摘 要：本體技術(shù)是目前比較熱門(mén)的一個(gè)研究方向，這里探討本體和數(shù)字圖書(shū)館的相關(guān)概念，提出利用本體理論和方法建立數(shù)字圖書(shū)館中知識(shí)的劃分與分類(lèi)，采用分類(lèi)法詳細(xì)探討本體在數(shù)字圖書(shū)館中的重要應(yīng)用及其所發(fā)揮的功能，意在揭示本體在數(shù)字圖書(shū)館中的重要意義，從而更加有利于用戶高效便捷地利用圖書(shū)館的資源，促進(jìn)知識(shí)創(chuàng)新和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：本體技術(shù)；知識(shí)劃分；數(shù)字圖書(shū)館；分類(lèi)法

中圖分類(lèi)號(hào)：G250文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)24-109-04

Application of Ontology Technologies in Digital Library

QIU Baoyan，LV Xianghui，QIAO Hong

(School of Management and Economics，Shandong Normal University，Ji′nan，250014，China)

Abstract：Recently，research on the application of ontology technologies is quite a popular research direction，this article discusses the relevance concept of ontology and Digital library，the partition，classification of knowledge segments are developed in the light of ontology，and discusses the important application of ontology in digital library and its function in detail through classification，to reveal the importance of ontology in digital library，thereby it is beneficial to users making use of the library resource conveniently and rapidly，it improvesthe knowledge innovation and application.

Keywords：ontology technology;knowledge partition;digital library;classification

1 引 言

目前社會(huì)各領(lǐng)域信息的飛速膨脹阻礙了各領(lǐng)域用戶對(duì)信息的查找、訪問(wèn)及維護(hù)，面對(duì)信息資源日新月異的增長(zhǎng)，如何有效組織復(fù)雜的海量信息，提供高效便捷的信息服務(wù)，成為數(shù)字圖書(shū)館界迫切需要解決的難題。本體自20世紀(jì)90年代初提出以來(lái)，在知識(shí)表達(dá)、智能推理、信息共享、知識(shí)工程及其相關(guān)的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本體技術(shù)依賴(lài)其對(duì)于概念體系在語(yǔ)義和知識(shí)層次上的有效組織，在數(shù)字圖書(shū)館中得到了廣泛的應(yīng)用，提供了公共的理解問(wèn)題的基礎(chǔ)。

2 關(guān)于本體

本體最早是哲學(xué)上的一個(gè)概念，近年來(lái)被引入人工智能和其他計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、電子商務(wù)和知識(shí)管理等。最早的本體定義是1991年Neches等提出的：“給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語(yǔ)和關(guān)系，以及利用這些術(shù)語(yǔ)和關(guān)系構(gòu)成的規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則的定義”。

1993 年，Grube將本體定義為概念模型的明確的規(guī)范說(shuō)明。后來(lái)， Studer在進(jìn)行了深入研究后，將其定義為“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說(shuō)明”^［1］，其中概念模型，是指通過(guò)抽象出客觀世界中一些現(xiàn)象的相關(guān)概念而得到的模型；明確，是指所使用的概念及概念的約束都是有明確定義的；形式化，是指本體能被計(jì)算機(jī)處理；共享，是指本體中體現(xiàn)的是共同認(rèn)可的知識(shí)，反映的是相關(guān)領(lǐng)域公認(rèn)的概念集。本體的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，提供對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯（術(shù)語(yǔ)）和詞匯間相互關(guān)系的明確說(shuō)明。

