頂層本體GFO在中醫藥領域本體構建中的應用展望

龍海，賈李蓉，朱玲，朱彥*.萊比錫大學醫學信息統計學暨流行病學研究所ONTO-MED課題組，德國 萊比錫 0403；.中國中醫科學院中醫藥信息研究所，北京 00700

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頂層本體GFO在中醫藥領域本體構建中的應用展望

龍海1，賈李蓉2，朱玲2，朱彥2*
1.萊比錫大學醫學信息統計學暨流行病學研究所ONTO-MED課題組，德國 萊比錫 04103；2.中國中醫科學院中醫藥信息研究所，北京 100700

摘要：論述中醫藥頂層本體構建的必要性及研究現狀，并探討其構建的難點和復雜性。通過比較分析主流頂層本體的特點和區別，闡述了頂層本體GFO（general formal ontology，通用形式化本體）在中醫藥頂層（領域）本體的構建過程中的獨特優勢，并提出基于GFO構建中醫藥頂層本體的倡議，展望未來可能研究的思路和方向。

關鍵詞：本體；頂層本體；通用形式化本體；中醫藥本體；中醫藥

【引文格式】龍海,賈李蓉,朱玲,等.頂層本體GFO在中醫藥領域本體構建中的應用展望[J].中國中醫藥圖書情報雜志,2016, 40(1):15-20. DOI: 10.3969/j.issn.2095-5707.2016.01.003

第一作者：龍海，助理研究員，研究方向為領域本體知識庫建模及本體應用。E-mail: longhail2008@yahoo.de

近年來，對于傳統中醫藥領域的頂層本體理論、知識庫建模以及相關應用的研究工作開展得越來越多。如何以頂層本體為框架，來構建中醫藥領域本體，業內討論也很多，但一直存在著一些不同的觀點和看法，在基礎理論、技術實現等方面都面臨著一些難點有待突破。本文提出基于GFO （general formal ontology，通用形式化本體）構建中醫藥頂層本體的倡議，并展望未來可能的研究思路和方向。

1 中醫藥頂層本體現狀

1.1 中醫藥頂層本體構建的必要性

傳統的中醫學理論有著獨特的體系架構，其知識背景，無論是哲學起源，還是中醫藥術語的語義和語境，都與西醫的知識體系有著極大的差異。如果按照西醫理論去詮釋中醫藥概念和術語，不顧及其發展規律和特殊性，在建立基于某個頂層本體的中醫藥本體知識庫的時候，很容易產生語義表達的二義性的問題。另一方面，正如高成勉等[1]所指出的，學術界在建設本體的過程中始終存在著一種“閉門造車，各自為戰”的傾向，這種傾向對于知識共享和互通原則背道而馳，對于在構建本體過程中通向概念模型的形式化和規范化的目標也是極為不利的。所以，若以中醫藥領域的本體研究為出發點，并考慮現存于中醫藥學語言系統（TCMLS）中的有待解決或改進的熱點問題[2]，應很有必要對不同的頂層本體理論加以比較和討論，從中甄別出最適合中醫藥領域的頂層本體模式，以便將來更好地構建中醫藥知識庫的領域本體，使之更能適應和滿足來自各個方面的實際需求，比如提升文獻關鍵字的搜索效率或測試解決概念本身存在的歧義性問題。

1.2 中醫藥頂層本體構建現狀

在整個生物醫學信息學領域中，一體化醫學語言系統（UMLS）是最早建立的術語本體，其語義網絡（semantic network, SN）框架被很多本體采納為頂層的語義框架。但是由于該語義網絡主要用于對不同來源的術語分類提供頂層的語義框架，沒有遵循嚴格的本體原理來構建，也沒有使用語義Web的標準格式OWL DL作為形式化的表達語言，在本體的共享、重用及邏輯推理能力上存在先天不足[3]。現有的生物醫學本體大都基于基本形式本體（basic formal ontology, BFO），并遵循開放的生物學本體工場（open biological ontologies foundry, OBO Foundry）框架來構建。OBO規定了一套本體構建和共享原則，能有效解決在不同的領域本體之間進行映射和本體復用。目前OBO本體集中了150多個本體，大部分是術語本體，如基因本體（gene ontology, GO）、解剖實體本體（anatomical entity ontology, AEO）等[4]。但BFO是一個主要面向生物醫學領域的頂層本體，在它創建的過程當中并沒有考慮到中醫藥領域的特殊要求和實際需求，并且它的本體范疇的體系架構也相對簡單，是一種二維平面型架構。而其他的頂層本體或多或少也存在這樣的問題，這不利于對中醫藥領域的知識庫進行本體建模[5]。

