基于Protégé的成熟度模型本體構建方法研究

劉征海，李悛，肖建田

（南華大學計算機科學與技術學院，衡陽　421001）

基于Protégé的成熟度模型本體構建方法研究

劉征海，李悛，肖建田

（南華大學計算機科學與技術學院，衡陽421001）

0　引言

成熟度模型是一種基于統計控制過程理論的對實踐過程進行評估的模型，一般用能力級別（或成熟度級別）來表示被評估組織在執行某項實踐活動時的其過程可控和結果可重現的可能性。

成熟度模型最初形式是由Carnegie Mellon大學的研究人員提出的CMM（Capability Maturity Model）模型［1］。該模型的主要目的是為了解決軟件開發的進度與成本的問題，改善軟件開發過程，使進度和成本可控。現在已被軟件行業廣泛接受，并將各種能力成熟度模型 （即：Software CMM、Systems Eng-CMM、People CMM 和Acquisition CMM）進行整合，形成CMMI框架，用于評估軟件企業的整體軟件能力。

成熟度模型后也被應用于其他行業，例如，美國安全局將其引入安全工程領域，提出SSE-CMM模型（Systems Security Engineering Capability Maturity Model）［2］，2002年該模型被ISO組織采納，形成了標準ISO/ IEC 21827。

成熟度模型主要用于評估組織在執行某項實踐活動的能力級別，其評估結果可用于改善該組織的工程過程。但工程過程的知識多樣，缺乏統一的描述，這給成熟度模型的應用帶來了一定的困難。隨著Gruber將本體（Ontology）引入人工智能領域［3］，許多學者開始研究成熟度模型本體的構建。

1　相關研究

Chandrasekaran等認為：本體是關于某領域知識中對象的分類、對象的屬性以及對象之間的關系的理論［4］。本體也是實現機器對知識理解的一種知識表示方式，關于本體的管理與構建也有許多工具，其中Protégé是應用較廣的一種本體編輯器。它是斯坦福大學醫學院生物信息研究中心使用Java開發的一種開源本體編輯和知識獲取的工具。它具有很強的可擴展性，可通過插入插件實現對所構建本體的一致性檢查和相關的推理功能。

Soydan等將CMMI-SW V1.1模型用OWL語言加以表示［5］，實現了分級表示方式，并創建了過程域中的項目資產本體 （PAO）。Sema Gazel等進一步提出了對CMMI模型的連續表示和分級表示兩種方式，并在此基礎上，給出了基于本體的軟件過程評估工具。而在安全工程領域，只見劉磊等根據SSE-CMM模型的結構特點，對模型到本體之間的自動化轉換做了初步的探索［6］。

2　模型本體構建

考慮到SSE-CMM模型與CMMI模型的區別與聯系，本文借鑒Soydan的CMMI本體構建方法，使用Protégé工具對SSE-CMM模型進行分析與構建。

2.1頂層類抽取

SSE-CMM模型的結構比較復雜，是為了確定一個安全工程組織在整個安全工程中的過程成熟度而設計的，其包括域維和能力維兩個維度。這兩個維度是為了清晰地區分安全工程過程基本特性——域維，與源于管理和制度化的特性——能力維。其中域維包含了過程域、基本實踐、工作產品等概念；能力維則由能力級別、共同特性、通用實踐等概念組成。

基本實踐是安全工程的一個基本組成部分，它包括了所有的共同定義的安全工程的實踐；通用實踐是代表了過程管理和制度化能力的實踐，是確定一個組織從事某項活動能力的有效方法。基本實踐和通用實踐結合起來可提供一種檢驗一個組織執行某項特定活動能力的方法。抽取出頂層的概念，其結構和關系如圖1所示。

圖1　SSE-CMM頂層類圖

組織在安全工程過程中執行安全工程活動 （即實踐），這些實踐可區分成安全工程的11個過程域，每個過程域是由若干基本實踐組成。而通用實踐則可劃分成為不同的共同特性，共同特性又組成不同的能力級別。通過判斷一個組織在執行某項活動時的通用實踐可得到某個過程域的能力級別，通過判斷所選擇的所有過程域的能力級別可得到組織整體上的成熟度。

2.2域維類的迭代

首先對域維進行迭代分析，基本實踐著眼于基本的安全工程操作，這些過程域沒有順序關系。可采用任何單一過程域或過程域的組合來評估一個組織能力級別。每個過程域被分解成為一個基本實踐集合，它們必須成功地實現該過程域要達到的目標。目標實現過程域所期望的最終結果。每個基本實踐都在過程域中詳細地描述，它包括對該基本實踐的概述，該基本實踐在執行的過程中將會輸出的一些工作產品實例說明等。

