模塊化本體緩存方案

摘要:該文提出了一種模塊化本體緩存方案，使用該方案能夠縮短本體推理的平均時間。給出了緩存的對象和緩存一致性檢查方法，通過中斷方式和增量模式傳遞知識更新信息，能夠減少通信量和提高更新的效率。

關鍵字:本體;模塊化;緩存

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)11-2627-02

Cache Scheme in Modular Ontology

JIANG Zong-hua

(College of Information Engineering， Anhui University of Finance Economics， Bengbu 233041， China)

Abstract: The author presents a cache scheme in modular ontology，the average ontology reasoning time can be decreased by using the scheme.The cache objects and the cache consistency checking method are described. By transmitting knowledge updating messages in interrupt mode and incremental mode， the total communication volume can be reduced and the efficiency of updating can be enhanced.

Key words: ontology; modular; cache

本體是指共享概念模型的明確的形式化規范說明，通過描述概念及概念之間的關系來描述概念的語義。本體不僅被某個應用主體所接受，而是在各種應用主體之間交換意見時所用到的共同語言。本體最主要的優勢是共享和重用。

隨著對某個領域認識的深入，相應的領域本體也越來越大，大規模單一本體會帶來一系列問題:在大規模單一本體上進行推理的效率低;即使只需要小部分知識也要引入整個本體，重用率低;開發者需了解整個本體，不利于分工合作和本體進化等。模塊化是有效克服這些問題的方法，通過模塊化，本體被分成若干個功能相對獨立的模塊，而在模塊化本體中引入接口的方法，能進一步提高模塊的獨立性。

模塊化本體中，一個本體模塊在進行推理時，可能要用到多個其它模塊的知識，甚至于這些模塊分布在網絡中的不同主機上。引入緩存即通過對一些概念和角色的術語和斷言進行緩存，能夠提高本體推理的效率。為了保持本體緩存的一致性，當相關模塊的知識變化時，應及時更新緩存的對象。

1 基于接口的模塊化本體

在基于接口的模塊化本體中，本體被定義成接口和本體模塊的集合[1]，一個接口是一個概念名、角色名和關于它們的包含公理集合，而一個本體模塊是一個可以用任何描述邏輯語言表達的本體。通過引入接口的概念，將本體模塊的知識分為公有部分和私有部分。

本體表示語言的邏輯基礎是描述邏輯[2]，描述邏輯的知識庫由ABox(斷言)和TBox(術語)兩部分組成。ABox是一個關于個體的斷言組成的有限集，形如C(a)或r(a，b)，其中C是概念名而r是角色名，a、b是個體名，在本體表述中，個體指概念的實例。TBox是一個概念包含公理的有限集，形如A?哿B，其中A和B是概念表達式。

每個接口中的TBox公理構成了本體模塊的共享段，共享段的邏輯結果會被傳播到所有其它相關模塊中，以下是接口的定義:

定義1:一個接口定義為I=其中T是接口的TBox，Cn和Rn分別是在T中用到的概念和角色的名稱集合，接口I中沒有ABox斷言。

本體模塊的斷言集和內部TBox公理是私有的，只能通過知識查詢來訪問，私有段知識的改變只在局部知道。每個本體模塊指定它要使用的接口集和它實現的接口集。當作為接口的實現者時，該模塊將提供接口中有關概念和角色的解釋;當作為接口的使用者時，能夠集成接口實現者模塊的知識。以下是本體模塊的定義:

定義2:一個本體模塊定義為M=<Ψ，Ir，Iu>，其中Ψ由模塊內的TBox公理和ABox斷言集合組成，Ir是模塊M實現的接口集合，Iu是模塊M使用的接口集合。

本體模塊具有局部語義和清晰接口，從而進一步提高了模塊的獨立性。一個本體模塊使用另一個模塊時，是通過使用接口實現的。在基于接口的模塊化本體中，模塊的進化和接口的配置是分開的。在模塊進化時，僅確定了使用的接口而沒有確定接口由哪個模塊實現，這樣就不必知道被使用模塊的名稱和符號;在配置時，選擇模塊來實現接口，使得實現者模塊容易被替換。

2 緩存方案

2.1 緩存對象

由于在緩存方案中，對角色的處理和對概念的處理是相似的，以下僅討論對概念的處理。在基于接口的模塊化本體中，如果某模塊在推理的過程中用到其它模塊的知識，則需要向相關接口發起查詢，從接口的實現者模塊中查得相關概念的實例。為了盡可能地縮短本體推理的時間，每個本體模塊可以分配一個緩存空間，用來存放經常被查詢的外部知識。文獻[3]提出本體模塊存儲所有用到的外部概念之間的包含公理，這在時間復雜性和空間復雜性上是難以接受的。另外文獻[3]沒有區分外部概念之間穩定的和暫時的包含公理之間的區別，不能高效地更新有穩定子集關系的相關概念。而在基于接口的模塊化本體中，模塊使用者用到的外部概念放在接口中，同時接口中的TBOX中存放這些概念間穩定的包含公理。而對于因組合爆炸產生的數量巨大的暫時性包含關系則由實現者模塊決定，是動態的。在實現者模塊中并不存儲這些暫時的包含關系，而只是解釋接口中概念，概念之間的包含公理由它們的實例決定，知識的存儲是線性的。使用者模塊可以向接口發起查詢從而獲得相關概念的實例，而被查詢概念穩定的祖先概念可以由接口中TBOX推理出。

