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基于本體的防汛信息系統(tǒng)設(shè)計

文檔作者：祝源文檔來源：河海大學(xué)商學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月08日
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2014.17 科技論壇
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基于本體的防汛信息系統(tǒng)設(shè)計
祝 源
（河海大學(xué)商學(xué)院，211100）
摘要：近年來，伴隨著水利信息化的不斷推進(jìn)，系統(tǒng)開發(fā)者和系統(tǒng)用戶之間溝通困難的問題開始涌現(xiàn)，嚴(yán)重阻礙了系統(tǒng)開發(fā)的
進(jìn)程。本文回顧了國外本體研究的進(jìn)展，分析了國內(nèi)基于本體的信息系統(tǒng)開發(fā)的實踐，通過使用本體能力問題幫助系統(tǒng)開發(fā)者
獲取用戶需求，并研究了本體在數(shù)據(jù)庫中的存儲設(shè)計。
關(guān)鍵詞：本體；信息系統(tǒng)；防汛
Design of flood control information system based on Ontology
Zhu Yuan
（Business school of Hohai university，211100）
Abstract ：Currently,there is communication problems between the users and the system developers,which
seriously hold back the development of flood systems.This paper analyzed the research and application of
ontology,designed the management information system based on Ontology.Using competency questions to help
system developer to acquire the users’needs,This paper make an attempt to store the Ontology in database
systems.
Keywords ：ontology;information system;flood control
0 引言
防汛工作往往由防汛指揮部牽頭，各個地方水利局或者水利
站協(xié)同工作，這就牽涉到各地方防汛工作小組對于一些問題的共
同理解。一方面，系統(tǒng)開發(fā)人員由于不是防汛專業(yè)人員，短時間內(nèi)
難以理解防汛業(yè)務(wù)使用的專用術(shù)語；另一方面，防汛人員由于對
系統(tǒng)開發(fā)的過程、技術(shù)手段等缺乏了解，而且用戶可能并不確切
知道自己的需求是什么，并將需求確切的表達(dá)出來，不知道該提
供哪些資料幫助系統(tǒng)開發(fā)者了解系統(tǒng)需求。本體就是通過形式化
地定義領(lǐng)域概念，使得不同的人能夠?qū)@些概念和問題實現(xiàn)共享
認(rèn)識?，F(xiàn)有的防汛信息系統(tǒng)在系統(tǒng)規(guī)劃之初就沒有考慮到這一問
題，他們往往針對各個地區(qū)所特有的問題，各個地方水利單位自
身的情況而進(jìn)行單獨(dú)的需求分析，造成需求的重復(fù)獲取，不能有
效地利用以往的開發(fā)經(jīng)驗。因此通過構(gòu)建一個防汛知識本體，生
成能力問題庫，為未來的防汛信息系統(tǒng)的開發(fā)提供需求參考。
1 國外本體研究回顧
為了提高員工操作環(huán)境的安全性和提升企業(yè)在全球市場的
競爭力，企業(yè)使用人工智能模擬（human simulation）對員工的工
作環(huán)境進(jìn)行仿真。然而，環(huán)境模型構(gòu)建的需要大量的時間與精力
投入，Seonhwa 對基于本體的建模方法進(jìn)行了驗證，節(jié)省了企業(yè)
的建模成本。
當(dāng)前的本體構(gòu)建主要存在2 種途徑：從基于數(shù)據(jù)庫的本體
構(gòu)建和自頂向下或自底向上的概念體系構(gòu)建方法。Ra 將兩者進(jìn)
行了結(jié)合，提出了一種混合構(gòu)建方法（MOBM）：首先基于數(shù)據(jù)庫構(gòu)
建本體核心，再通過概念體系法進(jìn)行補(bǔ)充實現(xiàn)本體的構(gòu)建，幫助
企業(yè)更有效的進(jìn)行知識表示。本體開發(fā)前期需要大量的準(zhǔn)備工
作，包括長時間的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果解釋，昂貴的專家咨詢和共識
建立過程。針對這一問題，d’Aquin 提出對數(shù)據(jù)挖掘和本體工
程的相互作用進(jìn)行研究，實現(xiàn)一種半自動獲取數(shù)據(jù)資源的方式，
進(jìn)而實現(xiàn)知識獲取。
Adigun 使用FOX 方法構(gòu)建了動態(tài)環(huán)境下的自適應(yīng)協(xié)作構(gòu)
建了本體，實現(xiàn)了動態(tài)環(huán)境的知識共享。Nagata 基于頂層本體
Goi-Taikei，使用半自動方法構(gòu)建了日本維基百科本體，產(chǎn)生了
良好的分類系統(tǒng)。為了更好地回答用戶的提問，本體在信息檢索
領(lǐng)域得到廣泛使用，然而隨著新概念以及概念關(guān)系不斷出現(xiàn)，有
限的本體庫需要得到相應(yīng)的更新。Mustapha 提出了一個基于案
例推理的本體學(xué)習(xí)框架，幫助本體庫進(jìn)行更新。
盡管本體可以用于組織和系統(tǒng)之間的溝通，支持通用軟件
