基于本體的業(yè)務(wù)源模型知識庫構(gòu)建及應(yīng)用研究

李　智　徐展琦　丁　喆　趙國強(qiáng)

(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西 西安 710071)

0　引　言

隨著互聯(lián)網(wǎng)科技與大數(shù)據(jù)技術(shù)席卷全球，新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不斷興起，網(wǎng)絡(luò)流量呈爆炸式增長，網(wǎng)絡(luò)中的流量行為趨向復(fù)雜化、多元化，亟需加深對網(wǎng)絡(luò)流量行為模式的認(rèn)知。業(yè)務(wù)源模型通過對真實(shí)網(wǎng)絡(luò)流量的模擬，刻畫實(shí)際流量的突出特性，是一種能夠?qū)?shí)際網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行數(shù)學(xué)分析研究而設(shè)計出的數(shù)學(xué)模型。其對網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)性能評價、流量預(yù)測及準(zhǔn)入控制等都有重要的研究意義和作用。傳統(tǒng)業(yè)務(wù)源描述方法通過建立諸如泊松模型、時序模型和小波模型等不同的數(shù)學(xué)模型，描述業(yè)務(wù)源的流量特征[1]。已有業(yè)務(wù)源模型相關(guān)研究主要是針對某類具體問題如流量預(yù)測問題，建立特定業(yè)務(wù)源模型并提出具體算法以解決相應(yīng)問題[2]，缺乏從宏觀角度對業(yè)務(wù)源模型進(jìn)行整體描述的研究，難以形成一個相對完整的知識庫，不利于其知識共享與重用。

知識表示將知識以計算機(jī)可理解的方式存儲并使用，是形成相應(yīng)知識庫的前提，傳統(tǒng)的知識表示方法主要包括框架表示法、一階謂詞邏輯表示法和產(chǎn)生式表示法等。此類方法很難表示復(fù)雜知識，改進(jìn)的知識表示方法主要有語義網(wǎng)表示法和本體表示法[3]。其中本體表示法可用于描述對象的深層語義，形成的知識具有清晰的概念層次結(jié)構(gòu)和可視化的展示界面，并支持語義層面的邏輯推理，能有效提高知識重用效率。本體表示法已成功被應(yīng)用于多個領(lǐng)域，國外已實(shí)現(xiàn)并投入使用的大型本體有：Cyc[4]、WordNet[5]和UMLS[6]等。Cyc的目標(biāo)是建立一個完整的人類常識知識庫；WordNet是一種基于認(rèn)知語言學(xué)的英語詞典，能夠按照單詞語義將其組成一個“單詞的網(wǎng)絡(luò)”以支持自動的文本分析和其他人工智能應(yīng)用；UMLS利用本體技術(shù)實(shí)現(xiàn)對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域詞匯的匯編。鐘秀琴等[7]國內(nèi)研究者研究了基于本體的幾何學(xué)知識獲取，為幾何學(xué)專家系統(tǒng)、信息檢索等領(lǐng)域提供智能基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[8]提出基于領(lǐng)域本體的文獻(xiàn)標(biāo)注算法，通過融合站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)，構(gòu)建游戲領(lǐng)域本體；史云放等[9]利用本體將語義特征引入網(wǎng)絡(luò)電子學(xué)習(xí)資源庫模型構(gòu)建中，提高資源庫檢索的查全率和查準(zhǔn)率。文獻(xiàn)[10]針對當(dāng)前工業(yè)消防領(lǐng)域存在大量異構(gòu)信息的問題，采用本體技術(shù)建立一種標(biāo)準(zhǔn)化格式的異構(gòu)信息知識庫。目前，鮮有學(xué)者將本體應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)源模型的知識表示與建模。

