一、前言
參考文檔：Protégé4OWL官方入門教程
因爲在網上看到的教程使用的Protégé版本比較老了，而且是英文的，這裏做一個整理。
Protégé軟件是斯坦福大學醫學院生物信息研究中心基於Java語言開發的本體編輯和知識獲取軟件，或者說是本體開發工具，也是基於知識的編輯器，屬於開放源代碼軟件。這個軟件主要用於語義網中本體的構建，是語義網中本體構建的核心開發工具，現在的最新版本爲5.5.0版本。
Protégé提供了本體概念類，關係，屬性和實例的構建，並且屏蔽了具體的本體描述語言，用戶只需在概念層次上進行領域本體模型的構建。
現在下載到的Protégé一般是一個壓縮包，壓縮包解壓之後有Protege.exe和run.bat這兩個文件，點擊任何一個都可以打開Protégé。
Protégé一打開的界面主要是Active Ontology這個Tab的界面。
本體的名字可以在Ontology IRI裏面修改。
Annotations是註釋欄，可以對本體添加一些信息註釋或者描述。
右邊Ontology metrics會顯示一些本體中相關元素的統計信息。
二、開始建立一個新的本體
建立本體主要在Entities這個Tab的界面下完成。一個最簡單的本體需要完成類和對象屬性的定義。
1. 類的建立
類的添加、刪除是在Class這個Tab下面完成的。Thing類是表示包含所有個體的集合的類。 因此，所有類都是Thing的子類。關於類，主要有三個操作：
需要注意的是，類的命名不可以重複。另外Protégé目前的版本對中文的兼容性還算比較高，但有些時候還是會出現中文顯示爲□的情況。在使用的過程中，推薦優先使用英文命名。通過類的操作，我們可以建立“Pizza（比薩）”，“PizzaBase（比薩餅底）”，“PizzaTopping（比薩餅面）”三個類。
在Class這個Tab界面的右下方是類的描述欄，相當於是對已有的類加一些限制。
比如，對於某一個實例來說，它要麼是PizzaBase，要麼是PizzaTopping，這樣就可以設置“Disjoint with”的關係，說明這兩個集合是不相交的。
那麼如果發現某一個實例既是PizzaBase，又是PizzaTopping，這種情況就是不允許的。這樣的操作保證了類的嚴謹性。
接着，可以通過增加子類的操作完善本體的框架。比如比薩的餅底有薄餅和厚餅，比薩的餅面也有不同的口味。這樣類之間的繼承就是所謂的分類法。
如果在編輯的過程中，類的層級關係不小心弄錯了，不需要刪除之後再重新編輯；可以拖動這個類到它應處於的層級，類似於文件夾的操作。如果拖動了某個類，它的子類也會隨之移動，但不會改變這個類及其子類的層級關係。
如果類的名字寫錯了，可以右鍵選擇“Change IRI Name”進行更改。
如果需要增加很多個子類，可以右鍵點擊該類，選擇“Add Subclasses”。
在空白大框內輸入要建立的子類的名字，以回車爲分隔，就可以一鍵完成子類的建立。點擊“Continue”，可以看到以這種方法建立的子類默認是均不相交的集合。
點擊“Finish”即可完成創建。
在本體中，類和子類的關係可以這麼理解：就拿上面的例子來說，DeepPanBase中所有的實例，都是PizzaBase的實例，這個關係是隨着子類（SubClass-of）這個關係的定義而自然存在的；也就是說在實例化的時候，我們只需要說明這個實例是DeepPanBase即可。
2. 對象屬性（Object Property）
2.1 對象屬性的建立
在本體中定義了兩種類型的屬性——對象屬性（Object Property）和數據屬性（Data Property）。
Object properties are relationships between two individuals.
Datatype properties describe relationships between individuals and data values.
