基于ISO/IEC 11179的規范化概念系統模型研究

閆震　李鴻陽　王睿達　蘇淼

摘 要：基于ISO/IEC11179-3：2013（E）標準中概念系統模型的組織模式，對概念系統模型中的相關元素進行組織。從形式概念分析的角度出發，分析概念規范化的實質、概念與概念間的關系，并將這些通用概念與ISO/IEC11179系列中的概念相結合，提出規范化的概念系統模型構建方法SCCS，以解決概念模型中信息難以有效地集成與共享的問題。SCCS方法包括，規范化概念描述、DEC構建規則、DEC邏輯關系生成算法、規范化的概念系統構建過程。最后開發DEC注冊系統，驗證SCCS方法的可行性與有效性。

關鍵詞：概念模型；規范化；數據元；11179；形式概念；MDR

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1 引 言

概念模型本質上是一種對現實世界進行抽象描述的工具，從構建的角度出發，概念模型所描述信息的準確性是衡量概念模型構造方法優劣的重要指標。在當前眾多的概念模型構造方法中，例如UML、OWL、ER等建模方法都可以構建概念模型，但是在語義表達程度上卻各不相同，也就是準確性上存在差異。從管理的角度出發，隨著概念模型規模的不斷擴大，不同概念模型之間信息可共享性是衡量概念模型的另一重要指標。由于當前并沒有統一規范的概念模型構建方法論，所以依據不同構造方法所建立的概念模型之間信息共享困難，例如在UML建模方法中是以面向對象思想為理論依據，最主要的特性就是抽象，也就是說關注的重點是對屬性進行操作[1]。OWL建模方法以本體理論為基礎，不僅描述概念之間的關系，還重點對概念之間的關系進行約束、驗證，而這個特點在UML中卻沒有體現，因此在進行信息交互時，需要開發相應的轉換接口進行轉換。ER模型構造方法，可以說是一種最簡單的本體語言，支持概念和概念之間的關系，只是描述語義很弱而已。

因此，建立一個規范的、具有通用性的概念模型構建方法是本文的根本出發點。規范性、通用性的實現不僅需要通用的基礎理論作為支撐，也需要依據相關標準作為指導。在信息領域中，由JTC1（ISO/IEC共同建立的聯合技術委員會JTC 1）起草的ISO/IEC 11179-3：2013（E）標準[2]就是這樣一部具有權威性、準確性、獨立性的信息標準，其獨立性體現在該標準的實現不依賴于任何現有的技術。從2003年開始，該標準經歷了兩個版本的變化。

本文依據ISO/IEC 11179系列最新的ISO/IEC 11179-3：2013（E）標準，以形式邏輯為基礎，對概念模型進行深入研究，給出概念的定義、概念之間邏輯關系的形式化定義，以及數據元素概念（DECData Element Concept）的表示方法；參照UDEF（Universal Data Element Framework）框架[3]，給出了規范的概念系統模型構建方法（SCCSStandardized Construction of Concept System），并建立DEC注冊系統。

2 規范概念系統模型構建方法

ISO/IEC 11179-3：2013（E）是11179-3的最新標準，對概念系統模型的各個組成要素進行了詳細的定義。在標準中指出，概念系統模型由概念與概念之間的關系兩部分構成。概念部分由概念、DEC、概念域三個部分組成；關系包括邏輯關系與非邏輯關系兩個組成部分。

2.1 概念的定義

金岳霖先生在形式邏輯中指出，概念由內涵與外延兩部分組成，概念的內涵就是概念所反映的事務的特有屬性，概念的外延是客觀世界中具有概念所反映的特有屬性的事務[4]。而定義是揭示概念內涵的邏輯方法。因此，定義就是明確概念特有屬性的方法，同樣，也可以通過特有屬性確定概念的定義。

定義1 概念的定義：

由定義可以發現，概念的標準化工作的重點就是要對概念的屬性進行規范化，需要如下幾個元數據對該屬性進行描述，注冊時間、注冊人、定義、指稱、編碼等。

2.2 概念之間關系

概念與概念之間的關系按大類可劃分為邏輯關系與非邏輯關系，其中邏輯關系包括相容關系與不相容關系，這里的相容關系包括同一關系、包含關系和交叉關系；不相容關系包括矛盾關系、反對關系和并列關系。非邏輯關系包括繼承關系、整體部分關系、工具關系和因果關系等[5]。由于邏輯關系作為概念中主要存在的關系，因此，只給出邏輯關系的定義。相容關系進行定義如下：

定義1同一關系：設A與B是兩個概念，若A = B則A與B為同一關系。

定義2包含關系：設A與B是兩個概念，若AB則A與B為包含關系且B為A的上位概念，A為B的下位概念。

定義3交叉關系：設A與B是兩個概念，若A∩B ≠則A與B為交叉關系。

不相容關系進行定義如下：

定義4矛盾關系：設A與B是兩個概念，Ω為A與B的上位概念，若A∩B ≠∧A∪B = Ω 則A與B為矛盾關系。

定義5反對關系：設A與B是兩個概念，Ω為A與B的上位概念，若A∩B ≠ ∧A∪BΩ 則A與B為對立關系。

定義6并列關系：設Ai是一個概念，Ω為Ai的上位概念，若Ai∩Aj =∧UAi = Ω（i≠j）則概念Ai在Ω上為并列關系。

2.3 DEC與數據元的關系

在ISO/IEC 11179-3：2013（E）標準中，數據元素由四個組成部分：DEC、概念域（CDConceptual Domain）、數據元素（DEData Element）、值域（VDValue Domain）。

