網(wǎng)絡(luò)本體語言

1、網(wǎng)絡(luò)本體語言(OWL)的標準體系解析 計算機網(wǎng)絡(luò)論文1。第一個階伯納斯李所定它能夠使人與即致萬維網(wǎng)之父蒂姆伯納斯李(Tim Berners-Lee)將萬維網(wǎng)的演變分為兩個階段 段，萬維網(wǎng)應(yīng)該是一個有利于人們合作的強大工具；第二個階段，則是蒂姆 義的語義網(wǎng)階段。 通俗地說，語義網(wǎng)就是一種能夠理解人類語言的智能網(wǎng)絡(luò)，計算機的交流變得像人與人交流一樣輕松。我們目前正處于新一代萬維網(wǎng)發(fā)展的邊緣，力于第二代網(wǎng)絡(luò)一一語義網(wǎng)的研究、開發(fā)階段。在語義網(wǎng)的開發(fā)進程中，網(wǎng)絡(luò)本體語言(Web Ontology Language,OWL)作為實現(xiàn)其功能的核心語言工具，其開發(fā)意義重大。為了給 OWL 系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)

2、，萬維網(wǎng)聯(lián)盟(W3C)于2003年12月15日發(fā)布了由其下屬的網(wǎng)絡(luò)本體工作組開發(fā)的 OWL系列標準規(guī)范文件，緊接著又對各標準文檔進行了改進，于 2004年2 月10日公布了該系列體系的最新版本。本文將對最新版本的OWL系列標準規(guī)范體系進行探討和解析，并對中文網(wǎng)絡(luò)本體語言開發(fā)中的標準建設(shè)提出一些建議，以期為國內(nèi)OWL系統(tǒng)的研究開發(fā)提供借鑒。1 OWL系列標準規(guī)范體系的構(gòu)成為了更好地描述語義化本體模型和進行知識表述，W3C首先提出用來描述資源及其之間關(guān)系的語言規(guī)范：資源描述框架(Resources Description Frame,RDF),在此基礎(chǔ)上，歐洲開發(fā)了語義交互語言 (Ontology

3、 Interchange Language,OIL)，美國開發(fā)了 DAML(DARPA AgentMarkup Language)。這兩種網(wǎng)絡(luò) 本體語言都是 對RDF類似的擴展，因此后來合并為DAML+OIL ,隨后 W3C 將其規(guī)范為理解力更強的網(wǎng)絡(luò)本體語言(Web Ontology Language,OWL)。 OWL系列標準規(guī)范體系由6個推薦性標準文檔組成，分別從理論、實例及規(guī)范性定義的角度對OWL進行了全面、簡潔及規(guī)范化的闡述，它們是：:通過列出 OWL的OWL各子語言特征的非網(wǎng)絡(luò)本體語言概述(OWL Web Ontology Language:Overview)語言特征并給出其簡要的

4、描述，對 OWL進行簡單介紹。它通過對 形式化描述，提供了 OWL的入門知識2。:通過一個擴展的例子說2。具體內(nèi)容包括如何網(wǎng)絡(luò)本體語言指南(OWL Web Ontology Language:Guide)明如何使用OWL語言，同時也給出了這些文檔中用到的術(shù)語的解釋3。:該文檔對OWL語2，使用RDF/XML語法對OWL的所有建模原OWL的用戶提供參考4。(OWL Web Ontology Language:Semantics and形式化的規(guī)范性定義2。使用OWL本體語言定義類和類的屬性，以形成一個形式化的域；定義個體并確定它們的屬 性，并且對這些類和個體進行推斷，以達到網(wǎng)絡(luò)本體語言的形式化語

5、義的許可程度網(wǎng)絡(luò)本體語言參考(OWL Web Ontology Language:Reference)言的整體構(gòu)造進行了結(jié)構(gòu)化的非形式化描述 語進行子系統(tǒng)及詳盡的描述，試圖為構(gòu)建 網(wǎng)絡(luò)本體語言語義與抽象語法Abstract Syntax):對 OWL 進行了最終的、網(wǎng)絡(luò)本體語言測試用例 (OWL Web Ontology Language:Test Cases) :該文檔包含 了 OWL的大量測試用例集合2。其中，許多測試用例說明了 OWL語言的形式語義和正確 使用方法，其它測試用例則說明了工作組所面臨的亟需解決的問題5。網(wǎng)絡(luò)本體語言應(yīng)用案例和需求(OWL Web Ontology Langu

