CN111157001A - 一种面向医院室内导航的本体构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向医院室内导航的本体构建方法，包括：确定构建本体的相关领域范围；列出医院导航领域内重要术语，对其逻辑结构进行梳理并进行规范化描述；定义医院导航本体中类及类之间的层次关系；定义医院导航本体中属性的特征与约束；添加医院导航本体实例；对本体进行评价；本体实现；本体存档。本发明将本体引入到医院导航领域，建立一个医院导航领域的概念层次体系结构，将医院空间、不同的用户、不同的导航任务概念进行分类，定义属性，同时也通过关系将概念进行关联，进而构建医院导航的语义空间，使得有限的医疗服务资源和空间得到合理有效的利用，实现医院导航信息的知识化描述，为实现个性化的医院到户服务奠定基础。

Description

一种面向医院室内导航的本体构建方法

技术领域

本发明涉及室内导航信息服务领域，尤其涉及一种面向医院室内导航的本体构建方法。

背景技术

近年来，随着医疗水平提高，医院规模和数量都在快速增长，医院建筑内部空间结构日益复杂、科室更精细，而患者要想在海量的数据信息中快速检索到所需的导航信息并非易事。由于医院导航用户群体的特殊性，加之复杂的就诊流程，用户迷路问题尤为突出，使得医院导航服务的需求变得愈发迫切。目前的医院导航系统多是基于关键词的技术手段进行搜索和查询，缺少丰富语义信息支持下的个性化导航服务，与用户所处的情景联系不紧密，无法充分表达用户的实际需求。医院导航语义信息丰富，需要统一的数据组织方式来表达、存储和管理，以提高效率。因此，构建一个能够表达医院导航服务概念之间错综复杂关系的本体模型，对于医院导航具有重要意义。

医院空间结构复杂但语义丰富，不同用户对医院导航服务有着不同的需求，用户对导航路径也提出各种各样的语义限制，而已有数据模型对室内空间的语义划分无法满足医院空间精细表达需求，需要更细粒度的、针对医院空间的语义划分。室内空间的语义结构表达处于建模的基础地位，解决室内空间认知与抽象的问题。室内语义模型通常与本体论相关，本体是在某个知识领域中明确规范的概念和关系的描述，通常基于本体论所构建的室内语义模型在室内导航中发挥着重要作用，可以为用户提供位置信息查询、区域查询以及最邻近查询等空间服务。本体构建五原则包括^[1]：清晰性(Clarity)；一致性(Coherence)；可扩展性(Extendibility)；编码偏好程度最小(Minimal encoding bias)；极小本体约定(Minimal ontological commitment)。

[1]Gruber T R.A translation approach to portable ontologyspecifications[J].Knowledge Acquisition.1993,5(2):199-220.

发明内容

发明目的：针对以上问题，考虑本体在语义和关系表达方面的优势，本发明提出一种面向医院导航的本体构建方法，建立一个医院导航领域的概念层次体系结构，将医院空间、医院导航用户、医院导航任务概念进行分类，定义属性；同时也通过空间关系将概念进行关联，进而构建医院导航语义空间模型，实现对医院导航信息的统一语义描述，自动组织医院导航相关信息，以及针对不同用户的个性化导航服务。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种面向医院室内导航的本体构建方法。传统的信息检索大多集中在关键字匹配方面，缺乏对导航信息的语义处理。由此，本发明引入本体的概念，即“本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明”，进行多层次概念模型分析，对医院导航本体所包含的语义信息进行描述，建立能够被计算机识别和处理的网络本体语言(OWL,Web Ontology Language)构建本体模型。面向用户检索，医院导航本体可以划分为三大类：医院空间、用户和导航任务，其中医院空间用于描述医院空间的位置、空间关系；用户是面对终端用户建模，包括用户姓名、性别、年龄、职业、病历，根据用户的属性特征，便于自适应检索出用户感兴趣的信息，过滤掉不相关信息，满足用户个性化需求；导航任务用于说明导航任务的名称、类型、组织方式。本体由五元组构成，即概念、关系、函数、公理和实例，表示为：

O＝(C,R,F,A,I)

式中C为概念(Concepts)，用于表示医院空间导航领域中各种不同空间对象或实体，其中具有相同属性的对象或实体的集合被称为“概念”或“类”；R为各概念间的关系(Relations)；F为函数(Functions)，对概念间的关系起约束作用；A为公理(Axioms)，表示由概念和关系组成的领域空间中的永真性断言，便于推理并保证本体的一致性和完整性；I为实例(Instances)，是指医院导航本体中概念或类的具体例子。

