語義級互操作的關鍵技術研究*

晉芳華　劉　鵬　錢興華

(中國艦船研究院　北京　100192)

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語義級互操作的關鍵技術研究*

晉芳華劉鵬錢興華

(中國艦船研究院北京100192)

摘要語義級互操作是促進系統間數據互操作，提升系統信息共享程度的重要方法與途徑。針對異構信息系統語義級互操作涉及的本體異構等核心問題，提出基于NIEM的語義級互操作解決框架及實現流程，并分析關鍵技術。

關鍵詞語義級互操作; NIEM; 信息共享

Class NumberTP391

1引言

諸如數字化圖書館、智能交通、智能電網、智能醫療、智慧城市、軍事信息系統等廣域分布、組成異構的復雜系統集成運行涉及海量信息交互、共享。互操作是實現異構系統信息交互和共享的關鍵技術。異構信息系統之間實現信息交互的基礎做法是采用協議轉換，即數據源協議數據包轉換為目標協議數據包。實際中由于語言復雜性、管理維護水平和業務發展變更等因素，異構系統間的信息語義難以被完全統一定義，難以直接利用固定的映射模式來完成數據的轉換，大量的機器與機器之間的信息交互無法自動完成，需要人工參與(即人與機器的交互)，嚴重影響系統工作效率。為實現異構系統之間消息高效交換和信息共享，需要在語義層面開展研究。

學者們從語義級互操作概念、信息源語義表達、語義異構分類以及語義互操作框架等角度展開研究。文獻[1～2]重點從互操作概念角度出發進行研究。文獻[1]梳理了不同組織對互操作概念內涵的定義，并總結出互操作的共性理解：一是互操作發生在兩個或多個需要進行信息交互的實體或系統之間，二是實體或系統之間能夠交換信息，三是實體或系統能夠使用所交換信息;文獻[2]提出概念互操作等級模型(levels of conceptual interoperability model，LCIM)，以分層的形式給出互操作每層做出定義，并指出語義互操作不僅可以在系統間交換數據本身，也包括數據的語境，并借助公共數據參考模型，使被交換的數據具有清晰、無歧義的語義;文獻[3～4]重點從信息源的語義表達角度進行研究，文獻[3]通過對比分析XML、RDF、OWL等描述語言，指出OWL在表述語義概念、屬性和關系上比其他語言有優勢，文獻[4]指出元數據是結構化的編碼數據，它是描述數據的數據，是揭示信息資源的基礎，文獻[5]指出本體是對共享概念的形式化的明確說明，以面向對象的思想，建立信息源中抽象概念的關系和約束。文獻[6～8]重點從語義異構分類進行研究，文獻[6]以知識組織體系角度，將異構概括為句法異構、術語異構和概念異構，并介紹幾種知識組織體系互操作方法;文獻[7]將異構信息源之間分成了三個層次的語義異構，即模式異構、上下文異構和個體異構，并重點給出了消除上下文異構和個體異構的解決方法。文獻[5]將本體的異構分成了概念和語言兩層異構，并對每層異構做細粒度劃分，指出本體的集成核心問題就是解決概念和語言兩層的異構。文獻[8]重點從語義互操作框架角度進行研究，分析了作戰仿真系統與指控系統在架構、信息交換模型、通信協議以及數據庫上的異構性;設計了由接入層、資源層、語義交互層、服務層和應用層等構成的語義互操作技術參考框架，文獻[9]在分析了主題圖(Topic Map)技術解決數字圖書館語義互操作的可行性的基礎上，在分析了數字圖書館特性的基礎上，設計實現了基于XTM語義互操作原型系統，該原型系統包括資源層、元數據層、主題層和應用層等四層。文獻[10]運用元模型互操作框架(Metamodel Framework for Interoperability， MFI)和本體技術，建立了一種支持語義互操作的Web服務注冊管理模型的體系架構，運用MFI中的本體演化規則保證了本體在演化前后的一致性，從而保證基于本體的不同Web 服務注冊庫的互操作性。

綜上，在信息源中查找并使用有效數據涉及的一個關鍵問題是必須知道信息源的語義。為實現應用系統和信息源語義的解耦合，促進信息共享，需要將信息源的語義通過本體顯示表示。但是不同信息源之間的本體存在異構，如何有效地解決本體之間的異構，使得異構信息源實現信息集成與信息共享，是語義級互操作的核心問題。框架性的研究多聚焦于具體應用，對框架移植性與復用性等因素考慮不足。本文從語義形式化、語義異構消除和功能擴展等角度分析語義互操作的關鍵點，在考慮靈活性和可擴展性的基礎上，提出基于NIEM(National Information Exchange Model)的語義級互操作通用解決框架和實現流程，并分析其關鍵技術。