6、age:Use Cases andRequirements):該文檔包含了一個 Web本體語言的應(yīng)用案例集合和關(guān)于OWL的需求集合2,詳細闡述了本體語言的使用方式、目的和要求。其目的之一是確定網(wǎng)絡(luò)本體語言需要 什么。網(wǎng)絡(luò)本體語言的要求將被潛在的使用案例和普通設(shè)計目標所激發(fā)，而這些潛在的使用案例和普通設(shè)計目標同時考慮到了將本體標準運用于網(wǎng)絡(luò)這一獨特環(huán)境時的困難6。接下來將對OWL標準體系的內(nèi)容框架進行介紹。2 OWL系列標準規(guī)范體系的內(nèi)容框架2.1 概述W3C制定OWL標準體系的目的是為了引起人們對規(guī)范的注意并且使其在更廣范圍的被采納與使用5。在推薦標準文件時， W3C將主要注意力放在制定規(guī)范和

7、改進全面部署能力 方面，這無疑增強了網(wǎng)絡(luò)的功能性和互操作性4。W3C網(wǎng)絡(luò)本體工作組采用一系列文檔對OWL語言進行描述，每一個文檔實現(xiàn)一個目的，以滿足不同讀者的需要2,分別適合某些相關(guān)研究人員和技術(shù)人員使用。并且按照從易到難，由淺入深的順序?qū)WL系統(tǒng)進行了全面、透徹的闡述。總體來說，OWL標準體系結(jié)構(gòu)嚴謹、語言簡練、表達直觀，易于為用戶所接受。每個標 準文件各有側(cè)重點，從不同的角度制定了 OWL的規(guī)范，看似獨立，但在內(nèi)容上又互相服務(wù)， 理論和示例各有側(cè)重，互為補充，這表現(xiàn)為在具體內(nèi)容的闡述上提供了到其它標準文件的相 關(guān)鏈接。具體來說，OWL概述文檔主要針對 OWL的初步接觸者，以簡潔、直觀的語

8、言闡述了 OWL 的基本概念、原理以及 OWL三個子語言的語言特征，使用戶對OWL的基礎(chǔ)知識架構(gòu)有了一個清晰的了解，解決了用戶從對OWL一無所知到初步入門的問題。文檔對各部分內(nèi)容作了更詳細的闡述，提供了到其它5個文檔的鏈接，用戶可交互參閱，達到全面學(xué)習(xí)掌握 OWL 的目的。假設(shè)用戶首先閱讀完 OWL概述文檔后，可閱讀 OWL指南文檔獲知使用該語言的理論方 法和例子。用戶在對純理論描述進行閱讀時，往往容易產(chǎn)生理解上的障礙。該文檔在對OWL構(gòu)成元素進行描述時， 貫穿了建立酒和食物的主體關(guān)系的例子，生動的示例對用戶理解和掌握OWL起到良好的作用。文檔除對OWL的構(gòu)造元素做了進一步的闡述外，也對屬性特

9、征及屬性限制等描述機制進行了詳細說明，進一步解決了OWL本體語言對信息內(nèi)容進行更好的表達的問題同時，對數(shù)據(jù)合并與本體映射等相關(guān)技術(shù)問題作了一定的討論，為相關(guān)機構(gòu)及人員日后的進一步研究提供了關(guān)注重點。OWL中所有建模原語的相關(guān)描述以及使用時的限用戶在閱讀其它5個標準文件的同時， 可針對某個文檔通篇圍繞類、個體及屬性對相關(guān)的建模元語舉例說明及使用時的注意事項三個OWL每個語言構(gòu)OWL參考文檔類似于一本使用手冊， 制和注意事項都可在該文檔中進行查閱。 具體構(gòu)造元素在該文檔中進行相關(guān)參閱。同時，附錄記錄了自 DAML+OIL發(fā)展至OWL的變化，利于閱讀進行非形式化描述，對每個元語的描述一般從理論闡述、

10、 方面展開，理論與示例相結(jié)合，內(nèi)容詳盡、豐富。文檔的參考文獻提供了 造元素的索引及快速參考。 時的承前啟后。OWL語言的標準語法，此文件運用模式論式的 OWL的連貫性等在文件中都有所論述，該文檔 OWL解析器及其它句法工具的開發(fā)者會對第二OWL語義和抽象語法文檔為用戶提供了 語義學(xué)對語義進行了精確定義。一些概念如 適用于那些對OWL技術(shù)細節(jié)感興趣的用戶；和第四部分特別感興趣；OWL推理器和其它語義工具的開發(fā)者會對第三和第五部分特別感 興趣，但不適用于那些首先應(yīng)該閱讀OWL概述文檔的普通讀者。以上4個標準文件補充性兩個文檔 OWL測試用例和 OWL使用案例及要求。 OWL測， 試用例文檔提供了

