基于MDR/MFI標(biāo)準(zhǔn)的語義數(shù)據(jù)統(tǒng)一注冊(cè)模型

袁　滿， 劉學(xué)博， 翟紅翠， 姚桂杰， 王　芳

( 1. 東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶　163318；　2. 中國石油華北油田分公司 數(shù)據(jù)中心，河北 任丘　062552；　3. 中國石油大港油田石化分公司，天津　300280；　4. 東北石油大學(xué) 校機(jī)關(guān)，黑龍江 大慶　163318 )

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基于MDR/MFI標(biāo)準(zhǔn)的語義數(shù)據(jù)統(tǒng)一注冊(cè)模型

袁滿1， 劉學(xué)博1， 翟紅翠2， 姚桂杰3， 王芳4

( 1. 東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶163318；2. 中國石油華北油田分公司 數(shù)據(jù)中心，河北 任丘062552；3. 中國石油大港油田石化分公司，天津300280；4. 東北石油大學(xué) 校機(jī)關(guān)，黑龍江 大慶163318 )

為解決國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的互操作性元模型框架(MFI)系列標(biāo)準(zhǔn)中，映射注冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)的映射度不能滿足實(shí)際應(yīng)用需要的問題，在MFI-10和MFI-12標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出三層語義數(shù)據(jù)統(tǒng)一注冊(cè)模型，包括底層數(shù)據(jù)源層、中間注冊(cè)層和頂層全域共享數(shù)據(jù)模型層，對(duì)復(fù)雜映射類型進(jìn)行抽取與定義，并擴(kuò)充到映射注冊(cè)元模型；融入映射、注冊(cè)技術(shù)和MDR標(biāo)準(zhǔn)，并作為全域數(shù)據(jù)模型。石油領(lǐng)域分布式E&P數(shù)據(jù)庫與EPDM數(shù)據(jù)庫等的語義注冊(cè)的應(yīng)用表明，語義數(shù)據(jù)統(tǒng)一注冊(cè)模型能夠靈活、規(guī)范地解決企業(yè)數(shù)據(jù)的共享問題。

MFI； 互操作性； 信息模型； 映射度； 映射注冊(cè)； 數(shù)據(jù)集成

0　引言

隨著分布式系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的日益增多，出現(xiàn)大量相互獨(dú)立的異構(gòu)信息源系統(tǒng)。為使其中數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)共享，需通過信息集成技術(shù)[1]建立公共的集成環(huán)境，為用戶提供統(tǒng)一的訪問界面。信息集成技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代中期，已成為數(shù)據(jù)領(lǐng)域的重要研究方向[2]。

互聯(lián)、互通和互操作是信息系統(tǒng)發(fā)展過程中必須具備的基本特征[3]，其中互操作性成為研究重點(diǎn)，也是訪問信息資源的基本要求[4]。目前，致力于推動(dòng)信息系統(tǒng)從“孤島性”向“互操作性”發(fā)展，如美國聯(lián)邦政府提出CORE.gov服務(wù)[5]，為組件的開發(fā)、服務(wù)、注冊(cè)和共享提供協(xié)作環(huán)境；歐盟建立歐洲語義互操作中心及歐洲互操作性框架[6]等。信息集成方法有聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫方法、Wrapper/Mediator中間件集成方法及數(shù)據(jù)復(fù)制方法，這些方法缺乏對(duì)語義互操作問題的解決能力，即解決信息系統(tǒng)互操作性和數(shù)據(jù)集成的能力。

互操作中包括很多基礎(chǔ)性的公共互操作性交互框架，如針對(duì)信息的統(tǒng)一表述方式的可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML)，但是XML僅提供語法交互框架，沒有提供語義互操作性管理。針對(duì)語義互操作性管理，如存在于企業(yè)專業(yè)領(lǐng)域的分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)源間難以共享的問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出互操作性元模型框架(Metamodel Framework for Interoperability，MFI)[7]系列標(biāo)準(zhǔn)，從信息模型注冊(cè)、模型映射注冊(cè)角度，為信息資源目錄實(shí)施注冊(cè)、管理及應(yīng)用提供重要的參考指標(biāo)與依據(jù)，并給出描述元信息的規(guī)范化“元數(shù)據(jù)模型”，能夠在一定程度上加強(qiáng)信息系統(tǒng)間的互操作性，通過建立注冊(cè)和映射注冊(cè)方法加強(qiáng)對(duì)語義的互操作性，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)未提供語義互操作性管理的問題。

