基于本體的科研領(lǐng)域知識管理建模研究

摘要：針對我國目前科研領(lǐng)域知識管理中存在的知識來源復(fù)雜、存儲(chǔ)零散、創(chuàng)新知識不能及時(shí)保存等問題，采用本體方法為科研領(lǐng)域知識建模，構(gòu)建科研知識本體體系，給出科研知識本體的形式化表示；給出了科研領(lǐng)域知識庫的構(gòu)成及用戶查詢過程，并對知識庫進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理；最后提出科研知識管理框架，以支持科研知識的管理、共享和重用。

關(guān)鍵詞：本體； 科研知識； 知識管理

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)08－0093－04

科研開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它以知識為基礎(chǔ)，以新知識獲取為中心，是典型的知識密集型工作。科研開發(fā)過程包含的知識是相當(dāng)復(fù)雜的，在科研過程中要用到許多不同來源的知識，所應(yīng)用知識的屬性也不同，因此管理相對困難。隨著知識經(jīng)濟(jì)的到來和信息化進(jìn)程的深入，知識管理已變得非常必要和迫切[1，2]。我國正在建設(shè)創(chuàng)新型社會(huì)，科研領(lǐng)域作為知識創(chuàng)新的主要領(lǐng)域，其知識管理顯得尤為重要。

目前我國科研知識管理中存在的問題主要有：

a)科研開發(fā)是知識密集型工作，科研人員根據(jù)任務(wù)情況，常要查找各方面的資料，如開發(fā)規(guī)范、項(xiàng)目要求、相關(guān)文獻(xiàn)書籍及過去已有的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、程序、仿真等。這些知識來源復(fù)雜，可能存儲(chǔ)在各種類型的文檔（DOC、PDF、HTML等電子介質(zhì)或紙介質(zhì)）、數(shù)據(jù)庫及開發(fā)人員頭腦、筆記中。其中包括大量顯性知識，但也有大量隱性知識，如設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。開發(fā)人員希望能快速找到所需知識，因此，需要將隱性知識顯性化，將顯性知識有效組織起來，以便能及時(shí)找到正確的知識源，并以適當(dāng)?shù)男问街赜茫С之?dāng)前的科研開發(fā)工作。

b)科研開發(fā)是一項(xiàng)創(chuàng)新性活動(dòng)，在科研過程中會(huì)產(chǎn)生大量新知識；成形的創(chuàng)新知識以成果的形式保留下來，如科技論文、產(chǎn)品等。但這些知識的載體一般為各種文檔及產(chǎn)品自身，未能及時(shí)存儲(chǔ)到知識管理系統(tǒng)中，導(dǎo)致查找繁瑣；在科研開發(fā)過程中產(chǎn)生的部分創(chuàng)新知識（如科研人員的交流成果等）及科研過程中查找過的文獻(xiàn)、開發(fā)思路、相關(guān)問題解決方法等不能及時(shí)保存下來，造成知識的流失和浪費(fèi)，已成為困擾組織發(fā)展的重要問題。若能對科研過程進(jìn)行追蹤管理，在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，科研人員便可繼承借鑒已有的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和思路，節(jié)約開發(fā)成本。

c)現(xiàn)有的科研知識管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異，分布式、異構(gòu)數(shù)據(jù)源集成困難。現(xiàn)有的科研知識管理系統(tǒng)是以各自領(lǐng)域知識為基礎(chǔ)開發(fā)的，在開發(fā)環(huán)境、架構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面存在很大差異，集成困難。因此需要一種統(tǒng)一的知識表達(dá)方式，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的知識庫和知識管理系統(tǒng)可以很方便地實(shí)現(xiàn)集成。

針對以上問題，采用本體的方法來表達(dá)科研知識，提供科研領(lǐng)域知識的統(tǒng)一概念，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯和詞匯相互之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)人們對領(lǐng)域知識的共同理解，以達(dá)到共享和重用的目的。