雖然不同研究者對(duì)本體有不同的描述，但是從內(nèi)涵上來(lái)看，他們的認(rèn)識(shí)是一致的，都把本體當(dāng)作某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)不同主體（人、代理、機(jī)器等）之間進(jìn)行交流（對(duì)話、互操作、共享等）的語(yǔ)義基礎(chǔ)。其實(shí)，本體就是通過(guò)對(duì)于概念、術(shù)語(yǔ)及其相互關(guān)系的規(guī)范化描述，勾畫(huà)出某一領(lǐng)域的基本知識(shí)和描述語(yǔ)言，是一個(gè)已經(jīng)得到公認(rèn)的形式化的知識(shí)表示體系，包含詞表(或名稱(chēng)表/術(shù)語(yǔ)表)，詞表中的術(shù)語(yǔ)全是與某一專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的，而邏輯聲明全部用來(lái)描述術(shù)語(yǔ)的含義及關(guān)系^［2］。

2.1 本體的作用

（1） 本體為人和主體之間的溝通和交流提供了共享的基礎(chǔ)，也方便了不同領(lǐng)域的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員和研究人員之間的溝通，它是人機(jī)在語(yǔ)義上交互的最好的基礎(chǔ)。

（2） 本體支持對(duì)于知識(shí)的重用。本體提供了獨(dú)立于應(yīng)用的描述方法使之可在不同系統(tǒng)間重用。例如在基于構(gòu)件的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)知識(shí)系統(tǒng)時(shí)知識(shí)工程師可以將本體論概念引入知識(shí)工程，詳細(xì)說(shuō)明模型中的概念、實(shí)例、關(guān)系和公理等實(shí)體，并以此建立領(lǐng)域本體。然后針對(duì)屬性提出本體建模概念化分析的形式化方法，解決知識(shí)共享中的問(wèn)題。此舉有效地提高了工作效率，促進(jìn)了來(lái)自不同領(lǐng)域的研究人員和組織間的交流。

（3） 本體提供了一種結(jié)構(gòu)化的表示領(lǐng)域知識(shí)的形式化方法。在本體中，明確說(shuō)明了領(lǐng)域概念及概念之間的關(guān)系，并且支持對(duì)領(lǐng)域規(guī)則的描述，是領(lǐng)域知識(shí)的形式化表示。

（4） 知識(shí)本體可以明確領(lǐng)域假設(shè)，使領(lǐng)域公理得到明確描述從而達(dá)成共知。

2.2 本體的分類(lèi)

2.2.1 按照領(lǐng)域依賴(lài)程度分類(lèi)

(1) 頂層(top-level)本體：其描述最普通的概念及概念之間的關(guān)系，如空間、時(shí)間、事件、行為等，完全獨(dú)立于特定的問(wèn)題和領(lǐng)域，其他本體都是該類(lèi)本體的特例。

(2) 領(lǐng)域(domain)本體：描述的是特定領(lǐng)域(醫(yī)學(xué)、地理等)中的概念及概念之間的關(guān)系。

(3) 任務(wù) (task)本體：描述的是特定任務(wù)或行為中的概念及概念之間的關(guān)系。

(4) 應(yīng)用(application)本體：描述的是依賴(lài)于特定領(lǐng)域和任務(wù)的概念及概念之間的關(guān)系。

在這個(gè)分類(lèi)當(dāng)中，領(lǐng)域本體和任務(wù)本體處于同一個(gè)研發(fā)層次，它們都能應(yīng)用頂層本體中定義的詞匯來(lái)描述自己的詞匯。應(yīng)用本體既能應(yīng)用領(lǐng)域本體中的概念，也能引用任務(wù)本體中的詞匯。

2.2.2 按照細(xì)化程度分類(lèi)

Guarino從2種不同的維度對(duì)本體進(jìn)行劃分。除了依據(jù)對(duì)領(lǐng)域的依賴(lài)程度分類(lèi)，還提出了以詳細(xì)程度分類(lèi)。詳細(xì)程度是相對(duì)的、模糊的一個(gè)概念，是描述或刻畫(huà)建模對(duì)象的程度。參考(reference)本體：詳細(xì)程度高；共享(shareable)本體：詳細(xì)程度低。

2.2.3 按照形式化程度分類(lèi)

