愛華網(wǎng)Protégé構(gòu)建本體
1 3種OWL語(yǔ)言
OWL可以分為三種子語(yǔ)言：OWL-Lite，OWL-DL，OWL-Full。子語(yǔ)言的特征是由它的描述能力來分類的。其中，OWL-Lite描述能力最弱，OWL-Full描述能力最強(qiáng)，OWL-DL的能力屬于中間，同時(shí)，OWL-Full可以視為是OWL-DL的一個(gè)擴(kuò)展。
1.1 OWL-Lite
在語(yǔ)法上，OWL-Lite是最簡(jiǎn)單的語(yǔ)言。一般用于只有一個(gè)簡(jiǎn)單的類層次和定義的約束比較簡(jiǎn)單的情況。比如，根據(jù)一個(gè)現(xiàn)有的百科全書建立的本體。
1.2 OWL-DL
OWL-DL是建立在描述邏輯基礎(chǔ)上的的，描述能力比OWL-Lite強(qiáng)得多。描述邏輯是第一順序邏輯的決定性部分，可以進(jìn)行自動(dòng)推理。因此，可以自動(dòng)的計(jì)算分類層次，并且檢查本體的一致性。
1.3 OWL-Full
OWL-Full的表達(dá)能力是最強(qiáng)的。OWL-Full可以適用于需要很強(qiáng)的表達(dá)能力的情況。
2 OWL本體的組成
OWL本體由個(gè)體、關(guān)聯(lián)和類組成，三者分別和實(shí)例（Instances）、擴(kuò)展連接點(diǎn)（Slot）、類（Classes）相通信。
2.1 個(gè)體（Individuals）
個(gè)體就是在領(lǐng)域中，我們所感興趣的物體。Protégé和OWL之間有一個(gè)顯著的區(qū)別，就是OWL沒有獨(dú)立名字假定（Unique Name Assumption, UNA）。這意味著兩個(gè)不同的名字可以指向同一個(gè)個(gè)體。個(gè)體就是我們常說的實(shí)例，個(gè)體可以被理解為“類的實(shí)例”。
2.2 關(guān)聯(lián)（Properties）
關(guān)聯(lián)指的是兩個(gè)個(gè)體之間的二元關(guān)系，比如，一個(gè)關(guān)聯(lián)可以把兩個(gè)個(gè)體連接在一起。
例：關(guān)聯(lián)hasSibling，因?yàn)镸atthew和Gemma是兩兄弟，就可以通過hasSibling這個(gè)關(guān)系把Matthew和Gemma連在了一起，
關(guān)聯(lián)也可以只有一個(gè)參數(shù)，如使某種功能化的關(guān)聯(lián)，如transitive（傳遞）或symmetric（對(duì)稱）。
在Protégé中，關(guān)聯(lián)基本和擴(kuò)展連接點(diǎn)（Slot）的意思是一致的。在描述邏輯中，擴(kuò)展連接點(diǎn)是一個(gè)角色，在UML中是關(guān)系，也可以是指向其他物體的概念。在GRAIL（另一種本體語(yǔ)言）和其他的形式化語(yǔ)言中，也被稱作屬性。
2.3 類（Classes）
OWL類是一組包含了個(gè)體的集合。它是通過使用形式化的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，精確描述類成員的特性。比如，類Cat包括了特定領(lǐng)域中所有包括“貓”的類。類由超類（superclass）和子類（subclass）的層次結(jié)構(gòu)分類構(gòu)成，也被稱作taxonomy。子類是超類的細(xì)化，子類可以繼承超類的性質(zhì)，也就是說，超類的條件是形成子類的必要條件。同時(shí)超類-子類關(guān)系式OWL-DL的關(guān)鍵特性之一，這可以為推理機(jī)自動(dòng)調(diào)用。
同時(shí)，概念（concept）一詞也類中也時(shí)有出現(xiàn)，類是表述概念的基礎(chǔ)。
建立一個(gè)OWL類，就是建立一個(gè)說明類的環(huán)境的描述，這個(gè)環(huán)境首先必須滿足描述此類的一個(gè)個(gè)體成員的要求。
3 OWL本體的構(gòu)建
3.1 建立類
3.1.1 一個(gè)類層次（class hierarchy）也被稱之為一個(gè)分類法（taxonomy）。
3.1.2 不相交類（disjoint class）
不相交類的定義是，一個(gè)個(gè)體（或事物）不可能成為多個(gè)（>1）類的實(shí)例。
子類（subclass）
3.2 建立關(guān)聯(lián)（properties）
關(guān)聯(lián)的作用是表示兩個(gè)個(gè)體之間的關(guān)系。關(guān)聯(lián)主要分為兩種：事物關(guān)聯(lián)（object properties）和數(shù)據(jù)類型關(guān)聯(lián)（datatype properties）。
