1、 电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA专业学位硕士学位论文MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE论文题目基于本体知识的质量追溯系统的设计及应用专业学位类别 工程硕士201122060535何清漪学 号作者姓名指导教师 徐杨 副教授分类号 密级 公开UDC 注 1学位论文基于本体知识的质量追溯系统的设计及应用（题名和副题名）何清漪（作者姓名）指导教师 徐杨 副教授成都电子科技大学（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士工程领域名称专业学位类别计算机技术论文答辩日期工程硕士提
2、交论文日期 2014.03 2014.05.19学位授予单位和日期电子科技大学 2014年 6月 29日答辩委员会主席评阅人注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。DESIGN AND APPLICATION OF QUALITYTRACEABILITY SYSTEM BASED ONONTOLOGY KNOWLEDGEA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor:Author:Advisor:Computer TechnologyQingyi HeYang
3、XuSchool of Computer Science this provides a solid base for quality traceability. The HMMmodel provides the automatic reasoning positioning for the reason of quality problem,and puts forwards proper advices for the positioned reason, eventually formulates a planfor traceability of quality problem.Fi
4、nally, a quality traceability system for sterilization and supply center is designedand realized with a scene given by central sterile supply departments Bacteria-freeprocessing of medical apparatus and instruments. The system realizes the tracingIIABSTRACTscheme and algorithm presented by the thesi
5、s, verifies the efficiency of tracingalgorithm, and proves the value of the ontology knowledge based traceability system.Keywords: ontology, quality traceability, HMM, RFIDIII目录目录第一章绪论.11.1研究背景及意义.11.2相关研究现状.21.2.1可追溯性定义.21.2.2追溯系统研究应用现状.31.3本文主要工作.51.4本文结构安排.6第二章相关技术研究基础.82.1本体.82.1.1本体构建准则.82.1.2过
6、程本体.92.1.3 Protg本体构建工具102.2 RFID技术基础112.3隐马尔可夫模型.132.3.1隐马尔可夫模型定义.142.3.2隐马尔可夫模型经典问题.152.4本章小结.18第三章基于过程本体的生产流程建模.193.1生产过程质量追溯分析.193.2基于 HMM质量追溯分析.213.3过程本体的特点分析.233.4基于过程本体的生产流程建模.253.4.1基于过程本体的建模优势.253.4.2过程本体的关系解析.263.4.3构建生产流程结构图.293.5本章小结.32第四章 HMM参数训练和追溯算法设计334.1基于生产流程结构图的数据样本建模.334.2 HMM参数训练
7、.384.2.1 HMM参数初始化.38IV目录4.2.2 HMM参数训练.414.3追溯算法设计.424.3.1追溯算法总体思想.424.3.2定位质量事件发生的处理阶段.424.3.3定位质量事件发生的原因.444.3.4事件追溯处理建议方案.454.4本章小节.46第五章质量追溯系统设计与实现.475.1质量追溯方案应用.475.2系统总体结构.485.3系统开发环境和相关工具.495.4系统设计.495.4.1系统功能模块设计.495.4.2类图设计.535.4.3时序流程.545.4.4数据库设计.555.5系统实现.565.6实验结果分析.645.7本章小结.65第六章总结与展望.
