基于本體的海軍軍械保障知識庫構建研究

彭 菲， 糜玉林， 唐金國

（1.海軍航空工程學院 研究生管理大隊，山東 煙臺264001； 2.海軍航空工程學院 訓練部，山東 煙臺264001；3.海軍航空工程學院 科研部，山東 煙臺264001）

當今世界，知識已成為競爭力與價值的核心。聯合國經濟與發展組織（Organisation for Economic Co－Operation and Development，OECD）在題為《以知識為基礎的經濟》的報告中提出：知識是經濟發展的核心［1］。軍械保障能力是軍隊體系作戰能力的重要組成部分，要提高體系作戰要求下的軍械保障能力，實現“綜合、機動、快速、精確、高效”的軍械保障目標，就必須對海軍軍械保障系統實施知識管理。知識庫是實施知識管理的基礎，構建一個集成、統一、規范化的知識庫才能實現優化高效的知識管理。目前，海軍軍械保障系統各類基礎數據還沒有建立起集中統一的基礎數據庫平臺，存在數據格式不統一、獲取渠道不唯一等問題，導致基礎數據可信度低，無法共享，集成難度大，形成了大量“信息孤島”現象，降低了信息化建設對海軍軍械保障的促進作用。因此，目前急需將這些分散的、異構的數據信息集成整合，使用一種有效的知識表示方法來構建一個統一的海軍軍械保障知識庫。

1 基于本體的知識表示

本體方法是解決分布、異構信息共享問題的重要手段。在人工智能領域，最早給出本體定義的是Neches等人［2］，他們將本體定義為“給出構成相關領域詞匯的基本術語和關系，以及利用這些術語和關系構成的、規定這些詞匯外延的規則的定義”。目前關于本體的定義，最具代表性的是斯坦福大學知識系統實驗室Gruber教授提出的：“本體是概念化的明確的規范說明”［3］。他認為：概念化是從特定目的出發對所表達的世界所進行的一種抽象的、簡化的視圖。Fensel［4］對這個定義進行分析后認為本體的概念包括4個主要方面：①概念化（conceptualization），客觀世界的現象的抽象模型；②明確（explicit），概念及它們之間聯系都被精確定義；③形式化（formal），精確的數學描述；④共享（share），本體中反映的知識是其使用者共同認可的。

從本體構成的角度，本體的形式化定義［5］為：

本體是一類復雜的符號系統

式中：L為本體使用的符號集合，L：＝Lc∪Lp，Lc表示描述概念的符號集合，Lp表示描述概念間關系的符號集合。

M為符號與概念及其相互關系的映射函數，M：＝Mf∪Mg，Mf表示符號與概念的映射函數，即2Lc→2C，Mg表示符號與概念間關系的映射函數，即2Lp→2P；由語言學知識可知，由于一詞多義、同義詞等情況存在，因此符號與上述二者之間的映射是多對多關系，同時，M－1f、M－1g也成立。

C為概念集合，概念通過邏輯語言對它自身需滿足的約束進行描述。

P為概念間關系集合，P：＝Ph∪Pb，Ph表示概念間的層次關系，層次關系是一種偏序關系，Pb表示概念間的二元關系。

A為公理集合，它是一組施加于概念和概念間關系集合上的永真命題，主要用于推理和有效性檢測。

2 海軍軍械保障領域本體構建方法

目前，本體的構建模式可以歸結為2種：一是利用現有的文獻和領域專家運用手工方式創建概念關聯；二是將已有的敘詞表改造成本體，或采用學習機制進行自動或半自動化的本體構建。由于目前海軍軍械保障領域知識沒有現成的敘詞表，無法進行自動或半自動化的本體構建，只能采取手工方式創建海軍軍械保障概念關聯。目前相對成熟的本體構建方法是斯坦福大學醫學院開發的本體構建七步法（seven－step method），七步法包含了領域分析、本體的合并與概念添加等多個方面。七步法的本體構建步驟為［6］：①確定本體的專業領域與范疇；②考查復用現有本體的可能性；③列出本體中的重要術語；④定義類和類的等級關系；⑤定義類的屬性；⑥定義屬性的分面；⑦創建實例。