我們知道，本體或者語義網最基礎的元素是（s,p,o）三元組，前面提到的類的定義方式可以看作是s和o的定義方式，這裏這個對象屬性就是p的定義。
對象屬性和數據屬性的定義可以這麼理解：假如有一對夫妻小紅和小綠，那麼我們可以先定義兩個類——男人、女人；小紅是類“女人”的一個實例，小綠是類“男人”的一個實例。之後我們可以定義小紅和小綠之間的夫妻關係，這個關係就是對象屬性“夫妻”。同時我們又知道小紅今年30歲，那麼我們可以定義小紅的一個數據屬性“年齡”，屬性值是“30”。
和Class的界面類似，Object property的界面如下圖所示。
和Thing一樣，topObjectProperty是所有屬性的根節點。對屬性的操作也是主要由三個button來完成。
和類一樣，對象屬性的名字是不能重複的。同時在《官方手冊》中也建議，在命名時爲了方便管理，最好能夠一目瞭然地反應對象屬性所描述的關係。
如果是用英文命名，建議是第一個詞用小寫字母，每個詞之間不用空格（因爲空格可能會在編程的時候帶來麻煩），從第二個詞開始首字母大寫（便於區分不同的詞，能夠更快地理解對象屬性的含義）；此外，《手冊》還建議第一個小寫單詞儘量用is和has，因爲這是最常見的對象屬性。
如果是用中文命名，我感覺就是避免歧義就好了。
例子：
在定義對象屬性的時候，一個比較重要的操作就是定義屬性之間的互逆關係。比如“isParentOf”和“isChildOf”就是一對互逆的對象屬性。互逆關係的定義是對本體關係的補充，也是推理過程的優化。
在這個例子中，可以先選擇“hasTopping”，再點擊“Inverse Of”旁邊的“+”，創建對象屬性“isToppingOf”就完成了一對互逆屬性的定義。如果已經創建好了“isToppingOf”這個對象屬性，那麼可以在點擊“+”之後彈出的對話框中選擇“isToppingOf”這個對象屬性即可。
2.2 對象屬性特性的定義
在定義對象屬性的時候，我們還可以定義對象屬性的屬性特性，對對象屬性作出更多的說明。這些特性可以用家庭成員之間的關係很好地說明。
- Functional
Function我們都知道有“函數”的意思，在這裏，Functional可以認爲是函數中的“單映射”關係。如果一個對象屬性的特性是Functional（單值的），那麼對於某個實例來說，通過這個對象屬性進行關聯的實例有且僅有一個。
Functional properties are also known as single valued properties and also features.
這是《手冊》裏面的例子，對“hasBirthMother”這個對象屬性定義“Functional”的特性，那麼“Jean hasBirthMother Peggy”和“Jean hasBirthMother Margaret”這兩條事實可以推理得到“Peggy和Margaret是同一個人”這條事實。如果還有另外的事實表明Peggy和Margaret不是同一個人，那麼將會導致矛盾。
- Inverse Functional
Inverse Functional特性最重要的還是體現在Functional上，它的涵義是“該對象屬性的逆屬性是單值屬性（single value property）”。
- Transitive
Transitive定義了對象屬性的傳遞性。下圖是《手冊》中的一個例子，假設對象屬性“hasAncestor”具有“Transitive”的特性，如果已知“Matthew hasAncestor Peter”和“Peter hasAncestor William”，那麼可以由“hasAncestor”的傳遞性推理得到“Matthew hasAncestor William”這一事實。
- Symmetric
Symmetric定義了對象屬性的對稱性。在家庭成員中，如果Matthew有一個兄弟姊妹（hasSibling）叫Gemma，自然Gemma也有一個兄弟姐妹（hasSibling）叫Matthew。我們可以定義對象屬性“hasSibling”是對稱的，那麼我們只需聲明一條事實，另一條事實因爲對象屬性的“對稱性”而自然產生。
- Asymmetric
非對稱性也比較好理解，比如hasChild這個屬性就不能定義爲對稱的。
- Reflexive
Reflexive定義的是對象屬性的自反性，也就是自己和自己的關係。比如“know”（認識）這一對象屬性，對於每個人來說，自己肯定是認識自己的。
- Irreflexive
Irreflexive定義的是對象屬性的非自反性，也就是說這個對象屬性不能描述實例自身到自身的關係。例如isMotherOf。
對於某一個對象屬性來說，可以定義一種或者多種特性，但是注意不要矛盾就行。比如《手冊》中就有兩個比較重要的提醒：
如果你定義了某個對象屬性是可傳遞的，那麼它的逆屬性也應該是可傳遞的。
如果你定義了某個屬性是可傳遞的，那麼這個屬性就不能是單值的。
If a property is transitive then its inverse property should also be transitive.
Note that if a property is transitive then it cannot be functional.
