基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)語義互操作研究*

吳佑波， 陶 熠

(重慶工商大學(xué) 電子商務(wù)及供應(yīng)鏈系統(tǒng)重慶市重點實驗室， 重慶 400067)

基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)語義互操作研究*

吳佑波， 陶 熠

(重慶工商大學(xué) 電子商務(wù)及供應(yīng)鏈系統(tǒng)重慶市重點實驗室， 重慶 400067)

企業(yè)信息系統(tǒng)的互操作是企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟中企業(yè)協(xié)作的基礎(chǔ)，為了解決企業(yè)間異構(gòu)系統(tǒng)互操作這一基本問題，引入本體的思想，利用網(wǎng)絡(luò)本體語言(OWL)建立汽摩配產(chǎn)品本體模型，運用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)本體語言(OWL-S)建立了一個Web服務(wù)本體模型，設(shè)計了基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺，建立了基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作過程中的語義映射規(guī)則，描述了異構(gòu)系統(tǒng)互操作的實現(xiàn)過程；通過原型系統(tǒng)驗證了方法的可行性，結(jié)果表明：運用本體技術(shù)可以改進訂單處理方式，增強平臺互操作性，為實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)互操作提供了有效的途徑。

本體;企業(yè)協(xié)作;異構(gòu)系統(tǒng);互操作;OWL

隨著經(jīng)濟全球化的步伐進一步加快，企業(yè)面臨國際范圍內(nèi)的競爭進一步加劇，越來越多的企業(yè)意識到與自身上下游企業(yè)協(xié)作的重要性。中小企業(yè)尤其是制造型中小企業(yè)，面對市場的波動需要快速做出應(yīng)對，企業(yè)間協(xié)作為此類企業(yè)競爭力的加強增加了砝碼。企業(yè)間協(xié)作的基礎(chǔ)是信息的交互，如何實現(xiàn)企業(yè)間信息系統(tǒng)層級的協(xié)作成為當(dāng)前研究的熱點。由于信息化推進程度和企業(yè)業(yè)務(wù)流程的不同，不同企業(yè)的應(yīng)用系統(tǒng)所采用的系統(tǒng)架構(gòu)往往會不一致。在異構(gòu)系統(tǒng)間實現(xiàn)信息交互的一個基礎(chǔ)問題就是如何實現(xiàn)互操作。異構(gòu)系統(tǒng)的互操作分為3個層級的互操作，分別是物理層、數(shù)據(jù)層和語義層。而語義層級的互操作是最難實現(xiàn)的，通過語義標(biāo)準(zhǔn)化可以解決部分特定領(lǐng)域的語義互操作問題。當(dāng)前的異構(gòu)系統(tǒng)互操作研究大多集中在數(shù)據(jù)層的互操作，針對實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)語義互操作困難的現(xiàn)狀，本文引入本體的概念，將需要交互和協(xié)作的信息進行本體語義描述，通過系統(tǒng)集成平臺進行本體映射和轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的互操作。通過利用OWL建立汽摩配產(chǎn)品本體模型，運用OWL-S建立Web服務(wù)本體模型，設(shè)計異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺，建立異構(gòu)系統(tǒng)互操作中語義映射規(guī)則，以汽摩配產(chǎn)品為例，用原型系統(tǒng)驗證了方法的可行性。

1 現(xiàn)狀及問題提出

本體最初起源于古希臘哲學(xué)思想領(lǐng)域，1991年Neches等人將本體引入人工智能、知識工程、信息集成和共享等領(lǐng)域后，本體在眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。一般來講，本體就是通過形式化語言對事物、信息等進行描述，通過本體映射消除語義差異，實現(xiàn)信息的共享和交互。STUDER R.等人[1]將本體定義為“本體是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”。

本體現(xiàn)階段的應(yīng)用多停留在消除語義差異上，郭劍鋒等人[2]提出了本體智能映射方法，將本體應(yīng)用于零件庫中產(chǎn)品的查找。LEE C S、郭劍鋒等人[2-4]基于應(yīng)用目的的不同提出了3層和4層的本體模型框架，研究了產(chǎn)品本體模型的建立。對于異構(gòu)系統(tǒng)互操作所需的語義交互至今尚未有成熟的方法加以解決。吳學(xué)華[9]、常關(guān)羽[10]、晉芳華[11]等研究了語義互操作的關(guān)鍵技術(shù)和進行了驗證。企業(yè)間業(yè)務(wù)協(xié)作中需要實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的互操作，而異構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生的不同信息導(dǎo)致的語義沖突帶來互操作的困難，利用本體可消除語義差異的優(yōu)點使解決異構(gòu)系統(tǒng)互操作問題成為了可能。

