Web环境中本体库管理系统体系结构研究图文文档格式.docx
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2（教育部数据工程与知识工程重点实验室北京100872
3（中国科学院软件研究所北京100080
（1imanl@
StudyonArchitectureoftheOntologyRepositoryManagementSysteminSemanticWeb
LiManl”,DuXiaoyon91,一。
andWangShanl・2
1（SchoolofInformation,RenminUniversityofChina,Beijing100872
2（KeyLaboratoryofDataEngineeringandKnowledgeEngineering,MinistryofEducation,Beijing100872
3（InstituteofSoftware,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080
AbstractRecentlytheSemanticWebbringsnewchallengestothepreviousresearchonontology,andthenontologymanagementbecomesanurgentandcommonrequirement.CharacteristicsofontologyandfunctionalrequirementsofontologymanagementinSemanticWebareanalyzedandtheprincipleofdesigningontologyrepositorymanagementsystemisgiven.Basedontheprinciple,anovelmulti—layerarchitectureincludingdoublerepositories（ML&
DBisdesignedandmainfunctionalmodulesareintroduced.Finally,aprototypesystem,CODERS,thatcomplieswiththearchitectureispresented.
Keywordsontology;
SemanticWeb;
ontologyrepositorymanagementsystem
摘要近年来,语义Web的提出给传统的本体研究带来了许多新的挑战,其中本体的管理成为一个迫切的普遍的需求.分析了语义web环境中本体的特点和本体管理的功能需求;
提出了通用本体库管理系统体系结构的设计原则;
并基于该原则设计了一个新型的多层双库（ML&
DR的体系结构;
介绍了其中主要的功能模块;
最后,给出了一个遵循该体系结构设计和实现的原型系统——CODERS.
关键词本体;
语义web;
本体库管理系统
中图法分类号TP311
随着本体的应用范围越来越广泛,尤其是语义Web的逐步建立,本体开发和管理的需求将日益强烈,所以很有必要研究和开发一个通用的本体库管理系统（oRMS,为语义Web环境下构建和管理大量、大规模本体提供一个通用的框架和软件平台.基于该思想,我们在2005年提出了国家自然科学基金的项目建议并获得批准（本体库管理系统技术研究.
收稿日期:
2006—07—29
基金项目:
国家自然科学基金项目（60496325,60573092
不同于一般的本体工具,我们提出的oRMS不仅需要管理语义Web环境中大量、大规模、动态、异构的本体,而且需要支持本体的整个生命周期,包括本体建模、本体进化、本体发布、本体评估等活动.这就要求ORMS的体系结构能够有效地支持这些功能,并且还要考虑到可扩展性、互操作性、可重用性等问题.到目前为止,很多研究机构、学校等科研团体都是根据各自的需求和目的来设计和开发一些
万方数据
计算机研究与发展2006,43（增刊
独立的本体工具,这些工具功能单一、体系结构各异,在通用性、互操作性等方面存在着很大的局限性.现在还没有一个通用的体系结构能够处理大规模的本体并能整合本体生命周期中的所有活动.
所以本文在分析和比较相关工作的基础上,结合ORMS的功能需求提出了通用体系结构的设计原则,并基于该原则设计了一个新型的ML&
DR结构.该体系结构使用了一种新颖的多层（存储层、管理层、服务层、应用层双库（本体加工库、本体应用库的结构来保证系统的可扩展性、高效性等.整个体系结构不仅考虑了本体生命周期中的所有活动,而且考虑了应用程序高效访问大规模本体的需求,适用于语义Web环境中本体的开发和维护,具有一定的通用性.最后,本文给出了一个遵循该体系结构设计和实现的原型系统——CODERS.
1相关工作的分析和比较
首先来分析一些被称为本体管理系统/环境的工具.
1SNOBASE①是IBM开发的一个本体管理系统.它支持创建、修改、查询和存储本体,能够从本体库中导出RDFS/oWL本体,并支持从Internet上装载RDFS/OwL本体到局部的本体库中.然而,SNoBASE的功能十分有限,主要支持本体的存储、查询和导入/导出功能,远远无法满足本文提出的oRMS的目标.虽然在相关资料中没有给出其具体的体系结构,但是可以确定它采用了关系数据库（IBMDB2来存储本体.
2DIPOMS（乃是DIP项目（欧盟IST项目在语义Web方向最大的一个项目开发的一个整合的本体管理包,目的是为了满足语义web环境下大规模本体管理的需求.DIPOMS在存储层的基础上提供了以下几个功能组件:
ORDI（本体表示和数据整合框架是系统的中间层,提供用户处理本体数据的API和在不同本体库之间切换的接口;
本体编辑和浏览组件提供GUI供用户创建、维护和浏览本体;
本体版本组件支持用户创建不同的本体版本;
本体映射和合并组件提供GUI供用户创建、维护和浏览本体之间的映射;
本体报告组件的目的是帮助用户更好地理解所管理的本体,通过GUI以各种图表的形式来报告本体库中的信息.