由于MFI系列標(biāo)準(zhǔn)過于簡單、籠統(tǒng)，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間彼此孤立，所以它們難以在企業(yè)中直接應(yīng)用。筆者對(duì)MFI系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和擴(kuò)展，并結(jié)合ISO/IEC提出的ISO-11179 MDR(Metadata Registry)[8]標(biāo)準(zhǔn)，提出一個(gè)三層框架的、基于MDR/MFI標(biāo)準(zhǔn)的語義數(shù)據(jù)統(tǒng)一注冊(cè)模型，通過注冊(cè)解決語義集成問題。同時(shí)，針對(duì)MFI系列標(biāo)準(zhǔn)中MFI-10標(biāo)準(zhǔn)提供的映射度遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)復(fù)雜映射的應(yīng)用需求，結(jié)合石油領(lǐng)域的映射需求，對(duì)映射度進(jìn)行擴(kuò)展。此外，為解決多異構(gòu)數(shù)據(jù)源間互映射問題，提出各異構(gòu)數(shù)據(jù)源統(tǒng)一向全域MDR標(biāo)準(zhǔn)模型的1∶1映射關(guān)系，有效降低映射的復(fù)雜度。

1　互操作性原理

1.1信息模型注冊(cè)元模型

信息系統(tǒng)間的互操作包括兩方面內(nèi)容：(1)對(duì)系統(tǒng)之間交互信息所遵循的語義、語法進(jìn)行記錄，即注冊(cè)；(2)準(zhǔn)確說明雙方交互信息在語義、語法方面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即建立語義、語法方面的映射。其中注冊(cè)是解決互操作性問題的關(guān)鍵，它擁有一定使用歷史和較為成熟的技術(shù)，如服務(wù)注冊(cè)，即通用描述發(fā)現(xiàn)集成協(xié)議(UDDI)[9]、Web服務(wù)描述語言(WSDL)[10]及元數(shù)據(jù)注冊(cè)(MDR)標(biāo)準(zhǔn)等。

結(jié)合注冊(cè)技術(shù)，MFI-12標(biāo)準(zhǔn)制定信息模型注冊(cè)元模型(見圖1)，對(duì)信息模型進(jìn)行注冊(cè)。

圖1　MFI系列標(biāo)準(zhǔn)信息模型注冊(cè)元模型Fig.1 Metamodel for MFI information model registration

根據(jù)MFI系列標(biāo)準(zhǔn)信息模型注冊(cè)元模型進(jìn)行注冊(cè)，可完整地記錄信息模型遵循的語法和語義。信息模型注冊(cè)元模型規(guī)范中術(shù)語定義及說明包括：(1)實(shí)體類型，是一個(gè)抽象元類中每一個(gè)代表特定實(shí)體類型的實(shí)例，實(shí)體類型元類可用于一個(gè)符合ISO/IEC 9075-2:2011[11]所描述的、SQL核心規(guī)范的、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的注冊(cè)信息，即信息模型的實(shí)體。(2)屬性，一個(gè)抽象元類中每一個(gè)代表特定屬性的實(shí)例，即信息模型中實(shí)體的屬性。(3)描述域，約束信息模型中實(shí)體屬性的數(shù)據(jù)類型。(4)可枚舉域，當(dāng)信息模型中實(shí)體屬性約束由其他實(shí)體類型構(gòu)成時(shí)，該約束為可枚舉域。(5)有效值，構(gòu)成某一可枚舉域的約束值。(6)實(shí)體專業(yè)化分層，實(shí)體類型根據(jù)不同分類方式分為不同子類，每個(gè)子類與其父類的關(guān)系即實(shí)體專業(yè)化分層。(7)關(guān)系，實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系名稱與類別。(8)關(guān)系內(nèi)容，描述關(guān)系的具體關(guān)系內(nèi)容，包括實(shí)體與實(shí)體之間的鏈接詞和基數(shù)。(9)關(guān)系組，實(shí)體與它所擁有關(guān)系內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

文中提出三層模型框架，結(jié)合MDR與MFI標(biāo)準(zhǔn)注冊(cè)機(jī)制，對(duì)異構(gòu)信息模型與其映射關(guān)系進(jìn)行注冊(cè)；并參考UDDI web服務(wù)的注冊(cè)管理機(jī)制，構(gòu)建異構(gòu)信息模型與其映射信息注冊(cè)平臺(tái)。

