王 琦

（南京工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 南京211167）

本體是語(yǔ)義Web的關(guān)鍵使能技術(shù)。使用現(xiàn)有本體編輯器手工開(kāi)發(fā)本體是一項(xiàng)冗長(zhǎng)而繁瑣的工作，極易導(dǎo)致知識(shí)獲取的瓶頸，所以本體學(xué)習(xí)[1]技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它極大地簡(jiǎn)化了本體的構(gòu)建，滿(mǎn)足了語(yǔ)義Web對(duì)于快速簡(jiǎn)便構(gòu)造本體的需求，在語(yǔ)義Web中起到了杠桿的作用。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是基于Web的數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的主要信息源，數(shù)據(jù)庫(kù)模式中隱含著領(lǐng)域知識(shí)。因此，從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)習(xí)出的OWL本體更適合于數(shù)據(jù)密集型Web應(yīng)用的需要。本文在形式化表示關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式和OWL本體的基礎(chǔ)上，介紹了一種從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)半自動(dòng)學(xué)習(xí)OWL本體的方法，設(shè)計(jì)出一套通用的映射方法和規(guī)則，并基于Java 2平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了原型工具OntoLearner。

1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型是以集合論中的關(guān)系(relation)概念為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的數(shù)據(jù)模型[2]。為了便于形式化描述本體學(xué)習(xí)方法中的映射規(guī)則，這里給出了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式的形式化定義（符合3NF）。

定義 1：一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式 S=(L，pkey，unique，notnull，fkey，subof，fdependency)是七元組，其中：

(1)名集L=E∪R∪D是一個(gè)有限集，由兩兩不相交的集合組成：

①一個(gè)實(shí)體關(guān)系（entity relation）名的集合E；

②一個(gè)聯(lián)系關(guān)系（relationship relation）名的集合R；

③一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型（data type）名的集合 D，每個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型名是RDBMS預(yù)定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型名。

(2)?T∈E∪R，T有一個(gè)非空的屬性集合 att(T)，且每個(gè)屬性A∈att(T)有一個(gè)相關(guān)的預(yù)定義數(shù)據(jù)類(lèi)型type(A)∈D作為它的取值范圍，其中type(*)表示“*”的預(yù)定義數(shù)據(jù)類(lèi)型。

(3)?T∈E∪R，T的屬性集 att(T)中所有屬性的一次取值的組合稱(chēng)為T(mén)的一個(gè)元組，其中，每個(gè)屬性取值（稱(chēng)屬性值）稱(chēng)為相應(yīng)屬性在此元組中的一個(gè)實(shí)例（instance），在某個(gè)時(shí)刻T的所有元組所組成的集合tup(T)稱(chēng)為T(mén)的一個(gè)實(shí)例。

(4)?T∈E∪R，T有且僅有一個(gè)唯一決定其元組的屬性或?qū)傩越M稱(chēng)為T(mén)的主鍵pkey(T)：要么pkey(T)只包含一個(gè)屬性（稱(chēng)pkey(T)為單主鍵，此時(shí)T是實(shí)體關(guān)系），要么 pkey(T)包含多個(gè)屬性（稱(chēng) pkey(T)為復(fù)合主鍵，此時(shí)T是聯(lián)系關(guān)系）。

(5)?T∈E∪R，若存在屬性 A∈att(T)，且 A的所有元組在T中取值唯一，則稱(chēng)A為T(mén)的唯一屬性，可表示為布爾函數(shù) unique(A)=True；否則 unique(A)=False。

(6)?T∈E∪R，若存在屬性 A∈att(T)，且 A的所有元組在T中取值非空，則稱(chēng)A為T(mén)的非空屬性，可表示為布爾函數(shù) notnull(A)=True；否則 notnull(A)=False。

(7)?T∈E∪R，T中一個(gè)引用其他實(shí)體關(guān)系 G∈E主鍵 pkey(G)的屬性稱(chēng)為 T的外鍵 fkey(T，G)，滿(mǎn)足：fkey(T，G)?att(T)且 value(fkey(T，G))?value(pkey(G))∪{null}，其中 value(*)表示“*”的值域，“null”表示空值。T可能有 0·n(n≥0)個(gè)外鍵。

(8)對(duì)?T∈E，若T引用G∈E主鍵的外鍵的同時(shí)又作為 T 的主鍵（即 fkey(T，G)=pkey(G)∈att(T)），則 稱(chēng)T和G之間存在 “子/超關(guān)系”，T為G的子實(shí)體關(guān)系，G為T(mén)的超實(shí)體關(guān)系，此時(shí)可表示為布爾函數(shù)subof(T，G)=Ture；否則 subof(T，G)=False。若干個(gè)連續(xù)的子/超實(shí)體關(guān)系對(duì)構(gòu)成關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的一個(gè)子/超實(shí)體關(guān)系層次。

