離散事件模擬的本體建模研究

梁振霖，胡 斌

(華中科技大學(xué)管理學(xué)院，湖北 武漢 430074)

本體論(ontology)最早屬哲學(xué)的范疇，是一種對存在的系統(tǒng)化解釋，20世紀(jì)80年代末本體開始被引入人工智能領(lǐng)域，到20世紀(jì)90年代初國際計算機(jī)界為了就本體的定義和一些公理及規(guī)范化表述達(dá)成共識召開了多次研討會，其中最著名的定義是GRUBER在1993年提出的“本體論是對概念模型的精確描述”，因此有人把本體論工程稱為連接信息系統(tǒng)與哲學(xué)之間的紐帶。NICOLA把概念模型定義為:C=＜D，W，R＞，其中D為一個領(lǐng)域，W為該領(lǐng)域中相關(guān)事物狀態(tài)的集合，R為領(lǐng)域空間＜D，W＞上概念關(guān)系的集合，本體論即為采用某種語言對概念模型的描述[1]。本體提供清楚且正式的語義信息，且本體是自然描述某個領(lǐng)域的概念、概念的屬性及其概念之間的關(guān)系，因此可以方便地共享和復(fù)用。

本體的構(gòu)建即把現(xiàn)實的領(lǐng)域問題抽象為一組概念及概念之間的關(guān)系[2]，并準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以理解的語義[3]。目前在國際上關(guān)于醫(yī)學(xué)、保健和產(chǎn)品銷售的詞匯已經(jīng)有了通用的本體庫，但在很多領(lǐng)域還是缺乏能廣泛使用的本體。國內(nèi)學(xué)者對本體的研究已有10多年，與國外相比在理論研究和實踐構(gòu)建上都存在一定的差距。陸汝鈴等從實用的角度對本體進(jìn)行了如下定義:“本體是關(guān)于某個主題的形式化和說明性表示，包括它的論域、論域中諸對象的名稱、定義及相互關(guān)系”。曹存根的團(tuán)隊建立了植物學(xué)本體、關(guān)于人的頂層本體，研究了基于本體的知識獲取方法。張維明對領(lǐng)域本體的表示、推理和集成進(jìn)行了研究。整體而言目前國內(nèi)對本體的研究仍處于起步階段，特別是在領(lǐng)域本體構(gòu)建方面缺少能得到大家認(rèn)可的貢獻(xiàn)，因此本體在它最初提出來時的優(yōu)勢無法體現(xiàn)，這也是目前本體研究遭遇瓶頸階段的一個重要原因?，F(xiàn)階段本體論發(fā)展必須由各領(lǐng)域?qū)＜以谧约侯I(lǐng)域內(nèi)建立信息完備的領(lǐng)域本體，擴(kuò)充各個領(lǐng)域的本體庫，達(dá)到領(lǐng)域知識復(fù)用的目的。

在模擬系統(tǒng)開發(fā)上本體已經(jīng)有了研究成果[4]，且因其良好的概念層次結(jié)構(gòu)和對邏輯推理的支持而得到了廣泛的應(yīng)用[5]。陳剛等設(shè)計并實現(xiàn)了虛擬領(lǐng)域本體構(gòu)造[6]，該系統(tǒng)在領(lǐng)域知識庫中只保存最基本的領(lǐng)域本體，當(dāng)用戶需要新的領(lǐng)域本體時，由系統(tǒng)經(jīng)過分析用戶提出的具體需求后對已有的領(lǐng)域本體進(jìn)行重新組合或增減，從而在現(xiàn)有領(lǐng)域本體的基礎(chǔ)上動態(tài)地構(gòu)造出新的領(lǐng)域本體。因此，將本體用于管理系統(tǒng)模擬領(lǐng)域，可基于已封裝了功能和數(shù)據(jù)的模擬服務(wù)組件，用本體描述領(lǐng)域概念、模擬需求，以及模擬組件的屬性，根據(jù)實際場景及需求，實時匹配和組合模擬服務(wù)組件[7－8]，更智能化地應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境，建立面向服務(wù)的模擬模型。筆者將初步構(gòu)建出管理系統(tǒng)模擬中離散事件模型的領(lǐng)域本體，并驗證領(lǐng)域本體的準(zhǔn)確性。

