基于本体的语义Web技术及其在构建检索中的应用研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.21MB 65 页 15积分

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摘要

现有的 Web 环境对语义的支持比较弱，随着 Web 上信息的爆炸式增长，信

息的表示、处理、查询和维护变得越来越困难。而语义 Web 通过 XML、RDF 以

及本体等技术，使得 Web 不仅具有结构化特性，还具有语义特性。本体对概念

以及概念与概念之间的关系进行了严格精确的定义，是解决语义层次上 Web 信

息共享和交换的基础。语义 Web 可以提供机器可理解的信息，使得计算机之间

以及人机之间能够更好地协同合作。

虽然语义 Web 从最初的构想到最终的整体实现尚需一些时日，但将其先进

的技术应用于某些领域（如软件复用）进行探索尝试，一方面有助于解决领域内

的一些难题，另一方面还可以推动语义 Web 的实现进程。

目前，软件复用被认为是推动软件行业走向工业化，从根本上提高软件生产

率、降低成本、提高质量的有效途径。软件构件库作为一种支持软件复用的基础

设施和软件资产的管理设施，提供对软件构件的描述、分类、存储和检索等功能。

随着构件数量和种类的不断丰富，如何科学地对构件进行分类描述，有效地管理

构件库，通过 Web 方式实现构件的高效检索和广泛共享，成为软件复用过程中

一个急需解决的关键问题。

本文在对基于本体的语义 Web 技术进行研究的基础上，对构件的分类描述、

检索方式进行总结分析，提出了一个基于刻面分类的构件描述方案；在构件检索

中引入本体技术，通过本体来描述刻面术语、关系等构件信息，并用 W3C 最新

推荐的 Web 本体语言 OWL 来实现构件本体。

本文提出一个基于语义 Web 技术的构件检索系统架构，借助构件本体为系

统赋予了更强的语义理解能力，使得系统可以更好地理解复用者的检索需求。本

文对构件检索原型系统的实现进行了阐述；通过实践验证了基于语义 Web 技术

的构件检索可以获得更好的检索效果。

关键词：语义 Web 本体构件描述构件检索 OWL

ABSTRACT

The current Web is lack of semantics. With the explosive growth of information

on the Web, the representation, process, search and maintenance of information

become increasingly difficult. Through XML, RDF and Ontology technology, the

Semantic Web is structured and full of semantics. Ontologies define concepts and

relations among of them strictly and precisely, so that provide the foundation to

sharing and exchanging information in the semantic level. The Semantic Web will

enable machines to comprehend semantic documents and data. And the collaboration

of computers and that between computers and people will work better.

Although it will take some time for the Semantic Web from the initial concept to

final realization, its advanced technology can be used in certain fields, such as

software reuse, as an attempt and an exploration. It helps to solve some problems

within the field and is able to promote the process of achieving semantic Web.

Software reuse offers a solution to promote the industrialization of the software

industry. It can improve software productivity, reduce costs, and improve quality

fundamentally. As a basic infrastructure of software reuse and a management facility

for software asset, the software components library has the functions of components

description, classification, storage and retrieval and so on. How to describe the

classification of components scientifically, manage components effectively, retrieve

them efficiently, and share them widely through the Web? As the number and types of

components constantly enriched, the problem needs to be resolved urgently.

This thesis summarizes methods for components description and retrieval, and

proposes a faceted-based method for components description. It describes faceted

terms and relations of components with an ontology, and achieves the ontology by the

Web Ontology Language which is the latest one recommended by W3C.

This thesis proposes a components retrieval system framework basing on the

Semantic Web technology. The system has the capacity to deal with semantic

information, so that can make better understanding of users’ needs of searching. This

thesis describes the implementation of the components retrieval prototype system, and

proves that better retrieval results can be gotten through the components retrieval

system basing on the Semantic Web technology.

Key Word：Semantic Web, Ontology, Component Description,

Component Retrieval, OWL

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................... 1

§1.1 研究背景 ...................................................................................................... 1

§1.1.1 课题意义 ........................................................................................... 1

§1.1.2 领域现状 ........................................................................................... 2

§1.2 研究内容 ...................................................................................................... 3

第二章基于本体的语义 Web ................................................................................... 4

§2.1 语义 Web 的概念和组成 ............................................................................. 4

§2.2 本体 .............................................................................................................. 7

§2.2.1 本体与语义 Web ............................................................................... 7

§2.2.2 本体的定义与建模原语 ................................................................... 8

§2.2.3 本体的构造规则和方法学 ............................................................... 9

§2.2.4 本体描述语言 ..................................................................................11

§2.2.5 OWL ................................................................................................. 12

§2.3 语义 Web 的应用 ....................................................................................... 13

第三章构件技术 ..................................................................................................... 16

§3.1 软件复用与软件构件技术 ........................................................................ 16