8、666.1工作总结.666.2工作展望.66致谢.68参考文献.69攻读硕士学位期间取得的成果.72V第一章绪论第一章绪论产品质量问题一直是社会大众和相关政府部门关注的重点领域，尤其是进入21世纪以后因为质量问题而发生的重大质量事故，例如三鹿奶粉三聚氰胺事件等。所以，怎么确保产品质量和降低重大质量事故的发生频率是亟需相关部门和人员解决的问题。作为近些年新出现的技术，RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别技术）为这一问题的解决提供了一种有力的技术支持。采用 RFID技术能够对产品进行标识，对其全部处理过程进行信息记录和追踪，通过对记录形成的历史信息进
9、行分析和总结，可以实现对质量问题发生的原因进行自动追溯定位。1.1研究背景及意义上个世纪 90年代以来，世界各地各类质量事件频繁发生。食品安全方面，国内屡禁不止的“瘦肉精”事件；2000年在广东省发生的“毒大米”事件；2001年南京冠生园“陈馅月饼”事件；2005年发生的“苏丹红 1号”事件；2006年发生的广东潮安果脯事件；2008年发生的震惊世界的三鹿奶粉三聚氰胺事件；2010年发生的海南毒豇豆事件以及令人心有余悸的地沟油风波；2013广药维 C银翘片含剧毒砷汞残留、制药成分不符合事件。欧洲等地发生的“口蹄疫事件”、“疯牛病事件”。美国发生的“沙门氏菌事件”、“毒菠菜事件”、“花生酱事件”
10、。日本发生的“毒大米事件”等。产品质量方面，从 2005年以来，强生旗下至少 13家子公司及其至少 27种药品、医疗器械、护肤用品等，因质量瑕疵或因安全隐患发生了至少 51次产品召回；2009年丰田在中国召回凯美瑞、雅力士、威驰及卡罗拉轿车在内的有质量问题汽车总计 688314辆；2013年格力电器对出口到美国和加拿大的部分除湿机产品进行召回，共召回产品 225万台。这些频繁发生的质量事件与消费者的生命、健康、财产安全密切相关，受到了消费者、厂商和政府的重点关注。因此对产品建立质量追溯系统，对产品全程进行质量追踪追溯、确保产品质量受到了政府和企业的重视。随着计算机技术、条码技术和无线射频识别技
11、术的快速发展和应用，为产品进行唯一标识和全程信息记录和追踪提供了有力的技术支撑1。尤其是 RFID技术的自动、实时、远距离、大批量扫描记录的特性，成为了质量追溯系统的首选，也使得质量追溯系统得到了快速的发展和广泛的应用。2然而，目前的质量追溯系统主要实现的是对贴有标签的确定目标的各个处理、运输阶段的信息进行记录，通过网络能够很好的共享目标物品分阶段处理的各项1电子科技大学硕士学位论文数据，为用户提供数据追溯查询和目标物品地点的追踪。但对于企业用户来说，3除了知道物品的处理进度和位置等信息来实现调度、进度安排和召回等功能，更希望在发现质量事件时，能够通过历史信息自动、快速的找到原因，最快的采取措
12、施，从源头解决问题，最大程度的降低影响和损失。特别是食品、药物、医院消毒物品等直接关于身体健康、生命安全的物品。因此，能够自动进行质量事件原因定位的质量追溯系统对企业和政府对产品质量的监管和处理都具有重要意义。针对这一需求，本文通过对产品的生产处理流程和质量追溯的特点进行分析和对比总结，采用隐马尔可夫模型对质量事件原因进行自动追溯定位。根据质量追溯对领域知识关系的需求，设计了从过程本体中解析领域知识关系的方法，通过对本体中的知识关系进行解析和质量追溯的需求实现生产流程建模。然后根据生产流程建模得到的生产流程结构图建立质量追溯需要的样本数据结构，根据样本数据结构将 RFID获取到的历史信息整理为
13、样本数据。在样本数据基础上实现隐马尔可夫模型参数的学习，为质量追溯提供模型基础。利用隐马尔可夫模型进行事件原因自动推理定位，同时根据追溯到的事件原因给出合理的处理建议，最终形成一套完整质量事件原因自动追溯定位方案。最后以面向消毒供应中心的器械无菌化处理过程为案例，形成概念演示系统，论证该方案的有效性。1.2相关研究现状1.2.1可追溯性定义GS1(Globe Standard 1)4是一个致力于为供应链管理设计并实施全球统一标准的世界组织，其对可追溯性的标准定义是“the ability to trace the history, applicationor location of that
