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1、网络本体语言(OWL)的标准体系解析计算机网络论文万维网之父蒂姆伯纳斯 李(Tim Berners-Lee)将万维网的演变分为两个阶段1。第一个阶段，万维网应该是一个有利于人们合作的强大工具；第二个阶段，则是蒂姆伯纳斯李所定义的语义网阶段。通俗地说，语义网就是一种能够理解人类语言的智能网络，它能够使人与计算机的交流变得像人与人交流一样轻松。我们目前正处于新一代万维网发展的边缘，即致力于第二代网络 语义网的研究、开发阶段。在语义网的开发进程中，网络本体语言(Web Ontology Language,OWL)作为实现其功能的核心语言工具，其开发意义重大。为了给 OWL 系统的开发奠定基础，万维网
2、联盟(W3C)于 2003 年 12 月 15 日发布了由其下属的网络本体工作组开发的 OWL 系列标准规范文件，紧接着又对各标准文档进行了改进，于 2004 年 2 月 10 日公布了该系列体系的最新版本。本文将对最新版本的 OWL 系列标准规范体系进行探讨和解析，并对中文网络本体语言开发中的标准建设提出一些建议，以期为国内 OWL 系统的研究开发提供借鉴。1OWL 系列标准规范体系的构成为了更好地描述语义化本体模型和进行知识表述，W3C 首先提出用来描述资源及其之间关系的语言规范：资源描述框架(Resources Description Frame,RDF)，在此基础上，欧洲开发了语义交互
3、语言(Ontology Interchange Language,OIL)，美国开发了 DAML(DARPA Agent Markup Language)。这两种网络本体语言都是对 RDF 类似的扩展，因此后来合并为DAML+OIL，随后 W3C 将其规范为理解力更强的网络本体语言(Web Ontology Language,OWL)。OWL 系列标准规范体系由 6 个推荐性标准文档组成，分别从理论、实例及规范性定义的角度对 OWL 进行了全面、简洁及规范化的阐述，它们是：网络本体语言概述(OWL Web Ontology Language:Overview)：通过列出 OWL 的语言特征并给
4、出其简要的描述，对 OWL 进行简单介绍。它通过对 OWL 各子语言特征的非形式化描述，提供了 OWL 的入门知识2。网络本体语言指南(OWL Web Ontology Language:Guide)：通过一个扩展的例子说明如何使用 OWL 语言，同时也给出了这些文档中用到的术语的解释2 。具体内容包括如何使用 OWL 本体语言定义类和类的属性，以形成一个形式化的域；定义个体并确定它们的属性，并且对这些类和个体进行推断，以达到网络本体语言的形式化语义的许可程度3。网络本体语言参考(OWL Web Ontology Language:Reference)：该文档对 OWL 语言的整体构造进行了结
5、构化的非形式化描述2，使用 RDF/XML 语法对 OWL 的所有建模原语进行子系统及详尽的描述，试图为构建 OWL 的用户提供参考4 。网络本体语言语义与抽象语法(OWL Web Ontology Language:Semantics and Abstract Syntax)：对 OWL 进行了最终的、形式化的规范性定义2。网络本体语言测试用例(OWL Web Ontology Language:Test Cases)：该文档包含了 OWL 的大量测试用例集合2。其中，许多测试用例说明了 OWL 语言的形式语义和正确使用方法，其它测试用例则说明了工作组所面临的亟需解决的问题5。网络本体语言应
