張曉丹，李 靜，張秋霞，尚子華

（1.黃河科技學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；2.鄭州市煤炭監(jiān)察執(zhí)法支隊(duì)監(jiān)控科 河南 鄭州 450000）

語義網(wǎng)是一種能夠理解人類語言的智能網(wǎng)絡(luò)，語義網(wǎng)的出現(xiàn)不僅使人與電腦之間的交流變得輕松，而且語義網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)還能利用自己的智能軟件，在萬維網(wǎng)上的海量資源中找到所需要的信息，從而將一個(gè)個(gè)現(xiàn)存的信息孤島發(fā)展成一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)。近幾年來，關(guān)于語義網(wǎng)的研究很多，主要集中于對(duì)本體的討論上，包括本體的基本涵義、形式化表示、本體的構(gòu)建、本體語言以及基于本體的各種理論探討與試驗(yàn)應(yīng)用。OWL（Web Ontology Language）是一個(gè)本體語言，用于帶有形式化定義含義的語義網(wǎng)，本文是在介紹本體語言的基礎(chǔ)上，研究OWL2 Web本體語言的新特性及其原理，對(duì)本體語言做進(jìn)一步的研究。

1 本體語言

從W3C到美國(guó)和歐盟的科研項(xiàng)目，不同的研究團(tuán)體針對(duì)語義網(wǎng)表達(dá)提出了不同的建議和語言，這些語言構(gòu)成了語義網(wǎng)的基礎(chǔ)。

DAML：DAML（DARPA Agent Markup Language）委員會(huì)于1999年在美國(guó)成立。當(dāng)時(shí)，已被建議為W3C標(biāo)準(zhǔn)語言的RDFS，由于微弱的語義表達(dá)能力不能滿足DAML的需求，為此，DAML吸取面向?qū)ο笳Z言和基于框架的知識(shí)表達(dá)語言方面的經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)展了RDFS，形成了新的本體建模語言DAMLONT[1]。

OIL：歐洲信息技術(shù)委員會(huì)研究設(shè)計(jì)的本體描述語言O(shè)IL（Ontology Inference Layer），將基于框架的本體建模原語、萬維網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)語言以及描述邏輯（DL）中簡(jiǎn)單且定義完好的語義描述部分結(jié)合起來，為大多數(shù)Ontology中常用的建模原語提供了簡(jiǎn)單、清楚和定義完備的語義，并提供了自動(dòng)的推理支持（如類的一致性和包容關(guān)系的檢查）[2]。

DAML+OIL：DAML+OIL是上述歐美兩個(gè)組織共同協(xié)商的產(chǎn)物，它從描述邏輯入手，建立于W3C組織的標(biāo)準(zhǔn)RDF和RDFS之上，并且以更豐富的建模原語擴(kuò)展了RDF和RDFS。DAML+OIL的目標(biāo)是使智能主體（Agent）能夠動(dòng)態(tài)地識(shí)別和理解信息資源，并以語義方式提供代理之間的互操作[3]。

OWL：W3C組織總結(jié)了以上幾種語言的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，于2004年2月正式推出了OWL本體語言。圖1是本體表示模型和語言關(guān)系圖[4]。

2 OWL語言

2.1 OWL介紹

圖1 本體表示模型和語言關(guān)系圖Fig.1 Ontology representation model and language diagram

OWL（Ontology Web Language）是 W3C（World Wide Web Consortium）于2004年開發(fā)的一種本體語言，即第一版本的OWL本體語言（以下簡(jiǎn)稱為OWL1），用于對(duì)本體進(jìn)行語義描述。對(duì)OWL的設(shè)計(jì)最大的影響是來自DAML+OIL、描述邏輯、框架和 RDF（S），OWL是DAML+OIL的修訂版，其語義受到描述邏輯的影響，本體知識(shí)的組織方式受到框架的影響，交換語法是基于RDF/XML。另外，OWL1定義了3種子語言，分別是 OWL Lite，OWL DL和 OWL Full。從語法上來說，OWL Lite本體中類的層次結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，只適合用來描述具有簡(jiǎn)單約束的本體；OWL DL的基礎(chǔ)是描述邏輯（Description Logics），可以進(jìn)行自動(dòng)推理，表達(dá)能力也相應(yīng)較強(qiáng)；OWL Full是3個(gè)語言中表達(dá)能力最強(qiáng)的，適合那些需要強(qiáng)大表達(dá)能力的場(chǎng)合，但不適用于進(jìn)行自動(dòng)推理。

