本體元建模理論與方法及其應(yīng)用

前言

在人類五千年的文明史中，計算機的發(fā)明對人類社會的影響是顯著的，隨著計算機科學(xué)從電子學(xué)中脫穎而出，軟件工程也從計算機體系結(jié)構(gòu)中脫穎而出。在軟件工程發(fā)展的40年過程中，出現(xiàn)了一個個的里程碑，遺憾的是人們對軟件工程的關(guān)注域是發(fā)散的，軟件沒有能夠從軟件工廠的自動化生產(chǎn)線上一批又一批地制造出來。軟件的開發(fā)效率，或者說軟件的性能價格比，并沒有出現(xiàn)數(shù)量級的提高，信息電子領(lǐng)域出現(xiàn)的多種“摩爾速度”在軟件工程中無任何跡象。對于1000個人月的軟件開發(fā)工作量而言，10個人開發(fā)100個月，完全不同于100個人開發(fā)10個月，這種工作量統(tǒng)計被圖靈獎獲得者FrederickP.Brooks教授稱為軟件工程中的“人月神話”。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時代，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息設(shè)施及其中的軟件，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的基石。一個普遍的認(rèn)識是軟件產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從以產(chǎn)品為中心的制造業(yè)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩魹橹行牡姆?wù)業(yè)。軟件工程的關(guān)注域的變化體現(xiàn)了不斷向需求轉(zhuǎn)移的傾向，為了適應(yīng)頻繁變化的不確定需求，要求軟件系統(tǒng)隨需演變，為了共享網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大量異構(gòu)的軟件資源，要求滿足用戶需求的資源可以即時的組合，為了適應(yīng)大規(guī)模的不同用戶群交互的系統(tǒng)，要求多層次、多粒度的在線資源聚合和優(yōu)化等，同時需求出現(xiàn)了個性化和多元化的趨勢，促使軟件的生產(chǎn)方式更加強調(diào)用戶主導(dǎo)、規(guī)模化定制和敏捷開發(fā)來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時代靈活、可信和即時的服務(wù)。顯然，傳統(tǒng)軟件工程中的層次結(jié)構(gòu)無法表示基于80核的CPU芯片上的操作系統(tǒng)的運行模式。軟件是由各個軟件單元以及軟件單元之間的相互作用組成的，每個軟件單元可稱為智能體或者主體，它們的大小若用粒度表示的話，對象、類、構(gòu)件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)等的粒度是逐步增大的。換一個角度理解多核計算機的系統(tǒng)軟件，可以認(rèn)為是把一個個功能強大的可編程的含核軟件單元放入互相連接的通信網(wǎng)絡(luò)中的一個個核（節(jié)點）上，節(jié)點主要完成各種各樣的計算與處理功能，連接主要完成通信、數(shù)據(jù)交換和協(xié)同功能。這樣一來，系統(tǒng)軟件也可以用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行表示，有效的解決多核計算機中的并行計算問題，這和在互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)基礎(chǔ)上的資源聚合和信息服務(wù)一樣，形成了網(wǎng)絡(luò)時代的軟件工程。

內(nèi)容概要

本書針對面向服務(wù)的軟件工程中語義互操作性問題，體系化融合本體論和軟件工程中元建模研究的最新成果，系統(tǒng)地介紹了本體元建模理論與方法、核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、實際應(yīng)用和互操作性測評。    本書共分三個部分：第一部分（第1～3章）介紹了研究背景和現(xiàn)狀，本體元建模理論和方法，語義互操作性含義；第二部分（第4～7章）介紹了語義互操作性管理的ISO標(biāo)準(zhǔn)核心技術(shù)；第三部分（第8～10章）介紹了方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在幾個典型領(lǐng)域中的應(yīng)用，以及互操作性測評等。最后（第11章）對今后的研究工作進(jìn)行了展望。    本書可供從事軟件工作的科研及技術(shù)人員閱讀，亦可作為計算機軟件與理論專業(yè)的研究生教材或參考書。

