基于本體推理的食品搭配安全查詢模型研究

陳星豪

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學院，南寧530007）

1 引言

近年來，人們的飲食日益多樣化，餐桌上的菜品也是葷素搭配，但是有些食物是不能一起吃的，這些食物單獨進食并沒有任何問題，如果將兩種或者兩種以上的食物混合起來食用，則容易出現(xiàn)食物中毒或營養(yǎng)不被吸收等情況。不同食物由于組成的成分不同，有些食物混在一起食用會在體內(nèi)產(chǎn)生化學反應(yīng)，生成不能被人消化吸收的沉淀，嚴重的會引起疾病。因此食物不可以亂搭配，否則輕則流失營養(yǎng)，重則有生命危險。

目前國內(nèi)外對于食品搭配安全的研究基本上是靠專家的經(jīng)驗判斷，缺少系統(tǒng)化和智能化的查詢方法或推理方法。本體理論和技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為食品搭配安全查詢專項研究提供了一種新的途徑。目前國內(nèi)外對本體在食品領(lǐng)域安全的研究只局限于針對食品的分析和建模，較少對食品搭配對人們身體所造成的影響進行深入探討，沒有對食品搭配本體做相應(yīng)的推理研究。

構(gòu)建一個智能的食品搭配安全查詢系統(tǒng)，挖掘食品搭配有可能對人身造成影響的信息，指導人們健康的飲食生活。

2 本體及推理

本體的目標是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識，提供對該領(lǐng)域知識的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯(術(shù)語)和詞匯間相互關(guān)系的明確定義[1-2]。總的來說，構(gòu)造本體可以實現(xiàn)某種程度的知識共享和重用，以及提高系統(tǒng)通訊、互操作、可靠性的能力。

本體推理機可用于推理和查詢語義，屬于語義web實現(xiàn)的主要途徑之一，推理是指依據(jù)一定的規(guī)則從已有事實推出結(jié)論的過程。本體推理機主要是針對本體進行推理，構(gòu)建一個完善的領(lǐng)域本體是推理的基礎(chǔ)。Jena是面向語義Web的應(yīng)用開發(fā)包，包含的內(nèi)容比較全面，Jena中的推理引擎是針對具體本體語言的推理機，針對性強。OWL（Web Ontology Language）是W3C開發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)本體語言，用于對本體進行語義描述。其中OWLDL（Description Logic，描述邏輯）將可判定推理能力和較強表達能力作為首要目標[3-5]。

本文采用OWL語言來描述并構(gòu)建食品搭配安全領(lǐng)域本體，根據(jù)推理規(guī)則構(gòu)建部分自定義規(guī)則，最后使用JEna推理機對食品搭配對人身所造成的影響進行推理。

3 食品搭配安全查詢模型

3.1 模型結(jié)構(gòu)

查詢模塊要有友好簡潔的查詢界面，利于人們方便使用。同時，為了能實現(xiàn)嚴密的邏輯推理功能，必須要有領(lǐng)域本體庫和推理規(guī)則的支撐。食品搭配安全查詢模塊框架如圖1所示。

圖1 食品搭配安全查詢模塊

具體工作流程為：查詢界面接收用戶的查詢搭配信息，輸送到推理機，推理機結(jié)合領(lǐng)域本體以及推理規(guī)則進行相關(guān)的邏輯推理，最后得出結(jié)果，顯示到查詢界面。

3.2 食品搭配安全領(lǐng)域本體建模

任何一個食品都包含有豐富的元素，比如，蝦這種食品，含大量的維生素B12，同時富含鋅、碘、硒、熱量和較低的脂肪。同時，食品搭配進食后會造成相關(guān)的元素進行化學作用，從而產(chǎn)生新的元素。這些新的元素有的是人身體所需的，有益健康，有的則是對人身造成有害影響的。根據(jù)營養(yǎng)專家的建議，食品搭配安全領(lǐng)域的本體可以分為以下幾類：

