可移動文物的知識圖譜構建及關聯數據存儲

高勁松 張強 李帥珂

基金項目：中央高校基本科研業務費自由探索項目“面向用戶的文物信息資源知識服務研究”（項目編號：CCNU20A06025）;國家社會科學基金重大項目“新時代我國文獻信息資源保障體系重構研究”（項目編號：19ZDA345）。

作者簡介：高勁松（1966-），女，教授，博士生導師，研究方向：情報學、圖書館學。張強（1993-），男，博士研究生，研究方向：數字人文。李帥珂（1998-），女，碩士研究生，研究方向：數字人文。

摘 要：[目的/意義]可移動文物對文化的傳承和發展具有重要意義，對可移動文物進行知識圖譜可視化及關聯數據發布，有助于更好地進行可移動文物的數字化保存、知識共享及智慧服務。[方法/過程]通過Protégé本體開發軟件構建可移動文物的知識本體，并基于此利用RDF2RDF插件和Neosemantics插件構建了可移動文物的知識圖譜，最后借助D2RQ平臺實現可移動文物的關聯數據存儲。[結果/結論]使可移動文物的展示形式從原本的單一形式轉化為多元化的數據展現形式，提高了用戶瀏覽、查詢可移動文物信息資源的效率。

關鍵詞：可移動文物;知識本體;知識圖譜;關聯數據;D2RQ

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2022.04.008

〔中圖分類號〕G254 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1008-0821（2022）04-0088-11

Abstract：[Purpose/Significance]Movable cultural relics are of great significance to the inheritance and development of culture.Visualizing knowledge graphs and publishing linked data for movable cultural relics is helpful for better digital preservation，knowledge sharing and intelligent services of movable cultural relics.[Method/Process]The ontology of movable cultural relics is constructed by Protégé ontology development software，and based on this，the knowledge graph of movable cultural relics is constructed using RDF2RDF plug-in and neosemantics plug-in.Finally，the linked data storage of movable cultural relics is realized with the help of D2RQ platform.[Results/Conclusions]The display form of movable cultural relics is transformed from the original single form to a diversified data display form，which improves the efficiency of users browsing and querying information resources of movable cultural relics.

Key words：movable cultural relics;knowledge ontology;knowledge graph;linked data;D2RQ

可移動文物是人類生活歷史的記錄，更是中華文化的象征和傳承。近年來，科技水平的不斷增長為文物的數字化保存和利用提供了新的途徑，為了更好地發揮文物信息的價值與作用，國家文物局自2012—2016年開展了國有可移動文物的普查工作，從而讓藏在博物館中的可移動文物活起來服務群眾。然而單純的文物統計數據在進行共享時利用率較低，不能真正有效的展示出可移動文物的信息價值，因此需要對可移動文物信息采用知識組織、存儲及發布展示等手段來更好地為用戶服務。隨著知識圖譜技術的發展和學科的交融，將知識圖譜技術的抽象可視化與實體信息相結合，使文物知識顯性化，可增強用戶對知識的接受程度。單一的知識可視化呈現在交互過程中具有較大局限性，以關聯數據形式發布能夠在語義層面實現知識的互聯互通，使知識連結成一張可追溯的知識網絡，為知識共享和智慧化服務提供解決思路。本文以湖北省博物館可移動文物為例，通過構建可移動文物知識圖譜并以關聯數據形式發布，進行可移動文物知識的展示和利用研究。

1 研究現狀

知識圖譜在維基百科中定義為“使用語義檢索，從多種來源收集信息，以提高搜索質量的知識庫”，其在語義層面上能夠對實體、概念以及實體間的關聯關系進行形式化的描述。因此，知識圖譜技術的應用場景得到了廣泛的關注。Jin W等[1]利用知識庫中的知識將短文本概念化，進行知識表示從而得到文本分類結果。Peng C等[2]則提出一種基于知識圖譜的隱喻嵌入，用于理解文學中單詞之間的隱喻關系。知識圖譜技術不僅在自然語言理解方面具有優勢，同時促進了智能知識問答系統方面的發展，如丁雅琴[3]開發了基于醫療知識圖譜的問答系統，可以幫助用戶在海量醫療數據中篩選出精準的答案并返回給用戶。張淼[4]以通用中文知識圖譜為知識來源，基于實體識別算法和屬性來凝結算法設計并完成了一個智能問答系統。

