2.3　知識(shí)圖譜的符號(hào)表示方法

接下來(lái)重點(diǎn)介紹知識(shí)圖譜的常用知識(shí)表示方法，并首先介紹知識(shí)圖譜的符號(hào)表示方法。

2.3.1　基于圖的知識(shí)表示方法

在前面的章節(jié)中已經(jīng)多次提到，知識(shí)圖譜采用圖的方式描述和表達(dá)知識(shí)，相比于簡(jiǎn)單圖，能建模更加復(fù)雜的事物關(guān)系，但比起形式化邏輯，又免于復(fù)雜的邏輯約束，使得知識(shí)的獲取過(guò)程變得更加容易。

但在知識(shí)圖譜的實(shí)際實(shí)踐中，不同的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)對(duì)知識(shí)的建模采用不同表達(dá)能力的圖表示方法。例如有些應(yīng)用場(chǎng)景僅采用最簡(jiǎn)單的無(wú)向圖，通常適合于對(duì)建模要求不高，偏于數(shù)據(jù)挖掘類的應(yīng)用場(chǎng)景。知識(shí)圖譜表示應(yīng)用最多的是有向標(biāo)記圖（Directed Labelled Graph）。最常用的兩種有向標(biāo)記圖模型，一種叫屬性圖（Property Graph），另外一種是RDF圖模型，如圖2-5所示。

但有向標(biāo)記圖的表達(dá)能力依然是有限的，在很多專業(yè)領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)本體構(gòu)建等，需要更為復(fù)雜的關(guān)系語(yǔ)義的表示，例如描述對(duì)稱關(guān)系、自反關(guān)系、傳遞關(guān)系等，這就需要用到OWL等本體描述語(yǔ)言。本節(jié)重點(diǎn)介紹知識(shí)圖譜領(lǐng)域三種最常用的知識(shí)表示方法——屬性圖、RDF圖模型和OWL本體語(yǔ)言。

2.3.2　屬性圖

屬性圖是圖數(shù)據(jù)庫(kù)Neo4J實(shí)現(xiàn)的圖結(jié)構(gòu)表示模型，在工業(yè)界有廣泛應(yīng)用。屬性圖的優(yōu)點(diǎn)是表達(dá)方式非常靈活，例如，它允許為邊增加屬性，非常便于表示多元關(guān)系。屬性圖的存儲(chǔ)充分利用圖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，因而在查詢計(jì)算方面具有較大優(yōu)勢(shì)，關(guān)于這一點(diǎn)將在知識(shí)圖譜的存儲(chǔ)章節(jié)做更加具體的介紹。屬性圖的缺點(diǎn)是缺乏工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的支持，由于不關(guān)注更深層的語(yǔ)義表達(dá)，也不支持符號(hào)邏輯推理。

在屬性圖的術(shù)語(yǔ)中，屬性圖是由頂點(diǎn)（Vertex）、邊（Edge）、標(biāo)簽（Label）、關(guān)系類型和屬性（Property）組成的有向圖。頂點(diǎn)也稱為節(jié)點(diǎn)（Node），邊也稱為關(guān)系（Relationship）。在屬性圖中，節(jié)點(diǎn)和關(guān)系邊是最重要的表達(dá)要素。節(jié)點(diǎn)上包含屬性，屬性可以以任何鍵值形式存在。

關(guān)系邊連接節(jié)點(diǎn)，每條關(guān)系邊都有擁有一個(gè)方向、一個(gè)標(biāo)簽、一個(gè)開始節(jié)點(diǎn)和一個(gè)結(jié)束節(jié)點(diǎn)。關(guān)系邊的方向的標(biāo)簽使得屬性圖具有語(yǔ)義化特征。和節(jié)點(diǎn)一樣，關(guān)系邊也可以有屬性，即邊屬性，可以通過(guò)在關(guān)系邊上增加屬性給圖算法提供有關(guān)邊的元信息，如創(chuàng)建時(shí)間等。此外還可以通過(guò)邊屬性為邊增加權(quán)重和特性等其他額外語(yǔ)義，如圖2-6所示。

2.3.3　RDF圖模型

RDF是國(guó)際萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟W3C推動(dòng)的面向Web的語(yǔ)義數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，所以RDF本身的定位首先是數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而非存儲(chǔ)模型。RDF的基本組成單元是三元組，即(s,p,o)，例如，可以用一條三元組來(lái)描述<浙江大學(xué), 位于, 杭州>。一條三元組代表關(guān)于客觀世界的邏輯描述或客觀事實(shí)。多個(gè)三元組頭尾相互連接，就形成了一個(gè)RDF圖。本質(zhì)上，RDF圖也是一個(gè)有向標(biāo)記圖。

RDF還提供了基礎(chǔ)的表達(dá)構(gòu)件用于定義類、屬性等Schema層的術(shù)語(yǔ)。例如，domain、range用于定義某個(gè)關(guān)系的頭尾節(jié)點(diǎn)類型，subClassOf和subPropertyOf用于定義類及屬性之間的層次關(guān)系等。有了RDFS，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的符號(hào)推理。如圖2-7所示，如果將谷歌定義為一家人工智能公司，同時(shí)也知道人工智能公司是高科技公司，就可以推理得出谷歌也是一家高科技公司。這類簡(jiǎn)單的推理已經(jīng)可以減輕數(shù)據(jù)維護(hù)的負(fù)擔(dān)，因?yàn)楹芏嗖樵兘Y(jié)果可以通過(guò)推理間接得出，而不用對(duì)所有結(jié)果進(jìn)行全量存儲(chǔ)。

