基于本體的多數(shù)據(jù)鏈集成技術(shù)研究

張中亮

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第722研究所，湖北 武漢 430079）

1. 引言

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)前凑战y(tǒng)一規(guī)定的消息格式和通信協(xié)議，鏈接數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)上的作戰(zhàn)平臺(tái)，處理和傳輸戰(zhàn)術(shù)信息的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[1]。

在不同歷史時(shí)期，各國(guó)軍隊(duì)根據(jù)不同作戰(zhàn)需求開發(fā)了一系列的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，新數(shù)據(jù)鏈的出現(xiàn)并不意味著舊的數(shù)據(jù)鏈將被立即取代，而會(huì)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)并存[2]；同時(shí)，由于各軍兵種之間作戰(zhàn)需求不一樣，戰(zhàn)場(chǎng)的通信環(huán)境不一樣等各種因素，迄今為止，任何一種數(shù)據(jù)鏈都不能夠同時(shí)滿足多種作戰(zhàn)任務(wù)下傳輸與交換不同信息的要求，各種數(shù)據(jù)鏈具有各自顯著的技術(shù)特征和相互不可替代的獨(dú)特功能特性[3]。通過同時(shí)使用多種數(shù)據(jù)鏈，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短、互為備份、提高抗毀性；通過這些數(shù)據(jù)鏈的互操作，可以實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)武器系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)接入多種數(shù)據(jù)鏈時(shí)就需要解決多種數(shù)據(jù)鏈的集成問題[4]。

在多種數(shù)據(jù)鏈共存的情況下，由于每種數(shù)據(jù)鏈都有其特定的消息格式，為了實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)鏈的綜合應(yīng)用，要處理多種消息格式，工作量非常巨大，消息之間的相互轉(zhuǎn)換也很困難[5]。在同時(shí)使用n種數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)時(shí)，通過在任意兩數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)間建立專用的消息格式轉(zhuǎn)換適配器可實(shí)現(xiàn)鏈間信息互通，但是兩兩之間做雙向適配，會(huì)額外需要n（n-1）/2個(gè)適配器，大大增加了軟件的開發(fā)、維護(hù)工作量[6]。

針對(duì)數(shù)據(jù)鏈消息格式不同導(dǎo)致的多數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)間信息共享困難，本文提出了一種基于本體的多數(shù)據(jù)鏈集成方法。

2. 本體描述語言的發(fā)展過程

2.1 可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML

XML是由W3C于1998年2月發(fā)布的一種標(biāo)準(zhǔn)，是由SGML和HTML二者派生出的語言。XML具有強(qiáng)大的表達(dá)能力。XML為信息表示和信息交換提供了很好的中介手段和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不同數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的格式化消息，XML都能對(duì)其進(jìn)行描述。另外，XML還支持語法互操作性，對(duì)于不同數(shù)據(jù)鏈的消息形成的XML文檔，XML解析器都可以對(duì)其進(jìn)行分析。但是，XML及其模式規(guī)范（DTD/XML Schema）只提供固定的語法描述，并未考慮信息的語義特點(diǎn)，因此缺乏對(duì)語義互操作的支持。

2.2 資源描述框架RDF

RDF是描述結(jié)構(gòu)信息的一種形式化語言。RDF的目標(biāo)是讓應(yīng)用程序能夠在Web上交互數(shù)據(jù)，并且保留它們?cè)械暮x。

XML文檔本質(zhì)上生成了一個(gè)基于嵌套標(biāo)簽的樹結(jié)構(gòu)，很適合描述結(jié)構(gòu)化文檔。與XML不一樣，RDF是基于有向圖的數(shù)據(jù)模式，一個(gè)RDF文檔描述了一個(gè)有向圖。

在數(shù)據(jù)鏈格式化消息的集成過程中，采用圖比采用樹更合適。因?yàn)镽DF圖可以簡(jiǎn)單地合并在一起，其結(jié)果只不過是得到了一個(gè)大一些的圖。而XML文檔合并起來相對(duì)困難。因?yàn)閮蓚€(gè)樹結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單合并不再是一個(gè)樹，所以在合并多個(gè)輸入時(shí)，僅僅為了得到一個(gè)格式良好的XML文檔，就必須采取額外的措施。所以多數(shù)據(jù)鏈消息集成更適合采用RDF圖。

作為一種本體表示語言，RDF和RDFS可用來表達(dá)某些本體知識(shí)。然而，RDFS缺少許多其它的特征（如屬性的范圍、屬性的特殊特征、類的布爾組合等）。

2.3 網(wǎng)絡(luò)本體語言O(shè)WL

OWL是在DAML+OIL網(wǎng)絡(luò)本體語言的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。OWL彌補(bǔ)了RDF+RDFS的許多不足，成為公認(rèn)的Web本體語言標(biāo)準(zhǔn)。OWL添加了更多的用于描述屬性和類的詞匯，例如類之間的不相交性、基數(shù)、等價(jià)性、屬性特征、以及枚舉類，通過提供更多具有形式語義的詞匯，明確表示了詞匯表中術(shù)語的含義以及術(shù)語間的關(guān)系，使其描述的內(nèi)容在機(jī)器可理解性方面要強(qiáng)于XML、RDF和RDF Schema等。