(9)?T∈E∪R，α、β?att(T)，α≠β，對(duì)?t1，t2∈tup(T)，若有 t1[α]=t2[α]，則必有 t1[β]=t2[β]，則稱(chēng) α 和 β 之間存在函數(shù)依賴(lài)關(guān)系，β 函數(shù)依賴(lài)于 α(或 α 函數(shù)決定 β)，α稱(chēng)為函數(shù)依賴(lài)的決定子，β稱(chēng)為函數(shù)依賴(lài)的被決定子，此時(shí)可表示為布爾函數(shù) fdependency(α，β)=True（簡(jiǎn)記為fdependency(α，β)），否則 fdependency(α，β)=False。 T 中所有函數(shù)依賴(lài)關(guān)系組成的集合稱(chēng)為T(mén)的函數(shù)依賴(lài)集，記為FT。

定義 2：?T∈E∪R，α、β?att(T)，α≠β，β?α，?fdependency(α，β)∈FT， 滿(mǎn) 足 下 列 條 件 之 一 ：(1)α 是 超鍵；(2)β是主屬性，則此關(guān)系T屬于第三范式。若關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的所有關(guān)系均屬于第三范式，則稱(chēng)其為規(guī)范化至第三范式（3NF）的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式。

2 OWL本體

本體是一組描述某領(lǐng)域內(nèi)概念及其屬性以及概念間關(guān)系的詞匯和公理的集合。W3C在2004年2月發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)化的Web本體語(yǔ)言O(shè)WL[3]。這里給出OWL DL本體的形式化定義。

定義 3：一個(gè) OWL DL本體 O=(Cept，Axiom)是二元組，其中：

(1)標(biāo)識(shí)符集Cept=CID∪DPID∪OPID∪DTID是一個(gè)有限集，由兩兩不相交的集合組成：

①一個(gè)類(lèi)（class）標(biāo)識(shí)符集 CID；

②一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型屬性(datatype property)標(biāo)識(shí)符集DPID；

③一個(gè)對(duì)象屬性（object property）標(biāo)識(shí)符集OPID；

④一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型（data type）標(biāo)識(shí)符集 DTID，每個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型標(biāo)識(shí)符是OWL本體中使用的預(yù)定義XML Schema數(shù)據(jù)類(lèi)型標(biāo)識(shí)符。

(2)公理集Axiom=CAxiom∪PAxiom是一個(gè)有限集，由兩兩不相交的集合組成：

①一個(gè)類(lèi)公理（class axiom）集 CAxiom，包含本體中定義的所有類(lèi)公理；

②一個(gè)屬性公理（property axiom）集 PAxiom，包含本體中定義的所有屬性公理。

3 從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)習(xí)OWL本體的方法

從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)習(xí)OWL本體的可行性基于以下事實(shí)：運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)逆向工程方法可從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中提取ER模式[4]；ER模式可語(yǔ)義保持地轉(zhuǎn)換成OWL本體[5-6]。因此，本文針對(duì)現(xiàn)有本體學(xué)習(xí)方法和工具的不足，提出了一種從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)習(xí)OWL本體的方法，該方法分為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的逆向工程和從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式到OWL本體的映射兩部分。

3.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的逆向工程

數(shù)據(jù)庫(kù)逆向工程DBRE(Database Reverse Engineering)指的是從物理數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯和概念模式，一般分成兩個(gè)互相獨(dú)立的階段：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的提取和概念化。在研究和分析數(shù)據(jù)庫(kù)逆向工程現(xiàn)有理論和方法的基礎(chǔ)上，本文制定了一套適合本體學(xué)習(xí)工程環(huán)境的較完備的逆向工程方法。

3.2 從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式到OWL本體的映射

為了形式化表示從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式到OWL本體的映射規(guī)則，需要預(yù)先定義以下輔助函數(shù)：

(1)IS(x)：布爾函數(shù)。 若 x（表達(dá)式）成立，則 IS(x)=True；否則 IS(x)=False。

(2)idMap(ID)：將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的關(guān)系名和屬性名映射為OWL本體中的同名標(biāo)識(shí)符。即若ID是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的關(guān)系名和屬性名，則idMap(ID)=ID∈CID∪DPID∪OPID。

(3)dtMap(DT)：將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的數(shù)據(jù)類(lèi)型名映射為OWL本體中使用的數(shù)據(jù)類(lèi)型（XML Schema數(shù)據(jù)類(lèi)型）標(biāo)識(shí)符。即若DT是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的數(shù)據(jù)類(lèi)型名，則 dtMap(DT)=DType∈DTID。