本文從知識表示的角度出發(fā)，將本體應(yīng)用于業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域知識的形式化描述，構(gòu)建了業(yè)務(wù)源模型本體TSMO(Traffic Source Models Ontology)。首先，本文提取并分析了業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域的核心概念及相關(guān)屬性，基于OWL構(gòu)建TSMO；其次，以TSMO為數(shù)據(jù)源，利用本體查詢語言SPARQL(Simple Protocol and RDF Query Language)和本體推理機(jī)，并同時結(jié)合具體應(yīng)用場景，對所建本體進(jìn)行各類知識檢索與推理，驗(yàn)證所建本體的實(shí)用性；最后，在所建本體基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了業(yè)務(wù)員模型智能信息檢索系統(tǒng)，在驗(yàn)證所建本體的合理性和通用性的同時，為研究者和用戶提供了一個業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域知識服務(wù)語義平臺。

1　業(yè)務(wù)源模型本體構(gòu)建

1.1　本體知識概述

本體是共享概念的明確形式化規(guī)范說明[11]，通過規(guī)范化描述概念、屬性及其相互關(guān)系，形成某一領(lǐng)域的基本知識體系，建立領(lǐng)域內(nèi)的語義基礎(chǔ)，為某個領(lǐng)域或領(lǐng)域間的實(shí)際應(yīng)用提供便利。從知識工程的角度來說,本文設(shè)計的業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域本體指的是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)源模型的本體知識描述，包含業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域中的術(shù)語、術(shù)語之間的關(guān)系、屬性及規(guī)則等。

為了將所建本體以計算機(jī)可理解的方式存儲，提升知識庫的可用性，需采用資源描述框架RDF(Resource Description Language)[12]與OWL[13]相結(jié)合的方式對其進(jìn)行形式化描述。RDF是一種聲明語言，在應(yīng)用中支持基于推理的知識發(fā)現(xiàn)而不是全文匹配檢索。例如，短相關(guān)模型具有對象屬性目標(biāo)節(jié)點(diǎn)且泊松模型是其子類，上述知識可用如下RDF語言形式化描述：

ShortCorrelationModel

Destination Node

Poisson Model

OWL是W3C推薦的本體描述語言標(biāo)準(zhǔn)，擁有更多機(jī)制來描述對象和表達(dá)語義，支持RDF語法，添加了更多用于描述屬性和概念的詞匯。如類型之間的不相交性(Disjointwith)和基數(shù)(Cardinality)等，同時使用描述邏輯(Description Logic)增強(qiáng)其推理能力。

為了深化用戶對領(lǐng)域知識的認(rèn)知，本文利用RDF三元組將知識以直觀的形式展現(xiàn)給用戶。RDF三元組由資源、屬性及屬性值構(gòu)成，可用圖形方式展示。圖1為RDF三元組的一個示例，它表示ShortCorrelationModel是TrafficSourceModel的一個子類且與短相關(guān)模型等價。

圖1　RDF三元組示例

根據(jù)以上定義及分析，本文使用Protégé 4.2[14]作為本體編輯工具，主要作用在于描述目標(biāo)領(lǐng)域內(nèi)概念、屬性和它們之間的關(guān)系。Protégé 4.2不僅支持本體開發(fā)，還提供可擴(kuò)展的應(yīng)用程序接口API，用于訪問并獲取OWL所描述的本體信息，多用于本體查詢與檢索。Protégé 4.2的文件輸出格式可以定制，可以將構(gòu)建的本體轉(zhuǎn)換成以RDF和OWL為描述語言的文件表示格式。

1.2　本體構(gòu)建方法

目前，大多數(shù)本體編輯采用手工方式，各個本體開發(fā)組開發(fā)原則、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和定義方法都有區(qū)別。比較常用的本體構(gòu)建工程思想有骨架法、TOVE企業(yè)建模法、Methontology方法、IDEF-5方法和七步法[15]等。本文通過分析傳統(tǒng)的本體構(gòu)建七步法形成如圖2所示的改進(jìn)的七步法構(gòu)建TSMO。

圖2　改進(jìn)的本體開發(fā)七步法

1.3　本體評估

本體評估[16]是本體開發(fā)過程的重要環(huán)節(jié)，主要是指運(yùn)用科學(xué)的方法，遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和特定的指標(biāo)體系，對本體的建設(shè)理念、應(yīng)用需求、概念組織、功能設(shè)計和實(shí)際運(yùn)行情況等進(jìn)行綜合測評的過程和方法。為了保證業(yè)務(wù)源模型本體的構(gòu)建質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對本體的有效管理和維護(hù)，本文主要通過本體構(gòu)建過程的規(guī)范性，實(shí)現(xiàn)所建本體的合理性和通用性，具體如下：

