（河海大學(xué)商學(xué)院，211100）

基于本體的防汛信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

祝 源

（河海大學(xué)商學(xué)院，211100）

近年來，伴隨著水利信息化的不斷推進(jìn)，系統(tǒng)開發(fā)者和系統(tǒng)用戶之間溝通困難的問題開始涌現(xiàn)，嚴(yán)重阻礙了系統(tǒng)開發(fā)的進(jìn)程。本文回顧了國外本體研究的進(jìn)展，分析了國內(nèi)基于本體的信息系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)踐，通過使用本體能力問題幫助系統(tǒng)開發(fā)者獲取用戶需求，并研究了本體在數(shù)據(jù)庫中的存儲設(shè)計(jì)。

本體；信息系統(tǒng)；防汛

0 引言

防汛工作往往由防汛指揮部牽頭，各個(gè)地方水利局或者水利站協(xié)同工作，這就牽涉到各地方防汛工作小組對于一些問題的共同理解。一方面，系統(tǒng)開發(fā)人員由于不是防汛專業(yè)人員，短時(shí)間內(nèi)難以理解防汛業(yè)務(wù)使用的專用術(shù)語；另一方面，防汛人員由于對系統(tǒng)開發(fā)的過程、技術(shù)手段等缺乏了解，而且用戶可能并不確切知道自己的需求是什么，并將需求確切的表達(dá)出來，不知道該提供哪些資料幫助系統(tǒng)開發(fā)者了解系統(tǒng)需求。本體就是通過形式化地定義領(lǐng)域概念，使得不同的人能夠?qū)@些概念和問題實(shí)現(xiàn)共享認(rèn)識?，F(xiàn)有的防汛信息系統(tǒng)在系統(tǒng)規(guī)劃之初就沒有考慮到這一問題，他們往往針對各個(gè)地區(qū)所特有的問題，各個(gè)地方水利單位自身的情況而進(jìn)行單獨(dú)的需求分析，造成需求的重復(fù)獲取，不能有效地利用以往的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。因此通過構(gòu)建一個(gè)防汛知識本體，生成能力問題庫，為未來的防汛信息系統(tǒng)的開發(fā)提供需求參考。

1 國外本體研究回顧

為了提高員工操作環(huán)境的安全性和提升企業(yè)在全球市場的競爭力，企業(yè)使用人工智能模擬（human simulation）對員工的工作環(huán)境進(jìn)行仿真。然而，環(huán)境模型構(gòu)建的需要大量的時(shí)間與精力投入，Seonhwa對基于本體的建模方法進(jìn)行了驗(yàn)證，節(jié)省了企業(yè)的建模成本。

當(dāng)前的本體構(gòu)建主要存在2種途徑：從基于數(shù)據(jù)庫的本體構(gòu)建和自頂向下或自底向上的概念體系構(gòu)建方法。Ra將兩者進(jìn)行了結(jié)合，提出了一種混合構(gòu)建方法（MOBM）：首先基于數(shù)據(jù)庫構(gòu)建本體核心，再通過概念體系法進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)本體的構(gòu)建，幫助企業(yè)更有效的進(jìn)行知識表示。本體開發(fā)前期需要大量的準(zhǔn)備工作，包括長時(shí)間的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果解釋，昂貴的專家咨詢和共識建立過程。針對這一問題，d’Aquin提出對數(shù)據(jù)挖掘和本體工程的相互作用進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)一種半自動獲取數(shù)據(jù)資源的方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識獲取。

Adigun使用FOX方法構(gòu)建了動態(tài)環(huán)境下的自適應(yīng)協(xié)作構(gòu)建了本體，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)環(huán)境的知識共享。Nagata基于頂層本體Goi-Taikei，使用半自動方法構(gòu)建了日本維基百科本體，產(chǎn)生了良好的分類系統(tǒng)。為了更好地回答用戶的提問，本體在信息檢索領(lǐng)域得到廣泛使用，然而隨著新概念以及概念關(guān)系不斷出現(xiàn)，有限的本體庫需要得到相應(yīng)的更新。Mustapha提出了一個(gè)基于案例推理的本體學(xué)習(xí)框架，幫助本體庫進(jìn)行更新。

盡管本體可以用于組織和系統(tǒng)之間的溝通，支持通用軟件系統(tǒng)的開發(fā)，但是使用本體進(jìn)行知識建模的應(yīng)用卻很少，原因在于每次開發(fā)的本體都是服務(wù)于某個(gè)特定的應(yīng)用，不會考慮到本體的分享和再利用。各個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)擁有自己的一套原則，他們遵循自己的一組開發(fā)原則開發(fā)本體，由于缺乏一個(gè)統(tǒng)一的本體開發(fā)的原則和開發(fā)方法，各開發(fā)團(tuán)隊(duì)之間的無法進(jìn)行有效的知識共享，已經(jīng)開發(fā)出的本體不能被其他的本體開發(fā)項(xiàng)目重用。針對這一現(xiàn)狀，不同的研究者開始著手研究本體開發(fā)的方法論。另一方面Pinto等研究了本體融合的問題。一個(gè)學(xué)科是否成熟的標(biāo)識在于是否存在廣泛接受的方法論，當(dāng)前不同的研究小組使用各自的方法和流程開發(fā)本體，從這個(gè)角度講本體工程還處于發(fā)展階段。

