空管領(lǐng)域本體庫(kù)的構(gòu)建研究與實(shí)現(xiàn)

楊 斯，羅喜伶

（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

隨著中國(guó)民航產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，空管業(yè)務(wù)急劇增多，對(duì)空管業(yè)務(wù)的Web服務(wù)開發(fā)人員來說，Web服務(wù)數(shù)量的增加，使他們對(duì)代碼的重用性和服務(wù)松耦合的要求越來越高。在創(chuàng)建新的服務(wù)時(shí)，能調(diào)用現(xiàn)有的服務(wù)進(jìn)行開發(fā)，而不是將新的服務(wù)重新全部編寫，更多的是對(duì)現(xiàn)有的服務(wù)進(jìn)行組合以及創(chuàng)建少量的服務(wù)來滿足新服務(wù)的需要。目前語義Web服務(wù)已成為空管領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢(shì)，歐洲已經(jīng)開始了語義空管系統(tǒng)的研究。作為語義Web的基礎(chǔ)，本體是一種知識(shí)重用、知識(shí)共享和建模的重要工具，空管領(lǐng)域本體庫(kù)對(duì)于新一代空管系統(tǒng)是不可或缺的。空管領(lǐng)域本體庫(kù)是空管領(lǐng)域本體的集合，是空管領(lǐng)域知識(shí)中概念、屬性、過程及相互關(guān)系的形式化描述，這種形式化描述使知識(shí)可以重用和共享，同時(shí)也有利于知識(shí)的獲取，可提高獲取的速度和可靠性。通過構(gòu)建空管領(lǐng)域本體庫(kù)可解決中國(guó)空管信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享難的問題。

1 本體

本體最初是哲學(xué)中的概念，用來表示世界的本源和存在的性質(zhì)。后來被引入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，用來表達(dá)人們對(duì)領(lǐng)域的共同理解[1-2]。

1.1 本體的定義

目前國(guó)際上對(duì)本體還沒有統(tǒng)一的定義，常見的幾個(gè)定義是：

定義1 本體是概念化的規(guī)范說明。這一定義強(qiáng)調(diào)本體描述的對(duì)象概念化。規(guī)范化的意思是采用了形式化的、計(jì)算機(jī)可處理的表達(dá)形式。

定義2 本體是被共享的、概念化的、形式化的規(guī)格說明。該定義強(qiáng)調(diào)本體表達(dá)的是人們共同的理解。

定義3 本體是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明[3]。該定義包含四層含義，即：概念模型、明確、形式化和共享，其中：①概念模型：通過抽象出客觀世界中一些現(xiàn)象的相關(guān)概念而得到的模型，它表現(xiàn)的含義獨(dú)立于具體的環(huán)境狀態(tài)；②明確：概念和概念的約束都有明確的和無歧義的定義；③形式化：本體能通過本體語言編碼，是計(jì)算機(jī)可讀，并可以被計(jì)算機(jī)處理；④共享：本體體現(xiàn)的是共同認(rèn)可的知識(shí)，反映的是相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的概念集。

總體來說，本體的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的共有知識(shí)，提供對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)的共同理解。從知識(shí)共享的角度來說，本體是通用意義上的概念定義集合，是在各種知識(shí)系統(tǒng)間交換知識(shí)的共同語言。

1.2 本體的構(gòu)建元素

空管領(lǐng)域本體的構(gòu)建可歸納為5個(gè)基本元素[4]：

1）類或概念：指任何事務(wù)，如工作描述、功能、行為、策略和推理過程等；

2）關(guān)系：在領(lǐng)域中概念之間的交互作用；

3）函數(shù)：一類特殊的關(guān)系，在這種關(guān)系中前n-1個(gè)元素可以唯一決定第n個(gè)元素；

4）公理：代表永真的描述；

5）實(shí)例：代表元素。

在實(shí)際中，不一定要嚴(yán)格按照上述五類建模元素來構(gòu)造本體，可以根據(jù)特定領(lǐng)域的具體情況定義相應(yīng)的關(guān)系，以滿足特定領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

1.3 本體的構(gòu)建方法

建設(shè)本體庫(kù)是一項(xiàng)耗時(shí)長(zhǎng)、代價(jià)大、精準(zhǔn)度高、協(xié)作性強(qiáng)的工作。本體庫(kù)的質(zhì)量決定了本體能否真實(shí)表達(dá)領(lǐng)域中的各種概念和概念之間的關(guān)系，在參考Noy N F和Mc Guinness D L提出的方法上[5]，根據(jù)空管領(lǐng)域本體的實(shí)際情況，提出了本體構(gòu)建的思路及流程，其步驟如下：

