面向复杂自适应系统的本体构造方法及其若干关键技术研究

论文摘要

随着信息技术的快速发展和广泛应用,信息系统正在逐渐从低级向高级、从孤立封闭向开放协同、从简单向复杂发展。这就要求信息系统的组成单元具有智能性和自适应性,这种单元被称为主体。复杂自适应系统(CAS)的特征之一是具有适量自适应性主体,其核心需求是其数据应该具有明确被表示出来的语义,使数据的隐含语义明显化,以便主体理解。因此,明确的语义表示在复杂自适应系统中扮演很重要的角色。与知识组织系统、概念模型、数据库模式和面向对象建模技术等模型或建模方法相比,本体具有能明确表示数据语义的优势,并可用于知识表示和推理等。因此,本体是复杂自适应系统优选的表示数据的语义模型之一。2010年上海世界博览会信息系统(SCAS)是服务于海世界博览会现场(SHExpo)的一种复杂自适应系统。用本体描述其数据是系统实施的关键技术之一,其结果称为基于SCAS的本体。学术界关于本体构造方法的研究虽然取得了可观成果,但这些本体构造方法主要关注本体构造的非形式化描述阶段,而缺乏对本体结构和基于公理的形式化本体构造的系统性研究,构造出的本体不利于主体理解。就目前研究成果看,基于SCAS的本体构造及其应用面临着一系列挑战,具体体现在:1)缺乏合适的本体结构构造机制和算法,难以确定和构造本体的种类及其结构,难以准确构造基于SCAS的本体;2)缺乏合适的上层本体设计原则和重用机制,使得基于SCAS的本体构造中重复性劳动多,不利于本体的一致性检查和语义说明;3)在把这种本体构造方法应用到描述SCAS场景时,仅依靠现有的关系如ISA等不足以描述基于SCAS的本体,需要研究其它关系及其约束机制等;4)缺乏合适的Web信息语义化机制,不利于主体理解用Web表示的SCAS数据,因此,有必要研究Web信息语义化机制和实施原型。为了迎接这些挑战,作者提出了一种面向复杂自适应系统的本体构造原则和复杂自适应系统的本体构造方法。基于该本体构造方法,作者具体做了以下四方面的研究工作:1)提出了一种本体结构的构造机制即本体△机制及其相应的构造算法。其意义在于是一种通用机制,可用于快速构造本体结构。该机制的特点是根据抽象原理,对象的基本特征(由一个或多个属性组成)进行抽象,能用于快速建立本体结构;提出了构造本体类及其层次结构的算法;这种结构及其构造机制是形式化的,不受论域限制,具有普遍指导意义。2)为了说明SCAS的本体语义,提出一种上层本体设计原则和一种本体约简机制。通过本体约简可有效防止本体设计和构造过程中的逻辑错误,其价值在于实现了上层本体的重用,有利于确定本体中术语的语义,简化了本体设计。a)该设计原则特点是:注重研究通用概念及其关系,关系简单,层次清晰,能作为构造本体的基础和框架;具有形式化描述和语义说明机制,能用于说明本体术语的语义。b)该本体约简的特点是:基于实例归属,语义明确;具有清晰的规则、步骤和对应的约简关系。3)在应用到SCAS中时,特别在构造基于SCAS的SHExpo本体时,为准确描述SHExpo本体的及其关系,研究了组件关系、包含于关系、相对方位关系和位于关系的公理约束机制、组合机制和比较机制,并描述了SHExpo本体的复杂结构。具有如下特点:研究了这些本体关系的约束机制、组合机制和比较机制;用组件关系、位于关系、包含于关系和相对方位关系描述了SHExpo场馆布局的复杂结构。4)基于本体对Web信息语义化进行了探索性研究,以便主体能理解用Web表示的SCAS信息。提出了一种基于元本体的本体构造方法,基于该方法的本体构造是一个逐层实例化过程,呈现分层体系结构,可用于为Web页面及其表单和表格建立语义模型,以便明确表示这些信息载体。基于这种本体方法提出的Web信息语义化框架、Web信息语义化机制和Web信息语义化实施原型是对语义Web技术的必要扩展和有益补充。这种基于元本体的本体构造方法特点是:区分了核心本体与语境,使建模过程主次分明、逐层实例化,而且层次之间的“停止准则”简单。与相关本体构造方法比较,本文提出的本体构造方法具有如下特点:以论域中对象及其关系为出发点,研究了本体结构构造机制及其算法,指出对象关系应体现在对象的最底层类之间或同一最底层类的实例之间,关注本体的语义描述机制,特别是用上层本体来说明本体语义的机制。