(1) 在抽取構(gòu)建本體所需的概念和屬性階段，參考業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，通過RDF三元組的形式展示領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)概念和概念之間的關(guān)系，保證概念的一致性和通用性。

(2) 在使用Protégé構(gòu)建本體模型階段，采用FaCT++推理機(jī)對本體概念和屬性進(jìn)行一致性和包含性檢測，對本體中的實(shí)例進(jìn)行沖突檢測，確保所建本體模型的一致性和有效性。

(3) 在本體的應(yīng)用階段，基于所建本體設(shè)計開發(fā)相關(guān)語義系統(tǒng)服務(wù)平臺，從而進(jìn)一步驗(yàn)證本體的可靠性和實(shí)用性。

1.4　業(yè)務(wù)源模型本體

業(yè)務(wù)源模型指以網(wǎng)絡(luò)流量的重要特性為出發(fā)點(diǎn)，為了刻畫實(shí)際流量的突出特性，同時進(jìn)行數(shù)學(xué)上的理論分析研究而設(shè)計出的數(shù)學(xué)模型。它提供對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)源特性簡明抽象化的描述,能明確量化表示網(wǎng)絡(luò)流量。按照流量時域相關(guān)性特點(diǎn)，業(yè)務(wù)源模型可分為兩大類：短相關(guān)模型和長相關(guān)模型，前者產(chǎn)生的流量通常在時域上僅具有短相關(guān)性，隨著時間分辨率的降低，網(wǎng)絡(luò)流量將趨于一個恒定值，即流量的突發(fā)性得到緩和；后者則在時域上具有長相關(guān)性，即自相似特性[17]。也可根據(jù)模型平穩(wěn)性將其分為寬平穩(wěn)流量模型和嚴(yán)平穩(wěn)流量模型。

根據(jù)改進(jìn)的本體構(gòu)建七步法，構(gòu)建TSMO首先要確定復(fù)用現(xiàn)有本體的可能性，目前還沒有現(xiàn)成的業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域本體。然后需羅列出業(yè)務(wù)源模型中的關(guān)鍵概念，這些關(guān)鍵概念取自業(yè)務(wù)源模型產(chǎn)生、模擬及應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域。如圖3所示，為利用RDF三元組構(gòu)建的業(yè)務(wù)源模型類結(jié)構(gòu)樹，由于篇幅限制，這里只列出了其中的一部分類，通過樹型結(jié)構(gòu)直觀顯示它們之間的繼承關(guān)系。根據(jù)本體的可擴(kuò)展性，其他的類可以方便地添加到已有的類結(jié)構(gòu)樹和已建本體中。Protégé 4.2中的Classes標(biāo)簽用于創(chuàng)建類。

圖3　部分業(yè)務(wù)源模型類結(jié)構(gòu)樹

Protégé 4.2工具中的Object Properties標(biāo)簽用于創(chuàng)建對象屬性，Data Properties標(biāo)簽用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)屬性。圖4利用RDF三元組顯示了業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域的部分屬性結(jié)構(gòu)。

圖4　部分屬性結(jié)構(gòu)圖

不同的屬性約束描述屬性的不同方面，如值類型(String、Number、Boolean及Enumerated等)、允許的取值范圍和值基準(zhǔn)等。表1列出了TSMO中的部分屬性及相應(yīng)的屬性約束。

表1　TSMO部分屬性及屬性約束

最后使用Protégé 4.2的Individuals標(biāo)簽即可添加具體的實(shí)例并賦予對應(yīng)的屬性值。通過上述步驟，TSMO初步構(gòu)建完成，利用Protégé 4.2的OWLViz插件可自動生成如圖5所示的本體結(jié)構(gòu)圖。鑒于篇幅，圖中只顯示了TSMO的上層部分。

