语义Web中开放知识服务体系的研究

—58—语义Web 中开放知识服务体系的研究黄 河1,2，程 勇1,2，史忠植1，何潇潇2,3(1. 中国科学院计算技术研究所，北京 100080；2. 中国科学院研究生院，北京 100039；3. 中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉430071)摘 要：WWW 是信息时代的重要标志。

基于WWW 的信息管理系统不仅要能运行在不同的平台上、分布的信息网络中，而且还能提供通用的平台与大量的、独立的、多类型的数据源和应用程序进行交互。

开放知识服务体系OKSA 就是为实现这一目标而提出的，在开放的Web 资源环境中，建立动态的、跨平台的虚拟知识环境，使得人们能够获取、发布、共享和管理各种Web 资源，并向用户提供按需的知识服务以支持协同工作、问题求解和决策支持等。

关键词：知识服务；语义网；本体Research on Open Knowledge Services Architecture in Semantic WebHUANG He 1,2, CHENG Yong 1,2, SHI Zhongzhi 1, HE Xiaoxiao 2,3(1. Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080; 2. Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing100039; 3. Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071)【Abstract 】The WWW is landmark of information era. Information systems based on WWW should not only run on different platforms and distributed information networks, but also provide a common platform to interoperate with large independent and various data sources. Open knowledge services architecture (OKSA) is proposed. It is used to construct a dynamic, and cross-platform virtual knowledge environment, which can help people to acquire, publish, share, and manage Web resources, and provide on-demand knowledge services to support cooperative working,problem solving and decision support.【Key words 】Knowledge services; Semantic Web; Ontologies计 算 机 工 程Computer Engineering 第32卷 第11期Vol.32 № 11 2006年6月June 2006·软件技术与数据库·文章编号：1000—3428(2006)11—0058—03文献标识码：A中图分类号：TP393.02在语义表示方面[1]，W3C 有关语义Web 的研究(特别是本体的研究)提供了重要的理论和工具。

在资源管理方面，本文提出了语义Web 中的开放知识服务体系 (OpenKnowledge Services Architecture, OKSA)，旨在建立一个智能的互联环境，在Web 数据上附加具有良定义的语义信息，使得人们能够获取、发布、共享和管理各种Web 资源，并提供按需的知识服务以支持协同工作、问题求解和决策支持。

OKSA 分为3层：数据层，本体层和知识层。

它们用于解决下列问题：(1) 分布性：数据源分散在不同的节点上，各节点是自治的，节点以某种方式连接；(2) 数据的异构性； (3) 语义的异质性；(4) 资源发现：在动态的Web 环境中，寻找相关的数据源，并察觉数据源的变化。

1 相关工作SIMS [2]是基于Agent 的服务和信息管理系统，Agent 之间的交互是通过将任务分解成多个子任务、每个子任务分配给不同Agent 执行的方式来实现，这样的交互方式限制了系统的互操作性和可扩展性。

IM [3]是基于知识库的分散数据检索和管理系统。

该系统采用视图层和数据层组成2层结构，它的一个主要缺陷就是缺乏多个视图的管理机制。

InfoSleuth [4]提出了一个基于Agent 的体系结构，实现在Web 环境下的信息收集和分析。

在InfoSleuth 系统中，多个Agents 之间是通过一个特殊的服务本体和多个领域本体进行通信的。

与IM 系统类似，InfoSleuth 没有很好地解决多个本体间的异质性问题，不能提供复杂的知识服务。

2 面向语义Web 的知识服务体系我们所关注的是在大规模的、分布的Web 资源上建立动态的、跨平台的虚拟知识环境，协调Web 资源共享。

这种共享关系的建立、管理和使用需要：识别基础的Web 数据源，描述数据源的语义内容，建立多个数据源间对等的、灵活的、可控制的共享联系，动态地处理新的成员，跨越不同的平台、语言和环境。

