Web环境中本体库管理系统体系结构研究图文文档格式.docx

1、2（教育部数据工程与知识工程重点实验室北京 1008723（中国科学院软件研究所北京100080（1imanlStudy on Architecture of the Ontology Repository Management System in Semantic WebLi Manl”,Du Xiaoyon91,一。and Wang Shanl21（School of Information,Renmin University of China,Beijing 1008722（Key Laboratory of Data Engineering and Knowledge Engineer

2、ing,Ministry of Education,Beijing 1008723（Institute of Software,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080Abstract Recently the Semantic Web brings new challenges to the previous research on ontology,and then ontology management becomes an urgent and common requirement.Characteristics of ontology an

3、d functional requirements of ontology management in Semantic Web are analyzed and the principle of designing ontology repository management system is given.Based on the principle,a novel multilayer architecture including double repositories（ML&DBis designed and main functional modules are introduced

4、.Finally,a prototype system,CODERS,that complies with the architecture is presented.Key words ontology;Semantic Web;ontology repository management system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;

5、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:20060729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

6、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OR

7、MS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.1SNOBASE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

8、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 （IBM DB2来存储本体.2DIP OMS（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.DIP OMS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

9、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.3DOMEx J是英国的BT AC研究中心开发的SNOBASE.hnp:/www.alphaworks.ibm.eom/teeh/snobase DIP OMS.http:/dip.semanticweb.org/ToolsPmtotypes.html

10、 KAON.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DIP OMS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

11、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. 4OntoEdit23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

12、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

13、择使用HTTP协议或SOAP协议来和 系统交流.6KAON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KAON API,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IBM DB2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

14、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WebODE5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

15、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、