本发明所采用的面向医院室内导航的本体构建方法，包括以下步骤：

步骤一，确定构建本体的相关领域范围；医院导航本体是信息导航本体的一个特定领域应用本体，是指关于用户在医院空间环境中实体与事件的信息，涉及到医院空间领域的各个部门和结构，包括医院空间中一切与用户导航相关的各种要素的属性信息以及相互之间空间与非空间关系，因此医院导航领域的范围具有很大的伸缩性。例如医院空间可以简单地分为功能空间和结构空间的层次结构，也可以细划为就诊空间、服务空间、交通空间、建筑空间，还可以根据实际需要更具体的对其进行详细的分类。

步骤二，定义医院导航领域内的术语，为了对医院导航领域知识有统一认识，对医院空间、医院导航用户、医院导航任务三类术语进行明确定义；对其逻辑结构进行梳理并进行规范化描述，避免医院导航本体构建出现概念及属性重复或数据冗余的问题。

步骤三，定义医院导航本体中类与类之间的层次关系，采用自顶向下的方法创建本体类的层次关系。医院导航领域本体概念的形成受多方面因素的影响，受国家的标准和用户认知规律影响，在分类过程中本发明根据多标准、用户行为和医院就诊流程规律来进行总结概括。

步骤四，定义医院导航本体中属性的特征与约束。本发明用属性来准确的描述定义类，完整类属性的建立能够准确的表达导航信息的语义、描述类与类之间的空间关系，属性也可以说明概念的共同特征以及某些概念的专有特征。属性是一个二元关系，分为两类：一类是数据属性(Data Property)，表示在实例化时描述实例的数据，通常会设置数据类型与约束条件；另一类属性是对象属性(Object Property)，用来表达概念之间的层次关系。通过约束描述属性赋值类型、范围、个数以及逆属性。

步骤五，添加医院导航本体实例，为医院导航本体模型中的各个类创建实例，并对实例添加属性约束。

步骤六，对本体进行评价，领域本体构建完成之后，需要领域专家对该本体进行评估。对照本体构建五原则：清晰性(Clarity)、一致性(Coherence)、可扩展性(Extendibility)、编码偏好程度最小(Minimal encoding bias)、极小本体约定(Minimalontological commitment)，若本体符合构建标准，该本体就可以被存档；若不符合，则跳转到步骤二重新概念化本体。

步骤七，本体实现，采用Protégé本体编辑器和网络本体语言(OWL,Ontology WedLanguage)进行本体建模。

步骤八，本体存档，将所开发的本体以文件的形式存档入库，这些文档包括医院导航本体中定义的类、概念和实例，以备后续使用与共享。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

针对医院场景对象种类繁多、空间关系复杂的问题，本发明采用本体建模方法，提出一种面向医院室内导航的本体构建方法，进行多层次概念模型分析，对医院导航本体所包含的语义信息进行描述，建立能够被计算机识别和处理的网络本体语言(OWL,OntologyWed Language)构建医院导航本体模型。通过对医院导航语义的本体建模，使得有限的医疗服务资源和空间得到合理有效的利用，实现医院导航信息的知识化描述，为实现个性化服务奠定基础。

附图说明

图1是构建医院导航本体的流程图；

图2是医院空间、用户、导航任务关系模型的演化图；

图3是面向医院导航的本体层次划分图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种面向医院室内导航的本体构建方法，包括以下步骤：

1.确定构建本体的相关领域范围

确定本体的构建针对的范围为面向医院的导航服务，且是专门针对综合医院的研究；本体应用人群为导航用户，构建本体的任务为让用户快速完成医院导航服务信息的检索，使得医院资源得到有效合理的利用。

2.列出医院导航领域内重要术语

为了对医院导航本体逻辑结构进行梳理并进行规范化描述，避免医院导航本体构建出现概念及属性重复或数据冗余的问题，对医院导航服务信息有统一认识，由此，对如下术语进行明确定义：

医院空间(Hospital Space)是指提供医疗和护理病人使用的公共空间；

医院导航用户(Hospital Navigation User)是指医院导航的使用者；

医院导航任务(Hospital Navigation Task)是指用户在导航过程中执行的任务。

3.定义医院导航本体中类及类之间的层次关系

本发明对医院导航本体构建采用自顶向下的方式创建本体类的层次关系；医院导航领域本体概念的形成受多方面因素的影响，受国家的标准和用户的认知规律影响，在分类过程中根据多标准、医院用户行为和医院就诊流程中的规律来进行。最终归纳整理出医院导航领域本体概念类三大类，包括医院空间本体、用户本体、导航任务本体，具体分类如表1所示。

