信息系統(tǒng)建模與集成技術(shù)

1、信息系統(tǒng)建模與集成技術(shù)論文基于本體的信息系統(tǒng)建模摘要：針對信息系統(tǒng)建模的特點(diǎn)，我們提出了一種漸進(jìn)式的本體建模方法。在這 個(gè)方法中，我們特別關(guān)注信息系統(tǒng)中存在的最一般的事物，并建立了一個(gè)最抽象 的核心本體以供其他的建模人員擴(kuò)展使用。同時(shí)還列出了本體建模的一般步驟。 關(guān)鍵詞：本體，信息系統(tǒng)建模，本體建模The Information System Modeling Based on ontologyAbstract: We have explored an iterative method for ontology modeling in connection with its character

2、isetiI(n this method, we especially concern with the generic things in the domain in question, and have built an abstract core ontology for the other designer to extend. We have also given some general steps for ontology modeling.Key words: ontology,information system modeling, ontology modeling1引言近

3、年來，信息系統(tǒng)正在從獨(dú)立事務(wù)處理向進(jìn)行多系統(tǒng)間的知識共享、事務(wù)協(xié) 作處理和互操作轉(zhuǎn)變，信息系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不斷提高，信息系統(tǒng)開 發(fā)失敗的可能性也相應(yīng)的增加了。隨著對模型研究的不斷深入，研究人員們逐漸 認(rèn)識到原有的信息系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)方法已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)今企業(yè)的計(jì)算環(huán)境。本體 論在知識工程和人工智能領(lǐng)域的成功，啟發(fā)了信息系統(tǒng)的開發(fā)者，通過將本體論 引入信息系統(tǒng)建模來克服現(xiàn)有建模方法的局限。將本體引入信息系統(tǒng)建模中，可 以更好的消除語義差異，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的知識共享和互操作，這是未來建模技 術(shù)的發(fā)展方向和趨勢。目前，本體模型的研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。許多研究 領(lǐng)域目前都建立了自己標(biāo)準(zhǔn)的本體

4、，Web上有許多可重用的本體資源庫，這使得 諸多領(lǐng)域?qū)＜夷軌蚴褂盟鼈儊砉蚕砗驮u注領(lǐng)域中的信息。構(gòu)造本體的方法有很多，比如多倫多大學(xué)的企業(yè)建模法TOVE，以及根據(jù)TOVE 改進(jìn)而來的骨架法，還有斯坦福大學(xué)的Natalya F. Noy和Deborah L.McGuinness 提出的本體開發(fā)101方法等。但是，沒有哪一種方法是能適用于所有領(lǐng)域的，由 于我們所要建立的本體的領(lǐng)域和目的不一樣，這些方法都不能很好的滿足我們 的需求，所以，我們綜合了企業(yè)建模法，骨架法，101方法，結(jié)合實(shí)際的需求，提出了一種漸進(jìn)式的本體建模方法，這種方法在我們的實(shí)踐中證明是易于掌握并 且有效的。2本體與信息系統(tǒng)建模2.1

5、信息系統(tǒng)建模為什么需要本體隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，不同的領(lǐng)域都開發(fā)了大量的信息系統(tǒng)，每個(gè) 信息系統(tǒng)都是基于特定的需求而建立的，每個(gè)系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)模型。這些模 型的設(shè)計(jì)者和設(shè)計(jì)時(shí)期可能都不一樣，因此，即使是本質(zhì)上相同的一個(gè)事物，不 同的模型所使用的術(shù)語、結(jié)構(gòu)和表示方法也不一樣。這種模型上的不一致性和異 構(gòu)性，使得開發(fā)者對領(lǐng)域知識的理解難以為后來的開發(fā)者所共享和復(fù)用，進(jìn)而增 大實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間互操作的困難。這里，我們講的互操作不僅僅是技術(shù)上的互操作， 還包括運(yùn)行中的互操作。技術(shù)上的互操作已經(jīng)研究了幾十年，從最開始的DIS到 后來的HLA，到現(xiàn)在的Web services以及XMSF，盡管它們都解

