Web2.0技术的普遍应用,使各个领域本体发展不断壮大,其中个人或小型团体的开发逐渐变得困难,协同支持成为基于Web方式的本体构建系统的特点。语义协同支持主要利用网络开发环境,支持物理上分散的用户共同合作构建本体。这种方式的特点主要表现在:

(1)负载性强:系统和用户之间能够进行友好交互,使大量用户可以同时访问,降低了使用难度,使熟悉一般网络的普通用户也能和领域内的专家一起对本体进行构建;

(2)开放性强:与以往对用户了解本体操作要求较高的本体构建系统不同,它不需要安装软件就能浏览运行,提供了一个使不同用户都能够轻易定制本体的语义协同平台;

(3)同步性强:允许多个用户同时在同一个本体上进行构建工作,即系统通过控制协调策略,采用版本控制机制能够处理不同用户构建同一个本体时的冲突问题。

过去,构建本体需要计算机科学家和软件工程师的帮助,用户也必须具有表达本体的丰富经验,这些构成了领域本体发展的巨大瓶颈。而现在基于Web方式的本体构建系统大大降低了用户门槛,面对初学者和有经验的用户,系统通过用户界面参数使不同级别的用户能够设置符合自己水平的个性化平台。同时,有一些本体构建工具还包含了插件功能,可以轻松扩展用户界面的功能。美国南加州大学信息科学研究所(USC/ISI)开发了基于Web方式的本体浏览工具Ontosaurus,它提供了一个与Loom知识库链接的图形接口以及相应的知识库编辑功能。在用户进入编辑模式后,将阻止其他希望进入本体编辑模式的用户操作。这样就保证了多个用户能够协同对一个本体进行操作。同时该系统还具有一致性自动校验、推理和多重继承等功能^{[ 2]}。

本体构建工作不同于一般的数据处理,在Web协作支持环境下更需要一个足够庞大、内容丰富的知识库来处理本体相关信息。本体构建系统的知识库服务器主要用于处理本体操作,将本体的存储和维护工作从客户端分离出来,减轻客户端的负担。同时在服务器上创建不同的本体构建功能模块能够实现对本体的一系列比较复杂的操作,例如检索知识库、一致性和隐含关系验证^{[ 3]}。知识库不仅为本体构建系统提供理论知识和事实数据,其中包含的定理和运算法则还能为推理引擎提供语义问题的解决途径,从而检测出本体错误和冗余,还能够通过知识库不同版本比较来查看本体构建过程中产生的变化^{[ 4]}。美国斯坦福大学开发的Ontolingua Server系统具有一个资源丰富的知识库,用户通过整合知识库中的若干模块来形成一个新的本体。Ontolingua Server系统可以使用户从知识库中浏览、检索、整合、定制和扩展本体。它提供知识库的同时也可以改进原有的本体,通过包含、多态、完善和限制4种方式从知识库中复用其已有本体^{[ 5]}。

和其他基于Web方式的系统一样,基于Web方式的本体构建系统分为客户端和服务器端两部分。它们无论采用B/S还是C/S网络结构,在系统体系结构方面通常都采用三层(系统表现层、业务逻辑层和数据服务层)架构。三层结构将数据处理过程分为三个部分:

(1)系统表现层通常由JSP、JavaScript、JavaApplet和.Net等技术实现^{[ 6]},通过网络发送构建本体等各种请求,由于功能模块被分布到业务逻辑层使得显示和业务分离,降低了客户端的载荷。

(2)业务逻辑层中提供各种本体构建服务,如对本体的各种操作包括协作支持、版本控制、推理引擎和一致性验证,同时能够根据用户的需求将本体转换成所需的格式导出。

(3)数据服务层主要用来负责知识库数据的存储、检索、更新和优化。

三者相对独立,当某一部分改变时不影响其他部分,提高了系统模块的复用性,同时三层体系架构可以对某些层次进行扩展演变为N层结构。美国密歇根大学医学院的学者在对OntoFox系统的技术说明中对三层架构的实现方式进行了详细阐述,系统工作流程如图1所示:

图1

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	图1 OntoFox系统工作流程

OntoFox服务器对Web方式输入的本体和词条按照功能要求进行内部转换,生成SPARQL查询语句访问RDF格式存储的三元组知识库,访问执行成功后通过OntoFox服务器生成OWL文件供用户下载^{[ 7, 8]}。