1）識(shí)別本體構(gòu)建目的，確定空管領(lǐng)域本體庫(kù)的結(jié)構(gòu)體系；

2）確定核心概念，定義空管領(lǐng)域本體的類和類的繼承；

3）定義空管領(lǐng)域本體的屬性；

4）建立概念層次結(jié)構(gòu)，定義空管領(lǐng)域本體的關(guān)系；

5）本體實(shí)例化。

在理論上設(shè)計(jì)了空管領(lǐng)域本體庫(kù)后，借助軟件對(duì)其編碼及實(shí)現(xiàn)。空管領(lǐng)域本體庫(kù)的構(gòu)建過程不是簡(jiǎn)單的從上而下順序推進(jìn)，而是一個(gè)增量迭代的過程。在初步建立本體庫(kù)后需要進(jìn)行邏輯推理，進(jìn)一步優(yōu)化。以下將按照此流程詳細(xì)說明空管領(lǐng)域本體庫(kù)的建設(shè)過程。

2 空管領(lǐng)域本體庫(kù)的設(shè)計(jì)

2.1 定義空管領(lǐng)域本體庫(kù)結(jié)構(gòu)

空管領(lǐng)域本體庫(kù)中建立三個(gè)本體：地區(qū)本體、用戶本體和空管業(yè)務(wù)本體。

地區(qū)本體，按照中國(guó)空管規(guī)范，區(qū)域性的描述了中國(guó)地區(qū)，是空管業(yè)務(wù)本體的描述基礎(chǔ)；用戶本體，描述了空管信息用戶類型、關(guān)系、屬性和權(quán)限，用戶本體是空管業(yè)務(wù)本體的使用者；空管業(yè)務(wù)本體，根據(jù)空管業(yè)務(wù)單元?jiǎng)澐?，并非按照飛行周期劃分，是因?yàn)槟承┛展芊?wù)持續(xù)存在于整個(gè)飛行生命周期中，如此可以避免概念的重復(fù)和不明確。

2.2 定義空管領(lǐng)域本體的類和類的繼承

地區(qū)本體包括華北、西北、中南、西南、東北、華東和港澳臺(tái)等7個(gè)部分。

用戶本體包括空管用戶、非空管用戶、管理員三個(gè)部分?？展苡脩舻亩?jí)領(lǐng)域有軍航用戶和民航用戶；管理員的二級(jí)領(lǐng)域有系統(tǒng)管理員和企業(yè)管理員。

空管業(yè)務(wù)本體包括航空公司、機(jī)場(chǎng)和空中交通管理三個(gè)部分，作為一級(jí)領(lǐng)域。

航空公司的二級(jí)領(lǐng)域有：航空公司和航空器的運(yùn)作、環(huán)境、機(jī)場(chǎng)和空中導(dǎo)航服務(wù)、貨物、乘客和安全保安。

機(jī)場(chǎng)的二級(jí)領(lǐng)域有：機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和機(jī)場(chǎng)運(yùn)作。

空中交通管理的二級(jí)領(lǐng)域有：空中交通管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、空中交通管理系統(tǒng)的管理、空中交通管理系統(tǒng)的運(yùn)行和空中交通管理系統(tǒng)的支持。

航空公司和航空器的運(yùn)作的三級(jí)領(lǐng)域有：工程和維修、飛行操作、航空器運(yùn)行、燃料、地面處理。

機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的運(yùn)行的三級(jí)領(lǐng)域有：機(jī)場(chǎng)總體規(guī)劃、土地利用和環(huán)境控制和飛行器參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)；機(jī)場(chǎng)運(yùn)作的運(yùn)行的三級(jí)領(lǐng)域有：機(jī)場(chǎng)服務(wù)、機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地管理、機(jī)場(chǎng)安全和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行。

空中交通管理系統(tǒng)的管理的三級(jí)領(lǐng)域有：空域組織管理、通信導(dǎo)航監(jiān)視、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)、安全管理、頻譜和頻率管理和航空保安；空中交通管理系統(tǒng)的運(yùn)行的三級(jí)領(lǐng)域有：空中交通服務(wù)（ATS）、空中交通流量及容量管理、航線費(fèi)用收取、航空情報(bào)管理和航空氣象。

空管業(yè)務(wù)本體的四級(jí)領(lǐng)域內(nèi)容繁多，此處不再贅述。

2.3 定義空管領(lǐng)域本體的屬性

屬性表現(xiàn)了概念的特性和特征，四級(jí)領(lǐng)域的類的數(shù)量繁多，大多數(shù)類都有自己的屬性，不能逐個(gè)枚舉，以下僅以用戶本體、航空公司和飛行器的類的屬性為例說明，分別如表1、表2所示，其中用戶屬性為共同屬性，軍民航用戶屬性是對(duì)應(yīng)類的特有屬性。

