CN1952882A - 一种基于本体元模型的领域建模方法 - Google Patents

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王健
彭蓉
刘玮
何扬帆
王翀
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Abstract

本发明涉及一种基于本体元模型的领域建模方法，包括以下步骤：(1)构造一个面向Web服务的领域建模元模型，包括概念本体和过程本体两类本体；(2)将领域建模元模型与具体应用领域的知识结合起来进行实例化，从而生成具体应用领域模型；(3)使用本体工具构造具体应用领域模型，并以标准格式描述组成具体应用领域模型的本体；(4)具体应用领域模型结合客户需求，生成客户所需的业务工作流模型，用来进一步匹配Web服务；(5)具体应用领域模型无法满足客户需求时，对该领域模型进行演化。本发明生成的具体应用领域模型将帮助获取客户需求，指导发现和组合Web服务，从而为最终实现满足客户需求的目标系统提供有效的支持。

Description

一种基于本体元模型的领域建模方法
技术领域
本发明涉及信息资源集成应用的语义互操作性管理与服务领域，特别涉及一种基于本体元模型的领域建模方法。
背景技术
需求工程是当今软件工程中面临的一个关键问题，根据美国软件行业的一项调查显示，在8000多个软件项目中，有三分之一的项目没能完成，即使那些完成的项目，也有一半的项目没有成功实施。在导致这些项目失败的原因中，与需求相关的原因占到了45％[3]。因此，在大型信息系统的开发过程中，如何完整准确的获取客户需求，是软件开发人员面临的一个非常困难而且关键的问题[3，4，5]。
在需求工程中，参与者包括领域专家、客户、软件开发人员等，这些参与者具有不同的知识背景，不同的关注点，沟通上的困难无疑增加了需求工程的难度。一方面，软件开发者进行软件需求分析，但是他们通常都不是领域专家，因此很难理解应用领域的细节，只能被动的获取客户提供的信息，而这些信息可能无法满足他们的要求。另一方面，客户不熟悉软件开发的基本原理，难以如何按照软件开发的要求去描述自己的需求，提供的需求往往不完全，并且经常变化。由于缺乏沟通的桥梁，二者之间的合作往往很难成功，在这种需求基础上进行的开发很难成功实现。
领域模型[6]为软件开发者和客户之间提供了一个可以沟通的桥梁。在软件工程中，领域是指一组具有相似或相近软件需求的应用系统所覆盖的功能区域[7]。领域模型用于收集、组织和表示领域相关的信息[8]，它包括了该领域中这些系统的共性和变化性的知识，在软件开发中扮演了领域专家的角色。此外，领域建模还有助于实现软件复用，研究表明，在特定领域内进行软件复用更容易获得成功[7，9]，领域模型中区分了共性和变化性的知识，帮助指导进行软件复用。但是，当同一领域中出现多个领域模型时，由于缺乏明确统一的表示和定义，容易导致不同组织设计的领域模型缺乏互操作性，难以共享和复用。
此外，随着互联网的快速发展，计算系统范型已经发展到服务计算的时代[1]。其基本特征包括：互联网被视为虚拟的统一的可调控的互操作性管理、存储、共享与服务平台；在深度共享各种信息资源的基础上，实现用户的个性化服务；Web服务成为组成信息系统的基本单元。Web服务是一个崭新的分布式计算模型，是将Web上的数据和信息进行集成的有效机制[2]。在这种新的以Web服务为基础的计算范型下，满足客户需求的信息系统将主要由一系列的Web服务在一定的体系结构组织下构造而成。因此，如何建立领域模型，能够利用领域模型的指导发现满足客户需要的Web服务，通过Web服务的组合来实现满足客户需求的目标系统，是软件开发中面临的一个关键的问题。
因此，提供一种领域建模方法，使领域模型具有互操作性并能满足应用开发的需要，是信息资源集成应用的语义互操作性管理与服务领域亟待解决的技术问题。
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发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种基于本体元模型的领域建模方法。
为实现本发明所述目的，包括以下步骤，
(1)构造一个面向Web服务的领域建模元模型，包括概念本体和过程本体两类本体；
(2)将领域建模元模型与具体应用领域的知识结合起来进行实例化，从而生成具体应用领域模型；
(3)使用本体工具构造具体应用领域模型，并以标准格式描述组成具体应用领域模型的本体；
