高校知識(shí)本體的構(gòu)建及應(yīng)用研究

袁小艷+唐青松+賀建英

摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)高校知識(shí)的復(fù)用和共享，開發(fā)了高校知識(shí)本體。根據(jù)高校知識(shí)對領(lǐng)域本體的要求，提出高校知識(shí)本體的建模開發(fā)方法，闡述高校知識(shí)本體的基本特性和聯(lián)系，建立高校知識(shí)本體的概念分類和部分公理，使用本體開發(fā)工具Protege4.0實(shí)現(xiàn)了本體，并利用本體實(shí)現(xiàn)教師資源個(gè)人知識(shí)匹配的智能化。通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞： 高校知識(shí)本體； 知識(shí)匹配； 知識(shí)復(fù)用； 知識(shí)共享

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）16?0058?04

Construction of university knowledge ontology and its application research

YUAN Xiao?yan， TANG Qing?song， HE Jian?ying

（College of computer， Sichuan University of Arts and Science， Dazhou 635002， China）

Abstract： In order to realize the knowledge reuse and sharing in universities， the university knowledge ontology was developed. According to the demand of domain ontology of university knowledge， the modeling development method of university knowledge ontology is put forward. The basic relations and characteristics of universities knowledge ontology are described. The concept classification and partial justice of the university knowledge ontology were determined. The ontology was realized by means of ontology development tool Protege4.0. The intelligent personal knowledge matching of the teachers was achieved by the ontology. The feasibility and scientificity of this method is verified with examples.

Keywords： university knowledge ontology； knowledge matching； knowledge reuse； knowledge sharing

當(dāng)前是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，知識(shí)是國家的命脈，高校是國家知識(shí)儲(chǔ)備的一支中堅(jiān)力量，其知識(shí)資源的建設(shè)與發(fā)展，是國家知識(shí)的重要組成部分，高校知識(shí)資源的好壞決定著高校教育發(fā)展的優(yōu)劣。由于高校知識(shí)的類型多元化、各種交叉信息使得各種知識(shí)分散混亂，讓高校知識(shí)的管理成為一項(xiàng)巨大的任務(wù)。本體是一種描述知識(shí)系統(tǒng)的概念模型建模工具，它賦予了信息、知識(shí)以語義，具有良好的概念層次和對邏輯推理的支持，將本體引入高校知識(shí)管理中，對知識(shí)進(jìn)行有效管理，對提高高校知識(shí)的共享和重用有重要意義。

1 本體理論

近年來，本體論已經(jīng)被廣泛用于知識(shí)工程、人工智能和信息技術(shù)等方面，它是對共享概念模型的明確、形式化的規(guī)范說明。對知識(shí)工程領(lǐng)域本體的研究主要是研究知識(shí)的獲取、規(guī)范和重用、可靠性等。高校知識(shí)本體是高校知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)的公共詞匯，是廣大用戶共同認(rèn)可的詞匯，它提供了語義互操作基礎(chǔ)，能使概念層次化、隱含概念清晰化，利用本體能夠有效地、系統(tǒng)地對高校知識(shí)概念進(jìn)行描述。

本體是一個(gè)六元組：O={N，Re，Ch，T，A，E}。其中：N和Re是兩個(gè)不相交的集合，N中的元素稱為概念，Re中的元素稱為關(guān)系；Ch表示概念層次，即概念間的分類關(guān)系；T表示概念間的非分類關(guān)系；A表示本體公理；E表示本體實(shí)例。由此可知，本體應(yīng)該具有概念類、關(guān)系類、函數(shù)、公理和實(shí)例，其中概念可以形成一個(gè)分類層次，并通過關(guān)系、函數(shù)、公理來表達(dá)概念之間的關(guān)聯(lián)和約束。

