基于Heraclitus II的數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)

鞠彥輝，牟冬梅

(1．渤海大學(xué) 管理學(xué)院，遼寧 錦州 121000；2.吉林大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

基于Heraclitus II的數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)

(1．渤海大學(xué) 管理學(xué)院，遼寧 錦州 121000；2.吉林大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

為了改進(jìn)當(dāng)前數(shù)字資源長(zhǎng)期保存技術(shù)存在的缺點(diǎn)，有效構(gòu)建數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)，在分析當(dāng)前基于本體的數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)存在的如本體集成度差、不能提供本體進(jìn)化時(shí)的時(shí)間語(yǔ)義信息、忽視一致性維護(hù)和更改傳播等缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了Heraclitus II雙時(shí)態(tài)本體模型及其應(yīng)用特點(diǎn)，主要基于Heraclitus II本體技術(shù)構(gòu)建了數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)。具體包括本體構(gòu)建和集成、協(xié)同本體管理、本體演化需求、本體演化過(guò)程等組件，詳細(xì)分析了各個(gè)組件的功能。研究結(jié)果表明，應(yīng)用Heraclitus II雙時(shí)態(tài)本體技術(shù)能有效構(gòu)建數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字資源長(zhǎng)期保存的要求。研究結(jié)果對(duì)新媒體環(huán)境下數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)的構(gòu)建有一定參考作用。

Heraclitus II本體；本體；長(zhǎng)期保存；數(shù)字資源

0 引 言

現(xiàn)在如圖書(shū)館、檔案館、文化機(jī)構(gòu)、科學(xué)組織和政府機(jī)構(gòu)等相關(guān)部門信息組織面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是數(shù)字資源的長(zhǎng)期保存和訪問(wèn)問(wèn)題。每隔幾年數(shù)字對(duì)象保存所依賴的硬件、軟件、數(shù)字資源、數(shù)據(jù)模型和標(biāo)準(zhǔn)就得升級(jí)或更換，數(shù)字對(duì)象保存需要持續(xù)和昂貴的維護(hù)成本。數(shù)據(jù)收集和內(nèi)容創(chuàng)作的加速，數(shù)字資源日益增加的復(fù)雜性意味著許多組織已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)保存的需要。數(shù)字資源長(zhǎng)期保存是指隨著時(shí)間的推移，長(zhǎng)時(shí)間保存和管理數(shù)字資源。它要求數(shù)字資源長(zhǎng)期、準(zhǔn)確無(wú)誤的存儲(chǔ)，在信息需求的整個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)能被檢索、獲取和解釋[1-2]。

元數(shù)據(jù)(metadata)和本體(ontology)已被證明是數(shù)字資源長(zhǎng)期保存的重要因素。然而，元數(shù)據(jù)是描述性的，它將一個(gè)對(duì)象作為一組屬性的記錄，這使得元數(shù)據(jù)在描述數(shù)字對(duì)象間存在的依賴關(guān)系時(shí)效率低下，特別是時(shí)間關(guān)系的描述，對(duì)數(shù)字資源保存過(guò)程來(lái)說(shuō)過(guò)于簡(jiǎn)單，數(shù)字對(duì)象之間關(guān)系的描述對(duì)長(zhǎng)期保存來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵的要求。此外，由于需要元數(shù)據(jù)有處理繼承的能力，對(duì)特定領(lǐng)域的要求來(lái)說(shuō)核心元素集的可擴(kuò)展性也是一個(gè)問(wèn)題。本體提供組織和表示知識(shí)庫(kù)語(yǔ)義的方法，以面向?qū)ο蟮姆绞绞褂帽倔w可以更好地描述數(shù)字對(duì)象之間的依賴關(guān)系[3-4]。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有主要的本體管理和演化方法如GATE，Ellogon，UIMA，Sesame &OMM，OntoView，PROMPT，KAON，SHOE等存在某些不足。首先，本體集成度差，很少采用本體的分層結(jié)構(gòu)。其次，缺乏捕獲和提高本體中時(shí)態(tài)信息的本體模型，不能提供本體進(jìn)化時(shí)足夠的時(shí)間語(yǔ)義信息。最后，本體演化的關(guān)鍵問(wèn)題，如一致性維護(hù)和更改傳播往往被忽視。

