（计算机应用技术专业论文）基于本体的特定领域需求获取技术研究及应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 以基于本体的特定领域需求获取为主要研究内容，系统分析并总结了目前已有 的基于本体需求获取方法，得出当前方法的缺点是本体为静态一次性构造，缺乏灵 活性。针对当前方法中存在的问题，本文将本体集成算法引入到需求获取过程中， 设计了基于本体集成的特定领域需求获取过程r e o i 并给出了各部分的具体实现， 研究了本体集成算法及需求处理解决方案，改进了基于领域本体的应用本体生成算 法使其支持多元谓词的获取，总结出应用本体到u m l 类图的映射规则以及o w l 元素与u m l 元素的对应关系，进而产生了u m l 类图和软件需求文档。最后以b l a c k 汽车销售公司为例对基于本体的特定领域需求获取过程r e o i 进行了应用研究。 关键词：领域本体，需求获取，本体集成，u m l a b s t r a c t t h i s p a p e rm a i n l y r e s e a r c h e dt h e r e q u i r e m e n t e l i c i t a t i o nm e t h o di n d o m a i n s p e c i f i cb a s e do no n t o l o g y ，a n a l y z e dt h ec u r r e n tm e t h o da n dp r o p o s e di t s s h o r t c o m i n go ft h eo n t o l o g y ss t a t i cs t r u c t u r ea n dl a c ko ff l e x i b i l i t y t h ep a p e r i m p o s e do n t o l o g yi n t e g r a t i o na l g o r i t h mi n t ot h ep r o c e s so fr e q u i r e m e n te l i e i t a t i o n ， d e s i g n e dr e q u i r e m e n te l i c i t a t i o np r o c e s si nd o m a i n s p e c i f i cb a s e do no n t o l o g y i n t e g r a t i o n d r e o ia n di t si m p l e m e n t a t i o n t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h eo n t o l o g y i n t e g r a t i o na n ds o l u t i o n s o fr e q u i r e m e n t p r o c e s s i n g ，i m p r o v e d t h e g e n e r a t i o n a l g o r i t h m o f a p p l i c a t i o no n t o l o g y t om a k ei t s u p p o r t t h e a c q u i s i t i o n o f m u l t i p r e d i c a t e s u m m a r i z e dm a p p i n gr u l e sf r o ma p p l i c a t i o no n t o l o g yt ou m l c l a s s d i a g r a ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no w le l e m e n t sa n du m le l e m e n t s ，t h e n g e n e r a t e du m l c l a s sd i a g r a ma n ds o f t w a r er e q u i r e m e n t sd o c u m e n t a t i o n t h ep a p e r t o o kb l a c km o t o rc o r p o r a t i o nf o re x a m p l et or e s e a r c hr e o i c h e nw e i ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f s o n gy u k e yw o r d s ：d o m a i no n t o l o g y ，r e q u i r e m e n te l i c i t a t i o n ，o n t o l o g yi n t e g r a t i o n ，u m l 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 以基于本体的特定领域需求获取为主要研究内容，系统分析并总结了目前已有 的基于本体需求获取方法，得出当前方法的缺点是本体为静态一次性构造，缺乏灵 活性。