(4)具体应用领域模型结合客户需求，生成客户所需的业务工作流模型，用来进一步匹配Web服务；
(5)具体应用领域模型无法满足客户需求时，对该领域模型进行演化。
而且，利用ISO/IEC 19763中的本体注册元模型对领域建模元模型的概念本体进行管理，利用ISO/IEC 19763中的过程模型注册元模型对领域建模元模型的过程本体进行管理。
而且，所述过程本体中包含领域中的业务过程，从过程的粒度考虑，业务过程分为原子过程和组合过程；从客户需求的角度考虑，业务过程分为必须过程和变化过程，其中变化过程进一步分为可选过程和多选一过程。
而且，所述本体工具采用Protégé，所述标准格式采用OWL格式。
而且，生成客户所需的业务工作流模型利用需求-目标-过程的建模机制，包括以下步骤，
(4.1)将客户需求转化为目标模型中的上层目标；
(4.2)上层目标逐层分解为多个子目标；
(4.3)子目标与过程本体中的过程匹配。
而且，对领域模型进行演化包括概念本体演化和过程本体演化。
而且，概念本体演化是在ISO/IEC 19763的本体演化元模型的指导下进行，包括概念增加、概念删除、概念层次重组，及属性和约束修改。
而且，过程本体演化由客户需求直接引发或者由概念本体演化而引发，过程本体演化包括过程的输入输出等参数修改、过程增加、过程合并和过程删除。
本发明提供的解决方案定义了一个面向服务的领域建模的元模型，该元模型与领域无关，通过与具体的应用领域知识相结合，可以生成相应的应用领域模型。利用本体的方式组织领域模型，其中包括两类本体：领域概念本体和领域过程本体，并建立了两类本体之间的关联。本体和元建模技术可以有效的解决知识共享和语义互操作问题，基于本体和元模型的领域模型可以成为软件开发者和客户之间的桥梁，同时，这种领域模型可以为Web服务的发现和组合提供有效支持。本发明还基于国际标准对组成领域模型的两类本体进行组织和管理，与其他标准的兼容性好，具有较强的通用性和互操作性，并最终为Web服务的发现和组合提供支持。
附图说明
图1是面向Web服务的领域建模元模型示意图。
图2是本发明具体实施例的软件开发流程图。
图3是国际标准ISO/IEC 19763的体系结构图。
图4是客户需求引发领域模型演化的示意图。
具体实施方式
参见附图，本发明提供的领域建模方法包括以下步骤，
(1)构造一个面向Web服务的领域建模元模型，包括概念本体和过程本体两类本体；
(2)将领域建模元模型与具体应用领域的知识结合起来进行实例化，从而生成具体应用领域模型；
(3)使用本体工具构造具体应用领域模型，并以标准格式描述组成具体应用领域模型的本体；
(4)具体应用领域模型结合客户需求，生成客户所需的业务工作流模型，用来进一步匹配Web服务；
(5)具体应用领域模型无法满足客户需求时，对该领域模型进行演化。
本发明将本体和元建模技术结合起来应用到传统的领域建模技术中。本体是概念模型的明确的规范说明，可用于捕获相关的领域知识，提供对领域知识的共同理解。
元模型是用来表示模型的模型，元建模技术有助于模型的格式和表现形式规范和统一。具体的说，模型的模型称之为元模型。元模型定义了系统建模时用到的元信息，是对某一特定领域建模环境和内容的规范定义，能够表示该领域用来描述应用系统中运行时实体及其关系的信息组成了系统的模型，而定义和表示这些内的所有或全部系统实例。现在，随着UML(Unified ModelingLanguage)这样的通用可视化建模语言的普及以及MOF(Meta Object Facility)规范的发布，元模型在系统建模、异构系统(模型)集成与互操作方面的应用日益广泛。元建模是一种抽象和系统化的建模技术，用于创建和构造元模型，便于模型、数据的格式和表现形式规范和统一。
随着元建模技术的推广和应用，不同的领域(甚至同一领域)开始出现多种元模型，元模型间的互操作成为信息资源共享、交换和复用要解决的关键问题。究其原因，主要是由于目前相关的领域知识缺乏明确统一的表示和形式化的定义，造成领域内的不同主体难以进行交流而达成共识。近年来广泛关注的本体技术可以用来解决这个问题。本体这个概念源于哲学中的本体论，用来表示客观现实的抽象本质。在计算机科学领域，本体被定义为概念模型的明确的规范说明。本体可用于捕获相关的领域知识，提供对领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的概念，并从不同层次的形式化模式上给出这些概念和概念之间相互关系的明确定义。此外，本体可被应用于信息知识分类、表达、推理、共享和复用。