基于ＲＭ－ＯＤＰ的模型復用框架ＯＭＲＦ

摘要：基于RMODP標準以及Web services技術，提出了基于Web應用的開放的模型復用框架OMRF，從企業視圖、信息視圖、計算視圖、工程視圖、技術視圖五個層面給出了該框架的主要內容，分析了基于該框架的模型復用開發應用模式，闡述了基于該框架的具體研究問題，對提高模型復用與集成能力具有一定參考價值。

關鍵詞：基于開放的分布式處理參考模型復用框架；模型服務；開放的分布式處理參考模型；Web 服務

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)03－0752－04

模型是對于現實世界的事物、現象、過程或系統的簡化描述，特別是指對客觀事物中一些要研究的特征、狀態、結構或屬性及其變化規律的抽象[1]。按照模型的表現可以分為物理模型、數學模型、結構模型、仿真模型等。物理模型、數學模型和結構模型一般可以通過計算機仿真生成仿真模型。

Kwon認為模型復用旨在提高模型的生產力（可利用程度），通過完整或部分（包括模型演化）復用已經存在的模型建立新模型（計算機中存儲的模型），避免模型重新開發所造成的成本浪費，提高模型的利用效率[2，3]。模塊化、通用化、獨立于具體建模語言是模型復用的基本要求。廣義來說，模型復用包括模型生命周期[2]全過程中的各個階段的復用，涉及模型的建立、定義、表示、應用各個階段。模型復用應提供支持分布式異構環境下模型統一表示與應用的方法，模型復用不僅涉及到計算機內可實現的功能模塊的復用，而且包括模型語義級別的復用（模型定義與結構復用），即可分為模型描述實體復用（模型定義文檔、元數據文檔等）和模型運行實體復用（模型軟件形式）兩個部分。文獻[4]從建模方法與建模語言研究、模型描述信息定義與組織管理、模型轉換與知識化、模型軟件復用四個層面分析了模型復用研究現狀，并指出了模型復用存在的問題。

開放的分布式處理參考模型RMODP[ISO/IEC10746]定義了五類標準視圖，即企業視圖、信息視圖、計算視圖、工程視圖和技術視圖，每一視圖針對系統的不同側面。通過采用一系列概念和結構規則，抽象系統在各方面的特征并標準化，建立了增量模式構建分布式系統的概念框架。該框架可以實現分布式異構環境下信息及信息處理功能的共享復用。

RMODP通過信息視圖描述專題信息及信息處理的語義，包括專題信息建模框架、專題要素建模、專題信息應用架構等方面的描述；計算視圖實現對系統的服務分解，生成系列服務（Web services）；工程視圖規劃專題系列服務在分布式網絡上的配置模式，并提供透明的訪問方法；技術視圖明確分布式環境下實現系列Web服務所需的硬件和軟件組件的技術與標準，這些技術與標準保證對象在各種計算機網絡、硬件平臺、操作系統、程序語言之間實現互操作。所規劃的專題信息服務的應用則通過企業視圖實現。

基于RMODP的五類視圖以及Web services技術可以解決目前建模語言與模型描述信息定義文檔交互困難、領域間異構環境下模型軟件復用困難、模型復用標準匱乏等問題。本文將研究建立基于RMODP的模型復用框架。

1基于RMODP的模型復用框架OMRF

基于開放的分布式處理參考模型RMODP以及Web services技術，本文定義了開放的模型復用框架OMRF（open model reuse framework）。該框架從企業視圖、信息視圖、計算視圖、工程視圖和技術視圖分別描述模型的各個層面?；贠MRF可實現模型跨平臺領域間異構環境集成，支持不同層面的模型復用。OMRF五級視圖之間的關系及主要描述內容如圖1所示。

1）OMRF企業視圖

OMRF企業視圖依據RMODP企業視圖的要求，描述模型服務集成信息需求、前置條件、信息增值過程預制、后置條件等，定義服務集成方法與模式，解決服務集成相關問題（模型參數化、數據傳輸、模型計算結果可視化等），保證實現信息增值服務。

2）OMRF信息視圖

OMRF的信息視圖包括模型表示、模型處理過程描述。它是模型語義表達的基礎，也是模型復用的關鍵。

模型表示是OMRF信息視圖的核心。基于服務模式，模型表示由模型定義、模型元數據定義、模型組件描述信息定義、模型服務描述信息定義四個層面構成，形成基于模型定義、模型元數據定義、模型組件字典描述、模型服務描述的四層表示體系。模型定義表示模型結構、元素、參數等信息；模型元數據描述模型屬性信息，是模型抽取、集成的關鍵；模型組件字典描述模型軟件組成基本單位模型組件信息，是模型演化、維護的關鍵；模型服務定義描述模型外部應用實體模型服務的相關信息，支持模型服務的共享與集成應用。

