（计算机应用技术专业论文）基于本体的需求获取及分析工具.pdf

摘要 摘要 需求工程是随着计算机的发展而发展的，在计算机发展的初期，需 求分析很少受到重视，后来软件开发引入了生命周期的概念，需求分析 成为其第一阶段。随着软件系统规模的扩大，人们逐渐认识到需求分析 活动不再仅限于软件开发的最初阶段，而是贯穿于系统开发的整个生命 周期，因此，将需求分析作为软件工程的一个子领域需求工程进行 深入的研究。 需求工程的主要任务中包括探索行之有效的需求获取方法和构建真 实可信的需求验证理论、方法和手段。本文为了找到一种有效的需求获 取方法，根据s o r l 语言的语法规则，设计了一个交互式需求获取的工 具，供用户提出形式各样的需求语句；为了构建真实可信的需求验证理 论、方法和手段，根据已经形成的需求元模型以及目标层模型设计工具 产生的本体模型，设计了一个需求匹配工具，使用j a v a c c 解析s o r l 语 句得到对应的原子需求，并将其作为匹配源，使用j e n aa p l 分析本体模 型，从而产生用户需求相关的匹配指标。 本文设计的基于本体的需求获取与分析工具，对需求工程中的需求 获取和需求匹配阶段的应用具有现实意义，而且可以利用这些工具来验 证需求元模型的正确性，s o r l 语法规范的合理性等等，利于对需求工程 进行更深入的研究。 关键词：需求工程；本体；元模型；o w l ；u m l a b s t r a c t a b s tr a c t t h ed e v e l o p m e n to fr e q u i r e m e n t se n g i n e e r i n gi sa l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , i nt h ee a r l ys t a g e so fc o m p u t e rd e v e l o p m e n t ， r e q u i r e m e n ta n a l y s i sh a dl i t t l ea t t e n t i o n ，a n dl a t t e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n t i n t r o d u c e dt h el i f e c y c l ec o n c e p t ，t h e nr e q u i r e m e n ta n a l y s i sb e c a m et h ef i r s t s t a g ei ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t w i t ht h ee x p a n s i o no ft h es o f t w a r es y s t e m s c a l e ，p e o p l ea r er e a l i z i n gt h a tr e q u i r e m e n ta n a l y s i sa c t i v i t i e s a r en ol o n g e r l i m i t e dt ot h ei n i t i a ls t a g eo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，b u tt h r o u g h o u tt h ee n t i r e l i f ec y c l eo fs y s t e md e v e l o p m e n t ，s ot h e yb e g i nt od e e p l yr e s e a r c ht h e r e q u i r e m e n ta n a l y s i sa sas u b - d o m a i no fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g - - r e q u i r e m e n t s e n g i n e e r i n g t h em a i nt a s k so fr e q u i r e m e n t s e n g i n e e r i n g i n c l u d e s e x p l o r i n g e f f e c t i v ew a y st oe l i c i tr e q u i r e m e n t s ，b u i l d i n gt r u ea n dt r u s t f u lt h e o r y ，m e t h o d a n dm e a n so nr e q u i r e m e n t sv a l i d a t i o n i nt h i sa r t i c l e ，i no r d e rt of i n d a l l e f f e c t i v em e t h o do fr e q u i r e m e n te l i c i t a t i o n s ，a c c o r d i n gt ot h eg r a m m a ro