（1） 高度非形式化：用自然語(yǔ)言松散表示；

（2） 結(jié)構(gòu)非形式化：用限制的結(jié)構(gòu)化的自然語(yǔ)言表示；

（3） 半形式化：用半形式化(人工定義的)語(yǔ)言表示；

（4）嚴(yán)格形式化：所有術(shù)語(yǔ)都具有形式化的語(yǔ)義，能在某種程度上證明完全性和合理性。

2.2.4 按照是否具備推理功能分類(lèi)

（1） 輕量級(jí)本體(Lightweight Ontology)：輕量級(jí)本體不具備邏輯推理功能，例如敘詞表和WordNet。

（2） 中級(jí)本體(Middle Ontology)：中級(jí)本體邏輯推理功能簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可以識(shí)別一階謂詞邏輯的表達(dá)式。

（3） 重量級(jí)本體(Heavyweight Ontology)：重量級(jí)本體具有復(fù)雜的邏輯推理功能，系統(tǒng)可以識(shí)別更加復(fù)雜的二階謂詞邏輯的表達(dá)式，并為更加復(fù)雜的推理功能的實(shí)現(xiàn)預(yù)留了接口，如Cyc本體系統(tǒng)。

除了上述幾種分類(lèi)方法外，1999年，Perez和Benjamins在分析和研究了各種本體分類(lèi)法的基礎(chǔ)上，歸納出10種本體：知識(shí)表示本體、常識(shí)本體、頂級(jí)本體、元(核心)本體、領(lǐng)域本體、語(yǔ)一言本體、任務(wù)本體、領(lǐng)域一任務(wù)本體、方法本體和應(yīng)用本體。這種分類(lèi)法是對(duì)Guarino提出的分類(lèi)方法的擴(kuò)充和細(xì)化，但是這10種本體之間存在交叉，層次不夠清晰。

2.3 本體構(gòu)建原則

（1） 清晰性：本體應(yīng)該用自然語(yǔ)言對(duì)所定義術(shù)語(yǔ)給出明確的、客觀的語(yǔ)義定義；

（2） 完全性：所給出的定義是完整的，完全能表達(dá)所描述術(shù)語(yǔ)的含義；

（3） 一致性：由術(shù)語(yǔ)得出的推論與術(shù)語(yǔ)本身的含義是相容的，不會(huì)產(chǎn)生矛盾；

（4） 可擴(kuò)展性：即向本體群中添加通用或?qū)Ｓ玫男g(shù)語(yǔ)時(shí)，不需要修改其已有的內(nèi)容；

（5） 本體約束最小：對(duì)待建模對(duì)象給出的約束應(yīng)該盡可能少，只要能夠滿足特定的知識(shí)共享需求即可；

（6） 編碼偏好程度最?。焊拍畹拿枋霾粦?yīng)該依賴(lài)于某一種特殊的符號(hào)層的表示方法^［3］。

2.4 本體構(gòu)建方法論

Mike Ushold Micheal Gruninger的骨架法（Skeletal Methodology）在企業(yè)本體基礎(chǔ)之上，是相關(guān)商業(yè)企業(yè)間術(shù)語(yǔ)和定義的集合，該方法只提供本體開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)方針。該框架包括以下組成部分：

2.4.1 框架組成部分

（1） 確定本體的目的和使用范圍；

（2） 構(gòu)造本體。具體包括3步：本體捕獲：即確定關(guān)鍵的概念和關(guān)系，給出精確定義，并確定其他相關(guān)的術(shù)語(yǔ)；本體編碼：選擇合適的表示語(yǔ)言表達(dá)概念和術(shù)語(yǔ)；已有本體的集成：對(duì)已有本體的重用和修改；

（3） 評(píng)估：根據(jù)需求描述、能力問(wèn)題等對(duì)本體以及軟件環(huán)境、相關(guān)文檔進(jìn)行評(píng)價(jià)；