OMRF的模型四層表示體系擴展了目前模型表示的范疇，擴展引入模型組件字典、模型服務描述兩個層面，實現了對模型的完整描述。OMRF模型四個表示層面的定義標準制定是實現不同模型之間的交互與集成、支持模型復用的關鍵。模型表示體系的建立可以解決目前模型定義、模型描述信息定義混亂、缺少標準等問題。

3）OMRF計算視圖

OMRF的計算視圖定義模型服務、分解模型管理系統MMS各功能為系列服務、定義模型服務體系。OMRF計算視圖模型服務體系[5]如表1所示。

通過計算視圖將定義模型服務的相關信息，構建模型運行實體。模型組件、模型服務是模型運行實體兩個不同的部分。其中：模型組件屬模型內部復用單位；模型服務屬模型外部復用單位?；诮M件單位的模型服務生成，可以解決模型界面相互交叉混雜、缺少模塊結構、模型開發環境不同、輸入與輸出結構缺少標準等問題。

4）OMRF工程視圖

OMRF的工程視圖將確定各個節點之間的訪問方法，規劃OMRF的模型庫在網絡各個節點上的分布與配置。OMRF的模型庫存儲模型描述實體（模型定義文檔、模型元數據文檔、模型組件字典、模型服務描述文檔）以及模型運行實體（模型組件、模型服務）的載體。分布式環境下，對于同一應用模型庫在網絡上的配置方式包括集中式、重復式、分割式、復合式和混合式等五類，可根據組織目標、技術條件及使用特點進行選擇[6]。

5）OMRF技術視圖

OMRF技術視圖主要關注分布式系統使用的硬件和軟件組件的技術與標準，這些技術與標準保證對象在各種計算機網絡、硬件平臺、操作系統、程序語言之間實現互操作，從而保證在分布式環境中基于模型服務的共享應用。RMODP的技術視圖[7]是OMRF技術視圖的基礎，保證分布式環境下技術上實現模型領域間異構環境共享與集成應用。OMRF的相關技術支持如圖2所示。

基于RMODP的OMRF五類視圖完整描述了模型復用框架，即信息視圖實現了對模型及模型處理的語義描述。計算視圖定義了模型服務、模型處理服務和模型服務體系；工程視圖規劃了每個服務在分布式網絡上的配置模式（具體以模型庫的方式配置）；技術視圖定義了實現分布式應用的技術和標準。基于上述四類視圖定義將可以保證模型及模型處理功能以服務的方式提供應用，實現分布式環境下、領域間模型描述實體與運行實體的復用與集成；各類應用是基于OMRF企業視圖的擴展，是各類模型服務以及其他信息服務的集成應用。OMRF定義的模型復用框架，由于采用相同的技術標準、描述方法、集成應用模式，各領域模型之間可以實現交互，支持分布式環境下、領域間的模型復用與集成。

2基于OMRF的模型復用開發應用模式

2．1開發框架

基于OMRF，模型復用開發工作可以分為兩個部分，即開放的集成建模環境OIME和開放的集成應用環境OIAE。OIME是對IME的擴展，開發實現OMRF的信息視圖、計算視圖、工程視圖、技術視圖，保證模型最終以模型服務的方式提供集成應用；OIAE實現OMRF的企業視圖，提供模型服務集成應用環境，實現各種服務集成，支持復雜問題計算。OMRF的OIME與OIAE組成如圖3所示。

a）開放的集成建模環境OIME。OIME將實現模型準備、模型建立、模型表示與服務生成，支持模型表示體系建立、模型組件有效抽取與集成、模型演化與維護、模型解釋、模型復雜性不確定性評價、模型服務生成、注冊，規劃各個模型服務（模型庫）在分布式網絡上的配置，實現透明訪問?；贠IME可以生成模型服務及構建相關模型描述文檔，保證模型以服務的方式提供應用，支持領域間、異構環境模型復用。

b）開放的集成應用環境OIAE。OIAE主要對各類服務進行集成，提供集成環境，實現服務發現、服務集成、集成服務結果可視化等功能。OIAE認為是在各種規范、標準基礎上建立的服務集成環境或平臺，實現服務集成。集成對象包括模型服務、各種空間信息服務、各種非空間信息服務等。各種應用通過開放的集成應用環境OIAE進行服務集成，完成具體應用。服務鏈是實現服務集成的有效方式，通過服務鏈可將更多的信息服務與模型服務集成起來，解決復雜問題計算。通過服務鏈的方式實現應用模型服務集成，解決復雜問題的過程包括服務鏈規劃、服務鏈定義、基于元數據的服務發現與評價、服務鏈動態構建、服務鏈執行五個過程[5]。

