CN102707949A - 一种基于本体的可视化概念建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于本体的概念模型建模方法，首先构建了一套基于本体的概念模型建模规范，该规范指定了概念模型的基本元素，建立了概念模型本体的元模型，对概念模型本体中的实体、属性、关系进行了形式化描述；对概念的属性定义进行了扩展，支持概念型属性，复合属性等建模元素，其次构建了基于概念模型本体的模型显示、可视化编辑、属性和关系的显示、多视图支持的概念建模工具，本发明可实现概念模型的可视化快速构建，可以建立一套标准的公共概念集，实现领域内对概念准确一致的认识，各个领域之间对概念的共同理解和标准化表示，指导各类信息系统的设计、开发和使用。

Description

一种基于本体的可视化概念建模方法

技术领域

本发明属于计算机科学软件工程技术领域，特别涉及一种基于本体的可视化概念建模方法。

背景技术

现实世界的概念纷繁复杂，人们对现实世界没有统一的认识标准，以致对现实世界实体进行抽象时会出现不同的理解，现有的信息系统不能实现信息的互联互通，所以需要一种基于统一的公共概念集的概念建模工具，该工具能够实现信息的互操作与资源的集成。本体理论提出了概念模型的构建规范，对模型的各个元素提出了具体的要求，从而把现实世界中的实体抽象为一组概念与概念之间的关系。现有的基于本体的系统建模没有考虑到信息的共享与互操作问题，从而导致了软件开发人员需要许多重复的建模工作以及他们对公共领域概念的不一致认识，这一定程度上阻碍了概念建模工具在实践中的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于本体的可视化概念建模方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于本体的可视化概念建模方法，包括以下步骤：

步骤一，构建一套基于本体的概念模型建模规范OCMS(Ontology basedConcept Modeling Specification)，该规范给出了概念模型本体的形式化定义：概念模型由五元组{C，A^C，R，A^R，AC}构成，其中C为概念，A^C为概念属性，R为概念间关系，A^R为关系属性，AC为属性约束，满足这五元组的概念模型为一个标准的概念模型本体；在建模规范OCMS中规定概念模型本体的建模元素，包括：概念集、概念、概念属性，概念间关系、关系属性和属性约束，其中概念属性扩展为基本属性、复合属性和概念型属性；

上述建模元素以及扩展后属性的定义为：

概念集：用来记录模型描述模型文件信息；

概念：建模的基础元素，概念属性和概念间关系以它为核心；

基本属性：基本属性是一个简单键值对，记录了简单信息；

复合属性：概念内的属性本身拥有的自身属性，复合属性的描述信息继承基本属性描述信息；

概念型属性：一个已经定义的概念作为另一个概念的属性，与基本属性的操作一致，概念型属性的描述信息继承基本属性描述信息，并且包含概念自身的属性信息；

概念间关系：概念之间的语义联系；

属性约束：属性约束是属性类型的集合，是对概念和关系的属性类型和属性值的约束；

步骤二，通过概念模型建模规范OCMS新建概念，添加概念的基本属性；

步骤三，添加并编辑复合属性；

步骤四，检索已建立的概念，为新建概念添加概念型属性；

步骤五，为新建的多个概念添加概念间关系；

步骤六，模型校验，检查新建概念模型是否满足建模规范OCMS的规则，对不满足的新建概念模型进行修改，直至满足。

在建模规范OCMS中使用XML保存模型信息，使用概念图方式实现概念模型的可视化显示，应用XML语法定义转换规则，将概念图转换为XML文档进行保存，转换规则为：整个概念图作为一个根元素，转换为概念集，概念和概念间关系为概念集的子元素，概念属性转换为概念元素的子元素。

