基于MDR/MFI標準的語義數據統一注冊模型

袁　滿， 劉學博， 翟紅翠， 姚桂杰， 王　芳

( 1. 東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶　163318；　2. 中國石油華北油田分公司 數據中心，河北 任丘　062552；　3. 中國石油大港油田石化分公司，天津　300280；　4. 東北石油大學 校機關，黑龍江 大慶　163318 )

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基于MDR/MFI標準的語義數據統一注冊模型

袁滿1， 劉學博1， 翟紅翠2， 姚桂杰3， 王芳4

( 1. 東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶163318；2. 中國石油華北油田分公司 數據中心，河北 任丘062552；3. 中國石油大港油田石化分公司，天津300280；4. 東北石油大學 校機關，黑龍江 大慶163318 )

為解決國際標準化組織提出的互操作性元模型框架(MFI)系列標準中，映射注冊標準的映射度不能滿足實際應用需要的問題，在MFI-10和MFI-12標準基礎上，提出三層語義數據統一注冊模型，包括底層數據源層、中間注冊層和頂層全域共享數據模型層，對復雜映射類型進行抽取與定義，并擴充到映射注冊元模型；融入映射、注冊技術和MDR標準，并作為全域數據模型。石油領域分布式E&P數據庫與EPDM數據庫等的語義注冊的應用表明，語義數據統一注冊模型能夠靈活、規范地解決企業數據的共享問題。

MFI； 互操作性； 信息模型； 映射度； 映射注冊； 數據集成

0　引言

隨著分布式系統及網絡環境的日益增多，出現大量相互獨立的異構信息源系統。為使其中數據能夠實現共享，需通過信息集成技術[1]建立公共的集成環境，為用戶提供統一的訪問界面。信息集成技術研究始于20世紀70年代中期，已成為數據領域的重要研究方向[2]。

互聯、互通和互操作是信息系統發展過程中必須具備的基本特征[3]，其中互操作性成為研究重點，也是訪問信息資源的基本要求[4]。目前，致力于推動信息系統從“孤島性”向“互操作性”發展，如美國聯邦政府提出CORE.gov服務[5]，為組件的開發、服務、注冊和共享提供協作環境；歐盟建立歐洲語義互操作中心及歐洲互操作性框架[6]等。信息集成方法有聯邦數據庫方法、Wrapper/Mediator中間件集成方法及數據復制方法，這些方法缺乏對語義互操作問題的解決能力，即解決信息系統互操作性和數據集成的能力。

互操作中包括很多基礎性的公共互操作性交互框架，如針對信息的統一表述方式的可擴展標記語言(XML)，但是XML僅提供語法交互框架，沒有提供語義互操作性管理。針對語義互操作性管理，如存在于企業專業領域的分布式異構數據源間難以共享的問題，國際標準化組織提出互操作性元模型框架(Metamodel Framework for Interoperability，MFI)[7]系列標準，從信息模型注冊、模型映射注冊角度，為信息資源目錄實施注冊、管理及應用提供重要的參考指標與依據，并給出描述元信息的規范化“元數據模型”，能夠在一定程度上加強信息系統間的互操作性，通過建立注冊和映射注冊方法加強對語義的互操作性，解決傳統數據未提供語義互操作性管理的問題。

由于MFI系列標準過于簡單、籠統，與相關標準之間彼此孤立，所以它們難以在企業中直接應用。筆者對MFI系列標準進行分析和擴展，并結合ISO/IEC提出的ISO-11179 MDR(Metadata Registry)[8]標準，提出一個三層框架的、基于MDR/MFI標準的語義數據統一注冊模型，通過注冊解決語義集成問題。同時，針對MFI系列標準中MFI-10標準提供的映射度遠不能滿足企業復雜映射的應用需求，結合石油領域的映射需求，對映射度進行擴展。此外，為解決多異構數據源間互映射問題，提出各異構數據源統一向全域MDR標準模型的1∶1映射關系，有效降低映射的復雜度。

1　互操作性原理

1.1信息模型注冊元模型

信息系統間的互操作包括兩方面內容：(1)對系統之間交互信息所遵循的語義、語法進行記錄，即注冊；(2)準確說明雙方交互信息在語義、語法方面的對應關系，即建立語義、語法方面的映射。其中注冊是解決互操作性問題的關鍵，它擁有一定使用歷史和較為成熟的技術，如服務注冊，即通用描述發現集成協議(UDDI)[9]、Web服務描述語言(WSDL)[10]及元數據注冊(MDR)標準等。

