本体的形式化模型及在语义查询中的应用

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1、本体的形式化模型及在语义查询中的应用王洪伟吴家春蒋馥上海交通大学 智能 化管 理与计算 机仿 真应用研究中 心摘 要 本 体是概念化的一个显式的 规格说明， 能够将领域中的各种概念及相互关系 显式 地、形式 化地表达出来。本文首先介绍了本 体的塞本概念，然后利用描述逻辑建立了 本体的形 式 化棋型， 并提出了 本体术 语包 含关系的 检验算法， 最后根据所建的 本体模型探讨了4种信息 查询模式。关键词 本体，语义查询，描述逻辑，包含关系S t u d y o n F o r ma l O n t o l o g y Mo d e l a n d it sA p p l i c a t i o

2、n t o S e ma n t i c R e t r i e v a lWa n g H o n g w e i Wu J i a c h u n J i a n g F uS h a n g h a i J i a o to n g U n i v e r s ity , s h a n g h a i , 2 0 0 0 3 0A b s t r a c t O n to l o g y i s a n e x p l i c i t s p e c i f i c a t i o n o f c o n c e p t u a l iz a t io n s , w h i c h

3、c a n e x p l i c i t l y a n d f o r m a l ly e x p r e s s t h e s e ma n t i c s o f t h e c o n c e p t s a n d th e i r r e l a t i o n s h ip . I n t h i s p a p e r , w e f i r s t i n t r o d u c e t h e b a s ic c o n c e p t o f o n t o l o g y , a n d t h e n w e p r e s e n t a f o r m a

4、 l o n t o l o g i c a l m o d e l u s i n g D e s c r i p t i o n L o g i c ( D L ) a n d a m e t h o d f o r t e s t i n g t h e s u b s u m p t i o n r e l a t io n b e t w e e n t e r m s . A t l a s t , w e d i s c u s s th e s e m a n t ic - e n a b l i n g i n f o r m a t i o n r e t r ie v a

5、 l m e c h a n i s m b a s e d o n t h e e s t a b l i s h e d o n t o l o g y m o d e l .K e y w o r d s o n t o l o g y , s e m a n t i c r e tr i e v a l , d e s c r i p t i o n l o g i c , s u b s u m p t i o n一、前言I n t e rn e t 可以 视为一 个异构的、 分布式的、动态的 大型数据库。 绝大多数 W e b由 于设计者 的偏好、 背景不同以 及开发时期 不同，

6、因而We b数 据结 构也不尽相同。如果 缺少高性能的检索 工具支持，用户只能在不同的服务器上盲目搜索，这个过程显然不经济。目前检索技术要么依 赖于编码技术，通过分类模式来描述给定的项，要么是通过全文检索技术，来搜索用户提交的 关键词。由 于编码描述只能反映出部 分语义， 因此不能 保证语义的 匹配。，国家自然 科学基金资助( 7 0 2 7 1 0 3 8 ) ,.z 门 6 .本体的形式化模型及在语义查询中的应用本体 ( o n t o l o g y ) 是领域知识的概念化说明，领域中的对象、概念及其关系通过形式化的说明 被严格规定， 从而 将术 语的语 义显式地表达出来，因而在语义 查

7、询 方面发挥了重要的作用 r .z 二、 本体的逻辑模型本体模型的 研究还处于 起步阶 段，本 体模型的形式化以及模型验证问题，目 前仍是知识工 程与管理领域中的一个研究热点，大多数的本体模型都是基于一阶逻辑，如 O n t o l i n g u a l I , C y c L l . L O O M 等 。 尽 管 一 阶 逻 辑具 有很 强 的 表 达 能力 ， 但 其推 理 过 程 复 杂， 不 利于 本 体 模 型的检验。描述 逻辑( d e s c ri p t i o n l o g i c , D L ) S l 是一 族描述概念和概念 层次关系的 知识表示语言。 相对于语义网

8、络、框架结构， D L具有形式化、 基于逻辑的语义，还可 以转 换成一 阶谓词 逻辑。 尽管没有一阶逻 辑的 表达能 力强，但推理复杂 度为多 项式， 更适用于本体 检验6 1 。 尤其是D L 的 语法容易转换成X ML / R D F形式，因 此基于D L的本体模型更 适合 W e b 环境下 概念建模与 信息查询。本文利用描述逻辑建立本体的形式化模型。定义1本体模型给定术语描述语言L ，本体模型是一个四元组，记作0 = 其中，T 是术语集，T中 的术语被 称为原子 术语， 包括原子类术 语 C ( 简称原子 类) 与原子 属性术 语 P ( 简称原子 属性) ，记为 T - ， 本体的

9、属性有两种类型: 类属性和数值属性，类属 性表 示 类间的关 系， 而数值属性表示 类的 属性; T D是术语定义 集， 定义T 中的术语: X为实 例集; X D为实 例声明 集， 用来声明T 的 实例。代码1 给出了一 个关于家庭的 本体模型。定 义2 本体解释给定本体0 = ， 本体解释为一个二元组，记 为卜 其中， A I# O 为O的 论域， i 是 解释函 数， 它将T 中的 每个原子 类C都映 射为了的一个子集口 C 口 ， 将T 中的 每个原子属性P 都映射为一个二 元关系P ,C A ! X A ! ， 将X中 的每一个体a 映射为 A 中的兀素a . A o代码1 一 个基