2．2幾種開發方案設計

在具體應用中，可以針對領域用戶與一般用戶分別采用不同的開發方式。對于一般用戶來說，OIME與OIAE的開發可以分別簡化為服務生成與注冊、服務集成實現等內容，支持具體問題解決。對于專業領域用戶來說，必須構建完整的OIME與OIAE，支持領域模型服務建立與服務集成。領域用戶與一般用戶開發模式對比如圖4所示。

兩類用戶在進行模型服務開發與集成應用過程中，都應充分利用目前的模型資源（已經建立的模型庫、集成建模環境建立的模型以及其他方式存在的模型等），最大限度減少開發工作。針對目前模型主要存在和開發的形式，提出如下三種基于OMRF的模型復用開發模式：

a）基于已建模型庫的開發方式。目前各個領域都開發了相應的模型庫，但是這些模型庫都不是基于OMRF技術設計的。為了有效利用現有的模型庫資源，設計了現有模型庫基于OMRF開發利用模式，如圖5所示。在圖中虛框表示的是可選操作。

必需的工作包括：(a）定義模型元數據，并利用基于XML schema的模型描述語言進行描述；(b)模型運行實體封裝成為模型服務，并采用WSDL描述模型服務并注冊；(c)模型服務集成，開發模型服務集成環境OIAE。

可選工作包括：（a）模型定義轉換，原模型描述語言與基于XML schema的模型描述語言的轉換工作；(b)模型組件生成，定義模型組件字典，并利用基于XML schema的模型描述語言進行描述。

b）基于集成建模環境IME的開發方式。集成建模環境IME是目前模型集成應用的平臺，實現了領域內的模型集成應用。基于OMRF現有集成建模環境IME的開發模式如圖6所示。在圖中虛框表示的是可選操作。

必需的工作包括：(a)模型運行實體封裝成為模型服務，并采用WSDL描述模型服務并注冊；(b)模型服務集成，開發模型服務集成環境OIAE。

可選工作包括：（a）模型定義轉換，原模型描述語言與基于XML schema的模型描述語言的轉換工作；(b)模型元數據定義轉換，IME模型元數據與基于OMRF的模型元數據之間內容、描述語言的轉換；(c)模型組件字典轉換，IME模型組件字典與基于OMRF的模型組件字典之間內容、描述語言的轉換。

c）新建模型或模型庫的開發模式。對于新建模型或模型庫而言，基于OMRF的應用模式如圖7所示包括了模型定義、元數據定義、組件字典定義、服務描述、服務集成等過程。具體包括的工作如下：（a）模型定義，基于XML schema的模型描述語言定義模型；(b)模型元數據定義，基于XML schema的模型描述語言定義模型元數據內容；(c)模型組件生成與組件描述，開發模型組件，基于XML schema的模型描述語言描述模型組件字典；(d)模型運行實體封裝成為模型服務，采用WSDL描述模型服務并注冊；(e)模型服務集成，開發模型服務集成環境OIAE。

2．3應用模式

模型以服務的方式提供應用后，在實際的具體應用過程中可以劃分為三類用戶群落，即一般用戶、高級用戶和底層用戶。每一類用戶對于模型的應用都是由具體問題觸發的，是面向問題的計算模式[8，9]。

對于一般用戶來說，針對具體問題可以通過瀏覽器訪問服務集成平臺（支持具體問題解決的方案，以網頁的形式提供應用），基于瀏覽器實現模型計算，獲取計算結果。在此過程中不需要任何模型管理軟件和應用系統平臺，且支持多用戶訪問。

對于高級用戶來說，在解決具體問題時可能不能從目前已有的服務平臺中獲得該問題的解決方案，必須重新進行服務集成，包括服務發現、服務集成、服務集成平臺開發等工作，支持具體問題解決。新建的服務集成平臺可以作為解決某一具體問題的方案注冊到方案庫中，以便提供其他一般用戶的應用。

對于底層用戶來說，在解決具體問題時，不僅不能利用目前已有的服務集成平臺解決該問題，而且已有的服務也不能支持該問題的解決，必須規劃開發具體問題的相關服務，然后進行服務集成，開發服務集成平臺，解決該問題。新建的模型服務必須進行服務注冊，提供給其他高級用戶使用；新建的服務集成平臺同樣作為解決某一具體問題的方案也注冊到方案庫中，提供其他一般用戶的應用。各類用戶的應用模式如圖8所示。

基于OMRF模型服務應用模式是一個開放的體系。每一位用戶都可以開發模型服務、模型服務集成平臺并進行注冊，提供給其他用戶使用。隨著模型服務的增多、具體問題解決方案的增多，可以真正實現面向問題的分析計算模式，實現各個領域模型的集成應用，解決復雜問題。