2.2 OWL1的組成

1）類（class）：類定義了一組共享某些屬性的個(gè)體所組成的集合。OWL1中描述類的構(gòu)詞有Class，one Of；描述類運(yùn)算式 的 構(gòu) 詞 有 valuesOf，intersectionOf，unionOf，complementOf；描述類公理的構(gòu)詞有類存在，subClassOf，equivalectClass以及disjointWith等。

2）屬性（Property）：屬性是個(gè)體之間的二元關(guān)系，在描述邏輯中，它們就是角色（Role）的概念，用于說明個(gè)體之間或個(gè)體到數(shù)值間的關(guān)系。OWL1中有大量的構(gòu)詞用于描述屬性，比如 ， equivalentProperty，inverseOf，TransitiveProperty，Symmetric Property，F(xiàn)unctionalProperty和 Inverse FunctionalProperty用于描述屬性特征；allValuesFrom，someValuesFrom以及hasValue用來約束屬性的值域；minCardinality，maxCardinality和Cardinality則是用來約束屬性取值的數(shù)量。

3）個(gè)體（individual）：個(gè)體是類的實(shí)例（Instance），代表領(lǐng)域中我們感興趣的對(duì)象，可以用屬性將一個(gè)個(gè)體與另一個(gè)個(gè)體關(guān)聯(lián)起來，在OWL1中不使用唯一命名假設(shè)，即兩個(gè)不同的名稱可以對(duì)應(yīng)一個(gè)個(gè)體。OWL1中有3種描述實(shí)例約束的構(gòu)詞分別是 sameAs，differentFrom和 allDifferent[5-6]。

2.3 OWL2

OWL2是W3C于2012年提出的，是在OWL1的基礎(chǔ)上對(duì)OWL本體語言的擴(kuò)展，并繼承了它的語言特性、設(shè)計(jì)決策和用于OWL1的用例。OWL2在OWL1提供的類、屬性、個(gè)體及數(shù)據(jù)值的基礎(chǔ)上又添加了一些新的功能，這些新功能中有一些是語法上的改進(jìn)（例如，“語法糖”，類的不相交并集），其它的則是提供了新的表達(dá)能力，包括：鍵 （keys）、屬性鏈（property chains）、更豐富的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)定義域、有條件的基數(shù)限制、非對(duì)稱屬性、自反屬性和不相交屬性、增強(qiáng)的注釋能力，增強(qiáng)了對(duì)屬性的表達(dá)能力、對(duì)數(shù)據(jù)類型的擴(kuò)展支持以及擴(kuò)展的注釋能力。OWL2也定義了3種不同的配置語言：OWL2 EL，OWL2 QL和OWL2 RL，它們是能更好地滿足特定的性能需求或者更易于實(shí)現(xiàn)的OWL2的語言子集。每種配置語言都定義為“OWL2結(jié)構(gòu)化規(guī)范”的一個(gè)語法限制，即作為可用于相容本體（conforming ontology）的結(jié)構(gòu)化元素的子集，并且它們都比OWL DL更具有限制性。

3 OWL 2的新功能及基本原理

3.1 語法糖

OWL1提供的disjointWith僅表示兩個(gè)類之間的兩兩不相交，OWL2在此基礎(chǔ)上提供了語法糖— DisjointUnion和語法糖—DisjointClasses。其中，DisjointUnion表示兩兩不相交的其他類的集合類，DisjointClasses可表示多個(gè)類之間的兩兩不相交。另外，OWL2提供了 OWl 2:Negative Object Property Assertion和Owl 2:NegativeDataPropertyAssertion用來表明一個(gè)給定的對(duì)象屬性或者數(shù)據(jù)屬性沒有被該個(gè)體擁有，改進(jìn)了OWL1僅提供了個(gè)體所有的屬性值而并未提供一個(gè)判斷該個(gè)體沒有某值的概念。OWL2語法糖具體描述與示例如表1所示。

表1 語法糖Tab.1 Syntactic sugar

3.2 屬性新結(jié)構(gòu)

