李華昱，張培穎，肖　晗

(中國石油大學(xué)(華東)計算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東青島　266580)

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基于抽取規(guī)則和本體映射的領(lǐng)域XML語義集成

李華昱，張培穎，肖晗

(中國石油大學(xué)(華東)計算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東青島266580)

油氣井工程領(lǐng)域中存在大量的XML文檔，傳統(tǒng)的XML集成方案無法提供面向語義的信息查詢，導(dǎo)致數(shù)據(jù)利用率不高。針對油氣井XML文檔WeXML語義集成與查詢應(yīng)用需求，提出一種基于抽取規(guī)則和本體映射的語義集成方法。首先定義一系列類、屬性抽取規(guī)則，分別將WeXMLSchema中的元素、屬性映射為WeOWL本體中的類和屬性；然后，利用實例轉(zhuǎn)換算法將WeXML文檔轉(zhuǎn)換為本體實例數(shù)據(jù)；由于WeOWL提供有限的局部語義模型，需要在兩者之間建立語義映射，并借助WeOWL中的術(shù)語對全局語義模型中的類和屬性進(jìn)行解釋，進(jìn)而提供面向領(lǐng)域全局本體的語義查詢。通過構(gòu)建WeXML數(shù)據(jù)語義集成原型系統(tǒng)，對提出的轉(zhuǎn)換規(guī)則、轉(zhuǎn)換算法和映射規(guī)則進(jìn)行了驗證。

計算機(jī)信息管理系統(tǒng)；抽取規(guī)則；本體映射；領(lǐng)域XML；語義集成

XML是領(lǐng)域數(shù)據(jù)重要的信息表示和存儲形式，也是應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的主要標(biāo)準(zhǔn)。然而，由于XML缺乏足夠的語義信息，傳統(tǒng)的XML集成方案無法提供基于領(lǐng)域術(shù)語的語義查詢，而利用語義Web與本體技術(shù)，對XML文檔進(jìn)行語義集成，是一種有效的解決方案，也是領(lǐng)域數(shù)據(jù)集成的研究熱點之一。

目前，XML語義集成主要采用2類方法：1)定義一系列映射規(guī)則，從XML文檔或XMLSchema中抽取本體，并利用映射信息將XML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本體實例數(shù)據(jù)，再通過構(gòu)建基于語義的查詢訪問接口，實現(xiàn)語義集成。針對此類方法，劉顯敏等[1]提出了一種基于XML鍵規(guī)則語義實體抽取方法，以此提高XML查詢效率；XML2OWL系統(tǒng)首先采用XSLT描述語義抽取規(guī)則建立OWL本體，再通過實例轉(zhuǎn)換過程生成本體實例數(shù)據(jù)[2]；FERDINAND等[3]提出了XMLSchema映射為OWL本體和將XML轉(zhuǎn)換為RDF數(shù)據(jù)的2種獨立方法；XU等[4-5]提出了一種基于映射規(guī)則的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法，該方法能夠從XMLSchema抽取語義信息并構(gòu)建XML本體。喬衛(wèi)[6]設(shè)計了XML語義信息抽取模型，通過4個功能模塊解決了XML的語義信息抽取問題，特別是XML結(jié)構(gòu)所隱含的語義。2)在XMLSchema與已有本體之間建立語義映射，利用本體模型描述XML數(shù)據(jù)并通過實例轉(zhuǎn)換或者查詢重寫，提供面向本體模型的語義查詢。例如，WEESA[7]和XMLTOWL[8]采用XML和XSLT定義XMLSchema與本體之間的映射規(guī)則，自動將XML文檔轉(zhuǎn)換為本體實例；文獻(xiàn)[9]采用2個子過程，借助XSLT，分別將XMLSchema和XML文檔映射為本體模型和實例數(shù)據(jù)；LEHTI等[10]提出的本體映射方法中，不提供實例數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，而是利用查詢重寫，將基于語義的查詢轉(zhuǎn)換為面向XML的Xquery查詢。CRUZ等[11-12]和XIAO[13]提出了一個基于本體的XML語義數(shù)據(jù)集成框架，該框架首先將局部XML本體進(jìn)行合并生成全局RDF本體，再構(gòu)造一個模式映射表，記錄全局和各個局部本體之間的映射，進(jìn)而實現(xiàn)語義集成。