為了解決這些數(shù)字資源長(zhǎng)期保存中存在的問(wèn)題，文中研究基于Heraclitus II(赫拉克利特II)雙時(shí)態(tài)(temporal)本體分層結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)。

1 Heraclitus II雙時(shí)態(tài)本體模型簡(jiǎn)介

本體論模型描述不同組件之間復(fù)雜的關(guān)系，以及它們隨時(shí)間的推移與演化。為了捕獲需要保存的本體的時(shí)間因素，有學(xué)者提出了Heraclitus II雙時(shí)態(tài)本體模型[5]。概念、關(guān)系和實(shí)例是Heraclitus II本體的基本對(duì)象。Heraclitus II框架把本體作為信息管理語(yǔ)義豐富的知識(shí)庫(kù)，并提出這個(gè)知識(shí)庫(kù)管理和演化的方法。Heraclitus II采用本體分層結(jié)構(gòu)，從下到上依次為詞匯(Lexical)本體層、領(lǐng)域(Domain)本體層、數(shù)據(jù)源(Data Source)本體層和應(yīng)用(Application)本體層。低層代表更通用的、所有目的的本體，上層是為信息管理系統(tǒng)內(nèi)的某些用途定制。當(dāng)從底部到頂部穿過(guò)每一層時(shí)，每層復(fù)用和擴(kuò)展以前的層，這些通過(guò)使用相鄰層本體構(gòu)建單元(如概念、關(guān)系和實(shí)例)間的映射執(zhí)行。此外，當(dāng)一層擴(kuò)展它下面的層時(shí)(例如插入新概念)，這些擴(kuò)展傳播到較低的層。每一層由本體作者的不同群組保持，依靠每一層需求的專門知識(shí)。通過(guò)屬于同一層(內(nèi)層)或不同層(跨層)本體映射實(shí)現(xiàn)本體金字塔層級(jí)集成。

2 基于Heraclitus II雙時(shí)態(tài)本體的數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)構(gòu)建

為了有效管理數(shù)字資源相關(guān)的語(yǔ)義及其提供的服務(wù)，使用Heraclitus II構(gòu)建一個(gè)分層的數(shù)字資源語(yǔ)義知識(shí)庫(kù)。首先，根據(jù)研究的要求構(gòu)建每個(gè)本體層。其次，為了定義不同層的集成，在不同層間創(chuàng)建適當(dāng)?shù)逆溄樱瓿蒆eraclitus II本體金字塔的構(gòu)建。最后，實(shí)現(xiàn)本體演化。

2.1 本體構(gòu)建和集成

為了在數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)中應(yīng)用Heraclitus II框架，采取以下步驟。首先，根據(jù)研究需求構(gòu)建每個(gè)本體層。層間進(jìn)行彼此映射，以便被集成進(jìn)Heraclitus II本體金字塔。為建設(shè)每個(gè)本體層，需要指定參與的本體作者群體。本體映射取決于它們的范圍，它們的維持需要一或兩個(gè)作者群體共同努力。層內(nèi)本體映射被分配給負(fù)責(zé)相應(yīng)層的作者群。通過(guò)本體映射，本體金字塔層集成到一個(gè)可管理的模式。Heraclitus II本體映射由屬于同一個(gè)或不同層本體對(duì)象間的關(guān)系組成[10]。

在數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)中，使用本體的一個(gè)基本問(wèn)題是建立一個(gè)被所有不同背景的用戶接受的一致的本體版本。每個(gè)參與方，基于他們的專業(yè)知識(shí)和要求，對(duì)問(wèn)題有不同的概念化。在本體構(gòu)建和維護(hù)中，Heraclitus II多層次結(jié)構(gòu)通過(guò)分配給每個(gè)用戶組一個(gè)不同的角色來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在這種方式中，因?yàn)槊總€(gè)用戶組重點(diǎn)研究他們感興趣的領(lǐng)域，本體構(gòu)建的任務(wù)變得更加容易。