f s o r ll a n g u a g e ，d e s i g n e dai n t e r a c t i v et o o lo fr e q u i r e m e n t sv a l i d a t i o n ；i n o r d e rt ob u i l dt r u ea n dt r u s t f u lt h e o r y ，m e t h o da n dm e a n so nr e q u i r e m e n t s v a l i d a t i o n ，i na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t sm e t a - m o d e lw h i c hh a sb e e n f o r m e da n dt h eg o a lm o d e lt o o lw h i c hh a sb e ed e s i g n e df o ro n t o l o g ym o d e l ， d e s i g n e dat o o lf o rr e q u i r e m e n t sm a t c h i n g ，u s i n gj a v a c ct e c h n o l o g ya n a l y s e s o r ls t a t e m e n t s ，t h e ng a i n e dt h ea t o m i cr e q u i r e m e n t s f i n a l l y ，t a k i n gt h e a t o m i cr e q u i r e m e n t sa n da st h es o u r c eo fm a t c h i n g ，w em a k e u s eo f j e n aa p i t oa n a l y s eo n t o l o g ym o d e l ，a n dr e s u l t i n gi nt h em a t c h i n gi n d i c a t o r sw h i c h r e l a t e du s e r sr e q u i r e m e n t s t h et o o l so fr e q u i r e m e n te l i c i t a t i o na n da n a l y s eb a s e do no n t o l o g y i i i 武汉工程大学硕士学位论文 w h i c hw ed e s i g ni nt h i sp a p e ra r ei m p o r t a n tt ot h ea p p l i c a t i o ni nr e q u i r e m e n t e l i c i t a t i o na n dm a t c h i n go fr e q u i r e m e n t se n g i n e e r i n g ，a n dw ec a nu s et h e s e t o o l st ov e r i f yt h ea c c u r a c yo f r e q u i r e m e n t sm o d e l ，t h er e a s o n a b l e n e s so f t h e s o r l g r a m m a r ，t h e ya r eg o o df o rr e q u i r e m e n t se n g i n e e r i n gt od e e p l ys t u d y k e y w o r d s ：r e q u i r e m e n t se n g i n e e r i n g ；o n t o l o g y ；m e t a m o d e l ；o w l ；u m l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杏犟锋 珈8 年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密斫 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：杏碧锋 2 0 d 苌, 年6 月1e t 指导教师签名： 刁武墨 珧年月2e l 第1 章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 需求工程的发展历程 第1 章绪论 自本世纪初以来，由于信息技术及其应用在深度和广度上的飞速发 展，旧的“软件危机”尚未彻底解决，在新形势下又出现了新的“软件 危机 。所谓新形势主要是指：基于网络的信息系统的规模尺度和复杂 程度的剧增；下一代信息网络的发展和逐渐成熟的网格技术；软件中间 件、预购件、a g e n t 技术的逐渐成熟和e n t i t y 、o n t o l o g y 等概念的发展；基 于语义网络的资源聚合技术的逐渐成熟；对信息安全、确认和验证技术 的需求日趋强烈等。解决新形势下的软件危机将是一个综合性的系统问 题，从软件技术的领域而言，应研究针对这类复杂系统的软件工程，即 需求工程。 