結合注冊技術，MFI-12標準制定信息模型注冊元模型(見圖1)，對信息模型進行注冊。

圖1　MFI系列標準信息模型注冊元模型Fig.1 Metamodel for MFI information model registration

根據MFI系列標準信息模型注冊元模型進行注冊，可完整地記錄信息模型遵循的語法和語義。信息模型注冊元模型規范中術語定義及說明包括：(1)實體類型，是一個抽象元類中每一個代表特定實體類型的實例，實體類型元類可用于一個符合ISO/IEC 9075-2:2011[11]所描述的、SQL核心規范的、數據庫結構的注冊信息，即信息模型的實體。(2)屬性，一個抽象元類中每一個代表特定屬性的實例，即信息模型中實體的屬性。(3)描述域，約束信息模型中實體屬性的數據類型。(4)可枚舉域，當信息模型中實體屬性約束由其他實體類型構成時，該約束為可枚舉域。(5)有效值，構成某一可枚舉域的約束值。(6)實體專業化分層，實體類型根據不同分類方式分為不同子類，每個子類與其父類的關系即實體專業化分層。(7)關系，實體與實體之間的關系名稱與類別。(8)關系內容，描述關系的具體關系內容，包括實體與實體之間的鏈接詞和基數。(9)關系組，實體與它所擁有關系內容的對應關系。

文中提出三層模型框架，結合MDR與MFI標準注冊機制，對異構信息模型與其映射關系進行注冊；并參考UDDI web服務的注冊管理機制，構建異構信息模型與其映射信息注冊平臺。

1.2映射注冊元模型

隨著信息集成與互操作的發展，數據映射技術在數據集成中發揮重要作用。結合映射技術，MFI-10標準制定基本映射注冊元模型[12]，提出異構模型之間建立映射的規范，并對映射與映射關系進行注冊。映射信息注冊元模型見圖2。

圖2　MFI系列標準映射注冊元模型Fig.2 Metamodel for MFI mapping registration

根據MFI系列標準映射注冊元模型進行注冊，可完整地記錄映射信息與映射規則，映射注冊元模型規范中術語定義及說明包括：(1)模型元素，構成該模型的任意元素，包括模型的名稱、屬性、關系及約束類型。(2)模型元素集，可以放在一起構建映射的模型元素的集合。(3)模型映射，注冊的模型與模型之間的映射，包含模型元素集映射。(4)模型元素集映射，模型元素集之間映射對應關系的注冊，映射的最小單位是元素集。(5)模型元素集映射類型，通過模型元素集映射度表示，映射度為元素集之間建立映射的映射類型。

1.3映射度擴展

根據MFI系列標準規范，映射注冊元模型可以對底層異構數據源抽取的信息模型進行注冊，包括對異構信息模型與全域信息模型之間的映射關系進行注冊，對于模型之間構建映射所需的映射規則函數，在MFI系列標準中采用模型元素集映射度表示。MFI系列標準提供的映射度不能滿足實際應用需求，在實際應用中映射規則變得很復雜，為了滿足不同映射度的需要，結合石油領域的模型映射對MFI系列標準映射度進行擴展：

(1)相同(same as)，映射構建者認為源集和目標集在語法、語義上相同。應用時進行保值處理，即無需經過任何處理，源與目標數據一致。

(2)語義等價(semantically equivalent)，映射構建者認為源集和目標集僅在語義上相同。應用時進行保值處理。

(3)派生(derived from)，映射構建者認為源集在目標集中被使用，即目標集是由源集中的屬性經過處理并映射到目標集的屬性中。應用時可以根據具體情況繼續細化。

(4)屬性直接合并(DF-Attri-Merge Mapping)，將源集中的屬性A1,A2,…An(n>1)直接拼接并映射到目標集的屬性中。

(5)屬性條件合并(DF-Attri-Condition Merge Mapping)，結合符號等外來數據，將映射源集中的屬性合并至目標的屬性中。

(6)屬性條件拆分(DF-Attri-Condition Split Mapping)，將源集中的屬性按照符號等外來數據進行拆分，拆分后的內容分散映射到目標集的屬性中(與合并映射相逆)。

(7)數值運算(DF-Attri-Calculate Mapping)，對源集中的屬性進行數學運算，映射到目標集的屬性中。

(8)單位轉換(DF-Unit-Convert Mapping)，當源集與目標集中的屬性單位不一致時，將源集中的屬性進行單位轉換，映射到目標集的屬性中。

(9)常量映射(Fixed Value Mapping)，無需源集的屬性參與，將給定的常量值映射到目標集的屬性中[13]。

2　三層互操作性技術架構體系

在建立映射關系時，MFI-10標準按照傳統1∶1的映射關系處理，當存在n個異構數據源時，需要建立n2/2個映射關系；當異構數據源的數量越多時，需要建立的映射關系越多。由于MFI-10標準提出的映射度對于實際應用過于稀少和語義化，為了實現異構數據源的信息集成、加強互操作性、減少映射次數，提出由頂層全域共享數據模型、中間注冊層，以及底層數據源構建的、基于MDR/MFI標準的、具有互操作性的三層技術架構體系。構建的語義數據統一注冊模型見圖3。

