（计算机软件与理论专业论文）uml到owl映射方法与工具的研究.pdf

摘要 作为下一代的万维网，语义w e b 的目标是赋予信息明确定义的含义，使计 算机和人更好地协同工作语义w e b 提供了一个通用的框架，使得不同的应用 程序、企业以及社群能够共享和复用w e b 数据。本体提供了一个形式化的、机 器可理解的方法来系统化地定义w e b 数据的语义，因此它在语义w e b 中扮演着 非常重要的角色。显然，语义w e b 的成功和繁荣需要快速和便利地创建w e b 本 体。然而，使用现有本体编辑器手工开发本体是一项冗长而繁琐的工作，极容易 导致知识获取的瓶颈；另一方面，大量可复用的知识却存在于遗留系统( 如w e b 数据库) 中。因此研究从现有知识表示模型( 如u m l ) 到o w l 的映射方法和 工具可以简化w e b 本体的开发。针对现有相关研究的不足，本文提出了一种从 u m l 类图到o w ld l 本体映射的语义保持的方法，并设计开发了相应的( 原型) 软件工具u m l 2 0 w l ，进行了实验验证与案例研究。 首先，描述了从u m l 类图到o w ld l 本体映射的形式化方法。该方法基 于u m l 和o w l 之间的语义对应，依照一组预定义的u m l 类图到o w ld l 本 体的映射规则，实现类图一本体转换接着，通过u m l 类图的合法数据状态和 o w l d l 本体的关系描述模型存在的对应关系，形式证明了映射规则是语义保持 的。而后，详细论述了原型工具的设计与实现的方法。最后用两个典型的案例验 证了本文方法的有效性，展示了全自动的机器转换是可实现的。本文方法在现有 w e b 数据库和语义网之间架设了一座语义互操作性桥梁。 关键词：本体开发；本体学习；u m l 类图；o w l 本体；语义网 a b s t r a c t a st h en e x tg e n e r a t i o no ft h ec u r r e n tw e b ，t h es e m a n t i cw e ba i m st og i v e i n f o r m a t i o nw e l l d e f i n e dm e a n i n ga n db e t t e re n a b l ec o m p u t e r sa n dp e o p l et ow o r ki n c o o p e r a t i o n t h es e m a n t i cw e bp r o v i d e sac o m m o nf r a m e w o r kt h a ta l l o w sw e b d a t a t ob es h a r e da n dr e u 曲da cr o s sa p p l i c a t i o na n de n t e r p r i s eb o u n d a r i e s o n t o l o g i e sp l a y a ne s s e n t i a lr o l ei ns u c ha ne f f o r t , p r o v i d i n gas y s t e m a t i cm e a n sf o rd e f i n i n gw e b d a t as e m a n t i c si naf o r m a l ，m a c h i n e p r o c e s s a b l ew a y t h u st h es u c c e s sa n d p r o l i f e r a t i o no ft h es e m a n t i cw e bd e p e n d so nq u i c k l ya n dc h e a p l yc o n s t r u c t i n g 彤e 6 o n t o l o g i e s m a n u a ld e v e l o p m e n to fw e bo n t o l o g i e su s i n gc u r r e n to w l a w a r ee d i t o r s r e m a i n sat e d i o u sa n dc u m b e r s o m et a s kt h a tc a l le a s i l yr e s u l ti nak n o w l e d g e a c q u i s i t i o nb o t t l e n e c k m o r e o v e r ，t h e r ei ss i g n i f i c a n tr e u s a b l ek n o w l e d g er e m a i n si n l e g a c ys y s t e m s ( s u c ha sw e bd a t a b a s e s ) t h e r e f o r ed e v e l o p i n ga p p r o a c h e sa n dt o o l s f o rm a p p i n ge x i s t i n