Protege构建本体笔记

Protégé构建本体

13种OWL语言

OWL可以分为三种子语言：OWL-Lite，OWL-DL，OWL-Full。子语言的特征是由它的描述能力来分类的。其中，OWL-Lite描述能力最弱，OWL-Full描述能力最强，OWL-DL 的能力属于中间，同时，OWL-Full可以视为是OWL-DL的一个扩展。

1.1OWL-Lite

在语法上，OWL-Lite是最简单的语言。一般用于只有一个简单的类层次和定义的约束比较简单的情况。比如，根据一个现有的百科全书建立的本体。

1.2OWL-DL

OWL-DL是建立在描述逻辑基础上的的，描述能力比OWL-Lite强得多。描述逻辑是第一顺序逻辑的决定性部分，可以进行自动推理。因此，可以自动的计算分类层次，并且检查本体的一致性。

1.3OWL-Full

OWL-Full的表达能力是最强的。OWL-Full可以适用于需要很强的表达能力的情况。

2OWL本体的组成

OWL本体由个体、关联和类组成，三者分别和实例（Instances）、扩展连接点（Slot）、类（Classes）相通信。

2.1个体（Individuals）

个体就是在领域中，我们所感兴趣的物体。Protégé和OWL之间有一个显著的区别，就是OWL没有独立名字假定（Unique Name Assumption, UNA）。这意味着两个不同的名字可以指向同一个个体。个体就是我们常说的实例，个体可以被理解为“类的实例”。

2.2关联（Properties）

关联指的是两个个体之间的二元关系，比如，一个关联可以把两个个体连接在一起。

例：关联hasSibling，因为Matthew和Gemma是两兄弟，就可以通过hasSibling这个关系把Matthew和Gemma连在了一起，

关联也可以只有一个参数，如使某种功能化的关联，如transitive（传递）或symmetric （对称）。

在Protégé中，关联基本和扩展连接点（Slot）的意思是一致的。在描述逻辑中，扩展连接点是一个角色，在UML中是关系，也可以是指向其他物体的概念。在GRAIL（另一种本体语言）和其他的形式化语言中，也被称作属性。

2.3类（Classes）

OWL类是一组包含了个体的集合。它是通过使用形式化的数学语言，精确描述类成员的特性。比如，类Cat包括了特定领域中所有包括“猫”的类。类由超类（superclass）和子类（subclass）的层次结构分类构成，也被称作taxonomy。子类是超类的细化，子类可以继承超类的性质，也就是说，超类的条件是形成子类的必要条件。同时超类-子类关系式OWL-DL的关键特性之一，这可以为推理机自动调用。

同时，概念（concept）一词也类中也时有出现，类是表述概念的基础。

建立一个OWL类，就是建立一个说明类的环境的描述，这个环境首先必须满足描述此类的一个个体成员的要求。

3OWL本体的构建

3.1建立类

3.1.1一个类层次（class hierarchy）也被称之为一个分类法（taxonomy）。

3.1.2不相交类（disjoint class）

不相交类的定义是，一个个体（或事物）不可能成为多个（>1）类的实例。

子类（subclass）

3.2建立关联（properties）

关联的作用是表示两个个体之间的关系。关联主要分为两种：事物关联（ob ject properties）和数据类型关联（datatype properties）。

事物关联连接两个个体。数据类型关联连接一个个体和一个XML Schema 数据类型值（XML Schema Datatype value）或RDF描述（RDF literal）。OWL也有第三种关联，称为注释关联（Annotation properties），注释关联可以向类、个体或者事物/数据类型关联里添加信息（元数据）

