摘要：本體合理有效的存儲是保證本體共享利用的前提，現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫本體存儲模式在存儲本體后會出現(xiàn)查詢推理效率低、維護(hù)困難等問題。文中在分析現(xiàn)有模式的基礎(chǔ)上，針對本體類和屬性的特點，給出了本體存儲模式的設(shè)計原則，并基于該原則提出了一種新的本體存儲模式。該模式針對本體描述語言的特點，將本體查詢常用的信息存放在不同的表中。整個模式易于理解，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且減少了本體查詢時進(jìn)行表連接的代價，提高了查詢效率。

關(guān)鍵詞：本體；關(guān)系數(shù)據(jù)庫；存儲模式

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)19-30017-02

Ontology Storage Schema Based on SQL Server

ZHOU Xuan-ji

(Zhejiang Shuren University， Hangzhou 310018， China)

Abstract: The rational storage of ontology is the premise of the shareable use of ontology.Under current ontology storage schema， some problems such as difficult maintenance， low query and inference speed may appear after ontology storing in relational databas. Firstly current ontology storage methods are analyzed. Secondly ontology storage schema is designed according to ontology characteristic. The principle of designing ontology storage schema is given and a new storage schema is proposed based on the principle. In this schema， according to the characteristics of ontology description language， frequently queried information is stored in multiple tables， which makes the schema understandable and stable. Furthermore the schema can increase the query efficiency by reducing the cost of table join.

Key words: ontolog；relational databas；storage schem

1 引言

隨著 Internet 應(yīng)用的普及和快速發(fā)展，組織和個人之間，軟件系統(tǒng)之間的交流與協(xié)作越來越重要。面對信息的海洋，如何組織、管理和維護(hù)海量信息，并為用戶提供有效的服務(wù)也就成為一項重要而迫切的研究課題。為了適應(yīng)這些要求，本體作為一種能在語義和知識層次上描述信息系統(tǒng)的概念模型建模工具，已在信息系統(tǒng)的許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。那些早期的語言標(biāo)準(zhǔn)和工具無法滿足廣泛存在的Web應(yīng)用，所以研究者們開始重新研究Web環(huán)境下的本體。尤其是語義Web環(huán)境下的本體。隨著語義網(wǎng)絡(luò)中本體中資源的增加，本體的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，此時，本體的存儲管理效率成為人們普遍關(guān)注的問題。如何在本體存儲管理系統(tǒng)中設(shè)計高效的本體存儲模式，合理的存儲大規(guī)模的本體，支持高效的本體存儲管理是一件很有意義且具有挑戰(zhàn)的任務(wù)，而本體的合理有效的存儲是保證本體共享利用的前提。

2 研究背景的介紹

2.1 本體存儲研究的背景及意義

隨著語義網(wǎng)絡(luò)中本體資源的增加，本體的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，此時，本體的存儲管理效率成為人們普遍關(guān)注的問題。如何在本體存儲管理系統(tǒng)中設(shè)計高效的本體存儲模式，合理的存儲大規(guī)模的本體，支持高效的本體存儲管理是一件很有意義且具有挑戰(zhàn)的任務(wù)，而本體的合理有效的存儲是保證本體共享利用的前提。所以如何有效存儲大規(guī)模本體的數(shù)據(jù)和關(guān)系仍然是本體存儲面臨的一個重要問題。而現(xiàn)有的本體存儲模式不能滿足大規(guī)模本體的存儲。所以對于本體存儲模式的研究還是很有必要的。

2.2 本體及其存儲方法的介紹

2.2.1 本體的概念

本體的概念最初起源于哲學(xué)領(lǐng)域，它在哲學(xué)中的定義為“對世界上客觀存在物的系統(tǒng)地描述，即存在論，是客觀存在的一個系統(tǒng)的解釋或說明，關(guān)心的是客觀現(xiàn)實的抽象本質(zhì)。后來在信息系統(tǒng)、知識系統(tǒng)等領(lǐng)域，越來越多的人研究本體，并給出了許多不同的定義。其中最著名并被引用得最為廣泛的定義是由Gruber提出的，“本體是概念化的明確的規(guī)范說明”。后來，Brost對此稍作修飾，提出：“本體是共享概念模型的形式化規(guī)范說明”。本體的概念包括四個方面的內(nèi)容：

