基于OWL的本體建模與推理研究

徐享忠， 楊建東， 湯再江

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院裝備指揮與管理系, 北京 100072； 2. 中國衛(wèi)星海上測控部, 江蘇 江陰 214431)

本體(ontology)源于哲學(xué)問題，用來表示世界本源的存在，后來被引入計算機(jī)領(lǐng)域，表達(dá)人們對領(lǐng)域知識的共同理解。目前，獲得學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可的本體的定義是：“出于共享的目的，對領(lǐng)域術(shù)語的語義做出的明確的、規(guī)范的概念化表示”[1]。本體已在人工智能、知識工程和圖書情報等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，本體也在軍事領(lǐng)域的語義互操作[2]和仿真想定[3]等方面得到應(yīng)用。

本體可以使領(lǐng)域?qū)I(yè)術(shù)語所包含的信息資源的語義“顯性”化，而不是隱式地嵌入式地包含在語法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，從而有助于改善信息系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，并促進(jìn)信息的智能處理。若應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，則有助于計算機(jī)生成兵力理解語義。

1 本體建模的一般原則

本體作為知識共享、語義互操作和系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)，必須經(jīng)過精心的設(shè)計。實際上，本體構(gòu)建是一個費時費力的過程，因此建立本體模型需要遵循一定的原則。其中，較有影響的是GRUBER[4]在1994年提出的構(gòu)建本體模型的5條原則。

1)清晰性(clarity)：構(gòu)建領(lǐng)域本體之前，應(yīng)該采用客觀、明確的自然語言定義相關(guān)概念，以完整、清晰地表達(dá)其含義。

2)一致性(coherence)：語義推理的結(jié)論與術(shù)語本身的含義具有一致性。

3)最大單調(diào)可擴(kuò)展性(maximum monotonicity extendibility)：向本體中添加通用或?qū)Ｓ酶拍钚g(shù)語時，不需要修改本體已有的內(nèi)容。

4)編碼偏好程度最小(minimal encoding bias)：概念描述不應(yīng)依賴某種特殊符號層的表示方法。

5)本體約定最小(minimal ontological commitment)：本體約定只要能夠滿足特定的知識共享需求即可。

2 基于OWL的本體建模與推理

2.1 Web本體語言(OWL)

本體描述語言是用于構(gòu)建本體的形式化語言，都應(yīng)該提供本體建模原語，充當(dāng)本體從自然語言的表示格式轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可識別的邏輯表示格式的工具，可為本體在系統(tǒng)之間的導(dǎo)入與導(dǎo)出提供標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)讀格式，有助于實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互操作。

為進(jìn)行語義描述，W3C(World Wide Web Consortium)結(jié)合RDF(Resource Description Framework)/RDFS(RDF Schema)、DAML(DARPA Agent Markup Language)+OIL(Ontology Interchange Language)、KIF(Knowledge Interchange Format)等本體描述語言的優(yōu)勢，于2004年發(fā)布了Web本體語言(Ontology Web Language，OWL)[5]。OWL的語義以描述邏輯為基礎(chǔ)，本體組織方式受到框架的影響，以RDF/XML為語法。依據(jù)語義表達(dá)與推理能力的不同，OWL涵蓋3種子語言，能力由弱到強(qiáng)分別為OWL Lite、OWL DL和OWL Full。

2012年，W3C又提出了OWL2[6]，以改進(jìn)OWL的語法增強(qiáng)語義表達(dá)能力。OWL2也定義了3種不同的配置語言，由簡單到復(fù)雜分別為OWL2 EL、OWL2 QL和OWL2 RL。雖然OWL2在類、屬性、個體及數(shù)據(jù)值的基礎(chǔ)上添加了一些新的功能，增強(qiáng)了對屬性表達(dá)、數(shù)據(jù)類型擴(kuò)展以及注釋的支持，但基于OWL2的本體實際應(yīng)用與語義網(wǎng)構(gòu)想還有相當(dāng)大的差距[7]。