1知識表示

1．1本體

本體論[3]是一種概念化的說明，是對客觀存在的概念及其關(guān)系的一種描述。它關(guān)心的是客觀現(xiàn)實(shí)的抽象本質(zhì)，已經(jīng)成為知識管理、軟件復(fù)用、自然語言處理、協(xié)同信息系統(tǒng)、智能信息集成、Internet上智能信息獲取、信息檢索以及語義Web等各方面研究的熱點(diǎn)[4，5]，并得到了廣泛應(yīng)用。

定義1[6]本體是對某一領(lǐng)域D的概念化描述，包括兩個(gè)基本要素，即概念和概念間的關(guān)系，可形式化地定義為OD（C，R）。其中：C是領(lǐng)域D中的概念集合；R是D中概念之間關(guān)系的集合。

1．2 基于本體的科研知識表示

本體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)通常分為五個(gè)階段：知識識別和獲取、概念化、形式化、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。必須先熟悉某個(gè)領(lǐng)域的知識，在此基礎(chǔ)上分析其組成、結(jié)構(gòu)、層次及相互之間的關(guān)系，然后將其抽象到概念層次，使用形式化的語言對其進(jìn)行描述；同時(shí)隨著知識的更新，本體的內(nèi)容也必須作相應(yīng)變化。

1.2.1領(lǐng)域概念

領(lǐng)域概念（或稱為類）是對領(lǐng)域知識清晰而規(guī)范的描述。它應(yīng)該是完整的，能夠描述領(lǐng)域內(nèi)的所有知識，是本體的核心。

這里本體論采用面向?qū)ο蟮姆绞矫枋觥Ｒ粋€(gè)類可描述為class(attribute1，attribute2，…，attributen)。其中attribute是類的屬性，是對類對象特征的刻畫。屬性可分為三類[7]：

a）命名性屬性。通常每一對象有一個(gè)區(qū)別于其他對象的名稱或編號，以便能惟一標(biāo)志該對象，如文獻(xiàn)名稱。

b）描述性屬性。提供區(qū)分對象實(shí)例的事實(shí)，如文獻(xiàn)類型、作者。

c）關(guān)聯(lián)屬性。反映該對象中某個(gè)實(shí)例與其他對象實(shí)例之間的關(guān)系。

例如資源類可以描述為material(name，type，author，location，…)，表示資源類具有名稱、類型、作者、存儲(chǔ)位置等屬性。

類是具有相同屬性事物的集合，可以派生子類；子類繼承父類的屬性，并可根據(jù)自己的需要增加新的屬性。例如資源類可派生文獻(xiàn)類，在繼承父類原有屬性的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)類的特點(diǎn)，增加“關(guān)鍵字”和“摘要”屬性，如references(name， type， author， location， keywords， abstract，…)。用戶還可根據(jù)需要定義其他類，以適應(yīng)環(huán)境和具體情況的需要。

1.2.2領(lǐng)域概念之間的關(guān)系

領(lǐng)域概念之間的關(guān)系主要有四類[6]，即屬性關(guān)系（attribute of）、父子關(guān)系（kind of）、聚集關(guān)系（整體/部分關(guān)系）、類和實(shí)例關(guān)系(instance of）。

在定義概念的屬性時(shí)，往往需要考慮相互之間的依賴關(guān)系，如概念A(yù)的某屬性X與概念B相關(guān)聯(lián)，即屬性X的取值域?yàn)楦拍頑的實(shí)例Y，則在定義概念A(yù)的屬性X之前，概念B應(yīng)先定義。例如資源類知識中有些是科研人員創(chuàng)建的，應(yīng)定義一個(gè)屬性來表示這種關(guān)系，可用創(chuàng)建人員來標(biāo)志，而創(chuàng)建人員是在人員類中取值，因此為了定義資源類，必須首先定義人員類。但在有些情況下，可能允許取值為某一類的子類，如一個(gè)任務(wù)與某一類資源有關(guān)，而不必指明是哪個(gè)具體資源。此時(shí)，屬性相關(guān)資源的取值應(yīng)為資源類的子類，不一定是資源類直接派生的子類，也可以是具有多層父子關(guān)系的子類。