1.2映射注冊(cè)元模型

隨著信息集成與互操作的發(fā)展，數(shù)據(jù)映射技術(shù)在數(shù)據(jù)集成中發(fā)揮重要作用。結(jié)合映射技術(shù)，MFI-10標(biāo)準(zhǔn)制定基本映射注冊(cè)元模型[12]，提出異構(gòu)模型之間建立映射的規(guī)范，并對(duì)映射與映射關(guān)系進(jìn)行注冊(cè)。映射信息注冊(cè)元模型見圖2。

圖2　MFI系列標(biāo)準(zhǔn)映射注冊(cè)元模型Fig.2 Metamodel for MFI mapping registration

根據(jù)MFI系列標(biāo)準(zhǔn)映射注冊(cè)元模型進(jìn)行注冊(cè)，可完整地記錄映射信息與映射規(guī)則，映射注冊(cè)元模型規(guī)范中術(shù)語定義及說明包括：(1)模型元素，構(gòu)成該模型的任意元素，包括模型的名稱、屬性、關(guān)系及約束類型。(2)模型元素集，可以放在一起構(gòu)建映射的模型元素的集合。(3)模型映射，注冊(cè)的模型與模型之間的映射，包含模型元素集映射。(4)模型元素集映射，模型元素集之間映射對(duì)應(yīng)關(guān)系的注冊(cè)，映射的最小單位是元素集。(5)模型元素集映射類型，通過模型元素集映射度表示，映射度為元素集之間建立映射的映射類型。

1.3映射度擴(kuò)展

根據(jù)MFI系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，映射注冊(cè)元模型可以對(duì)底層異構(gòu)數(shù)據(jù)源抽取的信息模型進(jìn)行注冊(cè)，包括對(duì)異構(gòu)信息模型與全域信息模型之間的映射關(guān)系進(jìn)行注冊(cè)，對(duì)于模型之間構(gòu)建映射所需的映射規(guī)則函數(shù)，在MFI系列標(biāo)準(zhǔn)中采用模型元素集映射度表示。MFI系列標(biāo)準(zhǔn)提供的映射度不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，在實(shí)際應(yīng)用中映射規(guī)則變得很復(fù)雜，為了滿足不同映射度的需要，結(jié)合石油領(lǐng)域的模型映射對(duì)MFI系列標(biāo)準(zhǔn)映射度進(jìn)行擴(kuò)展：

(1)相同(same as)，映射構(gòu)建者認(rèn)為源集和目標(biāo)集在語法、語義上相同。應(yīng)用時(shí)進(jìn)行保值處理，即無需經(jīng)過任何處理，源與目標(biāo)數(shù)據(jù)一致。

(2)語義等價(jià)(semantically equivalent)，映射構(gòu)建者認(rèn)為源集和目標(biāo)集僅在語義上相同。應(yīng)用時(shí)進(jìn)行保值處理。

(3)派生(derived from)，映射構(gòu)建者認(rèn)為源集在目標(biāo)集中被使用，即目標(biāo)集是由源集中的屬性經(jīng)過處理并映射到目標(biāo)集的屬性中。應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)具體情況繼續(xù)細(xì)化。

(4)屬性直接合并(DF-Attri-Merge Mapping)，將源集中的屬性A1,A2,…An(n>1)直接拼接并映射到目標(biāo)集的屬性中。

(5)屬性條件合并(DF-Attri-Condition Merge Mapping)，結(jié)合符號(hào)等外來數(shù)據(jù)，將映射源集中的屬性合并至目標(biāo)的屬性中。

(6)屬性條件拆分(DF-Attri-Condition Split Mapping)，將源集中的屬性按照符號(hào)等外來數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，拆分后的內(nèi)容分散映射到目標(biāo)集的屬性中(與合并映射相逆)。

(7)數(shù)值運(yùn)算(DF-Attri-Calculate Mapping)，對(duì)源集中的屬性進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，映射到目標(biāo)集的屬性中。

(8)單位轉(zhuǎn)換(DF-Unit-Convert Mapping)，當(dāng)源集與目標(biāo)集中的屬性單位不一致時(shí)，將源集中的屬性進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，映射到目標(biāo)集的屬性中。

