工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域本體的構(gòu)建研究:領(lǐng)域本體構(gòu)建

　　摘要　介紹本體構(gòu)建的意義，指出創(chuàng)建本體庫是實(shí)現(xiàn)智能檢索的關(guān)鍵，通過簡單綜述國內(nèi)外本體構(gòu)建的現(xiàn)狀，指出我國本體構(gòu)建的不足，并總結(jié)現(xiàn)有的本體構(gòu)建原則和本體構(gòu)建方法。在此基礎(chǔ)上，提出工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域本體構(gòu)建的方法，并重點(diǎn)詳述工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域本體構(gòu)建的流程，闡明其先進(jìn)性和易操作性，最后指出此構(gòu)建方法和流程可以推廣應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
　　關(guān)鍵詞　儀表　本體　領(lǐng)域本體　構(gòu)建方法　OWL
　　分類號(hào)　TP31
　　
　　1　引言
　　
　　大量研究表明，創(chuàng)建本體庫是實(shí)現(xiàn)智能檢索的關(guān)鍵，具體表現(xiàn)在：
　　?語義理解的基礎(chǔ)。通過創(chuàng)建本體庫，為系統(tǒng)提供了規(guī)范化的領(lǐng)域概念模型，這種形式化的模式給出了概念及概念間關(guān)系的明確定義，建立了人機(jī)對(duì)系統(tǒng)信息的共同認(rèn)識(shí)，為智能檢索提供了語義理解基礎(chǔ)。
　　?概念匹配的檢索機(jī)制。由本體所提供的領(lǐng)域知識(shí)體系提高了用戶需求理解和資源描述的準(zhǔn)確度，將傳統(tǒng)的檢索機(jī)制由關(guān)鍵字匹配轉(zhuǎn)變?yōu)楦拍詈蛢?nèi)容的匹配，從而提高了信息檢索系統(tǒng)的檢索效率。
　　?知識(shí)表示、共享和重用。本體知識(shí)體系的表示是“機(jī)器可處理”的語義，它以RDF為基礎(chǔ)，以XML為語法，將不同的應(yīng)用集成在一起，對(duì)Web上的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象表示，允許跨越不同應(yīng)用程序、企業(yè)和團(tuán)體進(jìn)行知識(shí)的共享、重用和獲取。
　　然而，目前可供借鑒的、完善的本體庫很少，這種現(xiàn)象在我國尤為突出。為此，本文構(gòu)建了工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域本體庫。一方面，它為項(xiàng)目組數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能檢索奠定了基礎(chǔ)；另一方面，它使知識(shí)在系統(tǒng)中規(guī)范化地表示出來，有利于相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)知識(shí)復(fù)用。
　　目前，國內(nèi)外開發(fā)了許多智能化搜索引擎系統(tǒng)，如國外的大學(xué)的STASIS、ProNet、ImportNET項(xiàng)目、浙江大學(xué)吳朝暉教授開發(fā)的中醫(yī)藥本體在線編輯和維護(hù)方BFO、COSMO、PRO、SWEET等以及我國清華法以及人工智能研究所基于本體論的產(chǎn)品配置研究，此外，還有中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技文獻(xiàn)信息中心的AOS(AgricultureOntologyService)等項(xiàng)目。領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建為這些項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了保障。目前，國外已經(jīng)建立了許多知名的本體庫，如ontoselect、DMOZ、DAML等，部分知名的本體庫和網(wǎng)址如表1所示：
　　然而，在我國，本體研究整體上處于起步和摸索階段，完善的、規(guī)模較大的本體庫并不多，本體構(gòu)建一般仍采用手工方式，這在一定程度上影響了我國本體庫建沒的規(guī)模和本體庫的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)而阻礙了我國智能化搜索引擎的研究進(jìn)程。
　　
　　2　工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域本體的構(gòu)建方法
　　
　　Gruber在1995年提出的本體構(gòu)建5原則影響最大。盡管10多年過去了，但目前構(gòu)建本體通常仍遵循這5條原則，即：明確性和客觀性、完整性、一致性、最大單向可擴(kuò)展性、最少約束。常見的本體構(gòu)建方法有：Enterprise法、TOVE法和七步法等。其中，斯坦福大學(xué)的七步法成熟度最高，目前國內(nèi)外很多領(lǐng)域在構(gòu)建本體庫時(shí)大多采用這種方法。
