語(yǔ)義Web及其應用

第26卷第5期VoL 26 No 52005年9月MICROCOMPUIER APPLICATIONSpt2005語(yǔ)義Web及其應用*沈海波12洪帆1(1華中科技大學(xué)計算機學(xué)院武漢430074;2湖北教育學(xué)院計算機科學(xué)系武漢430205)摘要:語(yǔ)言文Web是下一代 Interuet的發(fā)展方向。語(yǔ)義Web的定義、分層結構進(jìn)行了概述,詳細總結和研究了語(yǔ)義Web在Web服務(wù)、P2P網(wǎng)絡(luò )、知識管理、E- learning、智能信息檢索和語(yǔ)義Web挖摑、網(wǎng)格計算等多個(gè)領(lǐng)域的應關(guān)鍵詞:語(yǔ)義Web本體元數據應用Semantic Web and Its ApplicationsSHEN Haibo.2, HONG Fan'( School of Computer, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China2Department of Computer Science, Hubei College of Education, Wuhan, 430205, China)Abstract, Semantic Web is the development direction of the next generation Internet. the definition and layeredstructure of the Semantic Web were outlined, and its applications in some areas, such as Web services, P2P network,knowledge management, E-learning, intelligent information searching and Semantic Web mining, grid computing andso on, were summarized and researched in detaiL語(yǔ)義web追求的目標是讓W(xué)eb上的信息能夠被機器理表示,以滿(mǎn)足分布式主流計算環(huán)境語(yǔ)義互操作的需要使軟件解,從而實(shí)現Web信息的自動(dòng)處理,以適應Web信息資源的 Agent對www上異構和分布信息進(jìn)行智能的有效的訪(fǎng)問(wèn)快速增長(cháng),更好地為人類(lèi)服務(wù)。近年來(lái),無(wú)論在國際上,還是和檢索。在國內,人們對語(yǔ)義Web及其關(guān)鍵技術(shù)和應用的研究正在如根據W3C,語(yǔ)義Web研究的主要目的就是擴展當前的火如茶語(yǔ)義Wb的支撐軟件與應用開(kāi)發(fā)日益受到重視語(yǔ)Www使得網(wǎng)絡(luò )中所有信息都具有語(yǔ)義,計算機能夠理解和義Web可以看作是新一代的信息基礎設施被人們稱(chēng)為第三處理便于人和計算機之間的交互與合作。因而其研究的側代智能網(wǎng)絡(luò )重點(diǎn)就是如何把信息表示為計算機能夠理解和處理的形式,即帶有語(yǔ)義,以支持網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下廣泛有效的自動(dòng)推理1語(yǔ)義Web概述1.2語(yǔ)義web的分層模型1.1語(yǔ)義web的定義為了實(shí)現語(yǔ)義Web信息服務(wù)的智能化與自動(dòng)化的目標,www的發(fā)明者 Tim berners-Le早在1999年就提出語(yǔ)義web研究者們開(kāi)發(fā)了許多新技術(shù)并提出了一系列的技了語(yǔ)義Web( Semantic Web)的概念。他所領(lǐng)導的非贏(yíng)利性術(shù)標準。 Tim Berners-Le提出了XML2000語(yǔ)義Web模組織WC于2000年創(chuàng )建了www.SemanticWeb.org網(wǎng)站,型,它是一種分層結構的模型如圖1所示并在2001年正式提出語(yǔ)義Web。所謂“語(yǔ)義”就是文本的含(1) Unicode和URI層。是語(yǔ)義Web的最底層。Uni義。語(yǔ)義Wb就是能夠根據語(yǔ)義進(jìn)行判斷的網(wǎng)絡(luò )。