基于ISO/IEC 11179的規(guī)范化概念系統(tǒng)模型研究

閆震　李鴻陽　王睿達　蘇淼

摘 要：基于ISO/IEC11179-3：2013（E）標準中概念系統(tǒng)模型的組織模式，對概念系統(tǒng)模型中的相關(guān)元素進行組織。從形式概念分析的角度出發(fā)，分析概念規(guī)范化的實質(zhì)、概念與概念間的關(guān)系，并將這些通用概念與ISO/IEC11179系列中的概念相結(jié)合，提出規(guī)范化的概念系統(tǒng)模型構(gòu)建方法SCCS，以解決概念模型中信息難以有效地集成與共享的問題。SCCS方法包括，規(guī)范化概念描述、DEC構(gòu)建規(guī)則、DEC邏輯關(guān)系生成算法、規(guī)范化的概念系統(tǒng)構(gòu)建過程。最后開發(fā)DEC注冊系統(tǒng)，驗證SCCS方法的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：概念模型；規(guī)范化；數(shù)據(jù)元；11179；形式概念；MDR

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1 引 言

概念模型本質(zhì)上是一種對現(xiàn)實世界進行抽象描述的工具，從構(gòu)建的角度出發(fā)，概念模型所描述信息的準確性是衡量概念模型構(gòu)造方法優(yōu)劣的重要指標。在當前眾多的概念模型構(gòu)造方法中，例如UML、OWL、ER等建模方法都可以構(gòu)建概念模型，但是在語義表達程度上卻各不相同，也就是準確性上存在差異。從管理的角度出發(fā)，隨著概念模型規(guī)模的不斷擴大，不同概念模型之間信息可共享性是衡量概念模型的另一重要指標。由于當前并沒有統(tǒng)一規(guī)范的概念模型構(gòu)建方法論，所以依據(jù)不同構(gòu)造方法所建立的概念模型之間信息共享困難，例如在UML建模方法中是以面向?qū)ο笏枷霝槔碚撘罁?jù)，最主要的特性就是抽象，也就是說關(guān)注的重點是對屬性進行操作[1]。OWL建模方法以本體理論為基礎(chǔ)，不僅描述概念之間的關(guān)系，還重點對概念之間的關(guān)系進行約束、驗證，而這個特點在UML中卻沒有體現(xiàn)，因此在進行信息交互時，需要開發(fā)相應的轉(zhuǎn)換接口進行轉(zhuǎn)換。ER模型構(gòu)造方法，可以說是一種最簡單的本體語言，支持概念和概念之間的關(guān)系，只是描述語義很弱而已。

因此，建立一個規(guī)范的、具有通用性的概念模型構(gòu)建方法是本文的根本出發(fā)點。規(guī)范性、通用性的實現(xiàn)不僅需要通用的基礎(chǔ)理論作為支撐，也需要依據(jù)相關(guān)標準作為指導。在信息領(lǐng)域中，由JTC1（ISO/IEC共同建立的聯(lián)合技術(shù)委員會JTC 1）起草的ISO/IEC 11179-3：2013（E）標準[2]就是這樣一部具有權(quán)威性、準確性、獨立性的信息標準，其獨立性體現(xiàn)在該標準的實現(xiàn)不依賴于任何現(xiàn)有的技術(shù)。從2003年開始，該標準經(jīng)歷了兩個版本的變化。

本文依據(jù)ISO/IEC 11179系列最新的ISO/IEC 11179-3：2013（E）標準，以形式邏輯為基礎(chǔ)，對概念模型進行深入研究，給出概念的定義、概念之間邏輯關(guān)系的形式化定義，以及數(shù)據(jù)元素概念（DECData Element Concept）的表示方法；參照UDEF（Universal Data Element Framework）框架[3]，給出了規(guī)范的概念系統(tǒng)模型構(gòu)建方法（SCCSStandardized Construction of Concept System），并建立DEC注冊系統(tǒng)。

2 規(guī)范概念系統(tǒng)模型構(gòu)建方法

ISO/IEC 11179-3：2013（E）是11179-3的最新標準，對概念系統(tǒng)模型的各個組成要素進行了詳細的定義。在標準中指出，概念系統(tǒng)模型由概念與概念之間的關(guān)系兩部分構(gòu)成。概念部分由概念、DEC、概念域三個部分組成；關(guān)系包括邏輯關(guān)系與非邏輯關(guān)系兩個組成部分。

2.1 概念的定義

金岳霖先生在形式邏輯中指出，概念由內(nèi)涵與外延兩部分組成，概念的內(nèi)涵就是概念所反映的事務的特有屬性，概念的外延是客觀世界中具有概念所反映的特有屬性的事務[4]。而定義是揭示概念內(nèi)涵的邏輯方法。因此，定義就是明確概念特有屬性的方法，同樣，也可以通過特有屬性確定概念的定義。