根據模型的特征，對域維的類進行迭代，得到如圖2所示的域維類圖。

圖2　域維的類圖

2.3能力維類的迭代

域維是從安全工程過程的角度來描述實踐，而能力維則是從管理和制度化的角度去評價組織在實施相關活動時的成熟度。

能力維由5個能力級別組成，與域堆不同的是，這5個能力級別是依據成熟度來排列的，高級別的能力級別包含了低級別的能力級別的內容，表示組織的能力和成熟度的不斷提升。每個能力級別包含了不等的共同特性，每個共同特性包含了一個或多個通用實踐。通過對能力維相關概念的分析，提取出能力維的類圖，如圖3所示。

在圖3中，將高級別的能力級別定義成為低級別的能力級別的一個子類，即圖中的is a關系，這是因為能力級別是按成熟度排序的，高級別的能力級別包含了低級別的能力級別的所有共同特性和通用實踐，即要想達到更高的能力級別，必須滿足較低級別的能力級別的所有通用實踐。

圖3　能力維的類圖

2.4模型本體的編輯與表示

本文使用Protégé 4.3對SSE-CMM模型本體進行構建。因OWL DL在OWL語言體系中既具有較強的表達能力，同時也具有較好的推理性能，故采用OWL DL作為本體的表示語言。

在Protégé中，基本實踐及其類層次圖如圖4所示，各SFR-SSE-CMM模型的11個基本實踐為類PA的子類，PA是Thing的子類。共同特性及其類層次圖如圖5所示，各共同特性為類CF的子類，CF為Thing的子類。

圖4　基本實踐及其類層次圖

圖5　共同特性及其類層次圖

3　結語

本文通過自頂向下、逐步求精的分析方法，先從頂層給出成熟度模型的主要概念及其關系圖，即頂層類圖；然后再分別對域維和能力維進行分析，得到成熟度模型的域維和能力維的類圖；最后使用Protégé實現對SSE-CMM模型本體的構建和編輯得到成熟度模型的OWL語言表示的本體。

［1］Paulk，Mark C.；Weber，Charles V，Capability Maturity Model for Software（V 1.1）［R］．Technical Report（Pittsburgh，PA:Software Engineering Institute，Carnegie Mellon University），1993.

［2］SSE－CMM項目組著.系統安全工程能力成熟度模型及其應用［M］．蔡皖東等譯．西安：西安電子科技大學出版社，2004.5.

［3］Gruber T.R.A Translation Approach to Portable Ontology Specification［J］.Knowledge Acquisition，1993（5）:199-220.

［4］B.Chandrasekaran，J.R.Josephson，V.R.Benjamins.What Are Ontologies and Why Do We Need Them［J］.IEEE Intellignet Systems，1999，14（1）:20-26.

［5］G.H.Soydan，M.M.Kolar．An OWL Ontology for Representing the CMMI-SW Model［C］．In ISWC 2006，2006.

［6］劉磊.基于模板的SSE-CMM本體自動構建研究.工業控制計算機，2011，24（4）:82-83.

Capability Maturity Model；Ontology；OWL

Research on the Method of Building Capability Maturity Model Ontology Based on Protégé

LIU Zhen-hai，LI Quan，XIAO Jian-tian
（School of Computer Science and Technology，University of South China，Hengyang421001）

1007-1423（2015）33-0051-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.33.014

劉征海（1972-），男，湖南衡陽人，碩士，研究方向為軟件工程、知識管理

2015-09-29

2015-11-16

成熟度模型主要用于評估組織在執行某項實踐活動時的過程可控和結果可重現的可能性。通過自頂向下、逐步求精的分析方法，先從頂層給出成熟度模型的主要概念及其關系圖；然后再分別對域維和能力維迭代得到成熟度模型的域維和能力維的類圖；最后使用Protégé完成模型本體的編輯。

成熟度模型；本體；OWL

湖南省科技計劃項目（No.2013GK3156）

Maturity model is mainly to assess organization's possibility of the process's controllable and repeatable results in the process of performing a practice.Using the top-down，stepwise refinement analysis method，the figure of the main concepts and their relationships in the top level is presented firstly.Then iterations are adopted to build the class figure of the dimensionality of domain and the dimensionality of capability，respectively.Finally using Protégé to build the Maturity Model Ontology.