因此簡(jiǎn)code可以保證我們使用國際化、通用化的字符集避免不同類(lèi)單地說(shuō)語(yǔ)義Web是一種能理解人類(lèi)語(yǔ)言的智能網(wǎng)絡(luò ),它不型字符集之間由于編碼不同而造成的存儲、傳遞和使用上的但能夠理解人類(lèi)的語(yǔ)言,而且還可以使人與電腦之間的交流混亂,同時(shí)也可以實(shí)現多國語(yǔ)言的混合存儲和使用。變得像人與人之間交流一樣輕松。語(yǔ)義Web是下一代互聯(lián)中國煤化工的事物—無(wú)論是網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)的發(fā)展方向,其實(shí)質(zhì)就是增強網(wǎng)絡(luò )資源內容和功能的語(yǔ)義中的中的某個(gè)人、一座房子、CNMHG本文于2004-08-27收到湖北省自然科學(xué)基金項目資助(2004ABA055)5期沈海波等:語(yǔ)義Web及其應用別和組織起來(lái)同時(shí)也通過(guò)屬性將概念相互聯(lián)系起來(lái)從而建Rules立起概念的語(yǔ)義空間,亦即對某一個(gè)領(lǐng)域內事物的共同理解。ProofDa這些概念和屬性的名字(即標識構成了 Ontology的詞匯表在語(yǔ)義Web的交流/通信中, Ontology擔當著(zhù)語(yǔ)義溝通的重Ontology vocabulary要角色,是其實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)之一。 Ontology需要用 AntolRDF+rdfscemagy語(yǔ)言描述和建構。常用的 Ontology描述語(yǔ)言有DAMLXML+NS+xmlschemaS、OWL-S等。Unicode(5) Ontology的頂層: Logic、 Proof和 Trust,這三層位于語(yǔ)義Web體系結構的頂部,也是語(yǔ)義表達的高級要求,目圖1XML2000語(yǔ)義Web體系結構前正處于研究階段,也有一些簡(jiǎn)單的示范性應用系統正在建設中。其中,邏輯層( Logic)提供了推理規則的描述手段,論一張桌子等都可以稱(chēng)為資源。每一個(gè)資源都由惟一的URI證層(Poo通過(guò)運用這些規則進(jìn)行邏輯推理和求證,而信任所標識不同的資源擁有不同的URI,通過(guò)指定的URI可以層(Trus則負責為應用程序提供一種機制以決定是否信任確定互聯(lián)網(wǎng)中惟一的資源(即定位的惟一性)。給出的論證2)XML+NS+ XML Schema層。是語(yǔ)義Web中首要(6)數字簽名( Digital Signature)。數字簽名位于層次模的關(guān)鍵技術(shù)也是整個(gè)體系結構的基礎。ⅪML是一種允許自型的右側,并貫穿于中間的四層。數字簽名是一種基于互聯(lián)定義標記的通用、結構化描述語(yǔ)言網(wǎng)的安全認證機制。當信息內容從一個(gè)層次傳遞到另一個(gè)層命名空間NS為XML文檔中的結構化標記提供了上下次時(shí),允許使用數字簽名說(shuō)明內容的來(lái)源和安全性,這樣接受文環(huán)境,一方面為文檔中的每一個(gè)標記都賦予了確定的含義,方就可通過(guò)數字簽名鑒別其來(lái)源和安全性以決定是否接受。另一方面將不同上下文環(huán)境中相同名稱(chēng)的標記區分開(kāi)來(lái)從數字簽名保證了交換的信息內容的正確性而避免了語(yǔ)義上的歧義。1.3語(yǔ)義Web的優(yōu)點(diǎn)XML Schema在標記的使用和文檔結構上,為XML文語(yǔ)義Web最大的好處是可讓計算機具有對網(wǎng)絡(luò )空間所檔提供了明確的語(yǔ)義限制最終確保每一個(gè)XML文檔都是儲存的數據進(jìn)行智能評估的能力。這樣計算機就可以像人語(yǔ)義合法、結構完整、內容有效的。腦一樣“理解”信息的含義,完成“智能代理”的功能。使用語(yǔ)(3)RDF/ RDF Schem層。RDF定義了一種用以描述資義Web搜索引擎搜索的結果比WwW更為精確。源及相互關(guān)系的簡(jiǎn)單模型,是語(yǔ)義Web實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)之語(yǔ)義Web提供了一種嶄新的信息描述和知識表達的手一,也是語(yǔ)義信息描述的有效手段。