针对当前方法中存在的问题，本文将本体集成算法引入到需求获取过程中， 设计了基于本体集成的特定领域需求获取过程r e o i 并给出了各部分的具体实现， 研究了本体集成算法及需求处理解决方案，改进了基于领域本体的应用本体生成算 法使其支持多元谓词的获取，总结出应用本体到u m l 类图的映射规则以及o w l 元素与u m l 元素的对应关系，进而产生了u m l 类图和软件需求文档。最后以b l a c k 汽车销售公司为例对基于本体的特定领域需求获取过程r e o i 进行了应用研究。 关键词：领域本体，需求获取，本体集成，u m l a b s t r a c t t h i s p a p e rm a i n l y r e s e a r c h e dt h e r e q u i r e m e n t e l i c i t a t i o nm e t h o di n d o m a i n s p e c i f i cb a s e do no n t o l o g y ，a n a l y z e dt h ec u r r e n tm e t h o da n dp r o p o s e di t s s h o r t c o m i n go ft h eo n t o l o g y ss t a t i cs t r u c t u r ea n dl a c ko ff l e x i b i l i t y t h ep a p e r i m p o r t e do n t o l o g yi n t e g r a t i o na l g o r i t h mi n t ot h ep r o c e s so fr e q u i r e m e n te l i e i t a t i o n ， d e s i g n e dr e q u i r e m e n te l i c i t a t i o np r o c e s si nd o m a i n s p e c i f i cb a s e do no n t o l o g y i n t e g r a t i o n d r e o ia n di t si m p l e m e n t a t i o n t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h eo n t o l o g y i n t e g r a t i o na n ds o l u t i o n s o fr e q u i r e m e n t p r o c e s s i n g ，i m p r o v e d t h e g e n e r a t i o n a l g o r i t h m o f a p p l i c a t i o no n t o l o g y t om a k ei t s u p p o r t t h e a c q u i s i t i o n o f m u l t i p r e d i c a t e s u m m a r i z e dm a p p i n gr u l e sf r o ma p p l i c a t i o no n t o l o g yt ou m l c l a s s d i a g r a ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no w le l e m e n t sa n du m le l e m e n t s ，t h e n g e n e r a t e du m l c l a s sd i a g r a ma n ds o f t w a r er e q u i r e m e n t sd o c u m e n t a t i o n t h ep a p e r t o o kb l a c km o t o rc o r p o r a t i o nf o re x a m p l et or e s e a r c hr e o i c h e nw e i ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f s o n gy u k e yw o r d s ：d o m a i n o n t o l o g y ，r e q u i r e m e n te l i c i t a t i o n ，o n t o l o g yi n t e g r a t i o n ，u m l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于本体的特定领域需求获取技术研 究及应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：睛伟日期：螂小川 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：! 