一種基于知識(shí)圖譜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)語(yǔ)義約束性實(shí)現(xiàn)方法

劉 暢,王 彬 ,薛 潔,程 序,詹威威,熊 新

1(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650500)2(云南警官學(xué)院 信息網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院,昆明 650223)3(提升政府治理能力大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng) 550000)4(中電科大數(shù)據(jù)研究院有限公司,貴陽(yáng) 550000)

1 引 言

在使用模型驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)(Model Driven Development,MDD)[1]方法進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中,一般要建立實(shí)時(shí)領(lǐng)域內(nèi)抽象的源模型,即平臺(tái)無(wú)關(guān)模型(Platform Independent Model,PIM),然后通過(guò)模型映射技術(shù)將平臺(tái)無(wú)關(guān)源模型轉(zhuǎn)換到平臺(tái)相關(guān)的目標(biāo)模型(Platform Specific Model,PSM)[2],即可執(zhí)行的實(shí)時(shí)軟件源代碼.在PIM到PSM的模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中,由于源模型與目標(biāo)模型在模型表示形式、語(yǔ)法、語(yǔ)義等方面差距很大,因此如何實(shí)現(xiàn)模型的映射具有較大的技術(shù)難度,也是研究者們一直致力于解決的主要核心問(wèn)題[3-6].尤其是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的語(yǔ)義較為復(fù)雜,且無(wú)論在PIM還是在PSM中,都沒(méi)有辦法具體描述出來(lái),在從源模型到目標(biāo)模型的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,如何實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義約束性,以達(dá)到模型映射過(guò)程中的語(yǔ)義一致性是保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)方法有效性的關(guān)鍵問(wèn)題.

很多學(xué)者對(duì)如何保證模型轉(zhuǎn)換過(guò)程的映射準(zhǔn)確性和完整性問(wèn)題展開(kāi)了研究,Freund M等人提出了一種通用轉(zhuǎn)換算法,該算法能夠通過(guò)分析目標(biāo)元模型的結(jié)構(gòu)來(lái)執(zhí)行未指定此類(lèi)擴(kuò)展信息的映射,使模型轉(zhuǎn)換更精確[7].Gang W等人對(duì)計(jì)算獨(dú)立模型和平臺(tái)無(wú)關(guān)模型中的元本體進(jìn)行了抽象,并基于本體映射技術(shù)的相似性,建立了它們之間的本體映射關(guān)系[8].侯金奎等人為構(gòu)件式軟件模型的描述及轉(zhuǎn)換過(guò)程構(gòu)建了一種統(tǒng)一的語(yǔ)義描述框架,解決模型驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中語(yǔ)義特性的描述和驗(yàn)證等方面的問(wèn)題[9].

在采用模型驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,由于實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)更加豐富、復(fù)雜,并且各種行為關(guān)系更加錯(cuò)綜繁瑣,因此對(duì)其模型映射過(guò)程中的語(yǔ)義準(zhǔn)確性要求更加嚴(yán)格.這也為實(shí)時(shí)語(yǔ)義的構(gòu)建技術(shù)提出了更高的要求.近年來(lái)知識(shí)圖譜(Knowledge Graph)技術(shù)的出現(xiàn)為語(yǔ)義的描述提供了一種新的解決方案.知識(shí)圖譜以語(yǔ)義網(wǎng)為基礎(chǔ),是一種圖譜組織形式,通過(guò)語(yǔ)義關(guān)聯(lián)把各種實(shí)體關(guān)聯(lián)起來(lái),知識(shí)圖譜把結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)抽取、融合在一起,體現(xiàn)了數(shù)據(jù)治理、語(yǔ)義連接的思想[10-12].知識(shí)圖譜通過(guò)圖論和可視化技術(shù)描述知識(shí)資源及其載體,挖掘、分析、構(gòu)建、繪制和顯示知識(shí)及它們之間的相互聯(lián)系[13],現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)體系構(gòu)建及可視化[14-16].齊斌等人提取信息熵和模糊集中的知識(shí),構(gòu)建了各行業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)化的知識(shí)庫(kù),提出了一種基于知識(shí)圖譜的信息選擇技術(shù)[17].Marino K用知識(shí)圖譜的形式研究了結(jié)構(gòu)化先驗(yàn)知識(shí)的使用,并表明使用這些知識(shí)可以提高圖像分類(lèi)的性能[18].Hakkanitur D等人提出從語(yǔ)義網(wǎng)提取的語(yǔ)義知識(shí)圖譜用于無(wú)監(jiān)督訓(xùn)練模型的方法[19].李文鵬等人面向開(kāi)源軟件項(xiàng)目,構(gòu)建了可以對(duì)軟件知識(shí)進(jìn)行檢索的軟件知識(shí)圖譜[20].

