基于語義Web的旅游信息服務(wù)的研究與應(yīng)用
摘 要 本文提出了一種基于語義Web的旅游信息服務(wù)應(yīng)用的新架構(gòu)，并給出了實現(xiàn)此服務(wù)應(yīng)用的構(gòu)建方法。該方法通過本體來增強服務(wù)描述語義，利用OWL本體描述語言來表示旅游本體的語義信息，通過基于本體的描述邏輯的推理有效地實現(xiàn)旅游信息的語義化查詢和智能化服務(wù)。
關(guān)鍵詞 語義Web；本體；OWL；推理
1 引言
近年來，Web的發(fā)展日新月異，已經(jīng)成為一個巨大的全球化信息資源庫。網(wǎng)絡(luò)信息資源數(shù)量飛速增長，網(wǎng)絡(luò)信息資源組織呈現(xiàn)多種模式并存的局面。專家學(xué)者們在嘗試了多種提高網(wǎng)絡(luò)信息資源組織質(zhì)量，改進檢索效率的措施之后，正嘗試綜合運用不同層次的元數(shù)據(jù)模型來構(gòu)建語義Web，使Web文檔的語義能清晰地體現(xiàn)出來，并為檢索程序所理解。而傳統(tǒng)的旅游信息系統(tǒng)是在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，歐洲在這方面有許多成功的例子，比較著名的有奧地利帝羅爾信息系統(tǒng)，瑞士阿彭策爾信息系統(tǒng)等[1]。這些系統(tǒng)功能強大，涵蓋了旅游業(yè)的食、宿、行、導(dǎo)、購游等各項服務(wù)功能，但隨著旅游服務(wù)信息和服務(wù)需求信息的幾何級數(shù)的速度增長，基于傳統(tǒng)的旅游信息查詢已不能適應(yīng)當(dāng)前旅游者對旅游信息的快速多變化的需求增長，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合目前語義Web技術(shù)的新發(fā)展，提出了一種基于語義web的旅游信息服務(wù)的新構(gòu)建，其在Web系統(tǒng)中增加機器可理解的語義內(nèi)容，實現(xiàn)了語義信息的推理查詢，有效地提高了旅游信息查詢的廣度和準確度。
2 語義Web的相關(guān)技術(shù)
2000年Berners_Lee在XML2000會議上正式提出Sematic Web[2]，它的基本思想就是通過在Web信息的創(chuàng)作和發(fā)布中嵌入機器可閱讀的、代表某類知識的標注，使Web上的數(shù)據(jù)不僅被機器顯示，而且能夠被機器理解，使網(wǎng)絡(luò)中盡可能多的信息都具有語義的表達。語義Web的體系結(jié)構(gòu) [2]包括有七層，自下而上各層功能逐漸增強。
2.1語義Web中的本體
本體是對共享的概念化進行形式的顯式規(guī)范說明[3]。通俗地講，本體是用來描述某個領(lǐng)域甚至更廣范圍內(nèi)的概念以及概念之間的關(guān)系，使得這些概念和關(guān)系在共享的范圍內(nèi)具有大家共同認可的、明確的、唯一的定義。通過構(gòu)造領(lǐng)域本體知識庫為信息源提供必要的語義信息，使系統(tǒng)對領(lǐng)域的概念、概念之間的聯(lián)系及領(lǐng)域內(nèi)的基本公理知識有一個統(tǒng)一的認識，進一步實現(xiàn)Web信息的智能化推理，提高系統(tǒng)的智能性和精確性。目前本體已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于語義Web 、智能檢索、信息集成等領(lǐng)域[4]。
2.2 語義Web的本體建模語言
2004年，W3C提出OWL作為對本體描述的語言。它有三個表達能力遞增的子語言：OWL Lite、OWL DL和OWL Full 。考慮到實際應(yīng)用在知識表達能力和推理能力較強和保證推理的可判定性兩個方面的要求，選擇OWL DL作為本應(yīng)用的本體表示語言。
2.3 本體的構(gòu)建工具
