建议的操作不是操作：使用现实主义顶级本体重新建模本体设计模式

摘要

背景

本体设计模式（ODP）是为解决经常出现的本体设计问题而设计的代表性工件。它们承诺在灵活性、可重用性和扩展性方面加强本体构建过程，并使本体工程的结果更加可预测。本文分析了ODP知识库，并研究了它们与上层本体的关系。特别是，我们将BioTop上层本体与行动NeOn ODP存储库中的ODP。鉴于各自方法的差异，我们调查行动ODP可以嵌入BioTop。我们证明这需要重新解释NeOn类的含义行动ODP基于现实主义本体论的戒律。

结果

因此，重新设计需要通过将ODP类分配给顶级类别来澄清ODP类的本体承诺。因此，避免了模棱两可的定义。真实实体的类与信息工件的类有明显的区别。拟议的方法避免了承诺存在作为NeOn基础的不明确的未来实体行动ODP公司。我们的重新设计是吝啬的，因为现有的BioTop内容在很大程度上足以定义不同类型的行动和计划。

结论

所建议的模型表明，一个表达性较高的本体提供了足够的资源和表达能力来表示甚至复杂的ODP，这里用不同风格的行动如NeOn ODP中所建议。将ODP包含到顶级本体中的优点是每个类的给定预定依赖关系、现有主干结构和定义良好的关系。我们的比较表明，一些ODP的使用更有可能给本体开发人员带来问题，而不是指导他们。除了结构属性之外，与实现和“嵌入”的高层结构相比，“自给自足”ODP的分类结果解释尤其难以掌握，例如，BioTop提供了公理网络中类和关系的详细描述。这确保了明确的解释，并提供了在本体工程过程中可以利用的更简明的约束。

背景

在本文中，我们想展示特定ODP的重新建模。我们检查了该ODP是否可以嵌入BioTop本体。可以从此链接下载结果[1]. 但什么是ODP？存在哪些存储库？

设计模式在软件工程中很流行[2]. 最近，它们也被提出用于本体构建。ODP声称是对常见设计问题的可重用和标准化解决方案，从而支持本体工程师有效开发本体。另一个优点是，生成的工件更易于管理，因为它们的设计原则是明确已知的。我们调查了ODP的三个主要来源：

• 1 这个语义Web最佳实践和部署工作组[三]：该小组的目的是指导语义Web开发人员构建可重用的OWL本体。有一些设计模式可以被视为形式化的设计模式，例如，OWL本体论中的n元关系、值划分、值集和简单的部分-整体关系。这些是用方框图很好地记录的模式。此来源中的其他ODP是非形式化模式，它们是如何设计模式的解释或文档，而不是严格意义上的设计模式。

• 2 这个本体设计模式（ODP）公共目录关注生物知识领域[4]. 它包含描述ODP的OWL文件，可以从Sourceforge项目站点下载[5]. 本体设计模式（ODP）公共目录区分了扩展ODP、良好实践ODP和建模ODP[6,7]. 扩展ODP有助于扩展OWL面临的限制。虽然良好实践ODP旨在获得符合预定义质量标准的本体，但建模ODP有助于根据其具体需求对领域进行建模。

• 三。 资源OntologyDesignPatterns.org（ODP）[8]是在欧洲NeOn项目的赞助下开发的。与公共目录ODP相比，这些ODP的目的是实现网络本体的使用和开发。NeOn使用的ODP分类调查[8,11]以及编号和定义[8–10,12]可以在表中找到分配给这些类的本体1.