石油、材料領(lǐng)域中存在若干個XML模型[14]，如PetroXML，WellLogML，WITSM[15]和MatML[16]等，針對油氣井XML文檔WeXML，基于文獻(xiàn)[17]和文獻(xiàn)[18]中的MatML語義集成方法及相關(guān)領(lǐng)域數(shù)據(jù)集成方案[19-20]，提出了語義解決方案，首先通過定義抽取規(guī)則從WeXMLSchema中抽取油氣井局部本體WeOWL，并通過實例轉(zhuǎn)換部件將WeXML文檔轉(zhuǎn)換為WeOWL本體實例數(shù)據(jù)；由于MatOWL是從WeXMLSchema中抽取而來，僅提供油氣井的基本語義信息，需要利用邏輯規(guī)則，在WeOWL與領(lǐng)域本體之間建立語義映射，并借助語義映射信息和邏輯規(guī)則，實現(xiàn)面向領(lǐng)域語義概念模型的油氣井XML數(shù)據(jù)的語義集成與語義查詢。

1　WeXML語義集成框架

1.1WeXML基本結(jié)構(gòu)

WeXML(wellXML)是一種描述油氣井日常生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的XML文檔，通過XML數(shù)據(jù)類型、complexType和simpleType，WeXMLSchema定義了Dept,Well和Geology3類一級元素和75種其他子元素和屬性，WeXML基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　WeXML 基本結(jié)構(gòu) Fig.1　Basic sturcture of WeXML

圖1中，實線矩形框表示元素類型，以@開頭的矩形框表示屬性。Dept，Well和Geology是3類一級元素類型：Dept描述油氣井單位隸屬關(guān)系，包括礦區(qū)和小隊；Well是WeXML中的核心類型，包括油井和氣井2種類型，記為OilWell和GasWell，每種類型定義產(chǎn)量、壓力、泵工藝等子元素，分別描述日產(chǎn)油、日產(chǎn)液、日產(chǎn)氣、月產(chǎn)油、月產(chǎn)液、月產(chǎn)氣、工藝措施、含水、含砂、壓力類型、泵壓力、泵排量、泵徑、泵深等相關(guān)數(shù)據(jù)；Geology類型描述油田、區(qū)塊和儲層等信息。

1.2相關(guān)定義

定義1WeXMLSchema=(CT,ST)，ST={st|stisxsd:simpleType}，CT={ct|ctisxsd:complesType}=E∪ATT，其中：E={e|eisaxsd:Element}，ATT={att|attisaxsd:Attribute}

定義2XSDType為XMLSchema類型集合，XSDType={string,date,dicimal,integer,…}

建立函數(shù)集合FSchema={getEles,getAttrs,getXSDType}：

1)getEles(ct),getAttrs(ct) 分別獲取ct的子元素和屬性;

2)getXSDType(att/st) 分別獲取att/st的名稱、類型和對應(yīng)的XMLSchema數(shù)據(jù)類型。

定義3WeOWL=(C,OP,DP,I,A0)

WeOWL(wellOWLontology)是從WeXMLSchema抽取而來，其中，C是概念集合，OP是對象屬性集合，DP是數(shù)據(jù)類型屬性集合，I是實例集合，A0是公理集合。針對WeOWL定義，建立函數(shù)集合FWeOWL={hasDomain,hasRange,hasSuperclass}:

1)?p∈OP∪DP，?x,y∈C∪XSDType，p.hasDomain(x) 表示屬性p的Domain中包含類x，p.hasRange(y) 表示屬性p的Range中包含類y;

2)?c,x∈C,x=hasSuperclass(c) 用于表示類x為類c的一個父類。

由于WeOWL是從WeXMLSchema抽取而來，無法表達(dá)比WeXMLSchema更豐富的語義信息，需要將WeOWL與領(lǐng)域本體建立映射關(guān)聯(lián)，才能提供更為有效的語義集成服務(wù)，為此，引入油氣井工程領(lǐng)域本體WeDOWL(wellengineeringdomainOWLontology)。

定義5y=fC/P(x) 為語義抽取函數(shù)：x∈ST∪CT∪XSDType，y∈C∪OP∪DP，x為WeXMLSchema中的類型或者屬性；y=fC/P(x) 表示y是由x抽取生成的WeOWL類、對象屬性或者數(shù)據(jù)類型屬性

圖2　WeXML 語義集成框架Fig.2　Semantic integration framework of WeXML

1.3語義集成框架

WeXML語義集成框架如圖2所示，包括WeXML數(shù)據(jù)層、本體實例轉(zhuǎn)換層、語義集成業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層。

1)WeXML數(shù)據(jù)層：包括由各個采油生產(chǎn)單位提交的WeXML文檔。

2)本體實例轉(zhuǎn)換層：參照語義抽取規(guī)則，通過實例轉(zhuǎn)換算法，將WeXML中的油氣井?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為WeOWL實例數(shù)據(jù)，即填充WeOWL實例集合I。

3)語義集成業(yè)務(wù)層：針對WeXMLSchema結(jié)構(gòu)，定義語義抽取規(guī)則，將WeXMLSchema中元素和屬性映射為WeOWL中的類、屬性以及層次關(guān)系并建立WeOWL本體；在WeOWL與WeDOWL之間建立語義映射，提供基于領(lǐng)域概念模型的語義查詢。

4)應(yīng)用層：基于WeOWL語義概念模型，提供可視化查詢構(gòu)造界面，能夠根據(jù)查詢需求構(gòu)造SPARQL[21]查詢語句；通過讀取規(guī)則庫中的邏輯規(guī)則并借助推理機(jī)，實現(xiàn)面向WeOWL實例數(shù)據(jù)進(jìn)行語義查詢。

2　WeOWL構(gòu)建

2.1語義抽取規(guī)則

通過對WeXMLSchema結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并參照HUNTER等[22]提出的方法，分別針對類、層次結(jié)構(gòu)、對象屬性、數(shù)據(jù)對象屬性和基數(shù)定義5項抽取規(guī)則，從WeXMLSchema中抽取語義信息并建立WeOWL本體，規(guī)則如下。

規(guī)則1Class抽取規(guī)則

?t∈CT∪STR→(?c∈C)∧(c.id=getName(t))

規(guī)則說明：對于任意CT或STR類型t，它將被轉(zhuǎn)換為WeOWL中的一個類c，并將t的名稱作為c的標(biāo)志符。該規(guī)則簡記為c=fC(t)。

規(guī)則2ClassHierarchy生成規(guī)則

規(guī)則2.1?c1∈C∧(c1.id=’Well’)∧?c2∈C(c2.id=’OilWell’∨c2.id=’GasWell’)→c1=hasSuperclass(c2)

規(guī)則2.2?c1∈C∧(c1.id=’ProdO’)∧?c2∈C(c2.id=’DOProd’∨c2.id=’MOProd’)→c1=hasSuperclass(c2)

規(guī)則2.3?c1∈C∧(c1.id=’ProdG’)∧?c2∈C(c2.id=’DGProd’∨c2.id=’MGProd’)→c1=hasSuperclass(c2)

