李曉輝
(中國科學院國家科學圖書館 北京 100190)
(哈爾濱師范大學圖書館 黑龍江哈爾濱 150025)
本體是語義網的重要內容。歷經十多年的發展,已在本體構建、本體匹配、本體學習、本體整合、本體演化、本體評價等方面取得了豐富的研究成果。目前Web上發布有大量本體,通過 Swoogle 可檢索到 10,000 多本體,本體復用的問題隨本體數量的增加而被研究者所關注。近年來,輕型本體的應用呈上升趨勢,一些簡單的本體,像FOAF、SKOS顯示了潛在的便攜性和持續性,被廣泛的復用,這樣的本體沒有沉重的公理化,僅僅對一個數據集提供一個形式化的語義描述,可以更加容易的構建和復用本體。本體模式(Ontology Pattern)是可以復用的解決方案,減少了不經過經驗豐富專家來構建本體的模糊和武斷性。基于以上原因,以復用經驗和解決方案為目的的模式思想進入了本體設計的研究視野。
模式最初出現在軟件領域,是編碼的最佳實踐,是人們面對同樣的軟件設計問題的經驗總結,有了模式,就可以利用其他人實踐經驗的精華。同時,在以模式驅動為代表的軟件開發方法中,模式自身也是一種重要的產物,定義良好的模式被覆用的幾率大大提高。模式在知識工程中出現是上世紀90年代中期,并被軟件工程的發展所驅動。隨語義網和本體工程的涌現,模式作為可復用的設計問題的解決方案被應用于本體工程。2004至2005年間,W3C成立了本體工程和模式任務組(Ontology Engineering and Patterns Task Force,OEP),并提出了本體設計模式(Ontology design patterns,ODPs)及其復用,主要是關于邏輯模式,表達領域獨立的建模問題的解決方案,用OWL 語言描寫。 2008 年,相似的倡議被 NeOn(Networked Ontologies)項目提出,建立了ODPs社區,并不斷地擴大數量和范圍,覆蓋各種類型的ODPs,它是時下最大的語義Web本體模式社區。曼徹斯特大學也維護著一個ODPs目錄——ODPs公共目錄(ODPs PUBLIC CATALOG),主要收集生物知識領域的ODPs。本體模式的會議(Workshop on Ontology Patterns,WOP)已于2009和2010年召開了兩次,WOP系列拓展了以前關于本體模式的研究范圍,包括了所有與本體相關的模式設計和用于語義Web的知識工程。從2009年的本體模式的國際研討會開始,相關研究漸多,基于模式的本體設計成為本體建設過程中一個重要的理念和方法。本文對本體模式研究的相關內容進行了全面的綜述,包括本體模式的概念、分類、特征、表達、創建、應用方法、工具及評價,以期對本體模式的研究現狀有個全面了解。
本文系統地回顧了三大語義國際會議ISWC(International Semantic Web Conference),ASWC(Asian Semantic Web Conference),ESWC (European Semantic Web Conference)出版物。總結了本體模式的研究方向(見表1)。

表1 本體模式的研究方向
相關研究共涉及到10個大的方向。各個方向被關注的程度不同,研究成果多少也不同。關于如何創建或分離模式,這一領域缺少足夠的研究,有些模式還未涉及到,如本體應用模式、本體構建模式等。概括的講,從時間上來看,模式作為工具被表達和使用,從2009年的本體模式的國際研討會開始,相關研究漸多,關于模式的鑒定(Pattern Identification)、模式的創建方法研究是從那時開始的,關于模式的評價研究從2008年到2009年之間開始。可檢索到的發表相關研究成果的研究機構90%在歐洲,許多成果由多家機構合作完成。得出這樣的結論是基于目前所看到的論文,在一個很短的時間周期之內,所以,還不能非常肯定是一種研究趨勢。
相關會議:在2005年國際語義網會議上,討論過語義Web本體模式。那時研究社團規模還很小,焦點在于討論可復用的OWL和RDF本體,至力于研究通用的開放問題。在知識工程與管理 (Knowledge Engineering and Knowledge Management,EKAW)-2008 會議上提出了本體工程模式。