OWL 1主要集中于類和個(gè)體的信息表達(dá)，在屬性的表達(dá)上存在較少的注意力。OWL 2為屬性的額外限制、新特征，不兼容性、屬性鏈和鍵的表達(dá)提供了新的結(jié)構(gòu)。比如，OWL1僅僅限制了屬性的實(shí)例數(shù)，OWL2則在此基礎(chǔ)上新添加了基數(shù)限制：ObjectMinCardinality、ObjectMaxCardinality、Object Exact Cardinality、DataMinCardinality、DataMaxCardinality、Data Exact Cardinality。 例 如 ，ObjectExactCardinality （1:hasDirectPart:FrontalLobe），表示對(duì)象類恰好有 1個(gè) frontal lobe類型的direct part。再如，OWL1沒有提供方法將屬性定義為其他屬性的組合，就像定義“uncle”時(shí)需要用到兩個(gè)或兩個(gè)以上屬性（例如brother和father），因此，不可能將一個(gè)屬性 （例如locatedIn）與另一個(gè)屬性 （例如part of）一起傳遞。在一個(gè)SubObjectPropertyOf公理中的OWL2結(jié)構(gòu)Object Property Chain允許將屬性定義為若干屬性的組合。另外，OWL1沒有為定義鍵提供方法，OWL2結(jié)構(gòu)HasKey允許為給定的類定義鍵。屬性新結(jié)構(gòu)如表2所示。

3.3 擴(kuò)展數(shù)據(jù)類型的能力

1）額外數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)類型限制

DatatypeRestriction（DT F1 lt1...Fn ltn），其中 DT是一個(gè)一元數(shù)據(jù)類型，F(xiàn)i ltl，1≤i≤n是一對(duì)約束 facet和 literal。例如，DataTypeRestriction （xsd:integer minInclusive 18）表示xsd:integer是一個(gè)下限為18的數(shù)據(jù)類型。該特性彌補(bǔ)了OWL1不支持?jǐn)?shù)據(jù)類型的任何子集的缺陷。

2）N元數(shù)據(jù)類型

OWL1無法表示一個(gè)對(duì)象值之間的關(guān)系，例如表示一個(gè)正方形是一個(gè)長(zhǎng)和寬相等的矩形。OWL2包括了n元數(shù)據(jù)類型所需的語法結(jié)構(gòu)，以為擴(kuò)展提供了公共基礎(chǔ)。例如，DataAllValuesFrom（:admissionTemperature:current Temperature Data Comparison （Arguments （x y）leq （x y）））表 示 一 個(gè)adminssionTemperature不大于其currentTemperature的個(gè)體。

表2 屬性新結(jié)構(gòu)Tab.2 The new structure attributes

3）數(shù)據(jù)類型定義

針對(duì)OWL1只能通過一個(gè)類的描述定義一個(gè)新類，而不能定義一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型的情況，OWL2提供了定義數(shù)據(jù)類型的新結(jié)構(gòu)：DatatypeDefinition（{A}DT DR），其中 DT是一個(gè)數(shù)據(jù)類型，DR是一個(gè)數(shù)值范圍。例如：DatatypeDefinition （:adultAge DatatypeRestriction （xsd:integer minInclusive 18））定義了一個(gè)新的數(shù)據(jù)類型 adultAge:至少18 的 xsd:integer。

4）數(shù)據(jù)值域組合

OWL1允許類的結(jié)合以構(gòu)建新類，但不適用于數(shù)據(jù)類型，但OWL2允許這種方法：

DataIntersectionOf （{A}DR1...DRn）其中 DRi，1≤i≤n代表數(shù)據(jù)范圍；

DataUnionOf（{A}DR1...DRn）；DataComplementOf（{A}DR）。

3.4 擴(kuò)展的注釋

OWL2除了允許對(duì)本體、實(shí)體進(jìn)行注釋外，還允許對(duì)匿名個(gè)體、公理以及注釋本身作注釋。

本體實(shí)體和匿名個(gè)體的注釋：AnnotationAssertion（{A}AP s v），其中AP是一個(gè)注釋屬性，s是一個(gè)IRI或者一個(gè)匿名個(gè)體，v是一個(gè)literal，或者一個(gè)IRI，或者一個(gè)匿名個(gè)體。