規(guī)則說明：2.1將’Well’類設(shè)置為’OilWell’和’GasWell’的父類，即將“油井”和“氣井”設(shè)置為“井”的子類；2.2將’ProdO’類設(shè)置為’DOProd’和’MOProd’的父類，即將“日產(chǎn)油”和“月產(chǎn)油”設(shè)置為 “產(chǎn)油”的子類；2.3將’ProdG’類設(shè)置為’DGProd’和’MGProd’的父類，即將“日產(chǎn)氣”和“月產(chǎn)氣”設(shè)置為“產(chǎn)氣”的子類。

定義子類集合Cchild={OilWell,GasWell,DOProd,MOProd,DGProd,MGProd}，Cchild包含上述6個子類。

規(guī)則3ObjectProperty抽取規(guī)則

?ct∈CT∧(?x∈getEles(ct)∪getAttrs(ct))∧(x?Cchild)∧(getType(x)∈CT∪STR)→

(?op∈OP)∧(op=fOP(x))∧(op.id=getName(x))∧(op.hasDomain(fC(ct)))∧

(op.hasRange(fC(getType(x))))。

規(guī)則說明：對于任意CT類型ct，如果其包含的元素或?qū)傩詘是CT類型或是ST類型，并且x不包含在Cchild集合，則x將被抽取為對象屬性op。同時，類fC(ct)被添加到op的domain中，類fC(getType(x)) 被添加到op的range中。該規(guī)則簡記為op=fP(ct.x)。

規(guī)則4DataTypeProperty抽取規(guī)則

?ct∈CT∧(?x∈getElements(ct)∪getAttributes(ct))∧(getType(x)∈ST)∧(getXSDType(x)∈XSDType)→(?dp∈DP)∧(dp=fC/DP(x))∧(dp.id=getName(x))∧(dp.hasDomain(fC/P(ct)))∧(dp.hasRange(getXSDType(x)))。

規(guī)則說明：對于任意CT類型ct，如果其包含的元素或?qū)傩詘為ST簡單類型或為XMLSchema數(shù)據(jù)類型，x將被抽取為一個數(shù)據(jù)類型屬性dp。同時，類FC/P(ct)將被添加到dp的domain中，類FC/P(getXSDType(x))將被添加到dp的range中。該規(guī)則簡記為dp=fP(ct.x)。

規(guī)則5PropertyCardinality生成規(guī)則

?ct∈CT∧(?x∈getEles(ct)∪getAttrs(ct))∧(?c=fC(ct))∧(?p=fP(ct.x))，定義如下子規(guī)則：

規(guī)則5.2(x.minOccurs=m)∧hasAtt(x.maxOccurs)→p.MinCardinality(c) =m

規(guī)則說明：如果元素x沒有定義minOccurs和maxOccurs屬性，則p對于類c的Cardinality設(shè)定為1；如果x的minOccurs數(shù)值為m，并且沒有定義maxOccurs屬性，則p對于類c的Cardinality設(shè)定為m。

基于1.2定義的函數(shù)和2.1定義的抽取規(guī)則，通過“本體抽取”模塊從WeXMLSchema中獲取結(jié)構(gòu)信息并建立WeOWL本體，WeOWL結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中WeXML是WeOWL的root類。

在利用抽取規(guī)則建立WeOWL本體過程中，設(shè)置映射表MapTab(mappingtable)描述WeXMLSchema中元素、屬性和WeOWL中類、屬性之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖3　WeOWL 本體結(jié)構(gòu) Fig.3　Structure of WeOWL ontology

2.2WeOWL實例數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

生成WeOWL后，需要利用本體實例轉(zhuǎn)換部件(WeOWLinstancetransformation)并參照語義抽取規(guī)則，通過轉(zhuǎn)換算法對WeXML進(jìn)行遍歷，依次讀取元素、屬性和數(shù)值信息，生成WeOWL實例數(shù)據(jù)。實例轉(zhuǎn)換算法如表1所示，輸入為WeXML文檔wexml.xml，WeOWL本體模型weowl.owl，輸出結(jié)果為包括本體實例數(shù)據(jù)的weowl’。