2語義級互操作分析

2.1互操作

互操作是指兩個或兩個以上系統間能夠相互交換信息，并使用交換信息的能力[11]。從復雜系統的設計和開發提供指導角度，通過劃分描述系統、組件或服務間傳遞信息和知識的能力，概念互操作等級模型(levels of conceptual interoperability model,LCIM)將互操作分成了六層結構[12]，具體如表1所示。

表1　LCIM等級描述

在信息共享與信息集成中，語義級互操作屬于第三級互操作，在整個互操作等級模型起到承上啟下的作用。語法級互操作只能依靠應用程序的邏輯來表現的語義，表現出程序耦合度高，開發慢，利用率低等問題。而語義級互操作針對語法級互操作的問題，通過將信息系統中的語義顯示化，依靠公共數據參考模型，實現信息系統在交換數據本身的基礎上，也交換了數據的語境，從而解決了異構信息系統語義歧義的問題。

2.2語義級互操作關鍵點分析

當前系統多面臨數據和信息量飛速增長的局面，受自然語言的復雜性多義性、系統管理維護水平以及業務需求發展變更等因素影響，僅靠語法級層面的互操作難以應對“語義歧義”、“信息利用率低”等問題，所以語義級互操作成為問題關鍵解決辦法。

由于行業領域、用戶習慣、技術路線等因素，不同系統發展建設過程中難以遵循統一的標準，不同信息源會建立各自的語義形式化模型，在跨系統集成實現信息共享時便面臨語義互操作問題。語義級互操作的核心問題便成為在不同信息源建立起的語義形式化模型基礎上進行形式化模型的集成。獨立開發的語義形式化模型可能采用不同概念表達模型和語言，形式化程度各不相同，不同領域知識可能重復或交疊，存在多種不一致。為了解決這種不一致問題，就產生了語義異構分類以及語義異構消除等研究，通用的語義異構消除策略是，建立公共的數據參考模型作為異構信息源的語義形式化模型的中間模型，完成異構信息源形式化模型的轉換，從而避免了異構信息源P2P模式的冗余轉換，將語義異構消除問題的解決方案復雜度從N2級轉到N級。雖然從整體上語義互操作已經有了完整的解決方案與框架，但是引入的公共參考數據模型增加了該模型管理、可擴展性以及重用性等問題的考慮。同時隨著信息處理自動化和智能化需求不斷提高，充分利用交換信息，達到提高交換信息的利用率以及交換信息沖突自動檢測等擴展功能成為必須考慮的問題。

通過以上分析，可以將語義互操作的關鍵點梳理為：語義形式化、語義異構消除和功能擴展等三個關鍵點。

1) 語義形式化

語義形式化是語義互操作的基礎。語義的形式化分兩個層面：語義形式化語言、語義形式化方式。語義形式化的主要方式包括元數據和本體，元數據是結構化的編碼數據，用于描述有關信息實體的特征，從而標識、發現、評估和管理這些被描述的實體，它是描述數據的數據，是揭示信息資源的基礎[13]。本體是對共享概念的形式化的明確說明。這里共享概念指多個主體所感興趣的某特定領域的抽象，形式化是指可以被機器處理，明確地說明指概念、屬性、關系、函數、約束、公理都有明確的定義[14]。分析發現，元數據和本體都在語義形式化上起到一定作用，但是元數據更偏向于抽象信息資源，本體則側重于建立概念和術語之間的關系和約束，所以充分利用元數據和本體的優勢建立基于元數據的本體模型是信息源語義形式化最好的選擇。

語義形式化語言包括XML Schema、RDF、OWL等，XML Schema定義了文檔標記的語法規則，并以層次結構的形式規定了所有以其為標準的文檔，包括數據對象的數據屬性的類型、嵌套層次、取值范圍及約束條件等，完全能夠實現LCIM描述的語法級互操作并能夠實現部分語義級互操作甚至更高的語用級互操作;RDF建立了以主語、謂語和賓語為元素的“三元組”數據模型，可以把一些非常簡單的元數據說明組合在一起，使得文檔能夠被解析，實現異構系統的信息交換，RDF在LCIM所描述的互操作能力上與XML相似[15];OWL(本體描述語言)在RDF的基礎上通過添加大量的基于描述邏輯的語義原語來描述和構建本體。OWL采用面向對象的方式來描述領域知識，即通過類和屬性來描述對象，并以公理的形式來描述這些類和屬性的特征和關系[3]。由于其使用了描述邏輯的語義原語，使得它可以實現LCIM的語義級互操作，可以部分實現語用級互操作，所以OWL是最能滿足語義形式化的語言。