表1 用戶本體的類的屬性表Tab.1 User ontology class property table

表2 航空公司、航空器的屬性表Tab.2 Airline，airplane class property table

2.4 定義空管領(lǐng)域本體的關(guān)系

關(guān)系是領(lǐng)域中概念之間的交互作用，本體庫(kù)的設(shè)計(jì)不建議過多的關(guān)系，可以盡量使用屬性表現(xiàn)關(guān)系。

空管領(lǐng)域本體主要有兩個(gè)關(guān)系：一是用戶本體使用空管業(yè)務(wù)本體；二是空管業(yè)務(wù)本體在不同地區(qū)發(fā)生，表3所示兩種關(guān)系。

表3 空管領(lǐng)域本體的關(guān)系表Tab.3 ATM field ontology relationship table

2.5 構(gòu)建空管領(lǐng)域本體的實(shí)例

實(shí)例是概念的具體化例子，特定領(lǐng)域的所有實(shí)例構(gòu)成領(lǐng)域概念在該領(lǐng)域中的值域，以下僅以貨物和乘客為例說明，如表4所示。

表4 貨物和乘客的實(shí)例表Tab.4 Cargo and passage instance table

3 空管領(lǐng)域本體庫(kù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 空管領(lǐng)域本體的編輯

本體建庫(kù)工具有很多，支持的本體描述語言大都不同，本課題選用 Protégé4.0[6]版本的本體編輯軟件。Protégé是斯坦福大學(xué)開發(fā)的一款本體編輯軟件，基于 Java語言，能在 Windows和 Linux等平臺(tái)上使用。Protégé支持 OWL[7]、RDF（S）、RDF/XML等本體語言，提供對(duì)本體的讀入和編輯后的輸出，4.0及以上版本支持中文本體描述。Protégé支持功能上的可擴(kuò)展，很多本體應(yīng)用可直接在其基礎(chǔ)上進(jìn)行特定的二次開發(fā)。同時(shí)選用Graphviz2.8插件對(duì)所建本體進(jìn)行圖形化描述，可以實(shí)現(xiàn)中文本體的圖形化顯示。

根據(jù)第二部分所述步驟，構(gòu)建了空管領(lǐng)域本體的理論架構(gòu)，空管業(yè)務(wù)概念之間具有相互的層次關(guān)系，使用軟件編輯可得如圖1所示的樹形結(jié)構(gòu)，圖1僅反映了領(lǐng)域本體中的前三級(jí)概念類和類之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，由于四級(jí)類繁多，此處不在圖中顯示。

3.2 空管領(lǐng)域本體的存儲(chǔ)及調(diào)用

本體的存儲(chǔ)方法有三類：文本存儲(chǔ)、管理工具存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。文件存儲(chǔ)方式相對(duì)快捷，適合于小型的本體庫(kù)，但需要較大內(nèi)存，且不便于修改，不適合較大的本體庫(kù)；管理工具存儲(chǔ)方式，通過特殊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型和映射機(jī)制支持本體的存儲(chǔ)管理，其模型難以具有普遍性和一般性?？展軜I(yè)務(wù)類型多，數(shù)據(jù)量大，日后業(yè)務(wù)增長(zhǎng)快，不適合上述兩種方法，所以選取數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式。Protégé生成的本體文件有OWL、RDF（S）、RDF/XML等格式，其中OWL格式和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和管理。圖2是一段地區(qū)本體庫(kù)以O(shè)WL-S語言描述并存儲(chǔ)的形式。

4 結(jié)語

目前在理論及表示層面上對(duì)空管領(lǐng)域本體庫(kù)的框架進(jìn)行研究，空管領(lǐng)域本體庫(kù)在新一代空管系統(tǒng)中具體應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。本體庫(kù)的構(gòu)建需要綜合行業(yè)的大量知識(shí)和業(yè)務(wù)，需要不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，由于目前開發(fā)平臺(tái)與知識(shí)的限制，沒有對(duì)本體檢索、推理進(jìn)行研究，對(duì)這些方面不斷的、深入的研究，才能真正實(shí)現(xiàn)空管領(lǐng)域本體庫(kù)在基于語義的空管信息化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖2 空管領(lǐng)域本體庫(kù)以O(shè)WL-S格式存儲(chǔ)Fig.2 ATM field ontology library in OWL-S format

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