自頂向下的本體建模方法，不適合表達(dá)專家如何看待他們的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。在模型化一定領(lǐng)域中本體的層級(jí)分類可能引起嚴(yán)重的問(wèn)題。此外，為了完全覆蓋領(lǐng)域的所有方面，本體作者要付出大量的努力以創(chuàng)造用于邏輯推理的本體和元數(shù)據(jù)。Heraclitus II通過(guò)演化解決這個(gè)問(wèn)題，即使開(kāi)始的本體是不完整的，它可以通過(guò)一個(gè)有效的演化過(guò)程隨時(shí)間提高質(zhì)量。

為Heraclitus II進(jìn)行本體構(gòu)建與本體金字塔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在構(gòu)建Heraclitus II金字塔時(shí)，本體作者關(guān)心的主要問(wèn)題是“本體對(duì)象被放置在哪一層？”，有些情況下構(gòu)建的本體可以屬于一個(gè)以上的層。由于一層結(jié)束下一層開(kāi)始，這會(huì)引起混亂。在這種情況下，本體的作者必須達(dá)成一致協(xié)議，使用層間映射處理包括的層，在演化過(guò)程中可以修訂、糾正[11]。

2.2 協(xié)同本體管理的挑戰(zhàn)

在構(gòu)建和維護(hù)本體過(guò)程中，不同部分之間的協(xié)同是現(xiàn)代數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)一個(gè)重要的成功因素[12]。因?yàn)殡S著知識(shí)庫(kù)在規(guī)模和多樣性方面的不斷成長(zhǎng)，需要增加更多樣化的本體作者，以支持協(xié)同本體管理環(huán)境的一些重要任務(wù)。使用以下指標(biāo)評(píng)價(jià)Heraclitus II協(xié)同情況[13]。

知識(shí)集成：協(xié)同環(huán)境的一個(gè)基本任務(wù)是整合多個(gè)參與者的貢獻(xiàn)。Heraclitus II提供了一個(gè)由多方構(gòu)建和管理的多層結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)本體映射支持可重用性和集成。

并發(fā)管理：本體作者需要在知識(shí)庫(kù)不同部分同時(shí)工作。在知識(shí)庫(kù)同一部分由一個(gè)以上作者同時(shí)編輯的情況下，可能會(huì)導(dǎo)致沖突。Heraclitus II提供各種技術(shù)(非實(shí)時(shí))解決這個(gè)問(wèn)題，如并發(fā)版本系統(tǒng)(Concurrent Versions System，CVS)、維基(Wiki)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(peer-to-peer)為基礎(chǔ)的解決方案。

一致性維護(hù)：因?yàn)楸倔w通常反映每個(gè)作者的觀點(diǎn)，部分知識(shí)庫(kù)由不同作者開(kāi)發(fā)可能引起相互不一致。Heraclitus II提供結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義一致性維護(hù)機(jī)制和變更傳播以確保知識(shí)庫(kù)總是保持完全一致。

權(quán)限管理：為了保證知識(shí)庫(kù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)自己的專業(yè)、權(quán)限和責(zé)任，依需要給用戶分配不同級(jí)別的權(quán)限。通過(guò)給每個(gè)用戶組負(fù)責(zé)的層相同的特權(quán)，實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理的完整方案。

歷史維護(hù)：協(xié)同環(huán)境應(yīng)該提供從錯(cuò)誤恢復(fù)和解決知識(shí)庫(kù)意外變化的手段。為了能夠跟蹤變化的作者和防止重要信息的丟失，知識(shí)庫(kù)的所有變化都應(yīng)該記錄下來(lái)。

可擴(kuò)展性：知識(shí)庫(kù)多個(gè)部分長(zhǎng)期合作通常會(huì)增加其大小，協(xié)同環(huán)境不得不擴(kuò)展到更大的本體[14]。