8 0 年代中期，形成了软件工程的子领域需求工程( r e q u i r e m e n t e n g i n e e r i n g ，r e ) 。进入9 0 年代以来，需求工程成为研究的热点之一。 从1 9 9 3 年起每两年举办一次需求工程国际研讨会( i s r e ) ，自1 9 9 4 年起每两 年举办一次需求工程国际会议( i c r e ) ，在1 9 9 6 年s p r i n g e r v c r l a g 发行了 一种新的刊物( ( r e q u i r e m e n t se n g i n e e r i n g ) ) 。一些关于需求工程的工 作小组也相继成立，如欧洲的r e n o i r ( r e q u i r e m e n t se n g i n e e r i n gn e t w o r k o f i n t e r n a t i o n a lc o o p e r a t i n gr e s e a r c hg r o u p s ) ，并开始开展工作n 1 。 需求工程无疑是当前软件工程中的关键问题，从美国于1 9 9 5 年开始 的一项调查结果就足以看出这一点。在这项调查中，他们对全国范围内 的8 0 0 0 个软件项目进行跟踪调查，结果表明，有1 3 的项目没能完成，而 在完成的2 3 的项目中，又有1 2 的项目没有成功实施。他们仔细分析失败 的原因后发现，与需求过程相关的原因占了4 5 ，而其中缺乏最终用户的 武汉工程大学硕士学位论文 参与以及不完整的需求又是两大首要原因，各占1 3 和1 2 。 需求工程又是软件工程中最复杂的过程之一，其面对的问题几乎是 没有范围的。由于应用领域的广泛性，它的实施无疑与各个应用行业的 特征密切相关。其客观上的难度还体现在非功能性需求及其与功能性需 求的错综复杂的联系上，当前对非功能性需求分析建模技术的缺乏大大 增加了需求工程的复杂性。 最初，需求工程仅仅是软件工程的一个组成部分，是软件生命周期 的第一个阶段。虽然大家也都知道需求工程对软件整个生命周期的重要 性，但对它的研究远远没有对软件工程的其他部分的研究那么深入。 从当前的研究现状来看，需求工程的内容远不止这些。需求工程是 系统工程和软件工程的一个交叉分支，涉及到软件系统的目标、软件系 统提供的服务、软件系统的约束和软件系统运行的环境。它还涉及这些 因素和系统的精确规格说明以及系统进化之间的关系。它也提供现实需 要和软件能力之间的桥梁口1 。 1 1 2 需求工程的主要任务 需求工程是指应用已证实有效的技术、方法进行需求分析，确定客 户需求，帮助分析人员理解问题并定义目标系统的所有外部特征的- - i - j 学科。它通过合适的工具和记号系统地描述待开发系统及其行为特征和 相关约束，形成需求文档，并对用户不断变化的需求演进给予支持。r e 可分为系统需求工程( 如果是针对由软硬件共同组成的整个系统) 和软 件需求工程( 如果仅是专门针对纯软件部分) 。软件需求工程是- - i - 分 析并记录软件需求的学科，它把系统需求分解成一些主要的子系统和任 务，把这些子系统或任务分配给软件，并通过一系列重复的分析、设计、 比较研究、原型开发过程把这些系统需求转换成软件的需求描述和一些 性能参数呤1 。 需求工程的主要任务是：探索行之有效的需求获取方法；实现“用 2 第l 章绪论 户主导、面向领域”的需求建模过程；形成促进协同工作和逐步优化的 需求规格；构建真实可信的需求验证理论、方法和手段；为实现科学的 需求管理奠定理论和方法基础。 1 1 3 需求工程的生命周期 需求工程是一个不断反复的需求定义、文档记录、需求演进的过程， 并最终在验证的基础上冻结需求。8 0 年代，h e r bk r a s n e r 定义了需求工程 的五阶段生命周期h 3 ：需求定义和分析、需求决策、形成需求规格、需求 实现与验证、需求演进管理。近来，m a t t h i a sj a r k e 矛l l k l a u sp o h l 提出了三 阶段生命周期的说法吲：获取、表示和验证。 综合了几种观点，可把需求工程的生命周期划分为以下五个阶段【1 1 ： ( 1 ) 需求获取：通过与用户的交流，对现有系统的观察及对任务进 行分析，从而开发、捕获和修订用户的需求； ( 2 ) 需求建模：为最终用户所看到的系统建立一个概念模型，作为 对需求的抽象描述，并尽可能多的捕获现实世界的语义； ( 3 ) 形成需求规格：生成需求模型构件的精确的形式化的描述，作 为用户和开发者之间的一个协约； ( 4 ) 需求验证：以需求规格说明为输入，通过符号执行、模拟或快 速原型等途径，分析需求规格的正确性和可行性； ( 5 ) 需求管理：支持系统的需求演进，如需求变化和可跟踪性问题。 本文将主要从面向领域的需求获取、需求建模和需求验证等三个阶 段来对网络化软件的需求工程进行研究。 1 1 4 面向领域的需求工程 面向领域的需求工程( 下面都简称为“领域需求工程”) 是对领域 内需求进行获取、分类以及分析的过程，是领域内一系列相似或相关系 统需求的并集，表示领域中用户对各系统功能要求的总和，集中反映领 武汉工程大学硕士学位论文 域中用户对系统的功能需求。