　　然而，無論是本體構(gòu)建原則還是本體構(gòu)建方法都應(yīng)該靈活變通。除了遵循“Gruber 5原則”以外，一個(gè)優(yōu)良的本體模型還應(yīng)該是“有用”的，即在面向特定的應(yīng)用時(shí)，所需的領(lǐng)域本體最終能應(yīng)用于實(shí)踐。另外，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，本體構(gòu)建方法也應(yīng)該在一定程度上加以改進(jìn)。為此，我們結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)斯坦福大學(xué)的七步法進(jìn)行了修改，形成了“工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域本體構(gòu)建七步法”(以下簡稱“IAIOnto七步法”)，如圖1所示：
　　
　　如圖1所示，構(gòu)建領(lǐng)域本體庫首先需確定其領(lǐng)域和范疇，接著收集并整理大量基礎(chǔ)資料，然后，確定領(lǐng)域概念的類體系結(jié)構(gòu)和關(guān)系、屬性以及實(shí)例，通過編程將其批量導(dǎo)入到本體結(jié)構(gòu)中，接著在本體編輯工具中對(duì)本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和完善，最后對(duì)領(lǐng)域小體庫進(jìn)行更新和維護(hù)，如果發(fā)現(xiàn)新的概念、關(guān)系等再重復(fù)以上步驟。其中第3、4、5步是通過編程實(shí)現(xiàn)的，具體為調(diào)用Jena API，并通過編程將相關(guān)概念等導(dǎo)入本體結(jié)構(gòu)，最后存儲(chǔ)為owl文件。鑒于Prot6g6是一個(gè)免費(fèi)的、功能強(qiáng)大的、開源的本體構(gòu)建軟件，所以第6步中，項(xiàng)目組選擇Protege對(duì)編程構(gòu)建的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加直觀的修改和完善。IAIOnto構(gòu)建方法通過編程實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模領(lǐng)域本體庫的構(gòu)建，更新維護(hù)更加方便、易操作，且可以推廣應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
　　
　　3　工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域本體構(gòu)建流程
　　
　　3．1　確定本體的專業(yè)領(lǐng)域和范疇
　　構(gòu)建IAIOnto是國際科技合作項(xiàng)目“基于知識(shí)管理的數(shù)據(jù)共享關(guān)鍵技術(shù)研究”的重要內(nèi)容之一，該項(xiàng)目依托于國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)項(xiàng)目“先進(jìn)制造與自動(dòng)化科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)”。該項(xiàng)目組擁有大量儀器儀表領(lǐng)域數(shù)據(jù)和多位儀表領(lǐng)域權(quán)威專家，因此，將儀器儀表領(lǐng)域作為本體構(gòu)建的專業(yè)領(lǐng)域；另外，由于“共享網(wǎng)”側(cè)重于機(jī)械和自動(dòng)化，并且儀表領(lǐng)域中的工業(yè)自動(dòng)化儀表資源最為豐富和成熟，因此，首先確定以工業(yè)自動(dòng)化儀表為范疇構(gòu)建儀表領(lǐng)域本體，最終歸納一會(huì)建立領(lǐng)域本體的模式和方法，在“共享網(wǎng)”的其他專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用。
　　3．2　搜集基礎(chǔ)材料，對(duì)材料整理加工
　　本體是共享概念模型的形式化規(guī)范說明。其共享性、規(guī)范性等要求其概念必須被大眾所接受，并囊括該領(lǐng)域所有基本概念。因此，需要收集大量該領(lǐng)域的基礎(chǔ)資料，使本體概念的選擇等有據(jù)可依。有鑒于此，項(xiàng)目組從五個(gè)方面收集資料，如圖2所示：
　　
　　?《儀器儀表主題詞表》：共包括18個(gè)領(lǐng)域范疇、4481個(gè)主題詞，選取其中最相關(guān)的儀表元件、儀表材料、工業(yè)自動(dòng)化儀表等作為本體類層次結(jié)構(gòu)的主體；
　　?《中國圖書館分類法》：其中工業(yè)技術(shù)中的儀器儀表相關(guān)概念是本體構(gòu)建過程中概念參考的重要信息，如聲學(xué)儀器、真空測試及儀器、礦山測量儀器與工具等大類及下位類；