2.3.4　OWL本體語(yǔ)言

RDF+RDFS的表達(dá)能力是非常有限的。在實(shí)際應(yīng)用中，需要定義更為復(fù)雜的概念，刻畫更為復(fù)雜的概念關(guān)系。這就需要用到OWL等本體表達(dá)語(yǔ)言。本體（Ontology）原來(lái)是一個(gè)哲學(xué)術(shù)語(yǔ)，后來(lái)被人工智能的研究人員作為知識(shí)表示研究的對(duì)象引入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。本體最常用的邏輯表達(dá)語(yǔ)言即描述邏輯（Description Logic）。系統(tǒng)性介紹描述邏輯的內(nèi)容超出了本書的范圍，接下來(lái)主要結(jié)合國(guó)際萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟推動(dòng)的OWL本體語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)來(lái)介紹相關(guān)的基本知識(shí)。

OWL首先可以被看作RDF Schema的擴(kuò)展。OWL在RDF的基礎(chǔ)上增加了更多的語(yǔ)義表達(dá)構(gòu)件。例如，通過(guò)多個(gè)類組合定義更加復(fù)雜的類；刻畫關(guān)系的一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多等關(guān)系基數(shù)（Cardinality）約束；定義常用的全稱量詞和存在量詞；定義互反關(guān)系、傳遞關(guān)系、自反關(guān)系、函數(shù)關(guān)系等更加復(fù)雜的關(guān)系語(yǔ)義等。

在這里舉例介紹幾種典型的OWL表達(dá)構(gòu)件。例如可以使用等價(jià)性聲明表達(dá)構(gòu)件owl:equivalentClass、owl:equivalentProperty和owl:sameIndividualAs來(lái)分別聲明兩個(gè)類、兩個(gè)屬性或兩個(gè)個(gè)體的等價(jià)關(guān)系。再比如可以聲明傳遞關(guān)系，如<exp:ancestor rdf:type owl:TransitiveProperty>聲明了ancestor是一個(gè)傳遞關(guān)系，當(dāng)知識(shí)庫(kù)中存在<exp:小明exp:ancestor exp:小林>；<exp:小林exp:ancestor exp:小志>兩條知識(shí)時(shí)，就可以推理得出<exp:小明exp:ancestor exp:小志>。類似地，也可以聲明互反關(guān)系，如<exp:ancestor owl:inverseOf exp:descendant>聲明ancestor和descendant是互反的，當(dāng)知道<exp:小明exp:ancestor exp:小林>，就可以馬上在知識(shí)庫(kù)中新增一條<exp:小林exp:descendant exp:小明>的新知識(shí)。

還可以聲明某個(gè)關(guān)系必須滿足函數(shù)約束，例如聲明<exp:hasMother rdf:type owl:FunctionalProperty>，這樣exp:hasMother就是一個(gè)具有函數(shù)性的屬性，因?yàn)槊總€(gè)人只有一個(gè)母親。這將作為約束作用到整個(gè)知識(shí)庫(kù)，不允許知識(shí)庫(kù)中出現(xiàn)一個(gè)人同時(shí)有兩個(gè)母親。

還可以聲明屬性的全稱限定，例如，owl:allValuesFrom聲明exp:hasMother在主語(yǔ)屬于exp:Person類的時(shí)候，賓語(yǔ)的取值只能來(lái)自exp:Women類。同樣地，可以聲明屬性的存在限定，通過(guò)owl:someValuesFrom聲明exp:publishedIn在主語(yǔ)屬于exp:SemanticWebPaper類的時(shí)候，賓語(yǔ)的取值部分來(lái)自exp:AAAI類。

OWL擁有眾多的表達(dá)構(gòu)件，本書不對(duì)它們做完整的介紹。OWL實(shí)際上有很多語(yǔ)言家族，不同的語(yǔ)言家族代表不同的表達(dá)構(gòu)件的組合。不同的組合對(duì)應(yīng)不同的推理計(jì)算復(fù)雜度以及它們所適用的場(chǎng)景。如圖2-8所示，OWL-QL表示查詢語(yǔ)言的意思，專為基于大規(guī)模的查詢?cè)O(shè)計(jì)的子語(yǔ)言；OWL 2 RL在擴(kuò)展RDFS表達(dá)能力的同時(shí)，保持了較低的復(fù)雜度；OWL 2 EL專為概念術(shù)語(yǔ)描述、推理而設(shè)計(jì)，在生物醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如臨床醫(yī)療術(shù)語(yǔ)本體SNOMED CT等。在第5章還將結(jié)合推理能力對(duì)表達(dá)語(yǔ)言進(jìn)行介紹。

綜上，屬性圖是工業(yè)界最常見的圖譜建模方法，屬性圖數(shù)據(jù)庫(kù)充分利用圖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做了性能優(yōu)化，實(shí)用度高，但不支持符號(hào)推理。RDF是W3C推動(dòng)的語(yǔ)義數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，有更嚴(yán)格的語(yǔ)義邏輯基礎(chǔ)，支持推理，并兼容更復(fù)雜的本體表示語(yǔ)言O(shè)WL。在三元組無(wú)法滿足語(yǔ)義表示需要時(shí)，OWL作為一種完備的本體語(yǔ)言，提供了更多可供選用的語(yǔ)義表達(dá)構(gòu)件。描述邏輯可以為知識(shí)圖譜的表示與建模提供理論基礎(chǔ)。描述邏輯之于知識(shí)圖譜，好比關(guān)系代數(shù)之于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。