2 高校知識(shí)本體的分析和建模

根據(jù)高校知識(shí)本體的特點(diǎn)和構(gòu)建本體的方法，提出了一種適合高校知識(shí)本體的建模開發(fā)方法，該方法有以下三個(gè)階段：

2.1 確定本體的應(yīng)用領(lǐng)域、目的與范圍

列舉能力問題是確定本體范圍的一個(gè)有效方法，并且，還可以作為最終本體的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本體的需求、層次都可以通過這些問題反映出來，例如一個(gè)部門是否有一些多余的課程需要講授，該課程隸屬于高校知識(shí)領(lǐng)域的哪個(gè)層次，誰有時(shí)間、有能力進(jìn)行該課程的教學(xué)。

2.2 建立高校知識(shí)本體間的基本特征與聯(lián)系

高校知識(shí)本體的基本特征有對稱性（SYMM）、傳遞性（TRANS）、逆轉(zhuǎn)性（REVERS），基本聯(lián)系有概念間的繼承聯(lián)系（is?a）、整體與部分的聯(lián)系（kind?of）、相似聯(lián)系（resemble?of）和屬性聯(lián)系（attribute?of），概念與實(shí)例間的聯(lián)系（instance?of）。這些聯(lián)系有如下幾個(gè)基本公理：

公理1： is?a聯(lián)系具有傳遞性，不具有對稱性。

公理2： kind?of聯(lián)系具有傳遞性，不具有對稱性。

公理3： resemble?of聯(lián)系不具有傳遞性，但其具有對稱性。

2.3 創(chuàng)建高校知識(shí)本體的概念類別

創(chuàng)建高校知識(shí)本體概念類別主要是為了確定高校知識(shí)本體的主要相關(guān)概念，對其按類別匯總并建立相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)。

建立高校知識(shí)本體的領(lǐng)域術(shù)語詞典是該階段的第一步，定義高校知識(shí)本體領(lǐng)域的術(shù)語，并確定其語義和形式是該步驟的目的，術(shù)語定義所需的知識(shí)來源可以是多樣的，如書本、手冊、表格、網(wǎng)絡(luò)和專家等[1]。把領(lǐng)域詞典中的術(shù)語歸納成幾個(gè)主要類別，而且確定其層次結(jié)構(gòu)是該階段的第二步。本文將高校知識(shí)本體總結(jié)為6個(gè)類別： 個(gè)人知識(shí)、人員、教學(xué)、科研、過程和檔案，其類別如圖1所示。

圖1 高校知識(shí)本體類別圖

（1） 個(gè)人知識(shí)本體。個(gè)人知識(shí)本體用來描述學(xué)生和教師個(gè)人的知識(shí)。學(xué)生的個(gè)人知識(shí)包括專業(yè)知識(shí)、興趣知識(shí)、哲學(xué)知識(shí)、私密知識(shí)、社交禮儀、人際關(guān)系、學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)和自我管理知識(shí)，教師個(gè)人知識(shí)和學(xué)生個(gè)人知識(shí)的分類差不多，少了學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)知識(shí)，多了培訓(xùn)知識(shí)，專業(yè)知識(shí)包括教學(xué)、科研和競賽等知識(shí)，教學(xué)又包括課程、教學(xué)法和學(xué)科教學(xué)，學(xué)科教學(xué)主要是指心理學(xué)、教育學(xué)和各種教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。個(gè)人知識(shí)本體概念類結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2） 人員本體。人員本體主要描述高校人員的基本類別和特點(diǎn)。人員可以分為學(xué)生、教師，人員本體概念類結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 人員本體概念類結(jié)構(gòu)

（3） 教學(xué)知識(shí)本體。教學(xué)知識(shí)本體主要描述教學(xué)中涉及到的概念和特點(diǎn)，它包括教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)大綱、教學(xué)管理、教學(xué)資源、教學(xué)改革、教學(xué)評價(jià)和教學(xué)團(tuán)隊(duì)知識(shí)，教學(xué)知識(shí)本體概念結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（4） 科研知識(shí)本體?？蒲兄R(shí)本體主要描述科研所涉及的各種概念和特點(diǎn)，它包括科研項(xiàng)目、科研管理、科研團(tuán)隊(duì)、科研成果、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和科研學(xué)者，科研知識(shí)本體概念類結(jié)構(gòu)如圖5所示。