1 領(lǐng)域本體構(gòu)建的基本概念

1.1 本體的分類

按照領(lǐng)域依賴程度，本體可以分為以下4種:

(1)頂層本體(top－level ontology)。描述最普通的概念及概念之間的關(guān)系，它完全獨立于特定的問題和領(lǐng)域，是具有普遍意義的描述客觀世界常識的本體。

(2)領(lǐng)域本體(domain ontology)。描述特定領(lǐng)域中的概念及概念之間的關(guān)系。

(3)任務(wù)本體(tast ontology)。描述特定任務(wù)或行為中的概念及概念之間的關(guān)系。

(4)應(yīng)用本體(application ontology)。描述依賴于特定領(lǐng)域和任務(wù)的概念及概念之間的關(guān)系。

其中領(lǐng)域本體和任務(wù)本體在同一研發(fā)層次，它們都能引用頂層本體中定義的詞匯來描述自己的詞匯，應(yīng)用本體既能引用領(lǐng)域本體中的概念，也能引用任務(wù)本體中的概念。這四者的關(guān)系可用圖形表示，如圖1所示。

圖1 按照領(lǐng)域依賴程度的本體分類

對離散事件模擬模型的本體表達(dá)屬于領(lǐng)域本體這一層次。

1.2 領(lǐng)域本體的構(gòu)建思路

構(gòu)建領(lǐng)域本體的基本思路如下:

(1)需求分析。構(gòu)建領(lǐng)域本體要反映出用戶對系統(tǒng)功能的需求，要明確創(chuàng)建本體的范圍;

(2)制定計劃。制定本體構(gòu)建計劃先列出領(lǐng)域內(nèi)所有相關(guān)的概念和覆蓋的知識，在工作的每個階段明確計劃中要達(dá)到的工作目標(biāo)，對任務(wù)層層分解，以便有效地控制和協(xié)調(diào);

(3)構(gòu)建本體。用本體語言表示出領(lǐng)域本體的主要概念，揭示概念間的各種關(guān)系;

(4)評價本體。對構(gòu)建好的本體，從正確性和有效性方面進(jìn)行評價，確定本體是否能有效應(yīng)用;

(5)本體進(jìn)化。隨著領(lǐng)域知識的增加和應(yīng)用需求的發(fā)展，開發(fā)者需要對已建本體進(jìn)行更新，增加新的概念和概念之間的關(guān)系;

(6)復(fù)用本體。本體最大的特點就是其良好的復(fù)用性，由于概念的明確性，一個內(nèi)容層次清晰的本體能在領(lǐng)域內(nèi)得到很好的復(fù)用，目前國外有一些很好的本體庫已經(jīng)得到領(lǐng)域內(nèi)的公認(rèn)并被大量引用。

領(lǐng)域本體開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 領(lǐng)域本體開發(fā)流程

1.3 離散系統(tǒng)模型的領(lǐng)域術(shù)語

根據(jù)系統(tǒng)自變量(一般指時間變量)發(fā)生的變化是離散型還是連續(xù)型，系統(tǒng)模型可以分為離散系統(tǒng)模型和連續(xù)系統(tǒng)模型。離散系統(tǒng)模型的特點是狀態(tài)變量在隨離散變化自變量改變時有時會呈現(xiàn)突變現(xiàn)象，而連續(xù)系統(tǒng)模型的狀態(tài)變量隨著連續(xù)變化的自變量發(fā)生連續(xù)的改變。目前離散模擬是最成熟的模擬方法，在現(xiàn)實生活中有著更普遍的意義，例如銀行顧客到達(dá)的事件、工業(yè)工程中原材料流入加工等都屬于離散事件模型。

