基于本體的大豆信息服務系統構建與實現

蘇顯新 許文娟 趙洪亮

摘要：在農業本體理論的基礎上構建了大豆信息服務系統，探討了設計核心思想和實現思路等。通過利用本體的特性實現大豆知識內容的精確存儲，同時通過本體工具的推理功能來提高大豆本體的構建效率和準確性，從而可以實現系統數據庫的專業知識內容存儲，進而實現信息服務系統的應用。最終一個好的領域本體庫可以為領域內的人工智能實現打下基礎。

關鍵詞：大豆；農業本體；信息服務；人工智能

中圖分類號：ＴＰ３１１．５２；Ｓ５６５．１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）15－3336-04

Ｏｎｔｏｌｏｇｙ－Bａｓｅｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ aｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ oｆ Ｓｏｙｂｅａｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ

ＳＵ Ｘｉａｎ－ｘｉｎ，ＸＵ Ｗｅｎ－ｊｕａｎ，ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇ－ｌｉａｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｏｎｏｍｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１６１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｓｏｙｂｅａｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｉｄｅａｓ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｄｅａｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｏｙｂｅａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｔｏｒａｇｅ， ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｔｏｏｌｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｏｙｂｅａｎ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎs ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ， ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄａｔａｂａｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｆｉｎａｌｌｙ ａ ｇｏｏｄ ｄｏｍａｉｎ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｌｉｂｒａｒｙ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｏｙｂｅａｎ； ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｏｎｔｏｌｏｇｙ； ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ； ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ

農業本體論可以描述農業領域內相關知識結構，從而為農業知識表達做好鋪墊。農業本體也是農業領域內知識的概念、屬性、過程和它們之間相互關系形式化、具體化的描述。這種描述可成信息系統中可移植、可重用、可共享的組件或數據代碼， 讓硬件能夠理解，并可以通過本體關系進行推理，為用戶及上端軟件系統使用提供了統一的術語及概念，使知識準確性提高，有利于獲取、提高獲取速度并增加知識可靠性［１］。

針對我國大豆產業現在所面臨的諸如外國糧商控制、轉基因大豆侵害、集約性、農民分辨知識能力差等問題，構建一個能提供準確信息獲取、專業知識問答等功能的信息系統，從而推動我國大豆產業發展。

１大豆信息服務系統的理論基礎

構建大豆信息服務系統需要以下三大領域知識作為基礎：本體論相關知識和本體構建方法；農業信息理論、農業推廣理論、大豆專業知識；數據庫知識、開發工具的使用。

本體理論的應用主要以農業本體理論為支持，通過對大豆知識的細化然后得出大豆相關本體及層次分類，利用本體開發工具進行構建［２］。如ｐｒｏｔéｇé２０００。在設計和構建本體的同時要熟悉大量的大豆相關知識，了解該作物的習性、分類、生理特點、病理、種植分布等。并且還要結合農業推廣等相關理論爭取既能進行細化的本體構造，同時也能在服務系統進行大豆知識普及和推廣。圖１為基于本體的大豆信息服務系統構建思路。

２大豆信息服務系統的本體構建

２．１本體概念

經過了這么多年的發展，我國的學者根據對本體概念的理解，將本體的定義歸納為６點［３］。①本體是對某領域的概念化的描述；②一個本體的聲明轉換到另一個聲明可能會不可逆；③概念是現實對象在某些或某屬性空間上的投影；④任何本體不可能包含對象全部屬性，只會限制到所研究的領域范圍內；⑤投影的規則可能非常復雜，會涉及多次投影和其他轉換；⑥對同一領域的概念化有某些共同點，但是概念化可能會有差異存在。

２．２大豆本體的構建方法

大豆信息系統主要圍繞大豆信息進行相關的信息服務，關于大豆本體的構建方法可以遵循以下思想。

１）確定領域本體及其構建范圍和目標。首先確定將要構建的大豆領域相關本體，構建本體的目標是通過本體精準定位及描述領域本體內的概念及知識信息，同時可以通過語義推理對大豆相關信息進行處理。如信息增殖、合理化分類。最主要的問題是通過本體可以準確分辨領域內的信息內容，避免模糊不清的關鍵字影響查詢結果，或者對于查詢結果人們抱有不確定性從而影響學習和使用領域知識［４］。

２）建立及確定領域內的核心及基本本體。根據國際通用構建方法應該建立及確定領域內的核心本體和基本本體及領域本體內的相關術語。并且這些本體主要描述該領域內的繼承關系，以便于后期推理。

３）根據大豆本體設置概念結構。關于概念結構的設置有三種常用方法：自頂向下、自底向上、雙向法。在這里用自頂向下方法設計大豆概念結構。圖２結果表明，大豆本體中關于大豆概念之間的關系可以構成語義網絡圖Ｇ（Ｖ，Ｅ）。類似計算機科學中數據結構對數據的表示，Ｖ表示大豆本體中概念的節點，Ｅ表示大豆本體概念語義關系有向邊集合。可以簡單理解為指向其根節點的子節點，有向邊的根問子節點的父節點，它們之間要有繼承關系［５］。

４）制定本體間的屬性。屬性是用來描述各個本體間的結構關系。

５）將概念結構存入數據庫。可以根據語義網絡或層次的概念結構包括其推理結果存入系統前臺開發支持的數據庫。例如Ｐｒｏｔéｇé ３．４．２支持ｍｙｓｑｌ數據庫，而大多數系統開發平臺都支持ｍｙｓｑｌ數據庫，有利于系統的開發。

