專利名稱：基于描述邏輯的本體不一致性分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于語(yǔ)義及本體分析領(lǐng)域，旨在為人們提供一種在語(yǔ)義不一致的情況下，對(duì)本體 進(jìn)行分析并解決本體的不一致性的方法。
背景技術(shù)：
語(yǔ)義網(wǎng)是由WWW的創(chuàng)始人Tim Berners-Lee在2001年正式提出的，它的主要任務(wù)是使數(shù) 據(jù)能被計(jì)算機(jī)自動(dòng)的處理和理解，其最終目標(biāo)是讓計(jì)算機(jī)可以在這些海量信息中找到人所需 要的任何信息。它研究的主要目的就是擴(kuò)展當(dāng)前的萬(wàn)維網(wǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)中的信息具有語(yǔ)義，能 夠被計(jì)算機(jī)理解。語(yǔ)義網(wǎng)主要是通過(guò)本體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本體(ontology)用于對(duì)一些主題作清晰而規(guī)范的描述，能夠澄清領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)構(gòu)，獲得 統(tǒng)一的術(shù)語(yǔ)和概念，并使知識(shí)的共享成為可能。面向各專業(yè)領(lǐng)域建立的領(lǐng)域本體，能夠提供 該領(lǐng)域中知識(shí)概念的詞表以及概念之間的關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的重用?，F(xiàn)有的對(duì)本體進(jìn)行描述的方法主要是基于描述邏輯(Description Logic, DL)的。描述邏 輯是基于對(duì)象的知識(shí)表示的形式化，也是一階謂詞邏輯的一個(gè)可判定子集。描述邏輯的優(yōu)點(diǎn) 是很強(qiáng)的表達(dá)能力和可判定性，它能保證推理算法總能停止，并返回正確的結(jié)果。近些年來(lái)， 描述邏輯逐漸成為語(yǔ)義網(wǎng)表達(dá)的語(yǔ)義理論基礎(chǔ)。描述邏輯中最基本的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是概念(③nc印t)和角色(role)。概念是一類事物的抽象， 通常用A， B， C， D，…來(lái)表示；而角色則刻畫了事物之間的各種聯(lián)系，通常用P, Q， R， S，…來(lái)表示。描述邏輯中的真假分別用丁和丄來(lái)表示，析取和合取分別用u和n來(lái)表示，蘊(yùn)含和等價(jià)分別用G和E來(lái)表示，關(guān)系"非"用"來(lái)表示，存在量詞和全稱量詞分別用3和V來(lái)表示。 例如C門D表示概念C和D的交，CU"表示概念C和D的并，，C表示所有概念中除去C 的概念，3/ .C表示存在概念C的實(shí)例滿足角色R， Vi .C表示任意概念C的實(shí)例滿足角色R。本發(fā)明中提到的本體均根據(jù)描述邏輯構(gòu)建。 一個(gè)本體通常由四部分組成(l)概念，用于 表不一組或一類實(shí)例， 一般用來(lái)表示具有共同性質(zhì)的一類事物。(2)關(guān)系，用于表示概念或其 屬性之間的關(guān)聯(lián)。(3)公理，用于對(duì)概念或?qū)嵗闹颠M(jìn)行約束，表示一些永真式。(4)實(shí)例，用于表示類的一個(gè)具體的個(gè)體，對(duì)本體而言不是必需的。語(yǔ)義網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展在很大程度上依賴于本體的正確性及質(zhì)量，因此保證本體的一致 性至關(guān)重要。對(duì)本體的一致性定義如下如果一個(gè)本體中的所有概念都存在可滿足的解釋，則說(shuō)明這個(gè)本體是一致的。