基于OWL的本體建模與推理研究

徐享忠， 楊建東， 湯再江

(1. 陸軍裝甲兵學院裝備指揮與管理系, 北京 100072； 2. 中國衛星海上測控部, 江蘇 江陰 214431)

本體(ontology)源于哲學問題，用來表示世界本源的存在，后來被引入計算機領域，表達人們對領域知識的共同理解。目前，獲得學術界廣泛認可的本體的定義是：“出于共享的目的，對領域術語的語義做出的明確的、規范的概念化表示”[1]。本體已在人工智能、知識工程和圖書情報等領域得到廣泛應用。近年來，本體也在軍事領域的語義互操作[2]和仿真想定[3]等方面得到應用。

本體可以使領域專業術語所包含的信息資源的語義“顯性”化，而不是隱式地嵌入式地包含在語法和數據結構中，從而有助于改善信息系統的可擴展性，并促進信息的智能處理。若應用在軍事領域，則有助于計算機生成兵力理解語義。

1 本體建模的一般原則

本體作為知識共享、語義互操作和系統工程的基礎，必須經過精心的設計。實際上，本體構建是一個費時費力的過程，因此建立本體模型需要遵循一定的原則。其中，較有影響的是GRUBER[4]在1994年提出的構建本體模型的5條原則。

1)清晰性(clarity)：構建領域本體之前，應該采用客觀、明確的自然語言定義相關概念，以完整、清晰地表達其含義。

2)一致性(coherence)：語義推理的結論與術語本身的含義具有一致性。

3)最大單調可擴展性(maximum monotonicity extendibility)：向本體中添加通用或專用概念術語時，不需要修改本體已有的內容。

4)編碼偏好程度最小(minimal encoding bias)：概念描述不應依賴某種特殊符號層的表示方法。

5)本體約定最小(minimal ontological commitment)：本體約定只要能夠滿足特定的知識共享需求即可。

2 基于OWL的本體建模與推理

2.1 Web本體語言(OWL)

本體描述語言是用于構建本體的形式化語言，都應該提供本體建模原語，充當本體從自然語言的表示格式轉換為計算機可識別的邏輯表示格式的工具，可為本體在系統之間的導入與導出提供標準的機讀格式，有助于實現系統之間的互操作。

為進行語義描述，W3C(World Wide Web Consortium)結合RDF(Resource Description Framework)/RDFS(RDF Schema)、DAML(DARPA Agent Markup Language)+OIL(Ontology Interchange Language)、KIF(Knowledge Interchange Format)等本體描述語言的優勢，于2004年發布了Web本體語言(Ontology Web Language，OWL)[5]。OWL的語義以描述邏輯為基礎，本體組織方式受到框架的影響，以RDF/XML為語法。依據語義表達與推理能力的不同，OWL涵蓋3種子語言，能力由弱到強分別為OWL Lite、OWL DL和OWL Full。

2012年，W3C又提出了OWL2[6]，以改進OWL的語法增強語義表達能力。OWL2也定義了3種不同的配置語言，由簡單到復雜分別為OWL2 EL、OWL2 QL和OWL2 RL。雖然OWL2在類、屬性、個體及數據值的基礎上添加了一些新的功能，增強了對屬性表達、數據類型擴展以及注釋的支持，但基于OWL2的本體實際應用與語義網構想還有相當大的差距[7]。

2.2 本體建模方法

領域本體的直接建模方法主要包括九步法、七步法、骨架法和MCSC2O(Methodology for Constructing a Simple Command and Control Ontology)法、骨架法、九步法。這些方法的優、缺點如表 1所示。

表1 本體模型構建方法比較

2.3 語義推理

能夠進行自動語義推理是基于OWL的本體模型的重要優勢。本體的語義推理可分為基于概念的推理和基于個體的推理2大類，以提高本體模型的質量，并保證運行過程中交互數據的正確性，分別對應TBox和ABox，其中：TBox上的推理主要是檢測概念的可滿足性和包容性；ABox上的推理主要是實例檢查和檢索?；贠WL的本體的語義推理具備以下特點：1)以描述邏輯為語義基礎，因而只能進行單調推理；2)遵從開放世界假設(Open World Assumption，OWA)；3)不遵從唯一命名假設(Unique Name Assumption，UNA)。