6、決了一些互操作的 問題，但是它解決的僅僅是技術(shù)上的互操作問題一通過正確的協(xié)議或語法交換數(shù) 據(jù)的潛力。如果目標(biāo)系統(tǒng)接收到由源系統(tǒng)所生成的數(shù)據(jù)（即使這些數(shù)據(jù)的語法都 是正確的），但它對這些數(shù)據(jù)的假設(shè)和概念的理解不同于源系統(tǒng)的理解，那么系 統(tǒng)之間的互操作仍然不能實(shí)現(xiàn)。因此，系統(tǒng)之間有意義的語義理解所需要的不僅是數(shù)據(jù)交換中的技術(shù)互操作 性，還有信息互操作性。系統(tǒng)必須有能力把語義從一種語言轉(zhuǎn)化為另一種語言， 或者通過一個(gè)參考系統(tǒng)比如能理解和包含語義的支持核心本體的模型來實(shí)現(xiàn)這 種轉(zhuǎn)化。除此之外，本體還可以應(yīng)用于軟件工程，輔助構(gòu)建和維護(hù)軟件系統(tǒng)， 特別是有助于實(shí)現(xiàn)軟件的可復(fù)用性，可靠性和規(guī)范說明。用形式化

7、語言表示的本 體可以作為軟件系統(tǒng)的可復(fù)用或可共享的組件，形式化的表示有利于一致性的自 動(dòng)檢查，本體概念的規(guī)范說明可以輔助信息系統(tǒng)的需求識別和規(guī)范定義過程。 2.2本體在信息系統(tǒng)領(lǐng)域的定義“本體”在不同的學(xué)科領(lǐng)域的定義內(nèi)涵有所不同。在哲學(xué)范疇內(nèi)，本體就是 客觀存在的系統(tǒng)說明或解釋，這個(gè)概念所關(guān)注的是客觀現(xiàn)實(shí)的抽象本質(zhì)。當(dāng)本體 被引入到計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)領(lǐng)域，人們對本體的認(rèn)識和定義經(jīng)歷了一個(gè)不斷深化 的過程，很多學(xué)者曾經(jīng)從不同的角度對它進(jìn)行重新定義和解釋。目前被大部分人 公認(rèn)的定義是Gruber在1994年提出的：“本體是關(guān)于共享概念的一致約定。共 享概念包括用來對領(lǐng)域知識進(jìn)行建模的概念框架、需要互

8、操作的主體之間用于交 互的與內(nèi)容相關(guān)的協(xié)議，以及用于表示特定領(lǐng)域的理論的共同約定。在知識共享 的情況下，本體的形式特化為具有代表性的詞匯的定義。一種最簡單的形式是一 種層次結(jié)構(gòu)，用來詳細(xì)描述類和它們之間的包含關(guān)系。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的框架 (Schemata)也是一種本體，它用來描述能共享的數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系和集成這些數(shù) 據(jù)庫需遵循的約束”。2.3本體在信息系統(tǒng)建模中的功能本體論是研究實(shí)體存在性和存在本質(zhì)等方面的通用理論，其研究對象是實(shí)體 的存在性和存在的本質(zhì)，并且所研究的實(shí)體存在本質(zhì)上不依附于任何語言。因此， 本體可以幫助我們從概念上抽象地描述信息系統(tǒng)模型，提高信息系統(tǒng)模型的可重 用性，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)各