（4） 文檔記錄。M.GruningerM.S.Fox在進(jìn)行 TOVE本體的研究和開(kāi)發(fā)時(shí)，總結(jié)了設(shè)計(jì)和評(píng)估本體的方法學(xué)，包括背景和需求描述、非形式化的能力問(wèn)題描述、詞匯和術(shù)語(yǔ)確定、形式化的能力問(wèn)題描述、用一階謂詞邏輯進(jìn)行規(guī)范描述、調(diào)整解決方案，使本體趨于完備。

2.4.2 領(lǐng)域本體構(gòu)建方法

Natalya F.Noy和Deborah L.McGuinness提出了被稱(chēng)為“七步法”的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法。即：

（1）確定本體的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域和范疇；

（2） 復(fù)用現(xiàn)有的本體；

（3） 列出本體中的重要術(shù)語(yǔ)；

（4） 定義類(lèi)和類(lèi)的等級(jí)體系；

（5） 定義類(lèi)的屬性；

（6） 定義屬性的分面；

（7） 創(chuàng)建實(shí)例。

以上幾種方法各有自己的優(yōu)勢(shì)和不足，雖然都允許系統(tǒng)之間的互操作，并可進(jìn)行知識(shí)的共享與重用，但與IEEE標(biāo)準(zhǔn)相比，還沒(méi)有一種方法體系是完全成熟的。

3 數(shù)字圖書(shū)館

數(shù)字圖書(shū)館是社會(huì)信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中信息資源管理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)幕窘M織形式，擁有豐富的超容量多媒體介質(zhì)的數(shù)字化信息資源，依托網(wǎng)絡(luò)為信息需求者提供快捷高效的數(shù)字化信息服務(wù)^［4］。發(fā)展基于知識(shí)的數(shù)字圖書(shū)館的必要性在于：

（1） 數(shù)字圖書(shū)館資源的知識(shí)化組織，不僅是一些簡(jiǎn)單元數(shù)據(jù)的表示，也是對(duì)所反映內(nèi)容的有效組織，這需要建立廣泛的基礎(chǔ)性和領(lǐng)域性本體，并能不斷學(xué)習(xí)與進(jìn)化。

（2） 不同的人對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用不同，網(wǎng)絡(luò)怎樣認(rèn)知人的知識(shí)需求，并在合適的時(shí)間給人合適的知識(shí)，這是基于知識(shí)的數(shù)字圖書(shū)館的發(fā)展目標(biāo)^［5］。但各類(lèi)信息常在具體系統(tǒng)條件限制下用專(zhuān)門(mén)語(yǔ)言定義組織為內(nèi)部結(jié)構(gòu)和格式，難以有效進(jìn)行機(jī)器支持的檢索、解析、處理和交換，更不要說(shuō)進(jìn)行跨文獻(xiàn)單元、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)層次和系統(tǒng)范圍的信息挖掘、抽取、綜合分析描述、轉(zhuǎn)換了。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字圖書(shū)館知識(shí)管理的研究尚未全面展開(kāi)，現(xiàn)有的研究成果多限于內(nèi)部信息資源知識(shí)化的管理，在實(shí)踐應(yīng)用研究方面，還缺乏系統(tǒng)的理論、成熟的模型以及完整的評(píng)估體系。而把本體應(yīng)用于數(shù)字圖書(shū)館知識(shí)管理，極大地解決了語(yǔ)義知識(shí)缺乏的問(wèn)題，并使其具有智能推理和自學(xué)習(xí)能力，為XML與RDF等技術(shù)提供語(yǔ)義支持。

另外，盡管在知識(shí)工程界主要把本體作為信息組織的工具，目前本體研究和實(shí)踐也大多運(yùn)用于人工智能中的知識(shí)表達(dá)，例如語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和框架，但由于本體開(kāi)發(fā)的努力已經(jīng)集中于基于形式邏輯和基于Web的知識(shí)表示中，這也使得本體在數(shù)字圖書(shū)館中能夠得到廣泛的應(yīng)用^［6］。