14、which is under consideration” (ISO 9001: 2000).”。即：可追溯性是指能够追溯目标的历史信息，应用情况和所处位置的能力。然而文献中作者针5对不同领域对追溯的需要，对可追溯性进行了重新定义“Traceability is the ability toretrieve past, present, and potentially, future information about the state (e.g., location)of an object.”将仅仅对历史信息的查询追溯扩展到了对目标当前的定位和未来状态的预测。这也预示着根据需求的变化和扩
15、展，质量追溯的范围也会随着扩展。根据可追溯性的概念可知，建立质量追溯系统需要对追溯目标经过的全程处理环节的信息进行及时、详细、准确记录和分析，才能够实现可追溯性的需求。同时本文对质量追溯的需求扩展到了对导致质量事件发生的原因进行自动的追溯和推理范围，即：当产品出现质量不合格等质量事件时，系统自动对目标性格信息进行分析、计算和推理，自动定位到导致质量事件发生的原因。因此除了需要2第一章绪论对追溯目标所有的处理和流通环节的信息进行及时、详细、准确记录和分析外，还需要对所有信息的隐含意义进行学习，以实现质量事件原因的自动追溯和定位。本文设计的质量追溯方法的实现，需要对追溯目标的流通所有环节和过程，以
16、及可能会影响追溯目标质量的因素等关系进行建模分析，同时对所有的历史数据进行建模学习，获取到相关参数与知识关系才能实现对导致质量事件发生的原因进行准确的追溯和定位。1.2.2追溯系统研究应用现状1.国外研究现状国外对追溯系统的研究从上个世纪 90年代开始，建立质量追溯系统满足企业的发展需求，确保对产品质量的监管和控制，其应用和技术研究同时受到政府的影响。(1)追溯系统在国外的 应用情况因为疯牛病事件，欧盟 2000年就开始建立牛肉产品追溯系统，随着追溯技术的发展和应用的成功，其在 2002年的时候将追溯系统范围扩展到了全部的食品，并规定禁止进口非追溯产品。“EAN.UCC系统”是国际物品编码协会
17、推出的，它是一个标准化的物流标志系统，欧盟大部分追溯系统都是在其基础上实现的,现在将追溯扩大到对每块土体进行农药和化肥等使用情况上，实现对有机农产品的生产过程进行监控和追溯。美国 2002年通过了“生物反恐法案”后，对相关领域进行了规范。在农副产品领域，其相关部门制订了食品安全生产规定以及对不合格食品的强制召回标准，一旦发现不合格或者是被污染的食品政府将对其进行强制扣留和召回。在动物养殖领域，美国制订了动物鉴定系统（NAIS)，对养殖场中出生的动物进行标志和鉴定，这样一旦发生肉食安全事件，相关部门可以快速的定位事故养殖场立即进行相关的补救措施。同样也是因为疯牛病事件的影响，日本于 2001年建
18、立了自己的牛肉追溯系统，它们要求消费者可以通过零售店的牛肉直接追溯到该肉的产地等信息。这一系统逐渐推广到对农产品的质量追溯，目前已经实现了对所有农产品的质量和追溯管理。澳大利亚是一个畜牧业大国，所以其追溯系统的应用也主要是在畜牧业。其生产的牛肉制品大部销往国外，所以澳大利亚在 2001年开始实行国家牲畜标志计划，该计划相当于一个牲畜的电子身份证，它可以对某个牲畜进行全程的追踪和定位，并且这些定位信息可以被消费者实时查找。3电子科技大学硕士学位论文(2)追溯系统技 术研究情况国外追追溯系统的研究比较早，因此各方面的技术也相对比较成熟和完善。对技术层面上的研究主要包括标识技术、系统架构、数据安全等
19、方面。P. Bernardi等人提出了在生鲜食品追溯中利用 RFID技术，突出了 RFID技术在质量追溯中监管食品质量、快速定位物品位置和追溯系统中数据信息获取和处理等方面的优势6。Thomas Kelepouris等人分析了质量追溯需要满足的主要需求和RFID技术如何满足这些需求，证明了 RFID技术作为质量追溯领域主要标识技术。A. Regattieri 等人对法律和政府 监管要求的食品可追溯 应该满足的需的必然性 7求进行了分析，提出了一个追溯的通用框架，在识别技术和功能等方面都具有高的可靠性。T. Dimitriou等人提出一个 RFID技术通信中的轻量级协议，确保 RFID2在质量追