3.2.1逆关联（Inverse Properties）

每个事物关联都可能有一个逆关联。如果一个关联连接个体a和b，那么它的逆关联就将连接b和a。比如关联hasChild就是关联hasParent的逆关联

3.2.2OWL关联的特征（OWL Property Characteristics）

3.2.3功能性关联（Functional Properties）

具有某种特定功能的关联。最常见的是，通过一个关联，将两个个体连接在一起。

3.2.4反向功能关联（Inverse Functional Properties）

3.2.5传递关联（Transitive Properties）

若一个关联是传递的，那么如果关联P关联了a和b，且P也关联了b和c，那么，可以推知，P也可以关联a和c。

3.2.6对称关联（Symmetric Properties）

若关联P是对称的，P关联了个体a和b，那么P同样可以关联a和b。

3.3关联的定义域和值域

关联把个体从定义域连接到值域。例子……

在关联P中，把个体从定义域a连接到值域b。那么在它的反向关联P’中，定义域就是b，值域是a，就是把个体从定义域b连接到值域a。

3.4描述和定义类

3.4.1关联约束

OWL关联的作用是定义约束，约束的作用是限制归属类的个体，OWL中的约束主要有三种：

●计量约束（Quantifier Restrictions）

●基数约束（Cardinality Restrictions）

●赋值约束（hasV aule Restrictions）

首先我们来看计量约束：

●存在约束（existential restrictions ]）

●任意约束（universal restrictions ∨）

例如，约束]hasTopping MozzarellaTopping表示存在一个个体中类或者集合，其中至少有一个个体含有MozzarellaTopping。事实上，约束所描述的是一个佚名

的类，这个类包含的个体满足这个约束。当约束描述一个类的时候，它事实上也描

述了（限定）这个类的超类，比如，MargheritaPizza是一个事物的子类，那么Pizza

也至少含有一个满足MozzarellaTopping的子类。

3.4.2存在约束

在OWL本体中，存在约束是最常用的约束。存在约束定义了，存在一个特定类的个体，满足一个给定的关联关系。

例如，]hasBase PizzaBase描述了在所有的个体中，至少有一个个体，满足在hasBase关联中，与类PizzaBase的一个个体相连接。

3.5使用推理机

前面谈到OWL有3种子语言：OWL-Lite，OWL-DL（Description Logics）和OWL-Full。本体的一个主要特征就是可以被OWL-DL语言所描述，并被推理机所运行。

推理机的一个主要服务就是测试一个类是否是其他类的一个子类，测试的结果被放在Protégé的inferred ontology class hierarchy中。

推理机提供的另一个标准服务是一致性检查，推理机给予类的描述可以确定，类是否可能拥有实例，当类被认为是不可能实例化的，类就是不一致的，比如与其他的类（如父类）的定义相冲突。

3.5.1使用RACER

首先，本体的推理是通过Protégé-OWL的DIG接口进行的，首先要安装完整的RACER机，并且打开它。Protégé默认的推理机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中设置它。

3.5.2调用RACER

完成了RACER或者其他的推理机的设置以后，本体会“自动的”发送到推理机，自动计算分类层次，并且检查本体的逻辑完整性。Protégé中，手动建立的类层次叫做“asserted hierarchy”，通过推理过后生成的类层次叫做“inferred hierarchy”。

3.6必要和充分条件（Necessary And Sufficient Conditions）

目前，我们创建的所有类，都只用了必要条件来描述。必要条件就是，如果某个个体是一个类的成员，那么它必须满足的条件。换句话说，就是如果某个个体满足这些条件，那么它一定是这个类的成员。

如果一个类只有必要条件，我们称之为简单类（Primitive Class）。

如果一个类至少含有一组充分必要条件，我们称之为规范类（Defined Class）。

如果一个类只有必要条件，也可称之为部分类（Partial Class），如果一个类至少含有一组充分必要条件，就可以成为完整类（Complete Class）。

如果类A有一个必要条件，我们就可以说如果一个个体是类A的成员，它一定满足该条件。但是我们不能说任意满足这个条件的个体一定是类A的成员。

如果类A是规范的，有一个充分必要条件，我们可以说，如果某个个体满足这个条件，这个个体就是A的成员；且任意一个满足这个条件的个体，都一定是类A的成员，这个条件不仅对A的成员是必要的，也是充分的，因此，满足此条件的个体，一定是A的成员。