9、信息系統(tǒng)之間的知識(或資源)共享和語義互操作。從已有 的研究工作成果來看，在信息系統(tǒng)建模中本體的功能體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。通信。這里主要是指人與人之間的通信，強(qiáng)調(diào)無二意性的本體，對本體 的形式化程度要求可以不高?；ゲ僮?。指系統(tǒng)之間的互操作，即不同模型方法、不同范例、不同語言 和不同軟件工具的相互轉(zhuǎn)換。為此而建立的本體用于作為系統(tǒng)之間的交換格式。在系統(tǒng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用。主要表現(xiàn)在：可重用性：本體可作為相關(guān)領(lǐng) 域中重要實(shí)體、屬性、進(jìn)程及其相互關(guān)系的一種形式化的編碼。這個(gè)形式化的表 示可以成為軟件系統(tǒng)中一種可重用的或可共享的組件；知識獲?。涸诮⒅?識系統(tǒng)時(shí)，用一個(gè)相關(guān)的本體作為出發(fā)點(diǎn)去引導(dǎo)知識的獲取。

10、將加快知識獲取的 進(jìn)程，提高所獲取知識的可靠性；可靠性：形式化的表示有利于軟件一致化 的自動(dòng)檢查，從而產(chǎn)生更可靠的軟件； 軟件需求規(guī)格說明：本體可以用來輔 助需求的確定，并為信息系統(tǒng)定義規(guī)格說明。3信息系統(tǒng)建模中本體的分類方法3.1信息系統(tǒng)建模中本體的分類及層次信息系統(tǒng)建模中要求本體能夠清晰、準(zhǔn)確并且簡潔地描述現(xiàn)實(shí)世界中所有事 物的關(guān)系和屬性，并且這種描述應(yīng)該具有普遍性和通用性。本體的分類明確了不 同本體之間的區(qū)別與聯(lián)系。目前尚沒有統(tǒng)一規(guī)范的本體分類方法，我們根據(jù)信息 系統(tǒng)建模中本體描述對象和功能的不同，將本體分為3個(gè)層次。第一層次是表示本體。提供用于信息系統(tǒng)建模的描述框架，不規(guī)定描述對象，

11、定義了框架、槽的概念，用以規(guī)范描述。第二層次包括領(lǐng)域本體和任務(wù)本體。領(lǐng)域本體：描述領(lǐng)域知識，依據(jù)表示本 體規(guī)定的描述框架和用戶的實(shí)際需求。它集聚了某一領(lǐng)域的概念實(shí)體、及其定義 與關(guān)聯(lián)。任務(wù)本體：任務(wù)本體主要研究可共享的與領(lǐng)域無關(guān)的問題求解方法，定 義通用任務(wù)和推理活動(dòng)，如診斷等。它們都可以引用頂層本體中定義的詞匯來描 述自己的詞匯；任務(wù)本體主要涉及動(dòng)態(tài)知識，而不是靜態(tài)知識。第三層次是應(yīng)用本體。按照實(shí)現(xiàn)功能分為角色對象本體、業(yè)務(wù)流本體和事務(wù) 處理本體。角色對象本體用來描述信息系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及傳遞的各種信息；業(yè)務(wù)流本 體用來描述各種內(nèi)部功能與外部功能之間的工作流與業(yè)務(wù)流；而事務(wù)處理本體是 與特定的工作

12、流環(huán)節(jié)相關(guān)的行為或者決策方法。這樣的信息系統(tǒng)描述和功能劃分方法，有助于對特定的功能或者問題單獨(dú)建 模，相互之間不會影響，提高信息系統(tǒng)模型的適應(yīng)性和敏捷性，使結(jié)構(gòu)與功能獨(dú) 立開來，適合于信息系統(tǒng)的快速構(gòu)建和可重用性。3.2領(lǐng)域本體和任務(wù)本體在信息系統(tǒng)建模中的作用領(lǐng)域本體和任務(wù)本體是信息系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)，它們的構(gòu)建是否成功直接影響 著系統(tǒng)模型的成敗。我們之所以在系統(tǒng)建模領(lǐng)域研究中應(yīng)用領(lǐng)域本體和任務(wù)本 體，是因?yàn)樗鼈兙哂幸韵峦怀龅奶攸c(diǎn)?？梢栽诓煌慕７椒ā⒎妒?、語言 和軟件工具之間進(jìn)行翻譯和映射，以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互操作和繼承；適合 表示抽象的描述；可以為信息系統(tǒng)模型的構(gòu)建提供一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)； 提