3. 多鏈消息集成方案

3.1 格式化消息的基本概念

格式化消息是一種面向比特的、格式事先規(guī)定好的報(bào)文，它由多組有序排列的字段組成，在每個(gè)字段內(nèi)，被傳遞的具體信息按指定的格式轉(zhuǎn)化成規(guī)定的二進(jìn)制值[7]。消息有固定消息格式和可變消息格式兩種。本文只考慮固定消息格式情況，并以典型的J系列消息為例，具體介紹消息的本體表示方法。

J系列消息一般由1～8個(gè)消息字組成，每個(gè)消息字包括5bit奇偶校驗(yàn)位和70bit數(shù)據(jù)位。消息字分為3種，即初始字、延長(zhǎng)字、繼續(xù)字。J系列消息的編號(hào)方式為Jm.n。Jm.nI用于表示Jm.n消息的初始字編號(hào)。Jm.nEx用于表示Jm.n消息第x個(gè)延長(zhǎng)字的編號(hào)，其中x是從0到6的整數(shù)。Jm.nCx用于表示Jm.n消息繼續(xù)字x的編號(hào)，其中x是從0到31的整數(shù)。一條消息必須包含一個(gè)初始字，可能包含0或多個(gè)延長(zhǎng)字，可能包含0或多個(gè)繼續(xù)字，總消息字?jǐn)?shù)一般不會(huì)超過8個(gè)。每個(gè)消息字包含多個(gè)元素。

3.2 消息集成方案

多數(shù)據(jù)鏈消息集成方案如圖1所示。

圖1 消息集成示意圖

該方法可分為三步：

第一步，依據(jù)消息標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)消息格式的定義，將各類數(shù)據(jù)鏈消息描述成XML文檔，并由該XML文檔生成相應(yīng)的XML Schema。XML很適合用于描述格式化消息，文獻(xiàn)[6]和[8]都對(duì)采用XML來描述數(shù)據(jù)鏈消息的方法進(jìn)行介紹。得到消息的XML描述文檔后，采用Schema挖掘算法生成相應(yīng)的XML Schema。

第二步，將上一步得到的XML Schema映射為OWL模型，然后使用該OWL模型指導(dǎo)從XML實(shí)例文檔到OWL文檔的轉(zhuǎn)換。以XML Schema為輸入，將XML Schema中的組件映射到一個(gè)OWL模型，從而獲取XML Schema中關(guān)于XML文檔的結(jié)構(gòu)、對(duì)元素的約束等方面的語義信息。使用該OWL模型指導(dǎo)從XML文檔到OWL文檔的轉(zhuǎn)換，即可得到該實(shí)例消息的OWL文檔。

第三步，依據(jù)本體庫(kù)和映射規(guī)則，將該OWL文檔轉(zhuǎn)換成全局OWL文檔。得到全局OWL文檔后，按照與應(yīng)用平臺(tái)的接口協(xié)議，將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的接口報(bào)文即可。需要事先構(gòu)建出所有可能參與集成的數(shù)據(jù)鏈的消息局部本體，然后對(duì)各數(shù)據(jù)鏈消息的局部本體集進(jìn)行提取歸納，形成全局本體，并建立局部本體與全局本體之間的映射表。

3.3 集成報(bào)文的優(yōu)勢(shì)

在戰(zhàn)場(chǎng)通信環(huán)境受限的條件下，為了保證數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、可靠、高效地傳輸作戰(zhàn)信息，這就要求消息格式必須要有很高的效率。消息標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，為保證數(shù)據(jù)的傳輸效率，就難免顧此失彼。這導(dǎo)致消息標(biāo)準(zhǔn)往往不便于指控和武器平臺(tái)進(jìn)行處理，與作戰(zhàn)關(guān)聯(lián)性差。

按此方法，對(duì)于收到的來自任意數(shù)據(jù)鏈的任一消息，都可以通過該數(shù)據(jù)鏈消息集成方法將其轉(zhuǎn)換成全局OWL本體，之后再將其轉(zhuǎn)換成與作戰(zhàn)結(jié)合緊密的接口報(bào)文，此報(bào)文不必再受通信傳輸?shù)南拗?，因而可以完全依?jù)作戰(zhàn)需求來設(shè)計(jì)。因此該方法不僅可以解決多數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)信息交互困難的問題，還可以解決目前數(shù)據(jù)鏈消息與作戰(zhàn)關(guān)聯(lián)性不緊密的問題。

4. 結(jié)束語

針對(duì)數(shù)據(jù)鏈消息格式不同導(dǎo)致的不同數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)間信息共享困難，本文提出了一種基于本體的多數(shù)據(jù)鏈集成方法。先將數(shù)據(jù)鏈消息轉(zhuǎn)換成XML文檔，再映射為OWL局部本體，最后通過本體分析器將該局部OWL本體匹配為全局OWL本體，從而實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)鏈消息的集成。

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