同其他方法相比，本体能为不同范围、不同层次的研究领域统一认识，从而消除由于应用背景不同而造成的理解上的冲突和混乱，促进人-机、机-机之间的通信、资源共享和协同工作。因此，使用本体能很好地解决元建模存在的互操作问题，为两者的有机融合提供了基础。另一方面，本体中的基本组成元素是概念，从分析和组织一个领域知识的角度来看，传统本体的树型概念图是半结构化的，在模型的描述能力和构造能力方面不强。如果将本体中的概念视为对象，将对象作为本体建模的基本元素，那么概念就可以具有对象的结构，从而可以充分利用元模型框架的建模能力。因此，使用本体元建模理论与方法能够保证建模时模型应用的本体或者建模概念间的互操作，有助于指导软件开发中的复用。
国际标准ISO/IEC 19763(英文简称为MFI)是信息技术领域一个重要的前置性标准，其理论基础是本体元建模理论，它为复杂信息资源的分类注册、管理、查询以及互操作奠定了基础，因此受到了ISO官方的高度评价和推荐。同时，由于本体元建模理论的前瞻性，这个标准可以覆盖应用于一系列其他相关国际标准和行业标准，具有良好的开放性和通用性。本发明利用ISO/IEC 19763中的本体注册元模型对领域建模元模型的概念本体进行管理，利用ISO/IEC19763中的过程模型注册元模型对领域建模元模型的过程本体进行管理。
ISO/IEC 19763中的本体注册元模型、过程模型注册元模型和本体演化元模型(本体注册元模型第二部分)，这三部分内容及其理论基础一本体元建模理论在本发明的领域建模方法中可起重要的指导作用。参见附图3，图中用虚线划出了ISO/IEC 19763的核心结构：MFI核心模型，及继承MFI核心模型的本体注册元模型、过程模型注册元模型、本体演化元模型。除了MFI的核心结构外，附图3还综合反应了基于ISO/IEC 19763标准的领域建模方案：MFI核心模型继承MFI参考模型；针对某个具体应用领域，根据继承MFI核心模型的三部分建立领域建模元模型，然后建立具体应用领域模型；在某个应用领域和其他应用领域之间可以进行互操作、交换。
本发明具体例实现步骤如下：
(1)通过对面向服务的业务领域模型进行分析，构造一个与具体应用领域无关的、基于本体的元模型。参见附图1，领域建模元模型包括两类本体：领域概念本体和领域过程本体。领域概念本体包括属性、概念、约束，概念分为参与者和资源。领域过程本体中包含领域中的业务过程，业务过程分为原子过程和组合过程；业务过程分为必须过程和变化过程，其中变化过程进一步分为可选过程和多选一过程。
(2)针对某个应用领域，通过分析该领域中的系统以及公共的领域需求，获取具体应用领域的知识，这些知识既包括领域中的共性知识，也包括非公共的变化性知识。具体实施时可在相关领域专家的协助下获取知识。将领域建模元模型与具体应用领域知识结合起来进行实例化，从而生成具体应用领域模型。在进行知识获取和分析的基础上，从中抽取关键的领域概念(类)，定义概念的属性及概念间的关系和约束。在ISO/IEC 19763本体注册元模型的指导下，构造一个良构的领域概念本体。
由于领域概念本体中的概念都是类层次中的概念，并不包括实例级别的概念。因此，在领域概念本体的基础上，需要进一步定义实例级别的个体，力求完善领域的概念模型部分，从而生成具体应用领域模型。这部分工作与步骤(1)中领域建模元模型的结构是相应的。
在ISO/IEC 19763过程模型注册元模型的指导下，构造领域过程本体。过程本体中包含的过程指的是应用领域中的业务过程。过程的输入、输出等参数的类型要使用概念本体中定义的概念，从而实现两类本体的有机结合。
从两个角度对过程本体中的过程进行分类。
从过程的粒度考虑，分为原子过程和组合过程。原子过程指那些能够完成某个功能的最小粒度的业务活动，不能够进行细分。而组合过程则是由原子过程和(或)组合过程通过控制结构组合而成。二者的区别在于是否包含控制结构，组合过程中包含至少一个控制结构，而原子过程中则不包含。
从客户需求的角度考虑。在一个应用领域中，客户需求可以分为三类：必须需求、可选需求和多选一需求。类似的，将过程分为必须过程和变化过程，其中变化过程又可以进一步分为可选过程和多选一过程。必须过程是指领域中客户公共的过程，可选过程与多选一过程对不同客户是变化的过程，二者的区别在于多选一过程表示客户可以从多个过程中进行选择，但必须从中选择一个。
(3)使用本体工具构造具体应用领域模型，并以标准格式描述组成具体应用领域模型的本体。所述本体工具采用Protégé，所述标准格式采用OWL格式。