（5） 檔案本體。檔案本體描述高校中的各種檔案及其屬性，它包括黨群檔案、行政檔案、教學(xué)類檔案、各系部檔案和其他檔案，檔案本體概念類結(jié)構(gòu)見圖6。

圖4 教學(xué)知識(shí)本體概念類結(jié)構(gòu)

圖5 科研知識(shí)本體概念類結(jié)構(gòu)

圖6 檔案本體概念類結(jié)構(gòu)

（6） 過程本體。過程本體主要描述高校管理知識(shí)的各種過程，它包括教學(xué)過程、學(xué)習(xí)過程、項(xiàng)目管理過程、培訓(xùn)過程、績效管理過程、論文指導(dǎo)過程、招生就業(yè)過程和招聘過程，過程本體概念類結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.4 創(chuàng)建高校知識(shí)本體的公理

高校知識(shí)本體的公理在各種概念及其類別、概念基本聯(lián)系和特征建立之后就可以定義。除了前面介紹的一些公理外，高校知識(shí)本體的公理還包含頂層類之間和各個(gè)類的公理。

（1） 頂層類公理。例如，只要是學(xué)生（Stu）就不可能是教師（Teacher），只要是教師就不可能是學(xué)生，如下：

[Stu?Teacher=?]

（2） 各個(gè)類的公理。例如，如果一個(gè)教師t參加過一個(gè)培訓(xùn)T，而這個(gè)培訓(xùn)又用到過知識(shí)K，則該人員擁有知識(shí)K，如下：

（?T∈Train）（?K∈Knowledge）required for（K，T） ∧（?t∈Teacher）works for（t，T）?has（K，t）

3 高校知識(shí)本體實(shí)現(xiàn)

Protege4.0是基于Java的本體開發(fā)工具，具有OWL本體語言和可視化插件，本體結(jié)構(gòu)在其中以樹形的層次結(jié)構(gòu)顯示，用戶增加或編輯類、子類、屬性和實(shí)例等可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)的項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)[1]，而不需要了解具體的本體表示語言。本文構(gòu)建的高校知識(shí)本體模型見圖8。

圖7 過程本體概念類結(jié)構(gòu)

圖8 高校知識(shí)本體模型

4 本體在高校知識(shí)管理中的匹配應(yīng)用

人員知識(shí)匹配問題在高校知識(shí)管理中處處可見，例如，人員的協(xié)作、專家的查詢或是人員的調(diào)度等。高校中的知識(shí)分為顯性知識(shí)和隱性知識(shí)，明顯客觀、能夠用語言及文字來表達(dá)的知識(shí)是顯性知識(shí)，而主觀的、難以用語言及文字來表達(dá)知識(shí)是隱性知識(shí)。鑒于本體具有語義關(guān)聯(lián)性與易于推理性，為了提高知識(shí)的匹配效率，本文將本體應(yīng)用于人員管理對知識(shí)需求的匹配。

定義1：人員知識(shí)向量Ps為：Ps=（b1，b2，…，bK），其中bk是人員具有的第k項(xiàng)知識(shí)，k=1，2，…，K。

定義2：課程知識(shí)需求向量為：Pr=（h1，h2，…，hK），其中hk是人員具有的第k項(xiàng)知識(shí)，k=1，2，…，K。

各項(xiàng)知識(shí)在同一門課程的重要性不同，同樣，同一項(xiàng)知識(shí)在不同課程中的要求也不同，因此知識(shí)對課程的權(quán)重矩陣A為：