反之，如果本體中任何一個(gè)概念不存在可滿足的解釋，則該本體是不一致的。 一個(gè)不一致的本體意味 著本體中的某些部分與其他部分產(chǎn)生沖突。本體的最小不一致公理集合(Minimal Inconsistent Subset, MIS)是指該集合是本體的 不一致子集，而該集合的任何真子集都是一致的。最小錯(cuò)誤集合(Minimal Error Set)是導(dǎo)致本體產(chǎn)生不一致的最小集合。即產(chǎn)生本體不一 致現(xiàn)象的根源。通過(guò)刪除或修改最小錯(cuò)誤集合，即可有效恢復(fù)整個(gè)本體的一致性。盡管本體的一致性非常重要，但是現(xiàn)實(shí)生活中的本體卻常常是不一致的。這種不一致可能來(lái)源于l)本體構(gòu)建者的錯(cuò)誤，即由于建立本體的人知識(shí)不足或者發(fā)生錯(cuò)誤而使本體在建 立之初就是不一致的；2) —詞多義現(xiàn)象，即一個(gè)詞根據(jù)語(yǔ)境不同具有多種含義，因此容易發(fā) 生混淆；3)格式轉(zhuǎn)換，由于本體具有多種表達(dá)方式，例如RDF(Resource Description Framework) 、 OWL(Web Ontology Language)等，當(dāng)本體從一種表達(dá)方式轉(zhuǎn)換為另一種表達(dá)方 式時(shí)也容易產(chǎn)生不一致；4)本體集成，即一個(gè)本體是由多個(gè)小本體集成而來(lái)的，由于各個(gè)小 本體的構(gòu)造方式不同，集成得到的本體往往很難達(dá)到一致。已有很多研究者考慮了本體的不一致問(wèn)題，但是其研究和應(yīng)用還很不完善。Schlobach等 人在SEKT(Semantically Enabled Knowledge Technologies)項(xiàng)目中研究了不一致本體的診 斷和修復(fù)問(wèn)題，提出Pinpoint的概念作為本體的診斷集，但是作者采用了啟發(fā)式算法，因此 無(wú)法保證算法的完備性(Schlobach S， H翻G Zhisheng. Inconsistent ontology diagnosis and r印air [EB/0L]. 2007. http:〃wasp.cs.vu.nl/sekt/dion/sekt363.pd:0。 H扁g等人 提出線性擴(kuò)展戰(zhàn)略，以從不一致的本體中推出有意義的結(jié)論，但是其應(yīng)用還具有一定的局限 性(HUANG Zhisheng, Harmelen VF, Te丄jeAT. Reasoning with inconsistent ontologies [C]. //Proc IJCAI'05. Edinburgh' UK: Professional Book Center, 2005:254-259.)。 Deng等 人利用博弈論中的謝普利值(Shapley value)計(jì)算本體中每條公理的錯(cuò)誤程度，通過(guò)刪除 Shapley值最大的公理解決不一致問(wèn)題，但是其計(jì)算復(fù)雜度是指數(shù)級(jí)的，不便執(zhí)行(DENGXi， Haarslev V, Shiri N. Measuring inconsistencies in ontologies [J]. ■iecti/re Abtes C卿wter ^'認(rèn)e, 2007， 4519: 326-340.)。因此，有必要提出一種更加有效的對(duì)木體的不一致性進(jìn)行分析的方法，從而恢復(fù)本體的 一致性，保證語(yǔ)義理解的正確性。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提出一種基于描述邏輯的本體不一致性分 析方法，能夠通過(guò)修改或去除本體中的最小錯(cuò)誤集合，有效恢復(fù)本體的一致性，從而保證語(yǔ) 義理解的正確性，實(shí)現(xiàn)基于語(yǔ)義的知識(shí)共享與信息交換。