20、溯中应用的安全性。82.国内研究现状相比较于国外，国内对追溯系统的研究和应用都比较晚。我国的追溯系统约从 2002年开始应用，构建方面起步较晚，但是近年来企业、政府都越来越重视质量追溯系统的应用，尤其是在医疗行业以及农副食品领域，这些都是直接和所有社会成员息息相关的行业。内蒙古自治区是农牧养殖的大省，所以农牧食品安全问题至关重要，该省于 03年使用计算机技术与耳标相结合，对每一个牲畜进行相关处理，以更好地对畜牧业进行规范化的管理。2008年奥运会之前，为了向奥运会提供安全的食品保障，北京市建立农产品身份识别与溯源系统，为奥运会的顺利举行做出了巨大的贡献。在全国范围内，国家相关科研人员9开发的肉
21、类安全追溯系统对肉类加工的整个过程实行监管，对数据进行检测分析，确保向社会大众提供放心安全的食用肉类标签的四川茶叶质量追溯系统通过验收。10。2011年国内首例采用 GS1可追溯性在追溯系统科研领域，我国虽然起步较晚，但相关科研人员依然进行了大量的研究，并且取得了大量成果。深圳市无公害农产品质量监督检验站把追溯技术同蔬菜种植业结合在一起，设计了无公害蔬菜质量可追溯系统，并且该系统已经成功运用于实际生产中，取得了经济效益 11。在牛肉消费领域西北农林科技大学相关人员把牛肉追溯系统和互联网结合在一起，网络化的管理牛肉质量的追溯。在水产品领域，科研人员利用可追溯系统理论建立水产品供应链的管理平台，既
22、提高了水产品的生产管理效率，也提高了产品的可追溯性，有助于快速定位问题产品 12。在医疗卫生领域，科研人员将手术器械的消毒同追溯系统结合设计了手术器械质量追溯系统并应用于实际 13。虽然我国各行业追溯技术的发展起步较晚，但是经过这几年的奋起追赶，已4第一章绪论经取得了很大的成果。但是和国际先进国家的水平相比仍有一定的差距，这需要广大科研院所、公司机构加大这方面的投入，争取在追溯领域取得全球领先的地位。1.3本文主要工作本文为了解决现有质量追溯系统无法提供质量事件发生后自动追溯定位事件发生原因的问题。首先基于过程本体对生产领域知识进行结构化表示和分析，通过本体关系建立生产流程结构模型；然后在该模
23、型基础上设计基于 HMM的追溯算法来实现质量事件原因的自动推理和定位，并给出追溯处理建议方案；最后设计并实现了一个消毒供应中心质量追溯系统，对算法的准确率和系统的实用性进行了说明和验证。（一）主要研究内容如下：1.基于过程本体实现生产流程建模根据 HMM实现质量追溯对领域知识关系的需求和 过程本体能够对领域知识结构化描述和定义、流程阶段划分和层次分解的特点，使用过程本体中的知识关系来构建生产流程结构图。首先将 OWL过程本体文件中描述的本体关系按照三元组关系解析出来，然后按照质量追溯需求找出满足的三元组关系，每个三元组关系看作一条有向边。因此将每个三元组关系表示为一条有向边，依次将有向边进行组
24、合构成生产流程结构图，为 HMM提供结构和参数关系。2. HMM模型学习和追溯算法设计首先根据生产流程结构图设计一种数据样本的建立方法，实现对 RFID获取到的单条数据整理为 HMM模型参数训练需要的样本数据。而后在 样本数据基础上，根据 HMM结构和参数意义给出参数训练方法实现 模型参数的训练。在此基础上基于 HMM模型设计质量追溯算法，利用 HMM推理定位到质量事件发生的处理阶段，进一步根据具体的处理阶段的相关参与因素进行分析定位，找到导致质量事件发生的原因。最后根据事件原因的类型给出相应的追溯处理建议方案。3.实现一个质量追溯验证系统通过本文的质量追溯方案，基于医院消毒供应中心医疗器械无
25、菌化处理的应用场景，设计实现了一个基于消毒供应中心质量追溯的验证系统，对本方案的可行性进行了验证，并在此系统基础上对算法的准确率进行了验证。（二）论文整体思想结构本文的主要目的是为现有基于 RFID的管理系统提供一个质量事件原因自动定位的通用模型框架。在生产领域的过程本体和 RFID获取的生产流程中相关历史5电子科技大学硕士学位论文信息的基础上，设计一种自动对过程本体中知识关系进行解析并实现生产流程建模的方法，并在模型基础上设计和实现样本数据建立、HMM参数训练和追溯算法，以达到对质量事件原因自动追溯定位的功能。整体框架结构和流程如图 1-1所示。图 1-1论文整体思想结构流程 图1.4本文结