主題會議:本體模式的會議 (Workshop on Ontology Patterns,WOP)至今已經召開了兩次,WOP系列拓展了以前關于本體模式的研究范圍,包括了所有與本體相關的模式設計和用于語義Web的知識工程。第一次基于模式的本體設計的國際會議于2009年10月在華盛頓與ISWC合作舉辦。這次會議有兩個目標:一是提供一個平臺來促進和討論優秀的實踐活動、模式、基于模式的本體設計等;另一目標是發展共享語言來討論和描述相關的問題及解決方案,以便模式能在研究團體內共享。WOP2010于2010年10在上海舉行,討論和收集目前關于本體模式的解決方案。具體主題涉及到:本體設計模式和基于模式的本體設計;特定知識領域的本體設計模式,漁業農業,商業模式等;抗-模式(Anti-patterns)及其與本體模式的關系;本體模式如何表達某些情境下數據的關系;合作本體設計和合作模式;本體匹配和整合的通信模式;處理和服務的過程模式;概念模式、大眾分類、詞典,敘詞的重組模式;本體模式和微形式化;本體設計模式和關聯數據;共同使用不同詞表的模式;關聯數據和相關應用的優秀實踐模式,語義社會網絡、語義維基(Semantic Wikis)、語義博客方面相關的優秀實踐模式等。第三次關于本體模式的會議于2012年11月在波士頓召開。這次會議涉及到的主題更加廣泛,分別是各類型模式研究、模式與其它語義技術使用、各領域的最佳實踐、支持基于模式的知識工程的工具、模式的評價等六大塊。
本體模式是一套本體元素、結構或構建原則,用來解決具體的工程問題,可再次使用,以準確復制或改編的形式出現在某些本體集中,或者出現在將來的本體中。本體模式分類是構建有用模式的最初階段,沒有對本體模式進行連貫和統一的分類,就沒有統一的詞匯用語來討論模式,不方便研究者和本體工程師之間的交流和進一步的工作。根據目前資料,共有兩種分類方式,一種是瑞典林雪平大學(Link?ping)Blomqvist的分類,一種是 NeOn的分類。
E.Blomqvist研究的本體模式按抽取和建立、結構和內容、抽象度和粒度等三個成對的因素來描述。并提出了四種本體模式:本體句法模式 (Ontology Syntactic Patterns)、本體應用模式(Ontology application Patterns)、本體構建模式(Ontology Architecture Pattern)和本體設計模式(Ontology Design Patterns)。
ODPs是一個建模解決方案,解決了一個可重復的本體設計問題。 ODPs的概念最初由 Gangemi提出,NeOn項目進行了更為詳細的論述,并精煉了ODPs的類型,建立了 ODPs 目錄,可在線獲得。

圖1 NeOn的本體設計模式類型
在NeOn研究的分類中。ODPs按其在本體構建過程中的功能不同,可分為內容 ODPs(Content-ODPs)、結構ODPs(Structure-ODPs)、詞匯-句法 ODPs(Lexico-Syntactic ODPs)、推理 ODPs(Reasoning-ODPs)、表達 ODPs(Presentation-ODPs)、通信 ODPs(Correspondence-ODPs)等六大類型,以及它們的子模式(見圖 1)。
E.Blomqvist分類覆蓋了本體發展的全過程,ODPs只是其中的一種。NeOn分類更關注于實際本體的構建,把所有的模式都叫做 “本體設計模式”(概念之間的相互關系見圖 2)。

圖2 概念之間的相互關系
關于本體模式的特征研究,目前可見的資料僅見于內容ODPs方面。內容ODPs的研究較完整清晰,其它類型模式的特征部分與其相似,如可計算、小型,自主等,不同之處有待后續研究。以下詳細說明內容ODPs的特征。
滿足需求組件 (Requirements Covering Components):內容ODPs要滿足本體構建中的某些需求,即滿足所謂的勝任問題(Competency Questions)。
可計算組件(Computational Components):計算機可讀可理解,內容ODPs是語言獨立的,并且應該用較高的描述語言,一般需要用OWL描述才能作為構建語義Web的積木。