2.3 對象屬性的Domains和Ranges
我們知道語義網可以看作是一張圖，一條邊聯繫的兩個節點就是一個事實（或者成爲一條知識），即（s,p,o）三元組，這條邊就是對象屬性。同時，這張圖應該是一張有向圖，那麼每一條邊都帶有箭頭指向性——這個箭頭的起點稱爲對象屬性的Domain（我通常叫做定義域），重點稱爲對象屬性的Range（我通常叫做值域）。
值域和定義域和可以在Description裏面進行選擇和定義。
在Pizza的這個例子裏面，我們可以定義好這些屬性的值域和定義域。如圖所示：
在Protégé中，是允許對象屬性擁有多個值域的。
對於互逆的對象屬性來說，對象屬性的值域是其逆屬性的定義域，對象屬性的定義域是其逆屬性的值域。
3. 利用對象屬性描述類（類的約束）
對象屬性實質上就是定義了類之間的關係，在定義了這些對象屬性之後，可以利用這些屬性來描述類；或者說，給定義好的類添加一些約束。
A restriction describes a class of individuals based on the relationships that members of the class participate in. In other words a restriction is a kind of class, in the same way that a named class is a kind of class.
在Protégé中，約束的定義可以在類的Description欄中找到：
點擊“+”，可以在Class expression editor裏面手動輸入，也可以在Object restriction creator裏面選擇。一些比較複雜的關係可以選擇手動輸入；一些比較簡單的直接關係選擇會比較快一點。
這裏要說明一下，在教程裏面對類添加約束是在“SuperClasses”裏面的，但是在Protégé最新的版本中，這些約束的定義是放在“SubClass Of”裏面了。這是因爲，這些約束實際上也是定義了一個隱含類，這個隱含類中的成員是滿足這些約束關係的成員；而該類的成員均是這個隱含類的成員；也就是說，這個類是由約束形成的隱含類的子類。
在本體中，有三類約束：量詞描述（Quantifier Restrictions），數量描述（Cardinality Restrictions），包含描述（hasValue Restrictions）。
3.1 量詞描述（Quantifier Restrictions）
量詞描述又可以被分爲存在性量詞描述（Existential Restrictions）和全稱量詞描述（Universal Restrictions）。
- 存在性量詞描述
存在性量詞描述用關鍵字“some”來描述。在數學邏輯表達式中，存在性量詞描述可以用符號“∃”表示。例如“hasTopping some MozzarellaTopping”表示“這個類存在Topping爲MozzarellaTopping的成員”。其關係如下圖所示：
以MargheritaPizza爲例，MargheritaPizza（瑪格麗特比薩）是以自發粉、小西紅柿爲主要材料的一款菜品，調料是初榨橄欖油、荷蘭撒拉米等。我們可以來梳理一下MargheritaPizza與其它類之間的關係。
- MargheritaPizza的Topping可以是TomatoTopping或者MozzarellaTooping。
- MargheritaPizza有很多種餅底。
這樣，可以對MargheritaPizza添加下圖所示的一些描述：
同理，我們可以對AmericanPizza、AmericanHotPizza、SohoPizza添加約束：
在類的創建界面，可以看到有一個小按鈕可以選擇“Asserted”或者“inferred”。Asserted是人手工創建的結構，inferred”是推理機推理得到的結構。
The ‘manually constructed’ class hierarchy is called the asserted hierarchy.
The class hierarchy that is automatically computed by the reasoner is called the inferred hierarchy.
