耿凡凡 李紹穩(wěn) 魏 同 沈 杰 徐 靜

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院， 合肥 230036)

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描述邏輯在農(nóng)業(yè)本體中的應(yīng)用研究

耿凡凡 李紹穩(wěn) 魏 同 沈 杰 徐 靜

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院， 合肥 230036)

為提升農(nóng)業(yè)本體在農(nóng)業(yè)服務(wù)方面的質(zhì)量，提出了基于描述邏輯的農(nóng)業(yè)本體推理方法。該方法采用基于描述邏輯的語(yǔ)義推理機(jī)制對(duì)農(nóng)業(yè)本體知識(shí)進(jìn)行闡述分析，并對(duì)農(nóng)業(yè)本體中的隱含知識(shí)進(jìn)行有效推理。以茶樹(shù)蟲(chóng)害本體為例，研究了描述邏輯推理在農(nóng)業(yè)本體領(lǐng)域的應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)本體； 描述邏輯； 本體； 茶樹(shù)蟲(chóng)害

農(nóng)業(yè)信息化的快速發(fā)展使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更具信息化和智能化的特點(diǎn)。語(yǔ)義Web的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)能更好地理解人類(lèi)的自然語(yǔ)言，解決了計(jì)算機(jī)在人工智能方面的許多局限性，同時(shí)也為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化提供了手段。本體論作為語(yǔ)義Web的重要技術(shù)手段，為知識(shí)表示增添了新的方法與研究方向。農(nóng)業(yè)本體是領(lǐng)域本體在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)本體[1-4]主要是由農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的概念、概念間的關(guān)系以及計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的形式化描述語(yǔ)言組成。它將農(nóng)業(yè)概念，以及概念與概念之間的相互關(guān)系進(jìn)行規(guī)范化描述，構(gòu)建成農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的基本知識(shí)體系和描述語(yǔ)言。其構(gòu)建概念明了，邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)類(lèi)型資源的檢索，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域資源之間的交互性。在本體的發(fā)展過(guò)程中，描述邏輯因其在描述面向?qū)ο笾R(shí)以及知識(shí)邏輯推理方面有較強(qiáng)的表達(dá)能力與推理功能而被廣泛研究與應(yīng)用。通常知識(shí)表示是對(duì)基于邏輯形式的知識(shí)的描述，本體論則是以描述邏輯理論為基礎(chǔ)對(duì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行一系列的定義與表達(dá)。而描述邏輯知識(shí)系統(tǒng)不僅能構(gòu)建描述邏輯知識(shí)庫(kù)，還可以推理和檢測(cè)其所表述的內(nèi)容。

1 描述邏輯概述

描述邏輯[5-8]是一階謂詞的可判定子集，是一種面向?qū)ο蟮闹R(shí)表示工具，描述邏輯是在概念和關(guān)系的基礎(chǔ)上利用簡(jiǎn)單的謂詞邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)化的對(duì)象進(jìn)行表示與推理。

描述邏輯句法有3個(gè)要素：概念、關(guān)系和個(gè)體。概念是指描述個(gè)體集中所具有的相同特征；關(guān)系是表示2個(gè)對(duì)象之間的映射；個(gè)體通常是表示概念的實(shí)例。描述邏輯句法主要是通過(guò)構(gòu)造一種規(guī)則將算子運(yùn)用到概念間和關(guān)系中以構(gòu)造復(fù)雜的概念。它先定義概念，然后用概念表征關(guān)系和屬性，達(dá)到能對(duì)個(gè)體和對(duì)象進(jìn)行表示的目的，從而增強(qiáng)領(lǐng)域知識(shí)的描述能力。一個(gè)描述邏輯系統(tǒng)通常有3個(gè)主要成分：描述邏輯語(yǔ)言、描述邏輯知識(shí)庫(kù)以及推理機(jī)制。描述邏輯語(yǔ)言與推理機(jī)制提供TBox與ABox的描述與推理。TBox指包含概念和關(guān)系的術(shù)語(yǔ)公理集。蘊(yùn)含公理形式為C?D(R?S)，表示“概念C包含于概念D(關(guān)系S包含關(guān)系R)”；等價(jià)公理形式為C≡D(R≡S)，表示“概念C等價(jià)于概念D(關(guān)系R和關(guān)系S等價(jià))”；ABox指?jìng)€(gè)體的實(shí)例化斷言集，其2種形式分別是概念斷言和關(guān)系斷言。概念斷言形式為概念斷言C(m)，表示“m是概念C的一個(gè)個(gè)體實(shí)例”,關(guān)系斷言形式為R(m,n)，表示“個(gè)體m和個(gè)體n之間存在關(guān)系R”。同時(shí)，TBox和ABox又構(gòu)成描述邏輯系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)KB=〈TBox，ABox〉。