垄堡导师 e l期：2 亟! ! 兰：! ! ：日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章引言 1 1 1 基于本体的需求获取方法产生的背景 面对日益复杂的软件系统，软件开发的中心任务逐渐由过去的以代码实现为主 变为现在的以需求分析为主，软件需求更加复杂，然而在软件系统的开发过程中， 如何快速地获取和准确地表达用户需求，是长期困扰软件开发者的难题。需求获取 是通过不断交流沟通使软件开发者和领域用户对目标系统形成共识。需求获取的复 杂性来源于客观与主观两个方面。从客观上说，需求分析面临的问题几乎是没有范 围的，其应用领域的广泛性以及它的实施与各个应用行业的特征紧密相关，其客观 上的难度还体现在非功能需求及其与功能需求的错综复杂的联系上，当前对非功能 性需求的分析建模技术的缺乏大大增加了需求工程的复杂性。从主观上说，需求分 析需要方方面面的人员参与( 如领域专家、领域用户、系统投资人、系统分析员、 需求分析员、等等) ，由于各个方面的人员有着不同的着眼点，不同的知识背景， 沟通上的困难给需求获取的实施增加了人为的难度【l 】。一方面，软件开发者由于不 了解应用领域，只能被动的等待领域用户提供信息；他们还难免对领域用户的描述 产生错误的理解，因而得出不适当的需求模型，导致软件开发半途而废【2 】。另一方 面，领域用户通常不知道如何按软件开发的要求去描述他们的需求p j ，由于软件开 发者和领域用户的知识背景不同，考虑问题的角度不同，常对同一个目标系统有不 同的认识，在开发者和用户之间经常产生误解，产生需求多变、难以预料的局面。 由此可见，需求获取具有很大的难度，而且难以重用。 目前，在软件开发的实际项目中，广泛采用基于情景实例的软件需求获取方法 【4 1 ，该方法采用客户较熟悉的情景实例来引导客户逐步提供系统信息，其缺点主要 是不能保证所有的系统构建目标都能被捕获；而且开发人员也要深刻地了解领域系 统的知识。基于情景实例的需求获取方法并没有从根本上解决需求获取中的困难。 领域本体( d o m a i no n t o l o g y ) 作为一种语义模型能够对领域知识进行详细的描 述，表达了领域概念之间的语义关系，因此能够作为各方对相关领域背景知识理解 的基础和交流的桥梁【5 l 。领域本体做为一种可复用的领域模型极大地方便了需求和 领域知识的重用和获取。本体【6 m ( o n t o l o g y ) 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。目前最普遍的本体描述语言有o w l 引、 o n t o l i n g u a 9 1 、c y c l 1 0 j 和l o o m 等。此外，本体的建模工具也有很多，主要有 o n t o e d i t 1 2 】、o n t o l i n g u a 13 1 、p r o t 6 9 6 1 4 】等。目前使用最多的本体编辑工具是p r o t 6 l 华北电力大学硕七学位论文 9 6 ，p r o t 6 9 6 是一个基于j a v a 的本体编辑工具1 卯，它由斯坦福大学的s m i ( s t a n f o r d m e d i c a li n f o r m a t i c sg r o u p ) d , 组开发。 为了解决传统需求获取方法的不足，将特定领域的领域本体引入到需求分析过 程中，不仅使开发者和用户，以及开发者之间在用户需求理解上达成一致，使开发 者和用户更好地沟通，指导用户用标准的方式来表达他们的需求，而且方便需求的 获取并提高需求的准确性；还可以复用专业领域知识，使专业领域内的假设变得更 加明确，并且可以帮助用户分析专业领域知识。由于本体在需求分析领域中有以上 优点，因此，产生了基于本体的需求获取方法。 1 1 2 基于本体的需求获取方法产生的意义 基于本体的需求获取方法的目的是通过在开发者和用户之问建立共享的领域 知识平台，进而引导客户完成需求获取过程，并且形成准确无二义的需求规范；与 此同时，开发团队可充分复用基于共享领域知识的软件需求模型，可以更好地复用 专业领域知识，使得专业领域内的假设变得更加明确，并且可以分析专业领域知识。 与传统的基于情景实例的软件需求获取方法相比，这种基于领域共享知识的需求获 取方法更加系统，并具有高可复用性和精确性等特点【1 6 1 。基于本体的需求获取方法 解决了传统需求获取方法中不能及时准确捕获系统构建目标的缺点，大大提高了软 件需求获取的开发效率和精确性，因而，基于本体需求获取方法的研究及应用对提 高软件开发效率意义重大。 虽然当前基于本体的需求获取方法还没有普及，但随着o w l 网络本体语言等本 体语言的出现、本体编辑器p r o t 6 9 6 的出现，其越来越成熟的工具和技术使大量的特 定领域的领域本体库【1 7 l 【1 8 l 相继出现，这就使基于特定领域的需求获取成为必然，并 最终实现基于该方法的需求获取软件系统，更准确更快速的捕获用户需求，快速生 成需求文档，提高软件需求分析的效率，进而更大地提高软件开发效率。 