DEC是一個由對象類與特性之間的語義關系所構成的一個概念集合[2]。從定義中可以看出，DEC由對象類與特性兩部分構成。DEC在描述上獨立于具體的表示，不包含任何具體的數據。在功能上，為數據元素提供語義支持。CD對概念的描述性定義進行性管理。VD是一個數據元素允許值的集合，例如對數據類型，格式，單位，最大字符數量等元數據進行管理，為數據元素提供表示支持。endprint

2.3.1 DEC構建規則

2.3.2 DEC邏輯關系生成算法

DEC本質上是一個概念，根據概念的定義可以確定，如果概念之間的屬性存在共性，那么在概念之間必然會存在著相應的邏輯關系。通過對DEC屬性之間進行運算操作，可以確定如下關系生成算法。

上述數據元素概念邏輯關系生成算法，有助于實現計算機的自動識別、評價。此外，對于概念之間的推理，具有重要意義，例如，如果兩個DEC之間存在交叉關系，通過DEC的交運算可以很容易判斷出，兩個DEC擁有一個共同的屬概念。

2.4 概念系統模型

2.4.1 概念系統模型定義

概念系統模型是一個邏輯概念，類似于數據庫中的表空間，對所屬的概念以及概念之間的關系進行管理。在企業概念模型中，DEC是確保DE語義完整的最小的、不可分割的概念。下面給出如下二元關系以及概念系統模型的形式化定義。

定義9 二元關系：Rb = {Rr1，Rr2}，其中Rb表示一個二元關系，Rr1、Rr2分別表示二元關系中的不同關系角色。

定義10 概念系統：CS =，其中CS為一個四元組、PC表示特性集合、R表示一組關系的集合、OC表示對象類集合、CD表示概念域，這里的CD是對概念的值含義進行描述或約束。

2.4.2 規范化的概念系統的構建過程

在整個概念系統中，如何有效的組織對象類，特性，成為了概念系統構建的關鍵一環。UDEF框架能夠將DEC從定性描述轉變為定量表達，它的樹形層次框架結構使得DEC的組成變得結構清晰，大量的減少了數據的重復定義、重復描述[6]。此外UDEF具有在詞匯表等價映射的特點，可以滿足不同的語言之間的語義交互問題。因此，在對DEC進行構建時，僅需要將對象類與特性分別作為UDEF的兩顆子樹進行組織即可，UDEF提供的 “超類—子類”的分類法，在理論上能夠為任何一個企業的任何一個領域提供任意一種DEC。

通常企業的數據建模過程需要歷如下幾個階段：對所需業務劃分主題區域、提取業務過程、確定業務活動、最終梳理數據元素。

概念系統構建位于數據建模的前三個階段，首先需要確定所有的對象類與特性，繼而根據概念關系，確定DEC以及DEC之間的關系，完成整個概念系統注冊。規范化的概念系統的構建過程如圖1所示。

Link代表一個具體的存在關系（Relation），RR表示一個關系角色（Relation Role），LE（Link End）表示具體關系的應用實例，DEC表示一個數據元素概念[7]。

2.5 數據元素

數據元素本質上是DEC的應用，數據元素由數據元素概念與值域兩部分共同組成。

定義11

DE = {DEC×VD}

DE表示一個數據元素概念集合，分別由數據元素概念與值域進行笛卡爾積運算生成，DEC表示數據元素概念集合，VD代表值域集合。

3 建立DEC注冊系統

為了驗證數據元素概念模型在企業中的可應用性，建立了DEC系統。在該系統中實現了相關概念的注冊功能。在圖2所示的系統中，選擇井下為主題概念系統，對所有相應的井下概念進行管理。在對象類與特性類中指稱表示概念的標識名稱，屬性編碼（UDEF）表示該屬性的編碼規則是按照UDEF的規范進行編碼。其中屬性類型表示的是要進行注冊的元素，是否是DEC類型。在DEC注冊中，包括了注冊人、描述定義、注冊日期等描述屬性的注冊。

圖1 規范化的概念系統構建過程

圖2 DEC注冊系統

4 結 論

本文依據ISO/IEC11179-3：2013（E）標準，提出了SCCS概念模型構建方法。該方法的實施，不僅解決了概念模型中的信息集成與共享問題，而且對概念模型標準化工作做出了探索。此外，規范化的概念系統不僅可以應用于概念模型的標準化，還可以實現對邏輯數據模型、元數據字典、數據交換模式的標準化，以至于未來知識表示模型標準化。進一步的研究工作主要是概念搜索算法等方面進行深入研究。

參考文獻

[1] 王洪偉. 基于本體的元數據模型的建立研究[D].上海：上海交通大學，2004.

[2] ISO/IEC 11179-3 Information technologyMetadata registries （MDR） Part 3 Basic attributes and registry metamodel [S]. （3nd edition）， 2013.2.12.

[3] [EB/OL]http：//www.opengroup.org/udef/.

[4] 金岳霖. 形式邏輯[M]. 北京：人民出版社， 2006-6-1.

[5] 馮志偉.術語學中的概念系統與知識本體[J]. 術語標準化與信息技術. 2006，（1）：20-28.

[6] 郭曉麗.企業數據元素目錄及其語義模型的構建與應用[D]. 大慶：大慶石油學院，2010.

[7] Sukhoon Lee， Dongwon Jeong， Jangwon Gim， DooKwon Baik. Canonical sensor ontology builder based on ISO/IEC 11179 for sensor network environments： a standardized approach. International Journal of Distributed Sensor Networks[J].Volume 2014， Article ID 790918， 14 pages：http：//dx.doi.org/10.1155/2014/790918.