gk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm o d e l s ( s u c ha su m l ) t oo w lc a n f a c i l i t a t et h ed e v e l o p m e n to fw e bo n t o l o g i e s a d d r e s s i n gt h ef l a w sa n dl i m i t a t i o n so f r e l a t e dw o r k , m yw o r kp u t sf o r w a r das e m a n t i c p r e s e r v i n ga p p r o a c ht h a tm a p su m l c l a s sd i a g r a m st oo w ld lo n t o l o g i e s ，i m p l e m e n t sac o r r e s p o n d e n tp r o t o t y p et o o l u m l 2 0 w l ，a n dc a r r i e so u tc a s es t u d i e st op r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h i sa p p r o a e e a tf i r s t , af o r m a la p p r o a c ht oc o n v e r t i n gu m lc l a s sd i a g r a m si n t oo w ld l o n t o l o g i e si sp r e s e n t e d o nt h eb a s i so fap r e c i s ec o n c e p t u a lc o r r e s p o n d e n c eb e t w e e n u m la n do w ld l ，t h i sa p p r o a c hr e a l i z e sac o n v e r s i o nf r o mc l a s sd i a g r a mt o o n t o l o g yr e l y i n go nas e to fp r e - d e f i n e dm a p p i n gr u l e sf r o mu m l c l a s sd i a g r a m st o o w ld lo n t o l o g i e s t h e nt h es e m a n t i cp r e s e r v a t i o no fm a p p i n gr u l e si sf o r m a l l y p r o v e d b yt h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nl e g a ld a t a b a s es t a t e sf o rau m l c l a s sd i a g r a m a n d r e l a t i o n d e s c r i p t i v e m o d e l so fo w ld lo n t o l o g y c o n c e p t i o na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h et o o la l ep r e s e n t e da f t e r w a r d s f i n a l l y , c a s es t u d i e ss h o wt h a t t h ep r o p o s e da p p r o a c hi se f f e c t i v ea n dt h ef u l l ya u t o m a t e dm a c h i n ec o n v e r s i o ni s r e a l i z a b l e t h ep a p e r sa p p r o a c ha c t sa sag a p - b r i d g eb e t w e e ne x i s t i n gw e bd a t a b a s e s a n dt h es e m a n t i cw 色b k e y w o r d s ：o n t o l o g yd e v e l o p m e n t ；o n t o l o g yl e a r n i n g ；u m lc l a s sd i a g r a m ；o w l o n t o l o g y ；s e m a n t i cw e b 独创性声明 本人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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者签名：歧望；专、 签字日期：j 。