2) 語義異構消除

語義異構消除是語義互操作的核心。語義異構消除需要做兩方面的工作：語義異構分類、公共數據參考模型構建。信息源主要包括概念層和語言層兩層語義異構，概念層異構又可以根據建模時的差異和概念具體化使得差異進行更細粒度的劃分;而語言層的異構同樣可以根據語法差異和表達能力的差異，進行細粒度劃分[14]。公共數據參考模型的構建的通用作法是依據各信息源的本體建立上層本體(領域通用本體)，通過建立各信息源本體與上層本體建立關聯，從而消除各類語義異構，達到異構信息源之間信息語義共享的目的。

3) 功能擴展

功能擴展是語義互操作的擴展。功能擴展的主要工作是提高交換信息的利用率，達到信息增量與檢測信息語義沖突的作用。信息源之間交換的數據，不光數據本身，還包括數據的語境。將數據的語境映射到領域本體上，通過定義領域語義規則，實現交換的數據依據領域語義規則和領域本體的語義推理，達到檢測交換數據之間的沖突和信息增量的目的。

3基于NIEM的語義級互操作技術參考框架

針對語義級互操作的關鍵點，將語義級互操作框架分四層，自下而上分別是語義表達層、互操作層、功能擴展層和應用層，如圖1所示。

3.1語義表達層

語義表達層是語義互操作框架的基礎，對應語義互操作關鍵點的語義形式化，用于實現信息源語義的顯示化表述。元數據是基礎，用于描述信息資源在特定情形下的微觀結構。元數據經過抽象，對資源語義化標注，不僅有利于資源的發現，也是實現互操作和有效利用資源的基礎。知識本體是在元數據對信息資源封裝的基礎之上，通過描述不同元數據方案在語法和語義上的差異以及信息資源之間的復雜關系來完成信息源的語義形式化表達，從而為分散信息資源的整合與管理提供模型與方法[16]。

圖1　基于NIME的語義級互操作技術參考框架

3.2互操作層

互操作層是語義互操作框架的核心，對應語義互操作關鍵點的語義異構消除，用于解決各信息源間的語義異構問題。互操作的基礎是信息系統的知識組織體系的互操作[6]。在分析信息系統間知識組織體系異構的基礎上，建立關于知識組織體系的公共參考數據模型。公共參考數據模型具有層次之分，主要與數據抽象粒度相關。NIEM數據模型包括三個部分核心數據模型、領域數據模型和領域數據詞典三個部分，其中核心數據模型(National Information Exchange Model)通過把各個業務領域普遍應用的時間(When)、地點(Where)、人物(Who)、事件(What)等，通過語義和語法進行統一，然后由各個業務領域在此基礎上進行擴展，并以開放性、擴展性的語言來表示，形成信息系統相互理解和認識的“五線譜”[17]，領域數據模型在核心數據模型的基礎上匹配、擴展、演化，形成與領域相關的概念、術語以及它們的關聯與約束，領域數據詞典指領域數據模型中可被引用的概念與術語。基于NIEM的領域數據詞典，利用NIEM核心數據模型具有的高抽象、高擴展等特點，通過匹配與擴展等手段，構建出與應用相關的聯合本體，分別建立信息源本體與聯合本體的映射，實現信息源之間的語義轉換，解決了公共參考模型的管理與模型組件的擴展、重用等問題。

3.3功能擴展層

功能擴展層處于互操作層與應用中間，是語義互操作框架的擴展，用于提高交換信息的利用率，達到信息增量與檢測信息語義沖突的作用，并對互操作層進行服務封裝，形成服務接口，為應用程服務。功能擴展層以本體和語義推理為基礎，實現信息查詢、語義交換、語義推理、沖突檢測和信息增量等功能。

3.4應用層

應用層是指各種具有信息系統協同工作的領域，主要包括數字圖書館系統、數字化變電站系統等傳統基礎設施的信息共享與集成以及物聯網、分布式仿真系統的信息共享和軍事電子信息系統集成等。

圖2　基于NIEM語義級互操作流程圖

4語義級互操作實現流程分析

綜上所述，語義互操作的實現需要：1)信息源本體構建，信息源語義的形式化的明確說明;2)公共數據參考模型(聯合本體)構建，基于NIEM數據模型的聯合本體構建是實現語義互操作的核心;3)語義映射，建立信息源本體與聯合本體之間的映射關系，完成信息源之間語義異構消除的目的;4)語義推理，擴展語義互操作功能，實現交換信息的信息增量與沖突檢測。

依據語義級互操作技術參考框架和關鍵點分析將實現流程劃分為構建信息源本體庫、構建聯合本體、建立聯合本體和信息源本體的映射關系、語義推理和應用五個部分。并將每個部分的關鍵步驟列出，如圖2所示。