3.2.1 源食品本體。

源食品本體定義為進食之前食品的原本狀態(tài)，以及所包含的元素。食品的種類繁多，每一種食品還包括有更細品種的食品，各個食品也包含有豐富的元素。這些結(jié)構(gòu)和內(nèi)容都是通過源食品本體來表現(xiàn)出來。比如，蝦這類食品，蝦屬節(jié)肢動物甲殼類，種類很多，包括青蝦、河蝦、草蝦、小龍蝦、對蝦（南美白對蝦，南美藍對蝦）、明蝦、基圍蝦、琵琶蝦、龍蝦等。其中蝦還含有熱量、碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、鈣等元素。對于山楂這類食品，可以分為酸甜兩種山楂。其中，酸山楂包含糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素C、胡蘿卜素、淀粉、蘋果酸、鞣酸等元素。

3.2.2 終食品本體。

終食品定義為食品在進入人的身體后最終所存在的狀態(tài)，包括進入人身體后所發(fā)生的化學反應(yīng)后產(chǎn)生的最終元素。比如，蝦和山楂同時進入人的身體之后，原先的鈣和鞣酸兩種元素會生成新的不溶性結(jié)合物，這種不溶性結(jié)合物就屬于終食品本體的概念。

3.2.3 影響狀況本體。

影響狀況本體定義為終食品在人身體內(nèi)對身體所造成的影響。包括有嘔吐、頭暈、惡心和腹痛腹瀉等不良影響，也包括補腎壯陽，通乳抗毒、養(yǎng)血固精、化瘀解毒、益氣滋陽、通絡(luò)止痛、開胃化痰等功效。

根據(jù)食品搭配安全領(lǐng)域本體的分類，采用OWL描述語言構(gòu)建領(lǐng)域本體相關(guān)類之間的關(guān)系。

3.3 食品搭配安全領(lǐng)域本體關(guān)系經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h3>

食品搭配安全領(lǐng)域本體包括有源食品本體、終食品本體、影響狀況本體，三個子本體相互之間存在著明顯的關(guān)聯(lián)性。各主要本體之間的關(guān)系主要包括有：

3.3.1 生成。主要用于描述源食品本體和終食品本體之間的關(guān)系，說明源兩種或多種食品本體混合最終會生成什么樣的終食品本體。例如，鈣和鞣酸兩種元素會生成新的不溶性結(jié)合物。

3.3.2 產(chǎn)生。主要用于終食品本體與影響狀況本體之間的關(guān)系，說明終食品本體對人身體會造成什么樣的影響狀況本體。例如，不溶性結(jié)合物會對人體產(chǎn)生嘔吐、頭暈、惡心和腹痛腹瀉等影響。

3.3.3 引發(fā)。主要用于說明影響狀況本體相互之間的關(guān)系，說明兩種或多種影響狀況本體同時或接連發(fā)生會引發(fā)另外一種影響狀況本體。例如，頭暈和呼吸困難會引發(fā)暫時性休克影響。

3.4 推理規(guī)則

Jena囊括了針對本體的推理規(guī)則，可以檢查概念是否滿足，保證不同種類關(guān)系以及不同種類的屬性不相交[6]，但是從實際運行情況來看，通用規(guī)則是不能滿足推理要求以及信息檢索的基本要求的。所以要從水利工程建筑安全隱患及各個隱患特點入手，擬定最適合使用的推理機制，在滿足相關(guān)要求的基礎(chǔ)下，對其進行完善。對自定義規(guī)則進行推理，從實例關(guān)系以及屬性關(guān)系等角度入手，介紹詳細的制定過程。

3.4.1 生成反繼承規(guī)則

Rule1（a rdf:subClassofm）（b rdf:subClassof n）（a b dp#shengcheng c）--＞（m n dp#shengcheng c）