领域需求工程不仅要描述领域的需求，而 且要从复用的观点出发，立足于需求的可复用性阳1 。 领域需求工程需要方方面面的人员参加( 如领域专家、领域用户、 系统开发人员、系统分析人员等等) ，各方面的人员有着不同的知识背 景，特别是对领域知识的掌握程度各不相同，这些差异使各方面人员之 间的沟通困难，常常对同一目标系统有不同的认识，造成领域需求多变、 难以预料的局面，人为地给领域需求工程的实施增加了难度，这就是领 域需求工程中所谓的“通信鸿沟 。而领域需求工程在一定程度上可以 视为特定领域知识获取的过程口1 。只有在各方面人员对于领域知识有着共 同理解的前提下，才能保证相互之间沟通顺利，因此，领域需求工程是 建立在对领域知识的充分理解和共享的基础上的。如果能够统一知识的 组织和表达，使之成为领域内各方面人员普遍接受的规范，就有可能解 决知识共享的问题，有效的消除通信鸿沟，保证领域需求工程的成功实 施。 基于本体的领域需求工程以领域本体作为需求分析的元模型，给领 域内各方面的人员提供共同理解和共享的领域知识，并以领域本体来指 导和规范整个领域需求工程。 1 1 5s o r l 的产生背景 软件的规模化定制服务的基本思想是需求牵引和服务推动的相互作 用。随着软件构件资源和服务资源越来越丰富和中间件技术逐渐成熟， 规模化定制需要的柔性生产技术受到广泛关注。一方面，网络上的各种 服务资源聚合成“满足用户需求的个性化服务”，另一方面，“用户的个 性化服务 有来自于“单个用户的个性化需求”和“领域用户群共性需 求 直接之间的协调、整合。目前，需求工程以系统级用户的需求为工 程对象，但随着服务级用户的个性化服务需要的增长，服务用户的需求 过程方法成为网络化软件需求工程的瓶颈。 4 第1 章绪论 网络化软件人网交互过程中，为了能够及时获取大众用户的个性化、 多样化需求，并兼顾需求工程生命周期( 需求的获取，建模，规格形成， 验证和管理) 的处理要求，形成了的一种面向服务的需求描述语言 s o i 也( s e r v i c e o r i e n t e dr e q u i r e m e n tl a n g u a g e ) 。 1 2 研究内容 本文主要介绍了需求工程包括需求建模、需求获取和需求匹配三个 部分。 其中需求建模部分，包括r g p s 需求元模型的构建，研发目标层模型 设计工具，用其进行本体模型的构建，并形成领域本体文件；需求获取 部分，包括面向服务的需求描述语言s o r l 的语法规则的介绍以及s o r l 交互式需求获取工具的研发；需求匹配部分，首先使用j a v a c c 定义s o r l 语句的语义和词法分析器，并解析用户给定的s o r l 语句而得到原子需 求，然后将原子需求作为匹配源，使用j e n aa p l 分析本体模型，得出用户 需求相关联的匹配结果。 1 3 论文结构 本论文共分五章，各章的主要内容如下： 第一章是绪论。首先介绍了本文的选题背景，包括需求工程的发展 历程，主要任务和生命周期，领域需求工程以及s o r l 的产生背景，随后 明确了本文的研究内容及章节安排； 第二章是基于本体的领域需求建模。首先介绍了本文与本体相关的 一些理论知识，如语义w e b 的发展现状，本体的概念，以及元本体、领 域本体和构建本体模型的作用等，接着说明了面向领域的需求建模所面 临的一些难题，然后详细介绍了如何使用u m l 构建r g p s 需求元模型，从 而保证领域需求工程的成功实施，其中着重说明了r g p s 元模型中目标层 元模型的构建过程，最后介绍了目标层的模型设计工具的开发过程，以 武汉工程大学硕士学位论文 及对使用该工具建立的本体模型的实例进行了详细的解析； 第三章需求描述语言s o r l 。首先介绍了s o r l 语言的主要特点，然 后介绍了s o r l 语言的体系结构；接着对s o r l 语言的需求描述元模型， n l p 及其句法语义，s o r l 语句的分类分别进行了详细的说明，另外，按 照s o r l 语言的语法规则产生了一些合法的s o r l 语句作为实例进行分 析； 第四章是基于本体的交互式需求获取工具。本章是以前两章的内容 为基础的，需求获取工具中的“领域模板“部分是通过分析用目标层模 型设计工具构建的本体模型来实现的，并且该工具获取用户的需求最终 是一些符合s o r l 语言的语法规范的s o r l 语句。因此，首先介绍了本体 模型的分析过程，然后说明该需求获取工具的具体开发过程和使用步骤。 第五章是需求匹配。首先对j a v a c c 的基础知识进行了简单的介绍， 接着描述了使用j a v a c c 解析s o r l 语句得到原子需求的过程，并通过实例 对s o r l 语句解析后得到的原子需求进行具体描述，然后说明了使用j e n a a p i 如何分析o w l 本体文件的过程，最后将原子需求作为匹配源，j e a n a p l 分析本体模型，得出用户需求相关的匹配指标； 第六章是总结和展望。通过对需求工程的研究，对论文进行了总结 和展望。 6 第2 章基于本体的需求建模 2 1 本体概述 第2 章基于本体的需求建模 在万维网日益普及的今天，人们充分体会到网络的巨大魅力。但现 在的万维网的功能并不完善，如网页单调枯燥、搜索引擎智能化程度低 等。