作者簡介

何克清，男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員，武漢大學(xué)軟件工程研究所所長。研究方向為“互聯(lián)網(wǎng)上的軟件工程”?，F(xiàn)任中國信息產(chǎn)品互操作性測評中心主任、湖北軟件評測中心主任（事業(yè)法人）；國家電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會軟件工程分技術(shù)委員會委員；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOJTC1/SC32中國代表；中國軟件行業(yè)協(xié)會軟件工程分會理事；武漢計算機軟件工程學(xué)會理事長；武漢市科技委專家委員會委員；國際UMTP聯(lián)盟副主席及中國UMTECC主席。曾有在國際上一流IT產(chǎn)業(yè)日本富士通公司軟件事業(yè)本部、日立公司軟件工廠長期工作的經(jīng)歷，積累了一定的大型項目組織管理和軟件產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗。何克清教授是一位既有從事計算機軟件工程教學(xué)、科學(xué)研究的創(chuàng)新能力，又具有產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗和管理經(jīng)驗的綜合性學(xué)術(shù)帶頭人；是我國長期從事計算機軟件工程基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究的知名專家。

書籍目錄

序前言第1章  緒論  1.1  信息系統(tǒng)的互操作問題  1.2  從含意三角形到語義三角形  1.3  本體元建模理論與方法  1.4  復(fù)雜信息資源的管理與服務(wù)模型SSCI  1.5  本書的組織結(jié)構(gòu)  參考文獻(xiàn)第2章  本體元模型  2.1  什么是本體    2.1.1  本體的定義    2.1.2  本體的結(jié)構(gòu)與描述語言    2.1.3  本體的分類    2.1.4  本體在軟件工程中的應(yīng)用  2.2  什么是元模型    2.2.1  元模型的定義    2.2.2  元模型的創(chuàng)建    2.2.3  元模型在軟件工程中的應(yīng)用  2.3  什么是本體元模型    2.3.1  用本體語言描述的元模型    2.3.2  用本體語義標(biāo)識的元模型  2.4  本體元模型與語義互操作    2.4.1  什么是語義互操作    2.4.2  語義Web服務(wù)    2.4.3  基于本體元模型的語義互操作  2.5  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第3章  本體元建模  3.1  本體元建模理論    3.1.1  基本思想    3.1.2  本體的UML承諾與表達(dá)    3.1.3  本體元建模  3.2  復(fù)雜信息資源管理技術(shù)    3.2.1  ISO／IEC 11179    3.2.2  OASIS ebXML      3.2.3  UDDI  3.3  基于本體的軟件工程    3.3.1  語義中間件技術(shù)    3.3.2  本體定義元模型ODM  3.4  SSOA相關(guān)研究    3.4.1  DII    3.4.2  SEKT    3.4.3  DERI  3.5  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第4章  支持語義互操作的復(fù)雜信息資源管理框架  4.1  現(xiàn)狀分析  4.2  國際標(biāo)準(zhǔn)IS0／IEC 19763綜述  4.3  ISO／IEC 19763—2核心模型  4.4  ISO／IEC 19763對語義互操作的支撐作用  4.5  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第5章  支持語義互操作的本體管理元模型  5.1  本體管理研究概述  5.2  本體注冊元模型    5.2.1  概述    5.2.2  示例分析  5.3  本體演化元模型    5.3.1  概述    5.3.2  變化模型    5.3.3  約束模型    5.3.4  變化傳播模型    5.3.5  演化信息模型    5.3.6  基于MFI的本體演化過程  5.4  本體映射元模型    5.4.1  概述    5.4.2  基于MFI的本體映射元模型  5.5  基于MFI的本體管理平臺的設(shè)計方案    5.5.1  平臺的體系結(jié)構(gòu)    5.5.2  平臺使用的本體映射算法  5.6  本體管理元模型的應(yīng)用  5.7  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第6章  支持語義互操作的模型轉(zhuǎn)換與映射框架  6.1  模型轉(zhuǎn)換與模型映射  6.2  模型轉(zhuǎn)換研究概述  6.3  