6 年6 月日 学位论文版权使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容 的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 学位论文作者签名：签字日期：j d 0 6 年6 月 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀。下匕 l e l 研究背景与选题依据 经过十多年的迅速发展，今天的w e b 已成为一个庞大的，而且越来越大的信息仓 库。当前w e b 可以被称为第二代w e b ，第一代w e b 是手写的h t m l ( h y p e r t e x tm a r k u p l a n g u a g e ) 页，第二代w e b 的网页可以由机器生成，称之为动态网页。手写的h t m l 页以及后来发展起来的动态网页都缺乏对内容语义的描述能力，计算机仅限于传送和表 示信息，并不能真正帮人类处理信息。知识的表示越规范化、形式化，机器就越容易处 理与理解。 w e b 创始人t u nb e m e r s l e e 首次于1 9 9 8 年提出了语义w e b ( s e m a n t i cw e b ) 的构 想【1 1 。t t mb e m e r s - l e e 指出 2 1 ：语义w e b 是当前w e b 的一种扩充，w 曲信息将给予明 确定义的含义( 语义) ，以使计算机和人更好地协同工作。作为下一代万维网，语义w e b 使w e b 上的信息具有计算机可以处理的语义，实现了信息在语义层次的互操作能力， 从而使得计算机和人类能够更好地协同工作。 语义w 曲对信息语义的描述采用本体( o n t o l o g y ) 技术。本体是一组描述某领域内 实体及其属性以及实体关系的词汇定义和公理的集合，在语义w e b 中起着举足轻重的 作用，它不仅能为人类而且能为软件代理( s o f t w a r ea g e n t ) 提供从语法层次到语义层次 上的互操作性。本体的目标是捕获相关领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确 定该领域内共同认可的词汇，并在语义层次上给出这些词汇( 术语) 和词汇问相互关系 的明确定义。本体是解决语义层次上w e b 信息共享和交换的基础瞄j 。 由于x m l 已经成为当前互联网上数据交换的标准语言，为了简化语言分析器的任 务，支持本体信息交换，就产生了以x m l 为语法基础的本体语言，包括：r d f n 和r d f s c h e m a 【5 】( 统称为r d f ( s ) ，可以认为是一种轻量本体语言) 、d a m l + o i l t 6 1 和o w l 【7 j 等。 r d f ( s ) 奠定了表示w e b 资源语义的基础，尤其是r d fs c h e m a 可以被认为是轻量 本体语言，它提供了一种描述事物以及相互关系的基本机制，包括资源( r d f s ：r e s o u r c e ) 、 类( r d f s ：c l a s s ) 、属性( r d f p r o p e r t y ) 、子类关系( r d f s ：s u b c l a s s o f ) 、子属性关系 ( r d f s ：s u b p r o p e r t y o f ) 、实例关系( r d f ：t y p e ) 、定义域( r d f s ：d o m a i n ) 、值域( r d f s ：r a n g e ) 等基本原语。但是，r d f ( s ) 的表达能力非常有限，这就需要对其进行扩展。 万维网联盟( w 3 c ) 已于2 0 0 4 年2 月1 0 日发布了w e b 本体语言( w e bo n t o l o g y l a n g u a g e ，简称o w l ) 推荐标准( r e c o m m e n d a t i o n ) 1 7 1 。o w l 建立在r d fs c h e m a 基 础之上，是d a m l + o i l 语言的后继和标准化。o w l 语言的主要特征有峭j ：( 1 ) 一个 o w l 本体是一系列公理( a x i o m ) 加上对其它本体的引用，它本身是w e b 文档，可通 第一章绪论 过u r l 引用；( 2 ) 公理给出了类和属性的逻辑含义，包括类公理、属性公理和个体公 理，即事实( f a c t ) 。o w l 有三个表达力递增的子语言：o w ll i t e 、o w ld l 和o w lf u l l 。 o w l l i t e 支持那些主要需要分类层次和简单约束的用户。比如，o w l l i t e 支持基 约束，但它仅允许基约束的值为0 或l 。为o w ll i t e 提供工具支持应比为表达力更强 的其它子语言( d l 和f u l l ) 更为容易；同时也更容易为从词典( t h e s a u r u s ) 或其它分类 系统( t a x o n o m y ) 到o w ll i t e 的移植提供支持。 