語(yǔ)義Web與推理系統(tǒng)的應(yīng)用研究＊

朱創(chuàng)錄

(渭南師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，陜西 渭南 714000)

語(yǔ)義Web發(fā)展很重要的目的就是要建立人與機(jī)器都可以理解的知識(shí)系統(tǒng)，將信息用語(yǔ)義Web本體論的思想來(lái)表達(dá)可以部分解決機(jī)器無(wú)法理解人類(lèi)所描述知識(shí)的問(wèn)題。在語(yǔ)義Web本體論的基礎(chǔ)上建立機(jī)器進(jìn)行自動(dòng)推理的方法，將所描述的知識(shí)進(jìn)行推理并重新組織加工。目前，具有通用性的推理系統(tǒng)主要是專(zhuān)家系統(tǒng)，在專(zhuān)家系統(tǒng)中所使用的知識(shí)呈現(xiàn)多元化，其中包含語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、框架、法則、邏輯等。雖然這些知識(shí)的表示方法各有其優(yōu)點(diǎn)，但在建立推理系統(tǒng)時(shí)都存在各種各樣的缺點(diǎn)和不足。傳統(tǒng)的框架表示知識(shí)無(wú)法表現(xiàn)的交集、合集等概念；語(yǔ)意網(wǎng)絡(luò)表示的知識(shí)由于表現(xiàn)方式不是結(jié)構(gòu)化，所以帶來(lái)了運(yùn)算不便的問(wèn)題；法則表示知識(shí)通常很難表現(xiàn)類(lèi)的層次關(guān)系，存在知識(shí)表現(xiàn)不緊湊的問(wèn)題；邏輯的方式表示知識(shí)存在的問(wèn)題是無(wú)法將類(lèi)別與實(shí)例分開(kāi)，使得在推理時(shí)無(wú)法單獨(dú)從類(lèi)別中推導(dǎo)公理性的知識(shí)，使推理的效率難以提高[1]。另外，通過(guò)傳統(tǒng)的知識(shí)表現(xiàn)形式所表達(dá)的知識(shí)只能應(yīng)用于特定的應(yīng)用環(huán)境中，很難做到被其他系統(tǒng)重復(fù)利用，而語(yǔ)義Web卻完全可以做到這一點(diǎn)，因?yàn)檎Z(yǔ)義Web本體論的出發(fā)點(diǎn)就是要建立人和機(jī)器都可以理解的知識(shí)體系。

語(yǔ)義Web本體層能夠解決機(jī)器推理存在的知識(shí)表示問(wèn)題，并且基于本體描述的知識(shí)可以多次重復(fù)利用于相關(guān)領(lǐng)域的推理，充分利用所建立的知識(shí)庫(kù)。本文主要就是依據(jù)這兩點(diǎn)來(lái)探究關(guān)于語(yǔ)義Web本體論應(yīng)用于傳統(tǒng)的專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行推理時(shí)需要解決的問(wèn)題。

1 語(yǔ)義Web的技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義Web信息服務(wù)智能化與自動(dòng)化的目的，語(yǔ)義Web研究者們開(kāi)發(fā)了許多新技術(shù)并提出了一系列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從某種程度上講，語(yǔ)義Web的發(fā)展就是建立在一定邏輯基礎(chǔ)上的信息表示語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。由于語(yǔ)義Web的知識(shí)表示具有創(chuàng)建上的分散性；同時(shí)又具有應(yīng)用上的通用性，所以需要一個(gè)統(tǒng)一的框架，這個(gè)框架應(yīng)該能夠滿足這種分散性，以及由這種分散性所帶來(lái)的安全性，以滿足知識(shí)跨應(yīng)用、跨領(lǐng)域的可互操作性。Berners Lee在XML2000大會(huì)上描述了這個(gè)體系結(jié)構(gòu)[2]，如圖 1所示。