2.2 本體建模方法

領(lǐng)域本體的直接建模方法主要包括九步法、七步法、骨架法和MCSC2O(Methodology for Constructing a Simple Command and Control Ontology)法、骨架法、九步法。這些方法的優(yōu)、缺點如表 1所示。

表1 本體模型構(gòu)建方法比較

2.3 語義推理

能夠進(jìn)行自動語義推理是基于OWL的本體模型的重要優(yōu)勢。本體的語義推理可分為基于概念的推理和基于個體的推理2大類，以提高本體模型的質(zhì)量，并保證運行過程中交互數(shù)據(jù)的正確性，分別對應(yīng)TBox和ABox，其中：TBox上的推理主要是檢測概念的可滿足性和包容性；ABox上的推理主要是實例檢查和檢索?；贠WL的本體的語義推理具備以下特點：1)以描述邏輯為語義基礎(chǔ)，因而只能進(jìn)行單調(diào)推理；2)遵從開放世界假設(shè)(Open World Assumption，OWA)；3)不遵從唯一命名假設(shè)(Unique Name Assumption，UNA)。

國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了多種本體推理系統(tǒng)，如HermiT、Racer、Pellet、FaCT++等，它們都可以在一定程度上支持本體的語義推理。

3 基于OWL的坦克排隊形本體構(gòu)建

本文基于OWL，采用改進(jìn)的“七步法”，通過斯坦福大學(xué)最新發(fā)布的本體建模工具——Protégé Desktop 5.0[8]，建立了坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型。

3.1 采用的本體建模方法與工具

“七步法”由斯坦福大學(xué)提出，主要面向領(lǐng)域本體建模，其詳細(xì)闡述了本體建模的有關(guān)方法和技術(shù)，并考慮了軟件的復(fù)用性，不過沒有涉及評價和優(yōu)化步驟。

為此，本文根據(jù)軍事領(lǐng)域的需求，運用DL query(描述邏輯查詢語言)加強(qiáng)對所建立領(lǐng)域本體模型的一致性評價及優(yōu)化，對“七步法”進(jìn)行改進(jìn)。具體來說，采用2級有效性驗證方法：利用在本體模型基礎(chǔ)上生成的XML Schema，對XML交互數(shù)據(jù)進(jìn)行一般有效性驗證，保證交互數(shù)據(jù)在文檔結(jié)構(gòu)、元素類型和元素屬性類型等方面的正確性；同時，利用本體的邏輯推理機(jī)制對領(lǐng)域本體實例進(jìn)行概念沖突檢測、知識冗余檢測和實例一致性驗證等有效性驗證。

Protégé是一個圖形交互式本體設(shè)計和基于知識的開發(fā)環(huán)境，是語義網(wǎng)中本體模型的核心開發(fā)工具。提供的本體模型編輯器包括Protégé-Frames和Protégé-OWL，通過slot widgets類和tab等后端插件支持不同格式的本體，用戶不需要掌握復(fù)雜的本體描述語言，只需要在概念層次上構(gòu)建領(lǐng)域本體模型。其主要特點為：強(qiáng)大的本體存儲功能；可提供豐富的知識模型框架；易擴(kuò)展；graphviz插件可交互式地生成OWLViz類的直觀可視化關(guān)系結(jié)構(gòu)圖；豐富的導(dǎo)入及導(dǎo)出文件格式；可檢索和瀏覽本體；支持多個推理引擎。

3.2 想定背景

本文以仿真試驗系統(tǒng)中坦克排計算機(jī)生成兵力(Computer Generated Forces,CGF)對戰(zhàn)斗隊形相關(guān)語義的理解為簡要想定背景，來闡述本體構(gòu)建與推理過程。

戰(zhàn)斗隊形，指戰(zhàn)斗時兵力兵器展開所形成的隊形，分為陸上戰(zhàn)斗隊形、海上戰(zhàn)斗隊形和空中戰(zhàn)斗隊形。坦克排常見的戰(zhàn)斗隊形包括一字隊形、一路隊形、人字隊形、前三角隊形、后三角隊形、左梯次隊形、右梯次隊形。