小型、自主組件(Small,Autonomous Components):小是指一個內容ODPs通常只有2~10個類,及它們之間的關系,小方便圖形的可視化,自主指一個改變不會影響到另一個,每個內容ODPs都有獨立的意思,方便了本體設計者,方便組合內容ODPs,方便他們控制整個本體的復雜性。
層次化組件(Hierarchical Components):內容 ODPs 是有層次的,可通過具體化或一般化一些元素(類,屬性),來構建內容ODPs的上下層級。
可推理組件(Inference Enabling Component):一個內容ODPs允許一些形式的推理。
認知相關組件 (Cognitively Relevant Components):一個內容ODPs要包含中心概念,在給定的領域和任務內,更趨向理性的專家思維,便于認知。內容ODPs的可視化必須直觀,結構緊湊,抓住領域的核心觀念。
語言相關組件 (Linguistically Relevant Components):內容ODPs與語言模式有很好的匹配,如最豐富的倉儲Frame NetFrame,可以用來驗證內容 ODPs 關于詞匯的覆蓋面,為它們編入詞匯,被重組為內容ODPs。
最佳實踐組件 (Best Practice Components):內容ODPs用來描述最佳實踐,現在的內容ODPs質量需要依靠創建者的個人經驗和建議的品味,或模式重組的知識來源。
本體模式的表達,目前主要是應用模版表達方式。模版用來描述模式,包括:例子、情境、模式致力解決的問題,包含的要求和約束等。目前對于模版應包含哪些內容仍沒有共識。相關研究不多,NeOn的表達模版內容為:
名字(Name):ODPs 的名字;目標(Intent):ODPs 的目標,模式致力于的一般使用意向;可選題名(Also Known as):ODPs的可選題名;來源本體 (Extracted from/Reengineered from):提供模式來源或復用的參考本體或概念框架;需求(Requirements):與ODPs至力于解決的問題,用自然語言描述的能力問題(Competency Questions);圖表(Diagram):用 UML 圖表表示 ODPs;舉例(Example):為讀者提供一個可能的實際情景;元素(Elements):ODPs包含的元素,如類和屬性,及他們的角色;結果(Consequences):使用ODPs的優勢和協議;真實案例(Known uses):提供一個真實的使用ODPs的本體實例;相關模式(Related patterns):其他相關模式(如果有),包括是不是描述的模式的具體化 (Specialization)、一般化(Generalization)、組合(Composition),這里也可以描述其他的配合使用模式,及與其他模式的差異;積木(Building Block):包含用 OWL實現的ODPs的 URI,可復用組分的獲取和下載。
本體模式出現不久,因此ODPs還沒有達到足夠的規模。其中,內容本體設計模式、通信模式、命名模式、轉換模式的構建有相關研究。目前有三種構建方法:(1)由專家利用其經驗直接總結構建;(2)由其它非本體的知識資源重組而來;(3)從本體中抽取。第一種方式適用于所有類型的模式,后兩種方法已見于內容本體設計模式的構建。
目前關于內容本體設計模式研究較多。可被第二種方法應用的數據有:建模語言(Modeling Languages);概念模型(Conceptual models),如數據庫綱要,UML 圖,XSD 綱要;詞匯資源(Lexical resources),如 WordNet,FrameNet;概念框架(Concept Schemes),如敘詞,分類表,術語表;開放標簽系統(Open tag systems),如 Wikipedia,MySpace;關聯數據(Linked Open Data)等。在Eva Blomqvist研究中用到了分析模式 (Analysis pattern)、 目標結構(Goal structure)、項層本體(Top-level ontology)、數據模型(Data model)、認知模型分類(Cognitive pattern taxonomy)。 從這些現存的模型資源中重組內容ODPs。