目前的本體構(gòu)建工具有Ontolingua[5]，WebOnto[6]，OntoSaurus[7]，Protege_2000[8]，WebODE[9]，OntoEdit[10]等。借助這些工具，可以把精力集中在旅游本體信息的組織上，而不必了解本體描述語言的復(fù)雜語法細節(jié)，避免了很多錯誤的發(fā)生，更方便我們對本體的構(gòu)建。本應(yīng)用中，我們采用Protege2000作為該旅游信息本體的構(gòu)建工具。Protege2000是美國Stanford大學(xué)開發(fā)的本體編輯器，它用Java開發(fā)是一個開源的項目，以O(shè)WL插件的形式支持OWL格式的本體，此OWL插件用Jena包支持OWL文檔的讀取。
2.4 推理的應(yīng)用
Jena是一個為語義網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的一個Java API，專門用來構(gòu)建語義網(wǎng)的應(yīng)用軟件，它為RDF、RDFS和OWL提供了一個可編程實現(xiàn)的環(huán)境。推理功能是Jena中的一個重要子系統(tǒng)，用來實現(xiàn)本體信息的智能推理。
3 語義Web的旅游服務(wù)應(yīng)用實例
圖1的本體信息中，實箭頭表示實例，虛箭頭表示屬性關(guān)系，其中有部門機構(gòu)、省市、旅游景點、旅店等四個本體的部分信息，當(dāng)有一游客需要了解桂林的景點名山時，傳統(tǒng)的做法是建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行管理，但基于關(guān)鍵字的查詢有時是不能滿足的，此時系統(tǒng)可能通過旅游景點的實例信息七星公園和象山公園來找到駱駝山和象鼻山，由于獨秀峰并不存在于景點的具體實例中，此時就查詢不到獨秀峰。然而我們知道廣西師大內(nèi)有一座獨秀峰，同時獨秀峰也是旅游景點的一個子類，則可以認為廣西師大也作為一景點實例。通過語義Web，利用Jena推理機進行語義查詢，返回獨秀峰作為查詢結(jié)果提交給用戶。同時，當(dāng)要查找桂林市內(nèi)旅店時，不僅可以通過旅店的實例查詢到帝苑酒店和桂林賓館，此外，廣西師大內(nèi)設(shè)有學(xué)校招待所，而招待所同時也是旅店的一個子類，所以認為廣西師大也可作為旅店實例，并把學(xué)校招待所也作為查詢結(jié)果返回給用戶。而且當(dāng)我們要統(tǒng)計桂林市區(qū)內(nèi)的旅游景點時由于廣西師大和旅游景點并無直接實例關(guān)系，借助傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)無法得出獨秀峰也是秀峰區(qū)的一個旅游景點。而通過構(gòu)建語義Web，我們知道廣西師大內(nèi)獨秀峰是一旅游景點子類，自然也認為廣西師大屬于旅游景點，同時廣西師大又位于秀峰區(qū)，通過本體和Jena推理機的應(yīng)用可以方便的查找到秀峰區(qū)下有一景點為廣西師范大學(xué)，這樣利用語義Web可以更全面更準確的查找到更多相關(guān)的旅游信息。
４ 基于語義Web的旅游服務(wù)系統(tǒng)
４.1 基本功能結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)包括如圖2所示7個基本功能模塊。
信息統(tǒng)計分析：如指定范圍的旅游景點數(shù)，旅游景區(qū)的分布，各旅游景區(qū)的旅游流情況，旅游景區(qū)的分類等。
語義描述模塊：負責(zé)對指定的信息資源（如非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、結(jié)構(gòu)化）將相關(guān)領(lǐng)域的本體類、語義屬性、語義關(guān)系以及語義規(guī)則用OWL進行旅游信息的語義描述。
語義提取模塊：本應(yīng)用選取指定的幾個有名的旅游信息網(wǎng)站作為輔助信息源，結(jié)合語義描述模塊對其中旅游信息進行語義提取，將最終結(jié)果轉(zhuǎn)化為OWL格式文件。
語義存儲模塊：主要負責(zé)將OWL所描述的信息資源與Protege構(gòu)建的旅游本體庫一起存儲到MySql數(shù)據(jù)庫中。
語義查詢模塊：主要負責(zé)基于語義的旅游信息查詢。