2.3 本體演化需求

Heraclitus II框架在本體演化方面有一些需求特性。首先，演化過(guò)程對(duì)作者是透明的。Heraclitus II本體的分層方案為每個(gè)本體層定義相應(yīng)的作者。這些作者的任務(wù)是監(jiān)督本體的建設(shè)和維護(hù)。特別地，本體金字塔建設(shè)是半自動(dòng)的，通過(guò)聚類或分類算法輔助作者工作。在演化過(guò)程中，作者可能需要捕獲變化并復(fù)查系統(tǒng)捕獲的變化，從而改進(jìn)由此產(chǎn)生的本體質(zhì)量。一致性維護(hù)是Heraclitus II本體演化的另一個(gè)目標(biāo)。去除一個(gè)有子概念的概念會(huì)影響本體的一致性。執(zhí)行變化后需要一組操作保持一致性。這組操作或關(guān)注改變的本體，或關(guān)注依賴改變本體的其他本體。在后一種情況下，為了變化被傳播到依賴本體的相應(yīng)部位將考慮Heraclitus II元本體映射。例如，由于被刪除、合并或分裂，兩個(gè)映射概念之一不存在了，這也會(huì)影響到其他的映射概念。為了實(shí)現(xiàn)演化過(guò)程的進(jìn)一步自動(dòng)化，作者需要定義一致性維護(hù)操作集或傳播策略。通過(guò)定義涵蓋最常見(jiàn)不一致情況下的傳播策略以減少作者的負(fù)荷。然而，作者應(yīng)該能夠檢查所有提出的本體的變化，包括依賴的任何級(jí)聯(lián)影響。如果需要，允許作者通過(guò)重寫(xiě)傳播策略以保持對(duì)演化過(guò)程的完全控制。

本體演化過(guò)程也應(yīng)該是可逆的，即提供撤消一套本體變化回到一致性以前狀態(tài)的能力。主要有兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆性：每一組變化應(yīng)用后保持同一本體的不同版本，或通過(guò)保持演化的歷史數(shù)據(jù)，包含所有執(zhí)行變化的集合。為了實(shí)現(xiàn)高效的版本管理，所有本體版本需要互聯(lián)[15]。在這種情況下，可以應(yīng)用元本體描述不同版本之間的關(guān)系。此外，查詢進(jìn)化的歷史數(shù)據(jù)將提供本體結(jié)構(gòu)演化的時(shí)間信息。例如，通過(guò)分析其歷史信息捕獲概念表現(xiàn)出的時(shí)間運(yùn)動(dòng)的“概念漂移”現(xiàn)象，保存在策略知識(shí)庫(kù)中。使用時(shí)態(tài)關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，傳播策略里尚未被捕獲的概念之間的依賴性識(shí)別也是可能的[5]。

Heraclitus II本體演化的另一個(gè)目標(biāo)是一致性保存。這在兩個(gè)層次上進(jìn)行：結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義。解決因?yàn)樽兓瘜?dǎo)致本體結(jié)構(gòu)或語(yǔ)義產(chǎn)生的不一致。此外，特殊本體里產(chǎn)生的變化傳播到內(nèi)部(內(nèi)部改變的本體)，以及外部(依靠?jī)?nèi)外層映射的本體)，實(shí)現(xiàn)所有本體層同時(shí)演化。Heraclitus II本體金字塔建設(shè)是半自動(dòng)的，通過(guò)聚類或分類算法輔助進(jìn)行。為構(gòu)建每個(gè)本體層，需要指定的本體作者群參與。

2.4 本體演化過(guò)程

圖1 本體演化過(guò)程

使用Web挖掘和聚類技術(shù)自動(dòng)捕捉變化，或由作者手動(dòng)捕捉變化[16]。捕獲的變化主要是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。本體應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的變化源于本體使用方式的變化，被捕捉的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的變化源于本體中數(shù)據(jù)的變化。這種差異只影響變化產(chǎn)生的方式。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用以相應(yīng)的本體與應(yīng)用持續(xù)正常運(yùn)行相一致的方式修改時(shí)，在應(yīng)用層捕獲應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的變化。被捕獲的本體變化包括在概念間插入新關(guān)系。進(jìn)一步的改進(jìn)包括創(chuàng)建新的類別、去除現(xiàn)有的類別以及改變概念所屬層次的水平。每當(dāng)數(shù)據(jù)源的結(jié)構(gòu)修改時(shí)在數(shù)據(jù)源層發(fā)生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的變化，例如一個(gè)新的主題分類加到一個(gè)門戶網(wǎng)站或一個(gè)主題分類分為更多新的分類。在領(lǐng)域?qū)樱瑥念I(lǐng)域的變化捕獲數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的變化。例如，當(dāng)一個(gè)新公司介紹到該領(lǐng)域或發(fā)生合并時(shí)，模型化一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域的本體需要更新。在詞匯層，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的變化關(guān)系語(yǔ)言上詞典編纂的變化。