圖5　TSMO本體結(jié)構(gòu)圖

圖5中Thing是Protégé 4.2內(nèi)置的公共類，是所有類的超類，TSMO的組成如前所述，在此不再贅述。為了將所建本體以計算機(jī)可理解的方式存儲，方便后續(xù)的查詢推理，需使用OWL對TSMO進(jìn)行形式化描述。

圖5所示本體生成的部分OWL代碼如下：

……

……

圖6給出了各種描述語言的語義描述能力和推理能力，其中OWL在上述兩方面能力均表現(xiàn)較好。

圖6　描述語言能力

2　TSMO查詢與推理應(yīng)用實(shí)例

2.1　TSMO查詢

傳統(tǒng)基于關(guān)鍵字的查詢未考慮關(guān)鍵詞間的語義關(guān)系，無法真正理解用戶的查詢請求。本體查詢關(guān)注資源對象的語義信息，在概念意義層次上實(shí)現(xiàn)語義查詢，克服基于關(guān)鍵字查詢的弊端，有效提高查準(zhǔn)率和查全率。

SPARQL[18]是一種用于搜索RDF數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)協(xié)議和查詢語言，于2008年成為W3C推薦標(biāo)準(zhǔn)。SPARQL有四種查詢方式SELECT、CONSTRUCT、DESCRIBE和ASK，最常用的是SELECT查詢方式。與結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL類似，用于查詢滿足條件的數(shù)據(jù)。RDF可由三元組形式化描述，則SPARQL可通過構(gòu)建相應(yīng)的查詢?nèi)M來進(jìn)行語義查詢。

進(jìn)行本體查詢前，需給出TSMO的SPARQL查詢前綴，以識別需要查詢的本體。

PREFIX

rdf:

PREFIX

owl:

PREFIX

xsd:

PREFIX

rdfs:

PREFIX

uni:http://www.semanticweb.org/dace/ontologies

/2016/8/TrafficSourceModel#

uni是TSMO中元素的名字空間，rdf、rdfs、xsd、owl為W3C有關(guān)定義，下面給出具體本體查詢示例。

2.1.1查詢概念的類

如查詢LongCorrelationModel的子類，圖7為對應(yīng)SPARQL語句及查詢結(jié)果，標(biāo)簽為SPARQL query的輸入框中為查詢語句，具體如下：

SELECT ?SubClass WHERE

{?SubClassrdfs:subClassof uni:LongCorrelationModel}

圖7　查詢LongCorrelationModel子類

標(biāo)簽為SubClass的輸出框中為對應(yīng)的輸出結(jié)果，表明長相關(guān)模型具有四種子類。

在圖7的查詢示例中，查詢語句均在標(biāo)簽名為SPARQL query的標(biāo)簽框內(nèi)，不再贅述。

2.1.2查詢類的實(shí)例

如查詢Alpha-BetaOnOffModel的實(shí)例，其所包含實(shí)例如圖8所示，表明現(xiàn)在Alpha-BetaOnOffModel類中存在兩個實(shí)例。圖9為對應(yīng)SPARQL語句及查詢結(jié)果，查詢結(jié)果輸出其包含的兩個實(shí)例。

圖8　Alpha-BetaOnOffModel實(shí)例

圖9　Alpha-BetaOnOffModel實(shí)例查詢

上述示例表明，本體能夠?qū)崿F(xiàn)語義層面的查詢，能夠檢索概念之間等價、包含等關(guān)系，解決傳統(tǒng)基于關(guān)鍵字查詢的不足，實(shí)現(xiàn)深度查詢。

2.2　TSMO推理

推理指由給定知識獲取隱含知識的過程，本體推理的本質(zhì)就是在語義層面將隱含在顯式定義和聲明中的知識提取出來，相對于傳統(tǒng)推理方法可實(shí)現(xiàn)語義層次的知識發(fā)現(xiàn)。本文利用Protégé 4.2中自帶本體推理機(jī)實(shí)現(xiàn)本體推理。