在中醫藥領域，已有少數學者對頂層本體的構建進行了探索性研究。中國中醫科學院中醫藥信息研究所開發的UTCMLS，借鑒本體論方法，對中醫藥概念、術語進行研究梳理與完善；借鑒UMLS方法，根據中醫藥語言特點，建立大型語料數據庫及語義網絡，將語言學與中醫藥學知識體系有機結合在一起[5]。高成勉等[1]提出構建中醫頂層本體的原則及構建中醫頂層本體時整合和取舍的方法，并基于頂層本體SUMO（suggested upper merged ontology，推薦上層合并本體）和中醫藥語言系統的語義網絡框架，在中醫頂層本體的構建上做出了初步探索。

在考慮采用某個頂層本體作為領域本體的上層框架時，需要考察其兼容性、結構化程度、形式化程度、成熟度及開放性程度等方面[6]，以期達到更好地在領域內進行知識共享和重用的目的。正如高誠勉等[1]指出，中醫頂層本體必須包括一般科學的概念接口、一般生物醫學的概念接口及中醫的最高層的抽象概念。筆者通過對已有主流頂層本體進行比較分析，認為GFO較好地滿足了上述要求[7]。

2 中醫藥頂層本體構建的復雜性和難點

2.1 中醫藥學的復雜性

中醫藥學與中國傳統文化有著密不可分的關系。一方面，中國古代哲學如陰陽五行、精氣學說等，不僅奠定了中醫理論的哲學基礎，還直接構成了中醫的理論和概念；中醫學還受到儒、道、佛等哲學思想的影響。另一方面，中醫藥理論不但研究構成和維持人體生命活動的基本物質和運行模式，還包括人與外界環境（包括自然環境和社會環境）的統一性。中醫藥學不但涉及多個自然科學的學科（如天文、氣象、地理、物候、數學等），還涉及相關的社會科學和人文科學。要建立中醫藥頂層本體，首先要劃好邊界，厘清與其他學科的關系；其次，還要對陰陽五行精氣等哲學范疇進行本體化探索和表達；最后，還要兼顧自然、社會和人文三大領域。顯然，這是需要多領域的相關專家相互配合、逐步完成的一項巨大工程。

2.2 思維方式的本質差異

與西方基于實證主義、推理的方法不同，中國傳統文化的主流是直覺認知，使用天人合一、整體觀的思想來認識事物。中國人從整體上認識復雜事物，而不是把復雜事物分割成一個個單元來認識，找出這些基本單元的規律，再用邏輯通過這些基本單元推出整個復雜系統的規律[8]。中國古代哲學對待物質本原與西方不同，不是向內尋找構成世界的物質元素，而在于研究物質世界表露于外的動態品性和行為功能，即所謂“象”[9]。由此產生中醫藥理論之取類比象、整體觀念、辨證論治等，都體現了這種思維方式[10]。使用通用的形式化語言對中醫獨特的思維和觀念進行表達，無疑是巨大的挑戰。

2.3 與其他本體的兼容問題

構建本體的主要目的是為了實現知識共享和重用，頂層本體的主要意義更在于此。目前，業內已構建了不少領域本體，但是還未出臺相關標準。為適應本體交換時的規范化要求，在本體構建過程中需要參考大量本領域和其他領域本體的表示方法。即對中醫藥領域的頂層本體的構建而言，一方面，需要參考大量已有的下層領域本體，保證向下向后兼容，使得以后新建的下層領域本體能順利繼承和重用頂層本體，而已有的本體也能方便地進行重構，完成與頂層本體的映射；然而目前開放可獲得的中醫藥領域本體非常少，將會給頂層本體的構建帶來素材收集上的困難。另一方面，目前生物醫學領域雖然已有大量可供參考的、成熟的、公開的本體，但由于其構建基礎、思維和觀念的差異，其參考價值大打折扣，要進行知識上的重用和映射則非常困難。