事物關(guān)聯(lián)連接兩個(gè)個(gè)體。數(shù)據(jù)類型關(guān)聯(lián)連接一個(gè)個(gè)體和一個(gè)XML Schema 數(shù)據(jù)類型值（XML Schema Datatype value）或RDF描述（RDF literal）。OWL也有第三種關(guān)聯(lián)，稱為注釋關(guān)聯(lián)（Annotation properties），注釋關(guān)聯(lián)可以向類、個(gè)體或者事物/數(shù)據(jù)類型關(guān)聯(lián)里添加信息（元數(shù)據(jù)）
3.2.1 逆關(guān)聯(lián)（Inverse Properties）
每個(gè)事物關(guān)聯(lián)都可能有一個(gè)逆關(guān)聯(lián)。如果一個(gè)關(guān)聯(lián)連接個(gè)體a和b，那么它的逆關(guān)聯(lián)就將連接b和a。比如關(guān)聯(lián)hasChild就是關(guān)聯(lián)hasParent的逆關(guān)聯(lián)
3.2.2 OWL關(guān)聯(lián)的特征（OWL Property Characteristics）
3.2.3 功能性關(guān)聯(lián)（Functional Properties）
具有某種特定功能的關(guān)聯(lián)。最常見的是，通過一個(gè)關(guān)聯(lián)，將兩個(gè)個(gè)體連接在一起。
3.2.4 反向功能關(guān)聯(lián)（Inverse Functional Properties）
3.2.5 傳遞關(guān)聯(lián)（Transitive Properties）
若一個(gè)關(guān)聯(lián)是傳遞的，那么如果關(guān)聯(lián)P關(guān)聯(lián)了a和b，且P也關(guān)聯(lián)了b和c，那么，可以推知，P也可以關(guān)聯(lián)a和c。
3.2.6 對(duì)稱關(guān)聯(lián)（Symmetric Properties）
若關(guān)聯(lián)P是對(duì)稱的，P關(guān)聯(lián)了個(gè)體a和b，那么P同樣可以關(guān)聯(lián)a和b。
3.3 關(guān)聯(lián)的定義域和值域
關(guān)聯(lián)把個(gè)體從定義域連接到值域。例子……
在關(guān)聯(lián)P中，把個(gè)體從定義域a連接到值域b。那么在它的反向關(guān)聯(lián)P’中，定義域就是b，值域是a，就是把個(gè)體從定義域b連接到值域a。
3.4 描述和定義類
3.4.1 關(guān)聯(lián)約束
OWL關(guān)聯(lián)的作用是定義約束，約束的作用是限制歸屬類的個(gè)體，OWL中的約束主要有三種：
? 計(jì)量約束（Quantifier Restrictions）
? 基數(shù)約束（Cardinality Restrictions）
? 賦值約束（hasVaule Restrictions）
首先我們來看計(jì)量約束：
? 存在約束（existential restrictions ]）
? 任意約束（universal restrictions ∨）
例如，約束 ]hasTopping MozzarellaTopping表示存在一個(gè)個(gè)體中類或者集合，其中至少有一個(gè)個(gè)體含有MozzarellaTopping。事實(shí)上，約束所描述的是一個(gè)佚名的類，這個(gè)類包含的個(gè)體滿足這個(gè)約束。當(dāng)約束描述一個(gè)類的時(shí)候，它事實(shí)上也描述了（限定）這個(gè)類的超類，比如，MargheritaPizza是一個(gè)事物的子類，那么Pizza也至少含有一個(gè)滿足MozzarellaTopping的子類。
3.4.2 存在約束
在OWL本體中，存在約束是最常用的約束。存在約束定義了，存在一個(gè)特定類的個(gè)體，滿足一個(gè)給定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
例如，]hasBase PizzaBase描述了在所有的個(gè)體中，至少有一個(gè)個(gè)體，滿足在hasBase關(guān)聯(lián)中，與類PizzaBase的一個(gè)個(gè)體相連接。
3.5 使用推理機(jī)
前面談到OWL有3種子語(yǔ)言：OWL-Lite，OWL-DL（Description Logics）和OWL-Full。本體的一個(gè)主要特征就是可以被OWL-DL語(yǔ)言所描述，并被推理機(jī)所運(yùn)行。
推理機(jī)的一個(gè)主要服務(wù)就是測(cè)試一個(gè)類是否是其他類的一個(gè)子類，測(cè)試的結(jié)果被放在Protégé的inferred ontology class hierarchy中。
推理機(jī)提供的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)是一致性檢查，推理機(jī)給予類的描述可以確定，類是否可能擁有實(shí)例，當(dāng)類被認(rèn)為是不可能實(shí)例化的，類就是不一致的，比如與其他的類（如父類）的定義相沖突。