2 基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺及工作流程

2.1 基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺

基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺主要實現(xiàn)的功能是使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本體并加以儲存，對產(chǎn)品本體與應(yīng)用本體進行映射匹配和為應(yīng)用系統(tǒng)提供接口。異構(gòu)系統(tǒng)互操作的實現(xiàn)是利用集成平臺作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本體的加工車間和中間倉庫，通過集成平臺提供的接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和交互。

異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺的功能是實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間的信息傳遞，基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺可實現(xiàn)信息的獲取、識別、匹配和映射?；诒倔w的異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有4層，分別是基礎(chǔ)層、映射層、接口層和應(yīng)用層，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基礎(chǔ)層提供與企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的接口，通過基礎(chǔ)層將企業(yè)產(chǎn)品信息導(dǎo)入原始零件信息數(shù)據(jù)庫；映射層實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為本體并儲存于本體庫中；接口層的功能是進行本體與采購訂單或銷售訂單的轉(zhuǎn)換；應(yīng)用層實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)互操作。

圖1 基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Framework of interoperability based ontology

基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺通過訂單本體編輯器獲得采購訂單信息，轉(zhuǎn)換為本體以后再通過映射工具將獲得的采購訂單本體信息與集成平臺本體模型映射，集成產(chǎn)品本體模型利用網(wǎng)絡(luò)本體語言(Web Ontology Language, OWL)[5]描述，OWL是在互聯(lián)網(wǎng)上描述、發(fā)布和共享本體的一種應(yīng)用廣泛的本體語言。映射工具是基于protégé建立的，通過protégé的racer推理機，將本體的定義、屬性、關(guān)系、公理等進行匹配和映射?；A(chǔ)層的企業(yè)產(chǎn)品本體數(shù)據(jù)庫存放企業(yè)所有產(chǎn)品本體信息，原始零件信息數(shù)據(jù)庫通過異構(gòu)系統(tǒng)后臺管理接口與各企業(yè)原始產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫建立連接。

2.2 基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作實現(xiàn)過程

在為中小企業(yè)服務(wù)的ASP平臺中，通過構(gòu)建訂單本體編輯器Web服務(wù)和產(chǎn)品本體模型,讓采購企業(yè)A通過基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作集成平臺輸入訂單,并轉(zhuǎn)換為企業(yè)產(chǎn)品本體，通過與平臺產(chǎn)品本體進行映射匹配,再進一步與銷售企業(yè)訂單本體進行映射匹配,使A、B企業(yè)通過ASP集成平臺進行互操作。圖2為企業(yè)A和企業(yè)B互操作示意圖。

圖2 異構(gòu)系統(tǒng)互操作示意圖Fig.2 Sketch map of interoperability between asynchronous systems

采購企業(yè)A需要采購產(chǎn)品，通過企業(yè)ERP系統(tǒng)生成所需采購的產(chǎn)品訂單，再通過平臺提供的訂單本體編輯器將訂單信息輸入平臺進行本體轉(zhuǎn)換，集成平臺收到A企業(yè)發(fā)送的訂單請求以后，通過智能映射匹配引擎將本體編輯器傳來的訂單本體信息與集成平臺的產(chǎn)品本體進行映射匹配，得到映射匹配結(jié)果。再進一步與銷售企業(yè)B的訂單本體進行映射匹配，得到映射匹配結(jié)果傳遞給B企業(yè)，生成銷售訂單?；谕瑯拥姆椒?，實現(xiàn)訂單本體編輯器Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)、組合、匹配，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)互操作。

企業(yè)采購的傳統(tǒng)做法是將自身ERP系統(tǒng)產(chǎn)生的訂單傳真給銷售企業(yè)，銷售企業(yè)再手工導(dǎo)入本企業(yè)的ERP系統(tǒng)，效率低下而且容易出錯。利用本方法可以實現(xiàn)訂單的自動轉(zhuǎn)換，提高了效率，減少了出錯的幾率。

基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作關(guān)鍵技術(shù)主要包括產(chǎn)品本體模型建立、Web服務(wù)本體模型建立、異構(gòu)系統(tǒng)互操作過程中的語義映射。

3 基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 產(chǎn)品本體模型的建立

在基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，接口層的集成平臺產(chǎn)品本體模型是關(guān)鍵和核心，如何建立簡潔有效的產(chǎn)品本體模型是實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)互操作的基礎(chǔ)。結(jié)合汽摩配產(chǎn)品特點及汽摩配行業(yè)所普遍采用的訂單現(xiàn)狀，在此以汽摩配墊圈類產(chǎn)品為例，提出了汽摩配墊圈類產(chǎn)品的3層本體模型框架，如圖3所示，產(chǎn)品本體模型分為概念層、目錄層和屬性層。其中，名稱屬于概念層；重量、厚度、直徑、材料、剛度屬于目錄層；螺紋直徑、內(nèi)圈直徑、外圈直徑、材料性質(zhì)屬于屬性層。該汽摩配產(chǎn)品3層產(chǎn)品本體模型的特點如下：