本發(fā)明的特征在于，所述方法是依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟(l)，初始化安裝本體建模工具Prot6g6,用以建立、刪除、修改本體，并把本體存儲(chǔ)為網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ) 言0WL的格式，構(gòu)建本體倉(cāng)庫(kù)，用于存儲(chǔ)用所述Prot6g6構(gòu)建的本體文件，安裝本體不一致性分析系統(tǒng)，其中包括緩沖本體庫(kù)、邏輯推理機(jī)RACER、以及本體不 一致性分析模塊，其中-緩沖本體庫(kù)，存儲(chǔ)從所述本體倉(cāng)庫(kù)中提取到的需要分析本體不一致性的本體，邏輯推理機(jī)RACER，是一個(gè)基于描述邏輯的推理機(jī)，用于獲取需要分析本體不一致性的 文件中存在著不一致的概念集合，本體不一致性分析模塊，用于從所述緩沖本體庫(kù)中提取不一致的本體，并借助所述邏輯 推理機(jī)RACER，求得本體的最小錯(cuò)誤集合； 步驟(2)，按以下步驟進(jìn)行本體不一致性分析步驟(2. 1)，用本體不一致性分析模塊從緩沖本體庫(kù)中提取待分析的本體0;步驟(2. 2),該本體不一致性分析模塊把步驟(2. 1)所述的本體0送往邏輯推理機(jī)RACER， 判斷本體0是否描述邏輯一致若 一致，則分析結(jié)束，返回歩驟(2.1)，若不一致，則計(jì)算不一致的概念集合，并保存；步驟(2. 3)，該本體不一致性分析模塊得到步驟(2. 2)中所述的不一致的概念集合后，利 用MUPS—bottomup算法(參見(jiàn)文獻(xiàn)Schlobach S, HUANG Zhisheng. Inconsistent ontology diagnosis and repair [EB/0L]. 2007. http://w￡isp. cs. vu. n丄/sekt/dion/sekt363. pdf)求得最小不一致公理集合，表示為M/S^f^,&,...,&}，其中^，&,...,&均為本體0的最小不一致公理集合，每個(gè)集合中包含若干條不一致的公理；步驟(2. 4),從步驟(2. 3)得到的集合&,中各任意選取一條公理加入集合//4 ;步驟(2.5)，若步驟(2.4)得到的集合/^中存在重復(fù)的公理，則刪去重復(fù)的公理，得到一個(gè)命中集合/Z;步驟(2.6)，重復(fù)執(zhí)行步驟(2.4)到歩驟(2.5)， 一直到不存在新的集合i^為止，再執(zhí)行 下一個(gè)步驟；步驟(2. 7)，計(jì)算步驟(2. 5)中所述命中集合//中至少一個(gè)//包含的公理數(shù)最少的集合， 并保存；步驟(2.8)，把步驟(2.7)得到的集合賦給最小錯(cuò)誤集合D，并把其返回給用戶； 步驟(3)，用戶得到步驟(2.8)所述的最小錯(cuò)誤集合D后，用本體建模工具Prot6g6刪除或 修改所述集合D，從而得到一致的本體0';步驟(4)，把步驟(3)得到的本體0'存入所述本體倉(cāng)庫(kù)中。 本發(fā)明通過(guò)對(duì)不一致的本體進(jìn)行分析，求得本體的最小錯(cuò)誤集合，用戶可以進(jìn)一步分析 該最小錯(cuò)誤集合中的公理，對(duì)其進(jìn)行刪除或修改，從而恢復(fù)整個(gè)本體的一致性，保證語(yǔ)義的 正確理解，并支持協(xié)同過(guò)程中的信息與知識(shí)共享。和其他方法相比，本發(fā)明提出的方法能夠 更加簡(jiǎn)單有效的解決本體的不一致問(wèn)題，同時(shí)給出了所有的最小錯(cuò)誤集合，能夠由用戶根據(jù)實(shí)際情況有選擇性的進(jìn)行刪除或修改，更加適合實(shí)際應(yīng)用。


圖1是一個(gè)描述了基于描述邏輯的本體不一致性分析系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是一個(gè)描述了基于描述邏輯的本體不一致性分析方法具體步驟的圖； 圖3是一個(gè)描述了本體不一致性分析模塊的算法流程圖。
具體實(shí)施方式
