跨領(lǐng)域信息交換模型構(gòu)建方法分析研究

馮勤群+余文芳

摘要：在分析建立跨領(lǐng)域信息交換模型重要性的基礎(chǔ)上，提出了信息交換模型構(gòu)建的基本原則與建立過程，并以XML模式語言解釋了信息交換模型的基本結(jié)構(gòu)，詳細(xì)論述了信息交換模型構(gòu)建的組合方法、擴充方法、擴展方法和引入方法，最后指出了構(gòu)建跨領(lǐng)域信息交換模型還需要深入研究的問題。

關(guān)鍵詞：信息交換模型；模型重用；模型結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）04-0080-04

Research on Building of Information Exchange Model

FENG Qing-Qun，YU wen-fang

（ PLA Academy of Defense Information ， Wuhan 430010， China）

Abstract： After analysing importance of building of Information Exchange Model ，the basic principle and procedure of building Information Exchange Model are brought forward， and architecture of Information Exchange Model in XML schema is explained. The methods of building model by composing， creating， extending and importing are descripted with examples， and the problems in construction of Information Exchange Model needed researching are pointed out in the end.

Key words： information exchange model； model reused； model architecture

1 概述

跨領(lǐng)域信息共享是領(lǐng)域間高效合作的前提。盡管各業(yè)務(wù)領(lǐng)域已經(jīng)建設(shè)了大量的數(shù)據(jù)資源，也形成了自己的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，但是由于受歷史條件的限制，這些數(shù)據(jù)資源相互獨立，數(shù)據(jù)的異構(gòu)性與重復(fù)性大量存在，數(shù)據(jù)利用率并不高。而隨著應(yīng)用的不斷深化，打破數(shù)據(jù)資源之間的壁壘，在不同領(lǐng)域之間實現(xiàn)信息共享的需求也越來越迫切，信息交換模型為解決上述問題提供了一條切實可行的思路與途徑[1]。信息交換模型的基本思路是通過以文本的方式來描述數(shù)據(jù)模型中的元素及其關(guān)系，并將具有一定功能的邏輯信息單元封裝成組件形式，形成獨立于技術(shù)與語言的一系列數(shù)據(jù)模型組件[2]。這樣，在跨領(lǐng)域信息共享中，只需要利用信息交換模型來描述交換數(shù)據(jù)，保證信息交換雙方都能夠理解數(shù)據(jù)，達(dá)到信息交換的目的。信息交換模型的本質(zhì)上是面向語義的領(lǐng)域本體構(gòu)建，它是信息交換雙方領(lǐng)域所需遵從的共同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，它不僅可以提高數(shù)據(jù)建設(shè)的質(zhì)量與效率，也能極大的提高信息交換與共享能力。

2 模型構(gòu)建的基本原則與過程

描述數(shù)據(jù)模型的方法有許多，但是，要保證數(shù)據(jù)模型能夠在跨領(lǐng)域之間被理解被重用，首先它的文件格式應(yīng)該是為所有的平臺和系統(tǒng)所接受。其次，它不僅應(yīng)該能夠適用于明確的應(yīng)用領(lǐng)域，也應(yīng)該能夠適用于將來可能面臨的領(lǐng)域，即要保證其能夠適用于所有的應(yīng)用環(huán)境，所以數(shù)據(jù)模型應(yīng)該具有良好的自適應(yīng)性和擴展性。另外，在信息交換模型的使用過程中，無論是專業(yè)的數(shù)據(jù)建模技術(shù)人員，還是對數(shù)據(jù)建模并不太了解的系統(tǒng)開發(fā)人員應(yīng)該能夠很容易的在實際中運用它。由于各領(lǐng)域內(nèi)部都有自己的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，信息交換模型在某種程度上可看成“元”數(shù)據(jù)。目前，關(guān)于數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)有很多，無論是文字表述還是圖形描繪，標(biāo)準(zhǔn)離實際的運用還有一個理解與轉(zhuǎn)換過程，而作為面向信息共享的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)模型重用還對其實施提出了要求，即必須保證該標(biāo)準(zhǔn)具有很強的應(yīng)用能力，不需要通過對其進行格式轉(zhuǎn)換，能夠直接拿來使用，這也要求對數(shù)據(jù)模型重用有一套完整的方法保障和支持[3]。

2.1 基本原則

從上面的分析可以看出，作為不同領(lǐng)域數(shù)據(jù)建模的共同標(biāo)準(zhǔn)，信息交換模型應(yīng)該具備平臺獨立性、內(nèi)容完備性、語義一致性、使用靈活性與管理可控性等特點。