坦克排執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)時，時常伴隨著戰(zhàn)斗隊形的變換。例如考慮如下典型場景：紅方坦克一排(計算機(jī)生成兵力)可能接到上級(連長席位)下發(fā)的機(jī)動作戰(zhàn)命令：“T時由出發(fā)陣地以行軍隊形機(jī)動到W位置，展開為前三角戰(zhàn)斗隊形，而后向位于W位置前方2 km的藍(lán)方步兵支撐點進(jìn)行突擊，以支援自己的右翼——步兵一排(計算機(jī)生成兵力)?！币虼?，為正確執(zhí)行上述機(jī)動作戰(zhàn)命令，坦克排計算機(jī)生成兵力、指揮控制系統(tǒng)都需要理解戰(zhàn)斗任務(wù)之間的先后次序以及戰(zhàn)斗隊形的語義。

為了使戰(zhàn)斗隊形等作戰(zhàn)術(shù)語所包含的信息資源的語義“顯性”化，而不是隱式地嵌入式地包含在語法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，可以建立坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型。

3.3 坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型

3.3.1 類層次結(jié)構(gòu)

筆者梳理了坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型涉及的基本概念，建立了這些概念之間的層次結(jié)構(gòu)。所建立的坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型包括作戰(zhàn)任務(wù)、參戰(zhàn)單位、戰(zhàn)斗隊形、編配裝備等基本概念以及這些概念的子概念。該本體的類層次結(jié)構(gòu)及可視化效果如圖1所示。

圖1 坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型

3.3.2 顯式語義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型的類、實例以及相互之間的聯(lián)系，構(gòu)成了一個復(fù)雜的網(wǎng)狀概念結(jié)構(gòu)，在OntoGraf中的可視化效果如圖2所示(節(jié)點左上角的“+”表示該節(jié)點尚可以展開)。

圖2 坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

由圖2可見：

1)“排”分為“坦克排”與“步兵排”2種類型，各有1個實例“坦克一排”與“步兵一排”；

2)“坦克一排”編配了3輛坦克及1輛步戰(zhàn)車，要執(zhí)行“開進(jìn)”“展開為前三角隊形”“突擊藍(lán)方步兵支撐點”3個作戰(zhàn)任務(wù)(作戰(zhàn)任務(wù)之間先后次序的這種語義可被顯式表達(dá)，并將在第4節(jié)通過模型驗證進(jìn)行語義推理)；

3)戰(zhàn)斗隊形考慮了2個子類“前三角戰(zhàn)斗隊形”和“后三角戰(zhàn)斗隊形”，并定義了戰(zhàn)斗隊形的2個實例“戰(zhàn)斗隊形1”和“戰(zhàn)斗隊形2”。

3.3.3 坦克排戰(zhàn)斗隊形的量化

假設(shè)坦克排往北開進(jìn)，建立如下坐標(biāo)系：以1號車(頭車)為原點，1號車運動方向為Y軸正方向(正北)，X軸正方向指向正東；1號車左翼為2號車，1號車右翼為3號車。若考慮容許的偏差，則坦克排的常見戰(zhàn)斗隊形相互距離及方位可用表2來描述。

表2 坦克排戰(zhàn)斗隊形定量描述

OWL提供了對象屬性及數(shù)據(jù)屬性來描述這些定量關(guān)系。

3.3.4 坦克排戰(zhàn)斗隊形的定義

以坦克排前三角戰(zhàn)斗隊形和后三角戰(zhàn)斗隊形為例，采用OWL提供的建模手段，對這2種典型的隊形進(jìn)行了定義，如圖3所示。

圖3 坦克排戰(zhàn)斗隊形的定義

4 坦克排戰(zhàn)斗隊形本體的語義推理

為驗證所建立坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型的有效性，可以進(jìn)行語義推理，包括作戰(zhàn)任務(wù)次序的推理、戰(zhàn)斗隊形的推理、執(zhí)行單位的推理、裝備編配關(guān)系的推理和友鄰關(guān)系的推理等，語義推理的結(jié)果均與軍事專家的預(yù)期相符。下面簡要介紹前3項推理的過程及結(jié)果。