1) 概念化（conceptualization）：抽象出客觀世界的現(xiàn)象一些相關(guān)概念而得到的概念模型，即概念系統(tǒng)所蘊(yùn)含的語義結(jié)構(gòu)，是對某一事實結(jié)構(gòu)非正式的約束規(guī)則，可以理解和/或表達(dá)為一組概念（如實體、屬性、過程）、定義和關(guān)系；

2) 明確（explicit）：所使用的概念及這些概念的約束都有明確的定義；

3) 形式化（formal）：計算機(jī)可讀的；

4) 共享（share）：本體中反映的知識是其使用者共同認(rèn)可的。

人們認(rèn)為本體是某個領(lǐng)域內(nèi)（可以是特定領(lǐng)域的，也可以是更廣的范圍）不同主體（人、代理、機(jī)器等）之間進(jìn)行交流（對話、互操作、共享等）的一種語義基礎(chǔ)，即由本體提供明確定義的詞匯表，描述概念和概念之間的關(guān)系，作為使用者之間達(dá)成的共識。因此，本體的用途包括交流、共享、互操作、重用等等。

2.2 本體的描述語言

從本體整體設(shè)計的要求來看，本體的構(gòu)建應(yīng)是在抽象客觀現(xiàn)象相關(guān)概念的基礎(chǔ)上形成的概念模型(Concep-tualization)，并以其包含的知識和概念集的共同性達(dá)到各方的認(rèn)可而共享(Share)；它的概念類型、約束條件及使用都應(yīng)有顯式的描述，并能由機(jī)器自動化處理而體現(xiàn)其明確(Explicit)的形式化(Formal)。工程實踐中，領(lǐng)域本體的設(shè)計和開發(fā)往往要依賴于具體的描述語言和工具軟件的支撐。對于語義Web而言，本體的表示應(yīng)該是以Web數(shù)據(jù)表示和交換的標(biāo)準(zhǔn)化語言為基礎(chǔ)。

3 本體的存儲介紹

語義網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求促進(jìn)本體數(shù)據(jù)管理工作的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了若干本體存儲管理系統(tǒng)，按照存儲介質(zhì)不同可以分為基于主存、基于文件系統(tǒng)和基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫三類本體存方法。

3.1 基于主存的存儲方法

這一類的本體數(shù)據(jù)管理工作的特點是將本體數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入內(nèi)存，按照某種結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織；在內(nèi)存結(jié)構(gòu)上執(zhí)行數(shù)據(jù)的查詢操作。這種方法具有較高的運(yùn)行效率，但是只能處理有限規(guī)模的數(shù)據(jù)。由于是內(nèi)存數(shù)據(jù)管理，不存在磁盤更新的問題。OWLim，OWLJessKB和文獻(xiàn)是典型的基于主存的本體存儲管理系統(tǒng)。

3.2 基于文件系統(tǒng)的存儲方法

基于文件系統(tǒng)的存儲：該方式實現(xiàn)起來比較簡單，很多本體相關(guān)工具都支持對文件格式的本體進(jìn)行存取。但是，這種方法不僅效率低，而且很難適應(yīng)數(shù)據(jù)量較大的情況?；谖募到y(tǒng)的存儲方式一般只適用于規(guī)模比較小的本體，對于規(guī)模比較大的本體需要大量的內(nèi)存管理工作，而對于直接以XML格式這樣子一種樹形結(jié)構(gòu)組織的文件來表示的RDF數(shù)據(jù)，當(dāng)件很大時，要把握RDF模型數(shù)據(jù)全局的結(jié)構(gòu)，必須通過對文件進(jìn)行反復(fù)的掃描，大量的數(shù)據(jù)換進(jìn)換出工作，對系統(tǒng)的效率是一個很大的考驗。而且為了保證系統(tǒng)的并發(fā)性，必須要建立相關(guān)的并發(fā)控制和事務(wù)管理系統(tǒng)。早期的一些本體數(shù)據(jù)管理工作是基于文件系統(tǒng)實現(xiàn)的，它們用簡單的文件格式存儲本體數(shù)據(jù)并支持一些基本的操作。這類工作主要用來編輯和建立體，并不是為大規(guī)模本體數(shù)據(jù)的存儲和查詢管理服務(wù)的，例如OntoEdit，Protégé。