3OMRF主要研究內容

1）基于XML schema的模型描述語言定義基于XML schema的面向對象的結構建模語言定義、模型元數據描述語言定義、模型組件描述語言定義、模型服務描述語言定義以及圖形建模語言到基于XML建模語言的映射是OMRF主要研究內容之一。

2）模型元數據標準規范訂制模型描述信息可以定義為模型元數據，分為模型陳述元數據和模型服務元數據兩類。分別建立兩類模型元數據的體系、內容，進而建立模型元數據標準，是模型復用的研究重點，也是OMRF的關鍵。

3）分布式智能模型組件開發與管理在模型復用框架OMRF中，模型存在的內部形式是分布式智能模型組件，而外部形式是對各組件封裝后的模型服務，因此分布式智能模型組件的開發與管理是模型運行實體的基礎。分布式智能性模型組件應該具有充分的自治性，可以實現動態維護、抽取與集成，為動態構建模型服務奠定基礎。

4）模型服務開發與管理模型采用服務的方式提供應用，因此模型服務生成、注冊、發現等方法的研究以及多場景模型服務的演化方法研究，是支持分布式環境下、領域間、異構環境模型復用的基礎。

5）OMRF框架體系研究本文依據RMODP的五類視圖初步定義了模型復用框架OMRF的主要內容。在此基礎上應分別建立OMRF完整的企業視圖、信息視圖、計算視圖、工程視圖和技術視圖并標準化，指導領域模型服務開發與集成應用。

6）OMRF框架與IME轉換研究基于agent的建模環境Swarm以及HLA的相關建模環境是目前IME的代表。建立了OMRF后，應該研究它們之間的轉換（運行實體之間、描述實體之間的轉換），最大可能地實現各領域模型的集成應用。

7）OIME與OIAE開發基于OMRF的模型復用與集成通過OIME與OIAE實現，因此研究OIME與OIAE的開發實現技術成為主要研究內容之一。OIME與OIAE的開發可以基于.NET或J2EE平臺開發實現，應具體研究實現的方法和技術。

4結束語

本文提出了基于RMODP以及 Web services的模型復用框架OMRF，給出了該框架的五類視圖內容，分析了基于OMRF的模型開發應用模式，最后給出了OMRF的主要研究內容。目前筆者已經完成了基于面向對象結構建模的模型表示、模型元數據定義、模型描述語言定義、模型服務體系定義（模型管理系統的服務分解）等研究工作，并且進行了模型服務集成實驗。在實驗中依據模型表示方法與模型描述語言定義了小流域地貌演化模型（實驗模型，主要是物理變化的微分方程），基于.NET平臺開發實現了小流域地貌演化模型服務集成環境，初步實現了基于OMRF的模型計算，并獲取了正確的結果。相關研究工作見文獻[4，5]與文獻[10，11]等。進一步的工作是對OIME和OIAE開發實現方法的研究，以及基于具體領域的應用實踐的深入研究，完善OMRF框架內容與應用實現方法。

參考文獻：

［1］陳文偉.決策支持系統及其開發[M].北京:清華大學出版社，南寧：廣西科學技術出版社，1994.

[2]KWON O B，PARK S J.RMT: a modeling support system for model reuse[J].Decision Support System，1996，16(2):131153.

[3]KRISHNAN R，CHARI K.Model management:survey，future directions and a bibliography[J].Interactive Trans of ORMS，2000，3(1): 119.

[4]于海龍.GIS應用模型復用與集成方法研究[D].北京:北京大學，2005.

[5]于海龍，鄔倫，劉瑜，等.基于Web services的GIS與應用模型集成研究[J].測繪學報，2006，35(2):153159.

[6]許瑞明，張最良.分布式模型管理系統的概念框架[J].系統工程理論方法與應用，1997，6(4):48－55.

[7]OGC.Open GIS reference model[EB/OL].(2003).http://www.opengis.org.

[8]于海龍，鄔倫.Open GIS參考模型ORM及地理信息服務應用模式[J].地理與地理信息科學，2004，18(5):15.

[9]于海龍，劉麗萍.基于Web services的信息系統開發方法探討[C]//信息系統協會中國分會第一屆學術年會論文集.北京:清華大學出版社，2005:249－253.

[10]于海龍，鄔倫，林星，等.基于Web services的小流域地貌演化問題設計與實現[J].北京大學學報，2005，41(6):890－897.

[11]YU Hailong，WU Lun， LIN Xing，et al.Design and implementation of modern catchment geomorphic evolution model service[C]//Proc ofIEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.2005:821－824.

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