模型轉(zhuǎn)換形式定義    6.3.1  語法和語義轉(zhuǎn)換的形式定義    6.3.2  模型轉(zhuǎn)換討論    6.3.3  模型遷移    6.3.4  意圖轉(zhuǎn)換  6.4  模型轉(zhuǎn)換抽象框架    6.4.1  設(shè)計原則    6.4.2  模型轉(zhuǎn)換抽象框架    6.4.3  模型轉(zhuǎn)換過程模型  6.5  模型轉(zhuǎn)換技術(shù)    6.5.1  模型轉(zhuǎn)換的技術(shù)要素    6.5.2  模型構(gòu)成和表示      6.5.3  PIM示例    6.5.4  轉(zhuǎn)換規(guī)則    6.5.5  基于0CL的模型查詢      6.5.6  模型轉(zhuǎn)換    6.5.7  模型可視化  6.6  模型遷移    6.6.1  建模范型進(jìn)化和模型遷移    6.6.2  模型轉(zhuǎn)換和模型遷移    6.6.3  UML模型遷移的若干問題  6.7  模型映射元模型MFI-4    6.7.1  模型映射元模型（MFI-4）的基本思想    6.7.2  MFI-4中的重要概念和約定    6.7.3  LevelPair規(guī)則    6.7.4  模型轉(zhuǎn)換語言    6.7.5  模型轉(zhuǎn)換類型    6.7.6  基于MFI-4的模型映射的例子  6.8  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第7章  支持語義互操作的過程模型管理框架  7.1  過程模型的定義    7.1.1  什么是過程    7.1.2  什么是過程模型  7.2  過程模型的互操作性注冊與管理    7.2.1  MPMR概述    7.2.2  基本模型    7.2.3  過程控制模型    7.2.4  示例分析  7.3  過程模型互操作性管理框架及其應(yīng)用    7.3.1  過程模型管理框架    7.3.2  模型映射規(guī)則的管理    7.3.3  過程模型管理框架的應(yīng)用  7.4  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第8章  本體元建模技術(shù)的應(yīng)用  8.1  基于MFI的制造業(yè)信息化軟構(gòu)件庫管理與服務(wù)平臺    8.1.1  研究背景和現(xiàn)狀分析    8.1.2  涉及的關(guān)鍵技術(shù)    8.1.3  系統(tǒng)解決方案    8.1.4  F臺結(jié)構(gòu)和主要功能  8.2  基于MFI的生態(tài)信息管理    8.2.1  生態(tài)語義研究簡介    8.2.2  研究的任務(wù)和目標(biāo)    8.2.3  系統(tǒng)概述    8.2.4  語義管理    8.2.5  相關(guān)的Web服務(wù)類型    8.2.6  水資源領(lǐng)域的應(yīng)用  8.3  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第9章  語義互操作性測評  9.1  互操作性測評概述    9.1.1  互操作性定義    9.1.2  信息系統(tǒng)互操作性  9.2  數(shù)據(jù)層互操作性    9.2.1  數(shù)據(jù)層互操作性難點    9.2.2  數(shù)據(jù)層互操作性技術(shù)現(xiàn)狀    9.2.3  數(shù)據(jù)層互操作性解決方法  9.3  語義層互操作性    9.3.1  語義層互操作性難點    9.3.2  本體概念映射技術(shù)現(xiàn)狀    9.3.3  基于分類的本體概念映射  9.4  業(yè)務(wù)過程層互操作性    9.4.1  業(yè)務(wù)過程層互操作性難點    9.4.2  業(yè)務(wù)過程層互操作性現(xiàn)狀    9.4.3  基于元模型的業(yè)務(wù)過程互操作性  9.5  互操作性測試平臺原型    9.5.1  研究背景    9.5.2  互操作性測試平臺的實現(xiàn)    9.5.3  互操作性測試結(jié)果  9.6  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第10章  情境感知的互操作性管理技術(shù)  10.1  情境相關(guān)研究概述    10.1.1  情境感知的網(wǎng)絡(luò)式軟件      10.1.2  情境與情境感知    10.1.3  情境的作用  10.2  情境的元描述    10.2.1  情境模型    10.2.2  情境元模型12PES    10.2.3  擴展0WL-S描述情境信息  10.3  基于情境的語義互操作性管理    10.3.1  基本思想    10.3.2  情境感知的擴展MPMR    10.3.3  用戶主導(dǎo)的過程模型選擇  10.4  小結(jié)  參考文獻(xiàn)第11章  總結(jié)和展望附錄A  英漢縮寫詞對照表附錄B  英漢術(shù)語對照表