構建海軍軍械保障領域本體需要海軍軍械保障領域專家的參與，由領域專家確定海軍軍械保障領域知識的概念及其關聯，并組建海軍軍械保障領域本體開發團隊，通過本體建模工具構建海軍軍械保障領域本體。當前，本體手工建模主要采用國外開發的本體建模工具，包括Protégé、WebOnto、OilEd、ODE、OntoEdit等。

本文選擇目前應用較為廣泛的Protégé本體開發工具來進行海軍軍械保障領域本體的開發研究，斯坦福大學開發的Protégé［7］本體開發工具，由用戶輸入結構化或半結構化的實體概念和屬性信息然后輸出本體化、語義化的知識模型并基于知識模型進行語義推理。本文將通過制作一個局部的維修保障本體來描述使用Protégé構建海軍軍械保障領域本體的方法。首先，假定領域專家對于維修保障的相關概念及關聯規定如圖1所示。

圖1 維修保障相關概念關聯圖

2.1 建立owl類

打開Protégé，創建一個新的本體項目，選擇owl Classes來編輯。在Asserted Hierarchy（用戶定義類結構）中，會有所有類的超類owl：Thing，點擊Asserted Hierarchy旁邊的Create subclass或者在owl：Thing點擊右鍵選擇Create subclass，會出現自動定義名為Class＿1的類，可以將該類名修改為“維修保障”。

2.2 建立owl屬性

新建一個ObjectProperty（對象屬性），將屬性名稱改為“包括”，在其Domain（定義域）中定義該屬性的主體的類為“預防性維修”，在其Range（值域）中定義該屬性的客體的類為“定期檢查”。同樣可以建立一個對象屬性“屬于”，在其Domain（定義域）中定義該屬性的主體的類是“定期檢查”，在其Range（值域）中定義該屬性的客體的類是“預防性維修”，它是屬性“包括”的逆關系（owl：inverseOf），故此在右下角Inverse框中選擇“包括”屬性。重復上述步驟我們可以建立圖1中維修保障相關的其他owl屬性。

2.3 owl屬性約束

對owl屬性可以進行約束定義，即對屬于某一類的個體進行條件限制。owl屬性約束主要包括：Quantifier Restrictions（量詞限制）、Cardinality Restrictions（基數限制）以及hasValue Restrictions（值限制）。由于本實例的概念間關聯較簡單，在此不需要對圖中屬性進行約束定義。

2.4 owl關系圖

在設定好維修保障各概念間關聯之后，可以使用owlViz查看能表達類之間關系的owl關系圖。選擇Project→Configure在出現的對話框中，在owlVizTab前打上對號，就會出新owlViz編輯器。單擊owlViz編輯器，選擇Show all classes，就可以看到owl關系圖。維修保障owl關系圖如圖2所示。

圖2 維修保障本體owl關系圖

這樣，局部的海軍軍械保障領域維修保障本體就初步建立了。在建立了初步的概念和關聯之后，可使用推理機等工具對本體間關聯進行推理，推導出更多的本體概念及關聯，最終形成較完善的海軍軍械保障本體庫。

3 海軍軍械保障知識庫構建研究

在建立了海軍軍械保障本體庫之后，便可進行海軍軍械保障知識庫的構建，包括構建海軍軍械保障知識模型和海軍軍械保障知識庫的各層次的建設。

3.1 基于本體的海軍軍械保障知識模型構建

海軍軍械保障知識模型需要基于海軍軍械保障知識本體加以構建，即滿足前面知識本體的定義模式。本文研究的海軍軍械保障知識庫系統采用“事實－概念－規則”所表示的三級知識體系［8］。

1）事實處于最底層，它是對象、事件和符號之間各種關系的集合。事實可用語句、二維表、鏈表、框圖、樹圖和文本等數據結構表示。

2）概念處于第2層，它是關于具有相同屬性的一組對象、事件或符號的知識，其中包括模型、例子集合和復雜的元素，可具體或抽象地定義、刻畫某一對象類的一般特征，也可以高層或低層表示具有層次結構的一組概念的集合。

3）規則處于第3層，它是一組操作和步驟，用于達成某一目標，解決某個問題或產生某種結果。規則被定義為類似E…：－nei語句的條件表達式，被用于推理和問題的求解，是一種形式化的知識表示方法。

