基于本體映射的ＭＤＡ模型轉換研究

摘要：模型轉換是MDA框架中的重要環節之一，以往的模型轉換方法可能會因為缺乏語義保證而出現錯誤。本文通過本體映射來研究MDA模型轉換，提出實現MDA模型語義層轉換的方法，并提高模型轉換的效率和準確率。

關鍵詞：MDA；本體映射；模型轉換；本體匹配

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)17-21548-02

1 MDA中的模型轉換

MDA是OMG提出來的軟件開發過程中的模型組織管理框架，它將模型提到了驅動軟件體系結構和開發過程的地位。模型是MDA的核心，它是對系統的結構、功能或行為的規約。MDA框架下的模型主要有：計算無關的模型（CIM），平臺無關的模型（PIM），平臺相關的模型（PSM）和一個實現相關的模型（ISM）[1]。在軟件開發過程中，存在以下幾種模型轉換[2]：

1)CIM到PIM的轉換。這一轉換是業務模型到分析模型的轉換，主要是手工實現。

2)PIM到PIM的轉換。當模型在開發生命周期中進行改進、過濾或者特殊化，但是不需要任何與特定平臺相關的信息，那么將使用從PIM到PIM的轉換。一般是從分析模型到總體設計模型的轉換。PIM到PIM的轉換通常與模型求精相關，屬于正向工程。

3)PIM到PSM的轉換。在MDA的實際應用中，轉換工具可以根據不同的轉換規則將一個PIM轉換到多個不同的PSM，對于每種特定的技術平臺都會生成獨立的PSM，并在這些PSM之間生成橋接器，在這些PSM之間建立聯系。

4)PSM到PSM的轉換。PSM到PSM的轉換與特定平臺模型的細化相關，是對PSM的求精。當涉及到組件實現與部署時，需要用到PSM到PSM的轉換。比如說通過選擇不同的服務配置對組件進行封裝，在封裝完成以后，就要對組件進行初始化，選擇目標機器，產生容器以及對容器的配置等等。

5)PSM到PIM的轉換。當從現有的實現模型中抽取出抽象的平臺無關模型的時候，就需要用到PSM到PIM的轉換。從軟件工程的角度來看，這是一種逆向工程，一般很難做到完全的自動化。在理想情況下，從PSM到PIM的轉換結果應該與PIM到PSM的轉換結果相對應。

6)PSM到代碼的轉換。由模型生成最后的代碼。

模型是形式化的，必須用一種語法嚴格的、語義沒有歧義的語言描述。元模型雖然具有嚴格的語法，但是它的語義概念和動態語義不是形式化，也不能被計算機所“理解”，因此在MDA模型轉換的過程中難以保證轉換結果的準確性。如果將本體引入MDA建模和模型轉換的過程，則計算機可以通過本體理解模型的含義，整個模型轉換過程就有了語義保障。

2 本體映射

本體是一個源于哲學的概念，近些年作為信息抽象和知識描述的工具被計算機領域所采用。目前針對本體的研究都是從概念（concept）、關系（relation）、函數（function）、公理（axiom）和實例（instance）等方面入手的。本體的描述方法很多，可以分為非形式化、半非形式化、半形式化和形式化等。 由于本體的創建者不同，使用的建模方法不同，因而即使對同一個領域內的問題建模，不同的領域專家開發出來的本體必然存在著差別，本體映射的目的就是找到這些本體之間的語義聯系。

2.1 本體映射的體系結構

本體映射會用到多種匹配算法，可以根據具體的應用要求靈活地選用不同的方法及其組合。處理本體映射問題的體系結構有三種[9]：

1)單本體結構。使用一個全局的本體為具體的語義說明提供了一個共享的詞匯表，所有的信息源都聯系到這個全局本體上，因而它們在語義上是一致的。全局本體可以是許多模塊化的子本體的組合。

