語義Web本體語言OWL2研究

張曉丹，李 靜，張秋霞，尚子華

（1.黃河科技學院 現(xiàn)代教育技術中心，河南 鄭州 450000；2.鄭州市煤炭監(jiān)察執(zhí)法支隊監(jiān)控科 河南 鄭州 450000）

語義網(wǎng)是一種能夠理解人類語言的智能網(wǎng)絡，語義網(wǎng)的出現(xiàn)不僅使人與電腦之間的交流變得輕松，而且語義網(wǎng)中的計算機還能利用自己的智能軟件，在萬維網(wǎng)上的海量資源中找到所需要的信息，從而將一個個現(xiàn)存的信息孤島發(fā)展成一個巨大的數(shù)據(jù)庫。近幾年來，關于語義網(wǎng)的研究很多，主要集中于對本體的討論上，包括本體的基本涵義、形式化表示、本體的構建、本體語言以及基于本體的各種理論探討與試驗應用。OWL（Web Ontology Language）是一個本體語言，用于帶有形式化定義含義的語義網(wǎng)，本文是在介紹本體語言的基礎上，研究OWL2 Web本體語言的新特性及其原理，對本體語言做進一步的研究。

1 本體語言

從W3C到美國和歐盟的科研項目，不同的研究團體針對語義網(wǎng)表達提出了不同的建議和語言，這些語言構成了語義網(wǎng)的基礎。

DAML：DAML（DARPA Agent Markup Language）委員會于1999年在美國成立。當時，已被建議為W3C標準語言的RDFS，由于微弱的語義表達能力不能滿足DAML的需求，為此，DAML吸取面向?qū)ο笳Z言和基于框架的知識表達語言方面的經(jīng)驗擴展了RDFS，形成了新的本體建模語言DAMLONT[1]。

OIL：歐洲信息技術委員會研究設計的本體描述語言OIL（Ontology Inference Layer），將基于框架的本體建模原語、萬維網(wǎng)標準語言以及描述邏輯（DL）中簡單且定義完好的語義描述部分結合起來，為大多數(shù)Ontology中常用的建模原語提供了簡單、清楚和定義完備的語義，并提供了自動的推理支持（如類的一致性和包容關系的檢查）[2]。

DAML+OIL：DAML+OIL是上述歐美兩個組織共同協(xié)商的產(chǎn)物，它從描述邏輯入手，建立于W3C組織的標準RDF和RDFS之上，并且以更豐富的建模原語擴展了RDF和RDFS。DAML+OIL的目標是使智能主體（Agent）能夠動態(tài)地識別和理解信息資源，并以語義方式提供代理之間的互操作[3]。

OWL：W3C組織總結了以上幾種語言的開發(fā)經(jīng)驗，于2004年2月正式推出了OWL本體語言。圖1是本體表示模型和語言關系圖[4]。

2 OWL語言

2.1 OWL介紹

圖1 本體表示模型和語言關系圖Fig.1 Ontology representation model and language diagram

OWL（Ontology Web Language）是 W3C（World Wide Web Consortium）于2004年開發(fā)的一種本體語言，即第一版本的OWL本體語言（以下簡稱為OWL1），用于對本體進行語義描述。對OWL的設計最大的影響是來自DAML+OIL、描述邏輯、框架和 RDF（S），OWL是DAML+OIL的修訂版，其語義受到描述邏輯的影響，本體知識的組織方式受到框架的影響，交換語法是基于RDF/XML。另外，OWL1定義了3種子語言，分別是 OWL Lite，OWL DL和 OWL Full。從語法上來說，OWL Lite本體中類的層次結構最簡單，只適合用來描述具有簡單約束的本體；OWL DL的基礎是描述邏輯（Description Logics），可以進行自動推理，表達能力也相應較強；OWL Full是3個語言中表達能力最強的，適合那些需要強大表達能力的場合，但不適用于進行自動推理。

2.2 OWL1的組成

1）類（class）：類定義了一組共享某些屬性的個體所組成的集合。OWL1中描述類的構詞有Class，one Of；描述類運算式 的 構 詞 有 valuesOf，intersectionOf，unionOf，complementOf；描述類公理的構詞有類存在，subClassOf，equivalectClass以及disjointWith等。

2）屬性（Property）：屬性是個體之間的二元關系，在描述邏輯中，它們就是角色（Role）的概念，用于說明個體之間或個體到數(shù)值間的關系。OWL1中有大量的構詞用于描述屬性，比如 ， equivalentProperty，inverseOf，TransitiveProperty，Symmetric Property，F(xiàn)unctionalProperty和 Inverse FunctionalProperty用于描述屬性特征；allValuesFrom，someValuesFrom以及hasValue用來約束屬性的值域；minCardinality，maxCardinality和Cardinality則是用來約束屬性取值的數(shù)量。

3）個體（individual）：個體是類的實例（Instance），代表領域中我們感興趣的對象，可以用屬性將一個個體與另一個個體關聯(lián)起來，在OWL1中不使用唯一命名假設，即兩個不同的名稱可以對應一個個體。OWL1中有3種描述實例約束的構詞分別是 sameAs，differentFrom和 allDifferent[5-6]。