o w l d l 支持那些想获得最大表达力但要保证计算的完备性( 所有结论确保是可计 算的) 和可判定性( 所有的计算可以在有限时间内完成) 的用户。o w ld l 包括所有 o w l 构造子( c o n s t r u e t s ) ，但是这些构造子要在一定的约束下使用。比如，类型隔离( t y p e s e p a r a t i o n ) ，即一个类不能同时一个个体或属性，一个属性不能同时是一个类或个体等。 o w l d l 之所以这样命名是由于它和描述逻辑( d e s c r i p t i o nl o g i c s ，d l ) 的对应性。o w l d l 的设计目的是支持现有的描述逻辑和为推理系统提供预期的计算特性 ( e o m p u t a t i o n a lp r o p e r t i e s ) 。 o w lf u l l 是支持那些想获得最大表达力和r d f 语法自由但无法确保计算完备性与 可判定性的用户。比如在o w lf u l l 中，一个类既可以是个体的集合，同时也可以作为 一个个体对待。o w lf u l l 允许一个本体增强预定义o w l 或r d f 词汇的语义。需要注 意的是，任何推理软件都不可能支持o w lf u l l 的全部特性。 以上每一个子语言都是其前者的扩展。下面是它们之间的关系，这些关系是不可逆 的： 每个合法的o w ll i t e 本体是一个合法的o w ld l 本体。 每个合法的o w ld l 本体是一个合法的o w lf u l l 本体。 每个合法的o w ll i t e 结论是一个合法的o w ld l 结论。 每个合法的o w ld l 结论是一个合法的o w lf u l l 结论。 本体是实现语义w e b 的关键，它们捕获( c a p t u r e ) 语义w 曲中内容的含义，即提 供标记的词汇表，为传统w e b 添加语义信息。本体在语义w e b 中的重要性促进了标准 w e b 本体语言o w l 的建立，以及其它基于o w l 的本体工程工具的开发，以帮助人们 创建各种各样的语义w e b 应用程序。近些年来，本体方面的研究取得了很大的进步， 出现了许多支持本体开发的本体编辑器。它们功能各不相同，对于本体语言的支持能力、 表达能力、逻辑支持能力以及可扩展性、灵活性、易用性等都相差很大，其中较著名的 有p r o t 6 9 6 1 、o n t o e d i t 2 、o n t o l i n g u a 3 等。虽然近年来本体编辑器已经渐渐成熟，为本体 开发提供了许多便利，但是使用现有本体编辑器手工开发本体仍然还是一项冗长繁琐的 工作，需要对新的本体语言非常了解，而且很容易造成知识获取瓶颈。所以很有必要研 1 见h t t p ：p r o t e g e s t a n f o r d e d u 2 见h t t p ：l l w w w o n t o k n o w l e d g e o r g t o o l s o n t o e d i t s h t m l 3 见h t t p ：l l w w w k s l s t a n f o r d e d u s o f l w a r e o n t o l i n g u a 第一章绪论 究能够减轻这项工作的方法和工具，使用现有的知识源半自动地改编或构造本体，这也 就是本体学习( o n t o l o g yl e a r n i n g ) 9 1 的目标。 统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，简称u m l ) l l o j 是对象管理组织( o b j e c t m a n a g e m e n tg r o u p ，简称o m g ) 发布的面向对象的标准建模语言，在信息和概念的工 程化建模方面取得了很好的应用效果，成为软件开发的工业标准，拥有强大的数据库和 成熟的开发环境支持。而且u m l 语言有广泛的用户群，存在大量熟悉u m l 语言的软 件开发人员，他们可以运用u m l 语言熟练地创建o w l 本体。同时，现有许多广泛应 用的c a s e 工具支持u m l ，对于软件从业者而言，u m l 工具比目前的本体开发工具更 易使用。因此，将u m l 应用于本体创建十分有意义。 实现语义w e b 的一个重要前提是利用本体词汇来标注w e b 资源【l 引，如网页、服务 等，而要完成标注任务，用户需要相应的知识表示语言、本体和支持工具。知识表示语 言( 如r d f ( s ) 、d a m l + o i l 及o w l 等) 给出了明确表示知识语义的“中间语 ，本体 提供了语义互操作性支持，它们提供了构建语义w e b 最基本的手段。基于本体的语义 标注是指利用现有本体在网页或其他文档中插入语义元数据的过程。本体对语义元数据 的创建起了关键作用，有利于w e b 上信息的机器理解与处理，因此基于本体的语义标 注将推动语义w e b 走向实际应用，使得软件代理能够根据w e b 上的语义信息实现智能 推理( 如：提高信息检索的精确性) ，有效地推动语义w e b 的发展。 如今w e b 上有一大类网页是由后台数据库产生的动态网页。