在使用推理機的時候，如果有矛盾的類將會以紅色來表示，這樣可以方便我們檢查我們定義的類及其約束關係是否正確。Protégé提供了很多推理機的插件，選擇相應的推理機，點擊“Start Reasoner”就可以開始推理。
到這裏，我們發現，我們目前定義的，都是類的必要條件；也就是說對於某一個實例來說，它屬於這個類，那麼它一定具有這些條件，但是反過來如果它具有這些條件，我們不能說它一定屬於這個類。
因此，我們需要把一些必要條件進一步寫成充分必要條件。
例如對於芝士比薩（CheeseyPizza）來說，如果一個比薩是芝士比薩，那麼它的餅面一定有芝士。按照上面講過的步驟，我們可以添加下面這樣的約束：
反過來，如果一個比薩餅面上有芝士，那麼它就是芝士披薩。於是我們就要把“hasTopping some CheeseToppig”這個必要條件改爲充分必要條件。這事，我們在“hasTopping some CheeseToppig”前加上一個“and”即可，但是要注意的是應該在“Equivalent to”底下添加。
同樣的，我們使用推理機，可以發現在“inferred”界面，CheeseyPizza的子類自動擴充了。
對比一下手工建立的結構和自動推理得到的結構：
- 全稱量詞描述
前面講的這些描述都是是存在性量詞描述（some），下面我們主要看一下全稱量詞描述。全稱量詞描述用關鍵字“only”來描述。在數學邏輯表達式中，全稱量詞描述可以用符號“∀”表示。例如“hasTopping only MozzarellaTopping”表示“這個類任一成員的Topping是MozzarellaTopping”。
假設我們定義一個Pizza的子類VegetarianPizza（素食Pizza），可以添加如下描述：
當我們同樣調用推理機的時候，卻發現VegetarianPizza中並沒有生成子類，按照其他Pizza的描述，VegetarianPizza中應當包含MargheritaPizza和SohoPizza。
這是因爲，在本體中使用的是開放世界假設(Open World Assumption, OWA)。
Close world Assumption（CWA），封閉世界假設，將當前未知的事物都設爲假的假設。在BIM模型中的含義是：當某個元素在BIM模型中沒有進行詳細描述時，BIM模型默認其不存在。現在大多BIM軟件採用CWA假設。
開放世界假設(Open World Assumption, OWA), 它和CWA相反, 對推不出來的命題就很誠實地當作不知道這個命題的正確與否, 這樣的後果就是知識庫中能推導出來的結論大大減少。語義網應該基於OWA假設。
因此，我們要對這些類添加閉包描述。
對MargheritaPizza：
對SohoPizza：
這時候我們再調用推理機，就可以發現VegetarianPizza的子類自動擴充了：
我們知道，Pizza的種類有很多，除了我們定義的CheeseyPizza，VegetarianPizza和NamedPizza之外，還會有各種種類的Pizza，我們當然沒有辦法把它們全部定義完。因此，我們需要定義一個類——ValuePartitions，裏面包含的是可以被枚舉的類，例如Pizza的辣度SpicinessValuePartition，包括Mild，Medium和Hot三種程度。
然後我們知道，在點菜的時候Pizza的辣度只能是這三種，而且這三種辣度集是互不相交的——也就是說Pizza要麼是不辣的（Mild），要麼是中辣的（Medium），要麼是重辣的（Hot）。這裏我們就要引入“Covering Axioms”。我們給SpicinessValuePartition這個類添加一個“Covering Axioms”，如下圖所示：
這時候，這個描述就表示：SpicinessValuePartition=Mild∪Medium∪Hot
可以用下面這張圖來看出加上“Covering Axioms”前後這個類的不同含義：
同樣的，我們可以用前面講到的量詞描述來給不同的Pizza Topping添加Pizza辣度的描述。
對JalapenoPepperTopping：
對RedPepperTopping：
這時候，我們就可以找出這些Pizza裏面的SpicyPizza：
這裏這個條件的意思是：這個實例是一個Pizza，並且它有某一種PizzaTopping，並且這個PizzaTopping的口味是Hot。調用推理機，可以得到SpicyPizza的子類有AmericanHotPizza：
3.2 數量描述（Cardinality Restrictions）
數量描述主要包含min，max和exactly三個關鍵字，比較好理解。比如我們創建一個類InterestingPizza（至尊Pizza）:
也就是說，這裏這個InterestingPizza至少要有3種不同的餅面（hasTopping min 3）。通過調用推理機，我們可以得到InterestingPizza主要包含的子類有：
我們可以定義更加複雜的關係——比如FourCheesePizza：
這裏表示，FourCheesePizza一定有4種餅面，並且這些餅面都是Cheese Topping。調用推理機，我們發現，雖然FourCheesePizza沒有子類，但是FourCheesePizza成爲了InterestingPizza和CheeseyPizza的子類。因爲InterestingPizza是至少有3種不同口味的餅面的Pizza，而FourCheesePizza有4種不同的Cheese口味，自然是InterestingPizza的子類；CheeseyPizza是餅面的Cheese Topping的Pizza，因此FourCheesePizza也是CheeseyPizza的子類。
3.3 包含描述（hasValue Restrictions）
包含描述用關鍵字“value”來描述。在數學邏輯表達式中，存在性量詞描述可以用符號“∋”表示。例如“hasCountryOfOrigin value Italy”（這裏的Italy是一個實例）表示“這個類與這個實例Italy之間的關係是hasCountryOfOrigin”。
比如我們先建立一個實例“Italy”，它的類型是一個國家；建立一個對象屬性hasCountryOfOrigin：
之後。我們對MozzarellaTopping添加一條描述：
我們再建立一個類，想要找出意大利風味的PizzaTopping：
調用推理機，可以得到如下的結果：
到這裏，基本上把類的描述講完了，也可以參考一下官方給出的文檔：Class Expression Syntax
4. 枚舉類（Enumerated Classes）
這裏，我們發現，國家Country實際上是一個枚舉類，那麼枚舉類在Protégé中應該怎麼表述呢？
我們首先定義好這些國家的實例：
接着，在Country這個類添加一條描述：
調用推理機，可以得到推理結果：
對於實例很多的類，使用這種方法來定義類和實例之間的關係，無疑是一種好方法。
5. 數據屬性（Data Property）
Object properties are relationships between two individuals.