6、用案例和需求(OWL Web Ontology Language:Use Cases and Requirements)：该文档包含了一个 Web 本体语言的应用案例集合和关于 OWL 的需求集合2，详细阐述了本体语言的使用方式、目的和要求。其目的之一是确定网络本体语言需要什么。网络本体语言的要求将被潜在的使用案例和普通设计目标所激发，而这些潜在的使用案例和普通设计目标同时考虑到了将本体标准运用于网络这一独特环境时的困难6。接下来将对 OWL 标准体系的内容框架进行介绍。 2OWL 系列标准规范体系的内容框架2.1概述W3C 制定 OWL 标准体系的目的是为了引起人们对规范的注意并且使其在更广
7、范围的被采纳与使用5 。在推荐标准文件时，W3C 将主要注意力放在制定规范和改进全面部署能力方面，这无疑增强了网络的功能性和互操作性4。W3C 网络本体工作组采用一系列文档对 OWL 语言进行描述，每一个文档实现一个目的，以满足不同读者的需要2 ，分别适合某些相关研究人员和技术人员使用。并且按照从易到难，由浅入深的顺序对 OWL 系统进行了全面、透彻的阐述。总体来说，OWL 标准体系结构严谨、语言简练、表达直观，易于为用户所接受。每个标准文件各有侧重点，从不同的角度制定了 OWL 的规范，看似独立，但在内容上又互相服务，理论和示例各有侧重，互为补充，这表现为在具体内容的阐述上提供了到其它标准文
8、件的相关链接。具体来说，OWL 概述文档主要针对 OWL 的初步接触者，以简洁、直观的语言阐述了OWL 的基本概念、原理以及 OWL 三个子语言的语言特征，使用户对 OWL 的基础知识架构有了一个清晰的了解，解决了用户从对 OWL 一无所知到初步入门的问题。文档对各部分内容作了更详细的阐述，提供了到其它 5 个文档的链接，用户可交互参阅，达到全面学习掌握 OWL 的目的。假设用户首先阅读完 OWL 概述文档后，可阅读 OWL 指南文档获知使用该语言的理论方法和例子。用户在对纯理论描述进行阅读时，往往容易产生理解上的障碍。该文档在对OWL 构成元素进行描述时，贯穿了建立酒和食物的主体关系的例子，
9、生动的示例对用户理解和掌握 OWL 起到良好的作用。文档除对 OWL 的构造元素做了进一步的阐述外，也对属性特征及属性限制等描述机制进行了详细说明，进一步解决了 OWL 本体语言对信息内容进行更好的表达的问题同时，对数据合并与本体映射等相关技术问题作了一定的讨论，为相关机构及人员日后的进一步研究提供了关注重点。OWL 参考文档类似于一本使用手册， OWL 中所有建模原语的相关描述以及使用时的限制和注意事项都可在该文档中进行查阅。用户在阅读其它 5 个标准文件的同时，可针对某个具体构造元素在该文档中进行相关参阅。 文档通篇围绕类、个体及属性对相关的建模元语进行非形式化描述，对每个元语的描述一般从
10、理论阐述、举例说明及使用时的注意事项三个方面展开，理论与示例相结合，内容详尽、丰富。文档的参考文献提供了 OWL 每个语言构造元素的索引及快速参考。同时，附录记录了自 DAML+OIL 发展至 OWL 的变化，利于阅读时的承前启后。OWL 语义和抽象语法文档为用户提供了 OWL 语言的标准语法，此文件运用模式论式的语义学对语义进行了精确定义。一些概念如 OWL 的连贯性等在文件中都有所论述，该文档适用于那些对 OWL 技术细节感兴趣的用户；OWL 解析器及其它句法工具的开发者会对第二和第四部分特别感兴趣；OWL 推理器和其它语义工具的开发者会对第三和第五部分特别感兴趣，但不适用于那些首先应该阅
11、读 OWL 概述文档的普通读者。以上 4 个标准文件补充性两个文档 OWL 测试用例和 OWL 使用案例及要求。OWL 测，试用例文档提供了 OWL 语言的测试用例，OWL 使用案例及要求文档阐述了 OWL 语言的实际应用领域和 OWL 本体语言构建所需的必要条件。值得一提的是，OWL 使用案例及要求中列举了 6 个网络本体的使用案例，其中一些是基于工业和学术界实际应用案例，另一些是带前瞻性应用的案例。这些案例有助于用户了解 OWL 应用的实际意义，便于有的放矢地开发 OWL 和研究语言，从而为语义网开发服务。总的来说，W3C 推荐的该标准体系综合阐述了以下主要内容，下面综合介绍这 6 个标准
