可視化本體編輯器ＶＯ－Ｅｄｉｔｏｒ中的模型檢查機制研究

摘要：分析了OWL構造子與圖形元素的映射關系，提出了在可視化本體建模中實施模型檢查的原理和方法。該方法已成功應用于圖形本體編輯器VO－Editor的開發(fā)實踐中。

關鍵詞：語義Web；本體；Web本體語言

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0087－03

互聯(lián)網(wǎng)上信息資源整合問題一直是困擾電子政務、電子商務應用設計者的難題。要更好地解決網(wǎng)上資源整合問題，僅僅依靠語法層的標準統(tǒng)一是不夠的，必須要對數(shù)據(jù)從語義層次上加以整合。為此，本文研究開發(fā)了一套基于語義Web技術的網(wǎng)上資源整合平臺。它采用了可視化的圖形本體建模方法、有效的模型檢查機制、獨特的選擇性推理算法以及語義標注體系，有助于提高網(wǎng)上信息資源整合的效率。

這套平臺重要的核心基礎部件是可視化的本體編輯器VO－Editor，通過它可以在圖形方式下進行本體的瀏覽、創(chuàng)建和編輯等。

1可視化本體編輯器VO－Editor

圖形化的本體建模工具VO－Editor是平臺中相對獨立的一套工具，它能夠輔助本體工程師更直觀、高效地建立本體。該編輯器是基于Eclipse平臺開發(fā)的，它支持以圖形化的方式來進行本體的顯示和編輯，并能同步生成本體的OWL文件。圖1展示了VO－Editor的圖形編輯界面。其中，圖1左上部分為大綱視圖，左下部分為縮略圖，右邊為工作區(qū)。

在本體的圖形編輯窗口中，提供了所有的OWL元素選項。建立本體的工作是通過拖拽這些本體元素到工作區(qū)來實現(xiàn)的。通過大綱視圖可以列出本體中所有的對象及其對應的屬性，并通過縮略圖的形式顯示給用戶。多層編輯視圖分為Class編輯視圖和Property編輯視圖兩個部分。在Class的編輯視圖中，顯示類、實例以及類的繼承、等價、類與實例的映射關系；而在Property的編輯視圖中，顯示屬性以及屬性的繼承、等價關系。同目前種類繁多的本體建模工具如Ontolingua、Ontosaurus、WebOnto、Protégé相比，這套本體編輯工具具有較強的圖形化瀏覽和編輯功能，可以更清晰直觀地表達出本體元素間豐富而復雜的聯(lián)系。

2VO－Editor中的模型檢查

VO－Editor所支持的本體語言是OWL，OWL具有一定的語法約束。作為圖形化OWL本體編輯器，VO－Editor必須要能夠在本體的創(chuàng)建和編輯過程中體現(xiàn)并實施這種語法約束（以及圖形操作方面的一些約束）；另外，還必須能夠對用戶所建立的整個本體模型進行檢查，對于模型中的不一致、繼承循環(huán)等錯誤給出提示。

OWL提供了三種表達能力遞增的子語言，即OWL Lite、OWL DL與OWL Full。OWL Lite只使用了OWL的部分語法元素，用于提供給那些只需要一個分類層次和簡單屬性約束的用戶。OWL DL已包含OWL中所有的語言約束。由于基于比較成熟的邏輯體系DL，OWL DL不僅表達能力豐富，還能保證推理的計算完整性和可判定性。OWL Full則允許本體在預定義的RDF和OWL詞匯表以外增加詞匯，但無法提供上述計算保證。本文在設計開發(fā)這套平臺的過程中，考慮到OWL Full的復雜程度過高以及后續(xù)推理的需要，VO－Editor主要提供對OWL DL本體和OWL Lite本體的支持。

2．1OWL構造子與圖形元素的映射

圖形化本體編輯器VO－Editor通過對圖形的操作，提供對本體模型的創(chuàng)建、添加、編輯、刪除、維護等功能。首先需要將OWL構造子映射到編輯器中的圖形元素。

這里將OWL構造子分為兩類，即基本構造子和關系構造子。基本構造子描述類、屬性、實例等基本概念；關系構造子描述類繼承、屬性繼承、值域、定義域等關系。基本構造子和關系構造子分別映射圖形元素的節(jié)點和關系連線（表1）。關系連線是有向的，它的兩端各連接一個節(jié)點（分別稱為源節(jié)點和目標節(jié)點）。

2．2模型檢查

2．2．1全局檢查

全局檢查主要是對整個本體模型是否存在錯誤進行檢查（也可以檢查單個元素的模型是否正確）。全局檢查在用戶點擊工具欄上的相關按鈕以及導出OWL文檔時執(zhí)行。

VO－Editor圖形編輯器是基于MVC框架開發(fā)的，以模型為中心。模型管理器ModelManager是模型層的核心部件，它實現(xiàn)了IModelManager接口，可用來統(tǒng)一管理各種OWL節(jié)點元素模型的算法；管理各個OWL節(jié)點元素的相關信息（如全局唯一的名字、命名空間、某些實例的屬性值存儲等）；管理與整個本體有關的信息（如本體文件的頭信息和命名空間的管理）；并提供各種圖形元素模型的創(chuàng)建工廠、模型檢查工具以及本體模型與OWL文本的轉換工具等。模型管理器的主要組成部分包括節(jié)點命名空間前綴管理器NSPrefixDB、元素存儲管理器InMemoryDB、節(jié)點名稱管理器ModelNameDB、命名空間管理器NameSpaceManager、本體頭信息管理器HeadNodeModel、模型檢查器ModelChecker，以及元素模型創(chuàng)建工廠InManagerFactory、負責OWL文件導出/導入的OWLWriter與OWLReader。

