基于本体的海军军械保障知识库构建研究

彭 菲， 糜玉林， 唐金国

（1.海军航空工程学院 研究生管理大队，山东 烟台264001； 2.海军航空工程学院 训练部，山东 烟台264001；3.海军航空工程学院 科研部，山东 烟台264001）

当今世界，知识已成为竞争力与价值的核心。联合国经济与发展组织（Organisation for Economic Co－Operation and Development，OECD）在题为《以知识为基础的经济》的报告中提出：知识是经济发展的核心［1］。军械保障能力是军队体系作战能力的重要组成部分，要提高体系作战要求下的军械保障能力，实现“综合、机动、快速、精确、高效”的军械保障目标，就必须对海军军械保障系统实施知识管理。知识库是实施知识管理的基础，构建一个集成、统一、规范化的知识库才能实现优化高效的知识管理。目前，海军军械保障系统各类基础数据还没有建立起集中统一的基础数据库平台，存在数据格式不统一、获取渠道不唯一等问题，导致基础数据可信度低，无法共享，集成难度大，形成了大量“信息孤岛”现象，降低了信息化建设对海军军械保障的促进作用。因此，目前急需将这些分散的、异构的数据信息集成整合，使用一种有效的知识表示方法来构建一个统一的海军军械保障知识库。

1 基于本体的知识表示

本体方法是解决分布、异构信息共享问题的重要手段。在人工智能领域，最早给出本体定义的是Neches等人［2］，他们将本体定义为“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的、规定这些词汇外延的规则的定义”。目前关于本体的定义，最具代表性的是斯坦福大学知识系统实验室Gruber教授提出的：“本体是概念化的明确的规范说明”［3］。他认为：概念化是从特定目的出发对所表达的世界所进行的一种抽象的、简化的视图。Fensel［4］对这个定义进行分析后认为本体的概念包括4个主要方面：①概念化（conceptualization），客观世界的现象的抽象模型；②明确（explicit），概念及它们之间联系都被精确定义；③形式化（formal），精确的数学描述；④共享（share），本体中反映的知识是其使用者共同认可的。

从本体构成的角度，本体的形式化定义［5］为：

本体是一类复杂的符号系统

式中：L为本体使用的符号集合，L：＝Lc∪Lp，Lc表示描述概念的符号集合，Lp表示描述概念间关系的符号集合。

M为符号与概念及其相互关系的映射函数，M：＝Mf∪Mg，Mf表示符号与概念的映射函数，即2Lc→2C，Mg表示符号与概念间关系的映射函数，即2Lp→2P；由语言学知识可知，由于一词多义、同义词等情况存在，因此符号与上述二者之间的映射是多对多关系，同时，M－1f、M－1g也成立。

C为概念集合，概念通过逻辑语言对它自身需满足的约束进行描述。

P为概念间关系集合，P：＝Ph∪Pb，Ph表示概念间的层次关系，层次关系是一种偏序关系，Pb表示概念间的二元关系。

A为公理集合，它是一组施加于概念和概念间关系集合上的永真命题，主要用于推理和有效性检测。

2 海军军械保障领域本体构建方法

目前，本体的构建模式可以归结为2种：一是利用现有的文献和领域专家运用手工方式创建概念关联；二是将已有的叙词表改造成本体，或采用学习机制进行自动或半自动化的本体构建。由于目前海军军械保障领域知识没有现成的叙词表，无法进行自动或半自动化的本体构建，只能采取手工方式创建海军军械保障概念关联。目前相对成熟的本体构建方法是斯坦福大学医学院开发的本体构建七步法（seven－step method），七步法包含了领域分析、本体的合并与概念添加等多个方面。七步法的本体构建步骤为［6］：①确定本体的专业领域与范畴；②考查复用现有本体的可能性；③列出本体中的重要术语；④定义类和类的等级关系；⑤定义类的属性；⑥定义属性的分面；⑦创建实例。