2.4 本體構建具體操作中的困難

一方面，在概念和術語的捕獲上，中醫藥領域存在的語義表達的多義性、模糊性更為普遍，帶來了概念術語標準化上的困難；用自然語言描述時的多義性與用形式化語言描述的確定性之間需要平衡，需要領域專家對知識的準確理解和內涵外延的精確把握[11]。另一方面，在概念體系構建方面，中醫基礎理論的概念體系是由陰陽、五行、臟象、經絡、氣血津液、體質、病因、養生、預防、治則和五運六氣等組成，每一學說都有相對獨立的概念體系，各種學說的概念之間的關系，尚未形成完整統一的清晰的層級化結構[12]。相比較具體的領域本體，中醫藥頂層本體涉及的概念往往更為抽象，如氣、陰陽等概念的內涵和外延在學界尚未達成共識。所以，中醫藥領域頂層本體的構建面臨的困難和問題將更為復雜。

3 GFO的獨特優勢

3.1 整合現實主義和多元文化認識論

據德國學者Heinrich Herre[13]的觀點，GFO頂層本體所主張的整合現實主義（integral realism）和張東蓀主張的多元文化認識論（pluralistic epistemology。或稱為多元交互主義，pluralistic interactionism）在思想上是一脈相承的[14]。即GFO是致力于建立一個博采中西之所長、兼收并蓄的頂層本體，這為將來的中西文化匯通及中西醫的匯通提供了可能性。經歸納總結，兩者至少具有以下3個方面的共同點。⑴都假設真實世界的存在是與主體無關的。⑵GFO主張物質（material）應該被理解成是某種結構而不是某種實質（essence），現實世界的某種物質對象可以被看作是一種隨著時空產生的可變化的過程，在張氏的多元認識論中，這被稱之為外界條理的連續性，在GFO中，被定義為在某個時間邊界（time_boundary）完整呈現出來的即時體（presential），作為某個持續體（persistant）的一個實例，也體現了張氏所主張的外界條理的原子性原則。⑶從認識論的觀點，兩者都主張對外在客觀的認識應該從現實的不同層面來加以研究分析。GFO將某種特定范疇的元-范疇稱之為本體層（ontological_layer），分為層次（stratum）和層面（level）。層次分為物質層、精神層、社會層；層面是某個層次的一部分，分別是意識層面、生物層面、化學層面、人格層面及物理層面（見圖1）。GFO認為，世界上的每個實體都參與到不同的層次和層面，人們對外界范疇的認識也發生在這些不同的層次和層面，這些層次和層面之間是相互作用和相互依賴的關系。這正好和張氏的多元交互主義遙相呼應，張氏主張知識來自于感相與格式以及設準等“合并的產物”，知識雖是“投外的造成者”（projective constructs），但它必有所據，所據被稱之為“所與”（given），但是又不僅是由所據造成，而是另外有外部因素對它施加影響[14]。張氏認為，知識又是與文化相互影響的，知識受到文化的限制。知識與文化每個層面里面又各自包含多個交互作用，其一是知識以內的感覺、知覺與概念及外在的架構四者互相影響；其二是文化后面的言語、邏輯、哲學及社會政治思想等四者互相影響（見圖2）。由此也可以看出，兩者在關于認識論方面的契合度是非常高的。筆者認為，一個具備多元或多層次認識理論的頂層本體，在實現跨學科和跨領域的兼容性方面無疑有著更好的適應性。