其基本數據模型包含三段,而要在語(yǔ)義層次上實(shí)現信息的互操作就需要對信息涵義類(lèi)對象:資源屬性和陳述;資源之間的關(guān)系通過(guò)屬性和值來(lái)的理解達成一致。語(yǔ)義Web采用了本體( ontology)的思想描述。描述特定資源特定屬性的值就構成RDF中的一個(gè)陳本體描述的是具有共識的概念化的事物它對實(shí)現語(yǔ)義層次述,通?？捎萌? subject, predicate, object>描述;其上的知識共享知識重用有著(zhù)巨大的優(yōu)勢。中,被描述的資源稱(chēng) subject,描述資源的屬性稱(chēng) predicate,object則是屬性對應的值。RDF建立在XML和UR的基礎2語(yǔ)義Web的應用上。在信息中加入語(yǔ)義,使得在Web世界中流動(dòng)的不再是單RDF通過(guò)屬性和值描述了資源及資源之間的關(guān)系,但并純的數據流而是機器可理解的語(yǔ)義信息。利用這些語(yǔ)義,信沒(méi)有提供描述這些屬性及屬性間關(guān)系的機制。 RDF Schema息之間的交換就可以建立在語(yǔ)義的層面而非文字的層面,從提供了這種表達機制,它描述了 RDF properties的使用規則,而可以使機器精確地理解、采集和組合信息,同時(shí)提供包含數為RDF定義了領(lǐng)域字典,并用類(lèi)型層次結構來(lái)組織該字典,字圖書(shū)館、電子商務(wù)、醫療保健等各種類(lèi)型的自動(dòng)化服務(wù)。從而構成完備的語(yǔ)義空間(1)Web服務(wù)。Web服務(wù)是一種開(kāi)發(fā)的規范,通過(guò)網(wǎng)(4) Ontology層。語(yǔ)義信息的交流必須以共同的理解為絡(luò )可以對基于規范開(kāi)發(fā)的各種應用進(jìn)行調用、整合,從而在互前提否則雙方就會(huì )發(fā)生誤解或不理解。在語(yǔ)義Web中,這聯(lián)網(wǎng)上成哪復產(chǎn)的仟各Wh服條是一種嶄新的分布式“共同的理解”,即共同的語(yǔ)義空間,是由 Ontology建立和計算模中國煤化工有效機制,已成為電提供的子商務(wù)CNMHG型框架、高效的執行Ontology是一種用以描述語(yǔ)義的概念化的顯式說(shuō)明。方式、與其他成熟技術(shù)有機結合的能力及服務(wù)的集成是解決它通過(guò)定義屬性并建立一個(gè)分類(lèi)層次結構將不同的概念區現實(shí)應用問(wèn)題的重要技術(shù)。當前Web正在從一個(gè)文本、圖588微計算機應用2005年片、音頻視頻的信息提供者向服務(wù)的提供者轉變這種轉變上,這些 ontologies由不同的個(gè)人部門(mén)或組織創(chuàng )建。為了能體現了“網(wǎng)絡(luò )就是計算機,軟件就是服務(wù)”的思想為不同的個(gè)人或組織提取共享的 ontologies,“即時(shí)語(yǔ)義”考慮但是,目前的web服務(wù)僅對它們的功能提供了語(yǔ)法層的了 ontology定義、概念的使用、與實(shí)際數據的關(guān)系之間的重描述基本上還是采用標準化分類(lèi)的方式來(lái)描述服務(wù)的功能、疊。智能代理將使用這樣的定義來(lái)確保知識被適當地構造,提供者及如何訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)并與之交互,缺乏機器可理解的語(yǔ)義,以便它能被容易地重用。對服務(wù)的描述能力非常有限而且缺乏靈活性,故在開(kāi)發(fā)的異(4) E-learning。 E-learning主要是指通過(guò) nternet進(jìn)行構系統中對服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現和組合還需人類(lèi)的干預這妨的學(xué)習與教學(xué)活動(dòng)它充分利用現代信息技術(shù)所提供的、具有礙了Web服務(wù)在復雜商業(yè)環(huán)境中的應用。為了實(shí)現智能化全新溝通機制與豐富資源的學(xué)習環(huán)境,實(shí)現一種全新的學(xué)習的web服務(wù),需要將語(yǔ)義Web與Web服務(wù)結合起來(lái)。