与静态的h t m l 页不 同，动态网页是在用户每次访问w _ e b 服务器时动态生成的。根据一项研究表明1 1 4 j ：当 前w e b 上动态页面的数量约为通常定义的静态网页数量的4 0 0 到5 5 0 倍，也就是说当 前大多数网页是从数据库动态产生的。因此，实现对动态网页的语义标注很重要。 要实现动态网页的自动标注必须要找到一种机制，使得标注程序对于动态网页中动 态内容能够自动查找到相应的本体元素，生成语义元数据，然后将其添加到与动态网页 对应的语义标注文档中。由于动态内容存储在后台数据库中，当用户或代理提出请求时 才查询后台数据库以提取所需的实例数据，所以，在标注动态网页之前，需要事先建立 起后台数据库与数据源本体之间的映射关系，以辅助语义元数据的自动生成。此外，用 于标注的本体均是从w e b 上获得的通用本体，与待标注的数据库信息无法完美的匹配。 并且单纯通过领域专家添加词汇的办法来弥补标注中本体词汇不足的问题也很难满足 概念准确性的要求。 综上，本文的另一个研究动机是关于语义w e b 应用，如语义w e b 站点l l 副和语义门 户网站( p o r t a l s ) 1 6 1 的开发。为了实现这样的语义w 曲应用，必须对现有的w _ e b 数据 进行基于本体的语义标注。大部分现有的网站是建立在数据库上的动态网站1 1 7 l ，而如何 标注数据库支持的动态网页成为如今的一个悬而未决的问题 1 5 1 1 8 1 。要解决这样的问题， 首先需要有一个w e b 本体在手边，它可以捕获后台数据库的领域知识。如今，许多数 据库都是用u m l 建模，大量的领域知识存在于u m l 类图之中。如果能实现u m l 类图 到o w l 本体的映射，就能从后台数据库中获取合适的本体，为语义标注提供准确的数 第一章绪论 据源语义。因此，研究从u m l 类图到o w l 本体的映射方法对实现语义w e b 的应用很 有意义。 1 2 研究意义 本文研究的从u m l 类图到o w ld l 本体的映射方法为本体开发提供了一种有效途 径。虽然近年来本体编辑器已经渐渐成熟，但是使用现有本体编辑器手工开发本体仍然 还是一项艰难的工作，很容易造成知识获取瓶颈。实现了从u m l 类图到本体的映射就 可以使用现有的知识源半自动改编和构造本体，达到简化本题开发的目标。 另一方面，本文研究还为基于数据库的语义w e b 应用的开发提供支持。要实现语义 w e b 应用就必须对现有的w e b 数据进行基于本体的语义标注。大部分现有的网站是建 立在数据库上的动态网站，而且许多数据库都是用u m l 建模，所以大量的领域知识存 在于u m l 类图之中。实现了u m l 类图到o w l 本体的映射，就可以从后台数据库中获 取相应的领域知识，为语义标注提供准确合适的语义元数据。 1 3 研究内容与研究目标 本文的研究目标是在学术界已有相关研究成果的基础上提出一种将u m l 类图映射 为o w l 本体的形式化方法，并开发实现从u m l 类图到o w l 本体映射的原型工具，该 工具能读入u m lc a s e 工具产生的x m i 编码的u m l 类图，根据语义保持( 即知识保 持) 的映射规则，自动将其转换成o w l 本体。其中主要分为三个部分的工作： ( 1 ) 确立u m l 类图与o w l 本体的映射规则。首先需要形式化表示u m l 类图和 o w l 本体，然后在两者之间建立映射规则。 ( 2 ) 形式化证明以上映射规则是语义保持的，因而u m l 类图一o w l 本体转换是 知识保持的。 ( 3 ) 设计开发相应的原型工具，实现从u m l 类图到o w l 本体的自动转换，并输 出结果本体( 抽象语法格式和r d f x m l 语法格式) 。 1 4 相关工作综述及本文技术路线 现今已存在一些u m l 类图和w e b 本体之间映射的研究。我们可以把这些研究按照 实现目的分为两类。 第一类研究的重点是用u m l 作为图形化工具来开发w e b 本体。最先提出该方法的 是c r a n e f i e l d l l 9 2 0 1 。在他的方法中，领域专家首先用u m lc a s e 工具设计u m l 类图， 并保存为x m i 格式，接着通过x s l t 样式表把输入的x m i 编码文件转换成相应的r d f s 本体。b a c l a w s k i 等人i z i j 提出了以扩展u m l 来支持语义w e b 本体工程的方法。他们总 结了u m l 类图与d a m l 本体的相同处和不同处，并提出了解决所存在的差异的方法， 第一章绪论 即扩展u m l ：接着定义了被扩展的u m l 模型到d a m l 本体的映射。c o d i p ( c o m p o n e n t s f o ro n t o l o g yd r i v e ni n f o r m a t i o np u s h ) 4 项目开发了d u e t 工具，为本体开发提供了一个 u m l 环境。d u e t 的最新版本可实现u m l 类图与轻量的o w l 本体间的相互转换。 b r o c k m a n s 等人田】提出了用u m l 为o w l d l 本体可视化建模的方法。