對于第三種方法,目前主要是人工的方法,NeOn利用本體編輯器,人工判斷需要類和屬性,從源本體中移植內容ODPs所需元素,根據其致力于解決的問題,構成相關模式。
ODPs的復用是指使用可獲得的ODPs來解決發展新本體過程中各種不同建模問題的行為。本體設計模式的應用研究目前僅涉及到幾種模式,有內容本體設計模式、轉換模式、命名模式。包括應用方法指南和具體應用實踐。
隨著基于模式的本體設計的發展,ODPs的數量在不斷增長,為了復用交流,ODPs被有目的收集和存儲并發布,建立了 ODPs社區(ontologydesignpattern.org)。 社區的目標是收集ODPs,并提供合作,使有豐富經驗的人共同致力于最佳實踐的表達,社區支持ODPs的注冊和提交,通過共同建設豐富ODPs。概括的說,社區的作用是提供了一個空間存儲資源,同時提供平臺進行交流與共享。社區致力于收集應用于語義Web實踐發展的ODPs,希望提交的ODPs來源于實踐并有成功的本體發展經驗。社區支持ODPs生命周期的全過程,從模式的提出到評價、再到認證。社區于2009年開放,收藏注冊的可復用的模式類型有內容 ODPs、重組 ODPs、對齊 ODPs、邏輯 ODPs、構建ODPs、詞匯-句法ODPs。但目前來看,ODPs社區模式目錄的規模仍然很小,共收錄6大類130個模式,尚不能覆蓋所有的類型和領域。社區成立了專門的質量委員會,對提交的ODPs進行鑒定和發布。但模式的內容建設是一項長遠的工作,該社區和嚴格的軟件模式社區相比尚有差距,在線本體模式庫的建設還需要社區成員的共同努力。
ODPs應用的 XD(eXtreme Design)方法是一個合作的、互動的基于模式的本體設計方法。該方法的原理是:XD提出了兩個空間,一個是 “通用使用案例”(Generic Use Cases),是對優秀實踐的總結和編碼,以便在更廣范圍內通用,組成了本體的解決方案空間(Solution Space),這是本體設計問題的主要知識源,另一個是本體的問題空間(Problem Space),是對實際問題的描述,叫做“本地使用案例”。而XD方法就是兩個空間的匹配過程。如果二者相匹配,相關的ODPs即被選中,作為最終的解決方案的一部分,根據具體的指南和工具支持,最后被選中的模式可整合成最終解決方案(見圖3)。

圖3 eXtreme Design方法示意圖[23]
NeOn制定了詳細的ODPs使用方法指南,使ODPs的使用更容易和實用。ODPs使用的過程是本體任務需求與模式相匹配的過程。這些需求來源于本體需求的描述文檔,首先是確認本體建設需求集,再提供一套可復用的ODPs。在需求與模式匹配的過程中,不斷的細化需求,通過選擇合適的模式復用來首先解決小的需求,這些小需求與某些模式相匹配,最后再整合成一個完整的解決方案。共分為8步:①確認需求;②確認可獲得模式;③細分問題,選擇部分問題;④匹配選擇的細分問題與模式;⑤選擇模式;從倉儲中發現與建模問題匹配的ODPs;⑥應用或復用選擇的模式并組合;⑦評估和修訂部分問題,確認問題是否全面;⑧采用適合的ODPs,把ODPs與通信模型整合(概念化、形式化、執行)。最終結果是ODPs被整合到一個新本體中。
在內容本體設計模式選擇方面。目前還是根據關鍵詞來進行匹配。為領域建模問題找到適合的內容ODPs(選擇包括搜索、評價、可通過應用本體選擇和評價程序來完成這個任務),在實例匹配過程中,有精確或冗余匹配、上位匹配、下位匹配等三種情形。
目前,NeOn第一代工具已完成,成為其工具包的插件支持內容ODPs倉儲瀏覽、選擇、最佳實踐應用、具體化。XD對各種類型的ODPs都適用,目前僅實現了內容ODPs的應用。未來的工作是要包含所有的模式類型,給出不同的詳細指南。
XD提供了一組工具組件(見圖4),支持基于模式的本體設計行為。包括ODPs注冊瀏覽和ODPs詳細說明、XD 選擇器、XD分析器、XD向導 (Wizards)、ODPs出版對話 (ODPs Publish dialog)、XD 注釋對話 (XD Annotation dialog)。