3.2.1 屬性公理的生成規(guī)則

規(guī)則1將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系的非外鍵屬性及其相應(yīng)的預(yù)定義數(shù)據(jù)類(lèi)型映射為OWL本體中以關(guān)系對(duì)應(yīng)類(lèi)為定義域的數(shù)據(jù)類(lèi)型屬性及其相應(yīng)的預(yù)定義XML Schema數(shù)據(jù)類(lèi)型。形式化表示為：

?T，G∈E∪R∧?A∈att(T)∧?IS(A=fkey(T，G))→DatatypeProperty(idMap(T_A)domain(idMap(T))range(dtMap(type(A))))。

規(guī)則2將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系T引用實(shí)體關(guān)系G主鍵的外鍵(且不是T的主鍵也不屬于T的主鍵)作如下映射：生成一個(gè)新的OWL本體中的類(lèi)（聯(lián)系類(lèi)），一對(duì)分別以T對(duì)應(yīng)類(lèi)和聯(lián)系類(lèi)為定義域的互逆的對(duì)象屬性，一對(duì)分別以G對(duì)應(yīng)類(lèi)和聯(lián)系類(lèi)為定義域的互逆的對(duì)象屬性。形式化表示為：

?T∈E∪R∧?G∈E∧?A∈att(T)∧?IS(A=pkey(T))∧?IS(A∈pkey(T))∧IS(B=pkey(G))∧IS(A=fkey(T，G))→ObjectProperty(idMap(T_A)domain(idMap(T))range(dtMap(T_G)))，ObjectProperty(idMap(G_B)domain(idMap(G))range(idMap(T_G)))，ObjectProperty(idMap(T_G_A)domain(idMap(T_G))range(idMap(T))inverseOf(idMap(T_A)))，ObjectProperty(idMap(T_G_B)domain(idMap(T_G))range(idMap(G))inverseOf(idMap(G_B)))。

規(guī)則3將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系T引用實(shí)體關(guān)系G主鍵的外鍵(且同時(shí)又是T的主鍵或?qū)儆赥的主鍵）映射為OWL本體中一對(duì)分別以T對(duì)應(yīng)類(lèi)和G對(duì)應(yīng)類(lèi)為定義域的互逆的對(duì)象屬性。形式化表示為：

?T∈E∪R∧?G∈E∧?A∈att(T)∧(IS(A=pkey(T))∨IS(A∈pkey(T)))∧IS(B=pkey(G))∧IS(A=fkey(T，G))→ObjectProperty(idMap(T_A)domain(idMap(T))range(dtMap(G)))，ObjectProperty(idMap(G_B)domain(idMap(G))range(idMap(T_G))inverseOf(idMap(T_A)))。

規(guī)則4將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中實(shí)體關(guān)系的主鍵（且非外鍵）映射的OWL本體的數(shù)據(jù)類(lèi)型屬性聲明為函數(shù)屬性。形式化表示為：

?T，G∈E∧?A∈att(T)∧IS(A=pkey(T))∧?IS(A∈fkey(T，G))→DatatypeProperty(idMap(T_A)Functional)。

規(guī)則5將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系取值唯一的非外鍵屬性映射的OWL本體的數(shù)據(jù)類(lèi)型屬性聲明為函數(shù)屬性。形式化表示為：

?T，G∈E∪R∧?A∈att(T)∧?IS(A=fkey(T，G))∧unique(A)→DatatypeProperty(idMap(T_A)Functional)。

3.2.2 類(lèi)公理的生成規(guī)則

規(guī)則6將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系的非外鍵屬性映射為OWL本體中的類(lèi)公理。形式化表示為：

?T，G∈E∪R∧?A∈att(T)∧?IS(A=fkey(T，G))→Class(idMap(T)partial restriction(idMap(T_A)allValueFrom(dtMap(type(A)))minCardinality(0)maxCardinality(1)))。

規(guī)則7將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系T引用實(shí)體關(guān)系G主鍵的外鍵(且不是T的主鍵也不屬于T的主鍵)映射為OWL本體中的類(lèi)公理。形式化表示為：

?T∈E∪R∧?G∈E∧?A∈att(T)∧?IS(A=pkey(T))∧?IS(A∈pkey(T))∧IS(B=pkey(G))∧IS(A=fkey(T，G))→Class(idMap(T)partial restriction(idMap(T_A)allValueFrom(idMap(T_G))))，Class(idMap(G)partial restriction(idMap(G_B))allValueFrom(idMap(T_G))))，Class(idMap(T_G)partial restriction(idMap(T_G_A))allValueFrom(idMap(T))))，Class(idMap(T_G)partial restriction(idMap(T_G_B))allValueFrom(idMap(G))))。