信息時代的到來使得數據量以指數級飛速增長，知識圖譜的規模隨之越來越大，對知識的存儲提出了更高的要求。目前知識存儲的方式主要有3種，分別是RDF數據庫、關系型數據庫、圖數據庫，其中以圖的數據形式進行存儲的知識圖譜占大多數，因而本文采用圖數據庫Neo4j存儲數據并基于文物本體構建可移動文物知識圖譜，以此呈現可移動文物相關知識在語義層面的深度關聯關系。

關于文物本體研究，吳瓊等[5]提出了基于本體的方法可以為不可移動文物添加豐富的語義信息，GIS可以為不可移動文物提供地理信息，將兩者結合可構建面向不可移動文物的信息參考模型。Yang W等[6]為更好地進行創新設計，提高傳統文物信息檢索能力，探索了基于本體的知識地圖構建方法，開發了文物知識地圖集成平臺。

知識圖譜使實體以及實體間關系可視化呈現，最終目的是挖掘實體間隱含的關聯關系，從而以圖的方式進行知識表示。借助知識圖譜的構建，將數據進行存儲并以關聯數據形式發布，構建領域語義網，實現了實體在內容上的語義互聯。劉煒[7]對關聯數據的概念進行了詳細解釋，他認為：關聯數據是一組最佳實踐的集合，它采用RDF數據模型，利用URI（統一資源標識符）命名數據實體，來發布和部署實例數據和類數據，從而可以通過HTTP協議揭示并獲取這些數據，同時它強調數據的相互關聯、相互聯系和有益于人機理解的語境信息。作為語義萬維網的實現方式，越來越多的領域數據要求以關聯數據的方式進行存儲和發布，以尋求其在語義層面的更多關聯以及未發掘的隱性語義鏈接。林海青等[8]提出在圖書館領域采用關聯數據技術使圖書館在未來語義網中發揮主導作用，使圖書館實現服務模式的轉型;陳氫等[9]借助關聯數據技術，實現企業數據、流程及其他屬性間的可視化并提出了企業數據治理的相關策略。Mouzakitis S等[10]提出了一個關聯數據技術框架，隱藏鏈接數據的基本復雜性，同時維護和促進了所實現的相互鏈接能力。

本文采用圖數據庫的方式存儲數據，參考領域本體常用建模方法七步法建立文物本體模型并進行本體實例可視化，之后構建基于文物本體的可移動文物知識圖譜，挖掘文物實體之間的相關關系，并以關聯數據形式存儲和發布，使其在文物領域組織一張包含實體屬性特征與相互聯系的語義網絡，最終為可移動文物在知識層面的交流共享提供新的路徑和方法。

2 可移動文物知識本體模型構建及實例可視化

2.1 可移動文物知識本體模型構建

可移動文物又稱可收藏文物，2013年全國第一次可移動文物普查是新中國成立以來首次針對可移動文物開展的普查，突出了文化遺產領域發展的價值及國家的重視程度，對文物領域知識全面了解和共享有助于數字博物館建設，更積極響應國家文物保護的政策。本文以可移動文物實體為核心，通過分析可移動文物的表面屬性和文化含義，區別不可移動文物，構建一個具有地址改變和移動路徑特征的可移動文物知識本體，以此加強文物領域知識的共享和充分利用。

2.1.1 概念體系構建

可移動文物知識本體是對可移動文物實體以及與文物實體相關關系的語義描述，通過對文物領域知識的分析，首先需要明確可移動文物領域概念描述范圍，并考慮是否需要本體復用，以確定核心概念;之后列舉領域概念知識的相關術語，為定義核心類與屬性做鋪墊。根據第一次全國可移動文物普查登錄的內容，除了采用14項基本指標項如文物名稱、類別、級別、質地等作為概念描述外，還添加了可移動文物的狀態信息、文化含義以及資源展現方式等內容，以此進行文物基本信息的描述以及相關關系呈現，更好地實現語義消歧和領域知識共享。