26、构安排本论文的结构一共分为了六章，对该论文的出发点、方案、算法和验证进行了循序渐进且详细的说明。第一章：绪论。本章首先分析了质量追溯系统对政府、生产商和消费者的影响和意义，然后分析了质量追溯系统的发展现状和不足，以及需要解决的问题。本论文即从需要解决的问题和当前系统的不足出发，设计了解决这一问题的思想和方案。最后对文章的主要内容和安排进行了介绍。6第一章绪论第二章：相关技术研究基础。本章首先对本体的概念、构建准则和过程本体进行了介绍，同时介绍了现有的本体构建工具，重点介绍了目前应用较广的 protg本体编辑工具。然后介绍了 RFID技术，该技术的技术理论、硬件组成和系统工作原理。明确其在质量追
27、溯系统中对信息的获取和处理情况。最后介绍了 HMM的定义，求解典型问题等。第三章：基于过程本体的生产流程建模。本章首先分析了生产过程的追溯和追溯需要的信息等特点，确定使用 HMM进行追溯 问题的求解，并给出 HMM 结构和参数关系。根据 HMM实现质量追溯对领域知 识关系的需求，以及过程本体对领域知识结构化、层次化描述的特点，设计了对过程本体中知识关系进行解析并构建出生产流程结构图的方法，基于过程本体实现生产流程建模，得到生产流程结构图，为 HMM结构建立和参数训练提供结构基 础。第四章：HMM参数训练和追溯算法设计。本章在生 产流程结构图的基础上，首先设计了样本数据结构的建立方法，实现通过生
28、产流程结构图自动构建样本数据结构，利用样本数据结构将 RFID获取到的原始数据建立为样本数据。在样本数据基础上给出了 HMM参数训练方法，实现 HMM模型参数的学习。最后设计了具体的追溯算法，实现自动定位到导致质量事件发生的原因。第五章：质量追溯系统的设计与实现。本章首先对本文设计的质量追溯方案的应用场景和条件进行了讨论，然后分析、设计和实现了一个消毒供应中心质量追溯场景下的验证系统，在系统基础上对追溯算法的准确性进行了分析，并通过追溯系统的功能展示，证明了算法的有效性和可用性。第六章：总结与展望。本章对全文的工作进行了总结，对不足之处进行了分析，形成下一步研究的方向指导。7电子科技大学硕士学
29、位论文第二章相关技术研究基础2.1本体本体最初来自哲学领域，然后在计算机领域进行了不同的定义，其是一种建模工具，可以在语义和知识层基础上对领域知识进行结构化的描述。本体对这些知识的描述是客观的，能够降低这其中概念和逻辑关系的理解错误率，同时也能为知识共享提供基础到广泛应用的原因。14。这也是其能够成为语义网的核心部分，并在诸多领域得2.1.1本体构建准则本节主要介绍本体的构建准则和目前比较公认的几种本体构建方法。1.本体构建准则在个人构建本体的时候，用到的方法和流程是不同的，主要原因是每个任务的需求和所应用到的范畴是不相同的。比较多的学者都提出了本体构建的准则，目前比较公认的准则是 1995年
30、的时候由 Gruber 提出的五条准则，分别是：(1)明确性和客观性。本体需要使用特定的描述语言 对领域知识中确定的定义和概念给出客观、明确的语义定义，即是必须客观、有效的说明定义术语、概念的意思和关系。在使用逻辑公理表示定义的时候，应该是形式化的。(2)完全性。即给出的所有定义必须是完整的，能够完全的将术语的含义表达出来。(3)一致性。本体表示的术语的含义和由术语推出的推论是相容的，即推理是一致的，不会产生相互矛盾。同样，用术语描述的公理和用自然语言描述的说明文档也应该是具有一致性的。(4)最大单调可 扩展性。本体需要支持在已经定义的概念基础上可以添加、定义新的术语，即可以动态的向本体中添加
31、新的东西，而不需要修改原来的内容，也就是动态可扩展性。(5)最小编码偏好和最小承诺性。最小编码偏好，即是要求概念的描述不能只针对某一个具体的编码表示方法，因为不同的具体应用可能会采用不同的表示方法，因此脱离具体编码表示方法的概念描述能够确保概念描述在实际应用中的通用性。最小承诺性指的是在我们进行本体建模的时候是在尽量小的约束条件下进行的。当前除了对构建本体的方法不统一外，对本体性能的评价标准也不统一。8第二章相关技术研究基础2.本体构建方法从 20世纪 90年代以来，本体的研究和本体的应用都得到了较快的发展，然而目前依然没有本体构建的权威标准化的方法，现有方法都是从本体的实际构建过程中总结出来