2.3 OWL2

OWL2是W3C于2012年提出的，是在OWL1的基礎上對OWL本體語言的擴展，并繼承了它的語言特性、設計決策和用于OWL1的用例。OWL2在OWL1提供的類、屬性、個體及數(shù)據(jù)值的基礎上又添加了一些新的功能，這些新功能中有一些是語法上的改進（例如，“語法糖”，類的不相交并集），其它的則是提供了新的表達能力，包括：鍵 （keys）、屬性鏈（property chains）、更豐富的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)定義域、有條件的基數(shù)限制、非對稱屬性、自反屬性和不相交屬性、增強的注釋能力，增強了對屬性的表達能力、對數(shù)據(jù)類型的擴展支持以及擴展的注釋能力。OWL2也定義了3種不同的配置語言：OWL2 EL，OWL2 QL和OWL2 RL，它們是能更好地滿足特定的性能需求或者更易于實現(xiàn)的OWL2的語言子集。每種配置語言都定義為“OWL2結構化規(guī)范”的一個語法限制，即作為可用于相容本體（conforming ontology）的結構化元素的子集，并且它們都比OWL DL更具有限制性。

3 OWL 2的新功能及基本原理

3.1 語法糖

OWL1提供的disjointWith僅表示兩個類之間的兩兩不相交，OWL2在此基礎上提供了語法糖— DisjointUnion和語法糖—DisjointClasses。其中，DisjointUnion表示兩兩不相交的其他類的集合類，DisjointClasses可表示多個類之間的兩兩不相交。另外，OWL2提供了 OWl 2:Negative Object Property Assertion和Owl 2:NegativeDataPropertyAssertion用來表明一個給定的對象屬性或者數(shù)據(jù)屬性沒有被該個體擁有，改進了OWL1僅提供了個體所有的屬性值而并未提供一個判斷該個體沒有某值的概念。OWL2語法糖具體描述與示例如表1所示。

表1 語法糖Tab.1 Syntactic sugar

3.2 屬性新結構

OWL 1主要集中于類和個體的信息表達，在屬性的表達上存在較少的注意力。OWL 2為屬性的額外限制、新特征，不兼容性、屬性鏈和鍵的表達提供了新的結構。比如，OWL1僅僅限制了屬性的實例數(shù)，OWL2則在此基礎上新添加了基數(shù)限制：ObjectMinCardinality、ObjectMaxCardinality、Object Exact Cardinality、DataMinCardinality、DataMaxCardinality、Data Exact Cardinality。 例 如 ，ObjectExactCardinality （1:hasDirectPart:FrontalLobe），表示對象類恰好有 1個 frontal lobe類型的direct part。再如，OWL1沒有提供方法將屬性定義為其他屬性的組合，就像定義“uncle”時需要用到兩個或兩個以上屬性（例如brother和father），因此，不可能將一個屬性 （例如locatedIn）與另一個屬性 （例如part of）一起傳遞。在一個SubObjectPropertyOf公理中的OWL2結構Object Property Chain允許將屬性定義為若干屬性的組合。另外，OWL1沒有為定義鍵提供方法，OWL2結構HasKey允許為給定的類定義鍵。屬性新結構如表2所示。

3.3 擴展數(shù)據(jù)類型的能力

1）額外數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)類型限制

DatatypeRestriction（DT F1 lt1...Fn ltn），其中 DT是一個一元數(shù)據(jù)類型，F(xiàn)i ltl，1≤i≤n是一對約束 facet和 literal。例如，DataTypeRestriction （xsd:integer minInclusive 18）表示xsd:integer是一個下限為18的數(shù)據(jù)類型。該特性彌補了OWL1不支持數(shù)據(jù)類型的任何子集的缺陷。

2）N元數(shù)據(jù)類型

OWL1無法表示一個對象值之間的關系，例如表示一個正方形是一個長和寬相等的矩形。OWL2包括了n元數(shù)據(jù)類型所需的語法結構，以為擴展提供了公共基礎。例如，DataAllValuesFrom（:admissionTemperature:current Temperature Data Comparison （Arguments （x y）leq （x y）））表 示 一 個adminssionTemperature不大于其currentTemperature的個體。

表2 屬性新結構Tab.2 The new structure attributes

3）數(shù)據(jù)類型定義

針對OWL1只能通過一個類的描述定義一個新類，而不能定義一個新的數(shù)據(jù)類型的情況，OWL2提供了定義數(shù)據(jù)類型的新結構：DatatypeDefinition（{A}DT DR），其中 DT是一個數(shù)據(jù)類型，DR是一個數(shù)值范圍。例如：DatatypeDefinition （:adultAge DatatypeRestriction （xsd:integer minInclusive 18））定義了一個新的數(shù)據(jù)類型 adultAge:至少18 的 xsd:integer。

