基于ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ的本體儲存研究

摘要：本體合理有效的存儲是保證本體共享利用的前提，現有的關系數據庫本體存儲模式在存儲本體后會出現查詢推理效率低、維護困難等問題。文中在分析現有模式的基礎上，針對本體類和屬性的特點，給出了本體存儲模式的設計原則，并基于該原則提出了一種新的本體存儲模式。該模式針對本體描述語言的特點，將本體查詢常用的信息存放在不同的表中。整個模式易于理解，結構穩定，并且減少了本體查詢時進行表連接的代價，提高了查詢效率。

關鍵詞：本體；關系數據庫；存儲模式

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)19-30017-02

Ontology Storage Schema Based on SQL Server

ZHOU Xuan-ji

(Zhejiang Shuren University， Hangzhou 310018， China)

Abstract: The rational storage of ontology is the premise of the shareable use of ontology.Under current ontology storage schema， some problems such as difficult maintenance， low query and inference speed may appear after ontology storing in relational databas. Firstly current ontology storage methods are analyzed. Secondly ontology storage schema is designed according to ontology characteristic. The principle of designing ontology storage schema is given and a new storage schema is proposed based on the principle. In this schema， according to the characteristics of ontology description language， frequently queried information is stored in multiple tables， which makes the schema understandable and stable. Furthermore the schema can increase the query efficiency by reducing the cost of table join.

Key words: ontolog；relational databas；storage schem

1 引言

隨著 Internet 應用的普及和快速發展，組織和個人之間，軟件系統之間的交流與協作越來越重要。面對信息的海洋，如何組織、管理和維護海量信息，并為用戶提供有效的服務也就成為一項重要而迫切的研究課題。為了適應這些要求，本體作為一種能在語義和知識層次上描述信息系統的概念模型建模工具，已在信息系統的許多領域得到廣泛的應用。那些早期的語言標準和工具無法滿足廣泛存在的Web應用，所以研究者們開始重新研究Web環境下的本體。尤其是語義Web環境下的本體。隨著語義網絡中本體中資源的增加，本體的規模越來越大，結構越來越復雜，此時，本體的存儲管理效率成為人們普遍關注的問題。如何在本體存儲管理系統中設計高效的本體存儲模式，合理的存儲大規模的本體，支持高效的本體存儲管理是一件很有意義且具有挑戰的任務，而本體的合理有效的存儲是保證本體共享利用的前提。

2 研究背景的介紹

2.1 本體存儲研究的背景及意義

隨著語義網絡中本體資源的增加，本體的規模越來越大，結構越來越復雜，此時，本體的存儲管理效率成為人們普遍關注的問題。如何在本體存儲管理系統中設計高效的本體存儲模式，合理的存儲大規模的本體，支持高效的本體存儲管理是一件很有意義且具有挑戰的任務，而本體的合理有效的存儲是保證本體共享利用的前提。所以如何有效存儲大規模本體的數據和關系仍然是本體存儲面臨的一個重要問題。而現有的本體存儲模式不能滿足大規模本體的存儲。所以對于本體存儲模式的研究還是很有必要的。

2.2 本體及其存儲方法的介紹

2.2.1 本體的概念

本體的概念最初起源于哲學領域，它在哲學中的定義為“對世界上客觀存在物的系統地描述，即存在論，是客觀存在的一個系統的解釋或說明，關心的是客觀現實的抽象本質。后來在信息系統、知識系統等領域，越來越多的人研究本體，并給出了許多不同的定義。其中最著名并被引用得最為廣泛的定義是由Gruber提出的，“本體是概念化的明確的規范說明”。后來，Brost對此稍作修飾，提出：“本體是共享概念模型的形式化規范說明”。本體的概念包括四個方面的內容：

1) 概念化（conceptualization）：抽象出客觀世界的現象一些相關概念而得到的概念模型，即概念系統所蘊含的語義結構，是對某一事實結構非正式的約束規則，可以理解和/或表達為一組概念（如實體、屬性、過程）、定義和關系；

2) 明確（explicit）：所使用的概念及這些概念的約束都有明確的定義；

3) 形式化（formal）：計算機可讀的；

4) 共享（share）：本體中反映的知識是其使用者共同認可的。

人們認為本體是某個領域內（可以是特定領域的，也可以是更廣的范圍）不同主體（人、代理、機器等）之間進行交流（對話、互操作、共享等）的一種語義基礎，即由本體提供明確定義的詞匯表，描述概念和概念之間的關系，作為使用者之間達成的共識。因此，本體的用途包括交流、共享、互操作、重用等等。

2.2 本體的描述語言

從本體整體設計的要求來看，本體的構建應是在抽象客觀現象相關概念的基礎上形成的概念模型(Concep-tualization)，并以其包含的知識和概念集的共同性達到各方的認可而共享(Share)；它的概念類型、約束條件及使用都應有顯式的描述，并能由機器自動化處理而體現其明確(Explicit)的形式化(Formal)。工程實踐中，領域本體的設計和開發往往要依賴于具體的描述語言和工具軟件的支撐。對于語義Web而言，本體的表示應該是以Web數據表示和交換的標準化語言為基礎。

