信息系统建模与集成技术

《信息系统建模与集成技术》论文基于本体的信息系统建模摘要：针对信息系统建模的特点，我们提出了一种渐进式的本体建模方法。

在这个方法中，我们特别关注信息系统中存在的最一般的事物，并建立了一个最抽象的核心本体以供其他的建模人员扩展使用。

同时还列出了本体建模的一般步骤。

关键词：本体, 信息系统建模, 本体建模The Information System Modeling Based on ontology Abstract:We have explored an iterative method for ontology modeling in connection with its characteristic. In 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 引言近年来，信息系统正在从独立事务处理向进行多系统间的知识共享、事务协作处理和互操作转变，信息系统的功能和结构的复杂程度不断提高，信息系统开发失败的可能性也相应的增加了。

随着对模型研究的不断深入，研究人员们逐渐认识到原有的信息系统模型实现方法已经不能够满足当今企业的计算环境。

本体论在知识工程和人工智能领域的成功，启发了信息系统的开发者，通过将本体论引入信息系统建模来克服现有建模方法的局限。

将本体引入信息系统建模中，可以更好的消除语义差异，实现不同系统间的知识共享和互操作，这是未来建模技术的发展方向和趋势。

目前，本体模型的研究已经进入实际应用阶段。

许多研究领域目前都建立了自己标准的本体，Web上有许多可重用的本体资源库，这使得诸多领域专家能够使用它们来共享和评注领域中的信息。

构造本体的方法有很多，比如多伦多大学的企业建模法TOVE，以及根据TOVE 改进而来的骨架法，还有斯坦福大学的Natalya F. Noy和Deborah L.McGuinness 提出的本体开发101方法等。

但是，没有哪一种方法是能适用于所有领域的，由于我们所要建立的本体的领域和目的不一样，这些方法都不能很好的满足我们的需求，所以，我们综合了企业建模法，骨架法，101方法，结合实际的需求，提出了一种渐进式的本体建模方法，这种方法在我们的实践中证明是易于掌握并且有效的。

2 本体与信息系统建模2.1 信息系统建模为什么需要本体随着计算机技术的发展和应用，不同的领域都开发了大量的信息系统，每个信息系统都是基于特定的需求而建立的，每个系统都有自己的数据模型。

这些模型的设计者和设计时期可能都不一样，因此，即使是本质上相同的一个事物，不同的模型所使用的术语、结构和表示方法也不一样。

这种模型上的不一致性和异构性，使得开发者对领域知识的理解难以为后来的开发者所共享和复用，进而增大实现系统间互操作的困难。

这里，我们讲的互操作不仅仅是技术上的互操作，还包括运行中的互操作。

技术上的互操作已经研究了几十年，从最开始的DIS到后来的HLA，到现在的Web services以及XMSF，尽管它们都解决了一些互操作的问题，但是它解决的仅仅是技术上的互操作问题—通过正确的协议或语法交换数据的潜力。

如果目标系统接收到由源系统所生成的数据(即使这些数据的语法都是正确的)，但它对这些数据的假设和概念的理解不同于源系统的理解，那么系统之间的互操作仍然不能实现。

因此，系统之间有意义的语义理解所需要的不仅是数据交换中的技术互操作性，还有信息互操作性。

系统必须有能力把语义从一种语言转化为另一种语言，或者通过一个参考系统比如能理解和包含语义的支持核心本体的模型来实现这种转化。

除此之外，本体还可以应用于软件工程，辅助构建和维护软件系统，特别是有助于实现软件的可复用性，可靠性和规范说明。

用形式化语言表示的本体可以作为软件系统的可复用或可共享的组件，形式化的表示有利于一致性的自动检查，本体概念的规范说明可以辅助信息系统的需求识别和规范定义过程。

2.2 本体在信息系统领域的定义“本体”在不同的学科领域的定义内涵有所不同。

在哲学范畴内，本体就是客观存在的系统说明或解释，这个概念所关注的是客观现实的抽象本质。

当本体被引入到计算机和信息科学领域，人们对本体的认识和定义经历了一个不断深化的过程，很多学者曾经从不同的角度对它进行重新定义和解释。

目前被大部分人公认的定义是Gruber在1994年提出的：“本体是关于共享概念的一致约定。

共享概念包括用来对领域知识进行建模的概念框架、需要互操作的主体之间用于交互的与内容相关的协议，以及用于表示特定领域的理论的共同约定。

在知识共享的情况下，本体的形式特化为具有代表性的词汇的定义。

一种最简单的形式是一种层次结构，用来详细描述类和它们之间的包含关系。

关系数据库的框架(Schemata)也是一种本体，它用来描述能共享的数据库之间的关系和集成这些数据库需遵循的约束”。

2.3 本体在信息系统建模中的功能本体论是研究实体存在性和存在本质等方面的通用理论，其研究对象是实体的存在性和存在的本质，并且所研究的实体存在本质上不依附于任何语言。