简单类和规范类（Primitive And Defined Classes）

至少有一组充分必要条件的类就是规范类，我们可以定义，任何一个满足这个定义的个体都是这个类的成员。只有一个必要条件的类是简单类。

3.7自动分类

使用OWL-DL子语言可以自动的对本体的类层次进行分类，当建立一个很大的本体时，我们可以通过推理机计算子类-超类之间的关系，从而提高一个大规模本体的可维护性，保持其处于一个逻辑上的正确状态。当一个本体的类有很多的超类的时候，最好的办法就是把类层次关系构建成为一个树的结构。因此，在asserted hierarchy中（人工构建的层次）的类不能有多个超类。计算和维护复杂的类关系是推理机的主要功能，通过推理计算，使类之间的关系保持一个可维护和标准的状态。这不仅提高了本体的可重用性，也把维护复杂层次关系时的人工错误降到了最低。

3.8任意约束（universal restrictions）

任意约束限制了在一个给定的关联关系中，和某一个个体相连接的一个特定类的所有成员；该约束所包括的是符合这一条件的所有成员，而不是特定成员。

任意约束和存在约束的区别在于，在一个给定的关联中，任意约束不是指定一个关系的存在，它仅仅表示，如果一个关联关系存在，其关联的个体一定是特定类的所有成员。

3.9自动分类和开放世界推理（Automatic Classification and Open World Reasoning）

3.9.1闭合公理（Closure Axioms）

关联的闭合公理由一个任意约束构成，表示只能被特定的参数所填充的关联关系。此约束有一个参数集，该参数集是所有该关联的存在约束参数的并集。

例如，对MargheritalPizza而言，hasTopping的闭合公理是关联hasTopping的任意约束，其参数是MozzarellaTopping和TomatoTopping的并集，就是∨hasTopping (MozzarellaTopping∪TomatoTopping)。

3.10值分割（V alue Partitions）

值分割不是OWL的一部分，也不是其他本体语言的内容，而是一种设计模式（design pattern），其作用是用于改进对类的描述。在本体设计中，设计模式的作用类似于在面向对象程序设计中——对一个模式化的问题可以重复使用的解决方案。这些设计模式通常由专家设计，其正确性经过证明，可以解决一般的模式化问题。

比如，创建一个“SpicinessV aluePartition”的值分割，用于描述PizzaTopping的香味，值分割限定了一个可能值范围的一个详细列表，其中枚举出所有可能值。比如，在SpicinessV aluePartition中限定范围为“Mild”，“Medium”，“Hot”。

3.10.1覆盖公理（Covering Axioms）

覆盖公理包括两部分，被覆盖的类和形成覆盖的类。

例如，我们有类A、B和C，类B和C是A的子类。假设A被B和C所覆盖，这意味着A的成员必须是B和/或C的成员。如果B和C是不相交（disjoint）的，A的成员必须是B或者C的成员。

3.11基数约束（Cardinality Restrictions）

OWL中，我们可以描述与其他个体或者数据类型有关系的类的个体的至少、至多或者准确的数目。这个描述的约束就是基数约束。对于一个给定的关联P，最小基数约束定义了可以加入P关系的个体的最小数目；最大基数约束确定了这个最大数目；也可以确定可以加入P关系的个体的准确个数。

4开放世界推理（Open World Reasoning）

这一章说明了开放世界推理的细节。

? ：非符号

5在Protégé-OWL中建立其他OWL结构

5.1建立个体

OWL可以定义个体且维护他们的关联。个体可以使用在类描述，也就是在hasV alue 约束和可数的类中。

5.2hasV alue约束（hasV alue Restrictions）

hasV alue约束用符号∈（此符号需要反过来）表示，表示了一个个体集有至少一个特定关联关系的个体。

例如，有hasV alue约束hasCountryOfOrigi n∈Italy(Italy是一个个体)，表示了一个个体集（一组个体的任意类），和个体Italy至少有一个hasCountryOfOrigin关联关系。

如果我们要表示MozzarellaTopping是来自Italy的，在pizza本体中有多个国家

（包括Italy）个体，我们就可以在MozzarellaTopping的hasValue约束中定义这个关系。

5.3可数类（Enumerated Classes）

在描述类的时候，除了可以直接命名超类和通过约束定义佚名的超类的时候，也可以通过列举类的成员个体的形式定义超类。如，我们可以通过列举类DaysOfTheWeek 的个体{Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday}来定义一个可数类。