这种本体构造方法的意义在于:提出的本体结构及其构造机制和算法可用于快速形成本体结构;提出的重用上层本体的机制能够说明本体词汇的语义和有效验证本体的种类设计;对本体构造具有普遍指导意义,已经应用到基于SCAS的本体构造,和应用于上海市科学技术发展基金资助项目《基于知识驱动的语音助手信息推送平台关键技术的研究与实现》和《基于元数据管理的上海世界博览会知识共享系统研究》。本文的研究结果对本体相关的研究和工程项目具有良好的指导意义,具有推广价值,将提升本体研究的高度,并为今后的相关研究提供了理论与应用基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 复杂自适应系统（CAS）
• 1.1.1 CAS的特征
• 1.1.2 CAS的定义与分类
• 1.1.3 CAS的参考模型
• 1.2 2010年上海世博会信息系统（SCAS）
• 1.2.1 IT领域中CAS的核心需求
• 1.2.2 SCAS简介
• 1.2.3 SCAS信息的特点
• 1.2.4 SCAS的应用需求
• 1.3 SCAS数据模型的选择及其挑战
• 1.3.1 用本体表示SCAS数据的语义
• 1.3.2 基于SCAS的本体构造的需求
• 1.3.3 基于SCAS的本体构造的挑战
• 1.4 论文的创新点与组织结构
• 1.4.1 论文的成果与创新点
• 1.4.2 论文的组织结构
• 第2章 本体和面向CAS的本体构造方法
• 2.1 本体及其定义
• 2.1.1 本体定义的综述
• 2.1.2 本体定义的描述
• 2.1.3 本体定义的扩展
• 2.2 本体说明语义的机制
• 2.2.1 语义及其形式
• 2.2.1.1 语义及其定义
• 2.2.1.2 四种形式的语义
• 2.2.2 本体语言
• 2.2.2.1 形式语言及其语义
• 2.2.2.2 三个系列的本体语言
• 2.2.2.3 形式化公理系统简介
• 2.2.2.4 Web本体语言简介
• 2.2.3 本体说明语义的机制
• 2.2.3.1 公理化方法及其系统
• 2.2.3.2 形式化公理系统
• 2.2.3.3 本体说明语义的机制
• OCM）'>2.3 面向CAS的本体构造方法（CAS_OCM）
• 2.3.1 几种典型本体构造方法及其分析
• 2.3.1.1 Stevens提出的本体构造方法
• 2.3.1.2 Natalya提出的本体构造方法
• 2.3.1.3 Obrst提出的本体构造方法
• 2.3.2 面向CAS的本体构造方法
• 2.3.2.1 基于SCAS的本体构造的挑战
• OCP）'>2.3.2.2 面向CAS的本体构造原则（CAS_OCP）
• OCM）'>2.3.2.3 面向CAS的本体构造方法（CAS_OCM）
• 2.4 相关研究比较
• 第3章 本体△机制及其算法研究
• 3.1 对象及其分类机制
• 3.1.1 对象理论与形式化模型
• 3.1.2 对象的属性
• 3.1.2.1 属性（分类的关键要素）
• 3.1.2.2 内部属性和外部属性
• 3.1.3 分类学（taxonomy）
• 3.1.3.1 ISA过载问题
• 3.1.3.2 ISA及其容易混淆的关系
• 3.1.3.3 分类学概述
• 3.1.3.4 分类学的形成机制
• 3.1.3.5 分类学的约束机制
• 3.2 构造本体结构的关键步骤
• 3.2.1 识别对象及其基本特征
• 3.2.2 识别对象之间的关联关系
• 3.2.3 形成最直接（叶层）类
• 3.2.4 形成本体的类层次结构
• 3.2.5 本体关系的层次体现
• 3.3 本体△机制（ODM）及其描述
• 3.3.1 现有的本体构造方法缺乏结构
• 3.3.2 本体△机制及其要素
• 3.3.2.1 本体△机制
• 3.3.2.2 类及其实例
• 3.3.2.3 四个重要关系
• 3.3.3 ODM的语法与语义
• 3.3.3.1 ODM的语法与形式化定义
• 3.3.3.2 ODM的语义与公理约束机制
• 3.4 本体结构的构造算法
• 3.4.1 形成叶类的算法
• 3.4.2 形成类层次结构的算法
• 3.5 相关研究比较
• 第4章 本体约简机制研究
• 4.1 上层本体的必要性
• 4.1.1 上层本体是创建本体结构的基础
• 4.1.2 上层本体是说明本体语义的基础
• 4.1.3 单一上层本体的可行性