1．3本體建模

在科研開發(fā)過程中，需要運(yùn)用多種類型的知識，其屬性也不同，可分為顯性和隱性知識。顯性知識也稱為正式知識，一般保存在文檔、模型、程序或數(shù)據(jù)庫中；與之相反，隱性知識或非正式知識難以捕捉，通常存在于開發(fā)人員的筆記、大腦中。知識獲取活動(dòng)中，最困難的是隱性知識的獲取。

在知識建模方面，有學(xué)者研究了支持協(xié)同工作的社區(qū)知識處理模型[8]，而Hai Zhuge等人[9]則提出了全球知識資源共享和管理的知識網(wǎng)格模型，但在實(shí)現(xiàn)顯性知識和隱性知識的統(tǒng)一建模方面還需要作進(jìn)一步研究。

概念是知識得以表達(dá)或賴以存在的基礎(chǔ)，概念及其關(guān)系構(gòu)成了本體。本體包括組織中所有對象的類別定義。除了基本的類，如人員、時(shí)間、資源、活動(dòng)等，知識也作為一個(gè)或多個(gè)類別來定義。將科研領(lǐng)域知識按照結(jié)構(gòu)類別進(jìn)行定義，并在本體中對每一知識類別的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，以便對其進(jìn)行分類獲取、檢索和呈現(xiàn)，如將資源庫分解為文獻(xiàn)庫、案例庫、程序庫、方法庫等。如果同一類中的知識元不能用同一結(jié)構(gòu)表示，則需繼續(xù)分解。例如對于案例類來說，成功案例與失敗案例的表達(dá)結(jié)構(gòu)是不一樣的，因此需要定義為不同的類別[6]。

采用基本本體的方法，通過定義不同的類，解決了科研領(lǐng)域內(nèi)多類型知識的表示問題；同時(shí)可針對每個(gè)不同的類別定義該類知識的檢索及推理方式。這基本上解決了多類型知識的推理問題。

基于以上本體定義和科研領(lǐng)域知識的應(yīng)用特征，本文給出了科研領(lǐng)域知識的本體體系。圖1為資源本體實(shí)例。

1．4本體的形式化表示

基于本體定義和科研領(lǐng)域知識的特征分析，本文給出科研知識類（概念）的定義。

定義2科研知識類（概念）是科研開發(fā)過程中所需要的各種知識的集合，包括資源類、人員類、任務(wù)類、時(shí)間類、活動(dòng)類等子類。各類可以根據(jù)需要定義其子類，如文獻(xiàn)類、程序類、仿真類、科研人員類等。

本體中的每一概念均包含一類對象[6]，本體中需要定義這一類對象的特征（屬性）。通常每一對象都有一個(gè)區(qū)別于其他對象的名稱或編號，以便惟一標(biāo)志該對象。不同屬性有不同的取值類型，一般有文本、數(shù)值、對象實(shí)例、日期、文件路徑和圖片等多種類型。

在語義方面，采用比較成熟的框架理論的知識描述方法；在語法方面，由于XML具有表現(xiàn)形式與內(nèi)容分離的特性，具有很強(qiáng)的表達(dá)能力[6]，易于閱讀，便于組織、管理、維護(hù)和搜索知識點(diǎn)，允許不同來源的數(shù)據(jù)無縫集成以及對同一數(shù)據(jù)的多種處理，同時(shí)易于被應(yīng)用程序處理，采用XML來表示科研知識本體。下面是一個(gè)本體實(shí)例：