２．３大豆本體創建舉例

大豆是一種豆科植物，它的種子含有豐富的蛋白質和脂肪。我國的大豆種類可以分為北方春大豆、黃淮流域夏大豆、長江流域夏大豆等。在遵循大豆本體設計原則的基礎上，使用Ｐｒｏｔéｇé ３．４．２工具對大豆本體的創建舉例示范。

１）根據大豆知識結構構建樹狀結構圖及建立類的層次結構，對于不同子類添加限定條件。其中對于明確性的不同類事物，類與類之間互相具有排他性（明確不是相同種類），例如動物－植物、大豆－玉米、氣體－液體。

２）建立領域內各種屬性，屬性可以描述領域內各概念節點的關系結構，知識內容的性質及特征，某些屬性具有繼承性，某些屬性具有本質性（事物而區別于其他事物的屬性）。例如，已知領域內的某一類是另一類的子類或包含于另一類則創建一個“部分屬性（ｉｓ＿ｐａｒｔ＿ｏｆ）”定義父類和子類的包含和繼承關系。圖３設置了ｉｓ＿ｐａｒｔ＿ｏｆ屬性，由此可知北方春大豆是大豆的一部分。

３）通過推理機推理本體關系。這里是信息系統應用的核心部分之一，通過系統前臺用戶輸入的信息內容往往需要通過推理機進行推理，然后再經過系統后臺將處理結果存入數據庫。例如，對于一個未知本體ｕｎｋｎｏｗｎ開始僅知曉其為植物的一種，根據其本體屬性特征（如產地、形態、產量等）通過Ｒａｃｅｒ推理機進行推理（圖４），結果推斷出它是屬于北方春大豆的一種。從圖５中可以發現未知本體的父類發生了改變。

４）通過Ｐｒｏｔéｇé ３．４．２工具可以對大豆本體進行完善性編輯，并將編輯好的本體存入數據庫當中。

３大豆信息服務系統功能實現

３．１基于本體的新聞系統

基于平臺新聞系統的后臺管理可以根據本體知識劃分出的關鍵詞對新聞內容進行分類，方便農民、學者、專家等使用群體閱讀［６］。同時，專家及編輯可以根據本體分類編輯和錄入新聞。相對于其他新聞系統基于本體的新聞系統的特殊功能是可以準確對新聞進行分類提高新聞編輯人員工作的準確性，也提高了新聞閱讀者的針對性［７］。同時，基于本體的網絡信息采集也過濾了大量無關信息。

３．２基于本體的搜索引擎

基于本體的檢索及相關搜索引擎是國際本體研究的熱點，基于語義網絡的語義分類使得查詢結果最優化，查詢得到的結果更為準確。根據用戶輸入在本體庫通過推理來進行檢索而不是單純根據字符匹配來進行檢索［８］，提高了檢索準確性避免了大量不相關搜索結果干擾使用者。

３．３基于本體的在線問答

與普通在線問答系統不同的是，基于本體的在線問答系統更多專注于領域知識，對于提問者問題的主語、謂詞、關鍵詞進行分析，提示使用者詢問知識內容，列出相關知識名詞供使用者參考（圖６）。

４小結

如今網絡已經滲透到社會的各個環節，在豐富的農業信息面前，對于相對略低素質人群的農民們無法準確獲取他們需要的信息，有時會被繁亂的信息所誤導，甚至在信息的獲取上存在障礙。同時，各種傳播媒體也出現了信息過載的情況。本體對于信息的處理可以精準有效地定位知識內容再加以計算機系統程序的輔佐可以實現巨大的功能，擁有無限的潛力。強大的計算機程序可以簡化各種操作步驟，又可以使知識內容的顯示直接并且豐富［９］，本體作為內核則保證了知識表現的準確性。這兩者的結合可以幫助農民們克服原有的困難，真正有效地幫助農民解決問題，服務于農民。

參考文獻：

［１］ 錢平，鄭業魯．農業本體論研究與應用［Ｍ］．北京：中國農業科學技術出版社，２００６．

［２］ 常春．聯合國糧食與農業組織ＡＯＳ項目［Ｊ］．農業圖書情報學刊，２００３，１５（２）：１４－１５，２４．

［３］ 賀純佩，李思經．農業敘詞表在中國的發展和農業本體論展望［Ｊ］．農業圖書情報學刊，２００３，１５（４）：１６－１９．

［４］ 馮蘭萍． 本體在智能信息檢索系統中的應用研究［Ｄ］． 南京：河海大學，２００５．

［５］ 馮志勇，李文杰，李曉紅．本體論工程及其應用［Ｍ］． 北京：清華大學出版社，２００７．

［６］ 蔡月茹，柳西玲．Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅ基礎教程［Ｍ］．北京：清華大學出版社，２００５.

［７］ 萬捷，藤至陽．本體論在基于內容信息檢索中的應用［Ｊ］．計算機工程，２００３，２９（４）：１２２－１２３，１５２．

［８］ ＡＬＭＰＡＮＩＤＩＳ Ｇ，ＫＯＴＲＯＰＯＵＬＯＳ Ｃ， ＰＩＴＡＳ Ｉ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｅｘｔ ａｎｄ ｉｎｋ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｆｏｃｕｓｅｄ ｃｒａｗｌｉｎｇ－Ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｅａｒｃｈ ｅｎｇｉｎｅｓ［Ｊ］． Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００７，３２（６）：８８６－９０８．

［９］ 閻楚良．農業機械數字化設計新技術［Ｍ］．北京：中國農業科學技術出版社，２００３．