2)多本體結構。每一個信息源都有自己的本地本體，它們并不一定使用同樣的詞匯表。每個本體都是獨立發展的，它們之間有松散的聯系。要完成本體之間的互操作，必須建立映射規則。

3)混合結構。這種結構綜合了前兩種的基本特征并且克服了它們的不足之處。

總的來說，單本體結構建立在緊密聯系的基礎上，缺乏足夠的靈活性，不能適應大的開放式的應用環境。局部的變化常常會導致全局本體的變化，因而不太適合于大多數本體映射應用環境。而多本體方法和混合方法更適合于完成本體映射的任務。

2.2 本體映射的基本方法

本體映射可以提供可能匹配的候選結果，由人工判定和修改。一般有以下幾種本體映射分類：

1)按照級別可以分為模式與實例兩級。模式級匹配方法僅僅考慮模式信息，不考慮實例數據。可用的信息包括本體模式元素的一般屬性，如名稱，描述，數據類型，關系類型，約束和模式結構等等。實例級方法由于利用了數據實例的信息，因而和模式級方法互為補充，它既可以和模式級方法一起使用，互相驗證，也可以單獨使用。一般的實例級方法尋找的是模式元素之間的匹配關系， 要找到模式元素組合或結構的匹配就需要比較這些元素組合的數據實例。

2)按照粒度可以分為元素與結構兩種。元素級匹配考慮的是本體中的單個概念、屬性或關系，而不考慮這些邏輯概念之間的聯系。結構級匹配不光要考察單獨的對象，還要考慮它們之間的聯系。結構匹配可能是完全匹配，也可以是部分匹配，這取決于匹配所要求的完整性和準確性。

3)基于語言與基于約束分類。基于語言的匹配主要是利用名稱和描述文本，但是自然語言中的一詞多義現象會極大地干擾名稱匹配的過程，導致產生誤配情況，需要由人或詞典提供失配信息。 基于約束的匹配利用本體模式中包含的約束信息如數據類型、取值范圍、唯一性、可選性、關系類型和可選值等。

2.3 本體映射的原型方法

在本體映射基本方法的基礎上還有一些具體的原型方法，如Cupid、SF和GLUE等，它們為本體映射的具體實現提供了思路。

Cupid是一種基于元素級匹配和結構級匹配的混合方法，它可用于多種領域的匹配任務。其思想是：如果兩個概念的子概念是相似的，那么這兩個概念就趨向于相似；如果兩個概念具有相似的祖先，那么它們也趨于相似。

SF（Similarity Flooding）的思想基于相鄰概念節點之間的相似傳遞性，即如果兩個概念節點的鄰近節點是相似的，那么它們趨向于相似。SF是一種綜合使用了名稱匹配和結構匹配的混合方法。

GLUE系統用機器學習的方法來完成不同本體之間的匹配任務，其思想是多策略學習。它代表了一種自動合并不同匹配器匹配結果的組合方法，產生的是原子級的映射關系。系統需要在預處理階段使用映射實例來訓練匹配器，發現其中特有的實例模式和匹配規則。

COMA系統采用的是復合方法，可以靈活地組合不同的匹配算法及其結果。它所應用的匹配器主要利用模式信息，如元素和結構屬性。與其他系統不同的是它可以重用以前的匹配結果，這可顯著地提高匹配效率。

理論上來說，如果兩個本體中相應結構的所有組成元素都能一一對應，就可以實現完全匹配，而事實上大多數體中的元素在另一個本體中找不到對應部分，這時就只能達到部分匹配。此外，完全由機器自動地實現本體之間的映射是不可能的，因為本體內的一些潛在的語義關系并沒有以形式化的方式顯式表示出來，必須由人借助已有的知識才能識別出這些信息。