表1 NeOn本体设计模式类型

尽管有丰富的可用ODP，但至少NeOn存储库的内容似乎相当独特，主要是因为它们的ODP避免了明确的本体论承诺，并将最终解释留给用户。

特别是，我们调查了以下内容：

• 1 哪些ODP元素（类和关系）已经由BioTop公理表示？

• 2 现有ODP在多大程度上以及如何被重新解释或调整以纳入顶级本体，如BioTop？

• 三。 ODP的哪些部分可以重新设计为BioTop的扩展？

通过结构和逻辑分析比较ODP和BioTop表示的预期含义，我们确定了BioTop中的相应表示。

方法

BioTop公司

我们通过使用BioTop本体提出一种植根于哲学基础上的本体顶级的本体工程方法来解决这个问题[13]，生命科学的公共可用高级域级别[14,15]. BioTop提供了嵌入在丰富公理化定义中的基本类和关系。它的关系集被认为是穷尽的，因此本体开发人员只需要对现有类进行子类化，并通过使用现有关系（OWL对象属性）添加限制来定义它们。不鼓励为构建在BioTop上的领域本体添加新的关系。BioTop与BFO等主要顶级本体兼容[16]、DOLCE[17]和海外建筑运营管理局关系本体[18].

这个行动ODP公司

作为我们调查的一个例子，我们选择行动NeOn存储库中的ODP[19]，因为它解决了一个中心建模挑战，并且是一个很好的比较，可以检测行动ODP和BioTop顶级本体。这个行动ODP，如图所示1被NeOn归类为内容ODP。其目的是表示正在提议、计划、执行或放弃的行动及其状态和持续时间[19]. 为此，它包括动作属性，如“状态”和“持续时间”。这个班级行动描述为：“做某事的过程。动作由代理执行。”[19]指向名为操作_状态用于根据建议、实施（和可能完成）或放弃来区分行动。因此，建议的行动,已放弃_操作,已完成_操作、和已执行的操作（_A）定义。与一起计划,操作_状态,暂停、和性能_持续时间此外，它们还可以通过十种关系来联系起来，如has_consequence（有后果）,具有相关性等等。班级性能_持续时间指示执行操作的时间间隔。最后，计划被引入为“一组建议的行动以及执行这些行动的顺序”[19].

图1

NeOn项目的行动ODPNeOn项目的行动ODP将正在执行、放弃、提议或计划的行动建模。每个动作都有状态和持续时间。该图显示了一个包含子类的动作类。动作类的子类表示不同类型的动作。

方法论假设

为了证明ODP可以嵌入到顶级本体中，我们的直接目标是使行动ODP与BioTop兼容。为了做到这一点，我们遵循了启发BioTop开发的现实主义本体设计方法。现实主义方法假设，每个类都必须由现实世界中的个体证明其合理性，而现实世界在很大程度上是独立于我们的本体论，也就是说，它也将在没有任何人类观察者的情况下存在。本体论实在论的原则“基于这样一种思想，即确保本体论随时间的推移而相互一致，并确保本体论以与实证研究进展同步的方式进行维护的最有效方法是将本体论视为科学所描述的现实的表示”[20].

对于我们的案例研究，这意味着ODP类必须符合BioTop的严格的高级类别，特别是关于真实对象和信息对象之间的区别。信息对象是独立于任何特定物质载体而存在的信息[13].

此外，我们遵循了经济准则，即新代表性单位的数量应尽可能少。最重要的是，不应添加新的关系（即ProtégéOWL行话中的对象属性），因为BioTop已经包含了一组定义良好的形式关系。

结果

我们能够完全重新建模行动来自NeOn存储库的ODP，具有BioTop中的等效结构。然而，在这样做的过程中行动发现并解决了ODP。BioTop已包含类行动它是的子类流程行动在BioTop中定义为由代理人推动的过程，在代理人和其他非代理人过程参与者之间有明确的角色区别。根据定义，流程具有时间部分，即流程的所有部分都不存在同时出现的时间。流程具有物理或抽象实体作为参与者：

流程子类Ofhas参与者一些特殊

对象属性hasAgent公司是的子关系has参与者.

