本体非物质文化遗产领域的知识建模

念其锋，李立耀，赵少卡，吴红霞

（福建技术师范学院a.大数据与人工智能学院；b.非遗数字化与多源信息融合福建省高校工程研究中心，福建福清 350300）

非物质文化遗产（intangible cultural heritage,以下简称“非遗”，ICH）是国家和民族的宝贵文化财富，彰显了民族文化和历史底蕴，必须通过现代化技术和管理手段加以永久保护，使其源远流长.自20 世纪90 年代初起，随着互联网、虚拟现实、人工智能、大数据等数字化技术的高速发展，运用数字化技术手段来保护非遗越来越受到世界各国重视，数字化技术已成为非遗保护的重要途径，非遗数字化是非遗保护研究领域的热点之一[1].非遗数字化包括数据采集与处理、数据存储、数据展示与应用等技术层面.近年来，无论研究深度还是研究广度，相关理论和技术都得到快速发展，获得大量研究成果[1-10].数据存储技术和方法是非遗数字化保护的基础，如何高效组织和管理大量的非遗数据，成为非遗数字化保护向非遗智能化保护演化的技术瓶颈之一.目前，国内外相关非遗机构大多采用传统的关系型数据库技术，大多根据自身特定需求而相继建立特色鲜明、独立运营的非遗数据库及其应用系统.但是，这些非遗数据库之间明显存在数据异构、兼容性差等缺陷，形成“数据孤岛”而无法实现数据共享与融合，限制了非遗数字化保护的进一步发展.

每一项非物质文化遗产都有自身的生命轨迹，在不同的时间空间内持续演化，具有明显的动态性.因此，活态性是非遗的一个重要特征，体现了非遗项目的传承和演变情况，必须成为非遗数字化保护所体现的重要内涵.在非遗数据的采集、存储和应用过程中，产生大量具有活态性的显性非遗数据，同时蕴含许多深层次的非遗隐性知识.借助知识建模理论、方法和工具进行非遗知识建模，使非遗知识体系具备可理解性、完备性、可推理性和可解释性，从而构建非遗知识库，为非遗数字化和智能化保护奠定基础.

本体是语义网的核心技术，是对客观世界进行明确的形式化和概念化描述，已广泛应用于人工智能领域.由于在表示非遗概念、非遗属性及它们之间深层次关系具有明显优势，国内外许多专家学者利用本体技术对非遗领域知识建模，取得了一系列研究成果[2-11].滕春娥等以黑龙江地区赫哲族为例，构建了非遗知识组织体系，包括确定概念、建立模型和软件建模三个阶段[2].侯西龙等在非遗领域知识要素和语义关系分析基础上，构建了非遗知识本体模型，并以湖北省非遗项目为例，开发了非遗知识关联数据集与知识服务平台[3].魏清华等在关联数据技术基础上，以甘肃省国家级非遗为例，构建甘肃省非遗知识库[4].何春雨等采用本体和关联数据技术，以赫哲族非遗资源为例，构建非物质文化遗产资源本体库[5].同样地，本体工程技术在其它领域知识建模方面也得到了广泛应用，构建了诸多领域本体[12-16].已有研究成果对非遗知识管理具有重要的应用和参考价值.本文从知识模型的系统性、规范性等层面出发，运用本体七元组形式对非遗领域知识进行建模，提高本体质量.同时，提出了概念冲突检测算法，有效解决了本体中概念之间继承关系不一致问题，有效提升非遗知识推理效率.通过构建非物质文化遗产领域知识的本体模型，提高了非遗领域知识的共享性和非遗智能化应用前景，对推动非遗数字化保护具有重要意义.

1 非遗领域本体的构建准则和步骤

本体技术已经在不同领域中得到广泛应用，但不同领域本体的构建过程和方法存在较大差异，甚至同一领域本体的构建方法也不一样，目前还没有形成一种标准的本体构建方法.然而，本体构建是一个系统性工程，高质量的领域本体需要建立在科学的构建准则和构建步骤基础上.

1.1 非遗领域本体的构建准则

Gruber[17]在给出本体定义的同时，提出了一种本体构建原则已被广泛采纳和应用，是目前最有影响力的本体构建准则，包括明确性（clarity）、一致性（coherence）、可扩展性（extendibility）、最小编码偏差（minimal encoding bias）、 最 小 本 体 承 诺（minimal ontological commitment）.在此构建准则的基础上，非遗领域本体可以对非遗领域知识进行形式化表示，可以明确地定义非遗领域中的概念、属性、关系等，是可重用的和可共享的领域本体.

1.2 非遗领域本体的构建流程

目前，本体构建方法主要有七步法、骨架法、TOVE 法、METHONLOGY 法、KACTUS 法、IDEF5 法等，其中，七步法是应用较为广泛的一种本体构建方法，其构建步骤如图1 所示.在分析本体构建方法和非遗领域知识表示特性的基础上，以七步法为基础，结合自顶向下的本体开发与建模方法，建立了非遗领域本体知识模型的构建流程，如图2 所示.