因此，本体可以帮助我们从概念上抽象地描述信息系统模型，提高信息系统模型的可重用性，同时能够实现各信息系统之间的知识(或资源)共享和语义互操作。

从已有的研究工作成果来看，在信息系统建模中本体的功能体现在以下3个方面。

(1)通信。

这里主要是指人与人之间的通信，强调无二意性的本体，对本体的形式化程度要求可以不高。

(2)互操作。

指系统之间的互操作，即不同模型方法、不同范例、不同语言和不同软件工具的相互转换。

为此而建立的本体用于作为系统之间的交换格式。

(3)在系统工程领域的应用。

主要表现在：①可重用性：本体可作为相关领域中重要实体、属性、进程及其相互关系的一种形式化的编码。

这个形式化的表示可以成为软件系统中一种可重用的或可共享的组件；②知识获取：在建立知识系统时，用一个相关的本体作为出发点去引导知识的获取。

将加快知识获取的进程，提高所获取知识的可靠性；③可靠性：形式化的表示有利于软件一致化的自动检查，从而产生更可靠的软件；④软件需求规格说明：本体可以用来辅助需求的确定，并为信息系统定义规格说明。

3 信息系统建模中本体的分类方法3.1 信息系统建模中本体的分类及层次信息系统建模中要求本体能够清晰、准确并且简洁地描述现实世界中所有事物的关系和属性，并且这种描述应该具有普遍性和通用性。

本体的分类明确了不同本体之间的区别与联系。

目前尚没有统一规范的本体分类方法，我们根据信息系统建模中本体描述对象和功能的不同，将本体分为3个层次。

第一层次是表示本体。

提供用于信息系统建模的描述框架，不规定描述对象，定义了框架、槽的概念，用以规范描述。

第二层次包括领域本体和任务本体。

领域本体：描述领域知识，依据表示本体规定的描述框架和用户的实际需求。

它集聚了某一领域的概念实体、及其定义与关联。

任务本体：任务本体主要研究可共享的与领域无关的问题求解方法，定义通用任务和推理活动，如诊断等。

它们都可以引用顶层本体中定义的词汇来描述自己的词汇；任务本体主要涉及动态知识，而不是静态知识。

第三层次是应用本体。

按照实现功能分为角色对象本体、业务流本体和事务处理本体。

角色对象本体用来描述信息系统的结构及传递的各种信息；业务流本体用来描述各种内部功能与外部功能之间的工作流与业务流；而事务处理本体是与特定的工作流环节相关的行为或者决策方法。

这样的信息系统描述和功能划分方法，有助于对特定的功能或者问题单独建模，相互之间不会影响，提高信息系统模型的适应性和敏捷性，使结构与功能独立开来，适合于信息系统的快速构建和可重用性。

3.2 领域本体和任务本体在信息系统建模中的作用领域本体和任务本体是信息系统模型的基础，它们的构建是否成功直接影响着系统模型的成败。

我们之所以在系统建模领域研究中应用领域本体和任务本体，是因为它们具有以下突出的特点。

①可以在不同的建模方法、范式、语言和软件工具之间进行翻译和映射，以实现不同系统之间的互操作和继承；②适合表示抽象的描述；③可以为信息系统模型的构建提供一个基本的结构；④提供的是一个严谨丰富的理论，而不单单是一个存放数据的结构。

4 本体模型概念是对实体，事件或现象进行概念化的过程，也就是说，概念可以分为两种:一是关于实体的相对静态概念，一是关于事件或现象的相对动态概念。

那么，在建立领域模型的时候，我们是否可以依据这样的思路来做呢?我们先来看看C21EDM (C2信息交换数据模型，Command and Control Information Exchange Data Model)的方法。

C2IEDM是一个已经开发了20多年的用于信息交换和数据管理的数据模型，它是基于实体的，所有的对象，现象，事件，活动，状态，关系等都通过实体来描述。

其中，对象(OBJECT-TYPE & OBJECT-ITEM)实体主要描述战场空间中的物质存在，包含五个子类型:单位(ORGANISATION)、人员(PERSON)、物资(MATERIEL)、设施(FACILITY)和要素(FEATURE)。

把这五个子类型作为领域的基本元素，用来表示领域中的对象是合理的。

另外，活动(ACTION)实体主要描述战场空间的行为和事件。

因此，我们把活动作为一个单独的基本元素，用来表示领域中对象的各种行为和事件。

我们再来参考REA( Resource-Event-Agent)模型中的分类。

REA模型是由William E.M cCarthy所建立，是传统企业和电子商务系统中的主要建模框架。

在REA模型中，市场交换的主要元素就是资源(Resource)，事件(Event)和主体(Agent)，这里的资源和主体相当于C2IEDM中的OBJECT，事件相当于ACTION。

可以看出，两种不同模型的分类方法都可以统一为ACTION和OBJECT.综上所述，在大多数的领域本体中，特别是在为信息系统而建立的本体模型中，所有的概念都可以分为对象概念和活动概念，其中对象概念包括五个子概念:单位、人员、物资、设施和要素，这是一个完备的分类，领域中的所有实体对象都应该归为这五个子概念中的一类。