公理、注釋以及本體的注釋：Annotation{A}AP v），其中 AP是一個(gè)注釋屬性，v是一個(gè)literal，或者一個(gè) IRI，或者一個(gè)匿名個(gè)體。

注釋屬性的子屬性：SubAnnotationPropertyOf（ {A}AP1AP2），其中AP1和 AP2是注釋屬性。例如：Sub Annotation Property Of（:narrow_synonym:synonym）中屬性:narrow_synonym是:synonym的子屬性。

注釋屬性的定義域：AnnotationPropertyDomain（{A}AP U），其中AP是注釋屬性，U是一個(gè)IRI。

注釋屬性的值域：AnnotationPropertyRange（ {A}AP U）， 其 中 AP是 注 釋 屬 性 ，U是 一 個(gè) IRI。 例 如 ， 例 子AnnotationPropertyRange（FMA:UWDAID xsd:positiveInteger）表示FMA ID是一個(gè)正整數(shù)。

3.5 其他創(chuàng)新

在OWL1中，實(shí)體可以直接使用而無需預(yù)先聲明，因此無法保證實(shí)體名在不同的公理中都能匹配，如果出現(xiàn)實(shí)體名不匹配的情況，沒有辦法查找錯(cuò)誤。在OWL2中引入了實(shí)體聲明，一個(gè)聲明意味著實(shí)體是本體詞匯表的一部分。聲明也使實(shí)體類別（類、數(shù)據(jù)類型、對(duì)象屬性、數(shù)據(jù)屬性、注釋屬性或個(gè)體）與被聲明的實(shí)體間建立了關(guān)聯(lián)。

1）聲明：Declaration（AE），其中 A 是一個(gè)注釋，E 是一個(gè)實(shí)體。 例如，例子 Declaration（Class（:Person））表示:Person 被聲明為一個(gè)類。

2） 頂 層 和 底 部 性 能 ：topObjectProperty、bottom Object Property、topDataProperty、bottomDataProperty。

3）IRIs （Internationalized Resource Identifiers）：OWL1 中使用的統(tǒng)一資源定位符 （URL）是ASCII的一個(gè)子集，而ASCII只包含了英語字母表中的字符，這對(duì)于非英語名稱有局限性的。因此，OWL2使用了國(guó)際化資源標(biāo)識(shí)符（IRI）[RFC3987]來標(biāo)識(shí)本體及其元素。

4）引入和版本：Ontology（[O[V]]{Import（O′）}{A}{AX}），其中，[O]和 [V]表示零或一個(gè)本體和版本IRIs，{Import（O‘）}表示零或多個(gè)引入，O’是一個(gè)本體 IRI，{A}是零或多個(gè)注釋，{AX}是零或多個(gè)公理。

5）Anonymous Individuals：相比OWL1中匿名個(gè)體作為無標(biāo)識(shí)符的個(gè)體引入，OWL2中匿名個(gè)體是使用節(jié)點(diǎn)ID標(biāo)識(shí)的，并且OWL2中匿名個(gè)體的處理與OWL1完全向后兼容。

6）逆屬性：通過規(guī)避給逆屬性命名的需要，OWL2中的屬性表達(dá)式可以在類表達(dá)式中直接使用。例如，OWL1的逆屬性公理 ObjectProperty（：hasPart inverse：partOf），在 OWL2中可以用公理 InverseObjectProperties（：hasPart：partOf）表示。

4 結(jié) 論

雖然OWL2在OWL1提供的類、屬性、個(gè)體及數(shù)據(jù)值的基礎(chǔ)上又添加了一些新的功能，增強(qiáng)了對(duì)屬性的表達(dá)能力、對(duì)數(shù)據(jù)類型的擴(kuò)展支持以及擴(kuò)展的注釋能力，使得Web本體標(biāo)準(zhǔn)語言更加強(qiáng)大，但基于OWL2的本體實(shí)際應(yīng)用還存在許多不足，離建立符合語義網(wǎng)構(gòu)想的WWW頁面或網(wǎng)站還有相當(dāng)?shù)木嚯x。如何規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)本體的編制用以指導(dǎo)中文網(wǎng)絡(luò)本體的構(gòu)建，如何建立具有一定實(shí)用價(jià)值的詞匯集（Vocabulary）及推理機(jī)制，是當(dāng)前需要繼續(xù)深入探索和不斷努力實(shí)踐的任務(wù) 。

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