〈class〉

〈name〉科研知識〈/name〉

〈description〉科研開發(fā)所需要的各種知識集合〈/description〉

〈subclassof〉root〈/subclassof〉

〈/class〉

〈class〉

〈name〉資源〈/name〉

〈description〉科研開發(fā)中用到的各種資源，包括文獻(xiàn)、程序、開發(fā)經(jīng)驗(yàn)等〈/description〉

〈subclassof〉科研知識〈/subclassof〉

〈/class〉

〈class〉

〈name〉開發(fā)經(jīng)驗(yàn)〈/name〉

〈description〉相關(guān)的研究經(jīng)驗(yàn)，供以后借鑒使用〈/description〉

〈subclassof〉資源〈/subclassof〉

〈/class〉

下面是程序書籍類具體實(shí)例的形式化表示：

〈program book〉

〈name〉 Visual C++與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教程 〈/name〉

〈description〉 主要講授如何應(yīng)用Visual C++進(jìn)行面向?qū)ο蠛涂梢暬幊獭?description〉

〈author〉 劉路放 〈/author〉

〈organization〉 西安交通大學(xué) 〈/organization〉

〈serial number〉CX007〈/serial number〉

〈press〉高等教育出版社〈/press〉

〈publish time〉2000.7〈/publish time〉

〈location〉…/程序書籍/CX007〈/location〉

〈/program book〉

2知識庫建模

2．1知識庫

知識庫的形成是一個(gè)知識積累的過程，不可能領(lǐng)域的所有知識開始都存儲(chǔ)在知識庫中，只能靠積累擴(kuò)大其存儲(chǔ)。在知識積累過程中包括顯性知識的存儲(chǔ)和隱性知識的顯性化。

基于XML表示領(lǐng)域本體的知識，本文選擇基于XML的知識庫作為其存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。筆者認(rèn)為顯性知識又可分為結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化，如圖2所示。XML作為一種通用的數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)語言，利用自描述的方式將數(shù)據(jù)格式與內(nèi)容相分離，并創(chuàng)建特定領(lǐng)域的標(biāo)記語言，從而可有效地表示結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化的文本知識所反映的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與語義。對于非結(jié)構(gòu)化知識，對其進(jìn)行摘要提取，提取出來的摘要也采用XML表示。這樣將知識用統(tǒng)一的形式表達(dá)出來，提高了知識的形式化程度。

知識庫集成了科研開發(fā)的基礎(chǔ)知識與大量方法和案例。其知識來源包括項(xiàng)目開發(fā)規(guī)范以及科研開發(fā)人員的領(lǐng)域知識、用戶反饋、組織安排決策及項(xiàng)目開發(fā)案例和經(jīng)驗(yàn)等。由于知識庫容量龐大，且其中既有結(jié)構(gòu)化知識，又有非結(jié)構(gòu)化知識，知識結(jié)構(gòu)不固定，許多情況下不存在查詢結(jié)果，但還是要查詢整個(gè)知識庫，查詢效率極低。本文已經(jīng)建立了本體模型，將其存儲(chǔ)在本體庫中，每次查詢時(shí)先在本體庫中查詢；若能得出查詢結(jié)果，再到原始知識庫中具體執(zhí)行查詢，提高了查詢效率。

圖3表示了知識庫的構(gòu)成及用戶查詢過程。知識庫中存儲(chǔ)的是顯性化的知識和相關(guān)專家信息，鑒于本體也是一種知識，因此本體庫也是知識庫的一部分。當(dāng)用戶提交查詢時(shí)，知識引擎到知識庫中搜索相關(guān)信息。如存在，則將搜索到的信息和專家信息一起返回；如不存在，則只返回專家信息；若兩者都沒有，則可到其他知識庫中進(jìn)行查詢。在知識存儲(chǔ)及使用過程中，根據(jù)應(yīng)用的需要，應(yīng)盡可能提高半/非結(jié)構(gòu)化知識的結(jié)構(gòu)化程度；知識庫引擎可將專家信息提供給用戶，用戶在與專家的交流過程中實(shí)現(xiàn)知識的顯性化，并將顯性化的專家知識及交流結(jié)果存儲(chǔ)到知識庫中，實(shí)現(xiàn)隱性知識的顯性化和知識的及時(shí)存儲(chǔ)。