该方法创建了一 个u m l 侧图( u m lp r o f i l e ) ，用一种类似于u m l 图示法的表示方式为o w l 本体可视 化建模，以达到用u m l 工具开发本体的目的。由于u m l 本身还不能完全表达o w l 中 的本体概念，为了实现用u m l 为o w l 图形化建模，o j u r i 6 等人四j 在研究中提出了本 体定义元模型( o n t o l o g yd e f i n i t i o nm e t a m o d e l ，简称o d m ) ，并且定义了以o w l 为基 础的u m l 侧图，把软件工程应用到本体开发中。 纵观以上方法，c r a n e f i e l d 的方法采用r d f s 作为目标本体语言。但是因为r d f s 并没有足够的表达能力去提取u m l 类图中所有构造子的语义，所以这种方法有它固有 的缺陷。其他方法都运用u m l 衍型( s t e r e o t y p e ) 加上o c l 约束语言，定义新的u m l 侧图来扩展标准u m l 以消除u m l 与本体语言( d a 缸或o w l ) 之间的差异，使扩 展后的u m l 能够完全表达本体语言的语义。这样做的结果是映射源不再是标准u m l ， 每种解决方案都用一套自己特定的方法来设计u m l 类图，而不是以人们已经熟知的方 法来创建u m l 类图。另外，本体开发者也无法从已存在的、遗留( 1 e g a c y ) u m l 类图 中获取领域知识。 第二类研究与本文工作目标一致，即以复用知识为目的，从现有u m l 类图中提取 领域知识、构造w r e b 本体。在这类研究工作中，f a l k o v y c h 等人t 2 4 1 提出了从u m l 标准 类图到d a m l + o i l 的映射方法。不同于第一类工作，该方法中的映射源全部是那些可 以在d a m l + o i l 中找到对应的标准u m l 构造子。这种方法将u m l 类图中的u m l 类 映射为d a m l + o i l 类，将u m l 类的属性映射为d a m l + o i l 数据类型属性。它仅把 u m l 二元关联映射为d a m l + o i l 对象属性( 未考虑关联的属性) ，并根据二元关联的 特征把对象属性分为四类：二元关联( b i n a r y ) 、单向关联( u n i d e r e c t i n a l ) 、聚集 ( a g g r e g a t i o n ) 和组合( c o m p o s i t i o n ) ，这样，u m l 类图中每个具体的关联都定义成这 些对象属性的子属性。这种方法没有考虑n 元关联，而且这种将关联映射为属性( 而不 是类) 并使用特定的对象属性的做法是很不自然的。 总结现有的这些方法，大部分工作的目标是通过扩展u m l ，提供借助u m l 可视化 开发w e b 本体的方法。结果是，用户必须用他们不熟悉的方法来建模u m l 类图，而本 体开发人员也不能从现存( 遗留) u m l 类图中提取领域知识。而另一些研究着眼于复 用u m l 类图知识来开发w e b 本体，但是，这些方法还不能从普遍的u m l 构造子中提 取足够的知识，并且没有以w 3 c 推荐的o w l 语言作为目标本体语言。 针对上述方法存在的缺陷，本文的目标是尽可能完整地获取标准u m l 类图构造子 的语义( 即隐含的知识) ，提出一个从u m l 类图到o w ld l 本体映射的形式化方法， 4 见h t t p y e o d i p g r c i c o r n 第一章绪论 并开发自动映射原型工具。具体的技术路线如下： ( 1 ) 针对现有方法的不足，不仅考虑类、类的属性和二元关联等常用u m l 构造子， 还考虑枚举类、n 元关联、关联的属性、类和关联的属性的重数、泛化组的覆盖约束和 不相交约束等构造子，建立从u m l 类图到o w ld l 本体更为形式化的映射方法。 ( 2 ) 分析u m l 类图和o w ld l 本体的语义，证明本文提出的映射规则是语义保 持的。 ( 3 ) 开发实现映射的自动化工具，以验证本文方法的可行性与有效性。 ( 4 ) 通过多个案例验证该已实现的原型工具的有效性和可用性。 1 5 本文组织 本文共分六章。 第一章，绪论( 即本章) 。论述硕士学位论文的研究背景、研究意义、研究内容与目 标和相关技术现状综述及本文的技术路线。 第二章，介绍本文的形式化方法。首先对u m l 类图和o w l 本体给出形式化定义， 然后阐述一系列从u m l 类图到o w ld l 本体的映射规则。 第三章，证明前一章给出的映射规则的语义保持性。首先分析u m l 和o w ld l 语 言的逻辑语义，然后证明该映射规则是语义保持的。 第四章，原型工具u m l 2 0 w l 的设计与实现。介绍工具的详细设计和实现技术。 第五章，案例研究与算法复杂度验证。首先通过两个典型案例来验证本文方法的有 效性，展示所实现的原型工具的可用性。接着通过多个案例验证了算法的时间复杂度。 第六章，总结与展望。