表1列出離散系統(tǒng)模型中的一些基本概念[9]。

以銀行排隊系統(tǒng)為例，顧客就是離散系統(tǒng)模型中的實體，系統(tǒng)的資源主要有銀行服務(wù)人員和自動取款機(jī)兩種，實體和資源的屬性主要有數(shù)目、等待時間和服務(wù)時間、資源處于空閑還是繁忙狀態(tài)等。銀行排隊系統(tǒng)中的事件有3種，即顧客到達(dá)、服務(wù)開始和服務(wù)結(jié)束，活動有兩類，即排隊活動和服務(wù)活動。表2列出了銀行排隊系統(tǒng)模型的基本術(shù)語。

2 離散事件模型的本體構(gòu)建

到目前為止，本體工程中比較有名的幾種方法包括 TOVE法、Methontology方法、骨架法、IDEF－5法和7步法等，這些方法大多是手工構(gòu)建領(lǐng)域本體，仍處于相對不成熟的階段，領(lǐng)域本體的建設(shè)還處于探索期，因此構(gòu)建過程中還存在著很多問題。唐愛民等對如何基于國防敘詞表來構(gòu)建國防領(lǐng)域本體進(jìn)行了研究，他們結(jié)合Enterprise方法、Methontology方法和軟件開發(fā)模型即“瀑布模型”提出了一種基于敘詞表的領(lǐng)域本體構(gòu)建方法，最后通過《國防科學(xué)技術(shù)敘詞表》成功構(gòu)建了軍用飛機(jī)領(lǐng)域本體的原型[10]。

領(lǐng)域本體的詳細(xì)設(shè)計過程也可稱為領(lǐng)域本體的具體構(gòu)建過程，是該方法中最核心、最關(guān)鍵的步驟，本體的一般開發(fā)過程包括:

(1)定義本體的類。根據(jù)表1中列出的術(shù)語，可以定義 Entity、Resource、Attributes、Event、Activity、Process、System State、Simulation Clock 和Statistical counter這9個類。

(2)在分類學(xué)(子類－超類)層次上基本類如圖3所示。

這些類從OWL語言的規(guī)則上講是不相交的，因此在protégé中需要聲明基本類與其他類的關(guān)系，如圖4所示，例如對Activity類聲明，它與其他類的關(guān)系是Disjoint classes。

(3)定義屬性并描述這些屬性的允許值如圖5所示。

圖3 離散事件模型的基本類

圖4 聲明基本類與其他類的關(guān)系

圖5 對實體類屬性的描述

(4)填充屬性值形成實例。本體開發(fā)采用迭代步驟，最初定義粗略的本體，接著修改并細(xì)化進(jìn)化的本體，隨后填充細(xì)節(jié)，如圖6所示。再將銀行排隊系統(tǒng)的領(lǐng)域術(shù)語加入到最初構(gòu)建的本體中，如圖7所示。

圖6 離散事件模型的本體

圖7 離散事件模型的本體關(guān)系圖

本體中的部分關(guān)系視圖如圖8所示，其中Queue up和Line up是等價關(guān)系;排隊活動是Activity的子類，同時也是The bank line up simulation model的子類;Discrete simulation model是后兩者的父類。

圖8 排隊活動的關(guān)系圖

3 結(jié)論

筆者將離散模擬模型領(lǐng)域概念羅列出來，基于敘詞表的本體構(gòu)建原理，使用protégé 4.0建立離散模擬模型的領(lǐng)域本體，定義了概念之間的關(guān)系和概念屬性的取值，使得模型關(guān)系能清晰地展現(xiàn)，有利于不同領(lǐng)域?qū)W者了解該模型，進(jìn)而基于已封裝了功能和數(shù)據(jù)的模擬服務(wù)組件，實時匹配組合模擬服務(wù)組件。本體是體現(xiàn)現(xiàn)實世界的模型，因此對建好的領(lǐng)域本體還需要根據(jù)現(xiàn)實應(yīng)用和實際情況的發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)充。

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