知識庫引擎是整個(gè)知識管理體系中用來完成檢索、推理功能的模塊。本文采用根據(jù)Sun公司的分布式企業(yè)級應(yīng)用規(guī)范而開發(fā)的知識庫引擎，分為控制層、推理層和數(shù)據(jù)層三層[10]，實(shí)現(xiàn)知識的智能檢索和問題求解。 其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

Servlet的基本功能是基于HTTP為用戶提供使用知識庫引擎的服務(wù)。Entity bean代表知識庫中的數(shù)據(jù)，通過JDBC訪問知識庫。推理部分需要構(gòu)建能夠表示整個(gè)知識庫結(jié)構(gòu)的類庫，用EJB將該類庫封裝，這樣使得session bean可以通過代表知識庫的entity bean進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即訪問規(guī)則、特征、事實(shí)，以及存取臨時(shí)數(shù)據(jù)等；此外推理部分的類庫必須定義一套與Servlet的接口，既可以通過Servlet傳遞的消息啟動(dòng)推理服務(wù)，也可以將結(jié)果返回給Servlet。

2．2知識庫的動(dòng)態(tài)管理

知識庫建立后，內(nèi)容不可能是一成不變的，應(yīng)隨著知識的變化而變化，包括知識添加、更新和刪除等，形成動(dòng)態(tài)知識庫模式。

1)知識添加

當(dāng)向知識庫中添加新知識時(shí)，先查詢本體庫中是否有對應(yīng)的本體存在。若存在則無須動(dòng)作，只將知識添加到知識庫即可；若不存在對應(yīng)本體，則要向本體庫中添加新的本體并建立與其他本體的關(guān)聯(lián)，同時(shí)將知識添加到知識庫中。

2)知識更新

知識更新可分為兩個(gè)層次上的更新，即內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。當(dāng)僅是知識內(nèi)容發(fā)生變化而知識結(jié)構(gòu)未變時(shí)，此時(shí)并未涉及到本體庫的變化，僅是知識庫內(nèi)容變化即可。當(dāng)知識結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化時(shí)，如概念類A根據(jù)應(yīng)用的需要增加了新的屬性，則要根據(jù)情況調(diào)整本體庫及其關(guān)聯(lián)。

3)知識刪除

隨著時(shí)間的推移和知識庫中知識的積累，有些知識的有效性會(huì)發(fā)生變化，如有些問題的解決方法可能只適合于以前的情況，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已不再適用，但對當(dāng)前問題的解決又有參考價(jià)值而不能刪掉。此時(shí)，將該知識的有效值降低，每次使用它時(shí)，根據(jù)其解決問題的有效性升高或降低其有效值。當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)閾值（由專家確定）時(shí)，從知識庫中將該知識刪除，并修改相關(guān)本體中與此知識相關(guān)的鏈接。