同時，結合具體應用需求，海軍軍械保障知識庫中還應存儲相應的任務信息，即使用事實、概念及規則要解決的任務描述。因此，海軍軍械保障知識模型應包括3部分，每一部分包含一組相關的知識結構，即知識范疇：

1）海軍軍械保障領域知識——詳細描述海軍軍械保障領域知識和在一個應用中所討論的信息類型。例如，一個涉及裝備故障診斷應用的領域知識將包含相關故障信息、故障表現和不同故障之間的關系等信息。領域知識在某種程度上相當于軟件工程中的“對象模型”或“數據模型”。

2）推理／方法知識——描述使用海軍軍械保障領域知識的基本推理步驟，可以將這些推理步驟看作是推理機或推理引擎的基本構件。推理知識定義了這些基本構件的模型。

3）任務知識——描述一個應用所要達到的目標，以及如何通過將任務分解成子任務和推理來實現這個目標。

基于以上對海軍軍械保障知識范疇的分類，海軍軍械保障知識模型將由3部分組成：海軍軍械保障領域知識模型、推理／方法知識模型和任務知識模型。海軍軍械保障知識模型的結構如圖3所示。

圖3 海軍軍械保障知識模型結構圖

對應于知識表示體系，海軍軍械保障領域知識模型屬于“事實／概念”層次，推理／方法知識模型屬于“規則”層次，任務知識模型對相應的應用任務進行描述。

3.2 基于本體的海軍軍械保障知識庫架構設計

本文所設計的海軍軍械保障知識庫儲存海軍軍械保障領域知識，為系統用戶提供知識查詢、調用等服務。本文將基于本體的海軍軍械保障知識庫構建分為3個層次：表示層、業務邏輯層和數據層，如圖4所示。

圖4 海軍軍械保障知識庫架構

1）表示層，是用戶與海軍軍械保障知識庫交互的接口，用戶通過瀏覽器或其他界面對知識庫進行訪問，用戶界面接收查詢請求，并將服務端的檢索結果反饋給用戶。雖然在海軍軍械保障知識庫中引入了本體，但表示層對用戶屏蔽了本體。

2）業務邏輯層，主要應用邏輯層，實現海軍軍械保障知識的檢索。它由本體管理組件、語義分析組件、推理引擎、查詢組件和信息獲取組件5個部分構成。

3）數據層，包括本體庫、資源描述庫及資源數據庫3個部分。它是海軍軍械保障知識庫的存儲介質，創建并提煉出結構化的海軍軍械保障知識本體，是海軍軍械保障知識檢索的直接來源。

4 結 束 語

本文在研究本體與知識庫相關理論與技術的基礎上建立了一種基于本體的海軍軍械保障知識模型，并根據對知識庫的系統描述，提出了基于本體的海軍軍械保障知識庫構建方法。但是，目前所做的工作還不徹底，有許多問題值得進一步研究。進一步的研究將對知識庫模型的完備性進行驗證，并結合具體的應用環境實現面向具體應用的海軍軍械保障知識庫系統。

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［1］聯合國經濟合作與發展組織（OECD）.以知識為基礎的經濟［M］.北京：機械工業出版社，1997：1－6.

［2］NECHES R，FIKES R，FININ T，et al.Enabling technology for knowledge sharing［J］.AI Magazine，1991，12（3）：36－56.

［3］高俊杰，鄧貴仕.基于本體的范例推理系統研究綜述［J］.計算機應用研究，2009，26（2）：406－410.

［4］FENSEL D.Ontologies：A silver bullet for knowledge management and electronic commerce［M］.2nd ed.Berlin：Springer－Verlag，2004：8－31.

［5］董金祥.基于語義面向服務的知識管理與處理［M］.杭州：浙江大學出版社，2009：21－25.

［6］GRUBER T R.Toward principles for the design of ontologies used for knowledge sharing［J］.International Journal of Human－Computer Studies，1995，43（4）：907－928.

［7］KNUBLAUCH H，MUSEN M A，RECTOR A L.Editing description logic ontologies with the protégéowl plugin［EB／OL］.［2012－03－05］.http：／／ceur－ws.org／vol－104／.

［8］于鑫剛，李萬龍.基于本體的知識庫模型研究［J］.計算機工程與科學，2008，30（6）：134－136.