本文在考察本體復用環節時，參考了國際博物館理事會開發的概念參考模型（CIDOC Conceptual Reference Model，簡稱CIDOC CRM）。CIDOC CRM概念參考模型是專門用于文化遺產中的信息集成整合工具，它對世界范圍內廣大文化遺產相關文檔中的顯示和隱式概念關系給出了清晰的定義[11]。因此，本文采用CIDOC CRM中E1（Entity）、E52（TimeSpan）、E53（PlaceCreation）等類作為可移動文物知識本體的部分核心概念類。可移動文物具有獨具特色的表現形式與文化內涵，除了考慮本體復用外，還要在考察文物領域特有的概念、知識后自定義命名空間，以滿足構建本體模型的需要。枚舉文物領域重要概念術語時，結合可移動文物的特點以及類間關系屬性，暫不考慮術語的相似和相近，列舉部分可移動文物領域重要概念和術語如表1所示。

通過對文物領域概念的分析，并自定義Mcr為命名空間，構建可移動文物知識概念體系，其包括實體、時間、地點、文化、資源5個大類，組成可移動文物知識概念體系的整體框架，其中時間類包含兩個子類，分別是抽象時間類和具體時間類，抽象時間表示可移動文物的年代如唐代、宋代、元代、明代、清代等，具體時間表示可移動文物的館藏時間;由于可移動文物的移動特性，使其發生了位置上的改變，因此地點類同樣具有兩個子類，即表示文物現存位置的收藏機構類和文物被發現位置的出土位置類;其余3個類是可移動文物實體的表面特征和內容特征的展現，其概念知識由數據屬性所描述，類層次結構如表2所示。

2.1.2 本體模型實現

確定了可移動文物知識本體概念體系后，需要進一步確定概念屬性的核心元素，核心元素的確立有利于更好的描述和揭示概念間相互的聯系以及諸多可移動文物知識間的關聯[12]。可移動文物屬性按照特征可分為內在屬性如文物的質地、重量等;外在屬性如文物的名稱、年代、研究價值等以及文物與其他對象之間的關系屬性等。在本體中通常用兩種屬性來表示，即數據屬性和對象屬性，數據屬性用來定義客觀事物的內在屬性和外在屬性;對象屬性是復雜的屬性，常用來表示實體與其他對象和類之間的關系。可移動文物知識概念體系中構建了5個核心概念類，其中地點和時間分別具有兩個子類，在以上大類和子類中建立對象屬性關系，包含實體與地點的關系、實體與時間、實體和資源、實體和文化、地點和文化、文化和資源、地理位置之間行政區的隸屬關系、同一文物實體在不同機構展出的相關關系等，如表3所示。

1）實體類

實體類（Entity）是指可移動文物實體，根據全國第一次可移動文物普查基本指標項內容，其數據屬性由質地、類別、級別、造型、用途、文物來源、完殘程度、編號、尺寸、質量組成。其中編號指文物普查所給予的“文物身份證”，登錄在文物普查系統的每件文物都被賦予全國永久唯一的22位數字編碼，作為文物屬性驗證的標識;類別同樣參照文物普查的分類原則，將可移動文物共分為32個類別如金銀器、銅器、瓷器等;其余各核心要素相關術語參照表1所示。本文針對研究目的需要，將年代、出土位置等要素歸入其他核心類中。實體類是可移動文物知識本體的實際物體代表類，作為本體構建的核心，實體類與其余4個大類即時間類、地點類、文化類、資源類相互關聯，共同構成可移動文物領域內語義層面的知識網。

2）地點類

地點類（Location）包括兩個子類，分別是出土位置類（PlaceCreation）和收藏機構類（Organization）。可移動文物的出土位置與現存地址因移動的特性有所不同，同時由于可移動文物的展覽、館際交流活動等，造成同一文物在多個收藏機構出現過的情況，因而，與地點相關的關聯關系包含同一文物在多個機構出現的相關關系;此外，文物的出土位置和收藏機構可能蘊含文物相關的歷史故事等文化信息，具有更大的研究價值，所以對象屬性中包括地點與文化的關系。同時，考慮到可移動文物移動時會跨越多個地區，本文將不同行政區之間的隸屬關系設置為5類對象屬性進行標注。關于地點的數據屬性主要指收藏機構的全稱、地址和性質等。

3）時間類

時間類（TimeSpan）指關于可移動文物的抽象年代時間以及目前具體時間，其包括兩個子類，分別是代表文物年代的抽象時間類（TimeAbstract）和代表現在時間的具體時間類（TimeSpecific）。

