基于本體的ＣＩＭ層模型轉換技術研究

（西北工業大學 電子信息學院， 西安 710072）

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摘 要：

當前由于缺乏完整的轉換規則描述和相應的實現機制，難以實現靈活、自動的模型轉換。采用基于本體的方法來建立模型元素之間的映射關系，并結合本體描述語言給出了模型元素和轉換規則在本體庫中的描述方法，實現了在兩個不同的計算無關層（CIM）建模工具所建模型之間的自動轉換。該成果已成功地應用到基于MDA的軍工企業數字化項目中。

關鍵詞：本體庫； 模型轉換； 模型驅動架構

中圖分類號：TP391.72 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)02-0645-03

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Research for model transformation technology in CIM layer based on ontology

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FENG Juan， SHI Hao-shan， ZHAO Hong-wei， LI Shi

（College of Electronics Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072，China）

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Abstract:At present，model transformation was lack of an integrated transformation description and accordingly executive mechanism，it was difficultto achieve transformation flexiblyand automatically between models. This paper adopted a method based on ontology to establish the mapping relations among these model elements. And it defined model elements and transformation rules with ontology language in ontology base. Then implemented automatic model transformation between two different models which were built by modeling tools in computation independent model(CIM) layer. Theachievement has been successfully applied to the projects ofdigital management in military enterprises based on MDA.

Key words：ontology base; model transformation; model-driven architecture

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0 引言

模型驅動體系結構（model-driven architecture，MDA）[1]是OMG提出的一種新的系統框架，為提高軟件開發效率，增強軟件的可移植性、協同工作能力和可維護性等指明了解決之道[2]，它的核心是模型轉換。在企業建模時，常從不同的角度建立企業的實際模型，而各個角度所建立的企業模型之間常常需要共享、交換數據或傳遞信息，針對不同的應用還需要將一種模型轉換成另一種不同結構的模型。這些問題都要求將模型從一種形式轉換到另一種形式。在這些不同的模型結構中難免有一些用相同詞匯表示不同信息或用不同詞匯表示相同信息的情況。本體能夠通過對不同模型的概念及概念之間相互關系的規范化描述，表達出模型轉換的基本知識體系。本文利用本體庫來建立這兩種模型元素的概念以及之間的關系，既很好地消除了模型元素概念之間的語義差別，又明確地表示了不同模型之間的轉換規則。

1 EPMS和UML建模方法

本文涉及兩種建模工具和建模方法，一種是由北京航空航天大學研發的EPMS（enterprise process modeling system）建模工具。該工具的核心是對企業業務流程建模，并能對所建模型進行仿真執行。所謂企業業務流程就是企業在實施一個項目過程中，各參與要素（部門、崗位、角色、表單等）按照一定的參與順序對項目進行建設和作用的過程，其最終目的是支持基于MDA的方法構建企業信息系統。作為CIM層建模工具，它并不涉及系統的實現平臺和所采用的IT技術，只需能真實、簡潔地表達出企業業務流程的模型即可。在EPMS中，制品是由計算機存取的不可再分的通用電子產品，活動表示至少需要一個人或組執行的工作。文檔是可由計算機存取的不可再分的說明和描述，消息表示從一個活動到另一活動產生的信息，EPMS圖形如圖1所示。

另一種是以UML為基礎的工具。UML統一建模語言是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語言，它包括概念的語義，表示法和說明，提供了靜態、動態、系統環境及組織結構的模型，它不僅支持面向對象的分析與設計，還支持從需求分析開始的軟件開發的全過程。

目前，EPMS工具的優點是語義嚴密，并且可以對所建的模型進行仿真和模擬執行，評估仿真結果以及支持對模型的優化，但缺點是普及性不好。因此，需開發一種靈活的、可自動進行模型轉換的工具，實現EPMS模型和UML模型間的自動轉換。領域人員使用普通UML工具為企業信息系統和業務過程建模，在UML建模工具中所建的模型不能進行模擬執行和優化，所以，需要將此模型通過模型轉換工具映射為EPMS模型，從而進行系統的模擬與優化；然后再將優化后的企業過程模型轉換為UML模型，用于支持對企業信息系統軟件實體的開發或自動構建。

2 基于本體的模型轉換系統架構

本體定義了組成主題領域的詞匯表的基本術語及其關系，以及結合這些術語和關系來定義詞匯表外延的規則[3]，它具有很強的表達概念語義和推理的能力[4]。利用本體來建立模型概念及其之間的聯系可以為模型概念的描述提供很好的語義信息，并且在此基礎上借助本體庫強大的推理功能，實現模型映射過程中的推理，進而實現模型之間的自動轉換。