利用描述邏輯推理，可以從知識(shí)庫(kù)的顯式包含知識(shí)中推導(dǎo)出一些隱含表示的知識(shí)，便于發(fā)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)中的不足，從而及時(shí)更正知識(shí)庫(kù)。Tableaux算法[2]由Schmidt和Smolka首次提出，主要用于判定概念的可滿足性問(wèn)題，后又被擴(kuò)展到ABox的一致性問(wèn)題上。目前Tableaux算法已成為實(shí)現(xiàn)描述邏輯推理的最核心的標(biāo)準(zhǔn)算法。

Tableaux算法使用了標(biāo)準(zhǔn)否定形式。若C0是描述概念的標(biāo)準(zhǔn)否定形式，要檢驗(yàn)C0的可滿足性，可將ABoxA={C0(x0)}應(yīng)用到Tableaux算法變換規(guī)則表進(jìn)行規(guī)則轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行推理。

如果沒(méi)有轉(zhuǎn)化規(guī)則可以應(yīng)用于ABoxA，則這樣的 ABoxA 集合稱(chēng)為完備的。對(duì)于完備的ABoxA集合，如果其中不含沖突，A 就是連續(xù)的，即C0是可滿足的；反之，A 是不連續(xù)的，即C0是不可滿足的。

描述邏輯推理應(yīng)用在本體中可獲得知識(shí)庫(kù)中隱含的信息，比如概念間的分類(lèi)情況以及潛在的推理信息[9-10]。在構(gòu)造本體時(shí)，利用描述邏輯推理可以檢測(cè)出層次結(jié)構(gòu)是否合理，概念插入是否正確，概念的定義是否出現(xiàn)矛盾等問(wèn)題，使得構(gòu)建者能找出本體設(shè)計(jì)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以此來(lái)保證知識(shí)描述的相對(duì)正確。在本體設(shè)計(jì)及維護(hù)階段，這一過(guò)程至關(guān)重要。

2 應(yīng)用研究

本體是共享概念的形式化規(guī)范說(shuō)明[4]，本體模型是以描述邏輯為基礎(chǔ)構(gòu)建的。使用描述邏輯中的一階謂詞來(lái)描述本體中概念，二階謂詞描述關(guān)系，公理則可以使用相對(duì)應(yīng)的一階謂詞和二階謂詞來(lái)表示，如公理Father??hasChild.Person可轉(zhuǎn)化為謂詞，表示(?x)Father (x)→hasChild(x,y)∧Man(y)?？梢钥闯?，描述邏輯對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的描述在實(shí)踐中是可行的，且形式直觀。描述邏輯推理機(jī)制對(duì)檢驗(yàn)概念是否存在沖突、本體是否表示正確、能否挖掘出概念間隱含的層次關(guān)系，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

本次研究以農(nóng)業(yè)領(lǐng)域茶樹(shù)蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)為例(診斷系統(tǒng)框架如圖1所示)，闡述描述邏輯推理應(yīng)用于茶樹(shù)蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)的情況。使用本體搭建茶樹(shù)蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)，在研究開(kāi)發(fā)時(shí)有2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是構(gòu)建基于描述邏輯的茶樹(shù)蟲(chóng)害本體；二是基于描述邏輯的知識(shí)推理。