本體模型的全局檢查主要由模型檢查器ModelChecker類負責。ModelChecker對象是模型管理器的成員，它的方法通過模型管理器接口對外提供模型檢查的功能。具體來說，全局檢查將遍歷本體中的每一個節(jié)點元素，分別針對具名類、匿名類、屬性、實例等不同類別相應地實施不同的檢查。

（1）如果此元素是一個屬性的話，那么全局檢查將檢測該屬性的子屬性類型是否與其一致（即對象屬性的子屬性也應該是對象屬性，而數(shù)據(jù)類型屬性的子屬性則應該也是數(shù)據(jù)類型屬性）、屬性值域是否與屬性類型相匹配（即對象屬性的值域應該為類，而數(shù)據(jù)類型屬性的值域應該是某種數(shù)據(jù)類型）、屬性的繼承關系鏈中是否出現(xiàn)循環(huán)錯誤等。

（2）如果此元素是一個具名類的話，那么全局檢查將檢測該類的繼承關系鏈中是否出現(xiàn)循環(huán)錯誤（即該類的所有子類中是否包含這個類本身）等。

（3）如果此元素是一個實例的話，將檢查該實例已賦值的那些屬性，其所賦值是否正確、是否滿足屬性的要求。例如是否在屬性的值域中、值的個數(shù)是否符合屬性定義的基數(shù)。如果實例所屬的類對該屬性作了進一步的限制，該值是否滿足這些限制。

（4）如果是一個匿名類，則將檢查這個匿名類的完整性。對于復雜類（即集合與枚舉類匿名元素），交節(jié)點、并節(jié)點應該通過ElementOfRelation連接到兩個或兩個以上的元素；而補節(jié)點只允許連接到一個元素。對于Restriction匿名類，應該至少連接一個限制的屬性以及相關限制的值。

此外，全局檢查還包含檢查本體模型中各命名空間是否正確定義、頭節(jié)點信息是否正確等。

2．2．2局部檢查

局部檢查是在本體的創(chuàng)建和編輯過程中實時進行的，由用戶的相關操作即時觸發(fā)。局部檢查主要包含本體中的關系檢查以及節(jié)點重名錯誤檢查。節(jié)點重名檢查確保在同一個命名空間內，不出現(xiàn)同類元素重復命名的錯誤；而關系檢查主要是針對類繼承、屬性繼承、值域、定義域等關系所進行的語法檢查。其相應的檢查功能由模型層的org.sklse.oed.model.relationcheck包提供。

該包中為每一種關系提供語法檢查的類包括SubClassOfRelation、SubPropertyOfRelation、EquivalentClassRelation、EquivalentPropertyRelation、DomainRelation、RangeRelation、ExtendedDefinitionRelation、ElementOfRelation、OnPropertyRelation、ValuesFromRelation、HasValueRelation、CardinalityRelation、OwnInstanceRelation、DisjointWithRelation、SameAsRelation、DifferentFromRelation。這些類都是DefaultRelationCheck類的子類，由該類實現(xiàn)了RelationCheck接口。

直觀來看，可視化編輯中關系檢查的規(guī)則是基于OWL語法約束的關聯(lián)矩陣的值，如表2所示（其中*號代表此項關聯(lián)未在圖形界面中顯示）。

綜上所述，本文為這個圖形本體編輯器所設計的模型檢查，主要考慮了如下幾個規(guī)則：①命名唯一性。在同一命名空間中，不應出現(xiàn)重復命名的同類元素。②關系互斥性，如兩個具名類之間不應同時出現(xiàn)等價關系與不相交關系；兩個實例之間不應同時出現(xiàn)sameAs關系與differentFrom關系等。③

類型一致性，如子屬性類型應該與父屬性類型相同；屬性值域應該與屬性類型一致等。④非閉合性。類繼承關系與屬性繼承關系中都不應出現(xiàn)循環(huán)。⑤匿名類的完整性。不管是復雜類（即集合與枚舉類）還是Restriction匿名類，其定義都應該是完整的。

3結束語

在筆者所研究開發(fā)的基于語義Web技術的網(wǎng)上資源整合平臺中，可視化的OWL本體編輯器VO－Editor是重要的核心部件。本文對VO－Editor中模型檢查的原理和設計實現(xiàn)方法進行了分析。目前，模型檢查所覆蓋的內容仍然有限，要實現(xiàn)更加完善的檢查，尚需更多的理論和算法支持，這還有待進一步研究。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”