3DOME[xJ是英国的BTAC研究中心开发的
①SNOBASE.hnp:
//www.alphaworks.ibm.eom/teeh/snobase②DIPOMS.http:
//dip.semanticweb.org/ToolsPmtotypes.html③KAON.
一个领域本体管理环境的原型,它支持从遗留的信息系统中抽取出本体.实际上,DOME只能处理结构化的数据库系统及其应用程序.为此,它提供了一个本体抽取工具,可以通过使用逆向工程技术从给定的关系数据库或面向对象数据库中抽取出初始本体.该系统要求本体设计者必须是领域专家,他们的任务就是精炼初始本体进而构建领域本体.通过上面的简介可以看出,这几个所谓的本体管理系统/环境的主要功能仍然是本体的创建、存储和检索.其中只有DIPOMS提供了本体映射和合并功能,但是只能支持手工的方式;
只有DOME融入了本体学习功能,但是应用范围很有限,仅能从结构化数据中抽取本体.这一方面说明了这些工具与本文提出的ORMS的目标还有一定的距离,另一方面也说明了本体的创建、存储和检索功能是本体库管理系统的基本功能.所以,下面接着分析一下当前比较流行的几个本体开发、存储和检索工具.4OntoEdit[23是由德国卡尔斯鲁厄大学AIFB研究所开发的一个本体开发环境.OntoEdit能够支持多用户并发的操作本体.这样一个团队中的成员即使不在同一地点,也能够合作的开发本体.为此,它采用Client/Server结构,将本体存储在服务器端的关系数据库中,这样多个客户端可以同时连到本体服务器并发的访问和修改本体.OntoEdit使用了严格的两阶段锁来保证多用户并发操作的正确性,并通过对概念结构中的子树加锁来提高并发度.每个客户端可以浏览封锁信息和一个局部的本体视图.如果某个客户端对本体进行了修改,所有客户端都会被立即告知.
5Sesarlle【3o是欧洲IST项目On-To,Knowledge的研究成果,是一个开放源代码的本体存储与查询系统.Sesame使用关系数据库系统来持久地存储RDF数据.为了使系统独立于任一种DBMS,它使。
用SAIL层来访问DBMS.SAIL实际上就是一个应用程序接口（API,使客户端可以将操纵RDF的需求传递给指定的DBMS.基于SAIL,Sesame提供了管理模块、查询模块和导出模块3个功能模块.客户端可以选择使用HTTP协议或SOAP协议来和系统交流.
6KAON③是德国卡尔斯鲁厄大学开发的一个开源的本体和语义Web工具包,其目的为了提供Web环境下创建、管理和展示本体的工具.KAON
李曼等:
语义Web环境中本体库管理系统体系结构研究41
的体系结构分为3层,其中,应用和服务层可以是基于Java的应用程序框架,也可以是基于Web的应用.中间层提供了一组抽象的本体访问接口（即KAONAPI,并且提供了对下一层的外部服务的动态实例化.数据和远程服务层提供了对物理存储的数据的访问,例如数据库（该系统支持IBMDB2或文件系统,并且集成了一些外部服务,例如推理引擎、映射引擎等.
除了以上介绍的3个本体开发、存储和检索工具外,还有很多类似的工具,例如斯坦福大学的Prot6西[4|,马德里技术大学的WebODE[5]等.它们一般都采用数据库管理系统作为后台服务器提供持久存储本体的能力,大多数系统都选择了关系数据库,有的也同时支持文件系统的存储,并提供从数据库中导出本体到文件格式和将文件格式的本体导入到数据库中的能力.在后台本体服务器的支持下,前端的应用程序可以通过一些API或类似的中间层并发地访问本体.这样,用户可以在这些系统的支持下通过图形化界面并发地开发、浏览或检索本体.
2体系结构的设计
通过对相关工作的研究可以看出,现有的无论是被称为本体管理系统还是被称为本体开发环境等诸如此类的工具,都仅能提供与本体相关的某项功能,而且它们在设计时很少考虑与其他工具的互操作性等问题,所以这些工具的体系结构都无法直接应用于本文提出的ORMS中.这并不说明这些工具设计得不好,而是这些工具的设计目标和本文提出的ORMS不同.所、以,为了给出一个通用的ORMS的体系结构,必须首先分析ORMS的功能需求,然后结合需求给出设计原则,最后根据这些功能需求和设计原则才能给出具体的设计方案.
2.1需求分析
不同于一般的本体工具,ORMS管理的对象是语义Web环境中的本体,这些本体具有以下特性:
1规模大.现实世界中的本体可以很大,往往会包含成千上万个概念及概念间的关系,同时还有可能包含大量的实例.以著名的WordNet【6J为例,它通常被视为是一个轻量级（即结构较简单的本体,共包含了152059个不同的单词、115424个不同的同义词集合和203145个不同的单词含义.
2数量多.语义Web的成功依赖于大量的本
体.这些本体可能是通用本体,例如时间本体、
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