ODps注冊和ODPs詳細信息視圖:通過這個組件用戶可以獲取一套可復用的OWL模式,可直接瀏覽,并在建模過程中直接利用,而不需要在本地存儲這些模式。當注冊樹中的模式被選中,其所有的OWL注釋也在ODPs詳細信息視圖中可見。

圖4 NeOn工具XD插件界面
XD選擇:提供兩種模式查詢方式,一種是通過簡單的關鍵詞,另一種是完整的CQ,結果返回一個可復用在當前本體工作的ODPs列表,點擊結果,可以在ODPs詳細信息視圖中顯示本體注釋的內容。
XD詳細化向導:這是XD提供的一個引導用戶具體化內容ODPs的組件,可以從導航視圖、ODPs注冊視圖或XD選擇結果視圖獲得,任務完成后,會出現一個可選的打開本體注釋的對話框,為創建的新的本體模塊增加注釋。
XD注釋對話:如果注釋屬性沒有由OWL/RDF提供,則用其他語言注釋本體。對于內容ODPs,支持CPA注釋框架。
XD分析器:目的是為用戶提供根據XD方法,在本體設計中遵循了哪些最佳實踐的建議和反饋,例如,缺少標簽和評論,單獨的實體,未使用的移植本體等。
目前只對內容本體設計模式和少數邏輯模式進行了評價,其它類型的模式的評價尚未展開。研究通過實驗對下述問題進行了初步評價:(1)模式的可用性;(2)模式能夠解決的問題;(3)已有模式的表述是否清晰,容易理解,模式表達對模式選擇的影響;(4)模式在本體設計中的效果,對本體構建速度和難易程度的影響;(5)本體構建中,模式的哪些屬性對構建的本體質量有影響,使用模式是否使本體質量“更好”;(6)模式如何使用,對模式選擇和使用有哪些要求。
研究通過人工參與的實驗來對模式進行評價。實驗中既有主觀觀點,也有客觀測量。對使用或未使用ODPs的情況進行比較。首先是對學生講解本體和OWL基本知識,練習建模,然后在規定時間內完成建構本體的任務和問卷。實驗結論,模式是有用的,并有實際的好處,但需要正確的培訓,并給出足夠的時間理解;使用模式使本體質量提高;模式與本體構建的速度,依賴于構建者對模式的熟悉程度;缺少從目錄中選擇與匹配模式的工具,目前僅有XD和OntoCase工具支持;內容ODPs作為構建本體的積木,而不是靈感。
本體模式的研究成為近年來本體研究的一個新內容,許多方面的研究還處在較宏觀、抽象的層面,人們對本體模式的認識較淺,尚有許多工作要深入繼續,主要有如下幾方面:
(1)模式的分類存在同名異義或同義異名問題。沒有被普遍接受的術語來定義不同類型的模式,新模式被不斷補充,如OPD第三次會議主題中提出了流程模式(Processes and services-process patterns),后續研究可能還會有新模式被提出。
(2)不同類型的模式研究不均衡。在貫穿本體整個生命周期的四種本體模式當中,有三種模式研究相對較少,沒有明確的說明,只有一個框架存在,只有本體設計模式研究相對較多;子模式研究的深度不同。內容本體構建模式被研究最多,而其它模式,如重組模式,構建模式,表達模式,研究相對較弱,有些模式還處于提出概念階段,沒有實際的模式實例,沒有相關的應用,如本體應用模式、本體構建模式。后續需要對這些模式的功能、表達做進一步研究。
(3)模式數量少,而且很通用。目前的模式數量少,領域覆蓋范圍也有限,為了能與研究問題匹配,以正確的方式被復用,需要更詳細的領域模式,需要進一步豐富模式倉儲。如何從現存本體之中發現或抽取模式?協助用戶應用ODPs。如何為模式發展更復雜的公理?使最終的模式更精確有用。
(4)工具和方法指南的缺乏。當使用模式時,對模式的選擇,只有XD工具和方法指南支持,而且僅支持內容ODPs的選擇。如何提供發現、匹配、選擇、調整、擴展、組合模式?模式選擇和復用如何實現半自動化?
(5)目前的評價研究還停留在模式的有效性判斷上。主要評價內容模式、轉換模式、命名模式。其它模式的有效性評價還未展開。以前NeOn的研究結論較概括,需要更量化的分析。在NeOn兩部分實驗的基礎上的相關深入研究。不同工具對內容ODPs支持效果;不同的方法對內容ODPs使用和有效性的效果;模式的表達對內容ODPs的用途和有效性的效果;任務表達、內容和本體規模大小對內容ODPs的用途和有效性的效果;其它類型模式的用途和有效性等。
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