綜上所述,本文以保證實(shí)時(shí)系統(tǒng)語(yǔ)義約束性為目標(biāo),采用知識(shí)圖譜技術(shù),構(gòu)建面向?qū)崟r(shí)領(lǐng)域的語(yǔ)義體系.實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜由實(shí)時(shí)語(yǔ)義體系的本體語(yǔ)言作為實(shí)體,并通過(guò)實(shí)時(shí)語(yǔ)義模型中本體語(yǔ)言之間的關(guān)系連接構(gòu)成圖譜.本文首先提取實(shí)時(shí)領(lǐng)域中語(yǔ)義模型的本體知識(shí),構(gòu)建實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)體系,以實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)體系作為框架構(gòu)建實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜.實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)中實(shí)體及其關(guān)聯(lián)的定義,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)領(lǐng)域的語(yǔ)義約束.通過(guò)在模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法中的具體事例驗(yàn)證證明了該方法的有效性.本文方法不但可以完整準(zhǔn)確地描述實(shí)時(shí)領(lǐng)域隱含的語(yǔ)義約束,還可以在社會(huì)過(guò)程中保證其符合語(yǔ)義約束,為后續(xù)模型映射過(guò)程中的語(yǔ)義一致性的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義.

2 實(shí)時(shí)領(lǐng)域的知識(shí)體系及schema構(gòu)建

本體(ontology)是對(duì)某對(duì)特定領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的概念及其相互之間關(guān)系的形式化表達(dá)[21],是用于描述知識(shí)的有力工具.實(shí)時(shí)領(lǐng)域本體體系是指對(duì)并行任務(wù)交互機(jī)制的實(shí)時(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)完整本體知識(shí)的識(shí)別和描述,是對(duì)實(shí)時(shí)領(lǐng)域系統(tǒng)內(nèi)概念和關(guān)系的匯總.本體是使用抽象的概念集合來(lái)描述實(shí)時(shí)領(lǐng)域內(nèi)的一切事物的共有特征,然后分析這些概念間存在的一定的關(guān)系集合,兩個(gè)集合共同構(gòu)成實(shí)時(shí)領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)具有層級(jí)、屬性和特征的體系結(jié)構(gòu).知識(shí)圖譜則在這些概念和關(guān)系的基礎(chǔ)上增加了更多的信息,為知識(shí)的推理奠定了基礎(chǔ),而本體描述了知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)模式,為實(shí)時(shí)領(lǐng)域知識(shí)圖譜構(gòu)建schema的過(guò)程相當(dāng)于為實(shí)時(shí)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)建立本體體系的過(guò)程.

2.1 實(shí)時(shí)領(lǐng)域特征及語(yǔ)義約束

通過(guò)對(duì)典型實(shí)時(shí)系統(tǒng)中同步與通信機(jī)制的研究和歸納,可以得到實(shí)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制是多個(gè)任務(wù)并行,其基本的功能單元是任務(wù),主要關(guān)系是多個(gè)任務(wù)之間的協(xié)調(diào)合作過(guò)程中存在的實(shí)時(shí)通信和同步,即中斷、郵箱、信號(hào)量等和任務(wù)的交互,任務(wù)之間以及任務(wù)與通信和同步服務(wù)單元之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作是實(shí)時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本保證[22,23].