語義輸出模塊：主要負責(zé)將旅游信息本體類、語義屬性、語義關(guān)系及由此推理得到的隱藏信息以一定的方式呈現(xiàn)給用戶。可通過與本體類、語義屬性定義的子系統(tǒng)的接口以及推理查詢子系統(tǒng)的接口來獲得。
系統(tǒng)維護管理模塊：主要是系統(tǒng)本體數(shù)據(jù)庫建立、編輯與更新，以及系統(tǒng)的界面修改和文件管理等。
４.2 基于語義的推理查詢
基于語義Web的旅游信息服務(wù)應(yīng)用最重要的一個功能就是在系統(tǒng)中使用了基于本體的語義推理查詢，由于使用本體作為檢索系統(tǒng)的語義核心，充分利用其在知識表示和語義描述上的特性和優(yōu)點，將語義處理結(jié)合到應(yīng)用模型中去，利用Jena推理機結(jié)合自定義的規(guī)則庫進行更廣泛的推理，很好的實現(xiàn)信息查詢的智能化。基于語義的推理查詢可實現(xiàn)如下子查詢：
周邊信息查詢：查詢從指定地點周邊指定距離內(nèi)的旅游資源、公共服務(wù)設(shè)施及企事業(yè)單位。用戶可以對某一地點對其周邊指定范圍內(nèi)的指定資源類別進行查詢分析，如對桂林市區(qū)“漓江”周邊“2000米”范圍內(nèi)的“四星級的景點”進行查詢分析，得到了七星公園、象山公園、伏波山、疊彩山等4條查詢結(jié)果，點擊其中一條即可顯示出其相關(guān)旅游信息。
最近信息查找：查詢離指定地點最近的旅游資源、公共服務(wù)設(shè)施及企事業(yè)單位。用戶可對某一地點查詢距離其最近的一類指定資源類別，并顯示其查詢結(jié)果和相關(guān)旅游信息。如我們要查詢距離“廣西師大”最近的“四星級景點”，推理查詢后得到“伏波山”1條查詢結(jié)果。
高級查詢：系統(tǒng)提供給用戶多種選擇信息進行自動匹配并推理查找出條件相符的各類信息。由于本應(yīng)用中的各種查詢都要利用部署在接口與本體之間的推理機，通過推理機對查詢的語言進行規(guī)范統(tǒng)一的處理后，根據(jù)本體中內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系推理出備選的答案。
４.3 系統(tǒng)實現(xiàn)
4.3.1系統(tǒng)模型架構(gòu)
本系統(tǒng)采用B/S模式，所用軟件包均是基于 Java環(huán)境的開源項目，具有很好的移植性和開放性。該系統(tǒng)利用“旅游信息本體庫”為用戶提供基于本體的語義信息檢索，采用可視化的界面和多種方式的查詢?nèi)肟冢瑢崿F(xiàn)基于語義的智能信息查詢。系統(tǒng)模型架構(gòu)如圖3所示。
用戶端界面作為系統(tǒng)的門戶，包括信息錄入、顯示和查詢等操作，它為用戶通過瀏覽器訪問信息系統(tǒng)提供了一個基于Web的接口。用戶通過瀏覽窗口提交服務(wù)請求給HTTP服務(wù)器，HTTP服務(wù)器從消息中解析出查詢請求，轉(zhuǎn)發(fā)請求給服務(wù)器端的Web服務(wù)器，Web服務(wù)器把請求交給Servlet服務(wù)器組件，調(diào)用javaBean通過內(nèi)部推理機，搜索本體數(shù)據(jù)庫中的信息。Web服務(wù)器把推理查詢的結(jié)果遞交給HTTP服務(wù)器，再由HTTP服務(wù)器把結(jié)果包裝成SOAP消息發(fā)送給用戶。
4.3.2本體信息數(shù)據(jù)庫
本體數(shù)據(jù)庫中存儲的是相關(guān)的旅游本體信息，是整個系統(tǒng)的基石。
圖4中對旅游領(lǐng)域相關(guān)的非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化信息進行語義實體和語義關(guān)系的抽取，結(jié)合構(gòu)建好的領(lǐng)域本體庫一并置入語義本體數(shù)據(jù)庫中。我們將語義本體庫存儲在MySql關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)來存儲本體庫中的三元數(shù)據(jù)。由于“旅游本體庫”是用Protege作為工具開發(fā)的，因此本體庫最初的存儲方式是OWL文件，這里需要利用OwlFile2DB類來將本體數(shù)據(jù)庫裝載到數(shù)據(jù)庫中去。基于數(shù)據(jù)庫的本體存儲方式比文件存儲方式能處理更大的本體庫模型，而且不需要顯式的保存數(shù)據(jù)模型，效率更高，但是需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫配置。但對于大多數(shù)應(yīng)用來說，數(shù)據(jù)庫方式是必要的。所以本應(yīng)用采用了這種方式。
