空管领域本体库的构建研究与实现

杨 斯，罗喜伶

（北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191）

随着中国民航产业的不断发展，空管业务急剧增多，对空管业务的Web服务开发人员来说，Web服务数量的增加，使他们对代码的重用性和服务松耦合的要求越来越高。在创建新的服务时，能调用现有的服务进行开发，而不是将新的服务重新全部编写，更多的是对现有的服务进行组合以及创建少量的服务来满足新服务的需要。目前语义Web服务已成为空管领域未来的发展趋势，欧洲已经开始了语义空管系统的研究。作为语义Web的基础，本体是一种知识重用、知识共享和建模的重要工具，空管领域本体库对于新一代空管系统是不可或缺的。空管领域本体库是空管领域本体的集合，是空管领域知识中概念、属性、过程及相互关系的形式化描述，这种形式化描述使知识可以重用和共享，同时也有利于知识的获取，可提高获取的速度和可靠性。通过构建空管领域本体库可解决中国空管信息化系统数据共享难的问题。

1 本体

本体最初是哲学中的概念，用来表示世界的本源和存在的性质。后来被引入计算机领域，用来表达人们对领域的共同理解[1-2]。

1.1 本体的定义

目前国际上对本体还没有统一的定义，常见的几个定义是：

定义1 本体是概念化的规范说明。这一定义强调本体描述的对象概念化。规范化的意思是采用了形式化的、计算机可处理的表达形式。

定义2 本体是被共享的、概念化的、形式化的规格说明。该定义强调本体表达的是人们共同的理解。

定义3 本体是共享概念模型明确的形式化规范说明[3]。该定义包含四层含义，即：概念模型、明确、形式化和共享，其中：①概念模型：通过抽象出客观世界中一些现象的相关概念而得到的模型，它表现的含义独立于具体的环境状态；②明确：概念和概念的约束都有明确的和无歧义的定义；③形式化：本体能通过本体语言编码，是计算机可读，并可以被计算机处理；④共享：本体体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域内公认的概念集。

总体来说，本体的目标是捕获相关领域的共有知识，提供对该领域知识的共同理解。从知识共享的角度来说，本体是通用意义上的概念定义集合，是在各种知识系统间交换知识的共同语言。

1.2 本体的构建元素

空管领域本体的构建可归纳为5个基本元素[4]：

1）类或概念：指任何事务，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程等；

2）关系：在领域中概念之间的交互作用；

3）函数：一类特殊的关系，在这种关系中前n-1个元素可以唯一决定第n个元素；

4）公理：代表永真的描述；

5）实例：代表元素。

在实际中，不一定要严格按照上述五类建模元素来构造本体，可以根据特定领域的具体情况定义相应的关系，以满足特定领域的应用要求。

1.3 本体的构建方法

建设本体库是一项耗时长、代价大、精准度高、协作性强的工作。本体库的质量决定了本体能否真实表达领域中的各种概念和概念之间的关系，在参考Noy N F和Mc Guinness D L提出的方法上[5]，根据空管领域本体的实际情况，提出了本体构建的思路及流程，其步骤如下：

1）识别本体构建目的，确定空管领域本体库的结构体系；

2）确定核心概念，定义空管领域本体的类和类的继承；

3）定义空管领域本体的属性；

4）建立概念层次结构，定义空管领域本体的关系；

5）本体实例化。

在理论上设计了空管领域本体库后，借助软件对其编码及实现。空管领域本体库的构建过程不是简单的从上而下顺序推进，而是一个增量迭代的过程。在初步建立本体库后需要进行逻辑推理，进一步优化。以下将按照此流程详细说明空管领域本体库的建设过程。

2 空管领域本体库的设计

2.1 定义空管领域本体库结构

空管领域本体库中建立三个本体：地区本体、用户本体和空管业务本体。

地区本体，按照中国空管规范，区域性的描述了中国地区，是空管业务本体的描述基础；用户本体，描述了空管信息用户类型、关系、属性和权限，用户本体是空管业务本体的使用者；空管业务本体，根据空管业务单元划分，并非按照飞行周期划分，是因为某些空管服务持续存在于整个飞行生命周期中，如此可以避免概念的重复和不明确。

2.2 定义空管领域本体的类和类的继承

地区本体包括华北、西北、中南、西南、东北、华东和港澳台等7个部分。

用户本体包括空管用户、非空管用户、管理员三个部分。空管用户的二级领域有军航用户和民航用户；管理员的二级领域有系统管理员和企业管理员。

空管业务本体包括航空公司、机场和空中交通管理三个部分，作为一级领域。

航空公司的二级领域有：航空公司和航空器的运作、环境、机场和空中导航服务、货物、乘客和安全保安。

机场的二级领域有：机场规划设计和机场运作。

空中交通管理的二级领域有：空中交通管理系统的设计、空中交通管理系统的管理、空中交通管理系统的运行和空中交通管理系统的支持。

航空公司和航空器的运作的三级领域有：工程和维修、飞行操作、航空器运行、燃料、地面处理。

机场规划设计的运行的三级领域有：机场总体规划、土地利用和环境控制和飞行器参数数据库；机场运作的运行的三级领域有：机场服务、机场场地管理、机场安全和机场运行。

空中交通管理系统的管理的三级领域有：空域组织管理、通信导航监视、数据统计预测、安全管理、频谱和频率管理和航空保安；空中交通管理系统的运行的三级领域有：空中交通服务（ATS）、空中交通流量及容量管理、航线费用收取、航空情报管理和航空气象。