3 本體的存儲介紹

語義網絡的應用需求促進本體數據管理工作的發展，目前已經出現了若干本體存儲管理系統，按照存儲介質不同可以分為基于主存、基于文件系統和基于關系數據庫三類本體存方法。

3.1 基于主存的存儲方法

這一類的本體數據管理工作的特點是將本體數據全部導入內存，按照某種結構進行組織；在內存結構上執行數據的查詢操作。這種方法具有較高的運行效率，但是只能處理有限規模的數據。由于是內存數據管理，不存在磁盤更新的問題。OWLim，OWLJessKB和文獻是典型的基于主存的本體存儲管理系統。

3.2 基于文件系統的存儲方法

基于文件系統的存儲：該方式實現起來比較簡單，很多本體相關工具都支持對文件格式的本體進行存取。但是，這種方法不僅效率低，而且很難適應數據量較大的情況。基于文件系統的存儲方式一般只適用于規模比較小的本體，對于規模比較大的本體需要大量的內存管理工作，而對于直接以XML格式這樣子一種樹形結構組織的文件來表示的RDF數據，當件很大時，要把握RDF模型數據全局的結構，必須通過對文件進行反復的掃描，大量的數據換進換出工作，對系統的效率是一個很大的考驗。而且為了保證系統的并發性，必須要建立相關的并發控制和事務管理系統。早期的一些本體數據管理工作是基于文件系統實現的，它們用簡單的文件格式存儲本體數據并支持一些基本的操作。這類工作主要用來編輯和建立體，并不是為大規模本體數據的存儲和查詢管理服務的，例如OntoEdit，Protégé。

3.3 基于關系數據庫的存儲方法

該方式是將本體按照一定的策略組織在數據庫中，利用現有的數據庫系統對數據的操縱和管理能力來存取本體。由于關系數據庫技術發展成熟，大多數現有的本體數據管理工作使用關系或對象-關系數據庫管理系統作為后臺存儲，代表系統包括Sesame，Rstar，Jena，3store，Minerva等等。基于關系數據庫存儲本體可能有多種模式設計，現有的包括早期的水平式、垂直式、分解式、混合式和后來廣泛為本體存儲管理系統采用的Sesame for RDB存儲模式及Sesame for ORDB存儲模式。

4 基于關系型數據庫的存儲設計

OWL是W3C最新的推薦標準。與早期的語言相比，OWL具有更強的描述能力，支持更多的推理。本節重點討論基于關系數據庫的OWL本體的存儲模式設計。與RDF相比，OWL引入了更多的本體描述詞匯，例如Class，property，individu-al，subClassOf，subPropertyOf，different From equivalentClass，e-quivalentProperty，sameIndividualAs等。這表明，在OWL本體中對這些信息的查詢需求比較多。所以，可以將這些常用的本體查詢信息抽取出來，單獨存放。這樣不僅使表結構清晰，而且可以減少查詢時進行表連接的代價，提高效率。

OWL使用URI來唯一的標識本體中的資源，而URI是由namespace和localname組成的，所以，這些信息應該組織到一張資源表中。又因為OWL本體中的資源嚴格區分為類(class)、屬性(property)和實例(individu-al)，所以該表使用字段type記錄資源的類型(類、屬性和實例)。

OWL使用subClassOf，subPropertyOf，e-quivalentClass和equivalentProperty來描述類(或屬性)之間的基本關系(層次關系和等價關系)。在OWL本體中經常需要查詢這些關系，所以本文將這些信息分別組織在單獨的表中，從而提高對相應關系查詢的效率。

5 存儲模式的比較

在現有的存儲模式中，除垂直模式外，其他存儲模式的表結構都不穩定，在實際應用中具有很大的局限性。所以，本文只比較本文的存儲模式和垂直模式。本文以一個本體中包含的URI的個數作為衡量本體大小的標準，將這個本體處理成5個不同規模的本體，它們分別包含10×104，30×104，50×104，70×104和90×104個URI。本文將測試3種類型的查詢：查詢1，查找某個類的直接父類；查詢2，查找某個類的所有子類。

將不同規模的本體分別按照本文的存儲模式和垂直模式進行存儲，然后在這些數據庫上分別作上述五種查詢。對每種查詢都進行30次不同的具體查詢，得到平均查詢時間作為該類查詢的時間。在測試查詢時間時，本文直接使用SQL語句來實現，而不使用某種本體查詢語言，目的是為了消除將該查詢語言翻譯成相應的SQL語句所需時間對實驗結果的影響。

6 總結

理想的本體存儲模式除了具有盡量高的規范化程度，還應該滿足如下原則：易于理解、結構穩定、查詢效率高。基于SQL Server的本體儲存正是順應了本體存儲的發展潮流。

參考文獻：

[1] 謝儲暉， 郭達志. 本體的研究現狀及其應用[J]. 福建電腦，2003，(12):26-28.

[2] 李曼， 王琰， 趙益宇， 杜小勇， 王珊. 基于關系數據庫的大規模本體存儲模式的研究[J]. 華中科技大學學報(自然科學版)，2005，33(01):217-220.

[3] 張蕾. 語義Web本體語言及owl研究[J]. 成都信息工程學院學報，2007，22(2):161-165.

[4] 許文華， 王英林， 申生. 基于本體的重構實例存儲技術[J]. 計算機工程，2006，30(24):125-127.