　　?產(chǎn)品規(guī)格數(shù)據(jù)庫：共包括1萬多種儀表產(chǎn)品，是本體屬性集、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例集和儀表實(shí)例集自動(dòng)提取的主要數(shù)據(jù)來源；
　　?廠商數(shù)據(jù)庫：共包括4000多家儀表領(lǐng)域知名企業(yè)，是本體廠商實(shí)例集自動(dòng)提取的主要數(shù)據(jù)來源；
　　?儀表網(wǎng)：是本體實(shí)例集等數(shù)據(jù)提取的重要來源，其中儀表數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息是屬性的重要參考。
　　3．3　確定類體系結(jié)構(gòu)以及類之間的關(guān)系
　　構(gòu)建具有一定規(guī)模的本體是一個(gè)系統(tǒng)工程，每一個(gè)概念、關(guān)系或規(guī)則的添加都必須嚴(yán)格謹(jǐn)慎，應(yīng)該基于一定的理論基礎(chǔ)并遵循一定的領(lǐng)域知識(shí)。另外，還需要考慮所添加概念、關(guān)系、規(guī)則等的有用性以及系統(tǒng)的可行性。
　　根據(jù)需要增添儀表廠商、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等頂層類，最終形成5個(gè)頂層類的體系結(jié)構(gòu)。邀請(qǐng)儀器儀表領(lǐng)域?qū)＜遥瑓⒄铡秲x器儀表主題詞表》和專業(yè)詞典，進(jìn)行概念的抽提、去重、語義分析和歸并，并參照中圖法中的概念對(duì)現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要調(diào)整，調(diào)用Jena API將類層次結(jié)構(gòu)導(dǎo)入本體，形成一個(gè)龐大的IAIOnto體系結(jié)構(gòu)。結(jié)合本體概念之間固有的聯(lián)系、本體的用途等建 立類概念之間的關(guān)系，如圖3、圖4所示：
　　3．4　添加屬性
　　類和關(guān)系只是描述了一個(gè)領(lǐng)域的體系框架，還不能確切地、真實(shí)地描述一個(gè)領(lǐng)域，需要繼續(xù)定義領(lǐng)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即添加領(lǐng)域本體概念的屬性。同時(shí)，在定義屬性時(shí)應(yīng)該將其放在最概括的類里，通過類與子類之間的繼承關(guān)系作用于下級(jí)類。
　　?屬性的選擇應(yīng)該考慮本體的用途、屬性的有用性和信息的獲取難度等因素。如，工業(yè)自動(dòng)化儀表的屬性：
　　生產(chǎn)廠商――>儀表廠商
　　相關(guān)儀表元件――>儀表元件
　　相關(guān)儀表材料――>儀表材料
　　相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)――>標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
　　用途――>測量對(duì)象或使用場合(用途)
　　?添加屬性還應(yīng)該參照元數(shù)據(jù)信息。以玻璃溫度計(jì)為例，如圖5所示：
　　由此可以確定玻璃溫度計(jì)的屬性包括產(chǎn)品型號(hào)、主要用途、生產(chǎn)單位等信息。
　　?對(duì)所有的屬性進(jìn)行整理。對(duì)儀表技術(shù)規(guī)格和廠商信息等語料資源進(jìn)行分析判斷，提取出一般儀表均具有的較為通用的屬性，并將常用的屬性進(jìn)行歸納整理。盡量將擁有一定規(guī)律的“DataTypeProperty”轉(zhuǎn)化為“ObjectProperty”，并增加了輔助概念頂層類，調(diào)用Jena API，將整理后的屬性通過編程導(dǎo)入本體，并建立類的屬性。
　　需要注意的是當(dāng)為實(shí)例添加屬性時(shí)，屬性的量隨著實(shí)例的增加而增加，因此，應(yīng)該對(duì)屬性進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥幚�。盡量將擁有一定規(guī)律的“DataTypeProperty”轉(zhuǎn)化為“ObjectProperty”，增加輔助概念頂層類。如玻璃溫度計(jì)的主要性能指標(biāo)屬性中有一個(gè)測量范圍的屬性值是“－80℃～500℃”。對(duì)于這樣的取值范圍，在屬性中是無法直接表示成數(shù)值型的。為此，我們將性能指標(biāo)“DataTypeProperty”轉(zhuǎn)換為“ObjeetProperty”，增加了“范圍”和“單位”兩個(gè)頂層類，從而解決了這個(gè)問題，即，為“范圍”賦予最大值和最小值兩個(gè)屬性，這樣儀表就可以添加范圍的屬性，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)值范圍屬性的表示方法，如圖6所示：
　　
　　3．5　添加實(shí)例