11、OWL語言的測試用例，OWL使用案例及要求文檔闡述了OWL語言的實際應(yīng)用領(lǐng)域和 OWL本體語言構(gòu)建所需的必要條件。值得一提的是，OWL使用案例及要求中列舉了 6個網(wǎng)絡(luò)本體的使用案例，其中一些是基于工業(yè)和學(xué)術(shù)界實際應(yīng)用案例，另一些是帶前瞻性應(yīng)用的案例。這些案例有助于用戶了解OWL應(yīng)用的實際意義，便于有的放矢地開發(fā)OWL和研究語言，從而為語義網(wǎng)開發(fā)服務(wù)。卜面綜合介紹這6個標準總的來說，W3C推薦的該標準體系綜合闡述了以下主要內(nèi)容， 文件的內(nèi)容。2.2 OWL的概念及開發(fā)的必要性O(shè)WL概述和OWL指南文檔的引言部分對本體和 OWL的基本概念進行了闡述。 我們討論的本體是表達術(shù)語及其詞間關(guān)系2。這里補

12、充一個更標準的定義，即由 Borst給出的：“Ontology是共享概念模型的形式化規(guī)范說明”。OWL是定義和例示網(wǎng)絡(luò)本體的一種語言。一個 OWL本體包括類、屬性和它們的實例的 描述3。它可以明確表示詞匯表中術(shù)語的意義及其詞間關(guān)系2。由于OWL概述文檔是為 OWL入門者設(shè)計的，因此文檔對開發(fā)OWL的必要性進行了詳細說明。未來的語義網(wǎng)應(yīng)是構(gòu)建于XML自定義標簽?zāi)Ｊ降哪芰σ约癛DF靈活的描述數(shù)據(jù)的方式之上的”。而根據(jù)蒂姆 伯納斯 李提出的著名的語義網(wǎng)構(gòu)成的標準體系結(jié)構(gòu)，語義Web需要在RDF之上增加的第一個層次，是一種能夠?qū)?Web文檔中的術(shù)語含義進行形式化（指 計算機可讀的）描述的本體語言。如果

13、希望機器能夠?qū)@些Web文檔進行有效的推理工作，這一本體語言必須超越 RDF Schema的基本語義。因此，OWL被設(shè)計以滿足Web對本體語 言的要求2。其優(yōu)勢表現(xiàn)為，在表達意義和語義方面，OWL比XML、RDF和RDF- S更方便，并且與這些語言相比，OWL表示的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容更容易被機器所理解。OWL是DAML+OIL網(wǎng)絡(luò)本體語言的修改版，它結(jié)合了DAML+OIL的設(shè)計和應(yīng)用中得到的經(jīng)驗教訓(xùn)2。2.3 OWL的三個子語言O(shè)WL由三個子語言 OWL Lite/OWL DL/OWL Full組成。OWL Lite用于執(zhí)行簡單任務(wù)，并 且提供給用戶一個功能性子集使他們在初次使用OWL時就能輕易上手。O

14、WL DL （這里DL是指描述邏輯”）提供令人滿意的語言子集用以支持推理系統(tǒng)實現(xiàn)其計算性能。OWL FULL適當放寬了對OWL DL的限制，目的是為了突出其某些特點使其對數(shù)據(jù)庫及知識表示系統(tǒng) 發(fā)揮作用4。對OWL的描述實質(zhì)上就是對這三個子語言的描述，6個標準文檔從不同的角度對這三個子語言作了詳細說明。OWL概述文檔在分別闡述了三個子語言的總體特征、適用用戶及各個子語言之間的關(guān)系之后，著重列出了 OWL Lite的語言構(gòu)造元素，并對元素的特征進行了非正式描述。由于OWL Lite對OWL語言使用的約束較多，因此 OWL的某些構(gòu)造元素不包含其中。 文檔接著對 OWL DL和OWL Full相對于O

15、WL Lite增加的語言構(gòu)造元素的特征做了進一步 的非正式描述。OWL指南文檔的描述與 OWL概述類似。OWL參考文檔對三個子語言作了更詳細的描述， 主要側(cè)重于具體使用時的注意事項，如詳細列出了OWL DL和OWL Lite中被限制使用的語言構(gòu)造元素，為用戶在具體選擇使用這三個子語言時提供了參考。OWL語義與抽象語法文檔的第二部分從語法描述的角度對用于OWL Lite和OWL DL子語言的抽象語法進行了詳細說明，具體內(nèi)容包括 OWL Lite和OWL DL的類公理、限制或約束以及屬性公理。這4個標準文檔分別從三個子語言的基本概念、使用時的注意事項及語法描述的角度對 其進行了詳細說明，實質(zhì)上是對

