什么是本体：从概念体系到形式化建模

在知识图谱、语义网和知识表示中本体Ontology是一个核心概念。初学者常把本体理解为术语表、分类表或若干概念名称的集合但这种理解并不完整。本体真正关心的不只是“有哪些概念”而是“这些概念如何定义、如何分类、如何关联以及它们满足什么约束”。因此本体可以看作是对某一领域知识结构的形式化建模。一、什么是本体从知识表示角度看本体是对某一领域中概念、属性、关系及其约束的共享、明确、形式化描述。这个定义中有三个关键词值得把握。1、共享本体不是个人随意给出的名称集合而是希望在一定范围内形成共同理解以便不同的人、不同系统围绕同一套概念框架进行表达和交流。2、明确本体中的概念、关系和约束应当被清楚说明而不是停留在模糊、含混的自然语言层面。3、形式化本体不是一般性的文字说明而是要用较规范、可处理的方式表达出来使计算机能够识别、校验和推理。因此本体不是某个具体对象本身而是对一个领域“知识如何组织”的抽象模型。例如在动物领域中可以围绕“动物”“哺乳动物”“鸟”“有毛发”等概念建立结构在教育领域中也可以围绕“学生”“教师”“课程”“学院”等概念建立结构。只有当这些概念之间的层次、属性和关系被明确表达出来时它们才真正构成本体的一部分。二、为什么需要本体知识图谱并不是把事实一条条记录下来就足够了。如果没有统一的概念体系不同数据源往往会采用不同名称、不同分类方式和不同属性结构。这样即使数据很多也难以整合、共享和复用。本体的重要作用主要体现在以下几个方面。1、统一概念同一领域中不同来源常常采用不同说法。本体能够给出较稳定的概念定义和层级结构减少概念混乱。2、规范关系本体不仅说明“有哪些对象”还说明“这些对象之间可以建立什么关系”从而使知识结构更清楚。3、约束属性本体可以说明某些属性适用于哪些类、某些属性值应属于什么范围从而使知识表达更规范。4.、支持推理当概念、关系和约束被形式化表示后系统才能依据这些结构推出新的结论。因此本体不是知识图谱中的附属部分而是知识图谱能够稳定建模、共享和推理的重要基础。三、本体通常包含哪些内容本体通常不只是概念名称的集合而至少包括以下几个方面。1、类类Class表示某一类对象或概念。例如人学生大学哺乳动物2、属性属性Property用于描述类或对象的特征。例如有年龄有国籍有创作时间3、关系关系Relation表示对象之间或概念之间的联系。例如教师教授课程画家创作作品作品收藏于博物馆4、约束约束Constraint用于说明类、属性和关系应满足的规则。例如“学生”是“人”的子类“有年龄”的定义域是“人”某些类之间互斥某些属性具有传递性。在很多实际系统中本体主要定义类、属性、关系和约束在基于本体构建知识图谱时还会进一步加入实例数据。可以用下面这幅图概括本体的组成这说明本体不是单一元素而是由概念、关系和规则共同构成的结构体系。四、本体与概念体系是什么关系概念体系强调的是一个领域中有哪些概念以及这些概念之间怎样分层和关联。本体则是在概念体系基础上进一步把这些内容明确化、规范化和形式化。可以简单概括为概念体系偏向“知识整理”本体偏向“形式化建模”。例如在动物领域中若只是列出“动物、哺乳动物、鸟、鱼”这主要还是概念体系若进一步说明“哺乳动物是动物的子类”“鸟也是动物的子类”“有毛发通常适用于哺乳动物”那么就进入了本体建模。因此本体可以看作是把概念体系从“认识上的整理”提升为“机器可处理的结构”。五、本体为什么能够支持推理本体不仅帮助整理概念更重要的是它还能为推理提供基础。原因在于本体中不仅有名称还有类层次、属性范围和逻辑规则。例如如果“学生”是“人”的子类某个对象属于“学生”那么系统就可以推出该对象也属于“人”。再如如果“祖先”关系具有传递性A 是 B 的祖先B 是 C 的祖先那么系统可以推出A 是 C 的祖先。这说明本体的价值不只在于“描述知识”还在于“使系统能够根据这些描述得到新知识”。也正因为如此本体在语义网和知识图谱中始终占有重要地位。六、本体与知识图谱是什么关系本体和知识图谱关系密切但二者并不相同。1、本体更偏向结构与规则本体关注的是这个领域中有哪些类、属性、关系和约束以及这些内容应怎样组织。2、知识图谱更偏向对象与事实组织知识图谱关注的是有哪些具体实体这些实体之间有哪些具体关系具有什么具体属性。因此可以把二者的关系概括为本体提供建模框架知识图谱组织具体事实。例如本体中可以定义“画家”“作品”“创作”这些类和关系知识图谱中则进一步写入“梵高”“《星夜》”“创作于 1889 年”等具体事实。所以本体不是知识图谱的替代物而是知识图谱的重要支撑结构。七、学习本体时最容易出现哪些误解学习本体时常见误解主要有以下几种。1、把本体理解成术语表术语表只是列出名称而本体还要说明概念之间的关系、属性和约束。2、把本体理解成普通分类表分类只是本体的一部分本体还包含属性结构和语义规则。3、认为本体只适合理论研究实际上本体在知识图谱构建、数据整合、语义搜索和自动推理中都有实际作用。4、认为有了本体就等于有了完整知识图谱本体提供的是框架不是全部事实内容。真正的知识图谱还需要大量具体实体、关系和属性实例。因此理解本体时最重要的是抓住它的本质本体不是对象本身而是对对象世界进行形式化组织的知识模型。 小结本体是对某一领域中概念、属性、关系和约束的形式化描述。它不是术语表也不是普通分类表而是把概念体系提升为机器可处理的知识结构是知识图谱建模、共享和推理的重要基础。“点赞有美意赞赏是鼓励”