　　《產(chǎn)品規(guī)格數(shù)據(jù)庫》、《廠商數(shù)據(jù)庫》以及儀表網(wǎng)中含有大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是IAIOnto實(shí)例的重要來源。在以往的本體構(gòu)建過程中，一般都是采用手工方式將實(shí)例添加到各個(gè)對(duì)應(yīng)的類中。然而，當(dāng)處理大量實(shí)例數(shù)據(jù)時(shí)，這種手工添加的方式就暴露了一定的弊端，成為本體構(gòu)建和維護(hù)的瓶頸。
　　針對(duì)這一點(diǎn)，調(diào)用Jena API自動(dòng)地將儀表、廠商、標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)例添加到相應(yīng)的類中，并添加各實(shí)例的屬性及實(shí)例之間的聯(lián)系。
　　3．6　形成owl文件，在prot6g6中驗(yàn)證和完善
　　通過以上幾個(gè)步驟完成了IAIOnto構(gòu)建的程序設(shè)計(jì)。接下來，我們選用由W3C工作組于2004年正式推薦的OWL本體描述語言，將通過編程編輯好的本體體系結(jié)構(gòu)導(dǎo)出，并存儲(chǔ)為owl文件。
　　目前本體構(gòu)建工具已經(jīng)非常成熟，出現(xiàn)了一些輔助創(chuàng)建本體的工具和系統(tǒng)，如jena、pellet、racer以及GALEN項(xiàng)目開發(fā)的ONIONS系統(tǒng)和DODDLE等。構(gòu)建本體應(yīng)該充分利用這些現(xiàn)有工具，最大限度地挖掘其各項(xiàng)功能。項(xiàng)目組通過比較選擇通用性和擴(kuò)展性很好的prot6g6作為本體編輯工具，將程序存儲(chǔ)的owl文件導(dǎo)人到prot6g6程序中進(jìn)行修改和完善，類的部分結(jié)構(gòu)樹形圖，如圖7所示。
　　
　　IAIOnto的TGviz關(guān)系圖如圖8所示。
　　IAIOnto有很好的可擴(kuò)展性和權(quán)威性，但通過編程自動(dòng)建立的本體，不可避免地存在一些問題，需要構(gòu)建人員在prot6g6中進(jìn)一步修改和完善。同時(shí)，邀請(qǐng)儀器儀表領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行咨詢和指導(dǎo)，對(duì)本體進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括類、屬性以及類之間關(guān)系的完整性和準(zhǔn)確性等方面的內(nèi)容。根據(jù)專家提出的指導(dǎo)意見和自檢發(fā)現(xiàn)的問題對(duì)本體進(jìn)行反復(fù)修改，直至最后形成完善的IAIOnto原型。
　　3．7　本體的更新和維護(hù)
　　目前，已構(gòu)建的領(lǐng)域本體共包括1071個(gè)類概念，1600多個(gè)本體實(shí)例(主要為溫度儀表領(lǐng)域的產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)和廠商等)以及100多個(gè)屬性。隨著項(xiàng)目的不斷深入以及人們對(duì)領(lǐng)域認(rèn)識(shí)的提升和新知識(shí)的不斷涌現(xiàn)，本體的更新和維護(hù)將成為非常重要的工作。對(duì)本體進(jìn)行更新和維護(hù)可以參照許多本體構(gòu)建方法，如METH-ONTOLOGY法和TOVE法等。同時(shí)，本體的維護(hù)恰恰又能體現(xiàn)本體的優(yōu)勢，對(duì)數(shù)據(jù)庫維護(hù)來說，信息需求的變化往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫模式的變化，而本體因?yàn)槠渲�識(shí)表示的靈活性，不需要做底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變。然而，值得一提的是，本體的維護(hù)是一項(xiàng)長期的、繁重的工作，這項(xiàng)工作需要許多人長期的、不懈的努力。
　　
　　4　總結(jié)與展望
　　
　　構(gòu)建IAlonto只是一個(gè)開端，構(gòu)建它的目的是為了利用它強(qiáng)大的信息聚合特性和推理機(jī)制，構(gòu)造出真正的知識(shí)庫，解決智能檢索中的許多關(guān)鍵問題。目前無法做到完全自動(dòng)地構(gòu)建領(lǐng)域本體，仍需要人工干預(yù)，相信今后將會(huì)有大批高質(zhì)量的國外以及中國本土的研究成果出現(xiàn)。筆者認(rèn)為，盡管我們目前所做的工作影響并不是很深遠(yuǎn)，但是，前沿的學(xué)術(shù)研究和實(shí)踐成果正是由許許多多看似沒有意義的工作鋪墊出來的。同時(shí)，我們也應(yīng)該看到，我國在描述邏輯、查詢、規(guī)則以及數(shù)據(jù)庫和本體的結(jié)合這些問題上的研究和國外的距離還相差很遠(yuǎn)，所以，只有在這些方面的研究有所突破，才能在國際上占有一席之地，否則，很難擠進(jìn)制定標(biāo)準(zhǔn)和引領(lǐng)技術(shù)進(jìn)步的圈子里去。

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