基于本体的大豆信息服务系统构建与实现

苏显新 许文娟 赵洪亮

摘要：在农业本体理论的基础上构建了大豆信息服务系统，探讨了设计核心思想和实现思路等。通过利用本体的特性实现大豆知识内容的精确存储，同时通过本体工具的推理功能来提高大豆本体的构建效率和准确性，从而可以实现系统数据库的专业知识内容存储，进而实现信息服务系统的应用。最终一个好的领域本体库可以为领域内的人工智能实现打下基础。

关键词：大豆；农业本体；信息服务；人工智能

中图分类号：ＴＰ３１１．５２；Ｓ５６５．１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）15－3336-04

Ｏｎｔｏｌｏｇｙ－Bａｓｅｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ aｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ oｆ Ｓｏｙｂｅａｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ

ＳＵ Ｘｉａｎ－ｘｉｎ，ＸＵ Ｗｅｎ－ｊｕａｎ，ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇ－ｌｉａｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｇｒｏｎｏｍｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１６１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｓｏｙｂｅａｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｉｄｅａｓ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｄｅａｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｏｙｂｅａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｔｏｒａｇｅ， ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｔｏｏｌｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｏｙｂｅａｎ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎs ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ， ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄａｔａｂａｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｆｉｎａｌｌｙ ａ ｇｏｏｄ ｄｏｍａｉｎ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ｌｉｂｒａｒｙ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｏｙｂｅａｎ； ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｏｎｔｏｌｏｇｙ； ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ； ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ

农业本体论可以描述农业领域内相关知识结构，从而为农业知识表达做好铺垫。农业本体也是农业领域内知识的概念、属性、过程和它们之间相互关系形式化、具体化的描述。这种描述可成信息系统中可移植、可重用、可共享的组件或数据代码， 让硬件能够理解，并可以通过本体关系进行推理，为用户及上端软件系统使用提供了统一的术语及概念，使知识准确性提高，有利于获取、提高获取速度并增加知识可靠性［１］。

针对我国大豆产业现在所面临的诸如外国粮商控制、转基因大豆侵害、集约性、农民分辨知识能力差等问题，构建一个能提供准确信息获取、专业知识问答等功能的信息系统，从而推动我国大豆产业发展。

１大豆信息服务系统的理论基础

构建大豆信息服务系统需要以下三大领域知识作为基础：本体论相关知识和本体构建方法；农业信息理论、农业推广理论、大豆专业知识；数据库知识、开发工具的使用。

本体理论的应用主要以农业本体理论为支持，通过对大豆知识的细化然后得出大豆相关本体及层次分类，利用本体开发工具进行构建［２］。如ｐｒｏｔéｇé２０００。在设计和构建本体的同时要熟悉大量的大豆相关知识，了解该作物的习性、分类、生理特点、病理、种植分布等。并且还要结合农业推广等相关理论争取既能进行细化的本体构造，同时也能在服务系统进行大豆知识普及和推广。图１为基于本体的大豆信息服务系统构建思路。

２大豆信息服务系统的本体构建

２．１本体概念

经过了这么多年的发展，我国的学者根据对本体概念的理解，将本体的定义归纳为６点［３］。①本体是对某领域的概念化的描述；②一个本体的声明转换到另一个声明可能会不可逆；③概念是现实对象在某些或某属性空间上的投影；④任何本体不可能包含对象全部属性，只会限制到所研究的领域范围内；⑤投影的规则可能非常复杂，会涉及多次投影和其他转换；⑥对同一领域的概念化有某些共同点，但是概念化可能会有差异存在。

２．２大豆本体的构建方法

大豆信息系统主要围绕大豆信息进行相关的信息服务，关于大豆本体的构建方法可以遵循以下思想。

１）确定领域本体及其构建范围和目标。首先确定将要构建的大豆领域相关本体，构建本体的目标是通过本体精准定位及描述领域本体内的概念及知识信息，同时可以通过语义推理对大豆相关信息进行处理。如信息增殖、合理化分类。最主要的问题是通过本体可以准确分辨领域内的信息内容，避免模糊不清的关键字影响查询结果，或者对于查询结果人们抱有不确定性从而影响学习和使用领域知识［４］。

２）建立及确定领域内的核心及基本本体。根据国际通用构建方法应该建立及确定领域内的核心本体和基本本体及领域本体内的相关术语。并且这些本体主要描述该领域内的继承关系，以便于后期推理。

３）根据大豆本体设置概念结构。关于概念结构的设置有三种常用方法：自顶向下、自底向上、双向法。在这里用自顶向下方法设计大豆概念结构。图２结果表明，大豆本体中关于大豆概念之间的关系可以构成语义网络图Ｇ（Ｖ，Ｅ）。类似计算机科学中数据结构对数据的表示，Ｖ表示大豆本体中概念的节点，Ｅ表示大豆本体概念语义关系有向边集合。可以简单理解为指向其根节点的子节点，有向边的根问子节点的父节点，它们之间要有继承关系［５］。

４）制定本体间的属性。属性是用来描述各个本体间的结构关系。

５）将概念结构存入数据库。可以根据语义网络或层次的概念结构包括其推理结果存入系统前台开发支持的数据库。例如Ｐｒｏｔéｇé ３．４．２支持ｍｙｓｑｌ数据库，而大多数系统开发平台都支持ｍｙｓｑｌ数据库，有利于系统的开发。

