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本体方法及其时空推理应用研究

胡鹤  
【摘要】:随着语义Web、搜索引擎、时空推理和知识工程等领域的发展,本体技术近来发展很快,成为众多研究者关注的焦点。本体的优点包括如下一些方面:本体提供了公共的词汇表以及相互独立开发的服务所使用的规则的定义;本体提供了共享服务的公司和组织之间的“协定”(agreement),相关概念的含义可以明确无误的被表达出来;通过组合不同的本体,建立本体之间的映射和在资源以及服务中使用代理的(brokering)公共的词汇,独立开发的系统、agent和服务可以共同工作并一致的、正确的和完全的共享信息和处理过程;本体促进了agent之间的通讯以便于采集、处理、融合和交换信息;本体能够使用概念定义和概念之间的关系进行上下文搜索,这可以提高搜索的准确性。 在语义Web技术和时空信息表示与推理的研究背景下,本文展开本体技术的研究工作,重点研究了基于区间模糊理论扩展的描述逻辑系统、使用WordNet的本体建造技术、本体表示语言RDFS、DAML+OIL和OWL以及它们之间的特性比较、基于Web的本体服务器和本体中间件的体系结构、时空关系模型的比较分析、时空推理研究的最新进展和时空信息的本体表示等核心技术。研究路线为:理论和实践相结合,在分析本体关键技术、研究现状和发展趋势的基础上,重点研究本体核心技术,提出了基于区间模糊理论扩展的描述逻辑系统、基于WordNet系统的本体建造系统模型、基于Web的本体服务器系统模型、专家系统BAPDES中的本体中间件系统模型、分析了用于语义Web的本体表示语言并对它们进行了比较,在时空推理领域分析了时空模型之间的关系并给出了基于描述逻辑的时空本体和其OWL语言的具体实现。 本文的主要贡献和研究结果如下: (1)对本体技术研究进行了介绍和综述,讨论了本体技术的概念和特性、本体技术的基础理论和形式化模型,重点介绍了作为OWL本体语言表示和推理基础的描述逻辑系统,并给出了基于区间模糊理论扩展的描述逻辑系统。这些内容的讨论和分析是开展进一步研究的理论基础。 (2)研究了本体获取过程中的相关问题。介绍了几个有代表性的本体学习系统,分析了本体学习系统的一般性体系结构和对其进行评估的标准。介绍了WordNet系统,这一事实上的在线电子词汇资源的标准。分析了WordNet系统中的主要组成部分和功能。在此基础上通过将WordNet系统中的Synset等概念映射到OWL概念和关系,给出了基于WordNet系统的本体建造方法。 (3)研究了利用本体技术的系统构造问题,分别进行了如下研究:研究了基于Web的本体服务器系统的设计,讨论了本体服务器的体系结构以及它的查询接口设计;研究了在专家系统BAPDES中的本体中间件系统的设计问题,给出了本体中间件的组成划分和接口结构。讨论了在本体中间件中使用OWL推理服务的实现途 WP=113 径;研究了使用本体技术的搜索框架设计,指出了目前搜索引擎因为同形多义(polysemy)问题和同义多形(synonym)问题而影响了其召回率和准确率性能。研究了分别用于解决同义多形问题的本体模型和用于解决同形多义问题的规则模型。提出了基于这两个模型的搜索引擎框架设计。 (4)介绍并分析了用于语义Web的本体表示语言。给出了作为其它表示语言语法基础的XML和XML Schema的介绍,在此基础上分别介绍了RDF和RDFS、OIL、DAML+OIL和OWL语言;其中详细介绍了目前由W3C最新提出的作为未来语义Web上标准的本体表示语言OWL,包括其产生背景、子语言、语言成份的介绍并给出了一个OWL本体的范例;5.7节从有界列表、基数约束、类表达式、数据类型、定义类、枚举、相等、可扩展性以及形式化语义等不同方面对这些本体语言进行了分析和比较。通过给出几种主要的本体语言和描述逻辑系统的对应关系,指出了基于本体表示语言的应用系统可以使用的推理能力。这种推理能力对于实现智能化应用具有重要的意义。 (5)对目前时空推理领域的研究进展进行了综述。从本体、表示模型和推理方法及其复杂性等方面分别对时态推理和空间推理进行了概述,重点介绍了Allen的区间代数系统和Randell等提出的RCC空间拓扑模型。在此基础上,对时空结合推理的发展进行了综述,讨论了目前存在的问题与今后的发展方向。 (6)探索了在空间推理和时间推理领域两个著名的模型-时态推理中的Allen的区间代数和空间推理中的RCC模型之间的联系。指出了由区间代数导出的十三种时段关系实际上是RCC-8关系与一维方向关系的结合。利用这一发现按照方向关系将RCC-8关系划分成了两个不同的集合,这种划分可用于在特定的应用中组合拓朴和方向关系。 (7)研究了时空信息的本体表示问题。指出了目前有关时空结合的本体研究工作相对较少,且已有的Grenon和Bittner定义的形式化时空本体使用的是一阶谓词逻辑方法,还未有使用描述逻辑定义时空本体的研究工作。通过描述逻辑与一阶谓词逻辑的映射关系,给出了基于描述逻辑的时空本体的定义。由于一阶谓词逻辑的推理没有完备的判定过程,这为要求高效推理的应用带来了障碍。通过使用带有可靠完备判定过程的描述逻辑重新定义的时空本体,可以使得系统拥有高效的推理能力。为时空本体的有效利用扫除了障碍。 本文的研究结果丰富了本体技


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