定義1 概念的定義：

由定義可以發(fā)現(xiàn)，概念的標準化工作的重點就是要對概念的屬性進行規(guī)范化，需要如下幾個元數(shù)據(jù)對該屬性進行描述，注冊時間、注冊人、定義、指稱、編碼等。

2.2 概念之間關(guān)系

概念與概念之間的關(guān)系按大類可劃分為邏輯關(guān)系與非邏輯關(guān)系，其中邏輯關(guān)系包括相容關(guān)系與不相容關(guān)系，這里的相容關(guān)系包括同一關(guān)系、包含關(guān)系和交叉關(guān)系；不相容關(guān)系包括矛盾關(guān)系、反對關(guān)系和并列關(guān)系。非邏輯關(guān)系包括繼承關(guān)系、整體部分關(guān)系、工具關(guān)系和因果關(guān)系等[5]。由于邏輯關(guān)系作為概念中主要存在的關(guān)系，因此，只給出邏輯關(guān)系的定義。相容關(guān)系進行定義如下：

定義1同一關(guān)系：設(shè)A與B是兩個概念，若A = B則A與B為同一關(guān)系。

定義2包含關(guān)系：設(shè)A與B是兩個概念，若AB則A與B為包含關(guān)系且B為A的上位概念，A為B的下位概念。

定義3交叉關(guān)系：設(shè)A與B是兩個概念，若A∩B ≠則A與B為交叉關(guān)系。

不相容關(guān)系進行定義如下：

定義4矛盾關(guān)系：設(shè)A與B是兩個概念，Ω為A與B的上位概念，若A∩B ≠∧A∪B = Ω 則A與B為矛盾關(guān)系。

定義5反對關(guān)系：設(shè)A與B是兩個概念，Ω為A與B的上位概念，若A∩B ≠ ∧A∪BΩ 則A與B為對立關(guān)系。

定義6并列關(guān)系：設(shè)Ai是一個概念，Ω為Ai的上位概念，若Ai∩Aj =∧UAi = Ω（i≠j）則概念Ai在Ω上為并列關(guān)系。

2.3 DEC與數(shù)據(jù)元的關(guān)系

在ISO/IEC 11179-3：2013（E）標準中，數(shù)據(jù)元素由四個組成部分：DEC、概念域（CDConceptual Domain）、數(shù)據(jù)元素（DEData Element）、值域（VDValue Domain）。

DEC是一個由對象類與特性之間的語義關(guān)系所構(gòu)成的一個概念集合[2]。從定義中可以看出，DEC由對象類與特性兩部分構(gòu)成。DEC在描述上獨立于具體的表示，不包含任何具體的數(shù)據(jù)。在功能上，為數(shù)據(jù)元素提供語義支持。CD對概念的描述性定義進行性管理。VD是一個數(shù)據(jù)元素允許值的集合，例如對數(shù)據(jù)類型，格式，單位，最大字符數(shù)量等元數(shù)據(jù)進行管理，為數(shù)據(jù)元素提供表示支持。endprint

2.3.1 DEC構(gòu)建規(guī)則

2.3.2 DEC邏輯關(guān)系生成算法

DEC本質(zhì)上是一個概念，根據(jù)概念的定義可以確定，如果概念之間的屬性存在共性，那么在概念之間必然會存在著相應的邏輯關(guān)系。通過對DEC屬性之間進行運算操作，可以確定如下關(guān)系生成算法。

上述數(shù)據(jù)元素概念邏輯關(guān)系生成算法，有助于實現(xiàn)計算機的自動識別、評價。此外，對于概念之間的推理，具有重要意義，例如，如果兩個DEC之間存在交叉關(guān)系，通過DEC的交運算可以很容易判斷出，兩個DEC擁有一個共同的屬概念。

2.4 概念系統(tǒng)模型

2.4.1 概念系統(tǒng)模型定義

概念系統(tǒng)模型是一個邏輯概念，類似于數(shù)據(jù)庫中的表空間，對所屬的概念以及概念之間的關(guān)系進行管理。在企業(yè)概念模型中，DEC是確保DE語義完整的最小的、不可分割的概念。下面給出如下二元關(guān)系以及概念系統(tǒng)模型的形式化定義。

定義9 二元關(guān)系：Rb = {Rr1，Rr2}，其中Rb表示一個二元關(guān)系，Rr1、Rr2分別表示二元關(guān)系中的不同關(guān)系角色。

定義10 概念系統(tǒng)：CS =，其中CS為一個四元組、PC表示特性集合、R表示一組關(guān)系的集合、OC表示對象類集合、CD表示概念域，這里的CD是對概念的值含義進行描述或約束。