1 2 国内外研究概况 目前，已经提出了多种基于本体的需求获取方法，依据本体的内容和本体在方 法中的作用可将这些方法分为四类； ( 1 ) 文献 1 9 】，【2 0 1 中由h k a i y a 及m s a e k i 提出的基于本体的需求获取方法 中，领域本体用来表达领域知识，其中包括了领域内所有的概念和关联，就如同领 域术语词典，记录了领域内的所有信息，用户提出的需求都可以用这些概念通过语 义函数来表达，通过用户需求设计的概念与本体中概念的对应程度来判断需求的正 确性、完整性、一致性和无二义性。由此看出该方法严重地依赖于领域本体的质量， 在实践中一次性构建完整的本体是非常困难的，如果本体构建不完全将会使该方法 2 华北电力大学硕士学位论文 受到限制。 ( 2 ) 文献 2 1 】， 2 2 】以企业信息系统为研究背景，提出了组织本体指导领域用户 进行实际系统的描述，用领域的术语规范了数据的形式和范围的方法，以企业本体 和领域本体作为需求获取过程的基本线索，引导领域用户全面描述现实系统。需求 分析员通过重用领域模型，构造应用系统的需求模型。该方法的特点是：通过深化 领域知识，使得需求获取过程更系统、更有效。但是本体中仅包含静态知识，模型 元素以企业信息系统的概念为主，缺乏通用性。文献 2 3 】提出了面向本体的需求分 析方法o o r a ，借鉴本体论观点，在面向对象方法中引入对象关联，并给出各种关 联的语义语用内涵，试图建立一种新型的需求模型。文献 2 4 1 0 0 又提出基于组织本 体的问题领域描述，以问题领域描述为起点的多范例自动建模和分析方法，提出组 织结构的合理性，组织目标的可实现性和组织过程的可行性等三个分析准则，为进 一步的软件需求建模提供依据。文献 2 5 】以基于本体的需求获取和分析方法为背景， 进一步提出将多视点需求建模方法应用到基于本体的需求获取过程中以提高应用 描述的完整性。 ( 3 ) 文献【2 6 】强调领域需求对于软件复用的重要性。文中给出了本体的定义，在 通过元模型分解得到基本需求后，均使用本体对其进行形式化描述，从而能够对需 求的完整性和一致性进行检查。在他们的研究中，本体不是用来引导需求获取，而 是用来表示和分析需求。 ( 4 ) 以上三种方法对存在于应用领域的知识哪些将被包含，哪些将被忽略，没 有给出判定，哪些需要在领域需求模型阶段决定，哪些需要推迟到应用模型阶段。 这些问题在上述三种方法中并没有解决。文献【2 7 】中定义了四种知识本体项层 本体( t o pl e v e lo n t o l o g y ) 、领域本体( d o m a i no n t o l o g y ) 、任务本体( t a s ko n t o l o g y ) 和应 用本体( a p p l i c a t i o no n t o l o g y ) ，并将这四种知识本体应用到需求工程中，通过本体来 表示需求。多本体框架有利于需求获取与重用。与其他方法不同的是，该方法包括 了任务本体。在获取过程中，任务知识和领域知识将诱导需求获取过程，这有利于 获得适当的需求而不是无关紧要的需求。在应用任务本体和领域本体的需求获取过 程中，通过重用本体表示的知识来提高需求复用。该方法首先阐述了 k a d s ( k n o w l e d g ea n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) 知识中的内涵，然后利用顶层本体、 领域本体、任务本体和应用本体来表示知识在不同的等级，并利用该多本体框架进 行需求获取。但是该方法并没有形式化本体中的概念来验证本体，也没有定义领域 需求模型的内部结构，因此，如何形式化本体需求模型并且开发出本体到需求模型 的转换算法是需要解决的问题，且四种知识本体致使本体也为一次性构造，缺乏灵 活性。 3 华北电力大学硕士学位论文 文献【2 8 1 提出了基于本体的领域需求分析方法，以领域本体为线索，统一领域 知识的组织和表达，帮助和引导用户描述系统的需求，规范需求获取的过程，对领 域需求分析和领域工程的实施具有重要的指导意义，文献 2 9 1 主要论述了从基于领 域本体的应用需求描述到基于u m l 的软件需求文档的自动转换过程，目前均取得 了一定成果。 此外，在本体描述语言方面，由于本体描述语言多基于复杂的语法和逻辑，不 利于领域专家进行需求分析，文献 3 0 】中提出了一个为领域专家使用的最自然的语 言p n l o d l ，设计并实现了基于p n l o d l 的本体构建工具，领域专家可以用类自 然语言的方式方便地书写领域本体文档：并借助本体构建工具将领域本体的文档转 化为可供检索和重用的结构化本体库，从而便于领域需求分析进行自动获取。 随着o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 网络本体语言的兴起，文献1 1 6 提出了基于 o w l 的软件需求获取，o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) l 网络本体语言是由w 3 c ( t h e w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ) 组织设计并推荐的标准，其目的是为了提供一种可以用 于各种应用的语言，而这些应用需要理解内容，从而代替只是采用人类易读的形式 来表达内容。