語義網中OWL本體概述及其構建方法研究

林龍成

摘要：近年來，語義網（Semantic Web）以其良好的知識表達、交流、共享和推理能力，已被各個領域廣泛接受，語義網是當前Web的延伸。而本體是語義網的關鍵，利用本體語言對Web上已有的信息進行更為有意義的組織和編碼，從而實現機器與人之間的有效通信。本文對語義網和本體語言進行了分析，并在此基礎上闡述了基于Protege的OWL本體構建技術。

關鍵詞：語義網;本體;OWL;Protege

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）12-0203-02

萬維網是一個由數百萬個文檔組成的分布式存儲庫，覆蓋了廣泛的多學科信息，在這些文檔中提取和檢索特定的信息是一項煩瑣的工作。為了提高關聯度，需要向語義Web（Web3.0）和本體論方向發展。語義Web是當前Web的擴展，其中Web上已有的信息被有意義地編碼并賦予一個明確定義的結構，從而使計算機和人類以高效的方式進行通信。在語義網中，所有的信息都有明確的含義，使機器能夠解釋、處理、推理和派生新的知識，以支持實時應用中的特定任務。隨著語義網的迅速發展，支持本體功能的語言層出不窮。Web本體語言（OWL）、資源描述框架（RDF）和資源描述框架模式（RDFS）是語義網的基本表示語言。

本體是語義網的關鍵，它將一個特定領域的相關概念編碼成機器可讀的格式，在這種格式中，機器可以處理和理解編碼的知識，Web本體語言OWL是一種在Web上定義本體的語言，從類、屬性和個體的角度描述一個域，并且可以包含對這些對象特性的豐富描述。

1語義網

語義網的概念是由萬維網的發明者Tim Berners Lee在1996年提出的，目標是將當前的信息轉換成機器友好的語言，語義網并不是一個獨立的網絡，而是當前網絡的擴展，它賦予信息明確的含義，使得信息共享和重用成為可能，計算機和人們能夠更好地協同工作。簡單地說，它被稱為信息的儲存庫和表達這些信息所涉及的語言。語義網的體系結構如圖1所示。1）數據層。XML，代表由命名空間和模式組成的可擴展標記語言，用于在web上定義數據結構;資源描述框架（Resource Description Framework.RDF），用于以數據模型的形式描述信息，數據模型又由三個部分組成：主語、謂語和屬性。

2）模式層。資源描述框架模式（Resource Description Framework Schema.RDFS），充當表示和推斷RDF數據模型的詞匯語言。

3）邏輯層。網絡本體語言（Web Ontology Language，OWL），有助于創建語義web應用，實現信息的共享和重用，它被定義為一組術語，用來描述給定的領域并從中得出推論，可以借助推理系統進行推理。

2網絡本體語言OWL

Web本體語言OWL是一種在Web上定義本體的語言。OWL本體論從類、屬性和個體的角度描述一個域，并且可以包含對這些對象特性的豐富描述。OWL使描述概念成為可能，但它也提供了新的功能。它有更豐富的運算符集，例如交集、并集和否定。它基于不同的邏輯模型，使得定義和描述概念成為可能。因此，復雜的概念可以建立在定義中，而不是簡單的概念。此外，邏輯模型允許使用推理器，推理器可以檢查本體中的所有語句和定義是否相互一致，還可以識別哪些概念適合哪些定義。幫助正確地維護層次結構。

OWL可以根據描述能力分為三種子語言：1）OWL-Lite。在語法上，OWL-Lite是最簡單的語言。一般用于只有一個簡單的類層次和定義的約束比較簡單的情況;2）OWL-DL。OWL-DL是建立在描述邏輯基礎上的，描述能力比OWL-Lite強得多。可以自動的計算分類層次，并且檢查本體的一致性;3）OWL-Full。OWL-Full的表達能力是最強的，可以適用于需要很強的表達能力的情況。

其中，OWL-Lite描述能力最弱，OWL-Full描述能力最強，OWL-DL的能力屬于中間，同時，OWL-Full可以視為是OWL-DL的一個擴展。在使用OWL時，OWL Lite和OWL DL之間的選擇取決于用戶在多大程度上需要OWL-Lite和OWL-DL提供的更具表現力的結構。OWL-DL和OWL-Full之間的選擇主要取決于用戶在多大程度上需要RDF模式的元建模工具（例如，定義類的類，或者將屬性附加到類）。與OWL-DL相比，使用OWL-Full時，推理支持的可預測性較差。

OWL由類、屬性和個體組成。類表示個體的集合，OWL中的所有個體都是類owI：Thing的成員。因此，各個用戶自定義的類都隱含地是owI：Thing的一個子類。要定義特定領域的根類，只需將它們聲明為一個具名類（named class）即可。OWL也可以定義空類，owl：Nothing齄1齄;OWL 2語法中的個體表示域中的實際對象。OWL 2的語法中有兩種類型的個體：命名個體和匿名個體。命名的個體被賦予一個顯式的名稱，可以在任何本體中用來引用同一個對象;匿名個體沒有全局名稱，因此是它們所包含的本體的本地名稱。屬性是指兩個個體直接的二元關系，一個屬性可以將兩個個體關聯起來，包括對象屬性和數據屬性，對象屬性是將個體關聯到個體，數據屬性是將個體關聯到數據類型。

3基于Protege的OWL本體構建關鍵技術

Protege是一個斯坦福大學開發的本體編輯和知識獲取軟件。開發語言采用Java，屬于開放源碼軟件。由于其優秀的設計和眾多的插件，Protege已成為目前使用最廣泛的本體論編輯器之一。下面以家庭（family）本體為例，闡述OWL本體的構建過程。

3.1創建類

點擊“Entities”中“Classes”標簽。在這個界面，可以創建家庭成員的類。在Protege中，所有的類都是“Thing”的子類。最左邊的按鈕用于創建當前選中類的子類，中間的按鈕用于創建兄弟類，最右邊的按鈕刪除當前選中的類。本文創建了四個類，“person”“sibling”“child”“parent”。如圖2所示。

3.2創建屬性

在OWL中，有兩種常用的屬性表示關系，對象屬性和數據屬性。可以通過“Entities”中“Object properties”標簽和“Data properties”標簽來設置。下面以對象屬性為例，點擊“Entities”中“Object properties”標簽，右鍵根類“ow1：topObjectProperty”，單擊“Add sub-properties”，打開層次關系設置對話框，設置對象屬性，如圖3所示。

3.3設置屬性

在Protege中，可以通過“Description”對話框設置屬性的一些描述，如圖4所示。

1）等價屬性。表示兩個屬性的意思相同。在本文中，“has-Parent”就有和“isChildOf”相同的概念。

2）逆屬性。每個對象屬性都可能具有相應的反向屬性。在本文中，“hasParent”的逆屬性就是“isParentOf”。

3）domain和range。domain指定屬性的定義域，聲明任何擁有某個給定屬性的資源是定義域類的一個實例齄2齄;range指定屬性的值域，聲明一個屬性的取值是值域類的實例。在本文在，“hasParent”的定義域是“child”，“hasParent”的值域是“parent”。

最終得到的家庭關系本體如圖5所示。

4小結

本體的概念已被應用到很多領域，本文對語義網的組成進行了解析，重點闡述了網絡本體語言OWL的構成。Protege是目前使用較為廣泛的一款本體編輯工具，本文以家庭領域本體為例，實現了本體中類、關系、屬性以及實例的定義，詳細介紹了基于Protege的本體構建技術。