圖2 張東蓀的多元交互主義

3.2 GFO“過程”本體性分析在中醫藥領域的建模優勢

GFO的構建過程是汲取了中西方各家流派的思想，整合到一起，形成的獨特的頂層本體理論。通過筆者對Heinrich Herre教授的多次訪談和采訪，歸納整理，GFO具備以下4個理論特點。⑴GFO的世界觀（Weltanschauung）呈現是受到英國懷特海的有機哲學[15]的很大影響。⑵邏輯方法論傾向于黑格爾的辯證法思想[16]，2.0版的GFO會嘗試將陰陽（辨證）思想融合進去，進而實現東西方思辨哲學的理論統一，以解決傳統的邏輯學所不能解決的一些理論難點[17]。⑶時空觀是采納德國哲學家Franz Brenntano[18]的觀點，他認為時間不能做無限地劃分（理解上類似于實數模型），而是假設兩點能致密相連（理解上強調兩點之間無空隙），即假設兩個時間點可以同時發生但卻又有所不同（coincidence或meeting），中間沒有間隔，如此可以解決一些邏輯方面困擾已久的有關時空的悖論問題。⑷在形上學（本體論）和認識論方面則主要是受德國哲學家Nicolai Hartmann[19]和波蘭哲學家Roman Ingarden[20]的影響。所以，從理論層面上來說，GFO作為一種頂層本體，無論是其世界觀，還是方法論，在對其進行理解和詮釋的時候，都與中醫藥學領域的知識有著某種天然的紐帶關系。

當我們構建中醫藥學領域本體時，經常要考慮到對過程性的事件進行分析和描述，比如中草藥的炮制、中醫診斷等。這就要求其頂層本體必須具有完備的關于各種“事件”的描述和分類以供參考。這正是GFO獨到之處。GFO是一個包含抽象范疇和個體（實例）的頂層本體，它既反映了事物的普遍性，也反映了事物的特殊性[7]。在對客觀世界的有關過程性的概念進行本體分析時，GFO當中的過程結構（processual_structure）專門用來描述一切關于過程性（4D）的概念。在過程結構這個實體下面劃分了發生體（occurent。或譯作事件體）和過程（process）兩大范疇，見圖3。

其中，發生體包括幾個可以由過程推導出來的主要范疇，例如歷史（history）、事件（event）、變化（change），見圖4。

而process下面被劃分為連續的過程（continuous_process）、離散的過程（discrete_process）、過程的角色（processual_ role）、狀態（state）等4個子類，見圖5。

圖3 GFO過程結構的基本范疇架構

圖4 GFO中與Occurent相關的概念和范疇結構

圖5 GFO中與Process相關的概念和范疇結構

歷史：是一些由一個過程和眾多即時體（presentials）所形成的過程結構，其中即時體是過程邊界的組成部分。

變化：是一對過程邊界，是一種結構，分為連續的變化和離散的變化。

連續的變化（continuous_change）：指的是某種過程當中發生的漸進式的變化（量變）。例如發炎的過程。

離散的變化（discrete_change）：指的是在某個重合的時間邊界發生的變化（質變），它的前后兩段有可識別的明顯不同的范疇存在。例如一個學生的新學期注冊過程，注冊前非學生，注冊后是學生。

過程：過程在時間里直接發生和展開，它的特征不能從它的某一時間邊界上來理解，也就是說它具有內在的連貫性。

離散的過程：具有一個可以區分的離散變化和狀態的變化部分。

連續的過程：能被刻畫成一個具有連續變化和狀態的過程，這些狀態和變化可以投射到一個共同的參考范疇。

狀態：一個過程是一個涉及到某種范疇的狀態，且如果它的每一個過程邊界都能實例化這個范疇。

復雜過程（configuroid構型體）：由不同的物質構造過程和屬性過程所組成的整體。

通過以上分析比較得出，GFO頂層本體在中醫藥領域知識建模方面有著獨特的優勢，并且可以以該框架為基礎，建立起關于中醫藥科學各個研究領域，特別是與過程相關的系統化的知識庫模型。