基于以上原則建立了動(dòng)態(tài)知識庫，能反映領(lǐng)域內(nèi)知識的最新情況，提高查詢效率和準(zhǔn)確性。

3科研知識管理系統(tǒng)框架

在建立了基于本體的科研領(lǐng)域知識模型和知識庫模型的基礎(chǔ)上，提出如圖5所示的科研知識管理系統(tǒng)框架。



本系統(tǒng)采用基于Web的B/S架構(gòu)，可以更好地獲取Internet上的資源，用戶無須特定的客戶端軟件即可共享系統(tǒng)資源，方便地實(shí)現(xiàn)知識的共享和重用。系統(tǒng)分為用戶界面層、中間服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。用戶界面層提供給用戶使用此系統(tǒng)的接口，包括語義查詢接口、知識采集接口和其他服務(wù)接口。中間層實(shí)現(xiàn)了語義分析、查詢處理及推理、知識的識別及結(jié)構(gòu)化等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。用戶可通過語義查詢接口提交查詢請求，由中間層根據(jù)用戶權(quán)限進(jìn)行語義分析及本體推理，通過知識庫引擎將知識庫中的知識提取出來返回給用戶。系統(tǒng)還可通過用戶界面層的知識采集接口從外部獲取不同來源的知識，包括項(xiàng)目開發(fā)規(guī)范、項(xiàng)目要求、開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、項(xiàng)目案例、用戶反饋、相關(guān)書籍和程序仿真等，并通過中間層的知識識別和知識結(jié)構(gòu)化模塊實(shí)現(xiàn)知識的分類存儲(chǔ)和結(jié)構(gòu)化建模。數(shù)據(jù)層包括本體庫和知識庫。本體庫中存儲(chǔ)科研領(lǐng)域知識的本體模型；知識庫中存儲(chǔ)各種類型的具體知識。查詢時(shí)先在本體庫中進(jìn)行，若能得出結(jié)果再到知識庫中查找，提高了查詢效率。

4結(jié)束語

本文采用本體方法為科研領(lǐng)域知識建模，建立了科研知識本體體系，提供對科研知識的統(tǒng)一表達(dá)，實(shí)現(xiàn)人們對領(lǐng)域知識的共同理解，有利于知識的共享和重用；構(gòu)建科研知識庫模型，將結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化知識采用統(tǒng)一的方式表達(dá)，提供了隱性知識顯性化的機(jī)制，及時(shí)保存交流結(jié)果和創(chuàng)新知識，并提出知識庫的動(dòng)態(tài)管理策略；通過科研知識管理框架實(shí)現(xiàn)知識的繼承和追蹤管理，并通過知識庫引擎提供知識管理系統(tǒng)之間互訪的接口實(shí)現(xiàn)知識的連鎖查詢。

筆者下一步將對知識庫操作及其動(dòng)態(tài)管理策略進(jìn)行詳細(xì)探討，并研究分布式、異構(gòu)數(shù)據(jù)源本體和分布式知識管理系統(tǒng)的集成。

參考文獻(xiàn)：

［1］GALLUPE B. Knowledge management systems: surveying the landscape[J]. International Journal of Management Reviews，2002，3(1):61－77.

[2］EARL M. Knowledge management strategies: toward a taxonomy[J]. Journal of Management Information Systems，2001，18(1):215－233.

[3］CHANDRASEKARAN B， IOSEPHSON J R， BENJAMINS V R. What are ontologies， and why do we need them?[J]. IEEE Intelligent Systems，1999，14(1)：20－26.

[4］STUDER R， FENSEL D， DECKER S，et al. Knowledge engineering: survey and future directions[C]//Lecture Notes in Artificial Intelligence(LNAI).[S.l.]:SpringerVerlag，1999.

[5］UCSHOLD M， GRUNINGER M. Ontologies: principles， methods， and applications[J]. Knowledge Engineering Review，1996，11(2):92136.

[6］王英林，王衛(wèi)東，王宗江，等.基于本體的可重構(gòu)知識管理平臺(tái)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2003，9（12）：1136－1144.

[7］張東民，廖文和，胡建，等.基于本體的設(shè)計(jì)知識建模[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，33（5）：26－33.

[8］TOYOAKI N. A traveling conversation model for dynamic knowledge interaction[J]. Journal of Knowledge Management，2002，6(2)：124134.

[9］ZHUGE H. A knowledge grid model and platform for global know￣ledge sharing[J]. Expert Systems with Applications，2002，22(4):313－320.

[10］GUO Fei. Implement Webbased intelligent inference engine with J2EE technique[EB/OL].（2001－03－20）

[2006－05－24].http://www.chinapub.com/computers.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”