3.5.1 使用RACER
首先，本體的推理是通過Protégé-OWL的DIG接口進(jìn)行的，首先要安裝完整的RACER機(jī)，并且打開它。Protégé默認(rèn)的推理機(jī)URL是http://localhost:8080，如果要使用其他的推理端口，就要在Protégé的OWL Preferences Dialog中設(shè)置它。
3.5.2 調(diào)用RACER
完成了RACER或者其他的推理機(jī)的設(shè)置以后，本體會(huì)“自動(dòng)的”發(fā)送到推理機(jī)，自動(dòng)計(jì)算分類層次，并且檢查本體的邏輯完整性。Protégé中，手動(dòng)建立的類層次叫做“asserted hierarchy”，通過推理過后生成的類層次叫做“inferred hierarchy”。
3.6 必要和充分條件（Necessary And Sufficient Conditions）
目前，我們創(chuàng)建的所有類，都只用了必要條件來描述。必要條件就是，如果某個(gè)個(gè)體是一個(gè)類的成員，那么它必須滿足的條件。換句話說，就是如果某個(gè)個(gè)體滿足這些條件，那么它一定是這個(gè)類的成員。
如果一個(gè)類只有必要條件，我們稱之為簡(jiǎn)單類（Primitive Class）。
如果一個(gè)類至少含有一組充分必要條件，我們稱之為規(guī)范類（Defined Class）。
如果一個(gè)類只有必要條件，也可稱之為部分類（Partial Class），如果一個(gè)類至少含有一組充分必要條件，就可以成為完整類（Complete Class）。
如果類A有一個(gè)必要條件，我們就可以說如果一個(gè)個(gè)體是類A的成員，它一定滿足該條件。但是我們不能說任意滿足這個(gè)條件的個(gè)體一定是類A的成員。
如果類A是規(guī)范的，有一個(gè)充分必要條件，我們可以說，如果某個(gè)個(gè)體滿足這個(gè)條件，這個(gè)個(gè)體就是A的成員；且任意一個(gè)滿足這個(gè)條件的個(gè)體，都一定是類A的成員，這個(gè)條件不僅對(duì)A的成員是必要的，也是充分的，因此，滿足此條件的個(gè)體，一定是A的成員。
簡(jiǎn)單類和規(guī)范類（Primitive And Defined Classes）
至少有一組充分必要條件的類就是規(guī)范類，我們可以定義，任何一個(gè)滿足這個(gè)定義的個(gè)體都是這個(gè)類的成員。只有一個(gè)必要條件的類是簡(jiǎn)單類。
3.7 自動(dòng)分類
使用OWL-DL子語(yǔ)言可以自動(dòng)的對(duì)本體的類層次進(jìn)行分類，當(dāng)建立一個(gè)很大的本體時(shí)，我們可以通過推理機(jī)計(jì)算子類-超類之間的關(guān)系，從而提高一個(gè)大規(guī)模本體的可維護(hù)性，保持其處于一個(gè)邏輯上的正確狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)本體的類有很多的超類的時(shí)候，最好的辦法就是把類層次關(guān)系構(gòu)建成為一個(gè)樹的結(jié)構(gòu)。因此，在asserted hierarchy中（人工構(gòu)建的層次）的類不能有多個(gè)超類。計(jì)算和維護(hù)復(fù)雜的類關(guān)系是推理機(jī)的主要功能，通過推理計(jì)算，使類之間的關(guān)系保持一個(gè)可維護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)。這不僅提高了本體的可重用性，也把維護(hù)復(fù)雜層次關(guān)系時(shí)的人工錯(cuò)誤降到了最低。
3.8 任意約束（universal restrictions）
任意約束限制了在一個(gè)給定的關(guān)聯(lián)關(guān)系中，和某一個(gè)個(gè)體相連接的一個(gè)特定類的所有成員；該約束所包括的是符合這一條件的所有成員，而不是特定成員。
任意約束和存在約束的區(qū)別在于，在一個(gè)給定的關(guān)聯(lián)中，任意約束不是指定一個(gè)關(guān)系的存在，它僅僅表示，如果一個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系存在，其關(guān)聯(lián)的個(gè)體一定是特定類的所有成員。
3.9 自動(dòng)分類和開放世界推理（Automatic Classification and Open World Reasoning）
3.9.1 閉合公理（Closure Axioms）
關(guān)聯(lián)的閉合公理由一個(gè)任意約束構(gòu)成，表示只能被特定的參數(shù)所填充的關(guān)聯(lián)關(guān)系。此約束有一個(gè)參數(shù)集，該參數(shù)集是所有該關(guān)聯(lián)的存在約束參數(shù)的并集。