當(dāng)前，本體是由少部分專家或者研究人員開發(fā)，這和遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于開發(fā)者的使用者形成對比，數(shù)量上的巨大差異產(chǎn)生一些問題：首先，本體使用者不能控制本體的發(fā)展；其次，本體使用者不能完全掌握一個(gè)概念的內(nèi)涵。這些都是因?yàn)楸倔w的開發(fā)和使用是分開的。

2 基于本體的信息系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來隨著信息系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，考慮到本體在信息組織和信息表示等方面的強(qiáng)大優(yōu)勢，人們開始嘗試將本體和信息系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行結(jié)合。將信息系統(tǒng)和本體作為關(guān)鍵詞進(jìn)行組合，對CNKI數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，近7年來國內(nèi)基于本體的信息系統(tǒng)構(gòu)建與研究如表1所示，按照研究人員、年代、信息系統(tǒng)進(jìn)行組織：

表1 基于本體的信息系統(tǒng)

基于本體的信息系統(tǒng)研究前提是所應(yīng)用的領(lǐng)域信息化程度較高，不僅有信息化的標(biāo)準(zhǔn)，信息系統(tǒng)的發(fā)展也達(dá)到一定的階段，因此基于本體的信息系統(tǒng)研究應(yīng)該是立足于成熟的信息系統(tǒng)開發(fā)之上的。雖然不同行業(yè)的信息系統(tǒng)隨著領(lǐng)域知識的變化而存在差異，但是將本體引入信息系統(tǒng)的開發(fā)存在以下幾個(gè)目的：

（1）建模工具：由于本體具有的共享特性使得同一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，不同的業(yè)務(wù)人員在開發(fā)系統(tǒng)時(shí)可以共享本體概念模型；基于本體的系統(tǒng)建立之后，各個(gè)子系統(tǒng)可以共享這個(gè)本體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的共享。另一方面，由于本體對領(lǐng)域內(nèi)概念的定義、概念之間的關(guān)系有明確的形式化的定義，遇到新的現(xiàn)象、實(shí)例都可以納入已有的本體知識結(jié)構(gòu)中，極大方便了未來系統(tǒng)的升級和擴(kuò)展。

（2）互操作性：大大小小的“信息孤島”阻礙了系統(tǒng)之間的互操作性，通過共享統(tǒng)一的本體模型，不同的系統(tǒng)之間的互操作性將會大大增強(qiáng)，從系統(tǒng)層面加強(qiáng)了企業(yè)各個(gè)部門的協(xié)作；另一方面，使用本體幫助各個(gè)部門理解彼此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提供一個(gè)溝通的平臺。

（3）數(shù)據(jù)集成：基于本體的信息系統(tǒng)大多具有分布范圍廣的特點(diǎn)，并且已經(jīng)建成的各地信息系統(tǒng)較為成熟，推倒重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)代價(jià)太大，因此通過本體進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，從而實(shí)現(xiàn)對信息資源統(tǒng)一管理的目的。本體不僅是用于業(yè)內(nèi)人員的協(xié)作，也用于企業(yè)對外信息的發(fā)布。

3 防汛本體構(gòu)建

針對防汛知識的無序組織現(xiàn)象，本文初步研究了工情知識和雨水情知識，構(gòu)建相應(yīng)的知識本體。借鑒了METHONTOLOGY和TOVE，設(shè)計(jì)了防汛知識本體構(gòu)建流程，如圖1所示：

圖1 本體構(gòu)建流程

3.1防汛本體構(gòu)建目標(biāo)和范圍確定

防汛知識往往和水利知識組織在一起，作為水利知識的一個(gè)分支而存在。當(dāng)然防汛知識主要以專業(yè)書籍、行業(yè)文件、省市的水利網(wǎng)站、防汛工作手冊等形式存在。構(gòu)建防汛知識的本體需要盡可能多地收集防汛資料，搭建一個(gè)領(lǐng)域核心知識體系，確定本體的相關(guān)領(lǐng)域范圍，從而使防汛領(lǐng)域本體的構(gòu)建有明確的路線。

3.2防汛核心概念提取與分析

水利領(lǐng)域相關(guān)的概念非常多，但我們在描述核心知識體系時(shí)不需要將所有概念一一列舉，而是篩選出和防汛密切相關(guān)的概念，作為防汛本體中的核心概念。