4）數(shù)據(jù)值域組合

OWL1允許類的結合以構建新類，但不適用于數(shù)據(jù)類型，但OWL2允許這種方法：

DataIntersectionOf （{A}DR1...DRn）其中 DRi，1≤i≤n代表數(shù)據(jù)范圍；

DataUnionOf（{A}DR1...DRn）；DataComplementOf（{A}DR）。

3.4 擴展的注釋

OWL2除了允許對本體、實體進行注釋外，還允許對匿名個體、公理以及注釋本身作注釋。

本體實體和匿名個體的注釋：AnnotationAssertion（{A}AP s v），其中AP是一個注釋屬性，s是一個IRI或者一個匿名個體，v是一個literal，或者一個IRI，或者一個匿名個體。

公理、注釋以及本體的注釋：Annotation{A}AP v），其中 AP是一個注釋屬性，v是一個literal，或者一個 IRI，或者一個匿名個體。

注釋屬性的子屬性：SubAnnotationPropertyOf（ {A}AP1AP2），其中AP1和 AP2是注釋屬性。例如：Sub Annotation Property Of（:narrow_synonym:synonym）中屬性:narrow_synonym是:synonym的子屬性。

注釋屬性的定義域：AnnotationPropertyDomain（{A}AP U），其中AP是注釋屬性，U是一個IRI。

注釋屬性的值域：AnnotationPropertyRange（ {A}AP U）， 其 中 AP是 注 釋 屬 性 ，U是 一 個 IRI。 例 如 ， 例 子AnnotationPropertyRange（FMA:UWDAID xsd:positiveInteger）表示FMA ID是一個正整數(shù)。

3.5 其他創(chuàng)新

在OWL1中，實體可以直接使用而無需預先聲明，因此無法保證實體名在不同的公理中都能匹配，如果出現(xiàn)實體名不匹配的情況，沒有辦法查找錯誤。在OWL2中引入了實體聲明，一個聲明意味著實體是本體詞匯表的一部分。聲明也使實體類別（類、數(shù)據(jù)類型、對象屬性、數(shù)據(jù)屬性、注釋屬性或個體）與被聲明的實體間建立了關聯(lián)。

1）聲明：Declaration（AE），其中 A 是一個注釋，E 是一個實體。 例如，例子 Declaration（Class（:Person））表示:Person 被聲明為一個類。

2） 頂 層 和 底 部 性 能 ：topObjectProperty、bottom Object Property、topDataProperty、bottomDataProperty。

3）IRIs （Internationalized Resource Identifiers）：OWL1 中使用的統(tǒng)一資源定位符 （URL）是ASCII的一個子集，而ASCII只包含了英語字母表中的字符，這對于非英語名稱有局限性的。因此，OWL2使用了國際化資源標識符（IRI）[RFC3987]來標識本體及其元素。

4）引入和版本：Ontology（[O[V]]{Import（O′）}{A}{AX}），其中，[O]和 [V]表示零或一個本體和版本IRIs，{Import（O‘）}表示零或多個引入，O’是一個本體 IRI，{A}是零或多個注釋，{AX}是零或多個公理。

5）Anonymous Individuals：相比OWL1中匿名個體作為無標識符的個體引入，OWL2中匿名個體是使用節(jié)點ID標識的，并且OWL2中匿名個體的處理與OWL1完全向后兼容。

6）逆屬性：通過規(guī)避給逆屬性命名的需要，OWL2中的屬性表達式可以在類表達式中直接使用。例如，OWL1的逆屬性公理 ObjectProperty（：hasPart inverse：partOf），在 OWL2中可以用公理 InverseObjectProperties（：hasPart：partOf）表示。

4 結 論

雖然OWL2在OWL1提供的類、屬性、個體及數(shù)據(jù)值的基礎上又添加了一些新的功能，增強了對屬性的表達能力、對數(shù)據(jù)類型的擴展支持以及擴展的注釋能力，使得Web本體標準語言更加強大，但基于OWL2的本體實際應用還存在許多不足，離建立符合語義網(wǎng)構想的WWW頁面或網(wǎng)站還有相當?shù)木嚯x。如何規(guī)范與標準本體的編制用以指導中文網(wǎng)絡本體的構建，如何建立具有一定實用價值的詞匯集（Vocabulary）及推理機制，是當前需要繼續(xù)深入探索和不斷努力實踐的任務 。

[1]Horrocks I，van Harmelen F，Patel－Schneider P，et al.The revised language specificat ion－daml+oil[EB/OL].http://www.daml.org/2001/03/daml+oil，2001－06－06.

[2]D.Fensel，I.Horrocks，F(xiàn).van Harmelen，D.McGuinness and P.Pate－l Schneider.OIL:An Ontology infrastructure for the Semantic web[J].IEEE Intelligent Systems，2001，16:38－45.

[3]Frank van Harmelen，Pater F.Pate－l Schneider，Ina Horrocks.A Mode－l Theoretic Semantics for DAML+OIL （ March 2001）.World Wide Web Consortium[EB/OL].http://www.w3.org/TR/2001//NOTE－daml+oil－axioms，2001－12－18.

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[7]Jie bao，Elisa F.Kendall，Deborah L.Mcguinness，et al.OWL 2 Web Ontology Language Quick Reference Guide[EB/OL].[2009－10－27].http://www.w3.org/TR/2009/REC－owl2－quickreference－20091027/.

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