本文設計的模型轉換系統的結構如圖2所示。當輸入源模型（企業過程模型或UML模型）時，系統首先查詢本體庫得到與其相關聯的模型概念，再根據本體庫中存儲的模型概念之間的關系推理出輸入模型到目標模型的轉換規則，然后由映射部分根據轉換規則進行模型轉換。在模型轉換系統中設計了追蹤庫，用來記錄映射的全部過程，還添加了對本體庫的操作和維護接口，便于在映射關系或模型概念發生變化時，及時地修改本體庫，使得模型轉換更加靈活。

模型轉換實質上是由源模型到目標模型的映射過程，它分為以下兩個層次：

（a)視圖層次上的映射，它說明了如何用目標模型完整地描述輸入的源模型;

（b)模型元素及元素語義層次上的映射，這一層在第一層的基礎上說明了輸入源模型的元素及語義如何映射為目標模型的元素及語義，以及映射的等價程度。

模型映射可表示為(S，T，D)或D:S→T。其中：定義域S表示源模型；值域T表示目標模型；D為映射的集合，D={d0，d1，d2，…，dn} ，i∈[0，n]。如果將映射規則寫死到程序中，則當映射規則或建模工具發生變化時，程序將不能使用或者需要大的修改才能再次使用，這就降低了軟件的復用性、靈活性和擴展性。所以，定義規則集合R={r| r是映射規則}，其中r是確定的形式化規則，這些規則是無歧義的規約，規定了如何從一個模型創建另一個模型，這些規則共同描述了用源語言表述的模型如何映射為用目標語言表述的模型[5]。在本文中，模型的概念和關系都保存在本體庫中，是用本體語言描述的。

本體最基本的描述語言有RDF（resource description framework）和OWL（Web ontology language）。RDF用于表示任何的網絡資源信息，它建立在一個表示陳述（statement）的三元組概念之上，即具有形式{ subject， predicate， object}。OWL是在RDF的基礎上，為了消除語義沖突對描述結果所作的進一步約束。其基本思想是在表達能力和推理復雜度之間取得平衡，既滿足表達信息的需求，又能控制推理復雜度，方便應用的開發。本文在RDF和OWL的基礎上建立本體庫，使每個模型元素在本體庫中都有良好定義的語法和語義，有充分的表達能力，可以方便地表達模型轉換中所有模型元素及其之間的關聯和映射關系。例如：EPMS模型中的消息message映射到UML模型中變為對象object，可以表示為一個statement， 即{message in EPMS modeling system，mapping to，object in UML modeling system}，一組陳述相應地用一組節點和弧來表示[6]，如圖3所示。

3 本體規則庫的建立和模型轉換的實現

要在本體庫的基礎上實現企業過程模型到UML模型的轉換，首先需建立與這兩種模型元素概念相關的本體庫。建立本體庫的步驟可分為以下三步：

a）識別相關領域中關鍵概念和關系；

b）定義這些概念和關系，使其精確無二義；

c）利用某種形式化語言顯式地表現上個階段概念化的成果。

本系統中用RDF和OWL建立本體庫的過程與概念關系表示如下： 

（a)在本體庫中分別定義EMPSMetadata和UMLMetadata節點作為企業過程模型與UML模型元素存放的根節點。所有企業過程模型元素都作為EMPSMetadata節點的子節點，所有UML模型元素都作為UMLMetadata節點的子節點。例如，企業過程模型中的數據流DataFlows在本體庫中以概念的形式存放在EMPSMetadata節點下，UML模型中的連接關系Connection在本體庫中以概念的形式存放在UMLMetadata節點下。用本體描述語言分別表示如下：

〈owl:Class rdf:ID=\"Connection\"〉

〈rdfs:subClassOf rdf:resource=\"#UMLMetadata\"/〉

〈/owl:Class〉

〈owl:Class rdf:ID=\"DataFlows\"〉

〈rdfs:subClassOf rdf:resource=\"#EMPSMetadata\"/〉

〈/owl:Class〉

（b)為了表示EPMS模型和UML模型中對應元素的映射關系，定義了對象屬性mappingto，它的定義域為源模型元素，值域為目標模型元素，并且根據模型映射的規律設置此屬性具有對稱性（symmetric）。如果一個屬性P被聲明為對稱屬性，那么對于任意的x和y：P(x，y)當且僅當P(y，x)。其本體語言描述如下：