整个知识服务体系可以分为3层：数据层，本体层，知识层。

2.1 数据层数据层的基本功能是控制局部数据源，向上提供访问的接口。

局部数据可以是关系数据库、XML 数据、Web 页面、文档等。

这些数据可以存储在一台计算机中，也可以分散在局域网中，例如分布在局域网中的分布式数据库。

不同的局部数据源有着不同的数据模型和不同的管理系统，向外提供的数据访问接口也可能不同。

2.2 本体层本体层，用于描述数据层中数据的语义内容，封装数据层的数据异构性，向上提供语义服务。

它主要包含本体模块(Ontology)、描述逻辑模块(DL System)、DL Wrapper 、本体注基金项目：国家“973”计划基金资助项目“语义网格的基础理论、模型、方法和关键技术”（2003CB317000）；国家“863”计划基金资助项目“自主计算的理论和技术研究”（2003AA115220）；2004年中国科学院研究生科学与社会实践基金资助项目作者简介：黄 河(1977—)，女，博士生，主研方向：语义 Web ，知识管理；程 勇，博士生；史忠植，研究员；何潇潇，硕士生 收稿日期：2005-07-26 E-mail ：hnangh@册/注销(Ontology Registry/Unregistry)、本体到数据的映射(Onto-data Mappings)、本体查询处理（Ontology Query Processor）和Data Wrapper，如图1所示。

本体模块是指用某种本体描述语言（例如OWL）定义的本体，用于描述数据层中数据的语义内容。

对于不同的资源拥有者可能采用不同的本体描述语言。

DL Wrapper的功能就是将用具体语言描述的本体转换成采用DL定义的具有相同语义内容的本体。

本体到数据的映射是指描述逻辑本体与底层数据的映射，实际上就是建立DL系统中的ABox，即概念和角色的外延。

映射对于封装不同数据源在结构上的异构性是至关重要，它可以让用户仅关心本体所描述的语义内容，而不用考虑底层数据的真实结构。

映射由两部分组成：本体中的概念（或角色）和表达式。

例如建立本体与数据库之间的映射可以表示如下：与概念对应的表达式的形式为<Rel, (A1,…,A n), (T1,…,T n)>，其中Rel为关系表达式，描述满足一定条件的对象，(A1,…,A n)为这些对象的键，(T1,…,T n)为这些属性的类型。

例如，与概念InstructionBook对应的表达式为< [select * from Books where type=“Instruction”], ISBN, string >。

关系对应的表达式的形式为<Rel, (A1,…,A n), (T1,…,T n), (RA1,…,RA m), (RD1,…,RD n), RD，f >，(RA1,…,RA m)表示对象中与角色相关的属性，(RT1,…,RT n)为这些属性的类型，RD 是角色的值域，f: RT1×…×RT n→RD，f是转换函数，将(RA1,…,RA m)的值转换为RD中的值。

例如，hasAuthor对应的表达式为< [select author from Books], ISBN, string, <FirstName, FamilyName>, <string, string>, f >，其中，函数f 的作用是进行格式转换，例如在数据库中表示人名的格式为Alice White，而在本体中表示人名的格式为White, Alice。

(1) 本体查询处理是本体层的核心模块，它的主要功能是向上提供浏览本体和语义查询的接口。

相应地，查询处理向上提供两种服务：(2) 基于本体相关的服务：查看本体中概念和角色的定义、查看概念间的包含关系等；于语义的查询：给定一个用DL描述的查询，通过映射信息将DL查询转换成数据层查询表达式，再通过Data Wrapper向数据层提出查询请求。

本体注册/注销的主要功能就是向本体索引服务器注册本地的资源，包括本体所涉及的领域、提供者的信息、访问的方式和权限等相关信息。

当本地资源发生变化时，可以发送更新信息通知服务器。

还可以注销本地资源，取消对外提供的资源访问服务。

本体注册/注销是实现资源发现的重要环节。

Data Wrapper就是实现对底层数据的访问。

2.3 知识层对于Web中众多的站点或资源提供者，多个本体的存在是必然的，且这些本体可能采用不同的描述语言，因此我们采用描述逻辑作为本体之间交互的基础。

不同的资源提供者在描述相同的事务时可能会使用不同的词汇；或使用同一词描述不同的事务；在定义相同的概念（或关系）时采用不同的表达式；采用不同的计量单位等。

这些统称为语义异质性。

知识层的目标就是有效地管理和协调这些具有语义异质性的本体。

本体层着眼于与“单个”资源的交互，而知识层是协调“多个”资源的共享。

知识层还可以建立在其他知识层的基础之上。