行动等同于流程和hasAgent（hasAgent）一些特殊

此外，

行动subClassOfhas持续时间一些时间间隔

在行动ODP，班级行动可以通过一些特定的修饰符进行细化，如“suspended”、“completed”或“planned”。虽然BioTop不包含这些修饰语，但这并不排除在暂停或完成方面对子类化操作进行更详细的分类。BioTop中描述类的公理行动告诉我们，为了存在，动作必须有一个代理和持续时间。相比之下，拟议行动（在ODP的意义上）没有持续时间，拟议代理人在提案时不一定存在。由于BioTop的现实主义世界观，我们无法断言实体和关系的存在，而这些实体和关系本应只存在于未来。因此，所谓的建议的行动在ODP中不是行动在BioTop中。

此外，BioTop公理

行动 hasAgent（hasAgent）一些特殊

假设动作对现有代理的本体依赖性：如果没有代理，就不可能有动作。

就像行动ODP，BioTop已经包含该类计划根据公理：

计划subClassOf信息对象和has实现只有流程

如果与BFO一致，信息对象将被归类为广义相依连续.它与可实现实体，它只有性情,功能和角色作为子类[21]. 相比之下，BioTop赞同更广泛的实现概念，其中也包括Information对象和相关流程[14].

因此，我们可以为具体行动制定计划X（X）作为：

X_计划等同于计划和has实现只有X（X）

计划X（X）因此，只有在类型为X（X）已完成。如果X（X）只是提议。这个班级X_建议不是的子类X（X），因为它没有（真实的）持续时间和代理。提议的行动与假钞就是金钱、被阻止的胜利就是胜利或假装医生是医生一样，都不是行动。提议的行动是提案的内容，提案可以是信息对象，也可以是制定计划的言语行为。计划可以是概括行动过程的任何东西，从医疗程序文件和医院手术时间表，到仅仅是精神实体，比如中午吃午饭的意图。同样，暂停的操作X（X）不是类型为的操作X（X）因为定义的特征X（X）可能丢失。

为了说明我们的讨论，请考虑一个类似于内镜下胃异物取出术（例如，吞下大理石的孩子）。为了简洁起见，我们将此过程类型称为X（X）（因此，在下文中X（X）'是一个常量。同时，以下公式中的许多公式可用作如何处理一般性修改器的示意图。）我们可以用一种简化的形式来描述X（X）如下所示：的每个实例X（X）从内窥镜检查准备开始(一)，然后介绍内窥镜(b条)、内窥镜检查(c（c）)，抓住异物(d日)以及取出带有异物的内窥镜(e（电子）). 信息对象中对此进行了概述X_计划.该计划仅通过与序列相对应的行动实现美国广播公司代码。如果缺少这些子操作中的任何一个子操作，则该操作不再属于该类型X（X）.X_计划因此，只有当X（X）已完全完成。作为X（X）必须包含所有时间部分一-e（电子）,已实现X_不是的子类X（X），因为它可能仍在这个阶段一或b条，缺少剩余的顺序过程c-e公司。同样适用于X_禁止（例如，操作不完整，因为没有发现异物，即没有d日执行）。BioTop植根于现实主义哲学，根据常识，明确区分了计划和实际过程等信息对象。因此，它与行动ODP如图所示1这混淆了真实实体和假设实体之间的本体论区别。在下文中，我们列出了替代模型，以说明行动ODP以一种既符合现实主义又符合常识的方式。

拟议行动

建议的操作不是操作。这是一个完善的计划，因此属于完全不同的顶级类别，即类别信息对象因此，提议的行动是一项行动的提议，而不是已经提议的行动。这意味着建议的行动和行动不仅仅是认知。类的许多实例提出_行动（即许多行动建议）从未实现，因此在类的实例中没有对应项行动.