4）文化類

文化類（Culture）是可移動文物抽象文化涵義的展示，其內容以數據屬性來表示，包含歷史文化故事、文物表面特征信息以及文物象征意義等。實體是可移動文物文化涵義的創造者;資源是可移動文物文化涵義的承載者;地點是可移動文物文化涵義的產生者，因此文化與實體、資源和地點都具有對象屬性關聯關系。

5）資源類

資源類（Resource）是指可移動文物相關知識的展示資源類型，多源數據融合的可移動文物本體構建除了有文物本身攜帶的物理信息外，還有文物知識呈現的形式化信息，多載體的資源內容被歸于數據屬性中，包括視頻、圖片、文本類和專家述評等。可移動文物所蘊含的抽象文化含義展出類型同樣以文本和多媒體資源類型展出，因此資源和文化也具有對象屬性關系。類間的對象屬性與類的數據屬性在可移動文物領域概念知識范圍中豐富了其在關系和特征方面的具體描述，具體的數據屬性含義和值域如表4所示。

最終，本文構建的可移動文物知識本體模型共包含了5個核心類、4個子類、18個對象屬性和22個數據屬性，利用本體開發工具Protégé對本體模型進行繪制如圖1所示，其中，實線代表子類，虛線代表對象屬性，數據屬性省略未列出。

2.2 可移動文物知識本體模型實例可視化

基于已構建的可移動文物知識本體模型，將相關文物知識信息導入本體開發工具Protégé中，實現可移動文物知識本體模型實例化展示，驗證該模型的可行性和可用性。本文以湖北省博物館四大鎮館之寶——“越王勾踐劍”“鄖縣人頭骨化石”“元青花四愛圖梅瓶”和“曾侯乙編鐘”為例，創建可移動文物實例庫，具體實例內容包括文物實體信息、地理位置信息、時間信息、文化信息以及資源信息等，相關屬性信息描述參照表1文物領域重要概念術語表。

首先將文物實體信息以Excel形式存儲，其次將信息導入Protégé中，并轉換數據形式為Owl形式，最終呈現以湖北省博物館四大鎮館之寶為核心的文物實體復雜語義網絡，實例圖如圖2所示。其中，圓形代表本體模型中的核心概念類，菱形代表實例信息，實線代表子類與父類的類間關系，虛線代表子類或父類與其他類間的對象屬性信息。點擊某個實例，則會顯示與其相關聯的數據以及對象屬性。

3 可移動文物的知識圖譜構建

本文將上一節中已構建好的本體模型與Neo4j圖數據庫相融合，面向可移動文物實體，構建領域知識圖譜。Neo4j圖數據庫是基于Java語言編寫的高性能NOSQL圖形數據庫，它將數據存儲在圖網絡中而不是表中。因其數據結構的靈活性，可以應用更加敏捷的開發模式，在數據查詢效率上明顯優于傳統的關聯數據庫。本文使用的Neo4j版本為Neo4j社區版（4.1.1），依賴環境為jdk1.8.241，采用Neo4j圖數據庫來對RDF數據進行存儲，從而構建可移動文物的知識圖譜。

3.1 數據映射與知識存儲

由于構建規則和實用工具的不同，本體模型中的知識表現形式與知識圖譜中的知識表現形式具有一定的差異性，因此，需要把已構建好的本體模型中所蘊涵的類、類間關系以及數據實例映射到圖數據庫中，實現知識圖譜中的知識存儲。Neo4j圖數據庫主要有標簽（Label）、節點（Node）、關系（Relationship）、屬性（Property）4種元素，節點和關系均可以再創造屬性特征來描述他們本身，屬性通過鍵值對的方式而獨立存在。本文中的RDF數據主要與Neo4j中的節點、關系和屬性進行一一對應。面向文物實體，Neo4j圖數據庫中的數據映射過程主要包括以下3種類型：①節點映射。指本體中的實例和類相對應，如在本體模型中的文物實體、時間、地點等核心類在Neo4j中是實例，而這些具體的實例即可作為Neo4j中的節點;②關系映射。指關系與本體中的對象屬性相對應，對象屬性的本質是將類與類或子類之間的關系抽象表示為屬性，其作為關系的表示形式與Neo4j中的關系相互映射，如本文中實體與時間、實體與地點等類間關系映射入圖數據庫中體現為節點與節點之間的關系;③屬性映射。指節點的屬性與本體中的數據屬性相對應，將用于數據特征描述的數據屬性映射為Neo4j的節點屬性，一方面，實現了RDF三元組向知識圖譜轉化的知識可視化;另一方面，避免了圖數據庫中知識存儲冗余問題的出現。