國內外許多研究機構研發了多種本體推理系統，如HermiT、Racer、Pellet、FaCT++等，它們都可以在一定程度上支持本體的語義推理。

3 基于OWL的坦克排隊形本體構建

本文基于OWL，采用改進的“七步法”，通過斯坦福大學最新發布的本體建模工具——Protégé Desktop 5.0[8]，建立了坦克排戰斗隊形本體模型。

3.1 采用的本體建模方法與工具

“七步法”由斯坦福大學提出，主要面向領域本體建模，其詳細闡述了本體建模的有關方法和技術，并考慮了軟件的復用性，不過沒有涉及評價和優化步驟。

為此，本文根據軍事領域的需求，運用DL query(描述邏輯查詢語言)加強對所建立領域本體模型的一致性評價及優化，對“七步法”進行改進。具體來說，采用2級有效性驗證方法：利用在本體模型基礎上生成的XML Schema，對XML交互數據進行一般有效性驗證，保證交互數據在文檔結構、元素類型和元素屬性類型等方面的正確性；同時，利用本體的邏輯推理機制對領域本體實例進行概念沖突檢測、知識冗余檢測和實例一致性驗證等有效性驗證。

Protégé是一個圖形交互式本體設計和基于知識的開發環境，是語義網中本體模型的核心開發工具。提供的本體模型編輯器包括Protégé-Frames和Protégé-OWL，通過slot widgets類和tab等后端插件支持不同格式的本體，用戶不需要掌握復雜的本體描述語言，只需要在概念層次上構建領域本體模型。其主要特點為：強大的本體存儲功能；可提供豐富的知識模型框架；易擴展；graphviz插件可交互式地生成OWLViz類的直觀可視化關系結構圖；豐富的導入及導出文件格式；可檢索和瀏覽本體；支持多個推理引擎。

3.2 想定背景

本文以仿真試驗系統中坦克排計算機生成兵力(Computer Generated Forces,CGF)對戰斗隊形相關語義的理解為簡要想定背景，來闡述本體構建與推理過程。

戰斗隊形，指戰斗時兵力兵器展開所形成的隊形，分為陸上戰斗隊形、海上戰斗隊形和空中戰斗隊形。坦克排常見的戰斗隊形包括一字隊形、一路隊形、人字隊形、前三角隊形、后三角隊形、左梯次隊形、右梯次隊形。

坦克排執行戰斗任務時，時常伴隨著戰斗隊形的變換。例如考慮如下典型場景：紅方坦克一排(計算機生成兵力)可能接到上級(連長席位)下發的機動作戰命令：“T時由出發陣地以行軍隊形機動到W位置，展開為前三角戰斗隊形，而后向位于W位置前方2 km的藍方步兵支撐點進行突擊，以支援自己的右翼——步兵一排(計算機生成兵力)?！币虼?，為正確執行上述機動作戰命令，坦克排計算機生成兵力、指揮控制系統都需要理解戰斗任務之間的先后次序以及戰斗隊形的語義。

為了使戰斗隊形等作戰術語所包含的信息資源的語義“顯性”化，而不是隱式地嵌入式地包含在語法和數據結構中，可以建立坦克排戰斗隊形本體模型。

3.3 坦克排戰斗隊形本體模型

3.3.1 類層次結構

筆者梳理了坦克排戰斗隊形本體模型涉及的基本概念，建立了這些概念之間的層次結構。所建立的坦克排戰斗隊形本體模型包括作戰任務、參戰單位、戰斗隊形、編配裝備等基本概念以及這些概念的子概念。該本體的類層次結構及可視化效果如圖1所示。

圖1 坦克排戰斗隊形本體模型

3.3.2 顯式語義網絡結構

坦克排戰斗隊形本體模型的類、實例以及相互之間的聯系，構成了一個復雜的網狀概念結構，在OntoGraf中的可視化效果如圖2所示(節點左上角的“+”表示該節點尚可以展開)。

圖2 坦克排戰斗隊形本體模型的網狀結構

由圖2可見：

1)“排”分為“坦克排”與“步兵排”2種類型，各有1個實例“坦克一排”與“步兵一排”；

2)“坦克一排”編配了3輛坦克及1輛步戰車，要執行“開進”“展開為前三角隊形”“突擊藍方步兵支撐點”3個作戰任務(作戰任務之間先后次序的這種語義可被顯式表達，并將在第4節通過模型驗證進行語義推理)；

3)戰斗隊形考慮了2個子類“前三角戰斗隊形”和“后三角戰斗隊形”，并定義了戰斗隊形的2個實例“戰斗隊形1”和“戰斗隊形2”。

3.3.3 坦克排戰斗隊形的量化

假設坦克排往北開進，建立如下坐標系：以1號車(頭車)為原點，1號車運動方向為Y軸正方向(正北)，X軸正方向指向正東；1號車左翼為2號車，1號車右翼為3號車。若考慮容許的偏差，則坦克排的常見戰斗隊形相互距離及方位可用表2來描述。

