UML模型到OWL本體知識庫的轉(zhuǎn)換研究

冉婕，漆麗娟，黃吉亞（云南昭通學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 昭通657000）

UML模型到OWL本體知識庫的轉(zhuǎn)換研究

冉婕，漆麗娟，黃吉亞
（云南昭通學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 昭通657000）

UML是標(biāo)準(zhǔn)的對象建模語言，已成為公認(rèn)的建模標(biāo)準(zhǔn)，但UML模型的推理能力較弱。OWL表示的本體可以描述類與類之間的各種關(guān)系，從語義上建立類信息的全面描述，其表達(dá)能力及推理能力都較強(qiáng)。本文比較分析了UML類和OWL類的異同，闡述了UML類可向OWL類轉(zhuǎn)換原理。通過OWL DL定義了UML的類圖，描述了類和子類的關(guān)系。以學(xué)生本體為例，實(shí)現(xiàn)了UML類圖的OWL本體形式化表示，進(jìn)而將UML模型轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的OWL本體，實(shí)現(xiàn)了UML類圖中知識的再利用，為本體建設(shè)提供了新的途徑。

OWL；UML；本體；類圖

本體（ontology）是對共享的概念化進(jìn)行顯式的規(guī)范說明，是語義網(wǎng)知識表示的基礎(chǔ)[1]。OWL語言是W3C推薦的本體論表示語言的標(biāo)準(zhǔn)，正被越來越多的科研人員及工業(yè)團(tuán)體所關(guān)注。目前標(biāo)準(zhǔn)的語義Web本體語言是OWL，其體系是開放的，它被定義成3個(gè)表達(dá)能力遞增的子語言 OWL Lite，OWL DL 與OWL Full。其中OWL DL的表達(dá)能力較強(qiáng)，推理支持能力也較強(qiáng)。UML是軟件工程技術(shù)中一種標(biāo)準(zhǔn)的建模語言，被廣大的軟件工程技術(shù)人員所接受與使用。如何對UML加以利用來建設(shè)語義Web本體，實(shí)現(xiàn)了UML類圖中知識的再利用，已經(jīng)成為了一個(gè)重要的課題。

1 UML

UML（Unified Modeling Language統(tǒng)一建模語言）是OMG（Object Mmanagement Group）提出的標(biāo)準(zhǔn)的對象建模語言，UML是基于多種面向?qū)ο蠼７椒ǘl(fā)展起來的建模語言，主要適用于軟件密集型系統(tǒng)的建模，目前，UML已成為面向?qū)ο箢I(lǐng)域公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。UML模型從不同的側(cè)面反映信息系統(tǒng)的靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)行為，包含用例圖、類圖、順序圖、協(xié)作圖、對象圖、狀態(tài)圖、活動(dòng)圖、構(gòu)件圖和部署圖9種視圖，類圖是UML模型的核心視圖之一，類圖是描述類和類之間關(guān)系的一種圖示，它從靜態(tài)的角度來表示軟件系統(tǒng)。UML類圖可以用一階謂詞邏輯公式表示[2]。

1.1 UML中的類

UML中類與類之間的常見關(guān)系可分為：1）關(guān)聯(lián)（Association），類的關(guān)聯(lián)表示兩個(gè)類之間語義上的聯(lián)系，兩個(gè)類之間的二元關(guān)系可分為一對一（1:1）、一對多（1:M）和多對多（M:N）等3種類型[3]；2）泛化（Generalization），泛化表明類之間的繼承關(guān)系，即類與若干個(gè)互不相容的子類之間的關(guān)系，表達(dá)類之間的相似性；3）聚集（Aggregation），聚合表示類之間整體與部分的關(guān)系，它反映了對象之間的構(gòu)成關(guān)系，傳遞性是聚集關(guān)系最重要的性質(zhì)；4）依賴（Dependency），依賴是兩個(gè)類之間語義上的連接關(guān)系，其中一個(gè)類是獨(dú)立的，另一個(gè)類是非獨(dú)立的，如果獨(dú)立類發(fā)生改變，非獨(dú)立類也將會(huì)受到影響，這種關(guān)系即為依賴關(guān)系。依賴關(guān)系是一種使用關(guān)系，描述類之間的引用，一個(gè)類的實(shí)現(xiàn)需另一個(gè)類的協(xié)議，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免使用雙向的依賴。