表1

(1)医院空间：结合人们对医院室内场景的认知，在语义功能层面，将室内空间划分为功能空间和结构空间。

功能空间分为就诊空间和服务空间。就诊空间分为住院部、门诊部和医技部；服务空间分为公共附属设施空间(如洗手间、指示牌)和服务设施空间(如超市、营养厨房)。

结构空间分为交通空间和构筑空间。交通空间分为垂直空间(如楼梯、扶梯、直梯)、水平空间(如廊道)与入口；构筑空间分为固定空间(如屋顶、墙面、地面、立柱)和可变空间(如装饰物、桌子椅子、消防栓)。

(2)医院用户：在选择用户类型参与到室内导航本体构建过程时，依据的因素包括各用户群体的教育背景、参与动机、利用医院建筑的频率。因此，首先就诊人员和医护人员是医院建筑空间的使用人群，就诊人的陪护者是相对而言次于前两者的使用人群；管理人员和后勤服务人员仅是围绕就医而展开的使用人群；而医护人员是三者中长期使用医院的。由此，用户分为就诊人员、陪护人员、医护人员、管理人员、后勤人员。

(3)导航任务：医院用户的行为特征具有明确的流程性及目的性，大型综合医院作为一个集治疗、检查、取药、住院及学术办公多种功能于一体的建筑形式，由此，产生多种不同目的性的导航流程方式，导航任务分为：分诊、候诊、就诊、复诊、离院和休闲娱乐。

用户作为导航的主体，其导航对象是医院空间，用户与医院空间交互关系产生导航任务，医院空间、用户、导航任务双向作用模型如图2(a)所示。但是，这种双向作用模型忽略了三者之间联系的本质基础。由此，本发明利用本体理论，构建三者之间的层次关系如图2(b)所示。其中，用户与医院空间之间构成导航的主体和对象关系，医院导航的目的是指导用户更好地理解空间和建立完备的空间知识；医院空间与导航任务关系中，医院空间不仅是用户认知对象，还是导航任务中描述和表达的对象；用户与导航任务关系中，导航任务是用户的目的；三者之间相互作用。

4.定义医院导航本体中属性的特征与约束，通过约束可以来描述属性赋值类型、范围、个数以及逆属性。

本发明用属性来准确的描述定义类，完整类属性的建立能够准确的表达地理语义、描述类与类之间的空间关系。属性对地理概念以及概念之间的关系进行描述和定义。属性可以被用来说明类的共同特征以及某些个体的专有特征，属性是一个二元关系。属性分为两类：一类是数据属性(Data Property)，表示是在实例化时描述实例的数据，如Name、Age属性，通常会设置数据类型和约束条件；另一类是对象属性(Object Property)，是为了描述概念之间的层次关系。本发明针对医院空间、用户、导航任务的概念划分，自定义了一些概念对象属性和数据属性。具体如下：

(1)医院空间的属性设计：其对象属性为描述室内场景的空间关系，分为包含、连通、楼下、楼上、隔壁。例如房间与房间之间存在连通、隔壁的关系。这些空间关系的表达有利于描述医院空间的概念，也有利于表达用户所在空间与其他空间的联系。医院空间的对象属性是描述室内空间或物体的基础属性。此类属性作为室内场景的基础信息输入，具有一定的辅助判断价值。

(2)医院用户的属性设计：为了充分表达用户的兴趣信息，本发明给用户类赋予丰富的属性数据，不仅具有能够描述其基本背景信息的数据属性，如姓名、年龄、性别、职业、病历，同时具有对象属性来分别描述用户的位置、导航时间、兴趣，职业，活动以及用户邻域。

(3)医院导航任务的属性设计：在医院导航系统中，导航服务资源是用户取得信息的来源，但往往这些导航服务信息又是海量而无序的，因此，如何对这些信息进行有效的分类与处理是个性化导航中一个重要的环节。在本发明中借鉴医院医疗流程，将导航任务(服务)本体设计为：分诊、候诊、就诊、复诊、离院和休闲娱乐；并且这些导航任务同时具有数据属性和对象属性，数据属性介绍导航任务的基本信息，对象属性是指这些导航任务的时间、地点、类型以及领域。

本实施例中，医院导航本体的部分属性集合如表2所示。

表2

5.添加医院导航本体实例

实例是类的具体描述，类是实例的抽象表示。实例具有所属类的所有特征，创建实例就是为类创建特征项。由此，类和属性建立后，使用实例对本体进行填充，定义实例相当于建立逻辑知识库。

本发明为医院导航本体模型中的各个类创建实例，并对实例添加属性约束。

6.对本体进行评价

评价是指在医院导航本体的每个阶段和阶段之间，领域专家利用某种参考框架对本体、软件环境、文档进行技术判断，包括正确性(verification)和有效性(validation)。

