馮 鈞，許 瀟，唐志賢，卞一路

(河海大學計算機與信息學院，江蘇 南京 211100)

0 引言

水利信息共享是我國信息資源共享建設的重要組成部分。信息資源的發(fā)現(xiàn)是共享的基礎，對于采用元數(shù)據(jù)描述資源的目錄服務而言，元數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)機制是目錄服務的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)搜索引擎對查詢請求的處理局限于詞的表面形式，存在“忠實表達”、“表達差異”、“詞匯孤島”等問題，限制了資源發(fā)現(xiàn)過程中的查全率和查準率。水利信息不是孤立存在的，相互之間在語義上存在復雜聯(lián)系，例如降雪和降雨都屬于降水，下雨與降雨等價等。對于以數(shù)據(jù)共享為目的的水利信息資源目錄服務系統(tǒng)的目標用戶來說，往往希望通過目錄系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)服務來找到滿足行業(yè)語義的所有相關(guān)數(shù)據(jù)資源，例如通過“降雨”來搜索信息資源，希望獲取“降水”、“降雪”等水利信息元數(shù)據(jù)信息，而傳統(tǒng)的檢索方法無法應對這種應用需求。此外，水利信息的應用范圍廣泛，用戶對數(shù)據(jù)的理解參差不齊，非專業(yè)用戶往往希望通過輸入非水利專業(yè)檢索詞以發(fā)現(xiàn)水利信息資源，例如通過關(guān)鍵詞“下雨”甚至“雨天”檢索出“降雨”、“降水”等相關(guān)信息資源，更是傳統(tǒng)全文檢索方法望塵莫及的。必須要從查詢語句所表達的語義層次來認識和處理用戶的檢索請求，進行相應的語義擴展才能使檢索結(jié)果更加準確和全面。隨著水利信息資源整合和共享的深入推進，現(xiàn)有的集中式信息資源檢索模式已經(jīng)無法滿足業(yè)務應用的實時性和并發(fā)性需求，迫切需要對檢索處理進行并行化改造。

本文提出一種面向水利信息資源目錄服務的分布式語義檢索方法(Distributed Semantic Retrieval Method for Water Information Resources Directory Service，DSRM)。DSRM 將利用基于水利公文詞表構(gòu)建的水利領域本體，通過構(gòu)建語義推理機實現(xiàn)對查詢關(guān)鍵詞的語義擴展，并根據(jù)語義相關(guān)度進行結(jié)果排序，解決水利信息資源目錄服務發(fā)現(xiàn)過程中語義缺乏的問題;同時定義語義相似度閾值和選擇方法防止“語義飄移”以保證檢索的查準率;基于MapReduce 對索引創(chuàng)建和查詢處理進行并化改造提高檢索的處理效率。

1 相關(guān)研究

隨著語義網(wǎng)技術(shù)和云計算技術(shù)的不斷成熟和廣泛應用，語義檢索和分布式檢索領域已經(jīng)形成大量研究成果。針對信息資源的語義檢索研究，Yu 等人從非語義相關(guān)詞匯擴展和語義相關(guān)詞2 個方面進行關(guān)鍵字擴展保障信息檢索過程的查全率［1］;文獻［2-4］利用領域元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)關(guān)系構(gòu)建領域本體，通過引入本體技術(shù)提高解決空間信息檢索效率;在應用項目方面，面向生物學領域的語義檢索系統(tǒng)TextPresso［5］和對HTML 網(wǎng)頁進行語義標注的實現(xiàn)語義檢索的SHOE［6］最為經(jīng)典。在分布式檢索方面，文獻［7］主要研究解決海量異構(gòu)、多來源數(shù)據(jù)的處理效率和共享程度低的問題，其中通過Hadoop 存儲空間數(shù)據(jù)原始文件以及索引文件。文獻［8］主要是針對特定的多媒體收藏展開研究，提出一個高性能的高維索引以及使用Hadoop 集群來搜索海量數(shù)據(jù)的SIFT 描述符。文獻［9-10］將Lucene 和HBase 相結(jié)合構(gòu)建分布式全文搜索引擎。文獻［11］基于MapReduce 計算模型構(gòu)建了圖片的分布式搜索引擎。從國內(nèi)外的文獻來看，水利領域還沒有成熟的分布式語義檢索技術(shù)，限制了水利信息檢索效率和業(yè)務化應用。

2 面向水利信息資源目錄服務的分布式語義檢索方法

2.1 領域本體

《水利公文主題詞表》是水利行業(yè)各部門在計算機網(wǎng)絡環(huán)境下處理政務信息的規(guī)范性主題標引工具和檢索工具。水利部辦公廳于1994 年組織編制并使用，2000 年和2006 年2 次修訂。詞表自面世以來，在水利行業(yè)辦公自動化過程中發(fā)揮了重要的作用，是水利公文主題標引和計算機檢索的必備工具，其中詞匯之間具有明確的上下位、兄弟、使用、代替、注釋等關(guān)系，如表1 所示，其中權(quán)重是根據(jù)水利信息資源目錄建設需求和行業(yè)經(jīng)驗進行設置的，在實際的使用過程中還可以根據(jù)需要調(diào)整，故本文將《水利公文主題詞表》作為水利領域本體的基礎資源，在抽取其中基本詞匯的同時進行擴展以構(gòu)建本體。