在這個(gè)層式結(jié)構(gòu)中，上層將下層的語(yǔ)言機(jī)制作為本層的支撐語(yǔ)言，如表1所示。通過(guò)分析器，從合法有效的下層描述中抽取出本層所能理解的模型，實(shí)現(xiàn)更多的語(yǔ)義處理功能。因此，語(yǔ)義Web是向下兼容的，比如，當(dāng)用RDF/XML表達(dá)OWL時(shí)，如果只有RDF分析器，雖然僅僅可以部分解釋該本體內(nèi)的類(lèi)結(jié)構(gòu)，但能完全解釋該本體內(nèi)的所有實(shí)例。因?yàn)檫@只與RDF(S)語(yǔ)法相關(guān)。由于Web的海量信息不可能在短時(shí)間內(nèi)全部建立語(yǔ)義標(biāo)記，而且語(yǔ)義的標(biāo)記方法也將不斷發(fā)展，將會(huì)提供更廣泛的語(yǔ)義支持能力。這種上層兼容下層的方式，為語(yǔ)義Web的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。

圖1 語(yǔ)義Web的體系結(jié)構(gòu)

表1 語(yǔ)義Web的層次依賴(lài)關(guān)系

2 基于語(yǔ)義Web的專(zhuān)家推理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的語(yǔ)義Web推理形式本身雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)(尤其是在描述邏輯推理方面較強(qiáng))，但其自身也存在相應(yīng)不足，主要是由描述邏輯本身的不足造成的，因此采用描述邏輯結(jié)合SWRL規(guī)則來(lái)表示知識(shí)和規(guī)則。本設(shè)計(jì)中采用的推理方式包括2種：(1)基于描述邏輯的本體推理，應(yīng)用描述邏輯產(chǎn)生推理的目的是為了使建立的本體有更好的層次結(jié)構(gòu)，同時(shí)不產(chǎn)生沖突定義[3]；(2)基于專(zhuān)家系統(tǒng)的推理，主要目的是實(shí)現(xiàn)本體與基于本體的規(guī)則相結(jié)合產(chǎn)生推理。

在語(yǔ)義Web中，目前對(duì)于本體的表示多采用OWL DL進(jìn)行描述，采用OWL DL建立起來(lái)的本體完全具有描述邏輯的推理能力[4]，因此可以采用 Tableaux算法推理機(jī)對(duì)所建立的本體進(jìn)行推理，發(fā)現(xiàn)其隱藏知識(shí)，并且發(fā)現(xiàn)知識(shí)中的矛盾之處，方便對(duì)本體進(jìn)行修改和完善；另外從語(yǔ)義Web引入本體論的目的來(lái)看，采用本體論的觀點(diǎn)，可以使人與機(jī)器都完全理解人類(lèi)所建立起來(lái)的本體知識(shí)，便于知識(shí)的共享和再次利用。以O(shè)WL DL建立起來(lái)的本體具有豐富的表達(dá)能力，所以在此基礎(chǔ)上尋找相應(yīng)的規(guī)則表示方法來(lái)進(jìn)行基于專(zhuān)家系統(tǒng)的推理，本文采用的規(guī)則表示方法是語(yǔ)義Web規(guī)則描述語(yǔ)言SWRL，其優(yōu)點(diǎn)是SWRL能夠很好地結(jié)合OWL DL本體知識(shí)。因?yàn)镾WRL自身的建立就是基于OWL本體之上，在定義規(guī)則時(shí)，可以充分結(jié)合OWL本體中豐富的表達(dá)能力達(dá)到推理目的。在用OWL DL建立本體基礎(chǔ)上，采用Tableaux算法推理機(jī)對(duì)所建立的本體進(jìn)行推理。通常使用RACER等推理機(jī)作為本體的推理工具，生成一個(gè)新的沒(méi)有語(yǔ)義沖突的層次化本體。在此基礎(chǔ)上定義SWRL規(guī)則，完成了知識(shí)庫(kù)和規(guī)則的設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)在的專(zhuān)家系統(tǒng)均不能直接處理OWL表示的知識(shí)和SWRL定義的規(guī)則，所以需要進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換。本文通過(guò)JessTab和XSLT分別對(duì)本體知識(shí)和SWRL規(guī)則進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，最后，將轉(zhuǎn)換后的Jess格式的知識(shí)和規(guī)則導(dǎo)入到Jess推理引擎進(jìn)行基于專(zhuān)家系統(tǒng)的推理。根據(jù)以上分析，建立一種基于語(yǔ)義Web的推理系統(tǒng)模型，如圖2所示。其中，“推理1”使用RACER，表示具有描述邏輯推理功能的推理機(jī)。因?yàn)榛赥ableaux算法的RACER不僅可以與 Protégé很好地進(jìn)行描述邏輯的推理，而且可以使用專(zhuān)家系統(tǒng)Jess通常的推理引擎，很方便地進(jìn)行以O(shè)WL DL描述的本體推理。推理系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)使用語(yǔ)義Web的本體描述語(yǔ)言O(shè)WL DL進(jìn)行表示；使用語(yǔ)義Web規(guī)則語(yǔ)言SWRL進(jìn)行定義。圖2中，“本體1”表示根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)建立起來(lái)的本體；“本體2”經(jīng)過(guò)“推理 1”進(jìn)行基于描述邏輯的推理后建立的層次化更加良好，并且滿足一致性要求，沒(méi)有沖突發(fā)生的本體。其中，SWRL規(guī)則的定義使用“本體 2”中的 TBox和 ABox，也就 是 “本體 2”的概念、屬性或者實(shí)例，在這些OWL DL基本元素的基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)的推理要求結(jié)合SWRL語(yǔ)法格式可以產(chǎn)生與本體具有良好結(jié)合的SWRL規(guī)則。