4 本體在數(shù)字圖書(shū)館中的應(yīng)用

4.1 在數(shù)字圖書(shū)館信息資源整合中的應(yīng)用

本體由于其在眾多紛繁復(fù)雜的信息資源中具備明確、規(guī)范、可共享、包含語(yǔ)義信息等優(yōu)勢(shì)，快速、有效地整合各種信息資源，所以在數(shù)字圖書(shū)館中發(fā)揮重要作用，主要包括：

(1) 靈活處理各類(lèi)信息資源^［7］。例如，可以方便添加各種類(lèi)、屬性，如填加聯(lián)系方式類(lèi)型等，并嚴(yán)格定義其與現(xiàn)有信息資源的關(guān)系；可以動(dòng)態(tài)增加類(lèi)的屬性，并隨時(shí)反應(yīng)到系統(tǒng)中，然后通過(guò)在程序中調(diào)用本體，得到領(lǐng)域的最新知識(shí)，并動(dòng)態(tài)地反映到應(yīng)用系統(tǒng)中，而不用程序員修改程序。

(2) 有效識(shí)別信息資源的類(lèi)型。因?yàn)閷?duì)每個(gè)概念（如name，time，place等）都有明確、客觀的描述，所以調(diào)用本體可以識(shí)別哪些是描述內(nèi)容的信息，如屬性…_name，…_keyword，…_abstract，…_description等；識(shí)別哪些是描述時(shí)間的信息，如屬性…_time，…_date，…_year等；識(shí)別哪些是描述地點(diǎn)的信息，如屬性…_address，…_place，…_country等。

(3) 信息資源的內(nèi)容對(duì)應(yīng)用程序透明。基于本體的系統(tǒng)在應(yīng)用程序部分將和領(lǐng)域無(wú)關(guān)，因?yàn)轭I(lǐng)域知識(shí)全部存放在本體中，這樣，對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，領(lǐng)域中的各種信息資源在外在形式上是存在很多共性的，只是具體內(nèi)容不同，就更容易將其整合到一起進(jìn)行處理。

(4) 提供資源庫(kù)領(lǐng)域知識(shí)的規(guī)范描述。

(5) 提供元數(shù)據(jù)映射方案，集成到數(shù)字圖書(shū)館體系中的元數(shù)據(jù)服務(wù)中，成為協(xié)議的一部分。

(6) 提供智能代理與信息環(huán)境之間基于語(yǔ)義的理解機(jī)制。

(7) 作為跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)之間的通信中介。

4.2 在數(shù)字圖書(shū)館知識(shí)地圖中的應(yīng)用

知識(shí)地圖這個(gè)概念最早由布魯克斯(B.C.Brooks)提出，它是知識(shí)管理的有效方式和手段，用來(lái)描述組織流程中的知識(shí)，以圖表的方式將業(yè)務(wù)流程中的知識(shí)流展現(xiàn)出來(lái)，包括知識(shí)的收集、存儲(chǔ)和共享。知識(shí)地圖是可以幫助人們明確在哪里能夠找到知識(shí)的工具，利用知識(shí)地圖將流程中的關(guān)鍵知識(shí)整合進(jìn)來(lái)，可以達(dá)到提高工作效率的作用。

知識(shí)地圖在數(shù)字圖書(shū)館知識(shí)管理系統(tǒng)中可發(fā)揮如下作用：知識(shí)的分類(lèi)、存儲(chǔ)、表示、導(dǎo)航以及隱性知識(shí)顯性化等。而在系統(tǒng)中，知識(shí)的分類(lèi)、導(dǎo)航可充分利用本體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理、細(xì)致的分類(lèi)及準(zhǔn)確、快速的導(dǎo)航定位。原因在于：