本方案中緩存的知識主要由兩部分構成:ABOX緩存知識和TBOX緩存知識。ABOX存放一些經常被查詢的概念有哪些實例，例如“直轄市”概念有北京、上海等實例。TBOX存放經常被查詢的包含關系，假設A和B兩個概念中至少有一個是外部概念，如果經常要查詢A和B的包含關系，查詢結果(例如是A?哿B)則被緩存。由于緩存空間的有限性，當緩存空間將要用盡時，可以采用最近最久未用法等置換算法刪除一部分緩存內容。

采用緩存機制后，推理如果用到外部模塊的知識則先在緩存中查找，如果命中則本地的知識便能完成推理，否則再向實現者模塊發起知識查詢，根據局部性原理，這樣能夠顯著縮短平均推理時間。

2.2 緩存一致性

當一個本體模塊的相關模塊知識改變時，可能會造成緩存內容的失效。在文獻[1]中，一個本體模塊對相關模塊的知識集成是通過發起知識查詢來進行的，然而如果對緩存中的概念不斷發起知識查詢，以此來判斷有無發生更改顯然是低效的，會造成模塊間通信量的劇增和相關模塊推理任務的加重。本研究中，用中斷的方式來替代查詢的方式，由發生知識改變的模塊負責發送消息給相關模塊。

若某模塊的知識發生變化時，首先確定該知識變化所影響的概念，如果相關的概念都未在接口中出現，則說明對接口的解釋沒有改變，只是發生和接口使用者無關的局部語義改變，不必發送更新消息。否則，將發生改變的概念的實例發送給接口的使用者模塊。發生改變的概念如果在接口中有祖先概念，勢必也會引起祖先概念實例的改變，但此時只發送最底層概念和它的實例，這是因為接口的TBOX知識能傳播到使用者模塊從而能夠推理出祖先概念。由于接口的使用者模塊的緩存對象是它的局部信息，接口的實現者模塊并不知道該信息，無法判斷發生語義改變的概念出現在哪些使用者模塊的緩存中，所以知識更新消息將發給所有使用者模塊。

發生改變的概念實例采用增量的模式發送，在消息中指出哪個概念增加(或減少)了哪些實例。只向相關模塊定向發送和采用增量模式，可以減少通信量。使用者模塊收到消息后，結合自身的知識和相關接口的TBOX，推理出發生改變的概念所有祖先概念，加上該概念自身得到一個概念集。由于接口中的TBOX知識已被加入到使用者模塊的本地知識庫，故這一步的推理是在本地進行的。如果該概念集中的所有概念均未在使用者模塊的緩存中出現，使用者模塊將丟棄收到的更新消息。如果在緩存的ABOX部分找到了概念集中的某個概念，則更新ABOX緩存知識。下一步是查找該概念集中的概念有無在緩存的TBOX部分中出現，假設該概念集中的某概念出現在緩存中一條形如A?哿B的包含公理中，則分為下述幾種情況決定該包含公理是否失效，對失效的公理將從緩存中刪除。

1)A的實例減少或不變而B的實例不變或增加。這種情況下該條包含公理仍有效。

2)A的實例增加。這種情況下則首先查詢緩存ABOX知識中有無概念B，若沒有則要向概念B的實現者模塊發送知識查詢信息，得到概念B的實例集。令A1表示A增加實例的集合，如果A1?哿B，則該條包含公理仍有效，否則該條包含公理失效。

3)B的實例減少。這種情況下則首先查詢緩存ABOX知識中有無概念A，若沒有則要向概念A的實現者模塊發送知識查詢信息，得到概念A的實例集。令B1表示B減少實例的集合，如果B1∩A=?覫，則該條包含公理仍有效，否則該條包含公理失效。

如果實現者模塊重新定義了一個概念，造成一個概念的實例大規模變化，使得發送概念增量實例可能比發送概念實例通信量更大，這種情況下也可以直接發送概念實例。由于使用者模塊的緩存中可能沒有該概念，為了減少通信量，在知識更新消息中僅發送該概念的名稱和一個特殊標志指出當前工作在非增量模式。該概念和它的祖先概念構成一個概念集，如果該概念集的某個概念出現在使用者模塊緩存中一條形如A?哿B的包含公理中，則不論位置如何，都要重新判斷該條包含公理的有效性。通過向相關實現者模塊發起知識查詢，得到A和B的實例集，再判斷A?哿B的有效性。非增量模式下緩存ABOX檢查是類似的。

3 結束語

為了提高模塊化本體推理的效率，本研究提出了模塊化本體緩存方案，給出了緩存的對象和緩存一致性檢查方法。進一步的研究是將該方案應用到具體的系統中并進行驗證。

參考文獻:

[1] Ensan F.Formalizing Ontology Modularization through the Notion of Interfaces[C].Acitrezza，Catania，Italy:Proc. of the 16th International Conference on Knowledge Engineering and Knowledge Management，2008:74-82.

[2] Borgida A，Serafini L.Distributed Description Logics:Assimilating Information from Peer Sources[J].Journal of Data Semantics，2003，1(1):153-184.

[3] Stuckenschmidt H，Klein M.Reasoning and Change Management in Modular Ontologies[J].Data and Knowledge Engineering，2007，63(2):200-223.