〈owl:ObjectProperty rdf:ID=\"mappingto\"〉

〈rdfs:domain〉

〈owl:Class rdf:about=\"#EMPSMetadata\"/〉

〈/rdfs:domain〉

〈rdfs:range〉

〈owl:Class rdf:about=\"#UMLMetadata\"/〉

〈/rdfs:range〉

〈rdf:type rdf:resource=\"http://www.w3.org/2002/07/owl#SymmetricProperty\"/〉

〈/owl:ObjectProperty〉

在模型元素轉換的實例中mappingto的屬性應用如下：

〈Connection rdf:ID=\"connections\"〉

〈mappingto〉

〈DataFlows rdf:ID=\"dataFlows\"/〉

〈/mappingto〉

〈/Connection〉

它表示模型元素概念connection對應的映射目標模型元素概念為dataFlows。

c)為了表示模型元素概念的組成關系，定義了對象類型屬性ispartof。A ispartof B表示A是B模型元素的組成部分，并且根據模型映射的規律設置此屬性具有傳遞性。如果一個屬性P被聲明為傳遞屬性，那么對于任意的x，y和z：P(x，y) 與P(y，z) 蘊涵P(x，z)。其本體語言描述如下：

〈owl:ObjectProperty rdf:ID=\"ispartof\"〉

〈rdf:type rdf:resource=\"http://www.w3.org/2002/07/owl#TransitiveProperty\"/〉

〈/owl:ObjectProperty〉

d)如果多個模型元素具有相同的屬性，在本體庫中只定義一個這樣的屬性，這符合本體庫建立的要求，保證了概念的惟一性，但可以在此屬性的定義域中包含多個概念。其本體語言描述如下：

〈owl:DatatypeProperty rdf:ID=\"name\"〉

〈rdfs:domain〉

〈owl:unionOf rdf:parseType=\"Collection\"〉

〈owl:Class rdf:about=\"#Connection\"/〉

〈owl:Class rdf:about=\"#Edges\"/〉

〈owl:Class rdf:about=\"#Edge\"/〉

〈/owl:unionOf〉

〈/rdfs:domain〉

〈/owl:DatatypeProperty〉

它表示模型元素概念connection、edges和edge都擁有相同的屬性name。

e)為了表示模型元素屬性之間的映射，用本體庫中屬性的等價關系（equivalent）來描述，如下所示：

〈owl:DatatypeProperty rdf:about=\"#outgoing\"〉

〈owl:equivalentProperty rdf:resource=\"#sourceflow\"/〉

〈/owl:DatatypeProperty〉

它表示屬性outgoing在模型映射中所對應的屬性是sourceflow。

除了以上基本的映射表達，在模型映射的過程中還會出現源模型中的模型元素在目標模型中沒有相應的元素與之對應，或目標模型中需要的一些必要的模型元素，源模型無法提供這些模型信息。對以上兩種情況，在本體庫中也定義了相應的默認值，并且在邏輯層進行一致性檢查及信息補足的工作。下面是應用本文所提出的方法進行模型轉換的實例。圖4是某企業貨物檢驗入庫的過程模型。經過模型轉換以后得到UML模型的用例圖和活動圖如圖5、6所示。

4 結束語

對模型驅動架構和本體的研究是當前網絡技術的熱點，本文把這兩者結合起來，以本體庫為基礎來進行模型驅動架構的核心——模型轉換的操作，采用本體描述語言清晰地表示了模型元素的概念和其轉換規則，借助本體規則庫的推理機制實現了企業過程模型和UML模型之間的相互轉換。這樣構建模型轉換系統可以隨時通過本體庫對模型轉換的規則進行管理和維護，使模型轉換更加自動化和智能化，對MDA技術的成功應用有相當的參考價值。同時，在本文的基礎上還可以構建其他模型和轉換規則的本體庫，實現更多模型之間的自由轉換。

參考文獻：

[1]McCLURE C. Model-driven software reuse[EB/OL]. http://www.reusability.com/paper2.html.

[2]FRANKEL D S. Model driven engineering[C]//Proc of the 3rd International Conference on Integrated Formal Methods. Turku: Sprin-ger， 2002: 286-298.

[3]NECHES R F， FIKES R， FININ T， et al. Enabling technology for knowledge sharing[J]. AI Magazine， 1991，12(3):36-56.

[4]FENSEL D. Ontologies: silver bullet for knowledge management and electronic commerce[M]. Berlin: Springer， 2001.

[5]CARLSON D. Modeling XML application with UML-practical e-business applications[M]. [S.l.]: Addison Wesley， 2003: 78-102.

[6]W3C. RDF primer[EB/OL].http://www.w3.org/TR/rdf-primer/.