由于o w l 能够清晰的表达词汇表中的词条( t e r m ) 的含义以及这些词条 之间的关系，并且可以被机器识别，以及基于o w l r d f 的本体编辑器p r o t 6 9 6 、j e n a 2 a p i 为核心的w e b 语义工具集的出现，使得基于本体的需求获取方法的软件实现成 为可能。 1 3 目前存在的问题 首先，目前基于本体的需求获取方法都是基于静态本体的方法，均针对某一个 特定领域构造好领域本体后再进行需求获取，并没有考虑需求多变的情况，而实际 中，软件系统是非常复杂的，领域知识也是不断变化的，而现有的单一的领域本体 往往不能满足需求获取的需要。领域本体的构造不可能一次性的完整构造，因此需 要一种能够根据用户需求动态构造领域本体的方法来满足需求获取。 其次，在基于本体的需求获取过程中，领域本体存储了大量的领域信息，如何 将符合用户需求的领域信息提取出来，用于引导需求获取是目前该方法的一个难 点，如何根据用户的需求，检索出符合用户需要的领域信息是目前需要解决的问题。 再次，在引导用户进行需求获取的过程中，如何引导用户理清其业务知识的脉 络，并给出正确的软件需求是目前仍然需要解决的问题，因此，需要寻找到一种合 理的，通用的需求信息获取与分析机制来满足用户对于领域业务需求的多层次描 述，建立需求信息冲突检验及处理策略，保证所获取的需求信息的语义一致性和数 据完备性。 4 华北电力大学硕士学位论文 最后，如何通过领域本体构造出适合软件开发的需求模型( r e q u i r e m e n tm o d e l ) ， 是需求获取的关键。只有正确的构造出软件需求模型，才能引导用户进行需求获取， 最终生成软件需求文档。目前存在的问题是如何将领域本体转化成能够描述软件需 求的u m l 类图，如何生成软件原型是目前需要解决的问题。目前文献 1 7 】提出的方 法是通过领域本体构造出企业本体，进而构造出应用本体，但是如何根据应用本体 构造出适合软件开发的u m l 类图模型，是需要解决的一个问题。 1 4 论文的主要工作及组织结构 首先，本文以基于本体的特定领域需求获取技术为主要研究内容，系统的分析 了目前已有的基于本体的需求获取方法，并将目前的方法分为四类，经过对比，分 别给出了四类方法的优点与不足，将本体集成( o n t o l o g yi n t e g r a t i o n ) 应用到基于本体 的特定领域需求获取过程中，较好地克服了当前四类方法中领域本体为静态一次性 构造，并不适应于灵活多变的软件需求的缺点，设计出了基于本体集成的特定领域 需求获取过程r e o i ( r e q u i r e m e n te l i c i t a t i o nb a s e do no n t o l o g yi n t e g r a t i o n ) ，然后分别 对l 辽o i 的各个部分如何实现进行阐述。 其次，本文研究了基于x m l 的需求信息检索方法。研究了基于x m l 自行调整 粒度的的需求信息检索方法，针对其采用余弦相似度函数来计算文档向量相似度的 不足，本文采用j a c c a r d 相似度计算函数来计算文档向量间的相似度，使得该检索 算法具有较强通用性的特点，为后续章节中的从基于x m l 文档中检索需求信息作 铺垫。 再次，本文研究了需求处理解决方案及基于领域本体的面向对象类图的生成。 给出了需求处理解决方案，通过与用户交互的方式利用需求信息检索方法从应用本 体中检索出用户需要的信息，然后通过需求信息处理解决方案和冲突检验及解决策 略，对检索出的需求信息进行处理，最终能够自动生成真正反映用户需求的软件需 求文档。研究了基于领域本体的面向对象类图的生成，分为两个阶段，第一阶段是 针对各个特定应用，在领域本体的基础上进行应用本体的获取，研究了基于领域本 体的应用本体的获取算法，并给出了基于领域本体的应用本体获取算法的改进算 法，使其支持多元谓词的获取。第二阶段是基于该应用本体u m l 类图的生成，分 析了本体中概念之间的关系以及u m l 类图中概念之间的关系，主要研究了应用本 体到u m l 类图模型的转化规则，系统的总结出了o w l 元素到u m l 元素的映射表， 以及o w l 中的元素关系到u m l 类图的转化过程。 最后，本文以企业销售领域为例，系统的分析了企业销售领域中领域本体的构 建，通过本体编辑器p r o t 6 9 6 3 3 1 实现了企业销售领域中的虚拟领域本体的建立。 5 华北电力大学硕士学位论文 以b l a c k 汽车销售公司为应用实例，通过企业销售领域本体构造了b l a c k 汽车公司 销售领域的应用本体，并根据该应用本体以及检索出的用户信息构造了b l a c k 汽车 销售公司销售管理系统的面向对象类图以及需求文档。 本文组织结构如下： 第一章，系统分析和总结了基于本体的需求获取方法产生的背景、意义以及国 内外研究动态，将当前的主流方法分为四类，对比了他们的优点与不足，探讨了目 前四类方法中存在的不足。 