行动计划类型X（X）可以通过向计划的实现类添加更多限制来细化。例如，总体规划内镜下胃异物取出术根据以下模式对患者、医生、手术室、时间段等进行细化：

医院医生指定的X计划相当于

计划和has实现仅限(X（X）和hasAgent（hasAgent）一些医生

和hasLocus公司一些医院)

应该注意的是指定的_X_Plan因此没有代理人。计划的实现有代理人、地点等。

这个班级指定计划可以在BioTop中完全定义：

指定的_X_Plan等同于

结果一些计划规格操作和

has参与者一些X_计划

与NeOn ODP相比的优势在于计划规格操作作为一项单独的行动，可能会有不同的代理人：安排某种手术干预的人不一定与执行该手术的医生相同，而且两者可能与制定通用计划的人不同[22]此操作是其中的一个实现。

已执行的操作

这里，操作正在进行中，它可能缺少一些使其成为类型实例的功能X_已完成例如，正在探查胃，但尚未发现异物。在这种情况下，只执行了原始计划的最初连续部分。由于计划只有在行动结束时才能完全实现，因此正在进行的行动才能实现计划的适当部分。例如，如果整个计划计划了行动部分一,b条,c（c）,d日,e（电子），一项正在进行的行动c（c）只实现了子计划一和b条因此：

已实现X_相当于

行动和实现一些

((抽象部分一些X_计划)或X_计划)

（例如，子计划c（c）前面没有一和b条需要额外的公理）。

已完成的操作

只有在计划完全执行的情况下，行动才能完成：

X_已完成等同于

行动和实现一些X_计划

应该注意的是，一些行动可能会在实施后立即完成。如果他们X_计划只有一个抽象的部分，例如，看蒙娜丽莎或坐在地板上。

放弃的操作

只有当行动不再执行且计划仅部分执行时，才放弃该行动。与已实施的行动相比，根据定义，该行动尚未完成：

X_未完成等同于

行动和（不是实现一些X_计划)和

实现一些(抽象部分一些X_计划)

X_未完成和具有ProcessQuality一些非活动

此外，NeOn行动ODP引入状态变量暂停用于永久或临时暂停的操作（另请参阅本期JBMS特刊中的Grewe等人）。在BioTop中，由于缺乏足够详细的时间模型，我们建议采用类似的解决方案。然而，为了与BioTop的本体论原则保持一致，这个属性需要精确地类型化。我们命名它非活动，的一个子类质量，通过关系链接到操作具有ProcessQuality.

X_禁止等同于

的实例X_禁止能够永久承受这种品质；然后该操作被中止。当行动恢复时，我也会失去这种品质；然后它又变成了已实现操作的实例。因此，这里的“放弃”意味着“中断”而不是中止，如果我们引入新的类标签而不是使用NeOn标签，我们最好使用X_中断和X_中断而不是。注意，这里区分的所有动作类在OntoClean的意义上都是非刚性的[23]：一个行动令牌首先实现并最终完成。或者它被执行然后被放弃。稍后可能会重新实施和完成。

DL的有限表达能力不允许跨类跟踪个人的身份。然而，这些类的非刚性是人类本体开发人员的重要指南。

讨论

我们展示了NeOn ODP与BioTop高级本体的比较结果。NeOn行动ODP和BioTop类行动旨在描述相同的现象，但显示出根本性的差异。这个行动ODP表示行动类别和不同类型的操作，例如。建议的行动,已放弃_操作,执行的操作（_A）,已完成_操作。其他四个类别，即，计划,操作_状态,暂停、和性能_持续时间，有十种关系。在BioTop中行动已作为的子类存在流程、和班级计划作为的子类信息对象在BioTop中，建议的行动不是的子类行动，但属于计划.

我们的比较揭示了BioTop的一些优点和NeOn ODP的一些缺点。尤其是：

• （a） BioTop不会将类的含义和关系的解释留给用户；

• （b） BioTop避免了模棱两可的定义；

• （c） BioTop提供了一个结构良好的上层；

• （d） BioTop提供了一组详尽的对象属性，领域本体无法对其进行优化或增强。

这个行动根据我们的分析，ODP存在以下缺点：

• （a） 它具有复杂的结构；

• （b） 它是模糊的，因为真实实体和信息工件之间没有区别；

• （c） 它引入了十个新的对象属性，使模式变得更加复杂。

当使用类而没有详细解释时，NeOn ODP的这些缺点可能会给本体开发人员带来问题。此外，该模式的一些含义显然是错误的，例如，处理建议的行动作为的子类行动。提议的行动不是行动，就像所谓的专家不是专家，模拟考试不是考试一样。提议的行为实际上是行动建议的内容。提议的行动在提议时不存在，如果提议从未实施，提议的行动可能永远不存在。例如，在一个家庭中，今年的联合暑假可能有几个提议，但这些提议中的行动最多只能实现一个。因此，更合适的做法是将建议的行动建模为人员正在制定或建议的计划。计划是心理活动的结果，而不是由代理人执行的行动。