２．３大豆本体创建举例

大豆是一种豆科植物，它的种子含有丰富的蛋白质和脂肪。我国的大豆种类可以分为北方春大豆、黄淮流域夏大豆、长江流域夏大豆等。在遵循大豆本体设计原则的基础上，使用Ｐｒｏｔéｇé ３．４．２工具对大豆本体的创建举例示范。

１）根据大豆知识结构构建树状结构图及建立类的层次结构，对于不同子类添加限定条件。其中对于明确性的不同类事物，类与类之间互相具有排他性（明确不是相同种类），例如动物－植物、大豆－玉米、气体－液体。

２）建立领域内各种属性，属性可以描述领域内各概念节点的关系结构，知识内容的性质及特征，某些属性具有继承性，某些属性具有本质性（事物而区别于其他事物的属性）。例如，已知领域内的某一类是另一类的子类或包含于另一类则创建一个“部分属性（ｉｓ＿ｐａｒｔ＿ｏｆ）”定义父类和子类的包含和继承关系。图３设置了ｉｓ＿ｐａｒｔ＿ｏｆ属性，由此可知北方春大豆是大豆的一部分。

３）通过推理机推理本体关系。这里是信息系统应用的核心部分之一，通过系统前台用户输入的信息内容往往需要通过推理机进行推理，然后再经过系统后台将处理结果存入数据库。例如，对于一个未知本体ｕｎｋｎｏｗｎ开始仅知晓其为植物的一种，根据其本体属性特征（如产地、形态、产量等）通过Ｒａｃｅｒ推理机进行推理（图４），结果推断出它是属于北方春大豆的一种。从图５中可以发现未知本体的父类发生了改变。

４）通过Ｐｒｏｔéｇé ３．４．２工具可以对大豆本体进行完善性编辑，并将编辑好的本体存入数据库当中。

３大豆信息服务系统功能实现

３．１基于本体的新闻系统

基于平台新闻系统的后台管理可以根据本体知识划分出的关键词对新闻内容进行分类，方便农民、学者、专家等使用群体阅读［６］。同时，专家及编辑可以根据本体分类编辑和录入新闻。相对于其他新闻系统基于本体的新闻系统的特殊功能是可以准确对新闻进行分类提高新闻编辑人员工作的准确性，也提高了新闻阅读者的针对性［７］。同时，基于本体的网络信息采集也过滤了大量无关信息。

３．２基于本体的搜索引擎

基于本体的检索及相关搜索引擎是国际本体研究的热点，基于语义网络的语义分类使得查询结果最优化，查询得到的结果更为准确。根据用户输入在本体库通过推理来进行检索而不是单纯根据字符匹配来进行检索［８］，提高了检索准确性避免了大量不相关搜索结果干扰使用者。

３．３基于本体的在线问答

与普通在线问答系统不同的是，基于本体的在线问答系统更多专注于领域知识，对于提问者问题的主语、谓词、关键词进行分析，提示使用者询问知识内容，列出相关知识名词供使用者参考（图６）。

４小结

如今网络已经渗透到社会的各个环节，在丰富的农业信息面前，对于相对略低素质人群的农民们无法准确获取他们需要的信息，有时会被繁乱的信息所误导，甚至在信息的获取上存在障碍。同时，各种传播媒体也出现了信息过载的情况。本体对于信息的处理可以精准有效地定位知识内容再加以计算机系统程序的辅佐可以实现巨大的功能，拥有无限的潜力。强大的计算机程序可以简化各种操作步骤，又可以使知识内容的显示直接并且丰富［９］，本体作为内核则保证了知识表现的准确性。这两者的结合可以帮助农民们克服原有的困难，真正有效地帮助农民解决问题，服务于农民。

参考文献：

［１］ 钱平，郑业鲁．农业本体论研究与应用［Ｍ］．北京：中国农业科学技术出版社，２００６．

［２］ 常春．联合国粮食与农业组织ＡＯＳ项目［Ｊ］．农业图书情报学刊，２００３，１５（２）：１４－１５，２４．

［３］ 贺纯佩，李思经．农业叙词表在中国的发展和农业本体论展望［Ｊ］．农业图书情报学刊，２００３，１５（４）：１６－１９．

［４］ 冯兰萍． 本体在智能信息检索系统中的应用研究［Ｄ］． 南京：河海大学，２００５．

［５］ 冯志勇，李文杰，李晓红．本体论工程及其应用［Ｍ］． 北京：清华大学出版社，２００７．

［６］ 蔡月茹，柳西玲．Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅ基础教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５.

［７］ 万捷，藤至阳．本体论在基于内容信息检索中的应用［Ｊ］．计算机工程，２００３，２９（４）：１２２－１２３，１５２．

［８］ ＡＬＭＰＡＮＩＤＩＳ Ｇ，ＫＯＴＲＯＰＯＵＬＯＳ Ｃ， ＰＩＴＡＳ Ｉ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｅｘｔ ａｎｄ ｉｎｋ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｆｏｃｕｓｅｄ ｃｒａｗｌｉｎｇ－Ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｅａｒｃｈ ｅｎｇｉｎｅｓ［Ｊ］． Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００７，３２（６）：８８６－９０８．

［９］ 阎楚良．农业机械数字化设计新技术［Ｍ］．北京：中国农业科学技术出版社，２００３．