將本方式這種學(xué)習方式將改變傳統教學(xué)中教師的作用和師生之體的概念和相應技術(shù)引入Web服務(wù)技術(shù)中,可從根本上解決間的關(guān)系,從而根本改變教學(xué)結構和教學(xué)本質(zhì), E-learning具以上問(wèn)題。在語(yǔ)義Web研究中提出的基于本體的一些服務(wù)有分布式、面向學(xué)生、個(gè)性化、非線(xiàn)性或動(dòng)態(tài)性減少學(xué)習費用描述語(yǔ)言,如DAML-SOwL-S等,為語(yǔ)義Web與Web服等許多優(yōu)點(diǎn)已成為一種流行的學(xué)習形式。務(wù)的結合提供了基礎。由語(yǔ)義Web與Web服務(wù)結合而產(chǎn)生在目前的 E-learning中,主要采用教育Web資源交換的的語(yǔ)義Web服務(wù)必將成為一個(gè)重要的應用方向。元數據( metadata)方案,如 IEEE LOM、 ARIADNE、IMs等。增進(jìn)資源共享是語(yǔ)義web的目標,在語(yǔ)義網(wǎng)中,計算機但這些元數據標準缺乏精確的機器能理解的語(yǔ)義,不能描述會(huì )根據關(guān)鍵名稱(chēng)定義的超鏈接和邏輯推理規則發(fā)現語(yǔ)義數據學(xué)習對象的內容。必須引進(jìn)語(yǔ)義Web技術(shù)采用基于 antol的含義。其最終結果就是能夠刺激開(kāi)發(fā)自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。gy的元數據標準來(lái)描述學(xué)習材料的內容、文本和結構。這毫無(wú)疑問(wèn)語(yǔ)義Wb將會(huì )推動(dòng)Web服務(wù)的深化。實(shí)際上基樣學(xué)習材料就變成了機器可以識別理解并自動(dòng)處理和使用于Wb服務(wù)的應用正是互聯(lián)網(wǎng)中最重要的資源Web服務(wù)與的數據有利于互相理解和共享從而達到教育的“共享知識”語(yǔ)義web的融合是可能而且肯定的。但是,在將本體的概念的目標。和技術(shù)應用于Web服務(wù)中,還需要全面研究建立基于本體的(5)智能信息檢索和語(yǔ)義Web挖掘。面對Www上的web服務(wù)描述服務(wù)組裝與分解、基于本體的服務(wù)發(fā)現和服大量信息,如何進(jìn)行智能信息檢索一直是信息工作者研究的務(wù)管理等問(wèn)題重要課題?，F在所使用的萬(wàn)維網(wǎng)的功能并不盡如人意,如(2)數據交換與知識管理。有效的知識管理印是維持企HTML網(wǎng)頁(yè)單調枯燥網(wǎng)頁(yè)僅僅是一個(gè)單調的內容顯示,電業(yè)組織竟爭力的關(guān)鍵因素,企業(yè)間的數據交換和知識管理一腦只負責將一個(gè)網(wǎng)頁(yè)鏈接到另一個(gè)網(wǎng)頁(yè),網(wǎng)絡(luò )不能按照用戶(hù)直是基于Web的電子商務(wù)和ERP系統的重要組成部分,目的要求自動(dòng)搜尋和檢索網(wǎng)頁(yè)直至找到所需要的內容等?，F前的應用項目圍繞著(zhù)企業(yè)Wweb知識管理而展開(kāi),而這些的基有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是超文本系統它的主要思想是通過(guò)統礎就是假設:企業(yè)提供的web信息結構能夠轉化為一個(gè)巨大資源標識符(URI: Uniform Resource Identifier,對互聯(lián)網(wǎng)上的知識庫。知識管理的發(fā)展為更多的面向文件的觀(guān)點(diǎn)轉化為的信息進(jìn)行標記,使人們可迅速地對互聯(lián)網(wǎng)上的信息資源進(jìn)更多的面向知識項目的觀(guān)點(diǎn)鋪平了道路。這種轉化的重要基行定位。然而,現有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并沒(méi)有對信息的含義進(jìn)行描礎就是利用基于本體( ontology)的元數據( metadata),來(lái)對企述計算機在處理信息時(shí)只是按照URI定位信息,但對信息業(yè)發(fā)布的信息或企業(yè)的內部文檔進(jìn)行注釋。圍繞這一假設,的內容并不關(guān)心。