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下 1.建立基于描述邏輯的本體不一致性分析系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，參閱圖l,該系統(tǒng)的主要構(gòu)件 及建立過(guò)程如下(1) 在計(jì)算機(jī)上安裝操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)可選用微軟公司的視窗(Windows)系列操作系 統(tǒng)中的Windows 2000及以上版本；(2) 在計(jì)算機(jī)上安裝本體工具ProWg6。 Prot6g6是斯坦福大學(xué)開發(fā)的開源的本體建模工 具，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。該工具可以建立、刪除、修改本體，并將本體存儲(chǔ)為OWL (Wcb Ontology Language,網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言，參考資料可從萬(wàn)維網(wǎng)http:〃麗.w3. org/TRlowl-ref 上 得 到 ) 的 格 式 。
Prot6g6 可 從 萬(wàn) 維 網(wǎng)http://protege. Stanford, edu/downl oad/downl oad. html上下載，其參考資f斗可從萬(wàn)維網(wǎng) ht,tp://protege. Stanford, edu/doc/users guide/上得至ij;(3) 在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建本體倉(cāng)庫(kù)，用于存儲(chǔ)本體文件。所述本體文件采用標(biāo)準(zhǔn)格式描述， 并通過(guò)本體工具構(gòu)造而成。所述標(biāo)準(zhǔn)格式采用OWL格式。所述本體工具采用步驟2中所述的 Prot6ge5(4) 在計(jì)算機(jī)上安裝本體不一致性分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含如下三個(gè)部分(4.1) 緩沖本體庫(kù)存儲(chǔ)需要分析本體不一致性的本體，該本體是從本體倉(cāng)庫(kù)中提 取出來(lái)的、0WL格式的本體文件；(4.2) 邏輯推理機(jī)RACER:是一個(gè)基于描述邏輯的推理機(jī)，可以從萬(wàn)維網(wǎng) http:〃麗w. racer-systems, com/上下載得到。該推理機(jī)通過(guò)DIG接口 (描述邏輯推理接 口 DIG, Description Logic Reasoner Interface)提供推理服務(wù)，可通過(guò)HTTP或TCP 訪問(wèn)。將本體文件輸入RACER，經(jīng)過(guò)推理可獲得該本體中不一致的概念集合。(4.3) 本體不一致性分析模塊用于從緩沖本體庫(kù)中提取不一致的本體，并借助邏 輯推理機(jī)RACER的功能，求得本體的最小錯(cuò)誤集合。該最小錯(cuò)誤集合即產(chǎn)成本體不一致 現(xiàn)象的癥結(jié)所在，通過(guò)刪除或修改該最小錯(cuò)誤集合可以恢復(fù)整個(gè)本體的一致性。2. —種能夠分析并解決本體的不一致性的方法，該方法采用的具體方案參閱圖2和圖3， 運(yùn)行過(guò)程包括如下的步驟-歩驟1，用戶在所述本體倉(cāng)庫(kù)中存儲(chǔ)需要使用的本體，所述的本體可以通過(guò)本體工具 Prot^6建立，也可以通過(guò)其他本體建模工具建立，所述的本體以標(biāo)準(zhǔn)格式0WL存儲(chǔ)；步驟2,當(dāng)用戶需要分析某個(gè)或某些本體的不一致性時(shí)，從所述本體倉(cāng)庫(kù)中提取需要分 析不一致性的本體，并存入所述的緩沖本體庫(kù)中；步驟3，所述的本體不一致性分析模塊按照以下步驟對(duì)不一致的本體進(jìn)行分析 步驟3.1，用本體不一致性分析模塊從緩沖本體庫(kù)中提取待分析的本體O; 步驟3. 