章節(jié)摘錄

插圖：對于不同的應(yīng)用系統(tǒng)而言，如果它們所使用的本體都能夠按照MFI所規(guī)定的方式進(jìn)行管理，那么這些應(yīng)用系統(tǒng)可以比較方便的交換本體注冊信息、本體演化信息和本體映射信息，能夠比較便捷的確定本體之間的關(guān)系，應(yīng)用系統(tǒng)之間可以實現(xiàn)可靠的語義互操作.本文介紹的本體管理元模型相對比較龐大，全面引入這種本體管理機制將會帶來一定的計算開銷。所以，只有當(dāng)領(lǐng)域資源數(shù)量比較巨大，需要管理的本體比較多，本體變化的頻率比較高，差異比較豐富時，全面引入文中介紹的本體管理機制才能真正提高領(lǐng)域資源語義互操作服務(wù)的性能。否則，本體管理的開銷會削弱這種系統(tǒng)化管理所帶來的性能改善。在軟件開發(fā)領(lǐng)域，如何對軟件開發(fā)過程中各種類型的軟件制品實施科學(xué)的、系統(tǒng)化的管理一直是一個受到廣泛關(guān)注的熱點問題。軟件制品是特定軟件開發(fā)活動的結(jié)果。也是后階段軟件開發(fā)活動的基礎(chǔ)。所以，人們一直希望能夠采取有效的手段來表述軟件制品及其之間的關(guān)系，通過這些信息深入了解軟件開發(fā)過程和軟件制品的特點，在軟件開發(fā)知識的輔助下為后階段軟件開發(fā)活動的正確決策提供支持。構(gòu)件化開發(fā)技術(shù)是一項比較成熟的軟件開發(fā)技術(shù)。傳統(tǒng)的構(gòu)件庫管理通常采用關(guān)鍵字、刻面分類等方法來對軟構(gòu)件實施分類注冊與管理。隨著軟構(gòu)件的不斷增多，構(gòu)件庫規(guī)模的不斷擴大，用戶的需求往往很難通過幾個簡單的關(guān)鍵詞或刻面完整、準(zhǔn)確的表示出來。比較常見的情況是，用戶首先給出一個比較寬泛的查找要求，然后在構(gòu)件庫管理系統(tǒng)的引導(dǎo)下，逐漸修正和縮小查找范圍，最終找到符合要求的軟構(gòu)件。所以，構(gòu)件庫管理系統(tǒng)需要能夠?qū)τ脩舻男枨筮M(jìn)行推理。而關(guān)鍵字技術(shù)、刻面分類技術(shù)在表達(dá)概念關(guān)聯(lián)方面的不足使其難以勝任這種復(fù)雜的、智能的查詢過程。軟構(gòu)件屬性本體具有明確表示的語義，能夠很好的支持推理.所以我們提出了建立軟構(gòu)件屬性本體，并且使用該本體來對構(gòu)件進(jìn)行分類注冊與管理?？紤]到軟構(gòu)件屬性本體的多樣性，使用MFI相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對軟構(gòu)件屬性本體實施管理?；贛FI的軟構(gòu)件庫也是一個比較典型的MFI本體管理元模型管理的例子。該軟構(gòu)件庫的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)詳見第8.1節(jié)。5.7 小結(jié)本體描述了特定論域中概念的含義。本體是對系統(tǒng)實施具體設(shè)計與規(guī)劃的基礎(chǔ)。由于多方面原因，同一個領(lǐng)域中，通常存在相互關(guān)聯(lián)的多個本體。對本體實施科學(xué)的組織與管理是實現(xiàn)高效的語義互操作的基礎(chǔ)。本體的注冊、演化與映射是本體管理中的三個基本問題。本章分別制定了本體注冊、演化和映射元模型，并就具體的實例分析了元模型中各個元類的含義。本章的最后是一個本體管理平臺的設(shè)計方案和對本體管理元模型未來應(yīng)用的分析。

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