5語義級互操作關鍵技術點分析

語義互操作參考技術框架和實現流程的實現依賴以下關鍵技術。

5.1基于元數據的信息源本體構建技術

基于元數據的本體構建技術是指選定具體領域，對其資源進行總結、抽象出領域本體，從資源中提煉知識的過程。該技術的作用是信息源的語義形式化，對應語義互操作框架的語義表達層。本文參照了Mike Uschold&King的“骨架”法構建本體[18]，該方法的主要步驟如圖3所示。

圖3　本體構建步驟

1) 定本體應用的目的和范圍：限制研究的范圍，依據研究的領域或任務，建立對應的領域本體或者過程本體。

2) 本體分析：由領域專家參與，來確定領域內概念或術語的約束以及它們之間的關系。

3) 本體表示：使用語義模型來表示本體。

4) 本體評價：以清晰性、一致性、完善性、可擴展性等作為本體的評價標準。

5) 本體的建立：使用本體評價標準對所建本體進行評價檢驗，符合要求的以文件的形式存放，否則轉2)。

5.2基于NIEM的聯合本體構建

基于NIEM的聯合本體構建是指以NIEM數據模型為基礎，建立關于領域的通用本體模型。該技術的作用是建立公共數據參考模型，對應語義互操作的互操作層。基于NIME的聯合本體構建過程是，明確信息交換內容，通過引用NIEM數據模型對交換需求進行描述，建立聯合本體的過程。建模過程主要經歷需求分析、建模與映射等三個過程[17]。

1) 需求分析是構建本體的基礎，信息共享業務需求分析主要內容是：明確信息交換背景、了解信息交換的主要內容、明確信息交換的策略要求等。

2) 聯合本體建立是業務領域專家在信息交換業務需求分析的基礎上運用本體構建技術對信息交換需求的直觀描述，是信息交換需求的直接體現。

3) 信息交換業務模型映射是指建立信息交換業務模型與NIEM數據模型的映射關系，即聯合本體中的類映射到NIEM數據模型中的類型。在映射過程中存在完全匹配、部分匹配或者完全不匹配三種情況，通過對NIEM領域數據詞典的匹配、擴展與演化等手段達到聯合本體與NIEM數據模型建立映射關系的目的。

5.3異構本體映射技術

異構本體技術是指建立信息源本體與聯合本體之間的概念與術語之間的關聯，實現以聯合本體為源本體到目標本體的中間本體的異構本體轉換技術。該技術的作用消除信息源本體與聯合本體的異構，對應語義互操作框架的互操作層次。該映射變換采用以通用本體作為中間轉換本體的方式，實現信息源之間知識的共享與集成，與直接根據異構本體之間映射關系進行映射轉換相比，使用通用本體降低了耦合度，具有更高的柔性和可擴展性[19]，如圖4所示。

圖4　基于聯合本體的映射變換模型

5.4基于本體的語義推理技術

語義推理技術是指借助本體進行推理從根本上把隱含在顯示定義和聲明中的知識通過一種機制提取出來。該技術的作用是實現交換數據的信息利用率最大化，同時檢驗交換信息的語義沖突。語義推理技術應用在信息源語義互操作的基礎上，通過建立基于本體的語義互操作來實現沖突檢測、信息增量等服務。基于語義關系，定義本體推理規則，在公共領域本體的基礎上引入規則表示，制定規則庫，通過推理引擎依據一定的推理算法從顯示表述中推出隱含結論[20]，如圖5所示。

圖5　基于規則的推理結構

6結語

本文通過分析語義互操作的語義形式化、語義異構消除和功能擴展等三個關鍵點，應用NIEM數據模型，給出基于NIEM的語義互操作框架與實現流程，為解決語義互操作中語義不一致和信息利用率低等問題，給出實現語義互操作四個關鍵技術。

參 考 文 獻

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收稿日期：2016年1月9日,修回日期：2016年2月12日

作者簡介：晉芳華，男，碩士研究生，研究方向：艦船電子工程技術。劉鵬，男，碩士生導師，研究方向：系統頂層設計。錢興華，女，博士生導師，研究方向：系統總體設計。

中圖分類號TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.024

Key Technologies of Semantic Interoperation Technologies

JIN FanghuaLIU PengQIAN Xinghua

(China Ship Research and Development Academy, Beijing100192)

AbstractSemantic interoperation is an important method to promote data interoperation between systems and improve the level of information sharing. Considering main problems faced by semantic interoperation of heterogeneous systems, a semantic interoperation framework based on national information exchange model is presented in this article, key technologies are also analyzed.

Key Wordssemantic interoperation, NIEM, information sharing