本體演化周期的下一步是不一致性檢測(cè)和解決方案。由于檢測(cè)到本體的變化或依賴本體的變化，每個(gè)捕獲的變化都可能導(dǎo)致不一致[17]。不一致檢測(cè)在兩個(gè)層面進(jìn)行：本地(本體內(nèi)部的改變)和遠(yuǎn)程(獨(dú)立本體)。在第二種情況下，元本體(metaontologies)用于抽取不同層相同本體間的關(guān)系；基于這些關(guān)系，確定受影響的本體部分。

變化及其結(jié)果建立后，讓作者審查到目前為止演化過(guò)程的結(jié)果。在這一階段，涉及相應(yīng)的受影響的本體層的作者。

在演化的后一階段，審查應(yīng)用和傳播的變化。特別地，修改各層本體以適應(yīng)在演化第一階段捕獲的變化，以及通過(guò)認(rèn)可的傳播政策展示的傳播結(jié)果。

最后，元本體包括在與前一階段的應(yīng)用變化對(duì)齊的不一致解決方案中。例如，元本體含有兩個(gè)實(shí)例映射，其中一個(gè)被刪除就需要更新。因此，在元本體上執(zhí)行一個(gè)新的演化周期。變化捕獲階段識(shí)別元本體的變化。任何不一致都被檢測(cè)并用適當(dāng)?shù)膫鞑ゲ呗越鉀Q。這個(gè)周期執(zhí)行期間唯一的區(qū)別是除了修改沒(méi)有傳播到元本體，因?yàn)樵倔w之間沒(méi)有依賴關(guān)系。作者審查后，更新元本體保存一致性狀態(tài)[18]。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中構(gòu)建了基于HeraclitusII本體的數(shù)字資源保存系統(tǒng)模型。提出的知識(shí)庫(kù)分層結(jié)構(gòu)定義了不同類型的保存本體，在本體作者不同群體中分配責(zé)任。這種架構(gòu)的本體(從通用的到專業(yè)的)通過(guò)本體映射集成。詳述了本體構(gòu)建、協(xié)同本體管理、本體演化需求、本體演化過(guò)程等內(nèi)容。研究結(jié)果對(duì)新媒體環(huán)境下數(shù)字資源長(zhǎng)期保存系統(tǒng)的構(gòu)建有一定的參考作用。

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Long-term Preservation System of Digital Resources Based on Heraclitus II

JU Yan-hui1，MU Dong-mei2

(1.Management School of Bohai University，Jinzhou 121000，China；2.School of Public Health，Jilin University，Changchun 130021，China)

In order to improve the shortcomings of current long-term preservation technology of digital resources and effectively construct long-term preservation system of digital resources,based on the analysis of the problems such as poor ontology integration,not providing time semantic information of ontology evolution,neglecting consistency maintenance and propagating changes of long-term preservation system of digital resources based on ontology,the Heraclitus II bitemporal ontology model and its application characteristics are introduced.It mainly constructs long term preservation system of digital resources based on Heraclitus II ontology technology in this paper.The system includes the ontology construction and integration,ontology collaborative management,ontology evolution requirements,ontology evolution process components,and the function of each component is analyzed in detail.The research indicates that long-term preservation system of digital resources can be effectively constructed based on Heraclitus II bitemporal ontology technology,achieving requirements of long-term preservation system of digital resources,which gives a certain reference to construct long-term preservation system of digital resources under the environment of new media.

Heraclitus II ontology;ontology;long-term preservation;digital resources

2015-06-12

2015-09-16

時(shí)間：2016-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71273111)

鞠彥輝(1974-)，男，副教授，碩導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)樾畔①Y源管理。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1630.038.html

G250.76

A

1673-629X(2016)03-0172-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.040