[A=a1 0 … 00 a2 … 0? ? ? ?0 0 … ak]

式中ak是第k項(xiàng)知識(shí)對課程的權(quán)重系數(shù)。

匹配度計(jì)算函數(shù)如下：

[Mc（Ps，Pr）=PsA（Pd）TPrA（Pd）T]

本文采用的匹配規(guī)則有如下兩條：

（1） 顯性知識(shí)匹配規(guī)則：如果課程某項(xiàng)知識(shí)的要求高于教師所具有的該項(xiàng)知識(shí)的等級(jí)，計(jì)算時(shí)取教師的實(shí)際知識(shí)等級(jí)，相反，則取課程所要求的值。

（2） 隱性知識(shí)推理規(guī)則：如果課程所要求的知識(shí)在教師知識(shí)本體里找不到，則查找教師的授課歷史記錄。如果教師的授課記錄里找不到該項(xiàng)知識(shí)，則該項(xiàng)知識(shí)的屬性值為無；如果有一項(xiàng)，則該項(xiàng)知識(shí)的等級(jí)是初級(jí)；如果有兩項(xiàng)及其以上，則將其設(shè)為中級(jí)。

匹配示例如下所述：假設(shè)要分配一位合適的教師給某課程，表1中顯示了該課程對教師的各項(xiàng)知識(shí)屬性及其屬性值和權(quán)重的要求。假設(shè)教師的檢索結(jié)果中存在教師Rose，其知識(shí)信息如表2所示。

表1 課程知識(shí)需求參數(shù)

本文里每個(gè)知識(shí)等級(jí)被賦予了以下分值：4是高級(jí)，3是中高級(jí)，2是中級(jí)，1是初級(jí)。

該項(xiàng)課程的知識(shí)需求向量Pr可以由此得到：

[Pr=2，1，2，2，2]

知識(shí)對課程的權(quán)重矩陣A也可以得到：

[A=2000001000002000002000002]

Rose的知識(shí)里缺少一項(xiàng)知識(shí)：項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)在權(quán)重矩陣?yán)镲@示是一項(xiàng)比較重要的知識(shí)，因此相關(guān)的知識(shí)信息將會(huì)在Rose的教學(xué)歷史記錄里進(jìn)行查找。Rose曾經(jīng)參加過北大青鳥的JSP教師培訓(xùn)課程，培訓(xùn)中曾經(jīng)做過某企業(yè)管理系統(tǒng)。應(yīng)用本體的隱性知識(shí)等級(jí)推理規(guī)則，Rose參加過北大青鳥的JSP教師培訓(xùn)課程，培訓(xùn)中曾經(jīng)做過某企業(yè)管理系統(tǒng)，做這個(gè)系統(tǒng)需要掌握項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，而且Rose是教師。由此可以得出結(jié)論：Rose有一定的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，因此根據(jù)隱性知識(shí)推理規(guī)則，其在“項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)”項(xiàng)的等級(jí)由“無”改為“初級(jí)”。

表2 Rose的知識(shí)信息

在“前驅(qū)知識(shí)2”項(xiàng)中，課程知識(shí)需求參數(shù)的知識(shí)等級(jí)低于Rose的知識(shí)等級(jí)，根據(jù)顯性知識(shí)匹配規(guī)則，“前驅(qū)知識(shí)2”項(xiàng)的等級(jí)由“中級(jí)”改為“初級(jí)”，這樣就得到了Rose的知識(shí)向量Ps為：

[Ps=2，1，2，2，2]

根據(jù)匹配度計(jì)算函數(shù)[Mc（Ps，Pr）]為： [Mc（Ps，Pr）=2933=0.879]

而沒有本體推導(dǎo)機(jī)制時(shí)，Ps′為：

[Ps′=2，2，2，2，0]

則[Mc′（Ps′，Pr）]為：

[Mc′（Ps′，Pr）=Ps′A（Pd）TPrA（Pd）T=2633=0.788]