而人們真正關(guān)心的是信息的內容,也就是需要開(kāi)發(fā)一系列相關(guān)的技術(shù)和工具,如企業(yè)知識的建模和注互聯(lián)網(wǎng)上的文本圖片等資源所包含的意義(語(yǔ)義)。由于現釋工具、 ontology的提取和推理工具等有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的局限,互聯(lián)網(wǎng)上信息處理的自動(dòng)化、智能化程(3)P2P網(wǎng)絡(luò )。P2P-( Peer to peer)網(wǎng)絡(luò )可被看作是度很低,計算機處理器強大的功能也沒(méi)有得到有效的利用。分布式存儲器( repository)。P2P讓人們通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行直要實(shí)現信息檢索的自動(dòng)化和智能化關(guān)鍵是要研究如何從接交互。P2P技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢,是能夠開(kāi)發(fā)出強大的搜索工HTML頁(yè)面中提取語(yǔ)義信息,構建出能夠描述這些頁(yè)面的具。借助它用戶(hù)能夠深度搜索文檔而且這種搜索無(wú)需通過(guò) Ontology,建立相應的 Ontology學(xué)習系統,實(shí)現 Ontology的Web服務(wù)器,也可以不受信息文檔格式和宿主設備的限制,自動(dòng)或半自動(dòng)提取。不僅對文本信息,可采用語(yǔ)義Web的技可達到傳統目錄式搜索引擎無(wú)可比擬的深度術(shù)加強智能檢索,而且還可對多媒體信息,結合模式識別和對PP與語(yǔ)義W技術(shù)的結合可支持分散的異構的環(huán)境,象提V中國煤化工些都正在研究和發(fā)展可用較小的努力來(lái)分享知識知識分享和發(fā)現比較容易。它CNMHG技術(shù)和Web結合起來(lái)們能否結合成功的關(guān)鍵在于“即時(shí)語(yǔ)義( Emergent Seman從wb文檔和web活動(dòng)中抽取感興趣的潛在的有用模式tics)”的使用?！凹磿r(shí)語(yǔ)義”建立在輕載的或重載的 ontologies和隱藏信息的技術(shù)。利用Web挖掘技術(shù),可以在文檔的自動(dòng)5期沈海波等:語(yǔ)義Web及其應用分類(lèi)、自動(dòng)文摘的形成、檢索結果的聯(lián)機聚類(lèi)、查詢(xún)結果的相子商務(wù)系統的重要因素。而這種開(kāi)放性和靈活性的取得可通關(guān)度排序方面發(fā)揮作用提高搜索引擎獲取信息的準確性,并過(guò)本體( ontology)技術(shù)得到解決。比如建立基于本體的產(chǎn)品可以對用戶(hù)搜索結果進(jìn)行相關(guān)處理,實(shí)現查全率和查準率的描述、分類(lèi)體系,及對商務(wù)處理過(guò)程的結構化、標準化及個(gè)性有機結合,還會(huì )對形成智能搜索引擎提供很大的幫助。語(yǔ)義化的處理已經(jīng)成目前電子商務(wù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。web挖掘2的目的在于將語(yǔ)義Web與Web挖掘結合起來(lái)通過(guò)利用新的語(yǔ)義結構來(lái)改進(jìn)Web挖掘的結果。語(yǔ)義Web3結束語(yǔ)的出現和發(fā)展,為豐富Web挖掘提供了好的基礎:頁(yè)面的鏈語(yǔ)義Web的快速發(fā)展,引出了許多研究挑戰這些挑戰接類(lèi)型被明確地描述,使得知識工程師對Web結構挖掘獲得必須用跨學(xué)科的方式加以解決。同時(shí),它為以語(yǔ)義為基礎的更深的了解;頁(yè)面的內容增添了正式的語(yǔ)義,使得知識工程師新型應用提供了平臺。本文只是簡(jiǎn)述了語(yǔ)義Web在Web服可使用需要更有結構的輸入的挖掘技術(shù)。另一方面Web挖務(wù)、P2P網(wǎng)絡(luò )、知識管理、E- learning、智能信息檢索和語(yǔ)義掘可幫助建立語(yǔ)義Web,它可幫助從Web為知識組織學(xué)習結Web挖掘、網(wǎng)格計算和電子商務(wù)等方面的應用包括如何應構(如知識本體 ontologies),并促進(jìn)這些知識結構的發(fā)展。