13、供 的是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)豐富的理論，而不單單是一個(gè)存放數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。4本體模型概念是對實(shí)體，事件或現(xiàn)象進(jìn)行概念化的過程，也就是說，概念可以分為兩 種:一是關(guān)于實(shí)體的相對靜態(tài)概念，一是關(guān)于事件或現(xiàn)象的相對動(dòng)態(tài)概念。那么， 在建立領(lǐng)域模型的時(shí)候，我們是否可以依據(jù)這樣的思路來做呢？我們先來看看C21EDM (C2信息交換數(shù)據(jù)模型，Command and Control Information Exchange Data Model)的方法。C2IEDM是一個(gè)已經(jīng)開發(fā)了20多年的 用于信息交換和數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)模型，它是基于實(shí)體的，所有的對象，現(xiàn)象，事 件，活動(dòng)，狀態(tài)，關(guān)系等都通過實(shí)體來描述。其中，對象(OBJE

14、CT-TYPE & OBJECT-ITEM)實(shí)體主要描述戰(zhàn)場空間中的物質(zhì)存在，包含五個(gè)子類型:單位 (ORGANISATION) 人員(PERSON)、物資(MATERIEL)、設(shè)施(FACILITY)和要素 (FEATURE)。把這五個(gè)子類型作為領(lǐng)域的基本元素，用來表示領(lǐng)域中的對象是合 理的。另外，活動(dòng)(ACTION)實(shí)體主要描述戰(zhàn)場空間的行為和事件。因此，我們把 活動(dòng)作為一個(gè)單獨(dú)的基本元素，用來表示領(lǐng)域中對象的各種行為和事件。我們再來參考REA( Resource-Event-Agent)模型中的分類。REA模型是由 William E.M cCarthy所建立，是傳統(tǒng)企業(yè)和電子商務(wù)系統(tǒng)中

15、的主要建?？蚣?。 在REA模型中，市場交換的主要元素就是資源(Resource)，事件(Event)和主體 (Agent)，這里的資源和主體相當(dāng)于C2IEDM中的OBJECT，事件相當(dāng)于ACTION。可 以看出，兩種不同模型的分類方法都可以統(tǒng)一為ACTION和OBJECT.綜上所述，在大多數(shù)的領(lǐng)域本體中，特別是在為信息系統(tǒng)而建立的本體模型 中，所有的概念都可以分為對象概念和活動(dòng)概念，其中對象概念包括五個(gè)子概念： 單位、人員、物資、設(shè)施和要素，這是一個(gè)完備的分類，領(lǐng)域中的所有實(shí)體對象 都應(yīng)該歸為這五個(gè)子概念中的一類。下面給出這些元素的基本定義：對象：描述領(lǐng)域中實(shí)際存在或抽象的實(shí)體集合。單位：表示

16、行政或者職責(zé)結(jié)構(gòu)，用以完成一個(gè)目標(biāo)，目的或任務(wù)。人員：在領(lǐng)域中具有特定身份的個(gè)人。物資：表示與行政或行為目的一致的裝備、器械或補(bǔ)給。設(shè)施：為特定目的服務(wù)而創(chuàng)建的一種對象類型，是通過它提供的服務(wù)而不 是通過它的內(nèi)容來識別的。要素：表示具有現(xiàn)實(shí)意義的控制要素?？刂埔厥侵概c活動(dòng)或行為相關(guān)的， 用于表達(dá)那些描述規(guī)劃或協(xié)調(diào)行為的抽象對象，包括行政、政策和策略上的約束?；顒?dòng)(ACTION):描述計(jì)劃或己經(jīng)執(zhí)行的行動(dòng)，也可以描述有現(xiàn)實(shí)意義的突發(fā) 事件。通過這樣的分類，我們對領(lǐng)域中的概念都有了一個(gè)整體的清晰的認(rèn)識，同時(shí)， 這個(gè)分類也可以指導(dǎo)領(lǐng)域概念的識別過程。當(dāng)需要建立新的本體模型，我們可以 直接利用和擴(kuò)展