空管业务本体的四级领域内容繁多，此处不再赘述。

2.3 定义空管领域本体的属性

属性表现了概念的特性和特征，四级领域的类的数量繁多，大多数类都有自己的属性，不能逐个枚举，以下仅以用户本体、航空公司和飞行器的类的属性为例说明，分别如表1、表2所示，其中用户属性为共同属性，军民航用户属性是对应类的特有属性。

表1 用户本体的类的属性表Tab.1 User ontology class property table

表2 航空公司、航空器的属性表Tab.2 Airline，airplane class property table

2.4 定义空管领域本体的关系

关系是领域中概念之间的交互作用，本体库的设计不建议过多的关系，可以尽量使用属性表现关系。

空管领域本体主要有两个关系：一是用户本体使用空管业务本体；二是空管业务本体在不同地区发生，表3所示两种关系。

表3 空管领域本体的关系表Tab.3 ATM field ontology relationship table

2.5 构建空管领域本体的实例

实例是概念的具体化例子，特定领域的所有实例构成领域概念在该领域中的值域，以下仅以货物和乘客为例说明，如表4所示。

表4 货物和乘客的实例表Tab.4 Cargo and passage instance table

3 空管领域本体库的实现

3.1 空管领域本体的编辑

本体建库工具有很多，支持的本体描述语言大都不同，本课题选用 Protégé4.0[6]版本的本体编辑软件。Protégé是斯坦福大学开发的一款本体编辑软件，基于 Java语言，能在 Windows和 Linux等平台上使用。Protégé支持 OWL[7]、RDF（S）、RDF/XML等本体语言，提供对本体的读入和编辑后的输出，4.0及以上版本支持中文本体描述。Protégé支持功能上的可扩展，很多本体应用可直接在其基础上进行特定的二次开发。同时选用Graphviz2.8插件对所建本体进行图形化描述，可以实现中文本体的图形化显示。

根据第二部分所述步骤，构建了空管领域本体的理论架构，空管业务概念之间具有相互的层次关系，使用软件编辑可得如图1所示的树形结构，图1仅反映了领域本体中的前三级概念类和类之间的结构关系，由于四级类繁多，此处不在图中显示。

3.2 空管领域本体的存储及调用

本体的存储方法有三类：文本存储、管理工具存储和数据库存储。文件存储方式相对快捷，适合于小型的本体库，但需要较大内存，且不便于修改，不适合较大的本体库；管理工具存储方式，通过特殊的数据存储模型和映射机制支持本体的存储管理，其模型难以具有普遍性和一般性。空管业务类型多，数据量大，日后业务增长快，不适合上述两种方法，所以选取数据库存储方式。Protégé生成的本体文件有OWL、RDF（S）、RDF/XML等格式，其中OWL格式和关系型数据库之间存在明显的对应关系，便于数据库的建立和管理。图2是一段地区本体库以OWL-S语言描述并存储的形式。

4 结语

目前在理论及表示层面上对空管领域本体库的框架进行研究，空管领域本体库在新一代空管系统中具体应用还有待进一步研究。本体库的构建需要综合行业的大量知识和业务，需要不断的改进和优化，由于目前开发平台与知识的限制，没有对本体检索、推理进行研究，对这些方面不断的、深入的研究，才能真正实现空管领域本体库在基于语义的空管信息化系统中的应用。

图2 空管领域本体库以OWL-S格式存储Fig.2 ATM field ontology library in OWL-S format

[1]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.

[2]陈 刚，陆汝钤，金 芝.基于领域知识重用的虚拟领域本体构造[J].软件学报，2003，14（3）：350-355.

[3]STUDER，BENJAMIN V R，FENSEL D.Knowledge engineering:Principles and Methods[M].Data and Knowledge Engineering．[s.1.]：[s.n.]，1998:161-197.

[4]GRUBER T R.Towards principles for the design of ontologies used for knowledge sharing[J].International Journal of Human and Computer Studies，1995（43）：907-928.

[5]NOY N F，MC GUINNESS D L．Ontology Development:A Guide to Increasing Your First Ontology[R].USA:Stanford University，2001.

[6]Protégé[EB/OL].[2012-05-04].http://protege.stanford.edu/.

[7]MARTIN D，BURSTEIN M，HOBBS J，et al.W3C Member Submission OWL-S:Semantic Markup f or Web Services[EB/OL].[2012-05-04].http://www.w3.org/Submission/OWLS/，2004-11.