利用OWL格式描述的本体文件可以便于利用工具解析。概念本体利用Jena进行解析，过程本体利用OWL-S API进行解析。
(4)生成客户所需的业务工作流模型利用需求-目标-过程的建模机制，包括以下步骤，
(4.1)将客户需求转化为目标模型中的上层目标；
(4.2)上层目标逐层分解为多个子目标；
(4.3)子目标与过程本体中的过程匹配。
具体过程为，首先利用需求-目标-过程的建模机制将客户需求转化为目标模型中的上层目标。然后将上层目标逐层分解为多个子目标，直至有过程与子目标相关联。同时，定义各个子目标之间的依赖关系，便于定义客户所需的业务流程，即目标与过程本体中的过程匹配。这样，客户目标模型与领域过程模型结合起来，可以构成客户所需的业务工作流模型。
根据过程本体和概念本体的指导来匹配相应的Web服务，从而为生成以Web服务为组成构件的客户目标系统提供支持。在进行Web服务匹配时，根据过程本体的输入、输出和完成的功能，同时通过计算领域本体中概念间的相似度，在服务注册库中查找所需的服务。基于本体元模型的领域模型驱动的软件开发过程见附图2，进行上述步骤(1)～(4)后，生成满足客户需求的业务工作流模型；通过与客户交互，在具体应用领域模型的支持下，实现Web服务的发现、组合；最终生成客户目标系统，利用本发明提供的领域建模方法驱动的软件开发完毕。
(5)具体应用领域模型无法满足客户需求时，对该领域模型进行演化。对领域模型进行演化包括概念本体演化和过程本体演化。演化过程参见附图4。
概念本体的动态演化。客户需求是领域模型发生演化的动因，当现有的领域模型无法满足客户需求时，需要对领域模型进行演化以便对客户提供支持。概念本体的演化具体表现在概念增加，概念删除，概念层次重组，属性/约束修改。本发明具体实施的本体演化(变更)规则和变更传播规则遵循ISO/IEC19763的本体演化元模型。
过程本体的动态演化。主要包括两种方式，一种是领域模型中缺乏客户需要的业务过程，此时需要在领域模型中增加该业务过程。另一种是概念本体的演化引起过程本体的演化，这体现在两个方面：一方面，业务过程的输入、输出等参数的类型引用了概念本体中的概念，当这些概念改变时，过程中的这些参数类型也要相应的改变，即过程参数修改；另一方面，概念的变化会引起过程增加、过程合并和过程删除。

Claims (8)

1.一种基于本体元模型的领域建模方法，其特征是：包括以下步骤，
(1)构造一个面向Web服务的领域建模元模型，包括概念本体和过程本体两类本体；
(2)将领域建模元模型与具体应用领域的知识结合起来进行实例化，从而生成具体应用领域模型；
(3)使用本体工具构造具体应用领域模型，并以标准格式描述组成具体应用领域模型的本体；
(4)具体应用领域模型结合客户需求，生成客户所需的业务工作流模型，用来进一步匹配Web服务；
(5)具体应用领域模型无法满足客户需求时，对该领域模型进行演化。
2.如权利要求1所述的领域建模方法，其特征在于：利用ISO/IEC 19763中的本体注册元模型对领域建模元模型的概念本体进行管理，利用ISO/IEC 19763中的过程模型注册元模型对领域建模元模型的过程本体进行管理。
3.如权利要求1或2所述的领域建模方法，其特征在于：所述过程本体中包含领域中的业务过程，从过程的粒度考虑，业务过程分为原子过程和组合过程；从客户需求的角度考虑，业务过程分为必须过程和变化过程，其中变化过程进一步分为可选过程和多选一过程。
4.如权利要求1或2所述的领域建模方法，其特征在于：所述本体工具采用Protégé，所述标准格式采用OWL格式。
5.如权利要求1或2所述的领域建模方法，其特征在于：生成客户所需的业务工作流模型利用需求-目标-过程的建模机制，包括以下步骤，
(4.1)将客户需求转化为目标模型中的上层目标；
(4.2)上层目标逐层分解为多个子目标；
(4.3)子目标与过程本体中的过程匹配。
6.如权利要求1或2所述的领域建模方法，其特征在于：对领域模型进行演化包括概念本体演化和过程本体演化。
7.如权利要求6所述的领域建模方法，其特征在于：概念本体演化是在ISO/IEC19763的本体演化元模型的指导下进行，包括概念增加、概念删除、概念层次重组，及属性和约束修改。
8.如权利要求6所述的领域建模方法，其特征在于：过程本体演化由客户需求直接引发或者由概念本体演化而引发，过程本体演化包括过程的输入输出等参数修改、过程增加、过程合并和过程删除。
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