对本文的研究工作进行总结，提出对下一步工作的展望。 第二章从u m l 类图到o w l 本体映射的形式化方法 第二章从u m l 类图到o w l 本体映射的 形式化方法 2 1 概述 本章介绍从u m l 类图到o w ld l 本体映射的形式化方法。在进行u m l 类图到o w l 本体的映射之前，必须首先在这两个知识表示模型之间建立一个精确的概念对应，然后 在这个对应的基础上定义一组映射规则。2 2 节首先对u m l 类图进行概述，在解释了未 考虑的u m l 类图元素之后，给出u m l 类图的形式化定义。2 3 节形式化定义了o w l d l 本体。最后，2 4 节建立了从u m l 类图到o w l 本体的映射规则。 2 2u m l 类图的形式化 2 2 1u m l 类图 u m l 是由单一元模型( m e t a - m o d e l ) 支持的一组图示法( n o t a t i o n ) 。这些图示法有 助于表达与设计软件系统，特别是采用面向对象方法构作的软件系统。 1 9 9 7 年1 1 月1 7 日，u m l1 1 成为o m g 标准。之后又做过几次修订。修订版1 2 、 1 3 、1 4 、1 5 统称为l 了版。目前的最新版本是u m l2 0 版【。 u m l 2 0 共有4 个部分：上层结构规范( s u p e r s t r u c t u r es p e c i f i c a t i o n ) 1 1 0 1 ，基础结构 规范( i n f r a s t r u c t u r es p e c i f i c a t i o n ) ，对象约束语言( o b j e c tc o n s t r a i n tl a n g u a g e ，简称o c l ) 和图的交换( d i a g r a mi n t e r c h a n g e ) 。上层结构规范定义了u m l2 0 用户层构造子，分为 3 部分：第一部分一结构( s t r u c t u r e ) ，第二部分一行为( b e h a v i o r ) 和第三部分一补充 ( s u p p l e m e n t ) 。结构部分定义了结构图( 如类图) 中的结构构造子。行为部分定义了行 为图的行为构造子。补充部分定义了辅助构造子以及用于用户自定义u m l 侧图 ( p r o f i l e ) 。 u m l 2 0 中共有1 3 种正式图型( d i a g r a mt y p e ) 。类图( c l a s sd i a g r a m ) 是最常用的 一种。类图表述系统中各个对象的类型以及其间存在的各种静态关系，同时也示明类中 的特性和操作以及用于对象连接方式的约束【l l 】【1 2 1 。 本小节将介绍本文进行映射的u m l 类图元素，其余未考虑的元素将在下一小节中 介绍，并会给出不考虑的理由。 类 一个类( c l a s s ) 是具有相似结构、行为、关系的一系列对象的描述。类由一个矩形 表示。矩形垂直地分为三个区：顶部区域显示类的名称；中间的区域列出类的属性；底 第二章从u m l 类图到o w l 本体映射的形式化方法 部的区域列出类的操作。 c a r m o d e l ：s t r i n g s p e e d ：i n t e g e r d r i v e ( s p e e d ：i n t e g e r ) 图2 1 一个u m l 类 属性 类具有一些用于描述对象特征的属性( a t t r i b u t e ) 。属性的全形是： 可见性名：类型重数= 默认值( 特性串) 其中只有名是必要的。例：m o d e l ：s t r i n g 1 】= u n t i t l e d r e a d o n l y 。可见性表明属 性是公用( + ) 或私用( 一) 。类型指明该属性是什么种类的。重数将在下面介绍。特性 串可指出属性的附加特性，如 r e a d o n l y 指出客户不能修改这一特性。 关联 关联( a s s o c i a t i o n ) 是类之间的一个连接。关联的实例是链( 1 i n k ) 。在二元关联里， 通过为关联的一个末端添加箭头，该关联成为单向关联，说明该关联只能按照箭头所指 的方向来使用。若没有任何箭头，表示该关联的每个末端都是可导航的，是一个双向关 联。一个n 元关联用一个空心的菱形表示。 关联类( a s s o c i a t i o nc l a s s ) 也是关联f 1 0 1 ，它使用户可以对关联添加属性、操作及其 它特征。 角色 关联可以有角色( r o l e ) ，这些角色与该关联涉及的每个类相连。角色名称表明在关 联中该类扮演的角色。 i drives 1 幸 i c a rp e r s o n l c o m p a n yc a rd r i v e r 图2 - z 在c a r 和p e r s o n 的关联d r i v e s 中，p e r s o n 扮演d r i v e r 角色，c a r 扮演c o m p a n yc a r 角色 重数 属性和关联的重数( m u l t i p l i c i t y ) 指出可以具有该特性的对象数目。