图1 本体构建步骤

图2 非遗本体构建流程

2 非遗领域本体ICH-Onto 的建模

在文化遗产知识建模研究领域内，CIDOC概念参考模型（CIDOC conceptual reference model，CIDOC CRM）[18]是一个兼具理论和实践的信息融合工具，对构建非遗领域本体具有非常重要的参考价值，对本文ICH-Onto 的概念、关系、属性的建立也具有借鉴意义.同时，《中华人民共和国非物质文化遗产法》、中国非物质文化遗产网、各省市地区非物质文化遗产网，以及文献图书资料都是构建ICH-Onto的信息源，其中包含了海量的非遗知识.因此，系统分析了非遗领域知识，充分挖掘非遗知识的组成因素，通过非遗项目、非遗继承人、非遗项目类型、非遗项目申报时间、申报单位、申报地区等方面描述非遗知识，从而得到非遗本体术语.

2.1 非遗领域本体ICH-Onto 的定义

为了提高基于本体的非遗领域知识模型的系统性和完备性，便于构建非物质文化遗产知识模型，根据非遗知识的特点，本文对非遗领域知识本体ICH-Onto 进行形式化定义.

定义1ICH-Onto ＝〈C,AC,R,AR,H,I,X〉

其中，C是非遗领域本体中的概念（concepts）集合或类（classes）集合（以下统称为概念），例如：非遗项目、传承人、保护单位等；AC是概念的属性（attributes）集合，例如：一个非遗项目具有名称和类别等属性；R是概念间的关系（relations）集合，概念间关系包括定义域和值域两个部分，而定义域通常为概念，值域可以为概念也可以是取值域，例如：部分和整体的part of 关系；AR是关系属性集合，是对关系的进一步限制，例如：非遗项目的类别关系只能取《中华人民共和国非物质文化遗产法》所规定的各种传统文化表现形式，以及与其相关的实物和场所；H表示层次（hierarchies）的集合，通常定义在概念、关系、属性上，表示对象之间的层次关系，例如：概念A 是概念B 的父类，概念B 是概念A 的子类；I表示实例（instances）的集合，实例具有唯一性；X表示公理（axioms）的集合，每一条公理代表一个断言（assertion），例如：传承人继承（inheritOf）和非遗被继承（inheritedBy）是互逆关系，传统戏曲类与传统医药是不相交的，等等.

定义2存 在 概 念Ci和 概 念Cj， 若Ci≤Cj，则称Ci为子类，Cj为父类，即Ci继承于Cj，记为subclassOf(Ci,Cj)或is_A(Ci,Cj).

定义3若概念Ci和概念Cj互为子类，即subclassOf(Ci,Cj)和subclassOf(Cj,Ci)均成立，那么称概念Ci和概念Cj存在等价关系，记为equivalentTo(Ci,Cj).

定义4若存在任意两个实例x∈Ci和y∈Cj，如果x和y均不相同，即{Ax∈Ci，Ay∈Cj|x≠y}，那么称概念Ci和概念Cj是不相交的，记为disjointWith(Ci,Cj).

定义5如果x是概念C的实例，记为instanceOf(x,C).

2.2 非遗领域本体ICH-Onto 的构建

在系统分析非遗领域相关文件、借鉴非遗知识表示方法等基础上，根据本体术语和ICH-Onto 本体的定义，ICH-Onto 本体从概念、概念属性、关系、关系属性、概念层次、实例、公理等七个方面来构建.

2.2.1 ICH-Onto 的概念及其层次关系

为充分地对非遗知识进行系统性表示，在借鉴其它文献和咨询非遗专家基础上，非遗领域本体ICH-Onto 的概念定义如下.

定义6ICH-Onto Classes = {Project, Person,Organization, Region, Category, Matter, Event,Document}

其中，Project 指非物质文化遗产项目，可以是国家级非遗代表性项目名录项，亦可以为各省、自治区、直辖市人民政府建立的地方非遗代表性项目名录项；Person 是指非遗代表性项目的代表性传承人；Organization 是指非遗代表性项目的保护单位；Region 是指非遗代表性项目的申报地区或单位；Category 是指非遗代表性项目的类别；Matter 是指与非遗代表性项目相关的事物，如图片、视频、实物等；Event 是指与非遗代表性项目相关的事件或活动等；Document 是指与非遗代表性项目有关的文献资料.

ICH-Onto 本体主要由非遗项目、传承人、保护单位、所属地区、项目类别、项目事物、项目事件、项目文献等核心概念组成，核心概念及其属性如表1 所示.

表1 ICH-Onto 核心概念及其属性

概念间层次关系用来描述本体概念与概念之间的层次关系，ICH-Onto 本体中主要包含了3种概念间层次关系：子类关系subclassOf、等价关系equivalentTo、不相交关系disjiontWith.

2.2.2 ICH-Onto 对象属性及其限制

属性分为数据属性（Data properties）和对象属性（Object properties）.其中，对象属性用于描述概念之间的关系，其定义域和值域均为概念，例如：对象属性inheritedBy 的定义域（Domains）为非遗项目概念，值域（Ranges）为传承人.对象属性包含功能性（Functional）、反向功能性（Inverse functional）、传递性（Transitive）、对称性（Symmetric）、非对称性（Asymmetric）、自反性（Reflexive）和非自反性（Irreflexive）等特性，其使用方法如表2 所示.