2.1 茶樹(shù)蟲(chóng)害本體構(gòu)建

構(gòu)建茶樹(shù)蟲(chóng)害本體的意義在于將茶樹(shù)蟲(chóng)害的危害部位、危害程度、危害方式、蟲(chóng)害的形態(tài)特征以及茶區(qū)分布等信息，按照專(zhuān)家診斷系統(tǒng)所需的信息聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)建出茶樹(shù)蟲(chóng)害知識(shí)領(lǐng)域本體，減輕專(zhuān)家診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，方便專(zhuān)家以及農(nóng)戶對(duì)茶樹(shù)蟲(chóng)害進(jìn)行科學(xué)診斷和防治。用描述邏輯的四元組將其表示為T(mén)eaPest_system=〈O,CO,TO,IO〉，其中：O表示本體中的構(gòu)造算子集；CO表示本體中概念、關(guān)系以及屬性集，如概念茶尺蠖“tea geometrid”，類(lèi)屬關(guān)系“subclass_of”，害蟲(chóng)長(zhǎng)度屬性“l(fā)ength”;TO表示本體描述邏輯知識(shí)庫(kù)TBox中概念和關(guān)系的公理集，如概念描述油茶寬盾蝽PoecilocorislatusDallas≡Pest∩(?hasMain_of.Hemiptera)∩(?hasMain_of.Scutelleridae)∩(?hasPart_of.Pest)；IO表示本體描述邏輯知識(shí)庫(kù)ABox中概念和關(guān)系的斷言集，如描述實(shí)例茶樹(shù)害蟲(chóng)綠盲蝽危害茶的芽葉，為“Pest(Apolygus lucorμm)”、“Damage _parts(Buds leaf)”、“Harm(Apolygus lucorμm，Apolygus lucorμm)”。

圖1 茶樹(shù)蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)框架圖

使用Protege4.3構(gòu)建茶樹(shù)蟲(chóng)害本體，首先根據(jù)茶樹(shù)蟲(chóng)害的生物學(xué)分類(lèi)對(duì)茶樹(shù)蟲(chóng)害知識(shí)進(jìn)行整理，然后根據(jù)茶樹(shù)蟲(chóng)害概念關(guān)系圖對(duì)茶樹(shù)蟲(chóng)害本體進(jìn)行構(gòu)建，將茶樹(shù)害蟲(chóng)、危害茶樹(shù)部位、茶區(qū)分布、害蟲(chóng)危害方式、害蟲(chóng)形態(tài)特征、生態(tài)防治方式、害蟲(chóng)天敵等定義為頂層類(lèi)，再分別設(shè)置子類(lèi)以及實(shí)例，根據(jù)茶樹(shù)蟲(chóng)害本體頂層類(lèi)的設(shè)置進(jìn)行對(duì)象屬性以及數(shù)據(jù)屬性的構(gòu)建。所構(gòu)建的茶樹(shù)蟲(chóng)害本體共計(jì)560類(lèi)56屬性960個(gè)實(shí)例，部分關(guān)系類(lèi)、數(shù)據(jù)屬性、對(duì)象屬性結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 茶樹(shù)蟲(chóng)害本體推理

本體構(gòu)建工具Protege本身并不具有獨(dú)立推理能力，但它可以提供構(gòu)造描述邏輯的約束條件，也兼容第三方推理軟件接口。描述邏輯推理需要以1種確定的規(guī)則進(jìn)行推理，即以自身的充分必要條件為規(guī)則，因此需要對(duì)類(lèi)給出約束條件。在構(gòu)建描述邏輯本體時(shí)已作考慮，描述邏輯對(duì)茶樹(shù)蟲(chóng)害本體中類(lèi)的層次結(jié)構(gòu)實(shí)施推理，將屬于同一層次的類(lèi)歸在一起?！伴T(mén)”作第1層類(lèi)，“綱”作第2層類(lèi)，“目”作第3層類(lèi)，“科”作第4層類(lèi)，第5層類(lèi)是害蟲(chóng)。對(duì)各個(gè)“科”進(jìn)行Equivalent classes(充分必要條件)約束，比如對(duì)“盲蝽科”可以作“hasHarmMode only吸汁”條件約束；對(duì)各個(gè)害蟲(chóng)作必要條件約束，比如對(duì)“綠盲蝽”作“hasHarmMode only吸汁”條件約束。作了“hasHarmMode only 吸汁”約束的“綠盲蝽”類(lèi)，雖然被歸類(lèi)于與“科”同層，是“目”的子類(lèi)，但由內(nèi)置推理機(jī)推理之后，“綠盲蝽”類(lèi)又重分到“盲蝽科”的子類(lèi)下。在Protege中解決了類(lèi)、屬性和約束條件后，打開(kāi)推理機(jī)，單擊Protege中的“Reasoner”菜單下的Classify選項(xiàng)，此時(shí)Protege會(huì)連接推理機(jī)，由推理機(jī)作出推理，并在Inferred class hierarchy中顯示正確的推理結(jié)果。在Protege左側(cè)視圖中能看出推理之后的變化，推理前后分類(lèi)對(duì)比圖如圖3所示。