前文通過Protégé本體工具構建了可移動文物的本體模型，并輸出為OWL類型文件。OWL是用來描述由三元組組成的RDF數據即〈主語，謂語，賓語〉結構的網絡本體語言，而RDF本身就包含了基本的語義網結構，其為知識圖譜的構建提供了良好的數據結構，因此可以通過Neo4j對可移動文物的本體模型進行知識存儲。Neo4j本身不支持直接導入OWL類型的數據，需要通過RDF2RDF插件[13]先將OWL類型的文件轉換為RDF類型的文件，再使用Neosemantics插件[14]即可實現RDF數據向Neo4j圖數據庫的導入。導入之后可以對標簽下各個節點的顏色和大小進行進一步的調整，進而完成對可移動文物的知識圖譜構建。Neo4j對實體節點及其相互之間的關系進行可視化展示的同時，也可以在表面未知節點間通過查詢最短路徑的方式來對節點間的隱藏關系進行挖掘，從而為節點間關系的知識推理做鋪墊。

3.2 知識推理與結果展示

Neo4j圖數據庫與傳統關系型數據庫一樣提供了增（CREATE）、刪（DELETE）、改（SET）、查（MATCH）等操作，在完成數據映射和知識存儲之后，圖數據庫可通過Cypher語言中的CREATE語句創建圖結構，便捷地實現文物實體、挖掘地點、館藏機構、挖掘時間等不同的實體及其關系的檢索、遍歷、查詢等功能。Neo4j中不同的顏色代表不同類型的實體，節點之間的邊則代表了實體直接存在的相關關系，如連接文物實體與館藏機構之間的有向邊，表示文物與館藏機構之間存在收藏與被收藏的關系。在本文實際應用中，查詢館藏機構為“湖北省博物館”相關的文物內容過程大致為：通過Cypher語句查詢后，得到與湖北省博物館有關的所有館藏可移動文物，此時不僅得到了與其路徑為1的相關實體信息，還可以進一步展示這些實體的所有屬性特征，如圖3所示（為使圖的美感與整潔，此處僅顯示湖北省博物館四大“鎮館之寶”的主要關聯信息），其中黃色顯示了檢索結果中的館藏機構為湖北省博物館，藍色為與其路徑為1的各個實體，包括“越王勾踐劍”“元青花四愛圖梅瓶”“曾侯乙編鐘”“鄖縣人頭骨化石”，且能清晰地看到各個實體的相關屬性特征。以“越王勾踐劍”為例，可以看出其出土位置為“湖北江陵望山一號楚墓”，出土時間為“1965年12月”，所屬年代為“春秋時代”，文化故事為“臥薪嘗膽”。

通過使用Protégé構建可移動文物的知識本體，并結合Neo4j來實現本體模型到知識圖譜的轉換，突破了傳統模式如元數據模型、本體模型等對文物信息資源在描述、存儲及推理上的種種局限。面向文物本體，從“發掘時間”“發掘地點”“館藏機構”“材質”“文化”等多角度、多維度進行探討和分析，利用了Neo4j架構靈活、擴展性好、可靠性強及內置Web應用程序等優勢，采用Cypher編程語言高效精準的對相關數據進行檢索、推理、發現，避免了當前關系型數據庫在面對此類數據難以存儲和檢索的困難，且圖譜可視化效果和檢索效率比單純利用Protégé的效果要更好，故構建可移動文物的知識圖譜在應用層面具有重要意義。

4 可移動文物關聯數據的存儲與發布

關聯數據作為資源描述和組織的最終表現形式，被用來發布和連接各類數據信息和知識，為其在語義挖掘和語義互操作等方面提供良好的應用。基于前文已構建的可移動文物本體模型，使用關聯數據技術可以將文物知識資源在類層面和數據層面上實現文物實體間的關系鏈接，從而使可移動文物領域形成一個有序組織且相互聯系的有機整體。本節將從實踐層面利用可移動文物的本體模型和知識圖譜進行語義網絡上的知識存儲與發布。