一般来说，重数 用一个上界和一个下界来定义。下界可为任何正整数或零；上界为任何正整数或( 代 表无限制) 。如果上界和下界相同，可以只用一个数，如l 和l l 是等价的。因为0 是常见的情形，故简记为幸。在u m l 2 0 中，默认的属性重数为1 ，默认的关联重数为+ 。 如果关联是有序的，就必须在关联的一端、靠近被排序对象的类处添上 o r d e r e d 。 如果允许重复，则添上 n o n u n i q u e ) ( 如果要明显表达默认，则可用 o r d e r e d 及 u n i q u e ) 。 也可以添加面向组( c o l l e c t i o n ) 的名，如 b a g 表示无序、非唯一。 第二章从u m l 类图到o w l 本体映射的形式化方法 泛化 泛化( g e n e r a l i z a t i o n ) 是一种存在于一般类( 超类) 和特殊类( 子类) 之间的关系。 其中子类的每个实例也是超类的一个实例，因此，子类间接地具备了超类的各种特征。 泛化关系由带有一个空心三角形箭头的实线绘制，箭头指向父类。 泛化组 泛化组( g e n e r a l i z a t i o ns e t ) 定义了用于超类的划分规则，使用户可以组织从一个公 共超类继承几组不同的子类。泛化组有两个属性：完全覆盖( c o v e r i n g ) 和不相交 ( d i s j o i n t ) 。用u m l 约束可表示为： c o m p l e t e ，d i s j o i n t 表示泛化组完全地继承了超类，但泛化组没有公共实例； i n c o m p l e t e ，d i s j o i n t ) ( 默认情况) 表示泛化组没有公共实例，但允许向该组添加子 类： c o m p l e t e ，o v e r l a p p i n g 表示泛化组完全地继承了超类，允许各子类共享公共实例； i n c o m p l e t e ，o v e r l a p p i n g 表示泛化组没有完全继承了超类，允许各子类共享公共实 例。 图2 3 用两种方式表达泛化组。 l 男同学r l - i 九。ii，1h 中学生 性刎 d 学生匕 i 女同学l 二 ( c o m p l e t e , d i s j 。i n t ； 学历 叫大学生 图2 - 3 泛化组的例子 枚举 枚举( e n u m e r a t i o n ) 用来表明固定的一组值，他们是用带有基词 的 类来表明的。 2 2 2 未考虑的u m l 类图元素 本文没有对所有u m l 类图的元素进行映射，下面先介绍这些未考虑的元素，之后 再给出相应的解释。 操作 操作( o p e r a t i o n ) 是类知道要去施行的动作。操作的语法是： 可见性名( 参数表) ：返回类型( 特性串) 参数表中的参数的语法为：方向名：类型= 默认值。其中方向有输入( i n ) ，输出 ( o u t ) 和输入又输出( i n o u t ) 。如果未标明方向，则假定为输入。 聚集和组合 聚集( a g g r e g a t i o n ) 和组合( c o m p o s i t i o n ) 是关联的特殊情况，它们表达了类之间 “整体一部分( p a r t - o f ) 的关系。组合是聚集更强的形式，也就是说如果整体被销毁， 第二章从u m l 类图到o w l 本体映射的形式化方法 那么整体内所有的组成部分也都被销毁。 限定关联 限定关联( q u a l i f i e da s s o c i a t i o n ) 用于一对多或多对多关联这种状况。限定符( q u a l i f i e r ) 是为了区分这种关联中的所有对象的一种关键字。如图2 - 4 所示，关于一场演出，对座 位的每个实例，可有一张票。 图2 - 4 限定关联的一个例子 约束规则 u m l 允许用任何语言来表达约束，但规则是一定要把约束置于花括号( ) 之间。 用户可以用自然语言，编程语言，或是对象约束语言o c l 来表达约束。 可见性 可见性( v i s i b i l i 哆) 标记符包括：+ ( 公用) 、一( 私用) 、( 包) 和# ( 受保护) 。 在u m l 内，可对任属性或操作标以一个可见性标记符。共有元素可由任何别的类使 用；私有元素只能由拥有它的类使用：受保护元素是拥有它的类私有的，但该类的子类 也可以访问它。包元素对包内的所有元素可见。 接口与抽象类 抽象类是那些不具有任何对象的类。在u m l 类图中，抽象类由斜体，或 a b s t r a c t ， 基词表示。接口是不具有实现的类。接口直接对应j a v a 和c 撑中的接口。用基词 标记接口。 依赖 依赖( d e p e n d e n c y ) 关系显示了一个模型元素需要另一个模型元素才那能实现。依 赖是一种供应方( s u p p l i e r ) 客户方( c l i e n t ) 的关系，改动供应方就会引起客户方的改 动。模型元素之间的依赖关系用带有一个箭头的虚线和一个基词表达。虚线的末端是客 户方。u m l 有很多种依赖，每一种都