圖2 茶樹(shù)蟲(chóng)害本體關(guān)系結(jié)構(gòu)展示圖

圖3 推理前后分類(lèi)對(duì)比圖

最后，構(gòu)建茶樹(shù)蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)中加入基于描述邏輯的推理機(jī)制，從而將蟲(chóng)害本體中隱含的語(yǔ)義相關(guān)信息推理出，從而得到用戶所需的信息。本次采用基于描述邏輯推理的方法，通過(guò)調(diào)用Jena包進(jìn)行解析，之后使用通用規(guī)則推理機(jī)進(jìn)行推理。其原理是將先寫(xiě)好的規(guī)則庫(kù)文件加入到所構(gòu)建的蟲(chóng)害本體庫(kù)中，再對(duì)其進(jìn)行推理。首先，從所構(gòu)建的茶樹(shù)蟲(chóng)害本體知識(shí)庫(kù)里提取關(guān)鍵詞；然后，在核心概念集合知識(shí)庫(kù)中查找關(guān)鍵詞并作出語(yǔ)義判斷；最后，利用本體庫(kù)里面的概念關(guān)系，在茶樹(shù)蟲(chóng)害知識(shí)庫(kù)中提取出使用者問(wèn)題對(duì)應(yīng)的知識(shí)，并將病蟲(chóng)害知識(shí)轉(zhuǎn)化為使用者可領(lǐng)會(huì)的答案反饋給使用者。

以茶樹(shù)蟲(chóng)害診斷系統(tǒng)為例，根據(jù)上述蟲(chóng)害本體構(gòu)建原則選擇茶樹(shù)蟲(chóng)害發(fā)生的茶區(qū)以及危害方式進(jìn)行診斷。比如，當(dāng)選擇廣東茶區(qū)、危害方式為地下的茶樹(shù)害蟲(chóng)時(shí)，我們將會(huì)得到所有發(fā)生在廣東茶區(qū)，危害方式為地下的茶樹(shù)蟲(chóng)害，然后再進(jìn)行危害部位的診斷，從而縮小了茶樹(shù)蟲(chóng)害的范圍。按照此方法可以將茶樹(shù)蟲(chóng)害發(fā)生的部位、發(fā)生的時(shí)間、防治的手段以及蟲(chóng)害的相關(guān)圖片進(jìn)行有效推理。采用描述邏輯與Protege所構(gòu)建的茶樹(shù)蟲(chóng)害本體，不但提高了對(duì)茶樹(shù)蟲(chóng)害診斷的效率，同時(shí)也便于查詢(xún)與管理茶樹(shù)蟲(chóng)害的相關(guān)信息。

3 結(jié) 語(yǔ)

闡述了描述邏輯的基本知識(shí)以及描述邏輯推理機(jī)制在農(nóng)業(yè)本體領(lǐng)域中的應(yīng)用，探討了在本體領(lǐng)域中使用描述邏輯知識(shí)體系的方法，且以茶樹(shù)蟲(chóng)害為例構(gòu)建本體診斷原型，介紹了描述邏輯的具體應(yīng)用，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域病蟲(chóng)害綜合防治知識(shí)共享提供參考。

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Research on the Application of DL Reasoning in Agricultural Ontology

GENGFanfanLIShaowenWEITongSHENJieXUJing

(School of Information and Computer Science, Anhui Agriculture University, Hefei 230036, China)

For improving the quality of agricultural ontology in agriculture services, this paper proposed a method of reasoning agricultural ontology based on description logic. The new method uses semantic inference mechanism based on description logic to analyse agricultural ontology knowledge and effectively reason the knowledge that may be contained in agricultural ontology. At last, we take tea pest ontology as an example to investigate the application of description logic reasoning in the field of agricultural ontology.

agricultural ontology; description logic; ontology; tea tree pest

2016-04-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目農(nóng)業(yè)領(lǐng)域(茶學(xué))“云本體建模理論與方法研究”(31271615)

耿凡凡(1991 — )，女，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、描述邏輯、本體。

李紹穩(wěn)(1962 — )，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)字農(nóng)業(yè)、人工智能。

TP18

A

1673-1980(2016)05-0096-04