3 基于本體映射的模型轉換

3.1 建立關于模型的本體

如果能夠對已經開發好的MDA模型加以重用，那么可以大大縮短軟件開發時間。盡管從CIM模型到PIM模型的轉換是個繁瑣的過程，但是這個過程是對項目需求進一步明確和分析的過程，沒有人的參與很難實現面向具體業務領域的PIM。如果在這個過程中同時為模型建立本體，不但有助于理解模型之間的關系，而且還能夠為模型轉換提供一定的語義保證。在軟件開發流程中，如果希望為軟件添加新的功能或者使之與其他系統集成，可以在PIM的層面進行MDA模型重用，即PIM到PIM的轉換，或者直接由兩個PIM的轉換為PSM。當然，如果能夠從一個PSM直接轉換為另一個需要的PSM會更省事。

為了便于理解模型語義，在MDA軟件開發流程中需要建立一個本體庫，里面存放著關于模型的本體，這些本體提供了模型元素的概念、關系定義、 語義描述及其在此基礎上的一些推理。這些本體在模型轉換的過程中不斷進化。圖1反映了MDA中的本體應用。限于文章篇幅，本文只對PIM到PSM的轉換過程中本體的應用加以探討。

3.2 基于本體的PIM到PSM轉換

PIM的定義和性質決定了其必須與PSM分離，PIM的抽象層次越高，它與不同平臺PSM轉換的適應性越強。從PIM到PSM的轉換是MDA軟件開發流程中的關鍵步驟，將本體引入到這個過程中有以下好處：

1)為MDA模型提供了一個公用的詞匯表，運用詞匯表描述不同應用領域、不同層次的模型， 可以保證語義的一致性；

2)應用本體可將隱含的關系明晰化，從而有助于實現模型間知識的共享與重用，避免重復的模型變換規則的定義；

3)本體提供了元模型的表達機制，實現了元模型語義形式化描述，提供了一系列概念及概念之間的關系；

4)模型常常使用XML格式保存，而OWL本體位于XML的上層，所以基于本體的PIM到PSM的模型變換可以應用XSLT實現。

因此，基本本體的PIM到PSM模型變換可以看作是基于語義的模型變換的一種方式。為了實現基于語義的模型變換，必須在基于語法的模型變換的基礎上進行改進。這樣，整個變換過程在語義和語法兩個層面進行，在語義層進行本體的映射，在語法層進行模型元素的對應，而且這兩種映射關系都是雙向的。此外，語法層和語義層需要進行綁定，即將元素和其語義環境對應起來。

本文借鑒Cupid原型方法進行模型本體的匹配研究，如果兩個元素的子元素相同，則認為它們是相同的。圖2 給出了基于本體的PIM到PSM模型變換方法的框架。在這個框架中，語義層被單獨抽象出來，PIM本體和PSM本體之間的映射規則存放到知識庫當中，通過知識管理的手段加以維護，以便提供模型變換過程中的語義環境。而且，由于映射規則定義在較抽象的層次，可以被重用。下層的模型變換受語義層指導，對應元素的語義關系隨時可以獲得，而且變換引擎（Translator）可以建立在不同的模型變換語言之上。

4 結論

通過向MDA軟件開發流程引入本體映射的方法，可以比較好的解決模型轉換的問題，特別是為轉換提供了語義保證。隨著XML的流行，OMG使用XMI這種方式實現模型間元數據的交換，可是盡管XML通用性強，但是它缺乏語義，表示的數據僅僅是機器可讀而非機器可理解的，這造成模型轉換僅僅是一種單純的語法轉換。使用本體來實現MDA模型間的轉換能夠比較好的描述模型元素之間的關系，能夠提供比較豐富的語義，從而提高了模型轉換的準確率。

但是，本體的生成是一個比較繁瑣的過程，如果在軟件開發過程中完全依靠手工來生成本體，那么就會消耗大量的精力，也就失去了基于本體進行模型自動轉換的意義了。目前已經有一些自動化和半自動化本體生成的方法，在后續的工作中將加以深入研究。

參考文獻：

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[7] Euzenat J.Ontology matching[M].New York:Springer，2007.

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文