32、的方法和理论。目前比较公认的本体构建方法有以下几种 1516：(1) Skeletal Methodology（骨架法）17该方法又叫 Uschold和 King方法，或者 Enterprise方法，是从建立企业本体的实践中提取、总结出来的，专门用来构建企业本体。主要过程包括：明确本体的应用目的和范围；构建本体，提取和定义概念、编码、集成现有本体；评估，评估相关标准是否存在矛盾和概念不完整的情况，然后利用以上的标准对建立的本体进行评估。(2) KACTUS工程法 18该方法又叫 Berneras 方法，是从 KACTUS项目中总结提出的，该方法的主要目的是知识共享和重用。主要构建过程包括：首先
33、是说明应用的规范，然后在该规范的基础上对本体的上层进行建模方面的设计，最后再提炼以及重构本体。(3) Gruninger和 Fox 方法 19该方法又叫 TOVE 方法，是加拿大多伦多大学的企业集成实验室在开发 TOVE项目本体时总结出来的经验。主要构建过程包括：确定目标场景，对问题领域给出解决方案，对其中的对象和关系进行非形式化的语义描述；形式化资格问题，资格问题用于表达本体的约束条件，用来评价本体满足需求的程度；使用形式化的语言给出术语集合的规范说明；对系统能力问题进行形式化语言的表示；将定义的规则形式化为公理；建立本体完备性条件，使知识本体趋于完备。(4) METHONTOLOGY方法2
34、0,21该方法由西班牙 Madrid 理工大学的 AI实验室中的研究者们提出的，这种方法结合了 GOMEZ-PEREZ方法和骨架。 METHONTOLOGY采用类似软件开发的过程来进行本体的构建，其将本体生命周期和本体开发进程期两个方面区别开来，同时采用不同的技术予以支持。2.1.2过程本体过程本体最初也来自于哲学，哲学中的过程本体表示将整个世界进行完整的结构化描述形成通用模型 22。同所谓的应用本体相比，过程本体是一种基本本体，其是一种结构化的设计模式，不能够访问自己的实例，而是对经验现象进行解释并把它们连续的融合在一起。在计算机科学领域中，过程本体用来描述组成处理流程的组件和组件之间的9电
35、子科技大学硕士学位论文相互关系。知识领域中的过程本体是一种形式化的本体。这样的本体对于描述上层本体和语义非常有优势，在软件设计过程中使用过程本体可以形式化的描述整个处理流程的层次关系和相互直接的约束条件。研究人员对如何构建过程本体（或者计划本体）进行了很多的研究 23,24。过程是一系列为了达到任务目标或者期望的活动组成的，即是任务目标的实现需要通过过程来实现。过程和任务目标可以向下分解为子过程和子任务目标，对没有子过程的过程称为基本过程，没有子任务目标的任务目标称为基本任务目标，这样的分解方式可以将复杂任务简单化。因此在描述过程的时候，应该同时描述组成过程的部件、活动、以及相互关系和约束条件
36、等。过程分解的同时也对任务进行分层，这使得过程本体可以很好的对问题提出解决方案，从而将过程抽象化，并用形式化的语言描述出来。过程本体是本体的一种子类型，过程本体的层次结构通常被用来描述概念间的语义关系，同时在模拟过程的描述中，过程本体是一个非常有效而且很有优势的可视化技术。所有从流程化角度描述和实现的任务，通常都可以向下划分为一系列子任务和子任务对应的活动，这些活动之间存在着相互联系和约束，从而形成一个过程，利用过程本体的的层次关系可以对它们进行形式化的描述。科学界也把过程本体表述为对领域中概念间的关系和属性以及概念本身的描述，它可以被表示为一个三元组，因此过程本体模型也是一种基于 OWL的本
37、体模型。252.1.3 Protg本体构建工具Protg是斯坦福大学的医学院使用 Java 语言开发的一个开源软件，用于实现本体的编辑和知识获取 26。它是现今最常用的本体构建工具之一。目前本体构建工具比较成熟和常用的主要有：OilEd 27、KAON 28、OntoEdit 29、Ontolingua、30、WebOntoOpenCyc Knowledge Server（简称 OpenCyc或 Cyc） 31、Ontosaurus 32 33、Protg等。因为本文采用 Protg 进行本体构建，因此这里只对 Protg 进行介绍。Protg提供图形化操作界面，且与 Windows 风格相同