系統(tǒng)的開發(fā)，但是使用本體進(jìn)行知識建模的應(yīng)用卻很少，原因在
于每次開發(fā)的本體都是服務(wù)于某個特定的應(yīng)用，不會考慮到本體
的分享和再利用。各個研發(fā)團(tuán)隊擁有自己的一套原則，他們遵循
自己的一組開發(fā)原則開發(fā)本體，由于缺乏一個統(tǒng)一的本體開發(fā)的
原則和開發(fā)方法，各開發(fā)團(tuán)隊之間的無法進(jìn)行有效的知識共享，
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已經(jīng)開發(fā)出的本體不能被其他的本體開發(fā)項目重用。針對這一
現(xiàn)狀，不同的研究者開始著手研究本體開發(fā)的方法論。另一方面
Pinto 等研究了本體融合的問題。一個學(xué)科是否成熟的標(biāo)識在于
是否存在廣泛接受的方法論，當(dāng)前不同的研究小組使用各自的方
法和流程開發(fā)本體，從這個角度講本體工程還處于發(fā)展階段。
當(dāng)前，本體是由少部分專家或者研究人員開發(fā)，這和遠(yuǎn)遠(yuǎn)多
于開發(fā)者的使用者形成對比，數(shù)量上的巨大差異產(chǎn)生一些問題：
首先，本體使用者不能控制本體的發(fā)展；其次，本體使用者不能
完全掌握一個概念的內(nèi)涵。這些都是因為本體的開發(fā)和使用是分
開的。
2 基于本體的信息系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀
近年來隨著信息系統(tǒng)在各個行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，考慮到本
體在信息組織和信息表示等方面的強(qiáng)大優(yōu)勢，人們開始嘗試將本
體和信息系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行結(jié)合。將信息系統(tǒng)和本體作為關(guān)鍵詞進(jìn)
行組合，對CNKI 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，近7 年來國內(nèi)基于本體的信息
系統(tǒng)構(gòu)建與研究如表1 所示，按照研究人員、年代、信息系統(tǒng)進(jìn)行
組織：
表1 基于本體的信息系統(tǒng)
基于本體的信息系統(tǒng)研究前提是所應(yīng)用的領(lǐng)域信息化程度
較高，不僅有信息化的標(biāo)準(zhǔn)，信息系統(tǒng)的發(fā)展也達(dá)到一定的階段，
因此基于本體的信息系統(tǒng)研究應(yīng)該是立足于成熟的信息系統(tǒng)開
發(fā)之上的。雖然不同行業(yè)的信息系統(tǒng)隨著領(lǐng)域知識的變化而存在
差異，但是將本體引入信息系統(tǒng)的開發(fā)存在以下幾個目的：
（1）建模工具：由于本體具有的共享特性使得同一個應(yīng)用領(lǐng)
域內(nèi)，不同的業(yè)務(wù)人員在開發(fā)系統(tǒng)時可以共享本體概念模型；基
于本體的系統(tǒng)建立之后，各個子系統(tǒng)可以共享這個本體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)
和信息的共享。另一方面，由于本體對領(lǐng)域內(nèi)概念的定義、概念之
間的關(guān)系有明確的形式化的定義，遇到新的現(xiàn)象、實例都可以納入
已有的本體知識結(jié)構(gòu)中，極大方便了未來系統(tǒng)的升級和擴(kuò)展。
（2）互操作性：大大小小的“信息孤島”阻礙了系統(tǒng)之間的互
操作性，通過共享統(tǒng)一的本體模型，不同的系統(tǒng)之間的互操作性
將會大大增強(qiáng)，從系統(tǒng)層面加強(qiáng)了企業(yè)各個部門的協(xié)作；另一方
面，使用本體幫助各個部門理解彼此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提供一個溝通
的平臺。
（3）數(shù)據(jù)集成：基于本體的信息系統(tǒng)大多具有分布范圍廣的
特點，并且已經(jīng)建成的各地信息系統(tǒng)較為成熟，推倒重新設(shè)計系
統(tǒng)代價太大，因此通過本體進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，從而實現(xiàn)對信息資源
統(tǒng)一管理的目的。本體不僅是用于業(yè)內(nèi)人員的協(xié)作，也用于企業(yè)
對外信息的發(fā)布。
3 防汛本體構(gòu)建
針對防汛知識的無序組織現(xiàn)象，本文初步研究了工情知識
和雨水情知識，構(gòu)建相應(yīng)的知識本體。借鑒了METHONTOLOGY 和
TOVE，設(shè)計了防汛知識本體構(gòu)建流程，如圖1 所示：
圖1 本體構(gòu)建流程
3.1 防汛本體構(gòu)建目標(biāo)和范圍確定
防汛知識往往和水利知識組織在一起，作為水利知識的一個
分支而存在。當(dāng)然防汛知識主要以專業(yè)書籍、行業(yè)文件、省市的水
利網(wǎng)站、防汛工作手冊等形式存在。構(gòu)建防汛知識的本體需要盡
可能多地收集防汛資料，搭建一個領(lǐng)域核心知識體系，確定本體
的相關(guān)領(lǐng)域范圍，從而使防汛領(lǐng)域本體的構(gòu)建有明確的路線。
3.2 防汛核心概念提取與分析
水利領(lǐng)域相關(guān)的概念非常多，但我們在描述核心知識體系
時不需要將所有概念一一列舉，而是篩選出和防汛密切相關(guān)的概
念，作為防汛本體中的核心概念。
3.3 頂層本體構(gòu)建
防汛知識本體構(gòu)建過程中的選詞、概念之間的屬性關(guān)系確定
及最終本體邏輯體系的形成都需要征詢防汛領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?。?