4.1 可移動文物關聯數據的存儲

本體構建工具Protégé存儲的格式為OWL格式，但是這種存儲格式在后期進行修改及關系定義方面較難，故本文采用關系型數據庫Mysql來對可移動文物信息資源進行存儲和管理，使用Mysql數據庫版本為MySQL 5.7.17 Community Server，同時利用第三方工具SQLyog對數據表進行更加方便的操作。本文創建了名為Culture_Relic的數據庫，以可移動文物的核心類作為表的類別，共構建了5個表即實體表、時間表、地點表、文化表和資源表。以實體表（Entity）為例，包含可移動文物的編號、名稱、類別、級別、造型、用途、質地、文物來源、完殘程度、尺寸、重量、簡介等屬性字段，構建實體表結構如表5所示。

創建的二維表除了包含數據屬性信息，同時包含核心類中的屬性字段在數據庫中存儲的數據類型、字段長度以及區分其是否為主鍵或外鍵，如表5所示的實體表，文物實體的普查登記號作為實體二維表的主鍵，被用于標識該二維表存儲的實例信息。除此之外，數據表的存儲模式采用的是多元模式，通過創建外鍵來關聯其他物理表。由此，就形成了表與表之間的鏈接操作。

4.2 可移動文物關聯數據的發布

D2RQ是目前較為常用的RDF映射平臺，其通過虛擬RDF圖來訪問關系數據庫系統，而無需復制成RDF存儲[15]。D2RQ的工作流程大致為首先采用Generate-mapping工具來為Culture_Relic數據庫創建映射文件，生成了Culture_Relic.ttl映射文件。其次，在命令行中啟動d2r-server服務器，執行d2r-server Culture_Relic.n3命令，完成對可移動文物的關聯數據創建與發布。最后，打開瀏覽器輸入Localhost：2020即可在瀏覽器端進行訪問，最終的可移動文物的關聯數據發布平臺主頁如圖4所示，頂端為導航欄，顯示內容為之前在MySQL數據庫中創建的5個表，下方的提示信息表明可以通過網絡瀏覽器即HTML頁面和語義網瀏覽器即RDF頁面查看該表包含的具體信息，底部為SPARQL的查詢接口，除了瀏覽器查詢外，該平臺同時提供可供專業人士操作的SPARQL查詢接口進行操作。

用戶在實體表（Entity）頁面上，任意選擇一項可移動文物，即可進入相應的詳情頁面。在該頁面可清晰查看該實體的數據屬性特征及相關信息。以“越王勾踐劍”為例，包含了“名稱”“完殘程度”“普查登記號”等數據屬性信息，如圖5所示。

根據物理表和本體的創建規則，不同屬性的值由其內容所決定，如“名稱”“完殘程度”“尺寸”“文物來源”等字段的值以字符串形式呈現，而“地址”“文化”“時間”等字段以URI地址形式呈現，體現出關聯數據相互鏈接的特性，點擊該鏈接，則頁面會繼續跳轉至與該鏈接包含內容相關的其他實體信息頁面。二維表之間通過鏈接相互串聯，從而實現數據之間的互聯，如對查詢到的地址（Location）信息直接點擊，結果如圖6所示。通過將數據進行可視化的關聯可以得到比在數據庫中瀏覽更好的檢索效果。

5 結 語

本文通過對本體的概念進行分析后，結合已有的本體標準，以湖北省博物館為例，構建了可移動文物的知識本體模型，并用Protégé軟件完成了模型的實例創建。之后將本體導入到Neo4j圖數據庫中完成知識圖譜的構建，以便提供更好的存儲、展示及推理效果。最后基于文物知識本體及知識圖譜，使用關系型數據庫MySQL創建表存儲相應的數據信息，同時借助D2RQ平臺來實現關聯數據的存儲和發布。本研究的相關內容為相似領域的研究提供了借鑒思想，在未來的研究中會進一步拓展研究領域，構建出大型的文物信息資源知識本體并進行知識圖譜的展示和關聯數據的發布，進而增強文物信息資源的傳承與共享。

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（責任編輯：郭沫含）