17、這些元素來設(shè)計(jì)我們的模型。5建模步驟我們這里提出的建模方法是一個(gè)不斷反復(fù)，循環(huán)迭代的漸進(jìn)過程。人對領(lǐng)域 的認(rèn)識是一個(gè)過程，我們對領(lǐng)域的建模要反映我們對領(lǐng)域的認(rèn)識，要反映領(lǐng)域的 現(xiàn)實(shí)。我們可能先定義了一個(gè)粗略的本體模型，隨著我們對領(lǐng)域認(rèn)識的深入不斷 去評價(jià)和修改這個(gè)本體，通過解決在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題，或者和該領(lǐng)域的專家討 論發(fā)現(xiàn)原先模型中存在的問題，不斷的去完善和增強(qiáng)這個(gè)本體模型。通常，這個(gè)方法包括以下幾個(gè)階段：5.1識別領(lǐng)域的相關(guān)概念根據(jù)以上的定義，識別領(lǐng)域概念就是要確定那些用來描述領(lǐng)域中實(shí)體，現(xiàn)象 和事件的術(shù)語。這里，我們關(guān)注的主要是表示概念的術(shù)語，而不是描述這些概念 的術(shù)語，后者是作為屬性來

18、表示的。識別概念的方法有：頭腦風(fēng)暴法:就是建模人員根據(jù)自己所掌握的領(lǐng)域知識，直接寫出相關(guān) 潛在的領(lǐng)域概念。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是能直接得到一系列的領(lǐng)域概念，效率較高， 但這些概念可能是不準(zhǔn)確，不充分的，需要與該領(lǐng)域的專家進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)。業(yè)務(wù)過程抽取法:建模人員通過分析每一個(gè)業(yè)務(wù)過程把與信息本體相關(guān) 的概念識別出來。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是能得到比較完整的領(lǐng)域概念集，缺點(diǎn)是效率 較低，工作量大。以上兩種方法可以互為補(bǔ)充，交叉使用，在提高識別過程的效率的同時(shí)，提 高概念識別的準(zhǔn)確性。前面已經(jīng)定義了可以表示領(lǐng)域中的所有概念的基本元素，在識別概念的過程 中，需要按這些基本元素對這些識別出來的概念進(jìn)行初步的分類。在這

19、些基本類 型中，除了活動(dòng)之外，其他的都是描述領(lǐng)域中的物質(zhì)存在，它們都是顯而易見的， 因此很容易識別，例如職工，配偶，經(jīng)手人等都是關(guān)于人員的概念，部門，科室 等都是關(guān)于單位的概念，車輛，電腦等是物資的概念，各種政策法規(guī)和指導(dǎo)文件 等是要素的概念，住房，倉庫等是設(shè)施的概念?；顒?dòng)則是描述領(lǐng)域中的現(xiàn)象，事 件和行為等抽象的概念，一般來說，用帶有動(dòng)詞意義的名詞表示的概念都是活動(dòng) 的概念，例如，生產(chǎn)，規(guī)劃，采購，維修，審計(jì)等。在這個(gè)過程中，一般需要對識別出來的概念給出一個(gè)明確的定義，這種定義 可以用自然語言來表示，也可以用形式化語言表示。這個(gè)定義主要陳述這個(gè)概念 的內(nèi)涵。5.2確定描述概念的屬性概念就是屬