10、于描述逻辑的本体 模型 例子O - F a mily = ( I ) 本体模型的 术语集与术语定义 集本体模型的 术语集由原 子术语构成。原子术语还可以 通过术语构 造符，形成术语公式，来 定义其他术语， 即复合术语。 给定术语描述语言 L ， 我们将遵循下面 语法的 表达式称为 基十L的术语公式，简称 L - 术语公式:本体的形式化模型及在语义查询中的应用.? 口7.D , E - ) C一 丁 土 - C I D II E I V P . D 1 3 尸 丁 任何 原子 类术语C 都是一个L 一 术语公式 任何原 子类术语的否， C 都是一个L 一 术语公式 通用类 丁和空类土 也是L 一

11、 术语公式 假设D和E为术语公式， P为原子属性，以下形式也是L 一 术语公式 D F I E ;表 1 对各种基本术语构造符进行解释。( 1 )己 尸.下:V尸 . Do表 t 基木的本体术语构造符及本体解释构造符的名称构造符的语法构造符的本体解释T通用类T = i土空类土 I = P J一C原子否( , C ) = e t c D n E术语合取(D匕 = an E VP. D属性值约束( V P .D 产( a e A l V b . ( a , b ) E P b e 口 日 尸 丁限定性存在约束( 3 P .T y = ( a E A r l 3 b . ( a , b ) E P

12、)由表 1中的构造符的本体解释可以看出，术语公式的表达能力取决于 L所支持的术语构造 符的 类型。 式( 1 ) 中L仅 仅支持表 1 中 的6 种基本构 造符， L 又被称为 基本术语描 述语 言， 记为 L B ， 相应的术语公式记为 L B 一 术语公式。为了增强L的 术语描述能力，需要引 入更复杂的术语 构造符， 对L B 进行 扩展，见 表2 0衰2 扩展的本体术语构造符及木体解释构造符的名称构造符的语法构造符的本体解释L 走 肪术语析取( D L J W= 口U E ，刀非原子否(-,D)-Ark p i3 P. D非限定性存在约束( 3 P . = ( a E A-I 3 b .

13、 ( a , b ) E P n b E C )n ,P最小数目约束( 3 n ,P ) r= a e 0 b I ( a , b ) e P 1 1 ? n Sn ,P最大数目约束( - , D . E 为两个L 一 术语公 式， 若对 任意本体 解释1 ，有 口 必了 ，则称E 包含D ，记为D M E .定义4 等价关系给定语言L 和本体0 = , D . E 为两L 一 术语公式， 若 任意本体解释1 ， 有D M E 和E MD，则称D与 E等价，记为D=E性质1 若D , E为术语公 式， 有以下 关系成立: D f l- , 1 ) 三 土 D U - D = T ( 3 n ,

14、 P ) M ( - m ,P ) ， 如果n o m. 20 8 本体的形式化模型及在语义查询中的应用( -_ - - V P -D定义5 术语定义 项术语定义项实际上是一个等价关系 C = D，表示 C用D来定义。C称为术语定义项的前项， D称为后项。其中，C是原子类术语，D是术语公式。给定本体o- ， 术语定 义集T D由若 干个满足以下 条 件的 术语 定义项组成， 表示为T D = C , - D q- D 2 , “ “ “ , C-_ D 小 其中C , E T , D为术语 公式， D中的 术语均来自T o对 任 何i , j ( i m j , l ，凡是 在术语定义项的前项

15、中出 现过的原子术语 被称为复合术 语。如代码1 中的W o m a n , M a n .定义， 荃本术语给定本体o- , X中除了复 合术语外，其他的 原子术语被称作 基本 术语。 如 代 码1 中 的F e m a l e .原子术语分为 基本术语和复合术语，复 合术语被基本术语的公 式所定义。定义8 术语定义 项的 伸展给定本体a - ， 将术语 定义项A的 后项所含的复合术语 全部用基本术语 替换， 形成A ， 称A 为 A 关于T D的 伸展， 记为E x p ( A ) ， 并称A经过伸展得到E x p ( A ) 。 将 T D中 所有 术语定义项的 后项伸展， 得到新的术语定

16、 义集T D ， 称 T D 伪 T D的 伸展， 记为E x p ( T D ) 。 如代 码I 中， Ma n =- P e r s o n f l - - Wo m a n , E x p ( M a n ) _ P e r s o n ll - ( P e r s o n f IF e m a l e ) o( 2 ) 本体模型的实例集与实例 声明 集实例集是个体( 实例) 的 集合。实例声明集包括类的 实例声明、 属性的实 例声明、实例不等 声明。类的实例声明， 记为C ( a ) ，表示个体a 属于类C o 属性的实例声明， 记为P ( a , b ) , 表示个 体a , b 之间 存在关系P , b 称为a 关于P的属性值。实 例不等声明，记为a * b ， 表示个体a 与b不同。给定本体解释1 ，如果类的实 例声明C ( a ) 成立， 则有a E C。如果 属性的实