3.3 GFO與其他生物醫學領域本體的連接整合

GFO-Bio[21]作為以GFO為基礎的生物學頂層（核心）本體，致力于整合其他的生物學領域本體，它已經具有了2個現成的組件gfo-bio.owl和gfo-bio-meta.owl（后者是擴展組件）。一般而言，大多數生物領域本體，例如，BioTop和SBUO（分別由BFO和DOCLE所派生出來的生物核心本體）只包含一些簡單范疇，即通過個體來實例化的范疇。而GFO具有前者所不具備的一些適用于生物學領域本體建模的高階范疇，例如符號（symbol）和序列（sequence），而且還提供了一套現成的上層范疇系統，例如細胞、有機組織、植物、生物過程等，這些都可以供OBO本體對齊使用。另一方面，gfo-bio-meta.owl組件提供了一整套的方法，可以用于對生物醫學領域的本體進行元-本體分析和分類。所以，將來或可參照GFO-Bio的2個組件來構建中醫藥領域本體，以及與其他知識領域本體的對齊和共享。

3.4 團隊優勢

ONTO-MED研究團隊一直致力于構建一個涵蓋東西方科學領域和文化領域各個學科的、同時具備抽象性和兼容性的上層本體，這對于中醫藥領域而言具有重要意義。一般的上層本體，在它們構建過程中，并沒有很好地考慮到主流學科之外的領域進行對接的可能性，例如中醫藥學和其他傳統醫學。如果將其強行套用在中醫藥領域中，會給本領域的本體研究和應用帶來諸多不便和困擾。ONTO-MED研究團隊所關注和從事的是在形式化本體領域當中的基礎研究，為構建和管理本體設計形式化工具，開發上層本體以及關于醫學、生物醫學和生物學的領域本體和核心本體，這些開發也會涉及到其他領域。ONTO-MED團隊運用的是一種跨學科的方式，并結合了邏輯學、計算機科學、哲學和認知語言學的各種方法，將形式化本體視為一門發展中的科學，其中涉及到系統化的可演化的公理化理論，可用來描述形式、結構，以及在抽象和顆粒度的不同層面上的存在模式。所以，將這種新的本體研究方法和技術結合到中醫藥科研當中，結合國內中醫藥領域眾多專家的成功經驗和最新研究進展，一定會結出更為豐碩的成果。

4 展望

基于GFO構建中醫藥頂層本體，要重視以下3個方面的研究。

4.1 頂層抽象概念的本體構建研究

針對中醫藥學與中國傳統文化的密切關系，要劃好邊界、厘清與其他學科的關系，還要對陰陽五行精氣等哲學范疇進行本體化探索和表達。

4.2 對現有本體進行回顧與重構

對已建好的領域本體，盡量遵循GFO對現實世界建模的視角，重新進行審視，進行重構和整合。對于暫時不能完全納入的，可以考慮先建立本體間的映射，以完成初步的知識共享和融合。

4.3 與其他生物醫學本體的映射與融合

目前生物醫學領域已有大量成熟公開的本體，也存在一些投入應用的中醫藥領域本體，克服這些本體在構建基礎、思維和觀念上的差異，在某種程度上實現他們之間的映射和對齊，還有待于進一步研究和深入探討。

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（修回日期：2015-11-03；編輯：魏民）

·中醫藥信息研究·

Application Prospect of Upper Ontology GFO in the Construction of Domain Ontology of Traditional Chinese Medicine

LONG Hai1, JIA Li-rong2, ZHU Ling2, ZHU Yan2*
(1. Institute of Medical Informatics, Statistics and Epidemiology, ONTO-MED Research Group, University of Leipzig, Leipzig 04103, Germany; 2. Institute of Information on Traditional Chinese Medicine, China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100700, China)

Abstract:This article discussed the necessity and research situation of ontology construction of traditional Chinese medicine (TCM), and investigated the difficulties and complexity in the construction. Through comparative analysis on several mainstream upper ontologies, this article also expounded the unique advantages of construction ontology in TCM domain, proposed ideas of constructing TCM upper ontology based on GFO, and recommended a new thought and direction for future research.

Key words:ontology; upper ontology; GFO; TCM ontology; TCM

收稿日期：（2015-09-07）

*通訊作者：朱彥，2013級博士研究生，研究方向為中醫藥信息學。E-mail: zhuyan166@126.com

基金項目：中國中醫科學院博士研究生創新人才培養基金

中圖分類號：R2-03

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5707(2016)01-0015-06