构建海军军械保障领域本体需要海军军械保障领域专家的参与，由领域专家确定海军军械保障领域知识的概念及其关联，并组建海军军械保障领域本体开发团队，通过本体建模工具构建海军军械保障领域本体。当前，本体手工建模主要采用国外开发的本体建模工具，包括Protégé、WebOnto、OilEd、ODE、OntoEdit等。

本文选择目前应用较为广泛的Protégé本体开发工具来进行海军军械保障领域本体的开发研究，斯坦福大学开发的Protégé［7］本体开发工具，由用户输入结构化或半结构化的实体概念和属性信息然后输出本体化、语义化的知识模型并基于知识模型进行语义推理。本文将通过制作一个局部的维修保障本体来描述使用Protégé构建海军军械保障领域本体的方法。首先，假定领域专家对于维修保障的相关概念及关联规定如图1所示。

图1 维修保障相关概念关联图

2.1 建立owl类

打开Protégé，创建一个新的本体项目，选择owl Classes来编辑。在Asserted Hierarchy（用户定义类结构）中，会有所有类的超类owl：Thing，点击Asserted Hierarchy旁边的Create subclass或者在owl：Thing点击右键选择Create subclass，会出现自动定义名为Class＿1的类，可以将该类名修改为“维修保障”。

2.2 建立owl属性

新建一个ObjectProperty（对象属性），将属性名称改为“包括”，在其Domain（定义域）中定义该属性的主体的类为“预防性维修”，在其Range（值域）中定义该属性的客体的类为“定期检查”。同样可以建立一个对象属性“属于”，在其Domain（定义域）中定义该属性的主体的类是“定期检查”，在其Range（值域）中定义该属性的客体的类是“预防性维修”，它是属性“包括”的逆关系（owl：inverseOf），故此在右下角Inverse框中选择“包括”属性。重复上述步骤我们可以建立图1中维修保障相关的其他owl属性。

2.3 owl属性约束

对owl属性可以进行约束定义，即对属于某一类的个体进行条件限制。owl属性约束主要包括：Quantifier Restrictions（量词限制）、Cardinality Restrictions（基数限制）以及hasValue Restrictions（值限制）。由于本实例的概念间关联较简单，在此不需要对图中属性进行约束定义。

2.4 owl关系图

在设定好维修保障各概念间关联之后，可以使用owlViz查看能表达类之间关系的owl关系图。选择Project→Configure在出现的对话框中，在owlVizTab前打上对号，就会出新owlViz编辑器。单击owlViz编辑器，选择Show all classes，就可以看到owl关系图。维修保障owl关系图如图2所示。

图2 维修保障本体owl关系图

这样，局部的海军军械保障领域维修保障本体就初步建立了。在建立了初步的概念和关联之后，可使用推理机等工具对本体间关联进行推理，推导出更多的本体概念及关联，最终形成较完善的海军军械保障本体库。

3 海军军械保障知识库构建研究

在建立了海军军械保障本体库之后，便可进行海军军械保障知识库的构建，包括构建海军军械保障知识模型和海军军械保障知识库的各层次的建设。

3.1 基于本体的海军军械保障知识模型构建

海军军械保障知识模型需要基于海军军械保障知识本体加以构建，即满足前面知识本体的定义模式。本文研究的海军军械保障知识库系统采用“事实－概念－规则”所表示的三级知识体系［8］。

1）事实处于最底层，它是对象、事件和符号之间各种关系的集合。事实可用语句、二维表、链表、框图、树图和文本等数据结构表示。

2）概念处于第2层，它是关于具有相同属性的一组对象、事件或符号的知识，其中包括模型、例子集合和复杂的元素，可具体或抽象地定义、刻画某一对象类的一般特征，也可以高层或低层表示具有层次结构的一组概念的集合。

3）规则处于第3层，它是一组操作和步骤，用于达成某一目标，解决某个问题或产生某种结果。规则被定义为类似E…：－nei语句的条件表达式，被用于推理和问题的求解，是一种形式化的知识表示方法。