2，該本體不一致性分析模塊把步驟3. 1所述的本體0送往邏輯推理機(jī)RACER, 判斷本體0是否描述邏輯一致若 一致，則分析結(jié)束，返回步驟3.1，若不一致，則計(jì)算不一致的概念集合，并保存；步驟3.3，該本體不致性分析模塊得到步驟3.2中所述的不一致的概念集合后，利 用MUPS—bottomup算法(參見(jiàn)文獻(xiàn):Schlobach S， HUANG Zhisheng. Inconsistent ontology diagnosis and repair [EB/CL]. 2007. http://wasp.cs.vu.n1/sekt/dion/sekt363.pd:0 求得最小不一致公理集合，表示為TkTiS = ，其中^,&,...，&均為本體0的最小不一致公理集合，每個(gè)集合中包含若干條不一致的公理；步驟3. 4，從步驟3. 3得到的集合S,中各任意選取一條公理加入集合//,;步驟3.5，若步驟3.4得到的集合/^中存在重復(fù)的公理，則刪去重復(fù)的公理，得到一 個(gè)命中集合i/;步驟3.6，重復(fù)執(zhí)行步驟3.4到步驟3.5， 一直到不存在新的集合//,為止，再執(zhí)行下 一個(gè)步驟；步驟3. 7，計(jì)算步驟3. 5中所述命中集合i/中至少一個(gè)7/包含的公理數(shù)最少的集合， 并保存；步驟3.8,把步驟3.7得到的集合賦給最小錯(cuò)誤集合D，并把其返回給用戶； 步驟4，用戶得到步驟3. 8所述的最小錯(cuò)誤集合D后，用本體建模工具Prot6g6刪除或 修改所述集合D，從而得到一致的本體0';步驟5，把步驟4得到的本體0'存入所述本體倉(cāng)庫(kù)中。 下面以一個(gè)不一致的本體r為例(如表l所示)，說(shuō)明上述的分析過(guò)程 將T作為待分析的本體，從本體倉(cāng)庫(kù)提取到緩沖本體庫(kù)中。r包含7條公理0^,戰(zhàn)2,...,似7，其中4,J2,4,4t,5pS2,S3,q,C2表示概念，f和r表示角 色。經(jīng)步驟3.2判斷，r是不一致的本體。例如o^中定義4與A不相交，a^中定義4與5,相交，那么顯然4和4是不相交的，但是M中又定義4與4相交，解釋無(wú)法滿足，因此『是不一致的。進(jìn)一步說(shuō)，"x,和"A構(gòu)成r的一個(gè)不一致子集，去掉這個(gè)子集中任何一條公理(a、 或"x》該集合都是一致的，因此^^,ax^又構(gòu)成了r的最小不一致公理集合。經(jīng)過(guò)步驟3.3的計(jì)算，得到r中包含三個(gè)最小不一致公理集合，艮P:MAS(r) = {{ax,,,} ，{ax3,￡a:4，ax5}，{ax4,ax;7〗從MIS的三個(gè)子集中各取一條公理、最后再刪除重復(fù)的公理所組成的集合即為命中集合， 經(jīng)步驟3. 4-3. 6的計(jì)算得到r的命中集合為呻)= 7 Y J 1 J({ax 2,ax3, ax7卜{似2, ax:4 {， }ax 2, ax5， ax7 {J考慮到對(duì)本體的影響最小，選取其中包含公理數(shù)最少的集合作為最小錯(cuò)誤集合。因此經(jīng) 步驟3. 7和3. 8計(jì)算得到最小錯(cuò)誤集合為D = {{ax! ， ax4}, {cue 2, x4}}從本體中刪除或修改fl^和似4 (或者^(guò)2和^4)都可以恢復(fù)本體r的一致性。按照發(fā)明內(nèi)容中的初始化設(shè)定中的歩驟依次完成系統(tǒng)的部署和設(shè)定，根據(jù)發(fā)明內(nèi)容中的 本體不一致性分析方法來(lái)得到不一致本體的最小錯(cuò)誤集合，求解過(guò)程中要用到邏輯推理機(jī)RACER。用廣根據(jù)返回的最小錯(cuò)誤集合進(jìn)行分析，可以通過(guò)去除或修改最小錯(cuò)誤集合中的公理 恢復(fù)本體的一致性。附表表l不一致的本體Tax, : 4^4門4門，Aax3: v43 gPi b3 ax4 : 4 ^ V7.52門qax7 : v45 ^門U權(quán)利要求