表1 水利領域本體的語義關(guān)系

2.2 基于領域本體的查詢擴展

本文基于領域本體概念相似度進行查詢擴展，基本思想是:通過查找與檢索詞相似度大于閾值的詞，把相似度作為該擴展詞的權(quán)重和擴展詞一并提交給搜索引擎，進行關(guān)鍵詞查詢。為了能夠支持對非水利專業(yè)用戶的語義擴展，本文還引入了知網(wǎng)語義進行通用詞匯的擴展，進一步提高檢索語義擴展能力。

圖1 語義查詢擴展流程

如圖1 所示，為語義擴展流程。對于用戶提交的檢索關(guān)鍵詞，首先判斷該關(guān)鍵詞是否為水利專業(yè)詞匯，若是則進行水利專業(yè)領域擴展，若不是則利用知網(wǎng)語義進行擴展。在進行語義擴展時需要計算詞匯間的語義相關(guān)度，本體詞匯間關(guān)系的基本相關(guān)度權(quán)值定義如表1 所示(其中β 為可調(diào)節(jié)的整體相似度)。在計算相關(guān)度的基礎之上，通過設定語義相似閾值來過濾掉一些低相關(guān)的詞匯，使擴展查詢時擴展詞盡量與原檢索詞相似。但是，由于詞匯間可能會存在多條擴展路徑，相應也會存在多個相似度值，在這種情況下本文采用相似度的較小值以減少擴展查詢的語義漂移，保證查詢的查準率。

2.3 語義推理

在進行語義擴展的過程中，需要利用語義推理機推斷出與檢索關(guān)鍵詞相關(guān)的本體詞匯，形成領域語義詞匯集并計算詞匯間的相似度。為了表達詞匯及其關(guān)系的模糊性，借鑒模糊本體［8］的概念在每個本體的概念上加入隸屬度集，用以表達詞匯之間的相關(guān)性。同時，對水利信息資源進行文本分詞，采用模糊資源描述框架FRDF［8］用三元組(主體、(謂詞、權(quán)值)、客體)來描述分詞后水利信息資源及其關(guān)系。在完成對資源及其關(guān)系進行規(guī)范化描述的基礎上，本文借助Jena 構(gòu)建語義推理機，定義相關(guān)推理規(guī)則實現(xiàn)語義推理，推理過程中先讀取解析后的本體，然后對推理規(guī)則進行解析并綁定到模型中，最后使用Jena三元組對其進行查詢。

圖2 推理規(guī)則

推理規(guī)則如圖2 所示，其中推理規(guī)則1 表示具有“subClassOf”傳遞關(guān)系，推理規(guī)則2 用以推理出“sameType”關(guān)系，推理規(guī)則3 用以推理出“brother”關(guān)系。通過圖2 所示推理規(guī)則，結(jié)合水利領域本體的語義關(guān)系即可實現(xiàn)基于水利的語義擴展。

2.4 結(jié)果排名

在進行語義擴展的基礎上，結(jié)合分詞算法對水利數(shù)據(jù)目錄服務的元數(shù)據(jù)進行全文檢索，本文根據(jù)《水利公文主題詞表》的結(jié)構(gòu)和水利信息實踐的經(jīng)驗對向量空間模型進行改進，元數(shù)據(jù)資源與檢索詞的文本相關(guān)度計算方法如公式(1)所示:

其中norm(T)為元數(shù)據(jù)資源文本內(nèi)容T 進行最大匹配算法分詞后詞匯(wordi)集合的大小;hash(wordi)=(1-0.3)/n 為根據(jù)詞匯的主題相關(guān)值，n 為《水利公文主題詞表中》中主題詞的等級，若wordi不在索引中，則hash 值為0。對采用知網(wǎng)語義進行擴展的詞匯則按向量空間模型計算元數(shù)據(jù)資源與檢索詞的文本相關(guān)度。

在完成文本相關(guān)度計算的基礎之上，結(jié)合檢索詞匯間的語義相關(guān)度即可計算出元數(shù)據(jù)資源與用戶輸入檢索詞間的相似度，按相似度降序?qū)⒔Y(jié)果返回給用戶。

2.5 基于MapReduce 的并行檢索

為了提高檢索效率，本文將云計算技術(shù)引入水利信息資源目錄服務的資源發(fā)現(xiàn)處理過程中，利用Hadoop 構(gòu)建基于云的檢索模塊，基于MapReduce 并行處理模型對基于Lucene 的全文檢索算法進行并行化改造，以提高大規(guī)模查詢請求條件下的查詢處理效率。圖3 為本文并行檢索算法的處理流程，算法首先對檢索請求進行劃分，形成若干查詢請求子集，每個查詢請求子集交由一個Map 節(jié)點處理，Map 節(jié)點讀取索引文件進行查詢，并將查詢結(jié)果交由Reduce 進行合并，實現(xiàn)查詢的任務并行。對查詢子集中的每一個查詢請求，同樣將其發(fā)送到多個Map 節(jié)點，由每個Map 節(jié)點對該節(jié)點存儲的索引分片進行檢索，最終再由Reduce 進行檢索結(jié)果合并，實現(xiàn)查詢的算法并行，處理流程與任務并行相似。