4.3.3推理查詢模塊
應(yīng)用中的本體信息查詢是基于語義Web技術(shù)的發(fā)展，考慮到查詢用戶的特性以控制查詢過程，通過使用一些描述邏輯語言，對大量的領(lǐng)域信息和網(wǎng)絡(luò)資源使用邏輯表述進行唯一規(guī)范化的合理解析，并使用語義精確方法與本體數(shù)據(jù)庫中的術(shù)語相關(guān)聯(lián)，利用本體庫中的術(shù)語及術(shù)語之間的關(guān)系來建立用戶查詢界面，系統(tǒng)將用戶的選擇包含到查詢串中，對本體數(shù)據(jù)庫中的旅游信息進行語義查詢我們還需要利用Jena推理機來實現(xiàn)此功能。首先，把圖1中所有用到的與旅游相關(guān)的概念、關(guān)系和實例用Protege工具構(gòu)建好，以O(shè)WL的形式存儲到MySql數(shù)據(jù)庫中。對于選定的一些輔助網(wǎng)絡(luò)資源，通過本體發(fā)現(xiàn)、本體映射等方法進行語義實體及語義關(guān)系的發(fā)現(xiàn)和抽取并將結(jié)果以O(shè)WL的形式存儲到語義本體數(shù)據(jù)庫中。第二，根據(jù)查詢需要構(gòu)造本體規(guī)則庫：如：
Rule1：(?x hasHill ?y)，(?y isSubClassOf ?z) (?x isSubClass ?z)
Rule2：(?x hasHill ?y)，(?x locateIn ?z) (?Y locateIn ?z)
Rule3：(?x hasHotel ?y)，(?y isSubClassOf ?z) (?x isSubClassOf ?z)
Rule1說明如果某部門機構(gòu)x內(nèi)有一座山y(tǒng)，而y屬于旅游景點z，則x也屬于旅游景點z的子類。Rule2說明如果某部門機構(gòu)x內(nèi)有一座山y(tǒng)，x位于城區(qū)z，則y也位于城區(qū)z。Rule3說明如果某部門機構(gòu)x設(shè)有招待所y，而y屬于旅店z，則x也屬于旅店z。第三，把建立好的規(guī)則庫放入Jena推理機中，基于前面建立的本體信息數(shù)據(jù)庫進行推理，可以很方便的推理查詢出更多更精確的旅游信息。
本應(yīng)用系統(tǒng)利用本體把語義信息加入到檢索中，實現(xiàn)了描述邏輯推理過程的優(yōu)化，實現(xiàn)了語義Web的推理查詢方法。實際應(yīng)用表明，該方法能夠以一種明確的、形式化的方式來表示領(lǐng)域知識，促進知識共享的實現(xiàn)和智能性檢索技術(shù)的應(yīng)用。
５ 結(jié)束語
基于語義Web的系統(tǒng)構(gòu)建是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。我們知道本體是語義Web中最關(guān)鍵的技術(shù)，它使得Web上的信息共享和重用成為可能。但當(dāng)前的本體編輯工具發(fā)展得還不成熟。要使得本體編輯工具得到更廣泛的應(yīng)用，還應(yīng)在界面化、功能完善、推理支持和與其它的開發(fā)工具結(jié)合上更進一步。同時本體集成、映射方法還很不成熟。雖然語義Web技術(shù)的研究取得了很大的發(fā)展，但是Intenet上基于本體的語義的應(yīng)用卻不能得到很好的實現(xiàn)，使得信息的共享查詢不能很好的在各個領(lǐng)域中得以交融，這些都有待我們做更進一步的深入研究。
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