可見，人員知識(shí)有推理時(shí)的匹配結(jié)果比沒有推理時(shí)更好，人員知識(shí)的維護(hù)與完善得到了本體推理機(jī)制的智能支持。

5 結(jié) 語

高校知識(shí)多而雜，而且多種知識(shí)混合在一起，必須要進(jìn)行管理。高校知識(shí)的管理需要用到本體，本文研究了高校知識(shí)本體的建模問題，提出高校知識(shí)本體的建模方法，并建立了高校知識(shí)的本體模型，進(jìn)一步研究了本體在高校知識(shí)管理中人員知識(shí)的應(yīng)用，提出了人員知識(shí)匹配的方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)

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[7] DING Y， FOO S. Ontology research and development， part 2： A review of ontology mapping and evolving [J]. Journal of Information Science， 2002， 28（52）： 122?134.

匹配示例如下所述：假設(shè)要分配一位合適的教師給某課程，表1中顯示了該課程對教師的各項(xiàng)知識(shí)屬性及其屬性值和權(quán)重的要求。假設(shè)教師的檢索結(jié)果中存在教師Rose，其知識(shí)信息如表2所示。

表1 課程知識(shí)需求參數(shù)

本文里每個(gè)知識(shí)等級(jí)被賦予了以下分值：4是高級(jí)，3是中高級(jí)，2是中級(jí)，1是初級(jí)。

該項(xiàng)課程的知識(shí)需求向量Pr可以由此得到：

[Pr=2，1，2，2，2]

知識(shí)對課程的權(quán)重矩陣A也可以得到：

[A=2000001000002000002000002]

Rose的知識(shí)里缺少一項(xiàng)知識(shí)：項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)在權(quán)重矩陣?yán)镲@示是一項(xiàng)比較重要的知識(shí)，因此相關(guān)的知識(shí)信息將會(huì)在Rose的教學(xué)歷史記錄里進(jìn)行查找。Rose曾經(jīng)參加過北大青鳥的JSP教師培訓(xùn)課程，培訓(xùn)中曾經(jīng)做過某企業(yè)管理系統(tǒng)。應(yīng)用本體的隱性知識(shí)等級(jí)推理規(guī)則，Rose參加過北大青鳥的JSP教師培訓(xùn)課程，培訓(xùn)中曾經(jīng)做過某企業(yè)管理系統(tǒng)，做這個(gè)系統(tǒng)需要掌握項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，而且Rose是教師。由此可以得出結(jié)論：Rose有一定的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，因此根據(jù)隱性知識(shí)推理規(guī)則，其在“項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)”項(xiàng)的等級(jí)由“無”改為“初級(jí)”。

表2 Rose的知識(shí)信息

在“前驅(qū)知識(shí)2”項(xiàng)中，課程知識(shí)需求參數(shù)的知識(shí)等級(jí)低于Rose的知識(shí)等級(jí)，根據(jù)顯性知識(shí)匹配規(guī)則，“前驅(qū)知識(shí)2”項(xiàng)的等級(jí)由“中級(jí)”改為“初級(jí)”，這樣就得到了Rose的知識(shí)向量Ps為：

[Ps=2，1，2，2，2]

根據(jù)匹配度計(jì)算函數(shù)[Mc（Ps，Pr）]為： [Mc（Ps，Pr）=2933=0.879]

而沒有本體推導(dǎo)機(jī)制時(shí)，Ps′為：

[Ps′=2，2，2，2，0]

則[Mc′（Ps′，Pr）]為：

[Mc′（Ps′，Pr）=Ps′A（Pd）TPrA（Pd）T=2633=0.788]

可見，人員知識(shí)有推理時(shí)的匹配結(jié)果比沒有推理時(shí)更好，人員知識(shí)的維護(hù)與完善得到了本體推理機(jī)制的智能支持。