第二章，为基本理论和相关技术，主要研究了本体的定义、描述语言以及领域 本体、应用本体的形式化定义，研究了领域需求获取与求精，领域需求分析机制， 第三章，研究了基于x m l 的需求信息检索方法。研究了基于x m l 自行调整粒 度的的需求信息检索方法，针对其采用余弦相似度函数来计算文档向量相似度的不 足，本文采用j a c c a r d 相似度计算函数来计算文档向量间的相似度，具有通用性的 特点。本章为后续章节中的从基于x m l 的领域本体中检索需求信息作铺挚。 第四章，将本体集成引入需求获取方法中，设计出了基于本体集成的特定领域 需求获取过程r e o i ( r e q u i r e m e n te l i c i t a t i o nb a s e do no n t o l o g yi n t e g r a t i o n ) ，并对 r e o i 的各部分的实现进行了阐述。研究了本体集成算法，给出了需求处理解决方 案，改进了基于虚拟领域本体的应用本体获取算法，使得应用本体获取算法支持多 元谓词的获取，研究了应用本体到面向对象类图的转化规则，系统总结了o w l 元 素到u m l 元素的映射表及o w l 本体到面向对象语言的转换方法。 第五章，以企业销售领域这个特定领域为例，通过分场景的方法构造出基本领 域本体，然后按照第4 1 节中设计的基于本体集成的需求获取方法r e o i ，根据用户 需求利用4 2 节给出的的本体集成算法将基本领域本体集成，构造出符合用户需求的 虚拟领域本体。以b l a c k 汽车销售公司为例，通过4 4 节的基于虚拟领域本体的应用 本体获取算法以及4 5 节、4 6 节的应用本体到面向对象类图的转化，将应用本体转 化为满足用户需求的u m l 类图。同时，利用需求处理解决方案来生成基于x m l 的需 求文档。用户可以根据生成的基于x m l 的需求文档和u m l 类图进行软件开发。本文 采用斯坦福大学开发的本体编辑器p r o t 6 9 6 3 3 1 实现了各个场景的企业销售领域基 本领域本体以及企业销售领域虚拟领域本体的构造。 第六章对全文进行了总结，并对未来的发展趋势进行了预测。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 本体综述 2 1 1 本体定义 第二章基本理论 本体( o n t o l o g y ) 最早是一个哲学概念，从哲学的范畴来说，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。后来，随着人工智能的发展， 被人工智能界给予了新的定义。目前获得大部分研究者公认的本体定义是t o m g r u b e r 于1 9 9 4 年s r k b ( s h a r e dr e u s a b l ek n o w l e d g eb a s e s ) 的邮件列表中提出的定 义：“本体是共享概念模型的明确形式化规范说明【3 i 】。下面给出本体的定义： 定义2 1本体：本体是一个三元组( 概念视图c ，关系r ，公理约束a ( x ) ) ，其中 ( 1 ) 概念视图c ：实体、操作、属性、条件、实例；( 2 ) 关系r ：存在于概念视图之间； ( 3 ) 公理约束a ( x ) ：代表永真断言。公理可以用于多种目的，比如约束信息，正确性 检查或者推论新的信息等等必须满足的公理【3 2 l 。 2 1 2 本体的描述语言 本体的描述语言是本体研究的重要部分之一，目前的本体描述语言分为两类： 基于一阶逻辑的o n t o l o g y 描述语言，如o n t o l i n g u a l 9 1 、c y c l l l 0 1 、和l o o m 1 1j 等；基 于语义w e b 的本体描述语言8 l ：如r d f 和o w l 等。 表2 - 1o w l 支持的类构造符及公理 构造符号含义描述逻辑式例子 i n t e r s e c t i o n o f 类交 c i n ，n c n s t u d e n t ob o y u n i o n o f类并 c lu ，u c n m a l e1 3f e m a l e c o m p l e m e n t o f 类补一c1 f e m a l e 0 n e o f枚举 x l9 , 0 9 x n ) l im i n g ，w a n gj i a a 1 1 v a l u e s f r o m 全称限定v e c v h a s c h i l d t e a c h e r s o m e v a l u e f r o m 存在限定 了p c了h a s c h i l d t e a c h e r h a s v a l u e值限定 了p x ) j h a s c h i l d w a n gc h a o m i n c a r d i n a l i t y 最小基数n p2 h a s si s t e r m a x c a r d i n a l i t y 最大基数 n plh a s s i s t e r c a r d i n a l i t y 基数值 = n p= lh a s b r o t h e r o w l l 8 】由w 3 cw 曲本体论工作小组设计，o w l 是本体论描述语言( o n t o l o g y 7 华北电力大学硕士学位论文 w e bl a n g u a g e ) 。