38、，模 块划分明确，使用方便。该软件创建的本体以树形层次结构目录形式显示，用户只需要点击对应的项目即可以增加或者编辑需要的类、子类、实例、属性等。因此用户不需要使用具体的本体表示语言进行本体构建，只需要在概念层次上进行领域模型的设计，支持完全的上层操作和中文。Protg具有面向对象编程思想中的多重继承功能，为了满足个性化的使用需求，Protg为用户提供了个性化的可扩展功能，但是因为没有嵌入推理工具，所以不能够提供推理功能。其特点主要有以下几点：具有个性化可扩展功能，用10第二章相关技术研究基础户可以对自己的界面进行随意的配置以更好更快速的进行本体的构建；可扩展的知识模型，用户可以对使用的表示原语
39、进行重新定义；支持数据库存储，Protg的开发工具是 Java，所以可使用常用的 Java和数据库的接口 JDBC 、JDBC-ODBC等来对数据库进行访问。用户接口可定制，使用 Java 的 API接口和插件，可以更换数据获取模块和用户接口的显示来适应新的语义环境，可扩展提供如推理、提问等新功能；文件输出格式可定制， Protg编辑完成的本体可以使用多种文本表示格式来作为其输出，主要包括：RDF(S)、XML 、OWL、DAML、DAML+OIL、 OIL等系列语言；具有和其他应用相 结合的可扩展结构，可与外部的语义模型直接连接。Protg提供 Protg-OWL编辑器和 Protg-Fra
40、mes编辑器两种构建方式：(1) Protg-OWL编辑器为 用户提供使用 OWL（Web Ontology Language）来构建语义 Web本体的功能，可以明确的表示 词汇 表中的术语含义与术语关系 34,35。(2) Protg-Frames编辑器 为用户提供基于框架的本体构建功能，即一种基于传统的知识表示方法的本体、数据定义和实例数据的录入技术 36。2.2 RFID技 术基础1. RFID技术理论RFID即无线射频识别技术，是一种无线传输、通信技术，其通过无线非接触式的方法远距离的自动识别和追踪附着在物品上的电子标签。电子标签存储着对物品的唯一标识编码和相关信息。随着技术的日趋成熟
41、，RFID已经广泛应用于物流运输、资产和设备管理、零售、医疗、物品追踪和交通等各个领域。RFID中相关概念主要有：(1) RFID电子标签电子标签又叫做应答器，其内置天线，用于附着在需要识别的目标物品上，来对物品进行唯一的标识，标签内存储了对应物品的相关信息。电子标签分为两种：主动式（有源）和被动式（无源）。主动式电子标签内自带电源，自己按照特定的频率向外发送电磁波信号与读写器进行相互通信，特点是具有比较长的读写距离和较大的内存容量；被动式电子标签则没有自带电源，等待读写器发出的电磁波信号激活电回路实现读写信息，特点是体积小和价格低。一般情况下，电子标签中存储两种数据：一种为电子标签的编号，具
42、有唯一性，是厂家在制造过程中设定的，不能够重写和更改；另一种为可读写数据，用户可以根据需要将物品信息写入，读写器通过这部分数据来获取目标物品的相关信息 37。11电子科技大学硕士学位论文(2)读写器也被称为阅读器，其通过无线射频技术同电子标签进行通讯，是可以读取电子标签中内容信息的设备，是系统获取电子标签中内容信息的桥梁，读写器有固定式和手持式两种。一般情况下读写器包括软件和硬件两个部分，软件部分包括导入软件和控制软件，主要实现导入对应程序到指定存储空间，系统的通信和控制。硬件由控制系统、发射器和接收器组成的接口、发射电磁波的天线组成 38,39,40。随着技术的发展，现厂商提供的读写器已经具
43、备了部分中间件的功能，例如标签信息的重复信息过滤和部分的条件过滤等。同时现有读写器从内置的单天线发展为了 4通道，部分读写器实现了 6通道，可以连接多个外置天线，扩大了读写器读写范围，增加了同时读取标签的数据量，提高了读写信息准确性。(3)天线天线是一种用来发射和接收电磁波的电子器件，RFID中涉及的天线包括读写器天线和电子标签天线两种。电子标签包含的是内置天线，体积比较小。读写器有内置的天线，也有外部连接的天线，体积相对较大。天线根据自身的结构不同分为元极型天线和线极型天线，通过调节频率等参数可以调节天线的覆盖范围和覆盖形状，用户可以通过调节相关参数来满足读写器对标签的读取需求。2. RFI