(9)常量映射(Fixed Value Mapping)，無需源集的屬性參與，將給定的常量值映射到目標(biāo)集的屬性中[13]。

2　三層互操作性技術(shù)架構(gòu)體系

在建立映射關(guān)系時(shí)，MFI-10標(biāo)準(zhǔn)按照傳統(tǒng)1∶1的映射關(guān)系處理，當(dāng)存在n個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)源時(shí)，需要建立n2/2個(gè)映射關(guān)系；當(dāng)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)量越多時(shí)，需要建立的映射關(guān)系越多。由于MFI-10標(biāo)準(zhǔn)提出的映射度對(duì)于實(shí)際應(yīng)用過于稀少和語義化，為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的信息集成、加強(qiáng)互操作性、減少映射次數(shù)，提出由頂層全域共享數(shù)據(jù)模型、中間注冊(cè)層，以及底層數(shù)據(jù)源構(gòu)建的、基于MDR/MFI標(biāo)準(zhǔn)的、具有互操作性的三層技術(shù)架構(gòu)體系。構(gòu)建的語義數(shù)據(jù)統(tǒng)一注冊(cè)模型見圖3。

(1)底層數(shù)據(jù)源層：將底層異構(gòu)數(shù)據(jù)源抽取為需要注冊(cè)的信息模型。

(2)中間注冊(cè)層：將由底層數(shù)據(jù)源及頂層全域共享數(shù)據(jù)模型抽取的信息模型，按照?qǐng)D1描述的MFI系列標(biāo)準(zhǔn)信息注冊(cè)元模型進(jìn)行注冊(cè)；根據(jù)映射規(guī)則與算法，將注冊(cè)后的信息模型按照MFI系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的映射度與全域信息模型建立映射關(guān)系，將構(gòu)建的映射信息按照?qǐng)D2描述的MFI系列標(biāo)準(zhǔn)映射注冊(cè)元模型進(jìn)行注冊(cè)；根據(jù)MFI系列標(biāo)準(zhǔn)信息模型注冊(cè)元模型與映射注冊(cè)元模型進(jìn)行統(tǒng)一注冊(cè)管理。

(3)頂層全域共享數(shù)據(jù)模型層：為了解決信息集成問題，ISO提出標(biāo)準(zhǔn)MDR元數(shù)據(jù)注冊(cè)系統(tǒng)。基于MDR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立頂層全域共享數(shù)據(jù)模型，仿照數(shù)據(jù)共享模型[14]，按照具體業(yè)務(wù)模型和MFI系列標(biāo)準(zhǔn)映射注冊(cè)元模型的映射規(guī)則，將底層異構(gòu)數(shù)據(jù)源映射到全域共享數(shù)據(jù)模型；通過全域共享數(shù)據(jù)模型直接訪問應(yīng)用，同時(shí)屏蔽底層異構(gòu)數(shù)據(jù)源。該模型具有優(yōu)點(diǎn)：對(duì)數(shù)據(jù)的描述、定義進(jìn)行規(guī)范統(tǒng)一，內(nèi)容語義的描述就越準(zhǔn)確；擁有良好的語義基礎(chǔ)，可以更有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；以它作為頂層模型，可以減少模型之間的映射次數(shù)，并通過屏蔽底層數(shù)據(jù)源對(duì)頂層統(tǒng)一訪問而實(shí)現(xiàn)信息集成。

由圖3可見，當(dāng)構(gòu)建的三層互操作性技術(shù)架構(gòu)存在n個(gè)數(shù)據(jù)源時(shí)，只需建立n個(gè)映射關(guān)系，通過1∶1映射模式，可以大幅降低映射復(fù)雜度，節(jié)省大量映射信息的存儲(chǔ)空間。

3　實(shí)例應(yīng)用

在50多年信息化建設(shè)過程中，大慶油田形成勘探開發(fā)數(shù)據(jù)模型多版本并存的局面，且數(shù)據(jù)模型分布在不同地理位置的企業(yè)網(wǎng)上。典型勘探開發(fā)數(shù)據(jù)源包括20世紀(jì)90年代構(gòu)建的勘探開發(fā)數(shù)據(jù)模型(E&P)，2007年建成的、以油田生產(chǎn)為主的新版勘探開發(fā)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型(EPDM)[15]，以及以采油和地面工程為主的A5數(shù)據(jù)模型三種數(shù)據(jù)模型。以現(xiàn)場實(shí)際需求為背景，將EPDM作為全域數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)并開發(fā)對(duì)三種數(shù)據(jù)模型進(jìn)行注冊(cè)，將A5和E&P向全域數(shù)據(jù)模型EPDM進(jìn)行映射信息注冊(cè)的系統(tǒng)，部分功能見圖4和圖5。系統(tǒng)能夠完成對(duì)大慶油田三種數(shù)據(jù)模型的注冊(cè)解析、映射構(gòu)建及信息注冊(cè)，有效地解決數(shù)據(jù)模型之間的交互性。