本體初步邏輯體系形成過程中，邀請領(lǐng)域的專家一直協(xié)同工作。
在屬性關(guān)系確定環(huán)節(jié)，邀請參與防汛工作的一線人員和水利專家
參與討論，對制定的屬性關(guān)系進(jìn)行評判，如果同意則進(jìn)行下一步
驟，不同意則針對主要的不足之處重新進(jìn)行選詞，對于專家之間
的不同意見進(jìn)行溝通和協(xié)商，形成最后的統(tǒng)一意見，最終形成本
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體邏輯體系。
4 OWL 本體關(guān)系模式設(shè)計
本體的存儲主要分為兩種途徑：文件存儲和數(shù)據(jù)庫存儲。數(shù)
據(jù)庫存儲主要分為XML 數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫?；谖募谋倔w存
儲隨著本體規(guī)模的不斷擴(kuò)大，后期維護(hù)成本越來越高，查詢效率也
會降低；相比較基于文件的存儲方式，基于數(shù)據(jù)庫的本體存儲查
詢效率高，并且有許多數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品如Oracle、MYSQL、SQLSERVER
等可供選擇。由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)已經(jīng)成熟，許多數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品也已
經(jīng)投入商用，并且現(xiàn)有的防汛信息系統(tǒng)大多使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行
數(shù)據(jù)的管理，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫可以直接以知識查詢模塊的方式加
入現(xiàn)有系統(tǒng)，因此本文選擇關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲防汛本體。
OWL 本體之所較其他本體語言有更強(qiáng)的語義描述能力在于
它有更多的描述概念與概念之間關(guān)系的機(jī)制。OWL 本體元素主要
包括概念、屬性和實例等，屬性分為對象屬性和數(shù)據(jù)屬性，通過對
OWL 語言和關(guān)系模式的比較分析，分別設(shè)計fClass、fInstance、
fProperty 三個表來存放本體中的概念、屬性和實例。OWL 本體
中概念之間的關(guān)系是通過對屬性的定義域和值域的設(shè)置來完成
的，分別設(shè)計表定義域表fDomian 和值域表fRange 來存放本
體中的屬性，其中Class 為外鍵，與表fClass 相聯(lián)系。概念之
間有子類父類的關(guān)系，有等同關(guān)系，有不相交關(guān)系，分別設(shè)計表
fSubClass 、fEquivalentClass、 fDisjointClass，都通過外鍵
Class 與fClass 表相連。例如要想知道分洪區(qū)屬于防汛體系中
的上層概念，可以在fSubClass 表中檢索分洪區(qū)，得到它對應(yīng)的
上次概念是蓄滯洪區(qū)；另一方面，字段superclass 的值為蓄滯
洪區(qū)的所有記錄的class 都是蓄滯洪區(qū)的子概念，可以得到蓄洪
區(qū)、滯洪區(qū)等概念。本體存儲模式如下圖所示：
圖2 本體的關(guān)系存儲模式
由上圖可見，本體各個概念之間的關(guān)系在關(guān)系數(shù)據(jù)庫通過外
鍵相聯(lián)系，本體如果發(fā)生變化只需要對各個關(guān)系表的記錄進(jìn)行增
加或刪減，而不需要修改數(shù)據(jù)模式，縮小了本體維護(hù)的代價。系統(tǒng)
開發(fā)人員也可以依據(jù)上圖進(jìn)行查詢語句的設(shè)計，開發(fā)基于本體的
防汛知識系統(tǒng)。
5 總結(jié)
傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)的建模，概念的使用相對分散，各個地區(qū)，各
個部門都有各自的系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，容易形成信息孤島。由于系統(tǒng)開
發(fā)人員對防汛知識缺乏系統(tǒng)了解，系統(tǒng)需求獲取受到很大的限制。
防汛本體的構(gòu)建為專業(yè)系統(tǒng)開發(fā)人員和防汛工作人員架起了一座
溝通的橋梁，開發(fā)的信息系統(tǒng)更能滿足防汛人員的需求；另一方
面，基于本體的信息系統(tǒng)構(gòu)建方法將本體建模引入到信息系統(tǒng)的
建模過程中，為信息系統(tǒng)的建模提供了理論依據(jù)。本文在回顧國內(nèi)
外本體研究的基礎(chǔ)上對基于本體的信息系統(tǒng)開發(fā)過程中的需求獲
取和本體的存儲進(jìn)行了研究，下一步將進(jìn)行系統(tǒng)的實施。
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