在建模规范OCMS中建立基于OCMS建立可视化工具，该可视化工具提供模型显示以及可视化编辑，支持多视图浏览与编辑的功能。

所述可视化工具提供的可视化界面包括：

概念模型编辑视图：用于对概念，属性以及关系的可视化操作，从而构建一个概念模型；

模型文件列表：用于维护整个概念模型工程的视图，可以具体查看拥有哪些概念模型文件以及模型文件中所有元素；

元素/概念/符号列表：分级显示概念、关系列表；

缩略图：用于概念模型的缩放显示操作；

模型元素树状列表：以树状形式显示模型元素结构，进行可视化编辑；

元素属性编辑视图：对概念的属性的各项指标进行编辑。

与现有技术相比，本发明的优点是：

基于本体的概念建模规范(OCMS)建立了概念模型本体的元模型，指定了概念模型的基本元素，对概念模型本体中的实体、属性、关系进行了形式化描述。除了基础的模型元素定义，例如概念，属性，属性类型，关系以外，还对属性进行了扩展，实现了基于复杂概念的概念型属性以及复合属性。这些在一般建模软件如PowerDesigner里都是不具备的特殊建模元素。OCMS还提供了丰富的关系集合。基于OCMS构建的可视化工具以更直观的方式提高了工具的可操作性与互操作性。它提供了可视化编辑界面，同时支持多视图浏览与编辑功能。该工具可以建立一套标准的公共概念集，以供开发人员在建模时进行调用，对已经存在公共概念集的概念不用手动创建，避免重复开发，同时实现领域内对概念准确一致的认识以及各个领域之间对概念的共同理解和标准化表示，可用于指导各类信息系统的设计、开发和使用，具有较高的实用性。该建模工具支持概念模型的查询和校验功能，能够查询模型中的概念，并对同一个概念模型中的空名以及同名现象进行校验，在多视图内提供可视化提示与定位。此外，该工具还支持概念模型的推理功能，针对有限的语义关系集合，可以查询出与特定概念有某种语义关系的概念集合。

附图说明

图1为基于OCMS的概念模型建模工具系统组成。

图2为概念模型构建过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明首先构建一套基于本体的概念模型建模规范OCMS(Ontologybased Concept Modeling Specification)，其中规定了概念模型本体的建模元素并对属性定义进行扩展，它们是OCMS构造元素和规则的抽象表达，OCMS元模型定义如下所示：

概念集ConceptSet：用来描述概念模型文件信息，主要信息有名称、作者、概念集描述、英文名、缩写、关键词、别名、标题等。

概念Concept：建模的基础元素，最小的知识单元，概念属性和概念间关系以它为核心。包括所指，内涵和外延，概念的语义区分由概念的属性和概念间关系表达；概念元素的描述信息继承概念集的描述信息，并且增加了ID和定义两个信息。

基本属性Attribute：基本属性是一个简单的键值对，记录了简单信息，属性值应符合属性约束；基本属性的描述信息包括ID、数据类型、单位、数值、最大值、最小值缺省值、数据格式、定义、范围、换算关系等。

复合属性CompositeAttribute：概念内的属性本身还可以拥有自身属性，复合属性的描述信息继承基本属性描述信息。

概念型属性ConceptualAttribute：一个已经定义的概念作为另一个概念的属性，与基本属性的操作一致。概念型属性的描述信息继承基本属性描述信息，并且包含概念自身的属性信息。

概念间关系Relation：概念之间的语义联系，说明概念是如何联系在一起，包括6种类型：继承，同义词，反义词，自定义，引用，聚集；关系的描述包括关系的源，目标，上限，下限，关系的关联类型包括0对1、1对1、1对多、多对多。

属性约束AttributeConstraints：属性约束是属性类型的集合，是对概念和关系的属性类型和属性值的约束，属性类型包括整型，长整形、单精度浮点型，双精度浮点型、日期型、字符型和字符串型等基本属性类型。

OCMS对概念模型的形式化定义如下：

定义1：概念模型由五元组{C，A^C，R，A^R，AC}构成，其中C为概念，A^C为概念属性，R为概念间关系，A^R为关系属性，AC为属性约束。

定义2：概念属性集A^C(C_i)，概念集C中的每个概念C_i用来表示相同种类的一组对象，并能用相同的属性集进行描述。

定义3：概念间关系r_i(c_p，c_q)，概念间关系集R中的每个关系r_i表示概念c_p和c_q之间的二元关联，并且此关系的实例是一对概念对象(c_p，c_q)。

定义4：关系属性集A^R(r_i)，用于表示关系r_i的属性。

定义5：属性约束AC，AC是对概念的属性值和关系的属性值的约束。

OCMS使用XML文档来记录模型数据和模型的图形信息，

XML文档模型元素的定义：

概念集ConceptSet，包括id、alias、EnglishName、name、author、description、title、keywords

概念concepts，包括id、name、alias、englishName、abbreviation、description、definition、keywords.

属性Attribute，包括id、type、alias、englishName、abbreviation、description、definition、keywords、unit、minValue、defaultValue、dataformat、range、conversion.