5.4注释关联（Annotation Properties）

OWL允许类、关联、个体和本体本身（技术上讲是本体的头文件）可以通过添加信息或者元数据来进行注释。这些信息片段可以成为审计（auditing）和编辑的信息。比如，创建日期、作者、资源的引用灯信息，OWL-Full对注释关联的应用没有任何的限制，但是OWL-DL对此有所限制，主要是：

●注释关联的参数必须是可读数据（data literal）、URI引用或者个体。

●注释关联不能用在关联公理中（property axioms）——例如，不能用在关

联层次中，因此这个关联不能含有子关联，也不能是其他关联的子关联。同样，注释关联也要有定义域和值域。

OWL有五种头定义（pre-defined）的注释关联，用于注释类（包括任意类，比如约束）、关联和个体。具体略P98

5.5充分必要条件的多重集合（Multiple Sets Of Necessary & Sufficient Condi tions）

在OWL中，可能有多个充分必要条件的集合。

6其他

6.1语言概述

6.2名字空间（Namespace）

每个本体都有一个名字空间—被称之为默认名字空间，本体也可以使用别的名字空间。一个名字空间是一串类、关联、个体前缀的字符，用于标识本体。通过获得不同本体的不同的名字空间，使一个本体引用另一个本体中的类成为可能。例如，一个本体要引用类ow l:Thing，其名字空间就是：https://www.360docs.net/doc/5611211344.html,/2002/07/owl#。为了保证名字空间的唯一性，其唯一资源标识（Unique Resource Identifiers，URI）须以“/”或者“#”结尾。

名字空间的作用是在本体引用其他本体的类、关联和个体的时候避免名字冲突。比如，在本体AircraftOntology中有一个类Wing，另一个本体BirdOntology中也有一个类Wing。AircraftOntology的名字空间是https://www.360docs.net/doc/5611211344.html,/aircraft#，BirdOntology 的名字空间是https://www.360docs.net/doc/5611211344.html,/ontologies/BirdOntology#。很显然，AircraftOntology 中的类Wing不同于BirdOntology中的类Wing，假设把AircraftOntology引入到BirdOntology中，AircraftOntology中的Wing的全名就是https://www.360docs.net/doc/5611211344.html,/aircraft#Wing。BirdOntology中的Wing的全名是https://www.360docs.net/doc/5611211344.html,/ontologies/BirdOntology#Wing。这样，AircraftOntology和BirdOntology类之间就没有名字冲突了。

同时，我们可以通过使用一个名字空间前缀来使名字空间更加简化，比如可以使用“ac”来代表AircraftOntology的名字空间https://www.360docs.net/doc/5611211344.html,/aircraft#；使用“bird”来代表BirdOntology的名字空间https://www.360docs.net/doc/5611211344.html,/ontologies/BirdOntology#。简化后的类全名如ac:Wing或者bird:Wing。

6.3本体的引入

本体的引入就会涉及到名字空间的使用问题。在引入本体时，必须同时引入它的名

字空间，建立名字空间的前缀。在往Protégé-OWL中引入本体时，我们必须首先定位本体，确定本体的URL。

可选的位置（Alternative Locations）

在引入一个本体时，名字空间URI会转换成为URL（例如，从一个指针到一个物理地址），因而能找到该本体。但是，当这个本体没有名字空间URI或者没有网络连接时，我们可以在Protégé中定义一个可选的位置，用于表示该本体的本地的拷贝。

6.4Protégé-OWL元数据本体

Protégé-OWL很多的功能性插件都依赖于Protégé-OWL的注释关联。包括Protégé-OWL的元数据本体。

6.5本体测试（Ontology Test）

Protégé-OWL提供了一个测试框架，包括了对本体编辑的若干测试方案。测试的范围，包括健壮性检查，比如检查关联的参数是否与其逆关联的参数相一致。OWL-DL 检查，用于寻找元类（metaclasses）结构，使本体进化成为OWL-Full。