44、D系统组成RFID系统由读写器、电子标签和中间件三部分组成，其中电子标签包含内置天线，读写器也包含配置的天线，组成结构如图 2-1所示。图 2-1 RFID 系统的组成电子标签内置天线和芯片，读写器通过向外发射电磁波信号，当电子标签进入到读写器读写范围后，读写器就可以读取标签内信息或者根据需要向标签内写入信息。读写器作为数据采集设备，其获取到的数据与中间件进行处理和交换。中间件是连接读写器设备和管理系统的中间桥梁，中间件将从读写器中获取到的数据传递给数据管理系统进行后台处理。3. RFID工作原理12第二章相关技术研究基础RFID工作原理如图 2-2所示，RFID是通过电感耦合或电磁反向散射耦
45、合来实现无线通信的。读写器和电子标签的信息传递过程中，首先读写器会利用本身所带的天线向外发送电磁信号，在自己周围形成一个电磁场，当附带电子标签的对象进入这个电磁场区域后，电子标签内部的回路中将产生感应电流（即电子标签的第一种能量供应方式）。电子标签通过感应电流获取到的能量将自己的编码信息利用内置天线发射出去，这时候读写器就会通过天线接收到这些信息，然后对获取到的信息进行解调和解码，最后传输到后台管理系统进行对应的应用处理。由此可以看出读写器在整个信息获取过程中处于核心地位，负责了信息交换的控制和处理作用。包括了信号的发射和接收，对信息号的解调和解码，与程序接口进行相互通信等功能。图 2-2 R
46、FID 工作原理图2.3隐马尔可夫模型马尔可夫链是俄罗斯数学家 Andrei A. Markov在 1906到 1912年期间研究并提出的自然过程的一般模式，同时开创了马尔可夫过程的研究。到 20世纪 70年代初期时 Baum和同事提出了隐马尔可夫模型的思想。直到 80年代中期由贝尔实验室的 Rabiner等研究者对 HMM 进行了介绍，才使得各国研究者们对 HMM 有所了解和熟悉 41。隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM ）是一种用于描述双重随机过程特性的概率模型，由马尔可夫链和随机过程两部分组成。在常规马尔可夫模型中，状态对观察者是直接可见的，状态的转移概率就是
47、模型的全部参数。然而在隐马尔可夫模型中，状态对观察者来说不是直接可见的，因此称为“隐”马尔可夫模型。但是模型中受到状态影响的一些变量是直接可见的，每个状态在这些可见的变量上存在一个概率分布，因此这些可见变量能够透露出状态序列的信息，这部分关系即是一般随机过程。在 HMM中，状态 之间的转换使用状态转换概率描述，其含义是从一种状态向另外一种状态转换的概率；在整个的过程中状态和13电子科技大学硕士学位论文观察序列之间的关系是通过观察概率描述的。隐马尔可夫模型的状态的变迁如图2-3所示，其中 S代表隐含状态、O代表可观察的输出、a代表着转移概率、b代表输出概率。图 2-3隐马尔可夫模型图2.3.1隐
48、马尔可夫模型定义隐马尔可夫模型是对隐含有未知参数的马尔可夫模型的描述方法，它是一种统计模型。其主要难点是怎么确定过程中的隐含参数，这些隐藏的参数与模型中的可观察参数具有一定的概率关系，通过这种概率关系对模型中的隐藏参数进行分析。隐马尔可夫模型的状态转移图如图 2-3所示，下面是对其相关参数的具体说明。(1) X S1,S2,SN是一组状态的有限集合，其中状 态数目为 N 。用qt表示时间为 t时的状 态，qt X，经过时间 T后形成的状态序列表示为Q q1q2.qT。对于大部分的应用来说，许多物理上的意义都与单个状态或者是状态集有关系，虽然这些状态是隐藏不可见的。(2) V v1,v2,.,
49、vM是一组可观察值的集合，M是每一个状态可能对应输出的可观察符号的数量。用Ot表示时间为 t时的状态，O t V，在经过时间 T后形成的观察序列表示为O O1O2.OT。(3) A aijNN是状态转义概率的一个集合，对于集合中的任意元素，其中aij Pqt1 S j | qt Si, 1 i, j n。(4)概率分布 B bi(k)是一个大小为 N M的集合，表示的是相关的状态下输出可观察符号的概率。其中， bi( k) POt vk | qt Si， 1 i N，1 k M。14第二章相关技术研究基础(5)初始化的分布 i， i Pq1 Si，1 i N。综上所述，隐马尔可夫模型（ HMM）可以被定 义成一个五元组 (X,V, A,B,)，一般简单的记为 (A,B,)。 实际上，一个隐马尔可夫模型可以被分成两个部分，首先是马尔可夫链，由 和 A描述的