Datatype properties describe relationships between individuals and data values.
如果說對象屬性描述的是類之間的關係，那麼數據屬性描述的就是類本身的屬性，感覺上更符合“屬性”這個詞的中文含義。數據屬性的定義主要在Data property這個Tab下面，和對象屬性定義的界面類似，這裏不再贅述。
還是舉這個Pizza的例子，我們知道不同的食物都是有不同的卡路里的，我們可以定義一個數據屬性——hasCalorificContentValue，用來表示不同Pizza的熱量。
這裏需要注意的是，數據屬性必須是從一個實例指向某一個數值。我們可以定義數據屬性的定義域（不同的類），以及值域（屬性值的數據類型），但是不能對“類”添加數據屬性，只能對“實例”添加數據屬性。
5.1 實例的添加及數據屬性的定義
實例的添加需要在Individuals這個Tab裏面實現：
輸入實例名，需要注意的是實例名不能重複：
添加實例的類型，假設是一個MargheritaPizza：
接下來添加實例的數據屬性：
最後可以看到實例Pizza-1的相關描述如下：
同理，我們可以建立一個AmericanPizza的實例，其卡路里是723：
5.2 利用數據屬性描述類
我們知道，食物都有卡路里值，這裏我們需要加入一個描述：每一種Pizza都有hasCalorificContentValue這個數據屬性。我們可以對Pizza這個類增加一些Data restriction。
在這個基礎上，我們可以定義一個高卡路里Pizza類——HighCarloriePizza，指卡路里值高於400的類，並對其增加一些描述：
調用推理機，可以得到HighCarloriePizza中加入了Pizza-2這個實例（因爲Pizza-2的卡路里值爲723）：
同樣的，可以定義一個低卡路里Pizza類：
調用推理機可以發現，因爲Pizza-1的卡路里值只有263，所以它屬於LowCarloriePizza：
6. 小結
第二章基本算是手冊的主體，第二章的內容理解之後開始建立本體應該不是問題了。這裏面對於推理機的應用主要還是用於本體的檢驗和分類，一定程度上是減少了手工建立本體的過程。
另外，在開始建立本體時，本體的框架、類之間關係的梳理極其重要，也是能夠順利進行推理的先決條件。
另外，Protégé中對於類的描述其實就是對於數學集合符號和邏輯符號的不同運用，瞭解這些符號及描述的對應關係之後能更好地理解Protégé中的相關描述。
三、開放世界假設下的推理
前面提到，語義網是基於開放世界假設進行推理的。在開放世界假設下，未知的知識是不確定的，這將大大減少推理得到的結論。
比如，這裏定義了一個類——NonVegetarianPizza，它的描述如下：
我們再定義一種Pizza——UnclosedPizza，它的描述如下：
而當我們調用推理機時，發現UnclosedPizza既不屬於NonVegetarianPizza，也不屬於VegetarianPizza，因爲我們對UnclosedPizza的描述只是說UnclosedPizza有一種餅面是MozzarellaTopping，並沒有說它只有CheeseTopping：
而如果我們將UnclosedPizza的描述修改一下：
我們可以發現，UnclosedPizza被歸爲了VegetarianPizza的子類：
因此，在語義網的推理中，我們需要注意推理條件的設置。