首先，本體的基礎(chǔ)概念模型本身就是一張很好的知識(shí)地圖。因此，構(gòu)建領(lǐng)域本體的過(guò)程也繪制出了領(lǐng)域的知識(shí)地圖。而且，本體構(gòu)建結(jié)果中的各種類(lèi)的層次圖可以作為領(lǐng)域知識(shí)地圖的一部分。例如人員類(lèi)及其子類(lèi)，就很好地展示了數(shù)字圖書(shū)館相關(guān)人員的情況，即有關(guān)數(shù)字圖書(shū)館人員的知識(shí)。

其次各種本體工具中的圖形自動(dòng)生成功能可用于知識(shí)地圖的顯示。在基于本體的知識(shí)管理系統(tǒng)中，可根據(jù)需要，動(dòng)態(tài)生成各種知識(shí)地圖。

比如，中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)目前提供了以圖形方式顯示所輸入檢索詞的相似詞。用戶可以根據(jù)這幅圖更準(zhǔn)確地了解檢索詞，因此這幅圖對(duì)用戶明確檢索需求、修改檢索條件等無(wú)疑會(huì)起到很大作用。遺憾的是，目前中國(guó)學(xué)術(shù)期刊只能提供星狀的幅射圖形，不能提供更加復(fù)雜、細(xì)致的結(jié)構(gòu)圖?？墒?，如果系統(tǒng)是基于本體的，就完全可以提供反映領(lǐng)域常識(shí)的、有層次、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的圖形。

4.3 在知識(shí)服務(wù)中的應(yīng)用

知識(shí)服務(wù)，即以信息知識(shí)的搜尋、組織、分析的知識(shí)和能力為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶的問(wèn)題和環(huán)境，融入用戶解決問(wèn)題的過(guò)程之中，提供能有效支持知識(shí)應(yīng)用和知識(shí)創(chuàng)新的服務(wù)。

目前，數(shù)字圖書(shū)館知識(shí)服務(wù)需要一個(gè)新型的技術(shù)基礎(chǔ)，支持?jǐn)?shù)據(jù)挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、知識(shí)析取、知識(shí)應(yīng)用和智能化服務(wù)（智能Web服務(wù)）^［8］。無(wú)疑，本體技術(shù)仰仗其豐富的語(yǔ)義和廣泛的關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的最佳手段，將本體建設(shè)和相應(yīng)的代理引擎設(shè)計(jì)相結(jié)合即可解決問(wèn)題。

用DAML-S在服務(wù)模型基礎(chǔ)上定義流程模型本體，綜合人工智能規(guī)劃和工作流程研究成果，定義Web服務(wù)中的流程類(lèi)型和流程控制等信息，可以較好地表示W(wǎng)eb服務(wù)自動(dòng)集成中的流程分類(lèi)、合成、控制和時(shí)間約束等細(xì)節(jié)。

5 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字圖書(shū)館的出現(xiàn)，將是圖書(shū)館發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，它幫助人們最快地獲取所需要的知識(shí)，并為思路的展開(kāi)創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)。而本體的應(yīng)用可以改善目前數(shù)字圖書(shū)館的一些不足，使之朝著基于知識(shí)的方向發(fā)展，最終能夠提供知識(shí)服務(wù)。另外，除了上述文中提到的應(yīng)用以外，本體還可通過(guò)語(yǔ)義對(duì)網(wǎng)頁(yè)與文字進(jìn)行提取與標(biāo)引^［9-11］，通過(guò)聚類(lèi)對(duì)信息資源進(jìn)行主題分類(lèi)、站點(diǎn)導(dǎo)航等，這些無(wú)疑都更加豐富了數(shù)字圖書(shū)館的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介 仇寶艷 女，1983年出生，山東濟(jì)南人，工學(xué)碩士。研究方向?yàn)楸倔w與知識(shí)管理。

呂祥惠 女，1983年出生，山東萊蕪人，工學(xué)碩士。研究方向?yàn)楸倔w與知識(shí)管理。

喬 鴻 女，1973年出生，山東煙臺(tái)人，博士，副教授。研究方向?yàn)閿?shù)字圖書(shū)館與知識(shí)管理。