本文構(gòu)建的TSMO采用OWL作為本體描述語言，可采用專用本體推理機(jī)，F(xiàn)aCT++[19]基于傳統(tǒng)TabLeaux設(shè)計實(shí)現(xiàn)不僅具有很高的推理效率而且有突出的檢查效率。故本文使用Protégé 4.2集成的FaCT++作為推理機(jī)，基于傳統(tǒng)描述邏輯進(jìn)行推理。下面給出一個簡單示例，首先定義PoissonModel的幾個實(shí)例，然后啟動Reseaoner標(biāo)簽下的FaCT++推理機(jī)實(shí)現(xiàn)推理，得到如圖10所示的推理結(jié)果。

圖10　推理結(jié)果

為說明基于業(yè)務(wù)源模型本體的實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)假設(shè)有如圖11所示的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中存在業(yè)務(wù)A、業(yè)務(wù)B和業(yè)務(wù)C三個業(yè)務(wù)，若業(yè)務(wù)A和業(yè)務(wù)B屬于泊松模型的兩個實(shí)例，而業(yè)務(wù)C屬于長相關(guān)模型的實(shí)例。若研究者在研究過程中需查詢網(wǎng)絡(luò)中存在哪些短相關(guān)模型，并同時查詢這些業(yè)務(wù)源模型的相關(guān)參數(shù)，則可以在Protégé中利用FaCT++推理機(jī)對所建本體進(jìn)行推理，推理機(jī)由PoissonModel為ShortCorrelationModel子類的給定知識獲取了PoissonModel的實(shí)例也屬于ShortCorrelationModel實(shí)例的隱含知識。圖10表示推理結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)管理者或研究人員可以根據(jù)此方便管理管理網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)，同時查詢業(yè)務(wù)參數(shù)，為后續(xù)研究提供便利。

圖11　網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景

綜上，本體推理在語義層面可有效實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的鏈接發(fā)現(xiàn)，具有較高的實(shí)用價值。

3　業(yè)務(wù)源模型本體語義應(yīng)用系統(tǒng)

基于已構(gòu)建的業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域本體，本文設(shè)計開發(fā)了業(yè)務(wù)源模型智能信息檢索系統(tǒng)，為研究者和使用者提供相關(guān)業(yè)務(wù)源模型語義服務(wù)。業(yè)務(wù)源模型智能信息檢索系統(tǒng)采用Java語言開發(fā)，Web頁面腳本語言選用JSP，后臺服務(wù)器選用Tomcat 7.0，OWL本體文件解析推理使用Jena 2.6.3和內(nèi)嵌推理機(jī)FaCT++，XML文件的解析使用DOM4J。系統(tǒng)主要設(shè)計實(shí)現(xiàn)了本體采集、本體擴(kuò)展與管理、術(shù)語檢索和實(shí)例查詢等功能。這些功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)主要是使用Jena API對OWL本體文件進(jìn)行語義解析，獲取本體信息并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對查詢關(guān)鍵詞進(jìn)行分詞處理，調(diào)用相關(guān)SPARQL語句獲取顯性知識，并結(jié)合推理機(jī)獲取隱性知識。例如，用戶使用查詢關(guān)鍵詞“長相關(guān)”的查詢結(jié)果如圖12所示。查詢結(jié)果表明，由于本體在概念之間引入語義特征，從而能夠檢索出相關(guān)隱性知識，同時驗(yàn)證了所建本體的一致性和通用性。

圖12　業(yè)務(wù)源模型智能信息檢索系統(tǒng)

4　結(jié)　語

本文從知識表示的角度出發(fā)，使用本體作為知識表示工具，探討網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域的知識獲取與表示，給出所建本體的概念層次關(guān)系和屬性描述。結(jié)合新增實(shí)例構(gòu)建一個相對完善的業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域本體TSMO，形成業(yè)務(wù)源模型的知識庫原型，實(shí)現(xiàn)對該領(lǐng)域知識的建模。使用RDF和SPARQL完成對TSMO的子類和實(shí)例的語義查詢，結(jié)合具體應(yīng)用場景驗(yàn)證本體推理的應(yīng)用價值。最后基于所建本體，設(shè)計開發(fā)了業(yè)務(wù)源模型智能信息檢索系統(tǒng)，為研究者和使用者提供了一個業(yè)務(wù)源模型領(lǐng)域知識服務(wù)平臺。

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