• 4.2 上层本体设计原则（UODP）
• 4.2.1 现有上层本体的不足
• 4.2.2 上层本体设计原则
• 4.2.3 一种上层本体及其约束机制
• 4.3 本体约简机制（ORM）
• 4.3.1 本体约简的定义
• 4.3.1.1 Heller提出的本体约简
• 4.3.1.2 基于实例归属的本体约简
• 4.3.2 本体约简的实施
• 4.3.2.1 本体约简的过程
• 4.3.2.2 本体约简的规则
• 4.3.2.3 本体约简的关系
• 4.4 本体说明语义的机制
• 4.5 相关研究比较
• 4.5.1 上层本体设计原则比较
• 4.5.2 本体约简机制比较
• 第5章 基于SCAS的SHEXPO本体构造研究
• 5.1 SHExpo本体构造
• 5.1.1 SHExpo展区概述
• 5.1.2 SHExpo本体的分类学
• 5.1.3 SHExpo本体约简
• 5.1.4 SHExpo本体的语义说明过程
• 5.1.5 SHExpo本体关系
• 5.2 SHExpo本体关系及其约束机制
• 5.2.1 部分关系
• 5.2.1.1 几个重要原理
• 5.2.1.2 分解原理
• 5.2.1.3 组合原理
• 5.2.2 组件关系
• 5.2.2.1 组件关系
• 5.2.2.2 几个重要原理
• 5.2.2.3 直接组件关系
• 5.2.3 连接关系
• 5.2.4 位于关系及其扩展
• 5.2.4.1 位于关系
• 5.2.4.2 地点与相对地点
• 5.2.4.3 包含于关系
• 5.2.4.4 相对方位关系
• 5.3 SHExpo本体关系组合机制
• 5.3.1 位于关系的组合机制
• 5.3.1.1 与组件关系的组合
• 5.3.1.2 与连接关系的组合
• 5.3.2 包含于关系与组件关系的组合
• 5.3.3 相对方位关系的组合
• 5.3.3.1 与位于关系的组合
• 5.3.3.2 与组件关系的组合
• 5.3.3.3 与包含于关系的组合
• 5.4 SHExpo本体关系比较机制
• 5.4.1 包含于关系的比较
• 5.4.1.1 与位于关系的比较
• 5.4.1.2 与组件关系的比较
• 5.4.2 组件关系及其相关关系比较
• 5.4.2.1 与部分关系的比较
• 5.4.2.2 与位于关系的比较
• 5.4.2.3 组件关系应用比较
• 5.5 相关研究比较
• 第6章 基于本体的WEB信息语义化探索
• SF）'>6.1 Web信息语义化框架（Web_SF）
• 6.1.1 语义Web及其扩展研究需求
• 6.1.2 Web信息语义化框架
• SM）'>6.2 Web信息语义化机制（Web_SM）
• 6.2.1 Web信息语义建模思想
• 6.2.2 元本体及其相关概念
• 6.2.3 Web信息语义化机制
• SP）'>6.3 Web信息语义化实施原型（Web_SP）
• 6.3.1 知识型网络爬虫
• 6.3.1.1 网页链接原理
• 6.3.1.2 网页的可达原理
• 6.3.1.3 知识模型与网页内容的映射
• 6.3.1.4 知识型网络爬虫的主要组件
• 6.3.2 基于表单的查询接口的语义建模
• 6.3.2.1 表单的语义建模步骤
• 6.3.2.2 表单结构优化及其描述
• 6.3.2.3 基于表单的查询接口的语义建模实现
• 6.3.3 基于表格的输出接口的语义建模
• 6.3.4 Web页面的语义建模
• 6.3.5 句子解析与语义标注
• 6.4 相关研究比较
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文的研究内容
• 7.2 本文的主要成果与创新点总结
• 7.3 作者未来的研究方向
• 附录 A 作者在学习期间发表的论文一览表
• A.1 已发表的第一作者论文（11篇）
• A.2 已投稿的第一作者论文（3篇）
• A.3 已发表的非第一作者论文（6篇）
• 附录 B 作者在学习期间参与申报的发明专利
• 附录 C 作者在学习期间参与的科研项目
• C.1 基于知识驱动的语音助手信息推送平台关键技术的研究与实现
• C.2 基于元数据管理的上海世界博览会知识共享系统研究
• 附录 D 作者在学习期间获得的奖励与荣誉
• 附录 E 参考文献
• 附录 F 致谢