3.3 基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的存儲方法

該方式是將本體按照一定的策略組織在數(shù)據(jù)庫中，利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的操縱和管理能力來存取本體。由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展成熟，大多數(shù)現(xiàn)有的本體數(shù)據(jù)管理工作使用關(guān)系或?qū)ο?關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為后臺存儲，代表系統(tǒng)包括Sesame，Rstar，Jena，3store，Minerva等等?；陉P(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲本體可能有多種模式設(shè)計，現(xiàn)有的包括早期的水平式、垂直式、分解式、混合式和后來廣泛為本體存儲管理系統(tǒng)采用的Sesame for RDB存儲模式及Sesame for ORDB存儲模式。

4 基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的存儲設(shè)計

OWL是W3C最新的推薦標(biāo)準(zhǔn)。與早期的語言相比，OWL具有更強(qiáng)的描述能力，支持更多的推理。本節(jié)重點討論基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的OWL本體的存儲模式設(shè)計。與RDF相比，OWL引入了更多的本體描述詞匯，例如Class，property，individu-al，subClassOf，subPropertyOf，different From equivalentClass，e-quivalentProperty，sameIndividualAs等。這表明，在OWL本體中對這些信息的查詢需求比較多。所以，可以將這些常用的本體查詢信息抽取出來，單獨存放。這樣不僅使表結(jié)構(gòu)清晰，而且可以減少查詢時進(jìn)行表連接的代價，提高效率。

OWL使用URI來唯一的標(biāo)識本體中的資源，而URI是由namespace和localname組成的，所以，這些信息應(yīng)該組織到一張資源表中。又因為OWL本體中的資源嚴(yán)格區(qū)分為類(class)、屬性(property)和實例(individu-al)，所以該表使用字段type記錄資源的類型(類、屬性和實例)。

OWL使用subClassOf，subPropertyOf，e-quivalentClass和equivalentProperty來描述類(或?qū)傩?之間的基本關(guān)系(層次關(guān)系和等價關(guān)系)。在OWL本體中經(jīng)常需要查詢這些關(guān)系，所以本文將這些信息分別組織在單獨的表中，從而提高對相應(yīng)關(guān)系查詢的效率。

5 存儲模式的比較

在現(xiàn)有的存儲模式中，除垂直模式外，其他存儲模式的表結(jié)構(gòu)都不穩(wěn)定，在實際應(yīng)用中具有很大的局限性。所以，本文只比較本文的存儲模式和垂直模式。本文以一個本體中包含的URI的個數(shù)作為衡量本體大小的標(biāo)準(zhǔn)，將這個本體處理成5個不同規(guī)模的本體，它們分別包含10×104，30×104，50×104，70×104和90×104個URI。本文將測試3種類型的查詢：查詢1，查找某個類的直接父類；查詢2，查找某個類的所有子類。

將不同規(guī)模的本體分別按照本文的存儲模式和垂直模式進(jìn)行存儲，然后在這些數(shù)據(jù)庫上分別作上述五種查詢。對每種查詢都進(jìn)行30次不同的具體查詢，得到平均查詢時間作為該類查詢的時間。在測試查詢時間時，本文直接使用SQL語句來實現(xiàn)，而不使用某種本體查詢語言，目的是為了消除將該查詢語言翻譯成相應(yīng)的SQL語句所需時間對實驗結(jié)果的影響。

6 總結(jié)

理想的本體存儲模式除了具有盡量高的規(guī)范化程度，還應(yīng)該滿足如下原則：易于理解、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、查詢效率高?；赟QL Server的本體儲存正是順應(yīng)了本體存儲的發(fā)展潮流。

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