圖3 基于MapReduce 的并行檢索流程

3 原型實現(xiàn)與案例研究

3.1 原型系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

圖4 所示為基于DSRM 的原型系統(tǒng)架構(gòu)，包含語義本體模塊和語義查詢處理模塊。語義本體模塊用于存儲水利領域本體和知網(wǎng)語義本體，并完成領域詞匯相似度的計算，包括水利本體庫、知網(wǎng)本體庫和語義詞匯相似度計算單元(計算語義詞匯相似度);其中水利本體庫用于存儲水利領域本體(采用模糊本體的形式描述)及其詞匯的相似度;知網(wǎng)本體庫用于存儲知網(wǎng)本體詞匯及子網(wǎng)詞匯相似度。語義查詢處理模塊，利用查詢請求處理單元獲取用戶的查詢請求，并進行分詞處理形成查詢詞集合;模糊語義推理單元進行推理形成語義擴展查詢詞集合，Lucene 分布式檢索單元從水利信息資源目錄服務元數(shù)據(jù)庫中檢索滿足查詢詞集合和語義擴展查詢詞集合的元數(shù)據(jù)，形成語義檢索結(jié)果集合;最后由檢索結(jié)果排序單元按照相關(guān)度對查詢結(jié)果進行排序，并按降序?qū)⒉樵兘Y(jié)果返回用戶。

圖4 DSRM 原型系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 語義檢索實驗分析

表2 所示為本實驗的一個水利詞匯語義擴展示例，其中可調(diào)節(jié)的整體相似度β 取值為0.9，語義相似度閾值為0.8。圖5 為本語義檢索的一個示例(左側(cè)為語義檢索結(jié)果，右側(cè)為傳統(tǒng)關(guān)鍵詞匹配檢索結(jié)果)，分析圖5 可以發(fā)現(xiàn)，由于元數(shù)據(jù)庫中無任何包含“四荒”關(guān)鍵詞的元數(shù)據(jù)資源，傳統(tǒng)的檢索方法沒有檢索結(jié)果，而本文提出的DSRM 方法在閾值為0.8時，找到4 個有關(guān)“四荒”的結(jié)果(與表2 中的擴展吻合)，可以看出DSRM 檢索方法能夠有效地進行查詢擴展，從而提高檢索的查全率。

3.3 并行查詢效率分析

為了分析并行效率，本文對1000 萬條元數(shù)據(jù)建立索引，在此基礎上分別模擬了100、1000、10000、20000 直到100000 個查詢請求，進行查詢時間的統(tǒng)計。實驗平臺由1 臺名稱節(jié)點和3 臺數(shù)據(jù)節(jié)點組成，所有計算機的配置相同(CPU:Intel Pentium4 2 GHZ，內(nèi)存:DDR2 2 GB，硬盤:80 GB，7200 r/min，2 MB 緩存，操作系統(tǒng):Ubuntu Linux);Hadoop 集群版本為0.20.2，Hbase 版本為0.90.4。為了讓數(shù)據(jù)更能反映實際，每組數(shù)據(jù)都作了若干次測試，最后取多次實驗的平均值作為最終實驗結(jié)果。實驗結(jié)果如圖6 所示，當查詢請求較少時，并行模式的效率并未體現(xiàn)(啟動Hadoop 需要一定的時間開銷);當查詢請求量逐步增大時，并行查詢效率的優(yōu)勢就逐步體現(xiàn)出來了;當查詢量達到10 萬時，查詢效率提高近3 倍，并且增長趨勢比單機模式低，體現(xiàn)了并行查詢的優(yōu)勢。

表2 查詢詞匯語義擴展示例

圖5 語義檢索結(jié)果示例

圖6 并行查詢效率分析

4 結(jié)束語

水利信息共享系統(tǒng)的建設是解決水利數(shù)據(jù)為科學研究、為社會提供信息服務的重要手段。水利數(shù)據(jù)目錄服務利用元數(shù)據(jù)對分布存儲的水利數(shù)據(jù)進行規(guī)范化的描述，通過構(gòu)建元數(shù)據(jù)信息的發(fā)布、發(fā)現(xiàn)服務以支撐對水利實體數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn);不僅是數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的窗口，更是共享服務的起點。本文針對水利數(shù)據(jù)目錄服務中元數(shù)據(jù)檢索的查全率和查準率要求，結(jié)合推理機制提出了基于水利領域本體和知網(wǎng)語義的查詢擴展方法，解決了查詢過程中的“機械匹配”問題;基于MapReduce 的檢索算法并行改造，有效提高了查詢效率。在后續(xù)的研究中，可以考慮定義更多的推理規(guī)則實現(xiàn)更加完善的語義擴展。

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