基于Protégé的新一代GPS知识模型的验证

摘 要：依据GPS元模型和形式化知识模型，利用Protégé开发工具，建立了本体的几何要素类、几何要素的对象属性和数据属性，开发了LiteGPS本体。并用实例验证了模型的推理能力，最后将本体导入MySQL数据库，方便了知识的管理。

关键词：GPS；知识表示；描述逻辑；ALC（D）

基金项目：广西高等学校立项科研项目（2013LX139）、贺州学院校级科研项目（2014ZC22）和广西自然科学基金项目（2014jjBA70066）

1 引言

近年来蒋向前教授等[1]在GPS操作和操作算子的知识表示和知识库研究方面取得了一些新的进展，提出了一种新的无二义性的知识表达模式，应用于复杂表面材质。这些基于GPS通用矩阵设计、制造和检验的表面材质知识形式表示能够满足设计师和工程师的需要。Yuanping Xu等[2]基于范畴论，介绍了知识的统一表达和获取机制，并针对GPS具体应用研究了GPS知识库和相应的推理机制在实现上的难点。

2 GPS模型的形式化表示

依据以上的非形式化模型，我们将建立与之对应的ALC（D）形式化模型。

3 Protégé开发GPS本体

基于ALC（D）的形式化模型，以Protégé为开发平台，分步骤建立了GPS本体。用Pellet推理机进行了实例验证。最后建立与数据库的联系，将本体导入数据库，方便了知识的管理。

Protégé是基于Java语言开发的本体编辑和知识获取软件，由Stanford、Manchester大学合作开发，软件用于创建知识模型并填充数据，属于开放源代码软件。

3.1 GPS知识本体开发实例

在Protégé中的类（Class）相当于描述逻辑中的概念，它分为内部类（Build-in Class）、具名类（Named Class）和复杂类。具名类和复杂类分别对应着原子概念和复合概念。Biuld-in类包含nothing， nothing表示一个空类；thing则表示根类，所有的类都是它的子类，thing下面的第一层是具名类，即原子概念。复杂类可以通过交、并、补和枚举等构造子来生成。Protégé中的属性（Properties）的相当于描述逻辑中的关系。在Protégé开发环境下创建上两节建立知识模型的步骤如下。

3.1.1 工程创建

运行Protégé，单击File->New Project...，出现对话框，选择OWL Files，直接单击Finish，不用选择Next。然后单击File->Save，项目名称设置为GPS，文件名称设置为LiteGPS，语言保持默认。

3.1.2 要素、理想要素和非理想要素的创建

Protégé窗体包含五个标签分别是OWL Classes、Properties、Forms、Individuals和Metedate，我们单击最左边的Class标签。Thing根结点是所有类的父类。建立类有两种方法添加，点击当前标签页上的Create Subclass按钮或点击右键选择Create Subclass，然后在右边的CLASS EDITOR面版的name中填入要素的概念名F。然后我们可以建立要素的子类，在F上点击右键，选择Create Subclass，添加理想要素IF和非理想要素NIF。

3.1.3 创建几何要素的对象属性

Protégé当中的属性是描述逻辑当中的一个二元关系。它分为对象属性（Object Properties）和数据属性（Data Properties），分别表示类与实例和类的实例与文字之间的关系。为了新建一个属性，我们先选择Properties标签页，然后单击Create Object Property，Name改为partOf，如果A是B的一部分，B是C的一部分，A一定是C的一部分。它具有传递性，所以在右下角Transitive前面打勾。然后再建立一个hasPart关系，它是partOf的逆关系，即hasPart（A，B），那么partOf（B，A）。这时我们点击主菜单OWL->Run Ontology test...， 创建一个带约束的类center时，先添加一个子类，找到右边的Asserted Condition标签，单击new restriction，在弹出的对话框的右边选择SomeValueFrom，然后在对话框下面选择InsertClass，选择SP和CR或填入 。

3.1.4 创建几何要素的数据属性

CY、CR和SP都具有radius和diameter属性，CO则具有apexAngle属性。创建数据属性，首先要选择属性标签页，然后选择绿颜色的Create DataType Property按钮，将名字改为radius，在下边的定义域 标签上，单击add named Classes，然后分别选择CY，CR，SP最后在旁边的值域一页选择整数或浮点类型，这需要看具体的应用领域，这样CY、CR和SP就具有了Radius这个属性。

3.1.5 创建表面模型的个体

建立非理想表面的个体SP、Scr、Scy和S1。选择Individuals标签页，然后在选中右边的S类的前提下，单击INSTANCE BROWSER中的Create 按钮，出现了个体实例，然后将它的名字改为SP，同理可以建立Scr、Sc和S1。我们可以看出SP包含Scy，Scy包含Scr。分别在Scy的part of中填入SP， Scr的part of中填入Scy。此时再查看SP时，发现SP的hasPart已经包含了Scr、Scy，再分别建立PT的3个实例PT_1，PT_2，PT_3。

3.1.6 查询实例

点击主菜单Project->Configure，在对话框中找到QueriesTab并选中，点OK完成。然后选择刚出现的QUERIES标签，再点击Select Cls按钮，加入IF类，在Slot中加入part of，在选择contains，在选择S_1，再点击Find。含义是哪些理想要素包含在实例S_1中，查询结果会在右边的Search Results中出现。结果说明S_1包含3个PT的实例PT1，PT2，PT3。为了方便，我们可以把这个结果保存起来。在下方的Query Name中的输入“包含在S_1中的理想要素”再单击右边的Add to Query Library按钮，这样命令就保存到Query Library。

3.1.7建立LiteGPS本体库

为了方便了对知识进行管理，我们可以用可以把本体放入数据库中，以Mysql5.1为例，第一步先安装Mysql；第二步建立OWL数据库；第三步下载JDBC驱动程序，解压后将其名改为owl_driver.jar，将它复制到protégé的安装路径下。运行protégé，选择主菜单File->Convert Project to Format。

4 结束语

本文给出了用ALC（D）描述的形式化知识表达，介绍了Protégé开发平台，分步骤建立了liteGPS本体，利用Pellet推理机进行了实例验证，从而说明了所建立的知识模型确实具有推理能力。因为描述逻辑和霍恩规则各自的推理都具备可判定的特点。所以，描述逻辑和霍恩规则都是一阶谓词逻辑的相交但又互不包含的可判定的子集，如何发挥两者的优点，将是下一步研究的方向。