那么万维网该如何发展呢? t i mb e m e r s l e e 提出了新一代的万维网一 一语义w e b ( t h es e m a n t i cw e b ) 。 语义是指文本的含义。语义需要理解文本的意思和结构，而与显示 方式无关。语义w e b 就是能够根据语义进行判断的网络。 简单地说，语义w e b 是一种能理解人类语言的智能网络，它不但能 够理解人类的语言，而且还可以使人与电脑之间的交流变得像人与人之 间交流一样轻松砸1 。 语义w e b 的目标是使得w e b 上的信息具有计算机可以理解的语义，满 足智能软件代理( a g e n t ) 对万维网上异构和分布信息的有效访问和检索。 要实现这个目标，也就是不同的系统之间能够共同理解，这需要实现信息 在知识级的共享和语义上的互操作。而本体不仅可以形成对资源、知识 等的统一认识，而且支持的推理机制是计算机“理解与处理 的基础，于是 本体自然地成为了语义w e b 发展的基础。 本体为语义w e b 提供了相关领域的共同理解，通过描述领域中概念 的严格定义和概念之间的关系来确定其精确的含义，并表示共同认可的、 可共享的知识。即由本体提供明确定义的词汇表，描述概念、概念特征 的属性、概念之间的关系以及属性之间的约束来表示领域知识。本体的 用途包括交流、共享、互操作、重用等，是解决语义层次上w e b 信息共 享和交换的基础呻1 。 7 武汉工程大学硕士学位论文 2 1 2 本体的概念 本体( o n t o l o g y ) 的定义现在还没有统一的看法，第一个被广泛认定 的定义是由g r u b e r 等人提出的“本体是概念模型的明确的规范说明n 们 。 后来，b o r s t 又在此基础上对本体作了进一步阐述：“本体是共享的概念 模型的形式化的规范说明n 们”。这个定义包括四层含义：概念化 ( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ，明确( e x p l i c i t ) ，形式化( f o r m a l ) 和共享( s h a r e ) ， 具体的描述如下： ( 1 ) 概念化：指通过抽象客观世界中一些事物的相关概念而得到的 模型，其表现的含义独立于具体的环境状态； ( 2 ) 明确性：指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定 义； ( 3 ) 形式化：指本体是计算机可处理的； ( 4 ) 共享：指本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域 中公认的概念集。 2 1 3 本体的分类 本体概念的含义很广泛，可以指任何具体的或抽象的事物，如工作 描述、功能、行为、策略和推理过程等。概念可以在本体模型图中用节 点表示也可以在本体学习系统中通过学习得到，概念可以从输入数据中 提取也可以在本体精炼( r e f i n e ) 的过程中从其它的概念中产生。在基于 术语的概念获得中，个概念节点可以从相应的提取的术语中产生，这 些术语是自然语言的词或短语。然而在基于语义的概念获得中，概念常 常在本体精炼的过程中产生。 本体是客观存在的一个系统的解释或说明，关心的是客观现实的抽 象本质，在软件复用、自然语言处理、协同信息系统、智能信息集成、 i n t e m e t 上智能信息获取、知识管理、信息检索以及语义w e b 等方面得到 8 第2 章基于本体的需求建模 了广泛的应用。依据本体的领域依赖程度，可以将本体划分如下m 1 ： ( 1 ) 顶层本体：主要研究非常通用的概念，如空间、时间、事物、 对象、事件、行为等，他们完全独立于特定的问题或领域。因此，可以 说顶层本体可以是在一个很大的范围内共享； ( 2 ) 领域本体：研究与一个特定领域相关的术语或词汇，如医学、 企业模拟等； ( 3 ) 任务本体：定义通用任务或推理活动，如诊断等。它们都可以 应用项层本体中定义的词汇来描述自己的词汇。任务本体和领域本体处 于同一个研究和开发层次； ( 4 ) 应用本体：描述特定的应用，它既可以引用涉及特定的领域本 体中的概念又可以引用出现在任务本体中的概念。 本文探讨的是面向领域的需求工程，故主要探讨构建领域本体方面 的知识。 2 1 4 元本体和领域本体 一般而言，元本体( m e t ao n t o l o g y ) 描述本体及其本体协调要素的 元数据n 列。例如，两个本体之间的互操作性问题，如语义转换本体或r d f t 本体就是元本体。元本体在本体的进化、本体模型的转换、映射、管理 等方面得到广泛的应用。 另一方面，领域的本体建模一般包括以下三个层次： ( 1 ) 基础本体：独立于领域应用逻辑的基本类型和概念结构； ( 2 ) 核心( c o r e ) 本体：符合上层定义的领域核心概念结构； ( 3 ) 精确本体：符合核心本体的精确的领域概念本体，成功的例子， 如w o r d 2 n e t ，c y c 等。精确本体一般使用u m l 承诺建模。元本体能够 表达本体建模中公共问题求解的知识，类似于软件模式，领域本体建模 中应该尽可能多地组入元本体。 