用等許多方面及新的應用還待進(jìn)一步研究(6)網(wǎng)格與網(wǎng)格計算。網(wǎng)格(grid)6是一種集成的資源參考資料和服務(wù)的環(huán)境,包括計算能力數據信息和知識、軟件、人等各1T. Berners-Le,J. Hander,O. Lassila, The Semantic種相關(guān)的資源和服務(wù)。網(wǎng)格的目的是利用 Internet把不同地Web. Scientific American, May, 2001.理位置的計箅機組織成一臺“虛擬的超級計算機”,實(shí)現計算2 R Studer, R. Volz,G. Stumme et al. Semantic Web-資源、存儲資源、信息資源軟件資源、通信資源、知識資源、專(zhuān) State of the Art and Future directions. Kunstliche Intelli家資源等的全面共享。網(wǎng)格計算就是網(wǎng)格的問(wèn)題求解,①充genz 3(special Issue on the Semantic Web), 2003,59分利用分布在網(wǎng)絡(luò )上的IT設備使IT設施及其所具有的計3岳昆,王曉玲,周傲英.Web服務(wù)核心支撐技術(shù):研究綜算、存儲和軟件等資源能夠按需應變,隨需所用;②解決異構述軟件學(xué)報,2004,15(3):428~442系統之間的集成問(wèn)題。網(wǎng)格計算的基礎是基于XML的消息4 D. Fense,C. Bussler,v. Karteva et al. Semantic Web傳遞它用XML格式包裝各種數據,消息在各個(gè)系統之間進(jìn)Application Areas. In Proceedings of the 7th International行信息交換。Workshop on Applications of Natural Language to Infor盡管XML為網(wǎng)上數據提供一個(gè)好用的語(yǔ)法描述,使用mation Systems, Stockholm, Sweden. June 2002.MML可以在計算機之間方便的解析各種類(lèi)型的數據。但是,5 L Stojanovic, S Staab, R Studer. eLearning based on theXML并沒(méi)有對數據本身做出解釋。換句話(huà)說(shuō),XML并沒(méi)有Semantic Web. In Proceedings of the World Conference on指明數據的用途和語(yǔ)義,所以凡是使用XML表達的內部數the www and Internet WebNet2001, Orlando, Florida據用于交換時(shí),必須在使用前定義它的詞匯表、用途和語(yǔ)義。USA,2001.為此,w3C推薦了以資源描述框架(RDF: resource De6 C Goble,D.D. Roure. The grid: An Application of thescription Framework)解決XML的語(yǔ)義局限。但是基于RDFSemantic Web. ACM SIGMOD Record Volume 31, Issue的數據語(yǔ)義描述仍然可能存在語(yǔ)義沖突。為了消解語(yǔ)義沖4( December2002),65~70突,必須在描述數據語(yǔ)義的時(shí)候可以通過(guò)引用 Ontology的相作者簡(jiǎn)介關(guān)技術(shù),如采用本體論語(yǔ)言(OWL)來(lái)描述資源,對語(yǔ)義描述沈海波,男,(1963-),副教授,博士生,主要研究方向:訪(fǎng)結果作進(jìn)一步的約束?？傊?要實(shí)現網(wǎng)格和網(wǎng)格計算的目標,問(wèn)控制、網(wǎng)絡(luò )安全和知識產(chǎn)權保護。在現有的基礎上,必須引進(jìn)語(yǔ)義Web技術(shù)洪帆,女,(1942-),教授,博士生導師,主要研究領(lǐng)域:密(7)電子商務(wù)。電子商務(wù)已經(jīng)成為一種重要商業(yè)模式。碼學(xué),計算機安全與保密。開(kāi)放和靈活的客戶(hù)關(guān)系建立和管理及商業(yè)模式是實(shí)現有效電中國煤化工CNMHG