基于Web方式的本体构建系统中本体表达视图的可视化技术目前处于发展阶段,在Web浏览器中可视化功能显得更加重要。可视化能够对本体中的各种概念、类、属性和关系,以及不同问题的状态、构建过程中发生的变化等用多种方式加以区分,从而协助本体概念的分类和概念之间关系的构建。可视化技术主要有4种表现形式:展开-折叠布局、源泉布局、曲线树和树状图,如图2所示:

图2

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	图2 本体可视化技术[ 9]

每种形式各有其优缺点^{[ 9]}:

(1)展开-折叠布局是最常见的表现形式,实现简单,用户也比较熟悉。但是由于受屏幕高度限制和上下关系的单一性,无法适用于大规模的本体构建。

(2)源泉布局中作为根源的节点不断吸引周边节点,最后形成节点群。然而这种布局不能反映节点连接的紧密程度,其在全局位置中的定位也不可预测。

(3)曲线图布局在上述技术的基础上,遵循节点的连通性关系来布置节点。缺点是这种基于几何学的映射容易造成焦点转移和降低边缘标签的可读性。

(4)树状图布局的嵌套视图可以让用户使用鼠标点击放大本体的分支,缺点是经过几次焦点的变更,容易使得用户迷失方向,节点的深度也难以直观确定。

笔者选取了国外的三个具有代表性的基于Web方式的本体构建系统,分别是美国斯坦福大学开发的WebProtégé系统、英国开放大学开发的WebOnto系统和巴基斯坦国立大学开发的TODE系统,从系统整体和特性等方面进行分析和比较。

(1)WebProtégé系统

WebProtégé是成熟的基于Web方式的本体构建开源系统,能比较好地支持网络环境下联合编辑本体的工作,支持RDF(S) 和OWL等格式语言。它使用Google Web Toolkit (GWT)作为系统开发框架,以Protégé组件作为后台用来支持本体服务。WebProtégé通过调用Collaborative Protégé^{[ 10]}组件实现本体编辑,使不同的用户通过WebProtégé系统进行协同操作,同时能够查看其他用户的修改记录情况。

(2)WebOnto系统

WebOnto是由英国开放大学知识媒体研究所开发的基于Web方式的本体编辑系统。它能够提供比Ontolingua系统更为复杂的浏览、可视化和编辑能力。WebOnto系统基于可操作概念建模语言(Operational Conceptual Modeling Language,OCML)的知识模型,提供多重继承和提供锁机制,支持用户合作浏览、创建和编辑本体。WebOnto系统作为综合的本体编辑工作平台,可以减少本体建模以及与其他本体工具、本体应用程序进行本体交换等工作的工作量,同时为本体创建和编辑提供多用户协同工作的环境^{[ 11]}。

(3)TODE系统

TODE(Tool for Ontology Development and Editing)是由巴基斯坦国立大学研究人员共同开发基于网络的符合W3C标准的本体开发和构建系统。其最大特点不同于其他采用C++或者Java开发的本体编辑系统,它采用.Net技术进行开发,通过AJAX技术提供简单操作界面实现知识域建模,包括类、实例、属性和关系^{[ 12]}。同时本体的导出支持RDF、OWL-Lite、N-Triple、N-3和RDBMS等格式。TODE系统通过运用明确定义的方法和易于使用的GUI(Graphical User Interface)来为本体开发人员提供更为简明的本体创建方式。

针对以上三个系统,从特征方面做了详细的分析比较,如表1所示:

表1

表1

表1 基于Web方式的本体构建系统特征比较 比较项 WebProtégé WebOnto TODE 最新版本 0.5Beta V2.4 2.0rc5 免费软件 是 否 是 开放源码 是 否 否 体系结构 B/S C/S B/S 程序语言 Java Java .Net 输入语言 RDF、OWL OCML RDF、OWL-Lite、N-3、RDBMS、N-Triple 输出语言 RDF、OWL、Flogic、CLIPS Ontolingua、GXL、RDF(S)、OIL、OCML RDF、OWL-Lite、N-3、RDBMS、N-Triple 推理功能 支持 支持 不支持 本体库 不支持 支持 支持 可扩展性 支持 不支持 支持 版本控制 支持 不支持 不支持 多重继承 不支持 支持 不支持

表1 基于Web方式的本体构建系统特征比较

可以发现,这些系统都具有比较好的特性,都能够为本体构建创建多用户协同工作的环境。在本体基本概念的操作方面包括本体的编辑、导入和导出等,能够满足用户本体构建的基本需求。它们各自采用不同的技术现实,WebProtégé采用Java的GWT框架构建,WebOnto采用Java的Swing框架构建,TODE采用.Net的C#语言进行构建。