(1)底層數據源層：將底層異構數據源抽取為需要注冊的信息模型。

(2)中間注冊層：將由底層數據源及頂層全域共享數據模型抽取的信息模型，按照圖1描述的MFI系列標準信息注冊元模型進行注冊；根據映射規則與算法，將注冊后的信息模型按照MFI系列標準規定的映射度與全域信息模型建立映射關系，將構建的映射信息按照圖2描述的MFI系列標準映射注冊元模型進行注冊；根據MFI系列標準信息模型注冊元模型與映射注冊元模型進行統一注冊管理。

(3)頂層全域共享數據模型層：為了解決信息集成問題，ISO提出標準MDR元數據注冊系統。基于MDR標準規范，建立頂層全域共享數據模型，仿照數據共享模型[14]，按照具體業務模型和MFI系列標準映射注冊元模型的映射規則，將底層異構數據源映射到全域共享數據模型；通過全域共享數據模型直接訪問應用，同時屏蔽底層異構數據源。該模型具有優點：對數據的描述、定義進行規范統一，內容語義的描述就越準確；擁有良好的語義基礎，可以更有效地實現數據共享；以它作為頂層模型，可以減少模型之間的映射次數，并通過屏蔽底層數據源對頂層統一訪問而實現信息集成。

由圖3可見，當構建的三層互操作性技術架構存在n個數據源時，只需建立n個映射關系，通過1∶1映射模式，可以大幅降低映射復雜度，節省大量映射信息的存儲空間。

3　實例應用

在50多年信息化建設過程中，大慶油田形成勘探開發數據模型多版本并存的局面，且數據模型分布在不同地理位置的企業網上。典型勘探開發數據源包括20世紀90年代構建的勘探開發數據模型(E&P)，2007年建成的、以油田生產為主的新版勘探開發統一數據模型(EPDM)[15]，以及以采油和地面工程為主的A5數據模型三種數據模型。以現場實際需求為背景，將EPDM作為全域數據模型，設計并開發對三種數據模型進行注冊，將A5和E&P向全域數據模型EPDM進行映射信息注冊的系統，部分功能見圖4和圖5。系統能夠完成對大慶油田三種數據模型的注冊解析、映射構建及信息注冊，有效地解決數據模型之間的交互性。

圖3　基于MDR/MFI標準的語義數據統一注冊模型Fig.3 The unified registration model of semantic data base on MDR/MFI

圖4　模型元素注冊Fig.4 Model element registration

圖5　模型元素集映射注冊和映射度維護Fig.5 Model element set mapping registration and Model element set mapping deagree

系統主要完成三層技術框架體系的中間注冊層功能：分析A5和E&P數據模型的結構，按照信息模型方式抽取底層數據源層，將EPDM作為頂層全域數據模型層進行解析構建；結合注冊和映射元模型，解析油田三種數據模型結構，按照三層技術架構體系中間注冊層的功能進行注冊解析(見圖6)。根據注冊后的模型信息及映射信息，可以查詢頂層全域共享數據模型，進而屏蔽底層數據源。

圖6　石油模型根據中間注冊層的解析Fig.6 Analysis of oil model based on the middle register

傳統數據集成方法缺少語義互操作，同時采用本體方式解決語義問題的應用較為復雜。基于MDR/MFI標準的語義數據注冊模型框架體系可以將數據攜帶的語義進行注冊，通過加強語義記錄加強語義的互操作性，在石油領域中得到較好應用。

4　結論

(1)分析MFI互操作系列標準，結合油田企業語義數據互操作性需求，提出一個三層語義數據統一注冊模型框架體系。該框架體系融入MDR標準，將它作為企業的全域共享數據模型，可以屏蔽底層異構數據源，使其他異構數據源信息模型可以直接向全域數據模型進行映射，即實現1∶1映射模式。這種映射模式明顯降低異構數據源間映射的復雜度，節省大量映射信息占用的存儲空間。

(2)該模型可實現對多源數據資源目錄的有效管理及數據的有效集成，結合油田的實際應用擴展部分映射度，滿足石油領域信息模型對復雜映射類型的需求。經大慶油田多源信息模型及映射信息注冊過程的驗證，具有可行性、靈活性及科學性。該模型技術原理適用于其他領域應用。

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2015-11-10；編輯：張兆虹

黑龍江省教育廳基金項目(12531059)

袁滿(1965-)，男，博士，教授，主要從事信息標準化與信息集成、數據工程理論與技術、知識工程方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.03.013

TP391

A

2095-4107(2016)03-0104-07