4.1 任務(wù)次序的推理

任務(wù)次序主要推理步驟如下：1)定義對象屬性“執(zhí)行單位”，以描述某個作戰(zhàn)任務(wù)的執(zhí)行單位；2)通過添加該對象屬性的斷言，以描述“坦克一排”所擔(dān)任的作戰(zhàn)任務(wù)；3)定義對象屬性“前置任務(wù)”(該對象屬性具備傳遞關(guān)系)，以描述“坦克一排”所擔(dān)任的某個作戰(zhàn)任務(wù)的前置任務(wù)；4)描述作戰(zhàn)任務(wù)之間的先后次序，即先開進(jìn)到W位置，后展開為前三角隊形，而后向藍(lán)方步兵支撐點發(fā)起突擊；5)運行TBox推理，得出“開進(jìn)到W位置也是向藍(lán)方步兵支撐點發(fā)起突擊的前置任務(wù)”,如圖4所示。

圖4 任務(wù)次序的推理結(jié)果

4.2 戰(zhàn)斗隊形的推理

1)定義戰(zhàn)斗隊形的2個實例“戰(zhàn)斗隊形1”和“戰(zhàn)斗隊形2”，如圖5所示。

2)運行ABox推理，得出實例“戰(zhàn)斗隊形1”、實例“戰(zhàn)斗隊形2”分別屬于前三角隊形和后三角隊形，如圖6所示。

3)通過運行DL query，同樣可以得出實例“戰(zhàn)斗隊形1”、實例“戰(zhàn)斗隊形2”分別屬于前三角隊形和后三角隊形的結(jié)果，如圖7所示，可見推理結(jié)果一致。

圖5 “戰(zhàn)斗隊形”實例的定義

圖6 “戰(zhàn)斗隊形”實例的推理結(jié)果

圖7 在DL query中查詢戰(zhàn)斗隊形的推理結(jié)果

4.3 執(zhí)行單位的推理

1)假設(shè)突擊任務(wù)只能由“坦克一排”來執(zhí)行，而不能由其他單位來完成。這種制約關(guān)系的定義如圖8所示。

圖8 突擊任務(wù)只能由“坦克一排”而非其他單位來執(zhí)行的定義

2)要是定義“突擊藍(lán)方步兵支撐點”任務(wù)由“步兵一排”來執(zhí)行(圖9)，就會引發(fā)不一致情形。而這種不一致也可通過語義推理被檢測出(這可被用于檢測想定當(dāng)中某單位是否被不合適地賦予了作戰(zhàn)任務(wù))。

圖9 分配“步兵一排”來執(zhí)行突擊任務(wù)(陳述的事實)

本體模型出現(xiàn)執(zhí)行單位不一致情形的解釋如圖10所示。

圖10 本體模型出現(xiàn)執(zhí)行單位不一致情形的解釋

5 結(jié)論

本文建立了坦克排戰(zhàn)斗隊形本體模型，并進(jìn)行了作戰(zhàn)任務(wù)次序和戰(zhàn)斗隊形的推理。實際上，還可以針對該模型進(jìn)行其他語義推理，如裝備編配關(guān)系的推理(裝備編配是否符合要求)、友鄰關(guān)系的推理(“步兵一排”是“坦克一排”的右翼，“坦克一排”則是“步兵一排”的左翼)、執(zhí)行單位的推理(裝備編配是否適合所擔(dān)負(fù)的作戰(zhàn)任務(wù))等。下一步，擬研究如何將OWL與語義網(wǎng)規(guī)則語言(Semantic Web Rule Language,SWRL)相結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)語義表達(dá)與推理能力，如戰(zhàn)斗隊形變換等動態(tài)過程語義的表達(dá)，并研究在構(gòu)建更高層次的本體模型時如何加強(qiáng)復(fù)用，使計算機(jī)生成兵力具備更強(qiáng)的語義理解能力。

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