o w l 是在d a m l ( t h ed a r p aa g e n tm a r k u pl a n g u a g e ) 的基础上发 展起来的。o w l 在r d f s 的基础上添加了更多用于描述属性和类型的词汇。o w l 语言有3 个子语言：o w l l i t e ，o w l d l 和o w l f u l l 。本文采用的是基于描述 逻辑( d e s c r i p t i o nl o g i c ) 的o w l d l 子语言，其有丰富的表达能力，并且具有可判定 的推理能力m j 。 o w l 支持的类构造符及公理如表2 1 所示。 o w l 提供的公理构造符如表2 - 2 。 表2 - 2o w l 公理构造符 a x i o md l s y n t a xe x a m p l e s ub c l a s s o f c ic _ c n h u m a nc _ a n i m a l 1 7a i p e d e q u i v a l e n t c i a s s c i - c n m 柚考h u m a n nm a i e d i s j o i n t w i t h c i 一c n m a l e f e m a l e s a m e l n d i v i d u a l a s x 1 ) 兰 x 2 p r e s i d e n t _ b u s h = g w b u s h d i f f e r e n t f r o m x 1 ) 1 x 2 1 j o h n g 一 m a r y s u b p r o p e r t y o f p i p 2 h a s s o n h a s c h i l d e q u i v a l e n t p r o p e r t y p l - p 2c o s t 考p r i c e i n v e r s e o f p 1 善p 2h a s c h i l d - - h a s p a r e m t r a n s i t i v e p r o p e r 锣 p + c _ pa n c c s t o r + c - a n c e s t o r f u n c t i o n a l p r o p e r 哆 t l p t i h a s m o t h e r i n v e r s e f u n c t i o a n i p r o p e r t t i p t c _ l h a s s s n 2 1 3 本体的设计准则 出于对各个问题域和具体工程的考虑，本体的构造过程各不相同，为了指导本 体的设计和评估，设计人员提出了各自的本体设计标准，最有影响的是g r u b e r 在 1 9 9 5 年提出的5 条规则【3 1 】： ( 1 ) 明确性和客观性：o n t o l o g y 应该用自然语言对所定义的术语给出明确、客 观的语义定义。 ( 2 ) 完全性：所给出的定义是完整的，完全能表达所描述的术语的含义。 ( 3 ) 一致性：用术语得出的推论与术语本身的含义是相容的，不会产生矛盾。 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 最大单调可扩展性：向o n t o l o g y 中添加通用或专用的术语时，不需要修改 已有的内容。 ( 5 ) 最小承诺：对待建模对象给出尽可能少的约束。 目前大家公认在构造特定领域的o n t o l o g y 的过程中需要领域专家的参与。 2 1 4 本体的图形化表示一 在软件开发和需求获取中，为了便于领域专家和软件工程师之间进行交流，用 图形化表示领域本体知识是非常合适的。 所谓图形化语言表达本体( g r a p h i c sl a n g u a g ef o re x p r e s s i n go n t o l o g y ) ，即图形 化语言必须拥有基本的元语来表达一个领域概念模型，最简单的形式就是应该有表 达概念和关系的符号。 u m l 语言表示：c r a n e f i e l d 在论文中提出了一种用u m l 来表示本体的方法， 即，把本体当作一个静态模型，模型中包含了类图，关系符号和对象图( 3 3 1 。在类图 中，每个类由类名，类属性( 包括名字，类型和可见性) 和类的操作( 函数) 组成。由于 本体是一种形式化的概念模型，其中只有概念和关系，而类，属性，操作是不属于 本体本身的，是面向对象的概念，因此我们需要把用到的u m l 图形符号抽取出来。 用u m l 的子集来表示本体。这样使得语言简单易懂，容易被软件开发领域的大多 数人所接受。 基于u m l 子集的图形化语言的基本图形符号包括三个部分：概念( c o n c e p t ) 符 号、普通关系( r e l a t i o n ) 符号、强语义关系符号，如图2 - 1 所示。 