1.2 UML中的類圖

類圖（Class Diagram）描述若干類之間的靜態(tài)關(guān)系。類圖表示系統(tǒng)或領(lǐng)域中的實(shí)體以及實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)，由表示類的類框和表示類之間如何關(guān)聯(lián)的連線所組成。類的屬性描述該類對象的共同特性。類的操作作用于修改、檢索類的屬性或執(zhí)行某些動(dòng)作，操作只能用于該類的對象上。類圖中的屬性可標(biāo)記為公共屬性、保護(hù)屬性和私用屬性。

2 本體及OWL

本體是描述概念之間關(guān)系的概念模型，通過概念間的關(guān)系來描述概念的語義。本體作為一種能夠有效表達(dá)概念層次結(jié)構(gòu)和語義的模型，被廣泛地應(yīng)用到計(jì)算機(jī)科學(xué)的眾多領(lǐng)域。目前有多種不同的本體語言，它們各有特點(diǎn)，而W3C的最新標(biāo)準(zhǔn)是OWL。OWL有OWL-Lite、OWL-DL和OWL-Full 3個(gè)子語言，其中OWL-DL的表達(dá)能力豐富，它是基于DL的，可進(jìn)行自動(dòng)推理，并判別本體中的分類層次及本體中概念的一致性[4]。

2.1OWL中的類

OWL中的類并不是真正意義上的類，它描述了一些個(gè)體的共有特征，這與傳統(tǒng)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)上的類是有本質(zhì)上的不同的，其實(shí)質(zhì)上是一些具有共有特征的個(gè)體的集合[5]。盡管UML中的類與OWL中的類從理解上來說存在一定的差異，但仍然可以用UML中的類來表示OWL中的類[6]。

1）繼承關(guān)系（is_a）

父類與子類之間是is_a關(guān)系，is_a是一種綁定相互屬性[7-8]。繼承表示概念之間的包含和被包含關(guān)系，也可以看成是概念之間的泛化和特化關(guān)系。如果概念Ci是Cj的一種特殊概念，則概念Ci是概念Cj的特化，概念Cj是概念Ci的泛化，概念Ci繼承于概念Cj。

2）相關(guān)關(guān)系（relevant of）

相關(guān)關(guān)系表明概念和概念由于某個(gè)主題而相互關(guān)聯(lián)。在具體的結(jié)構(gòu)圖中相關(guān)關(guān)系可由繼承關(guān)系和關(guān)系之間的聯(lián)系導(dǎo)出。

3）同義關(guān)系（synonymy of）

在一個(gè)領(lǐng)域中，一個(gè)概念可能有幾種不同的表示方式，也就是可以用不同的詞語來表示一個(gè)相同的概念。

在構(gòu)建本體時(shí)，用到的關(guān)系主要是繼承關(guān)系，對應(yīng)UML中的泛化關(guān)系，其次用到的是相關(guān)關(guān)系，它和UML關(guān)聯(lián)關(guān)系相對應(yīng)。另外，OWL提供了構(gòu)造子用于創(chuàng)建復(fù)雜類，如并 OWL:unionof、交 OWL: intersectionOf、補(bǔ)OWL:complementOf和枚舉OWL: oneOf等等。

2.2 OWL中的屬性

OWL屬性可對其特性進(jìn)行詳細(xì)的聲明，OWL中兩個(gè)主要類型的屬性是對象屬性（Object Properties）和數(shù)據(jù)類型屬性（Datatype Properties），對象屬性主要描述類之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)類型屬性主要定義實(shí)體的屬性，它和UML中的類的屬性相對應(yīng)[9]。文中重點(diǎn)討論的是UML類圖到OWL本體形式化的轉(zhuǎn)換，屬性將是下一步的研究重點(diǎn)。