同时，结合具体应用需求，海军军械保障知识库中还应存储相应的任务信息，即使用事实、概念及规则要解决的任务描述。因此，海军军械保障知识模型应包括3部分，每一部分包含一组相关的知识结构，即知识范畴：

1）海军军械保障领域知识——详细描述海军军械保障领域知识和在一个应用中所讨论的信息类型。例如，一个涉及装备故障诊断应用的领域知识将包含相关故障信息、故障表现和不同故障之间的关系等信息。领域知识在某种程度上相当于软件工程中的“对象模型”或“数据模型”。

2）推理／方法知识——描述使用海军军械保障领域知识的基本推理步骤，可以将这些推理步骤看作是推理机或推理引擎的基本构件。推理知识定义了这些基本构件的模型。

3）任务知识——描述一个应用所要达到的目标，以及如何通过将任务分解成子任务和推理来实现这个目标。

基于以上对海军军械保障知识范畴的分类，海军军械保障知识模型将由3部分组成：海军军械保障领域知识模型、推理／方法知识模型和任务知识模型。海军军械保障知识模型的结构如图3所示。

图3 海军军械保障知识模型结构图

对应于知识表示体系，海军军械保障领域知识模型属于“事实／概念”层次，推理／方法知识模型属于“规则”层次，任务知识模型对相应的应用任务进行描述。

3.2 基于本体的海军军械保障知识库架构设计

本文所设计的海军军械保障知识库储存海军军械保障领域知识，为系统用户提供知识查询、调用等服务。本文将基于本体的海军军械保障知识库构建分为3个层次：表示层、业务逻辑层和数据层，如图4所示。

图4 海军军械保障知识库架构

1）表示层，是用户与海军军械保障知识库交互的接口，用户通过浏览器或其他界面对知识库进行访问，用户界面接收查询请求，并将服务端的检索结果反馈给用户。虽然在海军军械保障知识库中引入了本体，但表示层对用户屏蔽了本体。

2）业务逻辑层，主要应用逻辑层，实现海军军械保障知识的检索。它由本体管理组件、语义分析组件、推理引擎、查询组件和信息获取组件5个部分构成。

3）数据层，包括本体库、资源描述库及资源数据库3个部分。它是海军军械保障知识库的存储介质，创建并提炼出结构化的海军军械保障知识本体，是海军军械保障知识检索的直接来源。

4 结 束 语

本文在研究本体与知识库相关理论与技术的基础上建立了一种基于本体的海军军械保障知识模型，并根据对知识库的系统描述，提出了基于本体的海军军械保障知识库构建方法。但是，目前所做的工作还不彻底，有许多问题值得进一步研究。进一步的研究将对知识库模型的完备性进行验证，并结合具体的应用环境实现面向具体应用的海军军械保障知识库系统。

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［1］联合国经济合作与发展组织（OECD）.以知识为基础的经济［M］.北京：机械工业出版社，1997：1－6.

［2］NECHES R，FIKES R，FININ T，et al.Enabling technology for knowledge sharing［J］.AI Magazine，1991，12（3）：36－56.

［3］高俊杰，邓贵仕.基于本体的范例推理系统研究综述［J］.计算机应用研究，2009，26（2）：406－410.

［4］FENSEL D.Ontologies：A silver bullet for knowledge management and electronic commerce［M］.2nd ed.Berlin：Springer－Verlag，2004：8－31.

［5］董金祥.基于语义面向服务的知识管理与处理［M］.杭州：浙江大学出版社，2009：21－25.

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

［7］KNUBLAUCH H，MUSEN M A，RECTOR A L.Editing description logic ontologies with the protégéowl plugin［EB／OL］.［2012－03－05］.http：／／ceur－ws.org／vol－104／.

［8］于鑫刚，李万龙.基于本体的知识库模型研究［J］.计算机工程与科学，2008，30（6）：134－136.