5 結(jié) 語

高校知識(shí)多而雜，而且多種知識(shí)混合在一起，必須要進(jìn)行管理。高校知識(shí)的管理需要用到本體，本文研究了高校知識(shí)本體的建模問題，提出高校知識(shí)本體的建模方法，并建立了高校知識(shí)的本體模型，進(jìn)一步研究了本體在高校知識(shí)管理中人員知識(shí)的應(yīng)用，提出了人員知識(shí)匹配的方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

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匹配示例如下所述：假設(shè)要分配一位合適的教師給某課程，表1中顯示了該課程對教師的各項(xiàng)知識(shí)屬性及其屬性值和權(quán)重的要求。假設(shè)教師的檢索結(jié)果中存在教師Rose，其知識(shí)信息如表2所示。

表1 課程知識(shí)需求參數(shù)

本文里每個(gè)知識(shí)等級(jí)被賦予了以下分值：4是高級(jí)，3是中高級(jí)，2是中級(jí)，1是初級(jí)。

該項(xiàng)課程的知識(shí)需求向量Pr可以由此得到：

[Pr=2，1，2，2，2]

知識(shí)對課程的權(quán)重矩陣A也可以得到：

[A=2000001000002000002000002]

Rose的知識(shí)里缺少一項(xiàng)知識(shí)：項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)在權(quán)重矩陣?yán)镲@示是一項(xiàng)比較重要的知識(shí)，因此相關(guān)的知識(shí)信息將會(huì)在Rose的教學(xué)歷史記錄里進(jìn)行查找。Rose曾經(jīng)參加過北大青鳥的JSP教師培訓(xùn)課程，培訓(xùn)中曾經(jīng)做過某企業(yè)管理系統(tǒng)。應(yīng)用本體的隱性知識(shí)等級(jí)推理規(guī)則，Rose參加過北大青鳥的JSP教師培訓(xùn)課程，培訓(xùn)中曾經(jīng)做過某企業(yè)管理系統(tǒng)，做這個(gè)系統(tǒng)需要掌握項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，而且Rose是教師。由此可以得出結(jié)論：Rose有一定的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，因此根據(jù)隱性知識(shí)推理規(guī)則，其在“項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)”項(xiàng)的等級(jí)由“無”改為“初級(jí)”。

表2 Rose的知識(shí)信息

在“前驅(qū)知識(shí)2”項(xiàng)中，課程知識(shí)需求參數(shù)的知識(shí)等級(jí)低于Rose的知識(shí)等級(jí)，根據(jù)顯性知識(shí)匹配規(guī)則，“前驅(qū)知識(shí)2”項(xiàng)的等級(jí)由“中級(jí)”改為“初級(jí)”，這樣就得到了Rose的知識(shí)向量Ps為：

[Ps=2，1，2，2，2]

根據(jù)匹配度計(jì)算函數(shù)[Mc（Ps，Pr）]為： [Mc（Ps，Pr）=2933=0.879]

而沒有本體推導(dǎo)機(jī)制時(shí)，Ps′為：

[Ps′=2，2，2，2，0]

則[Mc′（Ps′，Pr）]為：

[Mc′（Ps′，Pr）=Ps′A（Pd）TPrA（Pd）T=2633=0.788]

可見，人員知識(shí)有推理時(shí)的匹配結(jié)果比沒有推理時(shí)更好，人員知識(shí)的維護(hù)與完善得到了本體推理機(jī)制的智能支持。

5 結(jié) 語

高校知識(shí)多而雜，而且多種知識(shí)混合在一起，必須要進(jìn)行管理。高校知識(shí)的管理需要用到本體，本文研究了高校知識(shí)本體的建模問題，提出高校知識(shí)本體的建模方法，并建立了高校知識(shí)的本體模型，進(jìn)一步研究了本體在高校知識(shí)管理中人員知識(shí)的應(yīng)用，提出了人員知識(shí)匹配的方法，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

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