在實(shí)時(shí)領(lǐng)域內(nèi),其語(yǔ)義體系通常包括定義、規(guī)則與資源等不同層次,構(gòu)建實(shí)時(shí)領(lǐng)域本體體系的目標(biāo)是為了保證在模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持語(yǔ)義一致性及嚴(yán)格的語(yǔ)義約束.語(yǔ)義一致性可以描述如下:若語(yǔ)言A的模型定義為Model_A,Model_A模型的語(yǔ)義體系為Sa;語(yǔ)言B的模型定義為Model_B,Model_B模型的語(yǔ)義體系為Sb,若Sa?Sb,那么稱(chēng)在模型轉(zhuǎn)換映射過(guò)程中(Model_A,Model_B)保持了語(yǔ)義一致.

2.2 實(shí)時(shí)領(lǐng)域的概念本體

實(shí)時(shí)系統(tǒng)領(lǐng)域的概念本體可分為對(duì)象本體、行為本體和算法本體三類(lèi).

在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中,對(duì)象本體={任務(wù),中斷,郵箱,事件,資源,警報(bào),信號(hào)量}.根據(jù)對(duì)象本體是否具有發(fā)出行為的能力分為進(jìn)程對(duì)象和目標(biāo)對(duì)象兩種.其中具有發(fā)出行為能力的對(duì)象本體稱(chēng)為進(jìn)程對(duì)象,進(jìn)程對(duì)象={任務(wù),中斷,事件,警報(bào)};具有被動(dòng)接受行為的對(duì)象本體稱(chēng)為目標(biāo)本體,目標(biāo)對(duì)象={郵箱,資源,信號(hào)量}.

對(duì)象本體之間的交互行為稱(chēng)為行為本體,行為本體={任務(wù)類(lèi)行為,資源類(lèi)行為,中斷類(lèi)行為,報(bào)警類(lèi)行為,信號(hào)類(lèi)型行為,事件類(lèi)行為}.另有創(chuàng)建行為和刪除行為可以通用,所以不對(duì)其進(jìn)行分類(lèi).在行為本體中,其中任務(wù)類(lèi)行為={延遲,懸掛,恢復(fù),鎖起,解鎖,訪(fǎng)問(wèn)};資源類(lèi)行為={讀,寫(xiě),釋放};中斷類(lèi)行為={等待,激活,有效,無(wú)效};報(bào)警類(lèi)行為={懸掛,恢復(fù),激活};信號(hào)類(lèi)行為={發(fā)送,等待};事件類(lèi)行為={發(fā)信號(hào),清楚,等待};創(chuàng)建類(lèi)行為={創(chuàng)建};刪除類(lèi)行為={刪除}.

程序算法本體為在實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的程序算法,任務(wù)可以對(duì)算法進(jìn)行選擇.算法={if-then,while,repeat}.

2.3 實(shí)時(shí)領(lǐng)域的關(guān)系本體

上述概念之間均存在各種關(guān)系,在實(shí)時(shí)領(lǐng)域知識(shí)體系中,這些關(guān)系用來(lái)表示在多任務(wù)領(lǐng)域中各概念本體之間的相互作用,這些關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,具有方向性,每一個(gè)關(guān)系的發(fā)生具有明確的關(guān)聯(lián)定義,且不可替代和混淆.本文用有向圖描述部分本體之間關(guān)系的約束性,如圖1所示.

如圖1所示,本體間通過(guò)對(duì)關(guān)系的定義具有了嚴(yán)格的方向性,圖中包含部分對(duì)象本體,行為本體,算法本體,所屬類(lèi)別與兩者間關(guān)系.例如,“任務(wù)”可以發(fā)出“刪除”的行為,也可以發(fā)出“懸掛”的行為,“任務(wù)”與兩者間關(guān)系均為“可以發(fā)出”,但是“資源”和“警報(bào)”只可以作為“刪除”與“懸掛”的對(duì)象,對(duì)應(yīng)關(guān)系為“可以刪除”與“可以懸掛”;“任務(wù)”可以發(fā)出“恢復(fù)”的行為,關(guān)系為“可以發(fā)出”,恢復(fù)可以作用于任務(wù),但因關(guān)系方向改變,關(guān)系發(fā)生變化,不可原路返回,需另做一條關(guān)系,關(guān)系為“作用于”;“任務(wù)”具有“if-then”,表示“任務(wù)”與“if-then”之間關(guān)系為“具有”.同時(shí)在實(shí)時(shí)本體體系中,本體具有自身屬性,如圖1中所屬類(lèi)別.