例如，對(duì)MargheritalPizza而言，hasTopping的閉合公理是關(guān)聯(lián)hasTopping的任意約束，其參數(shù)是MozzarellaTopping和TomatoTopping的并集，就是∨hasTopping (MozzarellaTopping∪TomatoTopping)。
3.10 值分割（Value Partitions）
值分割不是OWL的一部分，也不是其他本體語(yǔ)言的內(nèi)容，而是一種設(shè)計(jì)模式（design pattern），其作用是用于改進(jìn)對(duì)類的描述。在本體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)模式的作用類似于在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中——對(duì)一個(gè)模式化的問題可以重復(fù)使用的解決方案。這些設(shè)計(jì)模式通常由專家設(shè)計(jì)，其正確性經(jīng)過證明，可以解決一般的模式化問題。
比如，創(chuàng)建一個(gè)“SpicinessValuePartition”的值分割，用于描述PizzaTopping的香味，值分割限定了一個(gè)可能值范圍的一個(gè)詳細(xì)列表，其中枚舉出所有可能值。比如，在SpicinessValuePartition中限定范圍為“Mild”，“Medium”，“Hot”。
3.10.1 覆蓋公理（Covering Axioms）
覆蓋公理包括兩部分，被覆蓋的類和形成覆蓋的類。
例如，我們有類A、B和C，類B和C是A的子類。假設(shè)A被B和C所覆蓋，這意味著A的成員必須是B和/或C的成員。如果B和C是不相交（disjoint）的，A的成員必須是B或者C的成員。
3.11 基數(shù)約束（Cardinality Restrictions）
OWL中，我們可以描述與其他個(gè)體或者數(shù)據(jù)類型有關(guān)系的類的個(gè)體的至少、至多或者準(zhǔn)確的數(shù)目。這個(gè)描述的約束就是基數(shù)約束。對(duì)于一個(gè)給定的關(guān)聯(lián)P，最小基數(shù)約束定義了可以加入P關(guān)系的個(gè)體的最小數(shù)目；最大基數(shù)約束確定了這個(gè)最大數(shù)目；也可以確定可以加入P關(guān)系的個(gè)體的準(zhǔn)確個(gè)數(shù)。
4 開放世界推理（Open World Reasoning）
這一章說明了開放世界推理的細(xì)節(jié)。
? ：非符號(hào)
5 在Protégé-OWL中建立其他OWL結(jié)構(gòu)
5.1 建立個(gè)體
OWL可以定義個(gè)體且維護(hù)他們的關(guān)聯(lián)。個(gè)體可以使用在類描述，也就是在hasValue約束和可數(shù)的類中。
5.2 hasValue約束（hasValue Restrictions）
hasValue約束用符號(hào)∈（此符號(hào)需要反過來）表示，表示了一個(gè)個(gè)體集有至少一個(gè)特定關(guān)聯(lián)關(guān)系的個(gè)體。
例如，有hasValue約束 hasCountryOfOrigin∈Italy(Italy是一個(gè)個(gè)體)，表示了一個(gè)個(gè)體集（一組個(gè)體的任意類），和個(gè)體Italy至少有一個(gè)hasCountryOfOrigin關(guān)聯(lián)關(guān)系。
如果我們要表示MozzarellaTopping是來自Italy的，在pizza本體中有多個(gè)國(guó)家（包括Italy）個(gè)體，我們就可以在MozzarellaTopping的hasValue約束中定義這個(gè)關(guān)系。
5.3 可數(shù)類（Enumerated Classes）
在描述類的時(shí)候，除了可以直接命名超類和通過約束定義佚名的超類的時(shí)候，也可以通過列舉類的成員個(gè)體的形式定義超類。如，我們可以通過列舉類DaysOfTheWeek的個(gè)體{Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday}來定義一個(gè)可數(shù)類。
5.4 注釋關(guān)聯(lián)（Annotation Properties）
OWL允許類、關(guān)聯(lián)、個(gè)體和本體本身（技術(shù)上講是本體的頭文件）可以通過添加信息或者元數(shù)據(jù)來進(jìn)行注釋。這些信息片段可以成為審計(jì)（auditing）和編輯的信息。比如，創(chuàng)建日期、作者、資源的引用燈信息，OWL-Full對(duì)注釋關(guān)聯(lián)的應(yīng)用沒有任何的限制，但是OWL-DL對(duì)此有所限制，主要是：
