基于范疇論的Web本體論描述研究

葉丹丹，汪海濤

（昆明理工大學 信息與自動化學院，昆明 650500）

隨著互聯網的不斷發展，人們不僅從互聯網中獲取到了信息，還進行電子商務、在線聊天等活動。它擯棄了傳統方式在時間和空間上的局限性，讓人們便利的獲取各種信息。下面介紹一下Web的演變。

Web 1.0是Web的第一階段，用戶主要是閱覽網站的內容。信息只是用戶和互聯網之間的單項傳輸。到Web 2.0時，用戶既是網站信息的閱覽者又是創建者。例如Blog、Wiki、RSS等為典型的運用，通過這摒棄了傳統方式中由于時間和空間的局限性獲取信息的模式。在Web2.0的環境下用戶能夠自己創建內容，此時互聯網的信息日益增多。這時用戶不能夠非常便捷、高效、準確地獲取自己所需的信息。于是Web3.0就以個性化、友好化等特點為核心應運而生。 Web3.0是在用戶行為習慣和信息的集聚下產生的。它將在Web2.0的基礎上向用戶提供個性化、高效化等的服務。圖1為Web的演變過程。

圖1 Web演變過程Fig.1 Evolution of Web

實現Web3.0的關鍵是語義網。語義網的技術是得出本體實現的關鍵。本文還利用范疇論來進行本體論的研究。

1 語義網

語義網概念是互聯網創始人英國科學家Tim Berners-Lee于2000年12月18日在XML2000的會議上正式提出來的。他對語義網的定義如下：“語義網是一個網，它包含了文檔或文檔的一部分，描述了事物間的明顯關系，且包含語義信息，以利于機器的自動處理?！闭Z義網是為了改變現有互聯網依靠文字信息來共享資源的模式，而利用本體來描述語義信息，以到達語義級的共享，使得網絡服務智能化。

語義網是運用一套通用的標簽把數據信息進行結構化的。由于這些標簽具有預定義的語義，當網絡進行信息處理的時候，通過讀取這些標簽來關聯數據，因此網頁才具有了語義。一個典型的Web網頁是用HTML標記語言來表現的。如下：

上面的信息用戶通過瀏覽器，可以明白其表達的語義。但是對于處理其數據的計算機來說，它們是無法理解”name“、”birthday“等信息的語義的。

使用通用“標簽”來標識數據則可以解決這個問題。它也逐漸成為了定義Web數據的通用語言，這稱為元數據（metadata)。于是，上面用HTML標記語言表示的數據可以表示為：

應用上面通用標簽的思想為描述Web數據定義一套通用元數據，從而形成了本體的概念。

2 本體概念

本體論最早是來源于哲學，它研究物質世界中存在的本質（nature of existence），即研究哪些客體是真實存在的，以及如何描述它們。在計算機科學領域中，本體被稱為“對概念的顯示和形式化的規格說明(explicit and formal specification of a conceptualization)”。下面是本體論形式化的描述定義。

本體結構O可以用一個四元組（C，R，Hc，rel）表示，其中，C表示概念集合；表示概念（c∈C），概念是特定領域中的一組或一類實體或者事物，每個概念可以由屬于分別描述其不同方面的特點；R表示關系集合，r表示關系（r∈R），關系描述了概念與概念之間或者屬性與屬性之間的關系，關系可以分為2類：分類關系和連接關系；Hc表示分類關系，是概念與概念之間的父類、子類等上下位的層次關系，HC?C×C；rel表示連接關系，是除了上下位層次關系以外的其他關系，rel：R→C×C 。［1］

為了在Web中表現本體論的結構，則用描述概念和概念之間的關系——元數據來表示。萬維網聯盟提供了一系列定義元數據和元數據的推薦標準，如下：

XML（Extensible Markup Language）：提供了機構化文檔的表層語法，但是沒有任何具體的語義限制。

XML Schema：用于限制XML文檔的結構。

RDF（Resource Description Framework）：用于定義對象（“資源”）和對象之間的關系，它提供了對象模型的簡單的數據語義，并且使用基于XML的語法表達出來。

RDF Schema：是一種詞匯描述語言，用于描述RDF資源所示的概念和屬性之間的關系。

OWL（Web Ontology Language）：它是一種用于描述元數據的本體語言，用于描述概念，屬性，已及它們內部及之間的關系，包括概念的所屬關系，不交關系，基數限制，屬性的類型，相等，枚舉等。

3 范疇論

范疇是從數學的各個領域中概況出來的一個高度抽象的數學系統。它的提出被普遍的運用到了計算機科學的各個領域，解決和解釋其領域的科學問題。下面先介紹一下范疇論中需要用到的知識。

一個范疇C由下列內容組成：

（1）一個對象類ob(C)，ob(C)的元稱為C中的對象，通常用A，B，…等表示范疇的對象。

（2）一個態射類Mor(C)，Mor(C)的元稱為C中的態射。對于C中對象的每個有序偶(A，B)，對應有唯一的一個集 HomC(A，B)，簡記作 Hom(A，B)。Hom(A，B)中的元稱為C中以A為論域，以B為余論域的態射。