TraverseXML主要包括Transform和TransfromST2個函數(shù)。其中，Transform采用遞歸形式遍歷wexml.xml文檔，針對CT和ST類型元素分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換；TransformST專門處理ST類型元素的轉(zhuǎn)換。

表1　WeOWL實例轉(zhuǎn)換算法

算法首先讀取wexml.xml文檔并將文檔根節(jié)點記為rootNode；然后，針對rootNode每一個子節(jié)點執(zhí)行Transform函數(shù)(1-4行)，Transform函數(shù)根據(jù)傳入的node參數(shù)類型，分別進(jìn)行處理： 如果為CT類型，從MapTab映射表中獲取node對應(yīng)的類記為c(5-7行)，并遍歷node的每一個屬性和子元素(8行)，其中，屬性直接轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)類型實例數(shù)據(jù)(9-11行)，子元素如果為CT類型，遞歸執(zhí)行Transform函數(shù)并轉(zhuǎn)換為對象類型實例數(shù)據(jù)(13-14行)，如果為ST類型，執(zhí)行TransformST函數(shù)(15-16行)。TransformST函數(shù)根據(jù)ST是否為枚舉類型，分別處理ST類型的實例數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(19-24行)。

3　本體映射

由于WeOWL是從WeXMLSchema中抽取而來，僅提供局部、有限的語義信息，需要在WeOWL和WeDOWL之間建立語義映射，進(jìn)而提供面向領(lǐng)域全局語義模型的語義查詢。

本體映射由用戶通過邏輯規(guī)則進(jìn)行定義，定義的邏輯規(guī)則將存入到規(guī)則庫中。通過參照邏輯規(guī)則，推理機(jī)引擎能夠利用WeOWL術(shù)語對WeDOWL中的類和屬性進(jìn)行解釋，自動地將WeOWL本體實例數(shù)據(jù)歸類為WeDOWL實例。邏輯規(guī)則定義形式如下所示：

weowl:Oilwell(?x)∧weowl:hasMeasure(?x,?y)∧weowl:hasMeasureDate(?y,?z)→wedowl:MeaOilWell(?x)。

以上規(guī)則表示：如果在WeOWL中x為油井，并且在某一時間進(jìn)行過工藝措施，那么x可以作為WeDOWL中的“措施油井”類型。

例如：查詢“2015年1月以后所有措施油井井號、增油產(chǎn)量及實施的工藝措施類型”，可以通過設(shè)定以下邏輯規(guī)則：

weowl:Oilwell(?x)∧weowl:hasWellNo(?x,a)∧weowl:hasMeasure(?x,?b)∧weowl:hasMeasureDate(?b,?c) ∧weowl:measureDate(?c,’2015.1’)∧weowl:oilAdd(?b,?d)∧weowl:hasMeaName(?b,?e)→wedowl:MeaOilWell(?x)∧wedowl:wellName(?x,?a)∧wedowl:oilAdd(?x,d)∧wedowl:MeaType(?x,?b)。

用戶可以通過查詢構(gòu)造器設(shè)置如下SPARQL語句：

Select?a?b?c

Where{ ?ardf:typeMeaOilWell. ?awedowl:wellName?b.?awedowl:oilAdd?c. }

查詢語句提交給語義查詢處理器后，處理器將利用規(guī)則庫和推理機(jī)，自動將WeOWL中相關(guān)實例數(shù)據(jù)歸類為MeaOilWell實例，完成語義查詢。

4　系統(tǒng)實現(xiàn)