20、性的集合，所以對于以上識別出來的領(lǐng)域概念，我們要說明用以 描述它們的屬性。確定概念的屬性必須遵循需求主導(dǎo)的原則，只描述與需求相關(guān) 的特性和結(jié)構(gòu)，并不需要描述概念的所有特性。例如，每個(gè)人都有“膚色”這個(gè) 特征，但在我們的論域中并不關(guān)心這個(gè)特征，所以，人員的屬性中就不需要描述 “膚色”的特征。確概念屬性的方法有下面三種方式：從業(yè)務(wù)模型中提取:業(yè)務(wù)模型中的信息流包含了活動(dòng)所需要的和產(chǎn)生的 信息，通常可以作為描述活動(dòng)的屬性。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫或信息系統(tǒng)中提取:正在使用的數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)都是問 題領(lǐng)域特定方面的模型，其中包含當(dāng)前系統(tǒng)所關(guān)心的對象和數(shù)據(jù)。向業(yè)務(wù)人員咨詢:概念的屬性是刻畫問題領(lǐng)域中我們所關(guān)心業(yè)務(wù)所

21、需要 的概念的特性，業(yè)務(wù)人員很清楚這方面的需求。確定概念的屬性和識別領(lǐng)域概念的過程是相互交叉的，通常都是在識別概念 的同時(shí)，確定這個(gè)概念的屬性以及它與其他概念的關(guān)系。確定了屬性之后，還需 要對屬性進(jìn)行定義和描述，主要包括幾個(gè)方面的內(nèi)容:名稱、定義、數(shù)據(jù)類型、 取值范圍、基數(shù)、該屬性具有的性質(zhì)(自反性、傳遞性、函數(shù)性)。屬性的定義跟 概念的定義一樣，要用精確的無二義性的文本對屬性的內(nèi)涵進(jìn)行說明。5.3確定概念的層次以上步驟得到的概念集合基本上是平面結(jié)構(gòu)的，沒有條理性，確定概念的層 次就是要將它們條理化。分類法是目前使用最多的對領(lǐng)域中信息條理化的方法， 分類體系的建立易于人們對領(lǐng)域迅速建立起整體視

22、圖，方便人們進(jìn)行分析，因此 確定概念的層次也可參考分類法進(jìn)行。確定概念層次可以采用下面三種方式，.自頂向下式開發(fā)過程。從定義最一般的概念開始，然后定義特殊的概念。 我們最先定義的基本元素就是這個(gè)自頂向下過程的體現(xiàn)。自底向上式開發(fā)過程。以定義最特殊的概念入手，從概念層次的葉節(jié)點(diǎn) 開始，然后把它歸類到一般的概念。結(jié)合式開發(fā)過程。該方法是自頂向下式和自底向上式的結(jié)合:先定義易 見的概念，然后適當(dāng)?shù)臍w納和專門研究。這三種方法里沒有那種一定比另外兩種好。采用那種方法取決于信息模型建 造人員對領(lǐng)域中知識的了解情況和觀點(diǎn)。例如，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“土地資源”，我們很容易知道它可以分為“耕 地”、“菜地”、“林

23、地”和“水面”等，而“耕地”又分為“旱地”和“水田”。 這樣就很容易白頂向下確定“土地資源”這個(gè)概念下的各級子概念。對于“農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)政策”、“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制度”等，我們則可以根據(jù)它們具有的共同屬性，得出 它們的共同父級概念一“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策標(biāo)準(zhǔn)”，并將它們的共同屬性作為“農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)政策標(biāo)準(zhǔn)”的屬性。這就是采用自底向上的方式來確定類的層次。為了形成 概念體系，這個(gè)步驟可能會引進(jìn)一些虛類，如上面提到的“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策標(biāo)準(zhǔn)”。但一般情況下，盡量使用業(yè)務(wù)人員使用的概念或術(shù)語。5.4定義實(shí)例定義概念的一個(gè)實(shí)例需要：選擇要實(shí)例化的概念創(chuàng)建這個(gè)概念的一個(gè)實(shí)例給屬性賦值5.5本體模型的代碼化代碼化信息模型就是利用某種形式化語言顯式地表現(xiàn)上個(gè)階段的概念化成 果。主要內(nèi)容有：(1)選擇一種表現(xiàn)語言(能夠支持元本體)(2 )選擇一種模型編