(1) 簡化產(chǎn)品本體模型的層數(shù)，減少本體映射智能匹配的計算量，可使產(chǎn)品本體的快速映射匹配；

(2) 根據(jù)墊圈類產(chǎn)品特點制定的產(chǎn)品本體模型可快速構(gòu)建產(chǎn)品本體，減少不必要的工作量；

(3) 按照通用的墊圈類產(chǎn)品特征描述，及對信息粒度的需求進行本體構(gòu)建。

經(jīng)實例驗證，該本體模型框架是有效可行的。

圖3 墊圈類產(chǎn)品本體概念模型Fig.3 Concept model of washer product ontology

3.2 Web服務(wù)本體模型的建立

訂單輸入、轉(zhuǎn)換、輸出作為ASP集成平臺提供的一種Web服務(wù)，需要面向企業(yè)用戶構(gòu)建簡潔、有效的訂單表示方法。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及交互系統(tǒng)中，系統(tǒng)間可實現(xiàn)語法層面的互操作，本文基于本體研究了通過建立Web服務(wù)本體模型來構(gòu)造面向用戶的訂單輸入輸出服務(wù)。訂單輸入輸出的語義信息轉(zhuǎn)換為本體后和上節(jié)中平臺產(chǎn)品本體模型進行映射匹配，映射結(jié)果轉(zhuǎn)換為輸出訂單信息，反之亦然，從而實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)語義層面的互操作。訂單本體編輯器作為一種Web服務(wù)，采用OWL-S描述。Web服務(wù)本體描述語言(Web Ontology Language for Services, OWL-S) 是基于OWL語言的Web 服務(wù)本體[6]。

根據(jù)OWL-S 的定義,一個Web服務(wù)由Presents、Describedby和Supports三個屬性進行描述,它們的范圍分別為ServiceProfile、ServiceModel和Service Grounding。ServicProfile用于描述Web服務(wù)的能力[7]。采用OWL-S對訂單本體編輯器提供的Web服務(wù)進行描述，如圖4所示。通過服務(wù)請求所描述的概念與服務(wù)提供所描述的概念進行推理并實現(xiàn)映射匹配，即實現(xiàn)通過訂單本體編輯器輸入的企業(yè)產(chǎn)品本體與平臺本體庫中本體進行映射以及平臺產(chǎn)品本體與輸出產(chǎn)品本體進行映射。

圖4 訂單本體編輯器Web服務(wù)本體Fig.4 Web service ontology of order ontology editor

如果用概念A(yù)來形式化定義訂單本體編輯器Web服務(wù)的輸入操作，則概念A(yù)包含了元條件A1～A6的OWL DL(Description Logic)聲明如下：

1)A1?操作;

2)A2??具有輸入操作(?具有屬性(?參照訂單內(nèi)容 材料));

3)A3??具有輸入操作(?具有屬性(?具有訂單內(nèi)容(?具有尺寸/毫米)));

4)A4??具有輸入操作(?具有屬性(?具有訂單內(nèi)容(?質(zhì)量))) ;

5)A5??具有輸入操作(?具有關(guān)系(?具有訂單內(nèi)容) (具有公差/微米)));

6)A6??數(shù)據(jù)接口(手工訂單輸入)。

同樣地,也可以將輸出訂單作OWL DL聲明,將兩項OWL DL聲明轉(zhuǎn)換為OWL代碼后,就可以用Racer推理機[8]進行推理運算,實現(xiàn)訂單本體映射。

3.3 基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作過程中的語義映射

本文實例中基于本體的異構(gòu)系統(tǒng)互操作過程中的語義映射包含訂單信息OWL語義描述的映射以及OWL-S語義描述下的Web服務(wù)語義映射。

本文中本體映射采用基于相似度的映射方法[13]，通過對企業(yè)輸入產(chǎn)品本體和平臺本體進行相似度計算后得到映射結(jié)果。假設(shè)現(xiàn)有本體O1和O2，分別為O1(C1,D1,P1)和O2(C2,D2,P2),其中C表示本體概念，D表示本體目錄，P表示本體屬性。本體O1和O2的相似度用函數(shù)S(O1,O2)表示，S的最大值為1，通過計算S的值可得出本體間的相似度。利用OWL對企業(yè)產(chǎn)品進行語義化描述，得到OWL語句，通過與已建立的平臺本體模型進行OWL語言表述相比較可得出本體之間的相似度。由于本體模型O(C,D,P)分別具有概念、目錄和屬性，分別對C、D和P賦以權(quán)值ωi(∑ωi=1)。用Li(O)表示本體的邏輯相似性，得到本體的相似度表達(dá)式：

S(O1,O2)=∑iω(i)*SL(Li(O1),Li(O2))

(1)