若f ∈Hom(A，B)，則記作f：A→B.有時也用dom(f)，cod(f)分別表示f的論域A，余論域B。

（3）對于C中對象的每個有序三元組(A，B，C)對應一個稱為合成（或復合）的映射Hom(A，B)×Hom(B，C)→Hom(A，C)，即(f，g)∣→ g。f，g。f稱為f和g的合成（或復合）。

要求C中的對象和態射滿足下列公理：

（1）若(A，B)≠(C，D)，則Hom(A，B)∩Hom(C，D)為空；

（2）若f∈Hom(A，B)，g∈Hom(B，C)，h∈Hom(C，D)，則(h。g)。f=h 。(g 。f)；

（3）任意 A∈ob(C)，存在 idA∈Hom(A，A)，使得任意f∈Hom(A，B)，任意g∈Hom(C，A)有f。idA=f，idA。g=g，idA稱為A上的恒同態射。

圖是定義范疇的基礎，范疇是圖加上滿足某種條件的圖中箭頭的合成規則。于是范疇則可看成為一個有向圖，如圖2所示。圖中的節點對應范疇中的對象，箭頭對應范疇中的態射，每個箭頭有一個源（source）（或論域（domain））節點和目標（target）(或余論域（codomain）)節點。

圖2 范疇圖形表示Fig.2 Graph of category theory

4 用范疇論研究Web中的本體

現在我們用范疇論的思想來描述研究Web中的本體論，首先要構造范疇論中存在的對象和對象之間的關系。從本體論概念出發，我們知道本體論描述的是概念的集合和概念之間關系。通過概念的組合可以表現具體的事物，即我們可以把概念的組合關系看成是對象間的關系。如“小王是學生”，”小王“是姓名的概念，“學生”是教學方面的概念。但是把其兩個概念組合成一塊，“小王”具有了人的特征，“學生”也具有了學生中的某些特征。我們把人和學生是抽象化時，它們就是為類，通過類在把其實例化為對象。于是我們有理由知道，”小王“是人類的對象，并且“小王”還是學生類的對象。對本體概念的組合就是對象，表現了一個具體有意義的事物。而概念間的關系就轉化為對應的對象和對象之間的關系，這個關系可以表示為范疇論中對象和對象的關系，即態射。

現在我們用形式化的方式來表示本體，根據本體論的定義我們設本體對象O1（C，R，Hc，rel），則c1∪c3∪…∪cn∈A，c2∪c4∪…∪cn+1∈B 為對象，而（c1，c2…）∈C。因c1，c2…概念中存在的關系R，于是A和B之間也存在著關系。A—>B的態射為概念之間的關系f∈R，即R是由概念和概念之間的關系來確立對象和對象之間的關系。如學校層次結構關系，“小王是學生”，“李xx是老師”。在學校層次結構中，概念“學生”和“老師”有明確的關系。老師是學校教職工，學生是學校的學員，他們之間有授課與聽課的關系。通過這樣的規則，此時用概念間的關系來對應對象間的關系“小王是李xx的學生”。這樣就得到了一個通過集成的信息。

在本體論中存在了概念和概念之間的關系，如層次關系等，通過這些關系才能把實體數據給聯系在一塊。根據范疇的合成、推出和拉回，通過概念和概念之間的關系把對象和對象連接起來，使得世界就像一張網。如圖3所示，實例本體的關系。

圖3 實例本體關系Fig.3 The instance ontology relationship

當用戶查詢信息時，代理軟件可以掃描和解釋網頁上的信息通過的就是本體論的概念。根據概念來查詢信息，并把和其概念的相關信息進行篩選來得到用戶想要的數據。

5 結束語

由于互聯網的運用越來越廣泛，并且推動著互聯網的發展。人們對Web的研究也一直在繼續，于是Web就經過了不斷的演化來符合人們的需求?，F在Web研究人員正熱衷于Web3.0的研究。語義網是實現Web3.0的關鍵技術，而要使計算機能夠解釋網頁則要通過本體來實現。因為本體是表示概念與概念之間的關系，于是利用范疇論的原理來對本體論進行了研究，為Web的研究提供了數學理論。隨著人們的對Web的研究，將最終實現便利人們生活和工作方式的Web誕生。但是對于人類不斷改變的需求，Web的研究也將不會停止。

［1］楊先娣，何寧，吳黎兵.基于范疇論的本體集成描述［J］. 計算機工程，2009，35(6)：76-78.

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［3］Jams，Hendler.Web 3.0 Emerging［J］.Computer，2009(42)：111-113.

［4］Jams，Hendler.Web3.0：TheDawnofSemantic Search［J］.Computer，2010(43)：77-80.

［5］Malik Muhammad Imran Pattal，LI yuan，ZENG Jianqiu.Web3.0：A real person Web!［J］.2009 Third International Conference on Next Generation Mobile Applications，Services and Technologies，2009：125-128.

［6］羅泰曄.Web3.0初探［J］.情報檢索，2009（2）：101-103.

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