規(guī)則8將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系T引用實(shí)體關(guān)系G主鍵的外鍵(且同時(shí)又是T的主鍵或?qū)儆赥的主鍵)映射為OWL本體中的類(lèi)公理。形式化表示為：

?T∈E∪R∧?G∈E∧?A∈att(T)∧(IS(A=pkey(T))∨IS(A∈pkey(T)))∧IS(B=pkey(G))∧IS(A=fkey(T，G))→Class(idMap(T)partial restriction(idMap(T_A)allValueFrom(idMap(G))))，Class(idMap(G)partial restriction(idMap(G_B)allValueFrom(idMap(T))))。

規(guī)則9將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中實(shí)體關(guān)系的主鍵屬性（且非外鍵屬性）映射為OWL本體中的類(lèi)公理。形式化表示為：

?T，G∈E∧?A∈att(T)∧IS(A=pkey(T))∧?IS(A=fkey(T，G))→Class(idMap(T)partial restriction(idMap(T_A)Cardinality(1)))。

規(guī)則10將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系取值不為空的屬性（且非外鍵屬性）映射為OWL本體中的類(lèi)公理。形式化表示為：

?T，G∈E∪R∧?A∈att(T)∧?IS(A=fkey(T，G))∧notnull(A)→Class(idMap(T)partial restriction(idMap(T_A)Cardinality(1)))。

3.2.3 類(lèi)關(guān)系的啟發(fā)式規(guī)則

規(guī)則11如果兩個(gè)實(shí)體關(guān)系的主鍵之間存在包含依賴(lài)關(guān)系，則這兩個(gè)關(guān)系對(duì)應(yīng)的OWL本體中的兩個(gè)類(lèi)之間存在父類(lèi)和子類(lèi)的關(guān)系。形式化表示為：

?T，G∈E∧idependency(T，G))→SubClassOf(idMap(T)idMap(G))。

規(guī)則12關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的每個(gè)聯(lián)系關(guān)系映射的類(lèi)與OWL本體中的其他類(lèi)之間是互不相交的。形式化表示為：

?T∈R∧?W∈CID∧idMap(T)≠W→DisjointClassers(idMap(T)W)。

規(guī)則13關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式中關(guān)系T引用實(shí)體關(guān)系G主鍵的外鍵（且不是T的主鍵也不屬于T的主鍵））映射生成的類(lèi)（聯(lián)系類(lèi)）與OWL本體中的其他類(lèi)之間是互不相交的。形式化表示為：

?T∈E∪R∧?G∈E∧?A∈att(T)∧?IS(A=pkey(T))∧?IS(A∈pkey(T))∧IS(A∈fkey(T，G))∧?W∈CID∧idMap(T_G)≠W→DisjointClassers(idMap(T_G)W)。

3.3 OntoLearner設(shè)計(jì)思想

本體學(xué)習(xí)工具OntoLearner的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示?；贠ntoLearner，本體學(xué)習(xí)的過(guò)程由下面三個(gè)子過(guò)程組成：

(1)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的逆向工程。使用逆向工程的方法從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取規(guī)范化至3NF的數(shù)據(jù)庫(kù)模式信息，明確數(shù)據(jù)源的語(yǔ)義；

(2)從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式到OWL本體的映射。以提取出的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式（3NF）作為輸入，按照一組通用的啟發(fā)式規(guī)則實(shí)現(xiàn)從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式到OWL本體的映射，并以可視化的方式顯示；

(3)利用現(xiàn)有本體工程工具對(duì)生成的OWL本體進(jìn)行精煉、評(píng)估和驗(yàn)證。

4 實(shí)例

使用MS SQL Server 2000創(chuàng)建一個(gè)包含大學(xué)基本信息情況的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)University，并插入實(shí)例數(shù)據(jù)。利用OntoLearner對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行本體學(xué)習(xí)，運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

語(yǔ)義Web研究的重點(diǎn)就是如何把信息表示為計(jì)算機(jī)能夠理解和處理的形式，即帶有語(yǔ)義。本體在創(chuàng)建這種機(jī)器可理解和處理的Web內(nèi)容中扮演著關(guān)鍵的角色。由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是本體學(xué)習(xí)重要的知識(shí)源，所以研究從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)習(xí)OWL本體的方法，對(duì)數(shù)據(jù)密集型Web站點(diǎn)向語(yǔ)義Web遷移、動(dòng)態(tài)Web頁(yè)語(yǔ)義標(biāo)注、構(gòu)建新一代信息管理基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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