属性的存储方式为概念的子概念、格式如下：

关系relations，包括id、name、lowBound、upperBound；

其中关系包括：

同义词关系SynonymsRelation；

反义词关系AntonymRelation；

继承关系SucceedRelation；

引用关系ReferenceRelation；

聚集关系AggregateRelation；

自定义关系SelfdefineRelation。

关系的存储方式与属性相同，格式如下：

复合属性CompositeAttribute，包括id、type、alias、englishName、abbreviation、description、definition、keywords、unit、minValue、defaultValue、dataformat、range、conversion。

复合属性的存储方式为“概念+属性”的格式，相当于复合属性本身是概念下的子概念，复合属性的属性为概念下的三级概念，格式如下：

概念型属性ConceptualAttribute，包括id、name、alias、englishName、abbreviation、description、definition；

概念型属性的存储结构与复合属性相同

OCMS的可视化建模

本建模工具支持可视化建模，采用类似UML的图形表达概念模型，图形编辑视图中已经按OCMS元模型的规则，定义好了各种建模元素，这些元素所定义的概念模型构成了系统的视图层，控制层通过一定的语法，将视图层的元素映射到数据层进行保存。

图形元素与XML数据存储的映射如下：

Diagram：概念集ConceptSet

Name：概念模型文件名XXX.mcd

measurementUnit：计量单位，图形元素在模型编辑视图上位置信息的表示单位，本工具用像素(Pixel)表示。

Children：concepts，attribute，relation

Element：concepts，attribute，relation的id

可视化建模工具是基于OCMS的概念模型构建工具。该概念模型的构建和展示，工具本身要求的可扩展性很强，从而可以方便的在日后的研究过程中添加新的功能。本工具基于Eclipse插件开发环境进行开发，目的是利用其强大的插件机制来提高体系结构开发平台的扩展性能，满足开发人员进行特殊化定制的需求。

该工具主要由五个部分组成，如图1所示：

元模型部分：定义OCMS中的元模型，包含概念建模所有的建模元素。

数据层：用于保存概念模型数据，包含概念模型本身的所有信息和在视图层中的显示信息。

控制层：将视图层中的模型元素映射到模型数据层。

视图层：建立概念模型的图形化显示层。

特定功能部分：用于实现构建概念模型的特定功能

本工具提供的多视图界面包括：

概念模型编辑视图：用于对概念，属性以及关系的可视化操作，从而构建一个概念模型；

模型文件列表：用于维护整个概念模型工程的视图，可以具体查看拥有哪些概念模型文件以及模型文件中所有元素；

元素/概念/符号列表：分级显示概念、关系列表。支持概念、属性，关系的新建、删除和修改，支持拖拽、鼠标双击等操作；

缩略图：用于概念模型的缩放显示操作；

模型元素树状列表：以树状形式显示模型元素结构，进行可视化编辑；

元素属性编辑视图：对概念的属性的各项指标进行编辑，如属性名称，数据类型，最大最小等。

基于本工具的概念模型构建过程如图2所示：

对于新建立的概念模型进行模型检测，语法校验等，合格后加入公共概念集，否则修改新建立的概念模型。

本工具的系统功能主要包括：

模型文件的添加和编辑：新建概念模型工程，添加概念模型文件，概念模型信息的编辑和修改

在模型编辑视图中：可以图形化的进行对概念的各种操作。在模型元素列表中，包含所有OCMS定义的建模元素，可以进行简单的拖拽操作在视图中构建概念模型。支持对概念及属性的基本操作，主要有概念的添加、删除、更改、查询和一些基本的信息统计。支持对概念间关系的基本操作，主要有概念间关系的添加、删除、更改、查询和一些基本的信息统计。支持用户添加对概念、关系和概念树的文字描述。构造好的概念模型保存在概念模型文件中，格式为通用的XML文件格式。

在模型文件列表中：以右键菜单形式提供把特定概念模型文件或者整个概念模型工程内一个文件夹下所有同主题的概念模型文件添加到面板中，方便开发人员在编辑中的概念模型文件里快速引用已经构建好的概念，避免重复开发。如果跨文件引用的概念之间有语义关联关系，那么在编辑中的概念模型文件视图会自动创建其连接。同时在面板中提供了刷新功能，如果源概念模型文件中对概念做了修改，那么刷新之后，面板内可实时显示最新的与源概念同步的内容。当然，在编辑中的概念模型文件不能对跨文件引用的概念进行修改，例如属性和引用概念间关系的修改，但可以添加普通概念与跨文件引用概念之间的关联关系，这也是为了保证跨文件引用的概念与源概念的一致性，这里跨文件引用的概念相当于对源概念创建的一个快捷方式。也可以把编辑中的概念模型添加到面板中，可以直观的看出模型中具有哪些概念，但这里不能对其进行引用，不能产生自循环。当然编辑完毕可以关闭面板中的跨文件引用工具组。

