基于Protégé的領域本體構建研究

朱丹翔　王璐　郝孝倞　潘寬

摘 要：介紹了領域本體構建的基本流程，目的是為了更好地服務于語義web以及搜索引擎等。主要內容包括本體的概念、分類、功能及本體構建的方法、語言和工具，并以Java領域本體庫的構建為例詳細闡述了本體的構建過程。

關 鍵 詞：領域本體；Protégé；OWL；本體構建；語義Web

1.引言

近年來，基于語義的搜索引擎異常火熱，而本體作為語義搜索引擎的基石已成為研究熱點。本體是現實世界的模型，構建的本體需要能客觀反映現實世界。因此，本體的開發流程應該是一個不斷反復迭代的過程，這個反復迭代的過程作用于本體的整個生命周期。

2.本體簡介

本體最早起源于哲學，其所研究的是世界萬物的本源，即所有事物的客觀，真實的存在[1]。在計算機領域有許多對本體這個名詞不同的解釋， 其中比較有代表性的定義是：“本體是共享概念模型明確的形式化規范說明”。其中，“概念模型”指通過抽象出客觀世界中一些現象的相關概念而得到的模型，“明確”指所使用的概念及使用這些概念的約束都有明確的定義，“形式化”指本體是計算機可讀的（ 即能被計算機處理） ，“共享”指本體中體現的是共同認可的知識，反映的是相關領域中公認的概念集，即本體針對的是團體而非個體的共識[2]。

本體根據不同的屬性，可以將其進行不同的分類。根據領域依賴程度，可以把本體分為頂級、領域、任務、應用四類。

由于本體功能的強大，目前本體已運用到許多的計算機領域，其中比較突出的是應用于語義網。本體的功能可以總結為三類：

（1）作為知識表示方法，主要應用于知識工程和知識管理等[3]。

（2）作為系統分析方法，應用于信息建模、面向對象分析和數據庫設計等[4]。

（3）作為信息語義的形式化表示方法，應用于異構信息集成、多智能體系統、語義Web等。

3.本體建模

本體建模是一個復雜的過程，涉及了多個學科的知識，包括哲學、邏輯學、知識工程等，目前還沒有通用的工程化方法。

本體建模工具主要使用Protégé。Protégé是斯坦福大學基于Java語言開發的本體編輯和知識獲取軟件，或者說是本體開發工具，它提供了大量的知識模型架構與動作，用于創建、可視化、操縱各種表現形式的本體。

本體描述語言使用OWL（Web Ontology Language）。OWL是W3C開發的一種網絡本體語言，用于對本體進行語義描述，有三種子語言，即OWL Lite、OWL DL和OWL Full，而且每個子語言的表達能力遞增。

（1）OWL Lite語言，它屬于OWL DL語言，主要提供給分類層次比較單一和屬性約束比較簡單的使用者。

（2）OWL DL語言，它涵蓋了OWL語言的所有語言成分，但使用時必須符合一定的約束，受到一定的限制。OWL DL提供了描述邏輯的推理功能，描述邏輯是OWL的形式化基礎。

（3）OWL Full語言，它包含OWL的所有語言成分并取消了OWL DL中的使用約束，它將RDFS擴展成為一個完備的本體語言，支持那些無計算性保證但需要非常強表達能力和無使用限制的用戶。

4.領域本體構建實例

為了能更好的闡述本體的構建流程，下面以Java領域本體的構建過程為例描述本體構建的基本方法。學科知識可劃分成多個知識點， 知識點是系統處理的單元。知識點的大小是根據一定的教學策略或經驗、教學目的和教學對象等確定的， 其大小相差可能很懸殊[5]。本文使用的建模工具是Protégé4.2，選擇的本體描述語言是OWL Full。本體構建過程主要分為以下八步，具體如圖1所示。

（1）確定本體的領域和范圍。本實例構建的本體是針對Java領域，所以將Java的所有知識點收集全是本體構建的基礎。

（2）領域信息的收集和分析。確定好范圍后就可以收集目標領域的概念及信息，例如Java的知識點有“封裝”“繼承”“多態”“線程”等。

（3）重點概念和關系的確定。確定各個知識點之間的關系，最普通的關系可以是part-of，其他的關系也可以自己定義。每個關系還可以定義逆關系，例如“自動裝箱”的逆關系為“自動拆箱”。

（4）建立本體框架。按照一定的邏輯規則將知識點進行分組，一個本體的框架就大致建立好了。

（5）形式化編碼。本研究選擇Protégé工具對上述本體框架進行形式化編碼。

（6）集成現有本體。對本體庫進行優化時，這一步必不可少。

（7）確認和評價。本體建立好后就要投入實際應用過程中，評估標準基本包括：正確性、一致性、可擴展性和有效性。

（8）本體進化。一個好的本體庫只有對此過程不斷的迭代，才能不斷完善。

圖2是Java領域本體用Protégé形式化編碼后的二級縮略圖，使用Protégé可以自動生成對應的OWL代碼。這樣，一個Java領域本體構建完畢。

5.小結

領域本體的構建依賴于現實世界，由于現實世界是不斷變化的，因此構建的本體也需要不斷的改善。本文在進行本體構建時采用的是手動構建的方式，未來將嘗試使用半自動化甚至自動化的技術構建本體。

參考文獻

[1] 李善平，等.本體論研究綜述[J].計算機研究與發展，2004，41（7）：1041 -1052.

[2] STUDER R，BENJAMINS V R，FENSEL D.Knowledge engineering，principles and methods[J].Data and Knowledge Engineering，1998，25（1/2）：161-197.

[3] FEBSEL D.Ontology2based know ledge management[J].IEEE Computer，2002，35（11）：56259.

[4] GUARINO N. Formal ontology and information systems[A].In： Proceedings of FOIS98[C].Trento：IO S Press，1998.

[5] 趙蔚，劉秀琴，邱百爽.語義網自適應學習系統中領域本體的構建[N].吉林大學學報（信息科學版），2008，26（5）：514-518.