16、OWL語言作了全面的補充性描述，用戶可在了解該部分內(nèi)容時對4個標準文件進行交叉閱讀。2.4 OWL本體構(gòu)成OWL本體包括類、屬性和它們的實例（即個體）的描述 3。因此該部分是描述的重點。 OWL概述文檔從對 OWL Lite的語言特征進行描述出發(fā)，對類、個體及屬性進行了定義和簡單說明。 個類定義了一組具有某些共同屬性的個體。例如類 Person、類Animal。個體是 類的實例，例如一個名為Deborah的個體可以被描述為類 Person的一個實例。而屬性能夠用來聲明個體間的關(guān)系或者從個體到數(shù)據(jù)值之間的關(guān)系。例如屬性hasEmployer可用來將個體Deborah關(guān)聯(lián)到個體斯坦福大學(xué)”。其后，

17、對相關(guān)的類描述、屬性特征、屬性約束、數(shù) 量約束中應(yīng)用的語言構(gòu)造元素進行了說明。為了對OWL進行更生動的說明，OWL指南文檔是描述與示例相結(jié)合，恰如酒和食物的關(guān)系一樣。同時基于一個OWL本體的大多數(shù)語言構(gòu)成元素都涉及了類、屬性、類的實例以及這些實例之間的關(guān)系。因此，在闡述如何建立酒和食物本體的過程中，文檔的第三、第五部分對建立簡單的類、 個體、屬性及實例中應(yīng)用的語言構(gòu)造元素到建立復(fù)雜的類所用到的語 言構(gòu)造元素一一進行了闡述及例示，使用戶進一步掌握OWL的構(gòu)成元素。OWL參考文檔通篇圍繞類、個體及屬性對與它們相關(guān)的建模原語進行了非形式化描述，對每個原語的描述從理論闡述、舉例說明及使用時的注意事項三

18、個方面展開，理論與例子相結(jié)合，內(nèi)容詳盡、豐富。OWL語義與抽象語法文檔在定義抽象語法時，對 OWL Lite和OWL DL中的類公理、限 制及屬性公理進行了規(guī)定。這4個標準文件同樣按照從易到難的順序?qū)︻?、個體及屬性的定義、構(gòu)造元素及應(yīng)用語OWL參考文檔對類、個體及屬性中所有的語言構(gòu)造元素進行了詳5個標準文件的同時， 可針對某個具體構(gòu)造元素在該文檔中進行法等進行了描述，尤其是細的描述。用戶在閱讀其它相關(guān)參閱。本體標頭(Header)、引入(ioports)及版本信息(rersioninf)是構(gòu)OWL概述文檔首先對本體標頭、 OWL參考文檔獲取更多細節(jié)，參閱2.5 OWL本體附屬信息引入及版本信息

19、進行了簡要OWL指南文檔獲取更多示例。個本體就是一個資源，它可owl:Ontology rdf:about="" >建一個本體必不可少的元素。說明，并建議用戶參閱OWL參考文檔對本體標頭、引入及版本信息作了詳細說明。利用OWL的屬性和其它命名空間來對其進行描述，例如：VOWL本體來建立新的本體，這樣 關(guān)于該引入陳述的使是一個本體標頭，指出這一塊描述的是當前本體?！笨衫靡粋€owl:imports 陳述來引用另一個已定義好的直接的引入可避免資源的重復(fù)建設(shè)，以利于整合語義網(wǎng)中分散的資源。用注意事項及示例分別在 OWL參考文檔和OWL指南文檔中有詳細說明。本體像軟件一樣，是

20、可維護的，且隨著時間變化會發(fā)生變化。因此可利用owl:versionInfo 、 owl:priorVersion、owl:backward Compatible With等介紹當前版本、 前一版本及版本的兼容情況，利于本體的維護及擴充。OWL參考文檔和OWL指南文檔也對版本信息的概念、使用及示例作了全面描述。2.6 OWL的正式語義從事OWL推理器和其它語義工具的開發(fā)者需要對OWL的正式語義有所了解。 W3C工作組在OWL語義和抽象語法文檔中提供了OWL的兩個正式語義。在文檔第三部分定義的語義是一個以抽象語法形式書寫的，用于OWL本體標準模型語義；另一個在文檔第五部分介紹的語義，是 RDF語