3 UML轉(zhuǎn)化成OWL本體知識庫

在軟件建模中，本體側(cè)重于領(lǐng)域知識的表示和共享，而UML更側(cè)重于在建模過程中開發(fā)人員與用戶間的交流，其表達(dá)方面還存在不足，導(dǎo)致開發(fā)人員與用戶交流時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生歧義[10]，若把本體用于UML建模，則能彌補(bǔ)這種不足，從而促進(jìn)建模的順利進(jìn)行，提高開發(fā)效率[11]。UML建模和本體建模的相同點(diǎn)在于：都是表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界中可用來處理的概念；都建立在類/概念和關(guān)系之上，比如UML中的泛化和OWL中的繼承關(guān)系。無論是本體還是面向?qū)ο笏枷耄际菫榱说玫侥硞€(gè)領(lǐng)域上的可重用的模型[12-13]。UML與OWL中某些特性元素是相似的，這就為OWL本體通過UML類圖向面向?qū)ο笳Z言轉(zhuǎn)換提供了可能。將UML引入本體的建?？梢允贡倔w工程讓更多的人參與，UML圖形化的建模更加直觀，也易于溝通和理解[14-15]。另一方面，OWL豐富的表達(dá)能力及推理能力，也彌補(bǔ)了UML的不足。表1是UML與OWL中概念的對照。

表1UML與OWL的相似或等價(jià)概念

下面以學(xué)生本體為例，分別介紹UML模型和OWL模型。UML模型的類圖用Power Designer工具建成，Power Designer是Sybase公司的CASE工具集，它可以方便地對管理信息系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，幾乎包括了數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計(jì)的全過程。圖1就是用Power Designer構(gòu)建的學(xué)生本體的類圖。

圖1 用PD構(gòu)建的學(xué)生本體類圖

學(xué)生本體采用OWL形式化編碼，這個(gè)階段主要是使用OWL描述ontology，就是用OWL中定義好的元ontology對概念和關(guān)系進(jìn)行形式化描述，最重要的是定義類、子類、屬性和它們各自具有的特性。下面是學(xué)生本體對應(yīng)的OWL形式化定義的部分代碼：

xml:base="http://www.owl-ontologies.com/ Ontology1352511605.owl"＞

＜o(jì)wl:Ontology rdf:about=""/＞

＜o(jì)wl:Class rdf:ID="pupil"＞

＜rdfs:subClassOf＞

＜o(jì)wl:Class rdf:ID="student"/＞

＜/rdfs:subClassOf＞

＜/owl:Class＞

＜o(jì)wl:Class rdf:ID="doctoral_student"＞

＜rdfs:subClassOf＞

＜o(jì)wl:Class rdf:ID="graduate_student"/＞

＜/rdfs:subClassOf＞

＜/owl:Class＞

＜o(jì)wl:Class rdf:ID="college_student"＞

＜rdfs:subClassOf rdf:resource="#student"/＞

＜/owl:Class＞

＜o(jì)wl:Class rdf:ID="middle_school_student"＞

＜rdfs:subClassOf rdf:resource="#student"/＞

＜/owl:Class＞

對應(yīng)學(xué)生本體的兩種不同表示方法，可以看出UML中的類可以和OWL中的類一一對應(yīng)，將本體中的類和UML中的知識有機(jī)地結(jié)合起來，為本體的檢索提供了更好的途徑。

4 結(jié) 論

文中對UML類圖和OWL本體進(jìn)行了分析比較，給出了UML類圖的OWL本體表示形式，研究了UML類圖轉(zhuǎn)換為OWL本體知識庫的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法切實(shí)可行。今后的研究工作可集中在對類的操作及屬性的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并給予形式化證明。

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Research on the transform from UML model to OWL ontology knowledge

RAN Jie，QI Li-juan，HUANG Ji-ya
（Department of Computer Science，Zhaotong University，Zhaotong 657000，China）

UML is a standard object modeling language，it has become a recognized modeling standard，but the reasoning ability of UML model is weak.Ontology can describe all kinds of relationship among classes.This paper analysis the class of UML and the category of OWL，and explain the transformation from the class of UML to the category of OWL.According to OWL DL defines the UML class diagram，described the relation between the class and subclass.Taking the student ontology as an example，the OWL ontology formalization of UML class diagram is realized，and then the UML model is converted to the corresponding OWL ontology.It realizes the knowledge reuse in UML class diagrams，provides a new approach for ontology construction.

OWL；UML；ontology；class diagram

TN<919.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A class="emphasis_bold">919.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674－6236（2017）07-0024-03919.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1674－6236（2017）07-0024-03

A 文章編號：1674－6236（2017）07-0024-03

2016-03-01稿件編號：201603009

冉 婕（1975—），女，四川達(dá)州人，碩士，副教授。研究方向：本體構(gòu)建及語義檢索。