9 武汉工程大学硕士学位论文 2 1 5 构建本体的作用 构建本体的作用n 胡主要是：能够在人与软件代理之间对信息结构达 成共识，方便人机对话；能够使本领域的知识得到共享和重用；使领域 内不同的系统和模型之间能够进行互操作。在对特定领域本体的构造和 设计进行比较深入的研究后，提出利用u m l 概念模型，通过概念模型与本 体之间存在的内在联系进行术语收集，再利用所提出的术语分类方法， 建立领域概念层次树，实现企业管理知识本体，使得企业管理信息系统 能够屏蔽由于系统开发者不同而造成的对领域概念理解上的差异，实现 系统在概念和语义层次上满足信息交换语义化的需求。 2 2 网络本体语言o w l 2 2 1o w l 概述 o w l ( w e b o n t o l o g yl a n g u a g e ，网络本体语言) 旨在用于那些需要 由应用程序而不是由人类来处理文档中的信息的情形。o w l 可被用来明 确表示词汇表中术语的含义以及术语间的关系n 制。本体就是这样表示术 语及术语间的关系的。在表达含义和语义方面，o w ll 匕x m l 、r d f 和 r d f s 有更多的表达手段，因此在w e b 上表达机器可理解内容的能力也比 这些语言强。o w l 是d a m l + o i lw e b 本体语言的修改版，并吸取了在 d a m l + o i l 的设计和应用中得到的经验教训。 2 2 2o w l 的优点 语义w e b 是对未来w e b 的展望。在语义w e b 中，信息被赋予明确的含 义，使得机器自动处理和集成w e b 上的信息更为容易。语义w e b 将构建于 x m l 自定义标签模式的能力以及r d f 灵活的描述数据的方式上。语义 w e b 需要在r d f 之上增加的第一个层次是一种能够对w e b 文档中的术语 1 0 第2 章基于本体的需求建模 含义进行形式化描述的本体语言。如果希望机器能够对这些w e b 文档进 行有效的推理工作，这一本体语言必须超越r d fs c h e m a 的基本语义。 o w l 用例和需求文档提供了更多关于本体的细节，用六个用例推动了对 o w l 的需求，并且规范化了o w l 的设计目标、需求以及目的n 副。 o w l 被设计为满足对w e b 本体语言的需求。o w l 是w 3 c 一系列与语 义w e b 相关的并不断扩大的规范的一部分。 x m l 提供了一种结构化文档的表层语法( s u r f a c es y n t a x ) ，但没有 对这些文档的含义施加任何语义约束。x m ls c h e m a 是一个约束x m l 文档 结构和为x m l 扩充了数据类型的语言。 r d f 是一个关于对象( 或资源) 和它们之间关系的数据模型，且为 该数据模型提供了简单的语义，这个数据模型能够用x m l 语法表示。r d f s c h e m a 是一个描述r d f 资源的属性( p r o p e r t y ) 和类( c l a s s e ) 的词汇表， 提供了关于这些属性和类的层次结构的语义。 o w l 添加了更多的用于描述属性和类的词汇，例如类之间的不相交 性( d i s j o i n t n e s s ) 、基数( c a r d i n a l i t y ) 、等价性、属性的更丰富类型、 属性特征以及枚举类( e n u m e r a t e dc l a s s e s ) 。 2 2 3o w l 的三种子语言 o w l 提供了三种表达能力递增的子语言n 刖，以分别用于特定的实现 者和用户团体。 o w ll i t e 用于提供给那些只需要一个分类层次和简单约束的用户。 例如，虽然o w ll i t e 支持支持基数限制，但只允许基数为o 或1 。提供支 持o w ll i t e 的工具应该比支持其他表达能力更强的o w l 子语言更简单， 相比o w ld l ，o w ll i t e 还具有更低的形式复杂度； o w ld l 用于支持那些需要最强表达能力而需要保持计算完备性 ( c o m p u t a t i o n a lc o m p l e t e n e s s ) 和可判定性( d e c i d a b i l i t y ) 。o w ld l 包 括o w l 语言的所有语言成分，但使用时必须符合一定的约束，例如，一 1 1 武汉工程大学硕士学位论文 个类可以是多个类的子类，但它不能同时是另外一个类的实例。o w ld l 这么命名是因为它对应于描述逻辑，它是一个研究作为o w l 形式基础的 逻辑的研究领域； o w lf u l l 支持那些需要尽管没有可计算性保证，但有最强的表达能 力和完全自由的r d f 语法的用户。这样，不太可能有推理软件能支持对 o w lf u l l 的所有成分的完全推理。 使用o w l 的本体开发者要考虑哪个子语言最符合他的需求。选择 o w ll i t e 还是o w ld l 主要取决于用户在多大程度上需要o w ld l 提供 的表达能力更强的成分。选择o w ld l 还是o w lf u l l 主要取决于用户在 多大程度上需要r d fs c h e m a 的元建模( m e t a m o d e l i n g ) 机制；使用o w l f u l l 相比于o w ld l ，对推理的支持是更难预测的，因为目前还没有完全 的o w lf u l l 的实现。