领域本体构建完成之后，领域专家根据本体构建五原则对该本体进行评估。若本体符合构建五原则，该本体就可以被存档；若不符合，跳转到步骤二重新概念化本体。

本体构建五原则包括：清晰性(Clarity)、一致性(Coherence)、可扩展性(Extendibility)、编码偏好程度最小(Minimal encoding bias)、极小本体约定(Minimalontological commitment)。

7.本体实现

采用Protégé本体编辑器和网络本体语言(OWL，Ontology Wed Language)进行本体建模，面向医院导航的本体层次划分如图3所示。

8.本体存档

将所开发的本体以文件的形式存档入库，这些文档包括医院导航本体中定义的类、概念和实例，以便以后使用和共享。

Claims (5)

1.一种面向医院室内导航的本体构建方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一，确定构建本体的相关领域范围，本体的构建针对的范围为面向医院的导航服务，本体应用人群为导航用户；

步骤二，定义医院导航领域内的术语，包括医院空间、医院导航用户、医院导航任务，对其逻辑结构进行梳理并进行规范化描述，避免医院导航本体构建出现概念及属性重复或数据冗余的问题；

步骤三，定义医院导航本体中类及类之间的层次关系，采用自顶向下的方法创建本体类的层次关系；根据国家标准、用户行为和医院就诊流程规律进行分类；

步骤四，定义医院导航本体中属性的特征与约束，设置属性的定义域与值域；利用属性描述定义类，通过建立完整类属性表达导航信息的语义，描述类与类之间的空间关系，说明概念的共同特征以及某些概念的专有特征；通过约束描述属性赋值类型、范围、个数以及逆属性；

步骤五，添加医院导航本体实例，为医院导航本体模型中的各个类创建实例，并对实例添加属性约束；

步骤六，对本体进行评价，对照本体构建五原则，若建立的本体符合标准，评价完成；否则，跳转到步骤二重新概念化本体；

步骤七，本体实现，采用Protégé本体编辑器和网络本体语言进行本体建模；

步骤八，本体存档，将所开发的本体以文件的形式存档入库，以备后续使用与共享。

2.根据权利要求1所述的一种面向医院室内导航的本体构建方法，其特征在于：所述步骤一，医院导航本体是指关于用户在医院空间环境中实体与事件的信息，涉及到医院空间领域的各个部门和结构，包括医院空间中一切与用户导航相关的各种要素的属性信息以及相互之间空间与非空间关系。

3.根据权利要求2所述的一种面向医院室内导航的本体构建方法，其特征在于：所述步骤三，将医院导航领域本体分三类，包括医院空间本体、用户本体、导航任务本体；具体分类如下：

医院空间分为功能空间和结构空间；功能空间分为就诊空间和服务空间，就诊空间分为住院部、门诊部和医技部，服务空间分为公共附属设施空间和服务设施空间；结构空间分为交通空间和构筑空间，交通空间分为垂直空间、水平空间与入口，构筑空间分为固定空间和可变空间；

医院用户分为就诊人员、陪护人员、医护人员、管理人员、后勤人员；

导航任务分为分诊、候诊、就诊、复诊、离院和休闲娱乐。

4.根据权利要求3所述的一种面向医院室内导航的本体构建方法，其特征在于：所述步骤三，用户作为导航的主体，其导航对象是医院空间，用户与医院空间交互关系产生导航任务，医院空间、用户、导航任务双向作用，利用本体理论，构建三者之间的层次关系；用户与医院空间之间构成导航的主体和对象关系，医院导航指导用户理解空间和建立完备的空间知识；医院空间与导航任务关系中，医院空间不仅是用户认知对象，还是导航任务中描述和表达的对象；用户与导航任务关系中，导航任务是用户的目的；三者之间相互作用。

5.根据权利要求1所述的一种面向医院室内导航的本体构建方法，其特征在于：所述步骤四，属性是一个二元关系，分为两类：一类是数据属性，表示在实例化时描述实例的数据，设置数据类型与约束条件；另一类是对象属性，用来表达概念之间的层次关系；针对医院空间、用户、导航任务的概念划分，自定义概念对象属性和数据属性，具体如下：

(1)医院空间的属性设计：其对象属性为描述室内场景的空间关系，分为包含、连通、楼下、楼上、隔壁；

(2)医院用户的属性设计：医院用户同时具有数据属性和对象属性，其数据属性描述用户基本背景信息，包括姓名、年龄、性别、职业、病历；对象属性描述用户的位置、导航时间、兴趣，职业，活动以及用户邻域；

(3)医院导航任务的属性设计：导航任务同时具有数据属性和对象属性，数据属性描述导航任务的基本信息，对象属性描述导航任务的时间、地点、类型以及领域。

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