三个系统应用方面也表现出各自的特性:

(1)WebProtégé系统

WebProtégé以开源方式使用GWT为用户接口,并且使用Protégé来支持本体服务。同时利用Collaborative Protégé组件以及注释来扩大本体编辑环境,从而形成WebProtégé的整体架构。它的特性主要表现在:

①利用GWT框架将系统的每一个功能作为门户组件(如类、实例等)进行呈现。用户通过拖拽以及显示或隐藏组件实现布局和外观的个性化定制。中国科学院国家科学图书馆数字知识资源环境开放组织引擎系统里面集成的WebProtégé页面如图3所示:

图3

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	图3 WebProtégé系统集成页面

②用户可以共享本体进行协同工作,通过Collaborative Protégé组件与本体服务器交互参与本体注释的操作。系统在CHAO (Changes and Annotations Ontology)中定义了注释的结构,CHAO包含了定义注释类型(如评论、提议)的类,以及用户在编辑本体时能够操作的不同修改类型的描述。

③WebProtégé以文件形式保存本体,对于每一个本体WebProtégé服务器端将保留当前版本。当本体做出任何修改时,本体的版本号发生变化。同时每一位用户都有自己的版本号,它不同于服务器的本体版本号,用户将自身的本体信息传送给服务器时,服务器将返回给客户端两个版本之间的差异数据。当客户端接收到变化时便会更新本体模型和版本号^{[ 13]}。

(2)WebOnto系统

WebOnto是一个与网络服务器相连接的Java应用程序,允许用户浏览和编辑本体知识模型,WebOnto用一种图形化的概念建模语言OCML来编辑本体,不支持W3C推荐的本体描述语言标准。WebOnto支持用户合作浏览、创建和编辑本体。

①WebOnto系统采用C/S的体系结构,用户通过注册能够登录系统对本体进行浏览和编辑,包括本体的类、属性、关系、实例和本体标注,同时能够以可视化图形方式显示本体,在图形上对本体进行操作。WebOnto在进行协同编辑本体时,采用解锁机制进行知识模型的编辑。在WebOnto服务器端对知识模型进行锁定,保证在同一时刻只有一个人进行知识模型的编辑^{[ 14]}。当服务器发生问题时,知识模型仍然保持锁定状态,只有系统管理员能够解除。

②WebOnto系统是基于OCML语言开发的。OCML是由英国开放大学知识媒体研究所开发的一种本体描述语言,其特点是通过函数、关系、类、实例和规则来规约知识系统的建模,它还包括定义本体及问题解决方法的机制。此外,该语言具有一定的分类推理(Classification)功能,能够提供诸如非操作性声明包含(Inclusion of Non-operational Statements)、公理约定(Specification of Axioms)和关系约定(Specification of Relation)等功能。一组标准的OCML关系操作^{[ 14]} 如图4所示:

图4

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	图4 OCML关系定义说明

(3)TODE系统

TODE 采用C#语言实现使它成为一个比较特别的本体编辑系统,它的设计采用了目前较为流行的MVC的框架结构,整个系统不需要对业务逻辑做出很大的改变就能很好地适应用户的扩展。

①TODE系统分为三层,包括模型层、视图层和控制器层。模型层主要包括本体存储模型,当本体模型发生改变时能够通知视图层进行响应。视图层主要负责处理所有本体编辑操作的描述逻辑。控制器层主要负责所有本体创建和维持所要求的业务逻辑的调度和实现。控制器层主要管理模型层和视图层之间的交互,所有本体编辑请求通过控制器接收,然后调用模型层进行业务逻辑处理,同时将处理结果转发给视图层进行业务逻辑处理。TODE系统架构如图5所示^{[ 12]}:

图5

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	图5 TODE系统体系架构

②由于本体底层驱动方面不够成熟等原因,TODE系统没有选择在.Net环境里面使用的Owl-Dot Net API,而是采用Java的Jena库进行开发。相对来说,Jena库更加成熟,它能够提供完善的本体操作方法集合,可以用来进行本体构建、操作、推理以及支持RDF、OWL等本体语言^{[ 15]}。由于Jena使用Java语言进行开发,它不能直接在.Net环境下运用,因此TODE系统使用IKVM Conversion Utility将Jena代码转换为.Net代码来解决这个问题^{[ 12]}。