圖1 概念本體和關(guān)系本體的有向圖模型Fig.1 Directed graph model of conceptual ontology and relational ontology

綜上所述,通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)領(lǐng)域知識(shí)概念和關(guān)系的分析與總結(jié),得到了實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜的schema,在這些工作的基礎(chǔ)上,我們將開(kāi)始構(gòu)建實(shí)時(shí)系統(tǒng)語(yǔ)義的知識(shí)圖譜.

3 實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜的實(shí)體及關(guān)系構(gòu)建

3.1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)語(yǔ)義知識(shí)圖譜中實(shí)體的構(gòu)建

實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)實(shí)體,兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的邊對(duì)應(yīng)它們之間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián).本文將實(shí)時(shí)語(yǔ)義中的對(duì)象本體,行為本體與算法本體提取為實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)實(shí)體,具體內(nèi)容如圖2.

智能診斷軟件方案通過(guò)有效的引導(dǎo)式專(zhuān)家故障排除軟件和機(jī)器學(xué)習(xí)能力，可提升一次性修復(fù)率，避免錯(cuò)誤診斷和過(guò)度維修，與此同時(shí)，車(chē)載健康監(jiān)控和云端預(yù)測(cè)性診斷工具可在故障問(wèn)題發(fā)生前提供預(yù)警，并從實(shí)際案例中汲取經(jīng)驗(yàn)及規(guī)則，改進(jìn)未來(lái)的車(chē)輛健康性能。

圖2 實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)Fig.2 Real-time semantic knowledge

3.2 實(shí)時(shí)系統(tǒng)語(yǔ)義知識(shí)圖譜中關(guān)系的構(gòu)建

實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜的邊表達(dá)了節(jié)點(diǎn)之間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián),這些關(guān)聯(lián)包含了節(jié)點(diǎn)之間的特定關(guān)系,這些關(guān)系根據(jù)實(shí)時(shí)建模系統(tǒng)中本體之間的關(guān)系所構(gòu)建.在語(yǔ)義三元組<實(shí)體,關(guān)系,實(shí)體>中,根據(jù)實(shí)體與實(shí)體之間特定的關(guān)聯(lián).我們構(gòu)建關(guān)系集={CAN,Work on,HAS},在三元組<實(shí)體,屬性,屬性值>中,構(gòu)建類(lèi)型集={Name,Class}.具體信息如表1所示.表1中括號(hào)內(nèi)表達(dá)的是兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及所屬類(lèi)別,即由左至右對(duì)應(yīng),關(guān)系方向與類(lèi)別方向也為由左至右,例如 CAN中包含<任務(wù),CAN,延遲>代表任務(wù)實(shí)體與延遲實(shí)體間關(guān)系為CAN,關(guān)系方向?yàn)槿蝿?wù)至延遲.Class中<讀,所屬類(lèi)別,資源類(lèi)行為>代表讀實(shí)體所屬資源類(lèi)行為.

表1 實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜部分實(shí)體之間關(guān)系表
Table 1 Real-time semantic knowledge map part of the relationship between entities