表2 坦克排戰斗隊形定量描述

OWL提供了對象屬性及數據屬性來描述這些定量關系。

3.3.4 坦克排戰斗隊形的定義

以坦克排前三角戰斗隊形和后三角戰斗隊形為例，采用OWL提供的建模手段，對這2種典型的隊形進行了定義，如圖3所示。

圖3 坦克排戰斗隊形的定義

4 坦克排戰斗隊形本體的語義推理

為驗證所建立坦克排戰斗隊形本體模型的有效性，可以進行語義推理，包括作戰任務次序的推理、戰斗隊形的推理、執行單位的推理、裝備編配關系的推理和友鄰關系的推理等，語義推理的結果均與軍事專家的預期相符。下面簡要介紹前3項推理的過程及結果。

4.1 任務次序的推理

任務次序主要推理步驟如下：1)定義對象屬性“執行單位”，以描述某個作戰任務的執行單位；2)通過添加該對象屬性的斷言，以描述“坦克一排”所擔任的作戰任務；3)定義對象屬性“前置任務”(該對象屬性具備傳遞關系)，以描述“坦克一排”所擔任的某個作戰任務的前置任務；4)描述作戰任務之間的先后次序，即先開進到W位置，后展開為前三角隊形，而后向藍方步兵支撐點發起突擊；5)運行TBox推理，得出“開進到W位置也是向藍方步兵支撐點發起突擊的前置任務”,如圖4所示。

圖4 任務次序的推理結果

4.2 戰斗隊形的推理

1)定義戰斗隊形的2個實例“戰斗隊形1”和“戰斗隊形2”，如圖5所示。

2)運行ABox推理，得出實例“戰斗隊形1”、實例“戰斗隊形2”分別屬于前三角隊形和后三角隊形，如圖6所示。

3)通過運行DL query，同樣可以得出實例“戰斗隊形1”、實例“戰斗隊形2”分別屬于前三角隊形和后三角隊形的結果，如圖7所示，可見推理結果一致。

圖5 “戰斗隊形”實例的定義

圖6 “戰斗隊形”實例的推理結果

圖7 在DL query中查詢戰斗隊形的推理結果

4.3 執行單位的推理

1)假設突擊任務只能由“坦克一排”來執行，而不能由其他單位來完成。這種制約關系的定義如圖8所示。

圖8 突擊任務只能由“坦克一排”而非其他單位來執行的定義

2)要是定義“突擊藍方步兵支撐點”任務由“步兵一排”來執行(圖9)，就會引發不一致情形。而這種不一致也可通過語義推理被檢測出(這可被用于檢測想定當中某單位是否被不合適地賦予了作戰任務)。

圖9 分配“步兵一排”來執行突擊任務(陳述的事實)

本體模型出現執行單位不一致情形的解釋如圖10所示。

圖10 本體模型出現執行單位不一致情形的解釋

5 結論

本文建立了坦克排戰斗隊形本體模型，并進行了作戰任務次序和戰斗隊形的推理。實際上，還可以針對該模型進行其他語義推理，如裝備編配關系的推理(裝備編配是否符合要求)、友鄰關系的推理(“步兵一排”是“坦克一排”的右翼，“坦克一排”則是“步兵一排”的左翼)、執行單位的推理(裝備編配是否適合所擔負的作戰任務)等。下一步，擬研究如何將OWL與語義網規則語言(Semantic Web Rule Language,SWRL)相結合，進一步增強語義表達與推理能力，如戰斗隊形變換等動態過程語義的表達，并研究在構建更高層次的本體模型時如何加強復用，使計算機生成兵力具備更強的語義理解能力。

[1] 甘健侯,姜躍,夏幼明.本體方法及其應用[M].北京:科學出版社，2011：2.

[2] 徐享忠,湯再江,譚亞新.作戰仿真與指控系統語義互操作技術參考框架研究[J]. 系統仿真學報，2015,27(8):1735-1739.

[3] 龐天亮，袁修久，趙學軍，等.基于OWL的仿真想定本體構建方法[J].空軍工程大學學報(自然科學版)，2012,13(6):35-40.

[4] GRUBER T. Knowledge level modeling: concepts and terminology[J].The knowledge engineering review,1998,13(1):5-29.

[5] SMITH M K,WELTY C,MCGUINNESS D L.OWL web ontology language[EB/OL].(2004-02-10)[2017-03-09].http://www.w3.org/TR/2004/REC-owl-features-20040210/.

[6] MOTIK B, PATEL-SCHNEIDER P F, PARSIA B. OWL 2 web ontology language: structural specification and functional-style syntax (Second Edition)[EB/OL]. (2012-12-11)[2017-03-09].http://www.w3.org/TR/2012/REC-owl2-syntax-20121211/.

[7] 張曉丹,李靜,張秋霞,等.語義Web本體語言OWL2研究[J].電子設計工程,2015,23(16):28-31.

[8] Stanford University.Desktop protégé[EB/OL].(2016-07-11)[2016-12-01].http://protege.stanford.edu/products.php#desktop-protege.