3.3頂層本體構(gòu)建

防汛知識本體構(gòu)建過程中的選詞、概念之間的屬性關(guān)系確定及最終本體邏輯體系的形成都需要征詢防汛領(lǐng)域?qū)＜业囊庖姟Ｔ诒倔w初步邏輯體系形成過程中，邀請領(lǐng)域的專家一直協(xié)同工作。在屬性關(guān)系確定環(huán)節(jié)，邀請參與防汛工作的一線人員和水利專家參與討論，對制定的屬性關(guān)系進(jìn)行評判，如果同意則進(jìn)行下一步驟，不同意則針對主要的不足之處重新進(jìn)行選詞，對于專家之間的不同意見進(jìn)行溝通和協(xié)商，形成最后的統(tǒng)一意見，最終形成本體邏輯體系。

4 OWL本體關(guān)系模式設(shè)計(jì)

本體的存儲主要分為兩種途徑：文件存儲和數(shù)據(jù)庫存儲。數(shù)據(jù)庫存儲主要分為XML數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫?；谖募谋倔w存儲隨著本體規(guī)模的不斷擴(kuò)大，后期維護(hù)成本越來越高，查詢效率也會降低；相比較基于文件的存儲方式，基于數(shù)據(jù)庫的本體存儲查詢效率高，并且有許多數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品如Oracle、MYSQL、SQLSERVER等可供選擇。由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)已經(jīng)成熟，許多數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品也已經(jīng)投入商用，并且現(xiàn)有的防汛信息系統(tǒng)大多使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫可以直接以知識查詢模塊的方式加入現(xiàn)有系統(tǒng)，因此本文選擇關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲防汛本體。

OWL本體之所較其他本體語言有更強(qiáng)的語義描述能力在于它有更多的描述概念與概念之間關(guān)系的機(jī)制。OWL本體元素主要包括概念、屬性和實(shí)例等，屬性分為對象屬性和數(shù)據(jù)屬性，通過對OWL語言和關(guān)系模式的比較分析，分別設(shè)計(jì)fClass、fInstance、fProperty三個(gè)表來存放本體中的概念、屬性和實(shí)例。OWL本體中概念之間的關(guān)系是通過對屬性的定義域和值域的設(shè)置來完成的，分別設(shè)計(jì)表定義域表fDomian和值域表fRange來存放本體中的屬性，其中Class為外鍵，與表fClass相聯(lián)系。概念之間有子類父類的關(guān)系，有等同關(guān)系，有不相交關(guān)系，分別設(shè)計(jì)表fSubClass 、fEquivalentClass、 fDisjointClass，都通過外鍵Class與fClass表相連。例如要想知道分洪區(qū)屬于防汛體系中的上層概念，可以在fSubClass表中檢索分洪區(qū)，得到它對應(yīng)的上次概念是蓄滯洪區(qū)；另一方面，字段superclass的值為蓄滯洪區(qū)的所有記錄的class都是蓄滯洪區(qū)的子概念，可以得到蓄洪區(qū)、滯洪區(qū)等概念。本體存儲模式如下圖所示：

圖2 本體的關(guān)系存儲模式

由上圖可見，本體各個(gè)概念之間的關(guān)系在關(guān)系數(shù)據(jù)庫通過外鍵相聯(lián)系，本體如果發(fā)生變化只需要對各個(gè)關(guān)系表的記錄進(jìn)行增加或刪減，而不需要修改數(shù)據(jù)模式，縮小了本體維護(hù)的代價(jià)。系統(tǒng)開發(fā)人員也可以依據(jù)上圖進(jìn)行查詢語句的設(shè)計(jì)，開發(fā)基于本體的防汛知識系統(tǒng)。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)的建模，概念的使用相對分散，各個(gè)地區(qū)，各個(gè)部門都有各自的系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，容易形成信息孤島。由于系統(tǒng)開發(fā)人員對防汛知識缺乏系統(tǒng)了解，系統(tǒng)需求獲取受到很大的限制。防汛本體的構(gòu)建為專業(yè)系統(tǒng)開發(fā)人員和防汛工作人員架起了一座溝通的橋梁，開發(fā)的信息系統(tǒng)更能滿足防汛人員的需求；另一方面，基于本體的信息系統(tǒng)構(gòu)建方法將本體建模引入到信息系統(tǒng)的建模過程中，為信息系統(tǒng)的建模提供了理論依據(jù)。本文在回顧國內(nèi)外本體研究的基礎(chǔ)上對基于本體的信息系統(tǒng)開發(fā)過程中的需求獲取和本體的存儲進(jìn)行了研究，下一步將進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)施。

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Design of flood control information system based on Ontology

Zhu Yuan
（Business school of Hohai university，211100）

Currently,there is communication problems between the users and the system developers,which seriously hold back the development of flood systems.This paper analyzed the research and application of ontology,designed the management information system based on Ontology.Using competency questions to help system developer to acquire the users’needs,This paper make an attempt to store the Ontology in database systems.

ontology;information system;flood control