21、義RDF Semantics的一個詞表擴展，以 RDF向圖形式為 OWL本體提 供語義。第二個語義有兩個版本，一個版本類似于直接語義(為 OWL DL所用的語義)；另 一個版本適用于將類當作個體(individuals)的形式或抽象語法不能處理的形式(即為 OWLFull所用的語義)。這兩個版本實際上非常接近，只是在如何分割論域(domain of discourse)時有一些不同。2.7 OWL的相關(guān)技術(shù)問題2.7.1 數(shù)據(jù)聚集與安全保護語義網(wǎng)中的資源和數(shù)據(jù)是分散的，如何把這些分散的資源及數(shù)據(jù)有效地聚集及融合是一個值得考慮的問題，W3C工作組在制定該標準體系時已充分考慮這方面的重要性，分別在

22、OWL指南文檔和 OWL參考文檔中專門列出一節(jié)進行說明。雖然語義網(wǎng)具有可連接多種來源數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，可應(yīng)用在多個領(lǐng)域。但這種合并多源數(shù)據(jù)的性能，再結(jié)合上 OWL的語義推斷性能，去昭可能被濫用。因此，在使用 OWL的某些可能與 其它源數(shù)據(jù)或本體與單個數(shù)據(jù)合并時，應(yīng)特別注意。工作組還提供了相關(guān)鏈接SAML和P3P等一系統(tǒng)優(yōu)化解決方案。2.7.2 本體映射本體被廣泛地共用及再利用，利于提高其影響力，降低開發(fā)成本。但將一批本體融合起來將是一個挑戰(zhàn)，需要支持工具保持一致性。目前國際上對語義網(wǎng)及本體 的研究熱點在于如何按照需要進行本體映射。OWL語義與抽象語法文檔首先討論了OWL DL和OWL Lite抽象語

23、法到OWL交換語法（即RDF/XMLRDF Syntax）的映射。此映射（及其反向映射）提供了抽象語法和交換語法之間 的標準化的關(guān)系，并提供了轉(zhuǎn)換至RDF有向圖的轉(zhuǎn)換表，給出了將抽象語法轉(zhuǎn)換至OWL交換語法的轉(zhuǎn)換規(guī)則。OWL指南文檔針對本體融合的問題的類和屬性之間的等值、個體之間的等同性及不同的個體的融合情況分別作了詳細說明。2.8 OWL的使用案例、要求與測試用例OWL使用案例及要求文檔和OWL測試用例文檔與前 4個文檔不同。OWL使用案例及要求文檔列舉了本體在網(wǎng)絡(luò)、知識管理、智能數(shù)據(jù)庫及電子商務(wù)等領(lǐng)域應(yīng)用的6個典型案例，并描述了 8個設(shè)計目標，從而根據(jù)使用案例與設(shè)計目標對網(wǎng)絡(luò)本體語言提出了

24、一些要求，這對網(wǎng)絡(luò)本體語言今后的發(fā)展方向提供了有益的參考7。OWL測試用例文檔包含由 Web本體工作組通過的 Web本體語言測試用例。其中，許多 測試用例說明了 OWL語言的形式語義和正確使用方法，其它測試用例則說明了工作組亟需 解決的問題。 OWL文檔和OWL文檔檢查器（OWL document checkers） 之間的一致性也得到 了詳細說明。這些測試用例用于解釋和進一步說明OWL語義與抽象語法文檔中的標準化定義，該文檔是一個補充性的文檔?？偟膩碚f，這兩個文檔重點在于具體應(yīng)用，在對前4個文檔補充說明的同時，也使用戶認識到網(wǎng)絡(luò)本體語言在具體領(lǐng)域的應(yīng)用價值及前景，同時提出了一些亟待解決的問題，為今后的研究方向提供參考。3 OWL系列標準規(guī)范體系的未來發(fā)展趨向很顯然，W3C目前推薦的網(wǎng)絡(luò)本體語言 （OWL）標準并不是適用于語義網(wǎng)應(yīng)用的本體語言 標準的最終形式，OWL使用案例及要求文檔中已經(jīng)提出了大量工作組，其中包括未在該標 準文件中討論的、留待以后繼續(xù)研究的特性。工作組在這部分共提出14個有待進一步討論的語言特性，同時代表了OWL系列標準體系未來的發(fā)展趨向。對此感興趣的用戶可參閱OWL使用案例及要求文