1.基于描述邏輯的本體不一致性分析方法，其特征在于，所述方法是在計(jì)算機(jī)中依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟(1)，初始化安裝本體建模工具Protégé，用以建立、刪除、修改本體，并把本體存儲(chǔ)為網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言O(shè)WL的格式，構(gòu)建本體倉(cāng)庫(kù)，用于存儲(chǔ)用所述Protégé構(gòu)建的本體文件，安裝本體不一致性分析系統(tǒng)，其中包括緩沖本體庫(kù)、邏輯推理機(jī)RACER、以及本體不一致性分析模塊，其中緩沖本體庫(kù)，存儲(chǔ)從所述本體倉(cāng)庫(kù)中提取到的需要分析本體不一致性的本體，邏輯推理機(jī)RACER，是一個(gè)基于描述邏輯的推理機(jī)，用于獲取需要分析本體不一致性的文件中存在著不一致的概念集合，本體不一致性分析模塊，用于從所述緩沖本體庫(kù)中提取不一致的本體，并借助所述邏輯推理機(jī)RACER，求得本體的最小錯(cuò)誤集合；步驟(2)，按以下步驟進(jìn)行本體不一致性分析步驟(2.1)，用本體不一致性分析模塊從緩沖本體庫(kù)中提取待分析的本體O；步驟(2.2)，該本體不一致性分析模塊把步驟(2.1)所述的本體O送往邏輯推理機(jī)RACER，判斷本體O是否描述邏輯一致若一致，則分析結(jié)束，返回步驟(2.1)，若不一致，則計(jì)算不一致的概念集合，并保存；步驟(2.3)，該本體不一致性分析模塊得到步驟(2.2)中所述的不一致的概念集合后，利用MUPS_bottomup算法求得最小不一致公理集合，表示為MIS＝{S1，S2，...，Sn}，其中S1，S2，...，Sn均為本體O的最小不一致公理集合，每個(gè)集合中包含若干條不一致的公理；步驟(2.4)，從步驟(2.3)得到的集合S1，S2，...，Sn中各任意選取一條公理加入集合Hk；步驟(2.5)，若步驟(2.4)得到的集合Hk中存在重復(fù)的公理，則刪去重復(fù)的公理，得到一個(gè)命中集合H；步驟(2.6)，重復(fù)執(zhí)行步驟(2.4)到步驟(2.5)，一直到不存在新的集合Hk為止，再執(zhí)行下一個(gè)步驟；步驟(2.7)，計(jì)算步驟(2.5)中所述命中集合H中至少一個(gè)H包含的公理數(shù)最少的集合，并保存；步驟(2.8)，把步驟(2.7)得到的集合賦給最小錯(cuò)誤集合D，并把其返回給用戶；步驟(3)，用戶得到步驟(2.8)所述的最小錯(cuò)誤集合D后，用本體建模工具Protégé刪除或修改所述集合D，從而得到一致的本體O’；步驟(4)，把步驟(3)得到的本體O’存入所述本體倉(cāng)庫(kù)中。
全文摘要
基于描述邏輯的本體不一致性分析方法屬于語(yǔ)義及本體分析領(lǐng)域，其特征在于，在計(jì)算機(jī)上建立本體倉(cāng)庫(kù)、緩沖本體庫(kù)、本體不一致性分析模塊、邏輯推理機(jī)RACER和本體工具Protégé；該方法通過(guò)本體不一致性分析模塊來(lái)分析緩沖本體庫(kù)中存儲(chǔ)的不一致的本體，計(jì)算該本體的最小不一致公理集合、命中集合，最后得到最小錯(cuò)誤集合，該最小錯(cuò)誤集合即產(chǎn)生本體不一致性的根源，通過(guò)刪除或修改該最小錯(cuò)誤集合可以有效恢復(fù)原本體的一致性。根據(jù)本發(fā)明，能夠在語(yǔ)義不一致情況下對(duì)本體進(jìn)行分析，找到產(chǎn)生本體不一致性的根源，從而有效恢復(fù)本體的一致性。
文檔編號(hào)G06N5/00GK101266660SQ200810104410
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者博 劉, 范玉順 申請(qǐng)人:清華大學(xué)