本體數量不斷增長#65377;構建本體是一件非常困難的任務#65377;在這種情況下，利用現有本體構建新本體是一種自然而然的技術選擇#65377;另外，對語義Web#65380;分布式知識系統等大規模分布式環境而言，單個領域本體不足以支持在其上開展應用#65377;在信息集成領域，常常要求將與任務相關的領域本體集成起來，以便提供一個統一的#65380;一致的#65380;包含這幾個領域本體的全局本體#65377;因此，通過本體結盟#65380;合并等構建本體的需求變得越來越強烈#65377;許多原來通過知識獲取構建本體的方法也增加了通過重用現有本體而構建新本體的環節#65377;

目前重用已有本體知識構造新領域本體的方法又可以區分為兩大類[14]:從用戶需求分析出發，在現有本體基礎上構造新本體，現有本體將作為新本體的一部分出現;歸并具有相同主題的現有本體中的概念分類標準和規則，用以構造新本體#65377;在第一類方法中，需要分析被選本體是否具有足夠的描述細節和粒度，對于多本體庫操作可能還要考慮到本體描述語言的轉換等#65377;Physical systems本體庫是在Ontolingua[15]上實現的一個本體重用系統，系統區分了三類本體集成方法，即應用新的概念和關系對本體擴充#65380;對本體內容進行定制#65380;分析現有領域本體提取領域間依賴關系構造新本體#65377;該方法對領域依賴關系作了深入分析，但對如何利用這些關系構造新本體有待進一步討論#65377;另外，利用現有自然語言本體(特別是MRDs，機器可讀字典)作為本體構造資源的研究也很多，如在Ontosaurus中利用了SENSUS作為MRDs，采用半自動化的辦法構造領域本體，DODDL則以WordNet作為MRDs對現有的領域本體做有限的修剪操作#65377;第二類方法主要是針對具有相同主題的多個本體作歸并意義上的集成，以構造新的本體#65377;Gertjst van Heijst從改造現有的同類醫藥領域本體庫出發，對醫藥本體庫中本體的概念類屬性以及關系進行了整合和適當擴充#65377;

本文提出的戰場空間領域本體構建方法綜合了以上多種方法#65377;首先戰場空間領域核心本體的開發可以通過知識獲取的方式構建，也可以通過重用標準上層本體的方式構建;戰場空間領域子本體的構建是在核心本體的基礎上擴展而成，核心本體作為子本體的一部分出現;戰場空間領域本體的構建則是通過歸并具有領域子本體中的概念分類標準和規則而形成#65377;因此，本文提出的MSBUO不是一種單純的本體構建方法，而是針對我軍組織管理特點提出的一種工程性方法，具有較強的可操作性，方便大范圍的組織實施#65377;該方法對于一些結構化的組織開發大規模本體同樣具有指導意義#65377;

5結束語

本文針對一體化知識處理平臺中構建戰場空間領域本體的具體需求，在借鑒多種本體構建方法的基礎上，結合我軍管理體制的實際情況以及我軍進行信息化建設的經驗，提出了一種綜合的戰場空間領域本體構建方法#65377;其目標是建立全軍范圍內的分布式戰場空間知識基礎設施，使所有參戰部隊在該知識基礎設施的基礎上形成一個分布智能體，在整個戰爭過程實現“偵察—判斷—決策—行動”戰爭功能全方位的智能化處理，最終實現戰場空間從以網絡為中心到以知識為中心的轉換#65377;

參考文獻:

[1]GRUBER T R.Towards principles for the design of ontologies used for knowledge sharing[J] .International Journal of HumanComputer Studies，1995，43(5/6):907-928.

[2]宋峻峰，張維明，肖衛東，等.網絡中心戰的知識基礎設施構建研究[J].系統工程理論與實踐，2005，25(8):103113.

[3]李善平，尹奇韋華，胡玉杰，等.本體論研究綜述[J].計算機研究與發展，2004，41(7):10411052.

[4]JONES D，BENCHCAPON T，VISSER P.Methodologies for ontology development[C]//Proc of ITi and KNOWS Conference of the 15th IFIP World Computer Congress. London:Chapman and Hall Ltd， 1998:62-75.

[5]FERNNDEZ L M.Overview of methodologies for building ontologies[C]//Proc of IJCAI’99 Workshop on Ontologies and ProblemSolving Methods.Stockholm:[s.n.]，1999.

[6]BORST W N.Construction of engineering ontologies[D].Enschede:University of Twente，1997.

[7]STUCKENSCHMIDT H，KLEIN M.Modularization of ontologies——Wonderweb:ontology infrastructure for the semantic Web[EB/OL].(2003).http://wonderweb.Semanticweb.org/deliverables/documents/D21.pdf.

[8]吳永波.基于本體的任務空間概念模型建模方法研究[D].長沙:國防科學技術大學，2005.

[9]SUO. IEEE P1600.1，standard upper ontology[EB/OL].http://suo.ieee.org/.

[10]Cyc[EB/OL].http://www.cyc.com/tech.html.

[11]GENESERETH M R，FIKESL R E.Knowledge interchange format version reference manual[M].Stanford:Stanford University，1992.

[12]STOJANOVIC L，STOJANOVIC N，VOLZ R.Migrating dataintensive Web sites into the semantic Web[C]//Proc of the 17th ACM Symposium on Applied Computing.New York:ACM Press，2002:11001107.

[13]ASTROVA I.Reverse engineering of relational databases to ontologies[C]//Proc of the 19th ACM Symposium on Applied Computing.Berlin:Springer，2004.

[14]陳剛，陸汝鈐，金芝.基于領域知識重用的虛擬領域本體構造[J].軟件學報，2003，14 (3):350-355.

[15]Ontolingua[EB/OL].http://wwwksl.stanford.edu/knowledgesharing/ontolingua/.

[16]SUMO[EB/OL] .http://ontology. teknowledge. com/.

[17]GMEZPREZ A，ROJAS M D.Ontological reengineering and reuse[C]//Proc of the 11th European Workshop on Knowledge Acquisition，Modeling and Management.London:SpringerVerleg，1999.

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”