圖3　基于MDR/MFI標(biāo)準(zhǔn)的語義數(shù)據(jù)統(tǒng)一注冊(cè)模型Fig.3 The unified registration model of semantic data base on MDR/MFI

圖4　模型元素注冊(cè)Fig.4 Model element registration

圖5　模型元素集映射注冊(cè)和映射度維護(hù)Fig.5 Model element set mapping registration and Model element set mapping deagree

系統(tǒng)主要完成三層技術(shù)框架體系的中間注冊(cè)層功能：分析A5和E&P數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，按照信息模型方式抽取底層數(shù)據(jù)源層，將EPDM作為頂層全域數(shù)據(jù)模型層進(jìn)行解析構(gòu)建；結(jié)合注冊(cè)和映射元模型，解析油田三種數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)，按照三層技術(shù)架構(gòu)體系中間注冊(cè)層的功能進(jìn)行注冊(cè)解析(見圖6)。根據(jù)注冊(cè)后的模型信息及映射信息，可以查詢頂層全域共享數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而屏蔽底層數(shù)據(jù)源。

圖6　石油模型根據(jù)中間注冊(cè)層的解析Fig.6 Analysis of oil model based on the middle register

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方法缺少語義互操作，同時(shí)采用本體方式解決語義問題的應(yīng)用較為復(fù)雜。基于MDR/MFI標(biāo)準(zhǔn)的語義數(shù)據(jù)注冊(cè)模型框架體系可以將數(shù)據(jù)攜帶的語義進(jìn)行注冊(cè)，通過加強(qiáng)語義記錄加強(qiáng)語義的互操作性，在石油領(lǐng)域中得到較好應(yīng)用。

4　結(jié)論

(1)分析MFI互操作系列標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合油田企業(yè)語義數(shù)據(jù)互操作性需求，提出一個(gè)三層語義數(shù)據(jù)統(tǒng)一注冊(cè)模型框架體系。該框架體系融入MDR標(biāo)準(zhǔn)，將它作為企業(yè)的全域共享數(shù)據(jù)模型，可以屏蔽底層異構(gòu)數(shù)據(jù)源，使其他異構(gòu)數(shù)據(jù)源信息模型可以直接向全域數(shù)據(jù)模型進(jìn)行映射，即實(shí)現(xiàn)1∶1映射模式。這種映射模式明顯降低異構(gòu)數(shù)據(jù)源間映射的復(fù)雜度，節(jié)省大量映射信息占用的存儲(chǔ)空間。

(2)該模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)多源數(shù)據(jù)資源目錄的有效管理及數(shù)據(jù)的有效集成，結(jié)合油田的實(shí)際應(yīng)用擴(kuò)展部分映射度，滿足石油領(lǐng)域信息模型對(duì)復(fù)雜映射類型的需求。經(jīng)大慶油田多源信息模型及映射信息注冊(cè)過程的驗(yàn)證，具有可行性、靈活性及科學(xué)性。該模型技術(shù)原理適用于其他領(lǐng)域應(yīng)用。

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[11]International Standard ISO/IEC. 9075-2, 2011 Information technology: Database languages: SQL: Part 2: Foundation (SQL/Foundation) [S]. 2011.

[12]International Standard ISO/IEC. 19763-10, Information technology: Metamodel framework for interoperability (MFI): Part 10: Core model and basic mapping [S]. 2014.

[13]袁滿,陳星童.基于元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)模型映射算法[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(12):128-131.

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[15]朱正平,潘仁芳,馬杰,等.中國石油勘探開發(fā)信息化系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化方案及解決措施——以大港油田為例[J].東北石油大學(xué)學(xué)報(bào),2013,37(5):109-117.

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2015-11-10；編輯：張兆虹

黑龍江省教育廳基金項(xiàng)目(12531059)

袁滿(1965-)，男，博士，教授，主要從事信息標(biāo)準(zhǔn)化與信息集成、數(shù)據(jù)工程理論與技術(shù)、知識(shí)工程方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.03.013

TP391

A

2095-4107(2016)03-0104-07