圖2 總體設(shè)計(jì)

將該推理系統(tǒng)分為3個(gè)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(1)采用OWL進(jìn)行領(lǐng)域本體的設(shè)計(jì)以及在領(lǐng)域本體基礎(chǔ)上的SWRL規(guī)則設(shè)計(jì)。

本體的建立可以結(jié)合應(yīng)用，根據(jù)具體的本體論工程模型進(jìn)行本體的設(shè)計(jì)，通常使用的工具是 Protégé。Protégé是一個(gè)開(kāi)放的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可提供多種插件進(jìn)行功能的擴(kuò)充。建立SWRL規(guī)則時(shí)要充分考慮并且結(jié)合已經(jīng)設(shè)計(jì)好的本體進(jìn)行相關(guān)規(guī)則的設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)規(guī)則沖突。建立 SWRL規(guī)則仍然可以使用 Protégé，只需在Protégé下 增 加 SWRLTab的 插 件 ，OWL 本 體 建 立 與SWRL規(guī)則建立在同一開(kāi)發(fā)環(huán)境下的好處是在制定規(guī)則時(shí)可以自動(dòng)調(diào)用本體中的知識(shí)，避免人工寫(xiě)入時(shí)可能發(fā)生的錯(cuò)誤。領(lǐng)域本體建立后，通過(guò)將本體知識(shí)導(dǎo)入到描述邏輯推理機(jī)上進(jìn)行推理，可以對(duì)本體進(jìn)行分類(lèi)整理，發(fā)現(xiàn)其中的隱含知識(shí)，建立一套基于語(yǔ)義Web本體論的知識(shí)庫(kù)和規(guī)則。OWL DL知識(shí)庫(kù)具有描述邏輯的特性，可以更好地表現(xiàn)知識(shí)、進(jìn)行推理。SWRL規(guī)則可以充分地結(jié)合本體進(jìn)行規(guī)則設(shè)計(jì)，使得在設(shè)計(jì)規(guī)則的時(shí)候更方便。

(2)將OWL知識(shí)和SWRL規(guī)則轉(zhuǎn)化為推理引擎可以接受的格式。

現(xiàn)在的專(zhuān)家系統(tǒng)通常不接受OWL和SWRL表示的規(guī)則，因此需要進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)化。本體知識(shí)庫(kù)格式的轉(zhuǎn)換，首先將本體導(dǎo)入到描述邏輯的推理機(jī)，通過(guò)描述邏輯的推理機(jī)將本體進(jìn)行推理。因?yàn)镺bjectTypeProperty屬性實(shí)例是對(duì)象關(guān)系的實(shí)例，通常需要推理機(jī)首先將其客體連接到具體的DataTypeProperty，這樣就可以在推理機(jī)中形成具體的三元組，將三元組導(dǎo)入格式轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換后的格式推理引擎可以接受。因?yàn)镾WRL文件本身就是XML文件，并且具有固定的語(yǔ)法格式規(guī)范(通過(guò)Schema定義)。所以可以通過(guò) XSLT的方式來(lái)進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)化，從而使推理引擎可以接受規(guī)則。