我们对这个NeOn ODP的讨论表明，来自NeOn存储库或其他存储库（如Public Catalog）的ODP可能很难集成到订阅现实主义范式的本体中。然而，如果重新构建ODP以满足现实主义本体论的要求，则可以有效地使用它们。

缺乏对ODP的解释可能导致本体开发人员缺乏理解或误解，因为这给解释其预期含义留下了太多的余地。为了更有效地创建本体，需要结构良好的ODP，以提供关于领域的充分解释。良好的表示、更好的结构以及对类和关系的充分解释可以导致ODP的成功应用。

我们的论文对在实现动作表示时必须考虑的因素给出了一些见解。通过实际例子，我们证明了在实施建议的行动ODP是一个高级本体，它区分了表示真实世界和表示关于真实世界的信息。

我们必须考虑ODP为特定问题提出解决方案。最后，如何使用ODP取决于本体开发人员，她可以决定是否要使用ODP。尽管可以使用顶级本体代替ODP，但它们不能被顶级本体所取代，因为后者引入了类定义和约束，但不能为给定的问题提供任何解决方案。例如行动在BioTop中不是ODP；它是一组公理，允许将实体分类为行动因此，我们建议与高级本体密切合作开发ODP。除此之外，对于不熟悉ODP的人来说，顶级本体是可能的解决方案。由于我们诊断出的问题行动ODP也可以转移到其他ODP上，我们建议ODP用户对他们可能想用于自己应用的所有ODP进行类似的分析。

结论

所建议的模型表明，像BioTop这样的表达性高级本体可以提供足够的资源来表示甚至是复杂的ODP，如下面不同风格的行动在NeOn ODP中提出。我们确定了我们的方法的以下优势：

1.明确就本体论承诺而言，也就是说，它不会把类和关系的含义留给用户来解释。

2.节约事实证明，BioTop中现有的类和关系在很大程度上足以定义不同类型的行动和计划。必须创建的唯一辅助类是非活动和计划规格操作。不需要新的关系，而NeOn方法引入了10个新的对象属性，使得模式比需要的更复杂。

3.它在本体上更清晰在这个意义上，避免了模棱两可的定义。它很好地区分了物理实体、过程实体和信息工件。

4.它有一个更简单、更直观的存在概念。我们只需假设以前存在或现在确实存在的实体，而行动ODP声称存在不明确的未来或假设实体，例如在类别中建议的行动根据BioTop的基本公理行动一定有代理人。正如NeOn ODP设想的那样建议的行动作为的子类型行动，的任何实例建议的行动也必须有代理人。但由于提议的行动可能永远不会实施行动ODP似乎致力于假设潜在实体或仅可能实体的存在。

5.避免了违反直觉的后果.治疗提议的行动作为行动产生，例如，有一些行动从未实施的后果。事实上，可能会有实际上相互排斥的行动建议。但众所周知，你不能既吃又留行动然而，ODP将致力于假设这两种行为的存在。

6.用户友好BioTop在不相交分区中的严格划分以及对象属性定义中的域和范围限制规范，在扩展本体时引导用户走上正确的道路。为了将行动和计划联系起来，BioTop中除了使用关系之外没有其他选项实现; 而对于与生物学相关的信息实体，只有抽象部分在BioTop中。因此，与自立ODP相比，嵌入顶级本体中的模式更便于用户使用，因为用户可以从继承的约束中获益。