? 注釋關(guān)聯(lián)的參數(shù)必須是可讀數(shù)據(jù)（data literal）、URI引用或者個(gè)體。
? 注釋關(guān)聯(lián)不能用在關(guān)聯(lián)公理中（property axioms）——例如，不能用在關(guān)聯(lián)層次中，因此這個(gè)關(guān)聯(lián)不能含有子關(guān)聯(lián)，也不能是其他關(guān)聯(lián)的子關(guān)聯(lián)。同樣，注釋關(guān)聯(lián)也要有定義域和值域。
OWL有五種頭定義（pre-defined）的注釋關(guān)聯(lián)，用于注釋類（包括任意類，比如約束）、關(guān)聯(lián)和個(gè)體。具體略P98
5.5 充分必要條件的多重集合（Multiple Sets Of Necessary & Sufficient Conditions）
在OWL中，可能有多個(gè)充分必要條件的集合。
6 其他
6.1 語(yǔ)言概述
6.2 名字空間（Namespace）
每個(gè)本體都有一個(gè)名字空間—被稱之為默認(rèn)名字空間，本體也可以使用別的名字空間。一個(gè)名字空間是一串類、關(guān)聯(lián)、個(gè)體前綴的字符，用于標(biāo)識(shí)本體。通過獲得不同本體的不同的名字空間，使一個(gè)本體引用另一個(gè)本體中的類成為可能。例如，一個(gè)本體要引用類owl:Thing，其名字空間就是：http://www.w3.org/2002/07/owl#。為了保證名字空間的唯一性，其唯一資源標(biāo)識(shí)（Unique Resource Identifiers，URI）須以“/”或者“#”結(jié)尾。
名字空間的作用是在本體引用其他本體的類、關(guān)聯(lián)和個(gè)體的時(shí)候避免名字沖突。比如，在本體AircraftOntology中有一個(gè)類Wing，另一個(gè)本體BirdOntology中也有一個(gè)類Wing。AircraftOntology的名字空間是http://www.ontologies.com/aircraft#，BirdOntology的名字空間是http://www.birds.com/ontologies/BirdOntology#。很顯然，AircraftOntology中的類Wing不同于BirdOntology中的類Wing，假設(shè)把AircraftOntology引入到BirdOntology中，AircraftOntology中的Wing的全名就是http://www.ontologies.com/aircraft#Wing。BirdOntology中的Wing的全名是http://www.birds.com/ontologies/BirdOntology#Wing。這樣，AircraftOntology和BirdOntology類之間就沒有名字沖突了。
同時(shí)，我們可以通過使用一個(gè)名字空間前綴來使名字空間更加簡(jiǎn)化，比如可以使用“ac”來代表AircraftOntology的名字空間http://www.ontologies.com/aircraft#；使用“bird”來代表BirdOntology的名字空間http://www.birds.com/ontologies/BirdOntology#。簡(jiǎn)化后的類全名如ac:Wing或者bird:Wing。
6.3 本體的引入
本體的引入就會(huì)涉及到名字空間的使用問題。在引入本體時(shí)，必須同時(shí)引入它的名字空間，建立名字空間的前綴。在往Protégé-OWL中引入本體時(shí)，我們必須首先定位本體，確定本體的URL。
可選的位置（Alternative Locations）
在引入一個(gè)本體時(shí)，名字空間URI會(huì)轉(zhuǎn)換成為URL（例如，從一個(gè)指針到一個(gè)物理地址），因而能找到該本體。但是，當(dāng)這個(gè)本體沒有名字空間URI或者沒有網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，我們可以在Protégé中定義一個(gè)可選的位置，用于表示該本體的本地的拷貝。
6.4 Protégé-OWL元數(shù)據(jù)本體
Protégé-OWL很多的功能性插件都依賴于Protégé-OWL的注釋關(guān)聯(lián)。包括Protégé-OWL的元數(shù)據(jù)本體。
6.5 本體測(cè)試（Ontology Test）
Protégé-OWL提供了一個(gè)測(cè)試框架，包括了對(duì)本體編輯的若干測(cè)試方案。測(cè)試的范圍，包括健壯性檢查，比如檢查關(guān)聯(lián)的參數(shù)是否與其逆關(guān)聯(lián)的參數(shù)相一致。OWL-DL檢查，用于尋找元類（metaclasses）結(jié)構(gòu)，使本體進(jìn)化成為OWL-Full。