§3.1.1 软件复用 ......................................................................................... 16

§3.1.2 软件构件技术 ................................................................................. 16

§3.2 构件库 ........................................................................................................ 17

§3.2.1 CBSD 与构件库 ...............................................................................17

§3.2.2 构件的分类描述 ............................................................................. 19

§3.2.3 构件检索 ......................................................................................... 21

第四章本体的设计实现 ......................................................................................... 24

§4.1 基于刻面分类的构件描述 ........................................................................ 24

§4.1.1 刻面树 ............................................................................................. 24

§4.1.2 刻面术语 ......................................................................................... 25

§4.1.3 术语之间的关系 ............................................................................. 26

§4.2 本体在构件检索中的应用 ........................................................................ 27

§4.3 基于刻面分类构建本体 ............................................................................ 29

§4.3.1 用OWL 描述本体 .......................................................................... 29

§4.3.2 用Protégé编辑本体 ........................................................................ 34

第五章基于语义 Web 技术的构件检索 ................................................................ 36

§5.1 系统设计 .................................................................................................... 36

§5.2 基于本体的语义推理 ................................................................................ 37

§5.2.1 构件本体的关系语义 ..................................................................... 37

§5.2.2 检索条件语义扩展 ......................................................................... 39

§5.2.3 语义推理机制 ................................................................................. 40

§5.2.4 推理结果的排序 ............................................................................. 41

§5.3 原型系统的实现 ........................................................................................ 43

§5.3.1 系统实现环境 ................................................................................. 43

§5.3.2 推理引擎 ......................................................................................... 44

§5.4 检索效果及分析 ........................................................................................ 48

第六章结束语 ......................................................................................................... 51

§6.1 论文总结 .................................................................................................... 51

§6.2 工作展望 .................................................................................................... 52

附录 ............................................................................................................................. 53

参考文献 ..................................................................................................................... 60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 62

致谢 ......................................................................................................................... 63

第一章绪论

§1.1 研究背景

§1.1.1 课题意义

随着 Internet 的发展，万维网日益成为一个巨大的知识资源库，Web 已成为

人们获取信息的重要手段。Web 的发展越来越突出一个核心思想——资源的共享

与协作。但 Web 上信息的爆炸式的增长，却使得信息的表示、处理、查询和维护

变得越来越困难。2000 年12 月，万维网的创始人 Tim Berners-Lee 正式提出了语

义Web（Semantic Web）的概念。语义 Web 所指的“语义”是“机器可处理的”