一是平臺的獨立性。平臺獨立性是指在對數(shù)據(jù)模型的描述方式上，不應(yīng)該依賴于具體的系統(tǒng)平臺、語言與技術(shù)，而要以一種所有平臺與系統(tǒng)都能夠解析的方式來描述數(shù)據(jù)模型。很顯然，純文本是最適合的表達(dá)方式。

二是內(nèi)容完備性。完備性并不是要求對所有的客觀世界對象及其關(guān)系進行完整描述，而是只要求能夠充分描述信息交換邊界中所涉及的內(nèi)容。不同領(lǐng)域之間共享信息的背景千差萬別，信息交換模型不可能對每一細(xì)節(jié)都描述清楚，但是，只需要對具有在領(lǐng)域內(nèi)部或者領(lǐng)域之間形成共識的數(shù)據(jù)模型描述清楚，并提供擴展能力，使得在實際使用的過程中能夠根據(jù)信息共享背景進行適當(dāng)裁減和補充，能夠建立具有完備性的面向信息共享的數(shù)據(jù)模型。

三是使用靈活性。靈活性是指能夠根據(jù)建模需要，能夠很容易在數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上形成自己所需的模型。保證信息交換模型的靈活性就是要保證模型可擴展、可擴充、可引入、可組合、可屏蔽?？蓴U展是指當(dāng)某個數(shù)據(jù)模型與實際信息交換背景的信息相比，不足以表達(dá)信息交換數(shù)據(jù)時，能夠適當(dāng)增加模型的元素，形成完整的交換信息模型?？蓴U充是指信息交換模型中還不能夠充分表達(dá)所面臨的信息交換需求時，可以增加新的數(shù)據(jù)元素?？梢胧侵缚梢酝ㄟ^對其他標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型進行適當(dāng)改造，形成信息交換模型?？山M合是指可以將重用數(shù)據(jù)模型中的兩個或者更多個數(shù)據(jù)模型組合在一起，形成新的數(shù)據(jù)模型。可屏蔽是指當(dāng)數(shù)據(jù)模型與信息交換需求相比，有部分冗余時，可以將不需要的部分元素進行隱藏，形成滿足需求的數(shù)據(jù)交換模型。

四是語義一致性。一致性是指在信息交換過程中，交換雙方對信息交換模型在語義上的一致性，保證數(shù)據(jù)的可理解，其本質(zhì)是領(lǐng)域知識的共享和重用。

五是管理可控性?？煽匦允侵笖?shù)據(jù)模型是可管理的，數(shù)據(jù)模型組件可以注冊、被發(fā)現(xiàn)、被搜索，組件可以全部或者部分的重用?？煽匦詫?shù)據(jù)模型的組織管理提出了基本要求，確保新增加的模型可以注冊，可以提供模型搜索功能，能夠了解模型的基本信息及適用范圍等，這實際上對數(shù)據(jù)模型的元數(shù)據(jù)提出了要求?？煽匦赃€必須提供模型之間的關(guān)聯(lián)，便于用戶了解模型各元素之間的關(guān)系。

2.2 建立過程

要保證數(shù)據(jù)模型能夠適用于跨領(lǐng)域信息交換，實際上是通過捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識，確定領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的術(shù)語，以及術(shù)語和術(shù)語間相互關(guān)系，并通過概念之間的關(guān)系來描述概念語義?；具^程如下：

首先是通過對各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型進行抽象，形成具有普遍意義的核心數(shù)據(jù)模型。比如“人員”的基本信息，無論是金融系統(tǒng)，還是衛(wèi)生系統(tǒng)或交通系統(tǒng)，都通過姓名（name）、出生年月（birthdate）、性別（sex）等屬性來描述人員信息，那么，可以將這一部分模型集中組織起來，形成信息交換模型的核心部分，即核心數(shù)據(jù)模型（用c表示核心數(shù)據(jù)模型）。核心數(shù)據(jù)模型包含的內(nèi)容是信息交換中最基本的內(nèi)容，如時間、地點、人物和事件等。

其次，可在核心數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，按照各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的特點與要求，建立各自領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型，如對于衛(wèi)生領(lǐng)域來說，描述人員信息可能還需要知道其血型（blood），那么很容易通過對核心數(shù)據(jù)模型“人員”的繼承與擴展來實現(xiàn)，形成衛(wèi)生領(lǐng)域的“人員”數(shù)據(jù)模型（用m表示衛(wèi)生領(lǐng)域）。在領(lǐng)域內(nèi)部，還可以進行更細(xì)粒度的劃分，采取同樣的方式，形成更加詳細(xì)的人員信息描述。這樣，通過逐層的繼承與擴展，達(dá)到數(shù)據(jù)模型重用的目的[4]。