12、文件的内容。 2.2OWL 的概念及开发的必要性OWL 概述和 OWL 指南文档的引言部分对本体和 OWL 的基本概念进行了阐述。我们讨论的本体是表达术语及其词间关系2。这里补充一个更标准的定义，即由 Borst 给出的：“Ontology 是共享概念模型的形式化规范说明”。OWL 是定义和例示网络本体的一种语言。一个 OWL 本体包括类、属性和它们的实例的描述3。它可以明确表示词汇表中术语的意义及其词间关系2。由于 OWL 概述文档是为 OWL 入门者设计的，因此文档对开发 OWL 的必要性进行了详细说明。未来的语义网应是“构建于 XML 自定义标签模式的能力以及 RDF 灵活的描述数据的方
13、式之上的”。而根据蒂姆 伯纳斯李提出的著名的语义网构成的标准体系结构，语义Web 需要在 RDF 之上增加的第一个层次，是一种能够对 Web 文档中的术语含义进行形式化（指计算机可读的）描述的本体语言。如果希望机器能够对这些 Web 文档进行有效的推理工作，这一本体语言必须超越 RDF Schema 的基本语义。因此，OWL 被设计以满足Web 对本体语言的要求2。其优势表现为，在表达意义和语义方面， OWL 比 XML、RDF和 RDFS 更方便，并且与这些语言相比，OWL 表示的网络内容更容易被机器所理解。OWL 是 DAML+OIL 网络本体语言的修改版，它结合了 DAML+OIL 的设
14、计和应用中得到的经验教训2。2.3OWL 的三个子语言OWL 由三个子语言 OWL Lite/OWL DL/OWL Full 组成。OWL Lite 用于执行简单任务，并且提供给用户一个功能性子集使他们在初次使用 OWL 时就能轻易上手。OWL DL（这里DL 是指“描述逻辑” ）提供令人满意的语言子集用以支持推理系统实现其计算性能。OWL FULL 适当放宽了对 OWL DL 的限制，目的是为了突出其某些特点使其对数据库及知识表示系统发挥作用4 。对 OWL 的描述实质上就是对这三个子语言的描述， 6 个标准文档从不同的角度对这三个子语言作了详细说明。OWL 概述文档在分别阐述了三个子语言的
15、总体特征、适用用户及各个子语言之间的关系之后，着重列出了 OWL Lite 的语言构造元素，并对元素的特征进行了非正式描述。由于 OWL Lite 对 OWL 语言使用的约束较多，因此 OWL 的某些构造元素不包含其中。文档接着对 OWL DL 和 OWL Full 相对于 OWL Lite 增加的语言构造元素的特征做了进一步的非正式描述。OWL 指南文档的描述与 OWL 概述类似。OWL 参考文档对三个子语言作了更详细的描述，主要侧重于具体使用时的注意事项，如详细列出了 OWL DL 和 OWL Lite 中被限制使用的语言构造元素，为用户在具体选择使用这三个子语言时提供了参考。OWL 语义
16、与抽象语法文档的第二部分从语法描述的角度对用于 OWL Lite 和 OWL DL 子语言的抽象语法进行了详细说明，具体内容包括 OWL Lite 和 OWL DL 的类公理、限制或约束以及属性公理。这 4 个标准文档分别从三个子语言的基本概念、使用时的注意事项及语法描述的角度对其进行了详细说明，实质上是对 OWL 语言作了全面的补充性描述，用户可在了解该部分内容时对 4 个标准文件进行交叉阅读。2.4OWL 本体构成OWL 本体包括类、属性和它们的实例（即个体）的描述3。因此该部分是描述的重点。OWL 概述文档从对 OWL Lite 的语言特征进行描述出发，对类、个体及属性进行了定义和简单说明。 “一个类定义了一组具有某些共同属性的个体。例如类 Person、类 Animal。个体是类的实例，例如一个名为 Deborah 的个体可以被描述为类 Person 的一个实例。而属性能够用来声明个体间的