语义，而不是自然语言语义和人的推理等目前计算机所不能处理的语义信息。

在语义 Web 中，本体（ontology）具有非常重要的地位，是解决语义层次上

Web 信息共享和交换的基础。本体是对概念体系的明确的、形式化的、可共享的

规范说明。本体对概念进行了严格定义，并通过概念之间的关系来确定概念的精

确含义，表示共同认可的、可共享的知识，从而解决同一概念有多种词汇表示和

同一个词汇有多种概念（含义）的问题。将本体技术引入 Web 技术中，将从根本

上解决目前 Web 的信息格式的异构性、信息语义的多重性以及信息关系的匮乏和

非统一性。本体是是实现资源共享和应用协作的前提。

近年来，计算机硬件的生产成本逐渐下降，生产技术可谓日新月异；而与之

相比，软件开发的费用高、效率低、质量差等问题却制约了计算机软件的快速发

展。随着软件系统的大型化与复杂化，要求软件生产必须标准化、规模化和节约

化，必须从个人和团体的手工作坊式的生产模式向社会化的专业分工协作生产模

式转化，实现软件生产的工业化。软件复用被认为是推动软件行业走向工业化，

从根本上提高软件生产率、降低成本、提高质量的有效途径。

作为支持软件复用的核心技术，软件构件技术的研究和实践越来越引起学术

界和产业界的重视。软件构件是软件复用的基本单元。随着软件复用实践的深入

和时间的推移，软件行业对构件的共享和交流有了更加迫切的需求。软件构件库

作为一种支持软件复用的基础设施和软件资产的管理设施，提供对软件构件的描

述、分类、存储和检索等功能。美国总统信息顾问委员会在 1998 年的美国国家白

皮书上，提出了解决美国软件产业脆弱问题的五大技术，其中之一就是建立国家

基于本体的语义 Web 技术及其在构件检索中的应用研究

级的软件构件库。随着我国软件产业的发展，联想、神州数码等软件企业得到了

长足发展，已从求生存阶段走向求发展阶段，迫切需要改变原来手工作坊式的软

件开发方式，从根本上提高软件生产效率和质量。建立具有丰富构件资源且统一

的软件构件库，是当前国内推行构件技术要解决的关键问题。

构件的描述和检索是构件库技术的关键。传统的构件库管理系统采用的构件

描述方法主要有枚举、关键词、刻面等，不能从语义上支持对构件的描述和检索。

随着构件化软件开发的发展，越来越多的构件库在不同地区、以不同的存储结构

被建立起来，构件的生产者和复用者对构件的功能描述上可能存在不一致，实现

它们之间的信息共享存在着诸多困难。

§1.1.2 领域现状

当前语义 Web 的体系结构正在建设中,国际上对此体系结构的研究还没有形

成一个另人满意的严密的逻辑描述与理论体系,而我国对语义 Web 的研究不论是

从标准规范、系统试验、研究深度,还是从规模层次、具体应用方面都相对落后。

对语义 Web 的研究主要集中于对本体的讨论上，而对本体论的研究主要集中

在：建立本体的方法和过程、本体设计和评估的形式化方法和本体论的应用研究。

目前已经产生了几种为大家所认可的本体表示方法，对于本体设计和评估的方法

学的探索也有了初步的进展，一些组织机构还相继开发了用于构造、编辑、浏览

和评价本体的初级工具，以及一些用于支持不同表示语言互操作的本体语义转换

工具。近年来，本体论被应用到计算机科学的众多领域，但是本体的研究和应用

总体上还处于不成熟的探索阶段。

目前国内外已经研究并开发了一批典型的构件库系统。

美国军方和政府资助的项目中，已经建立了若干构件库系统，如 CARDS、

ASSET、DSRS 等，提出了 ALOAF（Asset Library Open Architecture Framework）

开放体系结构的构件库框架。复用库可互操作性组织 RIG （Reuse Library

Interoperability Group）开发的标准构件库数据模型 UDM 与BIDM，定义了实现

互操作、复用库交换构件时所需的数据模型。北大西洋组织 NATO（North Atlantic

Treaty Organization）制定了一组关于软件构件复用的标准，包括“可复用构件开

发标准”、“可复用软件构件库管理标准”等。在构件的实现、组合技术方面，

CORBA、J2EE、.NET 等各种规范和技术对基于构件的软件开发提供了有力的支

持。构件的理论模型方面 3C 模型和 REBOOT 模型是比较具有代表性的。

在国内，近年软件复用和相关技术得到了广泛的重视和应用，尽管从总体上

第一章绪论

看，我国的研究应用相对还是处于初级阶段，但相关的讨论研究以及应用工作也

已经轰轰烈烈地展开。其中，比较具有代表性的是北京大学软件工程研究所研制

的JBCLMS 青鸟构件库管理系统，其采用的构件理论模型称为青鸟模型。

随着构件库规模的扩大、构件复杂性的增加和语义性的丰富，传统的构件检

索方式逐渐反映出了它的局限性。基于语义 Web 技术，利用本体良好的概念层次

结构和对逻辑推理的支持来描述、检索构件，提高构件检索的效率，已成为构件

库技术研究领域的一个新的热点。

§1.2 研究内容

本文在研究基于本体的语义 Web 理论基础上，将本体的相关技术应用于构件

库系统中，利用本体来描述、检索构件，提高构件检索的查全率和查准率，从而

为推动软件复用、提高软件开发效率和软件产品质量提供有效的支持。

本文的主要研究内容如下：

(1) 首先研究阐述了语义 Web 的概念和分层结构；分析了本体的含义、作用

以及构造方法；介绍了 OWL 等本体描述语言。

(2) 简述软件复用与软件构件技术；介绍了基于构件的软件开发和构件库；

对构件库管理中常用的构件分类描述方法进行总结；分析了构件检索的

模型及构件检索质量的评价标准。

(3) 提出了基于刻面分类的构件描述方案；将应用本体技术的构件检索与传

统检索方式进行了对比分析；对构件的属性信息进行概念化，用 OWL

和Protégé构建编辑构件本体，用本体来描述构件。

(4) 提出一个基于语义 Web 的构件检索架构；着重描述了其中的基于本体的

语义推理的设计实现；阐述了实现过程中相关的算法；介绍了系统的实

现环境，给出了推理引擎部分的实现描述，对实验结果进行了分析小结。

(5) 最后对论文做了一个总结，并对下一步的工作进行了展望。

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摘要：

摘要现有的Web环境对语义的支持比较弱，随着Web上信息的爆炸式增长，信息的表示、处理、查询和维护变得越来越困难。而语义Web通过XML、RDF以及本体等技术，使得Web不仅具有结构化特性，还具有语义特性。本体对概念以及概念与概念之间的关系进行了严格精确的定义，是解决语义层次上Web信息共享和交换的基础。语义Web可以提供机器可理解的信息，使得计算机之间以及人机之间能够更好地协同合作。虽然语义Web从最初的构想到最终的整体实现尚需一些时日，但将其先进的技术应用于某些领域（如软件复用）进行探索尝试，一方面有助于解决领域内的一些难题，另一方面还可以推动语义Web的实现进程。目前，软件复用被认为是推...

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