表2 对象属性的特性

续表2

当定义域为概念，值域为取值域时，该关系属性就变为数据属性，用于描述对象与数据类型之间的关联值.例如：对象属性hasName的定义域可以为传承人或非遗项目，值域为传承人姓名或非遗项目名称，数据类型为字符串string.图3 给出了非遗领域本体ICH-Onto 主要的对象属性和数据属性.

图3 ICH-Onto 本体的主要对象属性和数据属性

2.2.3 ICH-Onto 公理

在本体工程中，公理代表一系列的事实、约束条件和推理规则.ICH-Onto 中定义的公理用于约束概念间、概念属性间的关系，有概念间的等价关系、概念间的子类关系、概念间的不相交关系、概念属性间的传递（transitive）、对称（symmetric）、非对称（asymmetric）等关系.例如，高甲戏是闽南地方戏曲剧种之一，又名戈甲戏、九角戏、大班、土班.高甲戏就是一种概念的存在公理，表示概念通过其名字唯一确定；另外，高甲戏是闽南地方戏曲的子类，构成子类关系公理；高甲戏又名戈甲戏，说明高甲戏和戈甲戏是等价关系公理.

2.2.4 ICH-Onto 本体概念冲突检测算法

在构建非遗领域本体ICH-Onto 中，定义了数量较多的概念，概念与概念之间的关系较为复杂，可能会出现概念间冲突情况.例如，存在Ca⊆Cb，Cb⊆Cc而disjoinWith(Ca,Cc)，这是一种概念间关系冲突情况.再有，存在Ca⊆Cb，Cb⊆Cc，Cc⊆Ca这也是一种明显的概念间关系冲突错误.

随着ICH-Onto 的扩展，这种概念间冲突存在的可能性将会明显增加.因此，为了提高非遗领域本体ICH-Onto 的正确性和健壮性，需要消除本体概念间问题冲突.本文运用描述逻辑语言提出了本体概念间冲突检测算法，具体过程如下.

（2）将ICH-Onto 每个概念Ci看成顶点vi，两个概念之间继承关系构成有向边ei，则G=(V,E)是一个有n个顶点的有向图，其邻接矩阵的定义如下：

（3）定义一个表示概念间关系的不相交的二维矩阵Disjoint[i][j]，如下：

（4）任取Disjoint[i][j]=1 的两个顶点vi和vj，分别从vi和vj出发，利用深度优先搜索算法DFS，查询从顶点vi到顶点vj的路径.如果找到一条有向连通路径，说明本体中存在概念间关系冲突现象，跳到步骤（6），否则，继续查找下一对顶点，直到Disjoint[i][j]=1 的所有顶点对都搜索完毕.

（5）运用广度优先搜索算法BFS，查找图G中是否存在闭环.如果存在闭环，表明本体中存在概念间关系冲突现象，则跳到步骤（6）.

（6）算法结束.

3 非遗领域本体ICH-Onto 的实例化

在非遗领域知识建模的准则基础上，深入分析非遗领域知识体系，运用主流的本体开发语言OWL（Web Ontology Language），定义非遗本体的概念、关系、属性、层次、公理，并进行实例化，从而构建了非遗领域知识本体ICH-Onto，收集整理了福建省国家级非物质文化遗产代表性项目数据，部分数据如表3 所示.借助Protégé 5.5.0 本体软件构建和实现了非遗领域本体ICH-Onto，图4 显示ICH-Onto的部分本体模型.

图4 非物质文化领域本体模型

表3 福建省国家级非遗项目（部分）

4 结论

数字化技术手段是非物质文化遗产保护的重要途经，而非遗知识建模进一步提升了非遗数字化保护技术内涵，使非遗领域数据具有语义内涵，对非遗保护和智能化应用具有非常重要的意义.本文在系统分析非遗领域数据管理和数据应用现状的基础上，采用七步法构建了非遗领域本体ICH-Onto，该本体能够系统全面地展示非遗概念和非遗概念间关系，具有完整性和完备性.本文提出了基于有向图的本体概念间关系冲突检测算法，能够有效地检测概念间关系冲突，提高了本体质量，为本体的进一步扩展和应用奠定坚实基础.以福建省国家级非遗项目为例，对非遗领域本体ICH-Onto进行实例化，结果进一步表明ICH-Onto 的应用价值和可操作性.虽然采用本体技术对非遗领域进行知识建模，提高了非遗领域知识共享和应用前景，但由于国内外本体建模方法尚未形成统一标准，人工构建本体方法工程量大且效率不高，自动化或半自动化构建本体方法将成为重要的发展趋势.因此，构建非遗领域本体的意义不仅在于建立一个可共享的知识库，更是未来智能服务和智能应用的必然基础，也将为非物质文化遗产数字化、智能化保护提供数据和知识支撑.