(3)專(zhuān)家系統(tǒng)的推理。

將知識(shí)和規(guī)則導(dǎo)入到專(zhuān)家系統(tǒng)的推理引擎，進(jìn)行模式匹配運(yùn)算。最終將運(yùn)算的結(jié)果通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)的API和用戶應(yīng)用程序進(jìn)行交互。推理引擎的選擇種類(lèi)很多，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

語(yǔ)義Web的知識(shí)表達(dá)形式性，是在傳統(tǒng)的描述邏輯基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，因此繼承了描述邏輯的一些優(yōu)點(diǎn)。但由于受描述邏輯的限制，也存在一些描述邏輯的自身邏輯缺陷，本文使用OWL DL結(jié)合SWRL可以對(duì)相關(guān)推理進(jìn)行必要的擴(kuò)充，從而形成一個(gè)較完整的推理系統(tǒng)。語(yǔ)義Web作為一項(xiàng)新的信息表達(dá)形式，在目前的研究中出現(xiàn)了許多分支，表達(dá)方式出發(fā)點(diǎn)是更好地進(jìn)行信息描述，使人與機(jī)器都可以理解信息。而針對(duì)目前Web的信息量十分龐大的情況，語(yǔ)義Web的重點(diǎn)是要解決機(jī)器對(duì)語(yǔ)義理解的問(wèn)題。目前的語(yǔ)義Web在描述現(xiàn)實(shí)世界的靜態(tài)事物上已經(jīng)表現(xiàn)得很好了，這主要取決于基于描述邏輯本體理論的應(yīng)用，正是這種應(yīng)用推動(dòng)了機(jī)器對(duì)所描述事物的理解。

該推理系統(tǒng)主要基于OWL本體和SWRL規(guī)則。本體的建立只是在描述邏輯的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)知識(shí)庫(kù)，雖然這種知識(shí)庫(kù)改進(jìn)了傳統(tǒng)知識(shí)表示方法的一些缺點(diǎn)和不足，但這種知識(shí)庫(kù)并不能充分表達(dá)推理層面上的復(fù)雜規(guī)則，這主要是由于描述邏輯的缺陷所造成的(例如對(duì)于通常的條件判斷，描述邏輯是無(wú)法表達(dá)的)，這同樣體現(xiàn)在本體中。所以，在定義一些限制規(guī)則的時(shí)候，往往無(wú)法完全地應(yīng)用本體表示。為了能夠充分地表達(dá)這些規(guī)則，采用SWRL作為規(guī)則的表現(xiàn)形式，因?yàn)镾WRL規(guī)則的建立是在所建立的本體基礎(chǔ)之上的，所以SWRL作為規(guī)則的表現(xiàn)形式可以充分與本體知識(shí)庫(kù)結(jié)合。當(dāng)需要對(duì)本體所建立的知識(shí)進(jìn)行某種推理的時(shí)候，可以根據(jù)本體建立SWRL法則，實(shí)現(xiàn)本體的描述和規(guī)則的分離。因?yàn)楸倔w是作為一般意義上的定義，采用本體建立的知識(shí)庫(kù)在應(yīng)用時(shí)并不需要進(jìn)行大的修改，只要增加所需要部分的知識(shí)信息，并且在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相應(yīng)的SWRL推理規(guī)則就可以完成推理服務(wù)，提高本體知識(shí)的利用率。另外，基于OWL的知識(shí)本身采用XML的形式，從而為知識(shí)庫(kù)的共享和重復(fù)使用帶來(lái)了極大的便利。

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