因此，在这里选择o w ld l 来完成领域本体的构建 工作。 2 2 4o w l 的常用语言特性 下一节将说明o w l 描述领域本体的过程，所以这里介绍一些将要使 用的与r d fs c h e m a 有关系的o w l 特性n 5 1 。 ( 1 ) c l a s s ：类定义了因共有某些属性而同属一组的一些个体。例如， d e b o r a h 和f r a n k 都是类p e r s o n 的成员。多个类也可以用“子类 ( s u b c l a s s o f ) 关系组织为一个特定的层次结构。一个内置的最一般的类 被称为t h i n g ，它是所有个体的类，因此是所有o w l 类的父类。另外还 有一个内置的最特殊类被称为n o t h i n g ，它没有任何实例，因此是任意 o w l 类的子类。一 ( 2 ) p r o p e r t y ：属性是个体之间的二元关系，也就是说，属性把两 个个体连接在一起。例如，属性h a s s i b l i n g 可能会把m a t t h e w 禾l g e m m a 这 两个个体连接起来，而属- l 生h a s c h i l d 会把p e t e r 矛i m a t t h e w 这两个个体连接 起来；属性可以有反向( i n v e r s e ) 属性，例女l h a s o w n e r 的反向属性是 1 2 第2 章基于本体的需求建模 i s o w n e d b y ；属性也可以被限制为只能拥有一个值，即所谓的函数属性 ( f u n c t i o n a l ) ；属性还可以是具有传递性( t r a n s i t i v e ) 或是对称的 ( s y m m e t r i c ) 。 ( 3 ) r d f s ：d o m a i n ：一个属性的定义域用来约束该属性可以适用的个 体。如果一个个体以一个属性和另一个体关联，并且该属性用某个类作 为它的一个定义域，那么该个体必然属于这个类。例如，属性h a s c h i l d 可 能声明其定义域为m a m m a l 。据此，一个推理机就可以推出：如果f r a n k h a s c h i l da n n a ，那么f r a n k 必然是一个类m a m m a l 的实例。注意 “r d f s ：d o m a i n ”被称为全局限制，因为该限制是在此属性上声明的，而不 只是当这个属性应用于某个类时声明的。 ( 4 ) r d f s ：r a n g e ：一个属性的值域用来限制哪些个体可以成为属性的 值。如果一个个体以一个属性和另一个体关联，并且该属性的值域是一 个类，那么另外那个个体必然属于此类。例如，可以声明属性h a s c h i l d 的 值域是类m a m m a l 。据此，推理机可以推出：如果l o u i s e 以h a s c h i l d 属 性和d e b o r a h 关联( 臣p d e b o r a h 是l o u i s e 的孩子) ，那么d e b o r a h 是类m a m m a l 的实例。值域同上面的定义域一样也是全局限制。 ( 5 ) i n d i v i d u a l ：个体是类的实例，个体之间可以用属性相互关联。 例如，一个名为“d e b o r a h 的个体可以被声明为类p e r s o n 的一个实例， 个体d e b o r a h 可以用属 生h a s e m p l o y e r 来和个体“斯坦福大学 关联。 2 3 需求元模型的构建 2 3 1u m l 简介 统一建模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 软件工程领域在 1 9 9 5 年至1 9 9 7 年取得了前所未有的进展，其成果超过软件工程领域过去 1 5 年来的成就总和。其中最重要的、具有划时代重大意义的成果之一就 是统一建模语言的出现。在世界范围内，至少在近1 0 年内，u m l 将是面 武汉工程大学硕士学位论文 向对象技术领域内占主导地位的标准建模语言。采用u m l 作为我国统一 的建模语言是完全必要的：首先，过去数十种面向对象的建模语言都是 相互独立的，而u m l 可以消除一些潜在的不必要的差异，以免用户混淆； 其次，通过统一语义和符号表示，能够稳定我国的面向对象技术市场， 使项目根植于一个成熟的标准建模语言，从而可以大大拓宽所研制与开 发的软件系统的适用范围，并大大提高其灵活程度。 u m l 是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。 它溶入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。它的作用域不限于 支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过 程。 面向对象技术和u m l 的发展过程可用上图来表示，标准建模语言的 出现是其重要成果。