衛(wèi)生領(lǐng)域人員描述m：Person{ c：Person{c：name，c：birthdate，c：sex}，m：blood}

第三，在具體的項目或者應(yīng)用中，信息交換雙方依據(jù)交換需求，通過引用核心數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)模型來建立信息交換模型。信息的發(fā)送方根據(jù)信息交換模型生成含有交換數(shù)據(jù)的信息交換包，并將其傳遞給信息的接收方，信息的接收方在接收到信息交換包后根據(jù)信息交換模型對包中的數(shù)據(jù)進行解析，實現(xiàn)對信息的理解，達(dá)成信息交換的目的。

為了保證數(shù)據(jù)模型在不同領(lǐng)域重用時模型元素語義的一致性，可以通過數(shù)據(jù)模型元數(shù)據(jù)注冊的方式，提供對數(shù)據(jù)模型的搜索、發(fā)現(xiàn)、獲取等服務(wù)，以供用戶使用；在數(shù)據(jù)模型類型與屬性的命名上，遵守嚴(yán)格的命名規(guī)范，如可以參照ISO/IEC11179-5《信息技術(shù)-元數(shù)據(jù)注冊-命名與標(biāo)識》標(biāo)準(zhǔn)，保證類型名稱與屬性名稱組織嚴(yán)謹(jǐn)、良好的可讀性與可控性；在數(shù)據(jù)類型的定義上，必要時增加元數(shù)據(jù)類型，提供對其語義的描述。用戶可以通過搜索數(shù)據(jù)模型元數(shù)據(jù)，快速找到大致符合要求數(shù)據(jù)模型，并通過對其進行適當(dāng)?shù)男薷男纬蓾M足信息共享的數(shù)據(jù)模型。

構(gòu)造核心數(shù)據(jù)模型與業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)模型可以參照本體構(gòu)造方法來實施[5]。一般可以按照如下步驟進行6：1）進行領(lǐng)域分析，確定領(lǐng)域范圍；2）識別資源，分析已有的本體（或者片段）；3）選取出現(xiàn)頻率最高的術(shù)語與定義；4）確定分類與關(guān)系；5）映射到相應(yīng)的領(lǐng)域分類；6）擴展到實例層術(shù)語（詞匯）；7）專家反饋；8）修改完善；9）檢驗驗證。

3 信息交換模型的組織結(jié)構(gòu)

XML模式語言（XML Schema）是一種以純文本方式來描述模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)規(guī)則的形式化語言。XML模式本身是一個關(guān)于數(shù)據(jù)類型及其關(guān)系的基礎(chǔ)性框架，它借用了面向?qū)ο蟮脑S多概念，以分級分層組織的模式來表達(dá)對客觀世界的抽象，XML模式完全能夠用來描述面向信息共享的信息交換模型。XML模式語言提供了模式導(dǎo)入、模式引用、元素引用和元素替代與約束等語法，使得其也能夠滿足構(gòu)建信息交換模型的基本原則。如果將面向信息共享的實體與實體之間的關(guān)系也通過模式（數(shù)據(jù)類型）來進行描述，那么，模式（數(shù)據(jù)類型）不僅代表了客觀實體的抽象，也代表了客觀實體之間的關(guān)系。

信息交換模型的定義必須符合XML模式語言規(guī)范。每個模式文件中，只有一個根節(jié)點schema，而根節(jié)點schema以下則包含有直接子節(jié)點annotation，import，complexType，element等，其中annotation子節(jié)點只有一個，其他的節(jié)點不作限制。如圖 1所示。

圖 1 模式文件的結(jié)構(gòu)

annotation節(jié)點是對當(dāng)前模式總的說明，它可以通過子節(jié)點documentation和appinfo對模式文件作進一步的解釋。import節(jié)點說明了其所引用的其他模式文件，一般來說，可以通過屬性schemaLocation和namespace來指定。complexType是對當(dāng)前模式中的數(shù)據(jù)類型的定義，它規(guī)定了數(shù)據(jù)類型的屬性及其順序、值域等，它是模式文件中最重要的一部分內(nèi)容。element定義了以當(dāng)前模式生成實例時所對應(yīng)的對象，它指明了對象的類型、是否可以忽略等特性。

4 信息交換模型構(gòu)建的基本方法

信息交換模型在組織上應(yīng)該按照XML模式基本模型、核心模型與領(lǐng)域模型的方式進行組織。而在信息交換模型的構(gòu)建基本方法上主要利用XML模式語言的語法，采取組合、擴充、擴展和引入方式來創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)模型。