在属性视图中：以表格形式显示概念模型以及模型元素的所有信息，不能新建模型及元素，但可以对已经建好的模型及元素进行编辑和修改。关于概念模型及模型元素的信息，是基于客户的具体需求定制的，具有很强的可扩展性。

概念模型的查询检索功能：概念模型查询检索模块提供对概念体系进行多视角查询和检索能力。提供查询面板，可以输入查询条件，包括基于语义的基本查询与全文检索，以列表的形式返回查询结果。在编辑视图中有概念集过滤框，可以通过概念名查询相关概念，可以直接跨文件引用查询出来的概念，直接用于新的概念模型的构建。

基于语义的查询带有推理功能，通过对关系间的规则的定义，针对有限的语义关系集合，可以实现通过关系的组合查询与具体概念相关的概念集合，系统定义了一系列推理规则，如同义词的同义词还是同义词，同义词的反义词还是反义词等，通过这些规则可以推导出模型中的相关概念集。

概念模型的校验功能：能够在整个工作空间内对概念进行模糊查询，同时能校验同一个概念模型中是否已经建立相同的概念，避免重复构建，或者校验是否存在名称为空的概念或属性，概念间的关系是否存在冗余，在多视图内提供可视化的友好提示并且提供直接定位功能，以便开发人员根据自身爱好选择合适的视图对错误进行修改。

Claims (4)

1.一种基于本体的可视化概念建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，构建一套基于本体的概念模型建模规范OCMS(Ontology basedConcept Modeling Specification)，该规范给出了概念模型本体的形式化定义：概念模型由五元组{C，A^C，R，A^R，AC}构成，其中C为概念，A^C为概念属性，R为概念间关系，A^R为关系属性，AC为属性约束，满足这五元组的概念模型为一个标准的概念模型本体；在建模规范OCMS中规定概念模型本体的建模元素，包括：概念集、概念、概念属性，概念间关系、关系属性和属性约束，其中概念属性扩展为基本属性、复合属性和概念型属性；

上述建模元素以及扩展后属性的定义为：

概念集：用来记录模型描述模型文件信息；

概念：建模的基础元素，概念属性和概念间关系以它为核心；

基本属性：基本属性是一个简单键值对，记录了简单信息；

复合属性：概念内的属性本身拥有的自身属性，复合属性的描述信息继承基本属性描述信息；

概念型属性：一个已经定义的概念作为另一个概念的属性，与基本属性的操作一致，概念型属性的描述信息继承基本属性描述信息，并且包含概念自身的属性信息；

概念间关系：概念之间的语义联系；

属性约束：属性约束是属性类型的集合，是对概念和关系的属性类型和属性值的约束；

步骤二，通过概念模型建模规范OCMS新建概念，添加概念的基本属性；

步骤三，添加并编辑复合属性；

步骤四，检索已建立的概念，为新建概念添加概念型属性；

步骤五，为新建的多个概念添加概念间关系；

步骤六，模型校验，检查新建概念模型是否满足建模规范OCMS的规则，对不满足的新建概念模型进行修改，直至满足。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，在建模规范OCMS中使用XML保存模型信息，使用概念图方式实现概念模型的可视化显示，应用XML语法定义转换规则，将概念图转换为XML文档进行保存，转换规则为：整个概念图作为一个根元素，转换为概念集，概念和概念间关系为概念集的子元素，概念属性转换为概念元素的子元素。

3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，在建模规范OCMS中建立基于OCMS建立可视化工具，该可视化工具提供模型显示以及可视化编辑，支持多视图浏览与编辑的功能。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述可视化工具提供的可视化界面包括：

概念模型编辑视图：用于对概念，属性以及关系的可视化操作，从而构建一个概念模型；

模型文件列表：用于维护整个概念模型工程的视图，可以具体查看拥有哪些概念模型文件以及模型文件中所有元素；

元素/概念/符号列表：分级显示概念、关系列表；

缩略图：用于概念模型的缩放显示操作；

模型元素树状列表：以树状形式显示模型元素结构，进行可视化编辑；

元素属性编辑视图：对概念的属性的各项指标进行编辑。

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