若源食品本體a是源食品本體m的子類，源食品本體b是n的子類，而源食品a,b搭配會生成終食品本體c，則源食品m和n搭配也會生成終食品c。

3.4.2 產(chǎn)生的反繼承規(guī)則

Rule2（a rdf:subClassof b）（a dp#chansheng c）--＞（b dp#chansheng c）

若終食品本體a是終食品本體b的子類，而終食品a本體會產(chǎn)生影響狀況本體c,則終食品本體b也會產(chǎn)生影響狀況本體c。

3.4.3 引發(fā)反繼承規(guī)則

Rule3（a rdf:subClassofm）（b rdf:subClassof n）（a b dp#yinfa c）--＞（m n dp#yinfa c）

若影響狀況本體a和b分別是m和n的子類，而a和b會引發(fā)另外一個影響狀況本體c,則m和n也會引發(fā)c。

3.5 推理過程

本次選用的推理實現(xiàn)平臺為netbeans，而在開發(fā)語言方面則使用java來實現(xiàn)，通過加載jena2API庫文件結(jié)合自定義程序的方式來實現(xiàn)推理。從ReasonerRegistry當中獲取OWLReasoner。ReasonerRegistry.getOWLReasoner，并在其標準配置當中直接返回OWL reasoner，在返回OWL reasoner之后，將reasoner和其本體相互綁定，通過reasoner來實現(xiàn)返回，從本體模型當中創(chuàng)建InfModel。只要完成原始數(shù)據(jù)和owl的本體模型創(chuàng)建，便可以與其余的Model相同處理。創(chuàng)建和查詢推理模型部分代碼如下：

4 查詢效果分析

為了驗證模型的查詢功能，構(gòu)建了一個小型的食品搭配安全領(lǐng)域本體，其中有小型的子本體包括源食品本體、終食品本體、影響狀況本體。通過輸入2個食品搭配信息來檢驗查詢效果。

4.1查詢食物搭配為：蝦+柿子，結(jié)果顯示如圖3所示。

圖3 “蝦+柿子”搭配查詢結(jié)果

4.2查詢食物搭配為：河蝦+韭菜，結(jié)果顯示如圖4所示。

圖4 “河蝦+韭菜”搭配查詢結(jié)果

以上實驗結(jié)果說明了本查詢模型系統(tǒng)具有挖掘食品搭配對人體所造成的各種影響的功能，無論是積極的影響還是消極的影響，模型系統(tǒng)具有合理性、智能性、有效性的特點。

5 結(jié)語

本文將本體理論應(yīng)用于食品搭配領(lǐng)域，分析食品領(lǐng)域中的概念以及概念之間的關(guān)系，創(chuàng)建食品搭配領(lǐng)域本體模型，并采用Jena推理引擎和自定義的規(guī)則對其進行推理，構(gòu)建基于本體推理的食品搭配安全查詢模型，挖掘食品搭配對人身所造成的影響信息。經(jīng)實驗結(jié)果表明，本模型具有合理性、智能性、有效性等特點。模型不足之處在于，對食品搭配的量沒有考慮，因為有些食物搭配產(chǎn)生的影響會根據(jù)量的多少而有所變化，這將是下一步研究的方向。

［1］付秀東.OWL+DL本體中概念相似度算法研究［D］.西南交通大學，2009.

［2］李玉華，盧正鼎，廖振松.基于本體的通用知識網(wǎng)格架構(gòu)研究［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2006，34（3）:21-24.

［3］朱姬鳳馬宗民呂艷輝.OWL本體到關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式的映射［J］.計算機科學，2008，35（8）:165-169.

［4］田飛，劉魯.基于語義推理的DSS模型研究與應(yīng)用［J］.計算機工程與應(yīng)用，2009，45（17）:11-15.

［5］李宏偉，蔡暢，李勤超.基于Jena和地理本體的空間查詢與推理研究［J］.測繪工程，2009，18（5）:5-9.

［6］田宏，馬朋云.基于Jena的城市交通領(lǐng)域本體推理和查詢方法［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2011，28（8）:57-59.