2.4.2 規(guī)范化的概念系統(tǒng)的構(gòu)建過程

在整個概念系統(tǒng)中，如何有效的組織對象類，特性，成為了概念系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵一環(huán)。UDEF框架能夠?qū)EC從定性描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎勘磉_，它的樹形層次框架結(jié)構(gòu)使得DEC的組成變得結(jié)構(gòu)清晰，大量的減少了數(shù)據(jù)的重復定義、重復描述[6]。此外UDEF具有在詞匯表等價映射的特點，可以滿足不同的語言之間的語義交互問題。因此，在對DEC進行構(gòu)建時，僅需要將對象類與特性分別作為UDEF的兩顆子樹進行組織即可，UDEF提供的 “超類—子類”的分類法，在理論上能夠為任何一個企業(yè)的任何一個領(lǐng)域提供任意一種DEC。

通常企業(yè)的數(shù)據(jù)建模過程需要歷如下幾個階段：對所需業(yè)務劃分主題區(qū)域、提取業(yè)務過程、確定業(yè)務活動、最終梳理數(shù)據(jù)元素。

概念系統(tǒng)構(gòu)建位于數(shù)據(jù)建模的前三個階段，首先需要確定所有的對象類與特性，繼而根據(jù)概念關(guān)系，確定DEC以及DEC之間的關(guān)系，完成整個概念系統(tǒng)注冊。規(guī)范化的概念系統(tǒng)的構(gòu)建過程如圖1所示。

Link代表一個具體的存在關(guān)系（Relation），RR表示一個關(guān)系角色（Relation Role），LE（Link End）表示具體關(guān)系的應用實例，DEC表示一個數(shù)據(jù)元素概念[7]。

2.5 數(shù)據(jù)元素

數(shù)據(jù)元素本質(zhì)上是DEC的應用，數(shù)據(jù)元素由數(shù)據(jù)元素概念與值域兩部分共同組成。

定義11

DE = {DEC×VD}

DE表示一個數(shù)據(jù)元素概念集合，分別由數(shù)據(jù)元素概念與值域進行笛卡爾積運算生成，DEC表示數(shù)據(jù)元素概念集合，VD代表值域集合。

3 建立DEC注冊系統(tǒng)

為了驗證數(shù)據(jù)元素概念模型在企業(yè)中的可應用性，建立了DEC系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中實現(xiàn)了相關(guān)概念的注冊功能。在圖2所示的系統(tǒng)中，選擇井下為主題概念系統(tǒng)，對所有相應的井下概念進行管理。在對象類與特性類中指稱表示概念的標識名稱，屬性編碼（UDEF）表示該屬性的編碼規(guī)則是按照UDEF的規(guī)范進行編碼。其中屬性類型表示的是要進行注冊的元素，是否是DEC類型。在DEC注冊中，包括了注冊人、描述定義、注冊日期等描述屬性的注冊。

圖1 規(guī)范化的概念系統(tǒng)構(gòu)建過程

圖2 DEC注冊系統(tǒng)

4 結(jié) 論

本文依據(jù)ISO/IEC11179-3：2013（E）標準，提出了SCCS概念模型構(gòu)建方法。該方法的實施，不僅解決了概念模型中的信息集成與共享問題，而且對概念模型標準化工作做出了探索。此外，規(guī)范化的概念系統(tǒng)不僅可以應用于概念模型的標準化，還可以實現(xiàn)對邏輯數(shù)據(jù)模型、元數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)交換模式的標準化，以至于未來知識表示模型標準化。進一步的研究工作主要是概念搜索算法等方面進行深入研究。

參考文獻

[1] 王洪偉. 基于本體的元數(shù)據(jù)模型的建立研究[D].上海：上海交通大學，2004.

[2] ISO/IEC 11179-3 Information technologyMetadata registries （MDR） Part 3 Basic attributes and registry metamodel [S]. （3nd edition）， 2013.2.12.

[3] [EB/OL]http：//www.opengroup.org/udef/.

[4] 金岳霖. 形式邏輯[M]. 北京：人民出版社， 2006-6-1.

[5] 馮志偉.術(shù)語學中的概念系統(tǒng)與知識本體[J]. 術(shù)語標準化與信息技術(shù). 2006，（1）：20-28.

[6] 郭曉麗.企業(yè)數(shù)據(jù)元素目錄及其語義模型的構(gòu)建與應用[D]. 大慶：大慶石油學院，2010.

[7] Sukhoon Lee， Dongwon Jeong， Jangwon Gim， DooKwon Baik. Canonical sensor ontology builder based on ISO/IEC 11179 for sensor network environments： a standardized approach. International Journal of Distributed Sensor Networks[J].Volume 2014， Article ID 790918， 14 pages：http：//dx.doi.org/10.1155/2014/790918.