4.1 組合方法

組合方法是指通過將模型中的部分元素組合起來，用其來描述一個全新的數(shù)據(jù)類型。組合方法為數(shù)據(jù)模型的重用提供了一種實現(xiàn)方式。實際上，模式中所有的數(shù)據(jù)類型的定義都運用到了組合方法，如對PersonType的定義，它就是將三個數(shù)據(jù)類型PersonNameType、PersonBirthDateType、PersonSex組合在一起而形成的數(shù)據(jù)類型，它們的關(guān)系如圖 2所示。

圖 2 組合方法示意圖

4.2 擴充方法

擴充方法是在重用數(shù)據(jù)模型不滿足信息共享要求時，根據(jù)實際需要建立新的數(shù)據(jù)類型的過程。在建立新的數(shù)據(jù)模型時，應(yīng)使用獨立的命名空間，保證在引用時能夠與其他模型庫中的類型區(qū)別，避免引起命名沖突，也便于將其提交給模型庫中為其他的信息共享應(yīng)用所使用。擴充方法通常與組合方法聯(lián)合起來使用。

例如，在醫(yī)療服務(wù)中，某醫(yī)護人員（PersonType）為病人提供個性化醫(yī)療服務(wù)，在模型庫中并提供個性化醫(yī)療服務(wù)人員的數(shù)據(jù)模型，因此可以通過擴充方法和組合方法新建一個數(shù)據(jù)模型，如命名為ServiceProviderType。如圖3所示。

圖 3 通過擴充方法創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)類型示意圖

代碼如代碼片段 1所示。

代碼片段 1

在使用擴充方法建立新的數(shù)據(jù)類型時，要注意的是，新的定義一定要符合XML模式語言規(guī)范，并引用XML模式中的相關(guān)類型和元素來定義的。另外，在考慮定義新的數(shù)據(jù)類型時，首先要在模型庫中進行查找，能否有相同或者相似的類型的定義，如果是完全沒有，則考慮定義新的數(shù)據(jù)類型，如果有相似的定義，則優(yōu)先考慮使用擴展方法來定義滿足要求的數(shù)據(jù)類型。

4.3 擴展方法

擴展方法是指通過對已有的數(shù)據(jù)模型增加新的屬性或者屏蔽不需要的屬性的過程。與直接定義新的數(shù)據(jù)模型不同，擴展方法也是一種數(shù)據(jù)模型重用手段。仍以醫(yī)療服務(wù)為例，通過擴充方法創(chuàng)建了提供個性化醫(yī)療服務(wù)人員的ServiceProviderType數(shù)據(jù)類型，但是，如果交換信息中包含有描述醫(yī)療服務(wù)人員所使用的手持終端通信設(shè)備，則可通過引用通信設(shè)備類型nc：TelecommunicationDeviceType來對ServiceProviderType進行擴展，即為其增加新的屬性，如圖 4所示。

圖 4 通過擴展方法增加新的屬性

代碼片段 2

ref="tns：RoleOfTelecommunicationDeviceReference"/>

nillable="false" type="s：ReferenceType">

4.4 引入方法

引入方法是將其他數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型重新進行包裝，形成能夠面向信息共享的數(shù)據(jù)模型，并保證它能夠與重用模型庫中的其他數(shù)據(jù)模型進行信息交互。

在使用引入方法時，首先要說明其引入的外部數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其次，在類型的屬性聲明中，引入其所要包含的屬性。如果某一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中，命名空間addr中定義有數(shù)據(jù)類型SingleSiteLandmarkAddress_type，并且定義了元素SingleSiteLandmarkAddress。其定義如代碼片段 3所示。

代碼片段 3

……

……

那么，可以通過引入方法，對其進行包裝，形成新的重用數(shù)據(jù)模型。引入過程如下所示。

代碼片段 4

……

在上面的代碼中，geo：SingleSiteLandmarkAddressType所對應(yīng)的實例文件則是通過引用addr：SingleSiteLandmarkAddress數(shù)據(jù)類型來描述數(shù)據(jù)，其所生成的實例文件如下。

代碼片段 5

XXX

……

5 結(jié)論

隨著信息化建設(shè)的推進與發(fā)展，各業(yè)務(wù)領(lǐng)域形成了自身的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，但是領(lǐng)域之間的信息共享是挖掘數(shù)據(jù)資源寶藏的重要手段和必經(jīng)之路，在不太可能形成一個大而全的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)條件下，探索跨領(lǐng)域之間信息交換的標(biāo)準(zhǔn)與方法，無疑具有很強的現(xiàn)實意義。而對信息交換模型的研究，在減少重復(fù)性的開發(fā)、降低開發(fā)費用、降低風(fēng)險、提高開發(fā)效率與質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。XML模式語言本身提供了足夠的靈活性，如何充分利用，并建立一套完整的信息交換模型與具有實際運用能力的模型庫，是需要進一步深入研究的問題。

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