產(chǎn)品本體儲存于集成平臺本體庫，通過訂單本體編輯器Web服務(wù)輸入的產(chǎn)品信息經(jīng)過集成平臺的本體化表達(dá)，并定義相應(yīng)的映射規(guī)則，使訂單本體編輯器所獲取的信息經(jīng)過OWL轉(zhuǎn)換后與平臺現(xiàn)有產(chǎn)品本體的OWL表述進行語義對照，并進行相似度計算，實現(xiàn)平臺產(chǎn)品本體與企業(yè)產(chǎn)品本體的語義映射，并轉(zhuǎn)換為企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中信息加以應(yīng)用。同理可對用OWL-S語義表述的訂單本體編輯器Web服務(wù)進行映射匹配。

如圖5所示，為應(yīng)用系統(tǒng)信息與平臺本體進行轉(zhuǎn)換的過程描述。傳統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)中信息是數(shù)據(jù)形式儲存，產(chǎn)品本體是以知識元形式儲存在本體庫中。將不同應(yīng)用系統(tǒng)的產(chǎn)品信息轉(zhuǎn)換為本體儲存于平臺本體庫后，即可將不同本體進行映射匹配。

圖5 產(chǎn)品本體與訂單本體編輯器信息的映射Fig.5 Mapping between information from order ontology editor and product ontology

3.4 系統(tǒng)運行實例

以某汽摩配企業(yè)通過ASP平臺采購密封墊片為例，在該企業(yè)的ERP系統(tǒng)中密封墊片表示為“墊片”，目錄為“編號”，屬性為“01-017-02E-NI”，訂單本體編輯器Web服務(wù)獲取到其訂單信息后將“瓦絲”轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品本體并與平臺標(biāo)準(zhǔn)本體庫中產(chǎn)品本體進行映射，匹配成功后自動映射至銷售訂單“墊片”欄。相應(yīng)地，生產(chǎn)企業(yè)可以根據(jù)實際情況對訂單進行修改，反饋至集成平臺及采購企業(yè)。在訂單本體編輯器Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)、映射、匹配組合時采用同樣的方法，可使訂單在語義層面實現(xiàn)互操作如圖6所示。

圖6 平臺互操作運行實例Fig.6 Instance of interoperability on platform system

4 結(jié) 論

本文通過分析汽摩配行業(yè)訂單的特點和應(yīng)用現(xiàn)狀，建立了適合中小企業(yè)的ASP集成平臺的產(chǎn)品本體及符合自然語言與使用習(xí)慣的訂單本體編輯器Web服務(wù)模型，并開發(fā)了相應(yīng)的ASP服務(wù)平臺系統(tǒng)，驗證了基于本體的訂單處理可行性。通過分析發(fā)現(xiàn)需進一步開展的研究：

(1) 不同產(chǎn)品的本體建模需要規(guī)范，本文僅對汽摩配行業(yè)的部分零部件做了驗證試驗，對于其他行業(yè)的異構(gòu)系統(tǒng)訂單處理有待驗證；

(2) 對于復(fù)雜訂單的互操作還需要進一步完善本體模型；

(3) 對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與本體的映射有待進一步研究；

(4) 異構(gòu)互操作系統(tǒng)平臺的安全性、規(guī)范性等方面還需要進一步研究。

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責(zé)任編輯：代小紅

Research on Semantic Interoperability of Asynchronous Systems Based on Ontology

WU You-bo,TAO Yi

(Chongqing Key Laboratory of Electronic Commerce & Supply Chain System, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

In the dynamic enterprises alliance, the interoperability of enterprises information systems is the foundation of enterprises collaboration. In order to solve this basic problem, which refers to interoperability of asynchronous systems between different enterprises, ontology thought was introduced, and Web Ontology Language (OWL) was used to establish ontology of mechanical accessory as well as Web Ontology Language-Service (OWL-S) being used to establish web services. The ontology based integrated platform for interoperability of asynchronous systems was designed, meanwhile the semantic mapping rule for use in the process of ontology based interoperability of asynchronous systems was built. In the same way, the realization of interoperability of asynchronous systems was described. In the end a prototyping system was developed to validate the method. The results showed that using ontology technology could improve order dealing, also increase the performance of the platform in interoperability. Thus it provides an efficient approach to implement interoperability between asynchronous systems.

ontology; enterprises collaboration; asynchronous systems; interoperability; OWL

2016-11-17;

2016-12-25.

重慶市高校青年骨干教師資助計劃項目(670101110);重慶工商大學(xué)青年博士基金(1352022);重慶工商大學(xué)科研啟動基金(2013-56-02).

吳佑波(1983-),男,四川內(nèi)江人,博士,主要從事制造業(yè)信息化、物流與供應(yīng)鏈管理研究.

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0002.014

TP182

A

1672-058X(2017)02-0065-06