在美国，截止1 9 9 6 年1 0 月，u m l 获得了工业界、科 技界和应用界的广泛支持，已有7 0 0 多个公司表示支持采用u m l 作为建模 语言。1 9 9 6 年底，u m l 已稳占面向对象技术市场的8 5 ，成为可视化建 模语言事实上的工业标准。1 9 9 7 年1 1 月1 7 日，o m g 采纳u m l1 1 作为基 于面向对象技术的标准建模语言。 作为一种建模语言，u m l 的定义包括u m l 语义和u m l 表示法两个部 分n 引。 ( 1 ) u m l 语义：描述基于u m l 的精确元模型定义。元模型为u m l 的所有元素在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使 开发者能在语义上取得一致，消除了因人而异的最佳表达方法所造成的 影响。此外u m l 还支持对元模型的扩展定义。 ( 2 ) u m l 表示法：定义u m l 符号的表示法，为开发者或开发工具 使用这些图形符号和文本语法为系统建模提供了标准。这些图形符号和 文字所表达的是应用级的模型，在语义上它是u m l 元模型的个体。 从应用的角度看，当采用面向对象技术设计系统时，首先是描述需 求；其次根据需求建立系统的静态模型，以构造系统的结构；第三步是 1 4 第2 章基于本体的需求建模 描述系统的行为。其中在第一步与第二步中所建立的模型都是静态的， 包括用例图、类图( 包含包) 、对象图、组件图和配置图等五个图形， 是标准建模语言u m l 的静态建模机制。其中第三步中所建立的模型或者 可以执行，或者表示执行时的时序状态或交互关系。它包括状态图、活 动图、顺序图和合作图等四个图形，是标准建模语言u m l 的动态建模机 制。因此，标准建模语言u m l 的主要内容也可以归纳为静态建模机制和 动态建模机制两大类。 当今面向对象开发方法已经成为软件开发的主流技术，因此需求分 析的结果应该有效地支持面向对象的软件开发活动。基于这一点，该文 采用了面向对象的建模语言u m l 来表示领域需求工程的结果，以求更好 地将领域需求工程与系统开发结合起来，同时，统一用u m l 来表示领域 需求工程的结果，也有利于实现领域需求的复用。 u m l 强大的图形元素可以为本体模型提供图形化、直观的描述，而 u m l 的次语言o c l ( o b j e c tc o n s t r a i n tl a n g u a g e ，对象约束语言) 可以 为u m l 建立的本体模型提供半形式化的语义描述。 使用u m l 建模，本体的概念可以映射为类或对象，由u m l 语言中的 类图和对象图来表示，本体概念之间的关系映射为类之间或者类与对象 之间的关系，如个体( i n s t a n c e ) 、关联( a s s o c i a t i o n s ) 、聚合( a g g r e g a t i o n s ) 和泛化( g e n e r a l i z a t i o n s ) 等。将u m l 类图与对象图建立本体模型称为本 体模型图( o n t o l o g ym o d e ld i a g r a m ) 。本体模型图中的实体类是在领域 概念的抽象层次上的，因此实体类不包含操作。 2 3 2u m l 构建领域本体模型的优点 基于u m l 构建领域本体模型具有以下几个优点n 7 埔1 ： ( 1 ) u m l 为本体模型的表达提供了标准的图形化表示，这种图形化 的表示方法使领域内各方面人员可以方便地浏览本体，并从中找到他所 要查询了解的概念。而其它逻辑化建模方法只提供了本体的线性语义， 武汉工程大学硕士学位论文 而没有提供图形表示； ( 2 ) 由于u m l 是与具体实现无关的可视化建模语言，因此使用 u m l 建立的本体模型与系统具体的编程语言无关； ( 3 ) o c l 语言具有表达能力强的特点，可以描述逻辑化方法无法描 述的约束问题； ( 4 ) 虽然目前有的本体建模语言也提供了图形化工具，但u m l 是唯 一具有严密、高层次和标准化图形符号和强大的商业支撑工具的本体建 模语言； ( 5 ) u m l 有着庞大并正在急剧增长的用户群，并且相对于一阶逻辑 或者描述逻辑，软件开发者对u m l 更加熟悉，而且也更容易接受u m l 。 2 3 3r g p s 需求元模型的构建 1 面向领域的需求元模型框架 目前，需求元模型的构建方法有很多种，其中包括面向角色的需求 建模方法，面向目标的需求建模方法，面向过程的需求建模方法和面向 服务的动态组合、服务计算、普适计算等，虽然已经存在这么多种方法， 但是仍然没有一个统一的需求建模语言和方法的标准，因此对需求元模 型的研究变得异常重要了。这里结合各种流行的需求建模方法，得到一 个需求元模型的框架n 钉，如图2 1 所示。 图2 1 需求元模型 1 6 镥 求 网 臻 蠢 、，0krj多受| 鼍；奢繁多复车包标程簿 角县过 资 产求务 务用需业服 第2 章基于本体的需求建模 2 r g p s 元模型中层次问的关系 上面提出了需求元模型框架中的四个要素，也就是对需求元模型进 行了分层描述，这里说明一下各个层次之间的关系n 引，如图2 2 所示。 图2 2 需求元模型四要素之间的关系 3 r g p s 元