g e n c r a l i t a t i o n a g g r e g a r c o n 巴兰弓e 兰| c 。m 删。n 图2 1 基于u m l 子集的本体图形化语言的基本图形符号 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 领域本体和应用本体的形式化定义 2 2 1 领域本体的定义 领域本体是描述特定领域的一种专f - j , 体，它给出了领域实体概念及其相互关 系，领域活动以及该领域所具有的特征和规律的一种形式化描述。从开发者的角度 看，领域本体定义了开发者之间需要共享的领域信息的公共词汇；从系统的角度看， 领域本体定义了能被机器理解的领域概念及其关联【3 4 1 本文将领域本体重新定义， 如定义2 2 。 定义2 2 领域本体的形式化定义：一个领域本体定义为：o = 其中，d o m n a m e 代表本体名，d o m t y p e s 代表领域本体中的概念集，d o m c o n a s s s 代表领域概念类 关系集，d o m t y p e h 代表概念之间的类层次结构，d o m m e t h o d 代表领域中的方法集， d o m a t t r 代表领域中概念的属性集合，d o m i 代表本体的所有公理集合，d o m p 为领 域本体公理中的谓词集合。 2 2 2 应用本体的定义 应用本体包含特定领域建模所需的全部知识，应用本体是对领域本体的进一步 实例化和精细化，应用本体的获取是通过重用领域本体快速的获取特定应用中的概 念和关系，生成应用本体【z 。本文在参考了文献 2 1 】对于应用本体的形式化定义的 基础上，将应用本体重新定义，如定义2 3 。 定义2 3 应用本体的形式化定义：一个应用本体定义为：o = ，其中，a p p n a m e 代表本体名，a p p c o n s 为应用描述中提取的概念集。a p p m e m f 是应用概念集 ( a p p c o n s ) 到领域概念集( d o m t y p e s ) 的一个映射( 函数) ，表示应用概念的类属关 系，a p p c o n a s s s 是一组应用概念之间的关系，其中的关系满足领域本体中的关系 约束。a p p a t t r 代表应用本体概念中的属性集合，a p p i 代表应用本体的公理集合。 a p p p 代表应用本体的谓词集合。 2 3 领域需求获取与求精 2 3 1 领域需求元模型 领域是一系列含有相同功能的系统，这些系统涉及一个特定的问题领域，并且 有可变性满足不同的个性化需求。在领域工程的过程中，有多种类型的参与者参加 领域需求采集、分析过程。为了减少复杂度，根据视点将问题领域分解成几个部分， i o 华北电力大学硕士学位论文 每个部分的需求分别采集然后再集成到完整需求中去。分解和集成的过程势必要导 致需求的矛盾和不一致性，这种矛盾和不一致性需要在开发过程中管理起来。通过 使用本体定义中的推理逻辑，易于实现对不一致性的检测和分析。当领域中增加新 功能时，可使用这种检测和分析方法来判断新功能是否和领域中原有需求相矛盾。 对文献 3 5 1 中的领域需求元模型进行改进后如图2 - 2 所示。 图2 - 2 领域需求元模型 元模型有一个领域需求做为模型的核心元素，领域需求被分成功能性和非功能 性的需求。功能性需求可以被分解成原需求( p r 即p r i m i t i v er e q u i r e m e n t ) ，根据p r 在 多少个系统中存在来分析p r 的共同和可选属性，某些p r 之间有关联关系。非功能性 需求，即质量特征，包含性能、吞吐量、有效性和错误恢复能力等。非功能性需求 和功能性需求之间也有关系并影响功能性需求。我们根据主题把共性需求分类成多 个集合，在p r 级用配置文件和使用维度值的方法来实现变点，非功能性需求分 在一个独立的集合中。用本体定义将需求用如下方式表示： r e q u i r e m e n t s = c ，kh ，t ，其中，c ：需求集合，包含功能和非功能需求，原 需求( p r ) 和非功能需求在不同集合中；r ：p r e l e m e m 之间以及非功能需求和 p r e l e m e n t 之间的关系；h ：多维空间包含全部的需求和关系；t ：需求空间的约束， 是定理的集合。 2 3 2 领域需求获取与求精 根据以上本体描述方法来获取和求精领域需求。包括：定义领域术语；分解领 域需求；对领域需求求精，得到p r 并且用本体来描述p r 。这个过程将得到p r 的描 述和p r 之间的关系。 第一阶段：定义领域术语。为了开发精确和一致的领域需求，我们必须定义领 1 1 华北电力大学硕士学位论文 域使用的基本术语。定义术语的原则要保证术语在领域范围内。本体的基本要素是 概念和关系，所以基于本体的领域术语包含领域概念和概念之间的关系。领域术语 组成术语词典，属于词典将随着领域分解的过程不断演化。 第二阶段：分解领域需求。领域需求可能很复杂，所以将问题领域分解成多个 子问题域，即在问题领域层描述尽可能多的细节的一系列任务。主观分解方法通过 h a r r i s o n 和o s s h