基于Eclipse開發(fā)平臺，開發(fā)了WeXMLSemSys原型系統(tǒng)。WeXMLSemSys采用JavaSwing設(shè)計查詢操作界面，將Dom4j作為WeXML文檔的解析工具，利用JenaAPI完成Sparql語義查詢和邏輯推理。該原型系統(tǒng)主要包括3個功能：瀏覽WeXML數(shù)據(jù)內(nèi)容并將WeXML文檔轉(zhuǎn)換為WeOWL實例數(shù)據(jù)；通過Sparql語句對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；利用Jena推理機(jī)和邏輯規(guī)則實現(xiàn)推理并返回語義查詢結(jié)果。

在實際應(yīng)用中，WeXMLSemSys讀取了勝利油田某采油廠2015年的103個WeXML文檔，每個文檔包含1-2口油井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過實例轉(zhuǎn)換算法產(chǎn)生了基于領(lǐng)域全局本體的WeDOWL的實例數(shù)據(jù)，能夠有效支持面向語義的數(shù)據(jù)查詢，提高數(shù)據(jù)使用效率。

5　結(jié)　語

近年來，很多學(xué)者關(guān)注XML語義集成和XML與本體之間映射的相關(guān)研究，并取得了一定的應(yīng)用成果。通過比較，本文提出的方法具有以下特點：1)WeOWL本體構(gòu)建方法并不是將XML文檔直接與特定本體進(jìn)行映射，而是首先根據(jù)抽取規(guī)則，自動構(gòu)建局部本體，然后再與領(lǐng)域全局本體進(jìn)行語義映射；2)該方法是針對特定領(lǐng)域的XML文檔WeXML，除了與相關(guān)工作類似的集成方法之外，還根據(jù)WeXMLSchema和領(lǐng)域特點，加入了特定的抽取規(guī)則和映射方法。通過構(gòu)建原型系統(tǒng)WeXMLSemSys，對本文提出的方法進(jìn)行了驗證，取得了良好的應(yīng)用效果。

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DomainXMLsemanticintegrationbasedonextractionrulesandontologymapping

LIHuayu，ZHANGPeiying,XIAOHan

(CollegeofComputerandCommunicationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China)

AplentyofXMLdocumentsexistinpetroleumengineeringfield,buttraditionalXMLintegrationsolutioncan’tprovidesemanticquery,whichleadstolowdatauseefficiency.InlightofWeXML(oil&gaswellXMLdata)semanticintegrationandqueryrequirement,thispaperproposesasemanticintegrationmethodbasedonextractionrulesandontologymapping.ThemethodfirstlydefinesaseriesofextractionruleswithwhichelementsandpropertiesofWeXMLSchemaaremappedtoclassesandpropertiesinWeOWLontology,respectively;secondly,analgorithmisusedtotransformWeXMLdocumentsintoWeOWLinstances.BecauseWeOWLprovideslimitedsemantics,ontologymappingsbetweentwoontologiesarethenbuilttoexplainclassandpropertyofglobalontologywithtermsofWeOWL,andsemanticquerybasedonglobaldomainconceptsmodelisprovided.ByconstructingaWeXMLdatasemanticintegrationprototypesystem,theproposedtransformationalrule,thetransferalgorithmandthemappingrulearetested.

computerinformationmanagementsystem;extractionrules;ontologymapping;domainXML;semanticintegration

1008-1542(2016)04-0416-07

10.7535/hbkd.2016yx04015

2015-10-13；

2015-11-24；責(zé)任編輯：陳書欣

山東省自然科學(xué)基金(ZR2014FQ018); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(14CX02030A)

李華昱(1977—)，男，山東壽光人，副教授，博士，主要從事語義Web與數(shù)據(jù)集成方面的研究。

E-mail:lhyzj@upc.edu.cn

TP391

A

李華昱，張培穎，肖晗.基于抽取規(guī)則和本體映射的領(lǐng)域XML語義集成[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2016,37(4):416-422.

LIHuayu，ZHANGPeiying,XIAOHan.DomainXMLsemanticintegrationbasedonextractionrulesandontologymapping[J].JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology,2016,37(4):416-422.