關(guān)系<實(shí)體,關(guān)系,實(shí)體>CAN<任務(wù),CAN,延遲>;<任務(wù),CAN,懸掛>;<任務(wù),CAN,恢復(fù)>;<任務(wù),CAN,鎖起>;<任務(wù),CAN,解鎖>;<任務(wù),CAN,讀>;<任務(wù),CAN,無(wú)效>;<任務(wù),CAN,懸掛>,<任務(wù),CAN,等待>;Work on<讀,Work on,資源>;<激活,Work on,中斷>;<恢復(fù),Work on,報(bào)警>;<創(chuàng)建,Work on,中斷>;<創(chuàng)建,Work on,資源>;<創(chuàng)建,Work on,信號(hào)量>;<刪除,Work on,事件>;<刪除,Work on,資源>;<延遲,Work on,任務(wù)>;<恢復(fù),Work on,任務(wù)>;<訪(fǎng)問(wèn),Work on,任務(wù)>HAS<任務(wù),HAS,if-then>;<任務(wù),HAS,while>;<任務(wù),HAS,repeat>屬性<實(shí)體,屬性,屬性值>Name<任務(wù),Name,Task1>;<任務(wù),Name,MainTask>;<事件,Name,Event1>;<資源,Name,Resource1>;<郵箱,Name,Mailbox1>Class<讀,Class,資源類(lèi)行為>;<讀,Class,資源類(lèi)行為>;<寫(xiě),Class,資源類(lèi)行為>;<無(wú)效,Class,中斷類(lèi)行為>;<懸掛,Class,報(bào)警類(lèi)行為>;<刪除,Class,刪除行為>;<創(chuàng)建,Class,創(chuàng)建行為>;

3.3 基于Neo4j和cypher的實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜實(shí)現(xiàn)

Neo4j[25]是由java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的圖數(shù)據(jù)庫(kù),將數(shù)據(jù)以圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理,并且能高效準(zhǔn)確的表示不同種類(lèi)的數(shù)據(jù),是基于屬性圖模型的數(shù)據(jù)庫(kù).本文用Neo4j對(duì)實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜構(gòu)建進(jìn)行儲(chǔ)存,便于知識(shí)圖譜的繪制與查詢(xún).我們將提取到的實(shí)體和實(shí)體關(guān)系存入Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)中.cypher語(yǔ)言[26]是一種聲明式的圖查詢(xún)語(yǔ)言,可以用于高效查詢(xún)和更新圖數(shù)據(jù)庫(kù).對(duì)所查詢(xún)的關(guān)系進(jìn)行檢索.我們利用Neo4j中提供的cypher查詢(xún)語(yǔ)言對(duì)實(shí)時(shí)領(lǐng)域知識(shí)圖譜的知識(shí)進(jìn)行查詢(xún).

圖3 實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜構(gòu)建流程圖Fig.3 Real-time semantic knowledge graph construction flow chart

在構(gòu)建知識(shí)圖譜中由于行為本體間有重復(fù)字符比如中斷類(lèi)行為中的“等待”與信號(hào)類(lèi)行為中的“等待”字符相同,在構(gòu)建知識(shí)圖譜中無(wú)法形成唯一約束,所以我們?cè)跇?gòu)建時(shí)候相同字符后加上后綴,比如中斷類(lèi)行為中等待行為記為“等待.中斷”;信號(hào)類(lèi)行為中等待行為記為“等待.信號(hào)”.基于Neo4j構(gòu)建的實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜中部分截圖效果展示如圖4所示.圖中呈現(xiàn)了實(shí)時(shí)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)及其之間的關(guān)聯(lián)性與約束性,關(guān)系清晰明確且具有嚴(yán)格的方向性.

圖4 實(shí)時(shí)知識(shí)圖譜展現(xiàn)圖Fig.4 Real-time knowledge graph

圖5 實(shí)時(shí)領(lǐng)域知識(shí)圖譜中的語(yǔ)義約束Fig.5 Semantic restriction in Real-time knowledge graph

4 基于知識(shí)圖譜的語(yǔ)義約束實(shí)現(xiàn)

在實(shí)時(shí)領(lǐng)域知識(shí)圖譜中,完整描述了各實(shí)體及其關(guān)系之間的關(guān)聯(lián),由于在構(gòu)建過(guò)程中,對(duì)這些關(guān)聯(lián)的約束給出了明確的定義,因此,所有實(shí)體與所有關(guān)系之間的關(guān)聯(lián)即描述了實(shí)時(shí)領(lǐng)域的語(yǔ)義約束.如圖5(a)所示,圖中描述了一個(gè)與“郵箱”節(jié)點(diǎn)的知識(shí)及關(guān)系描述,從圖中可以看出實(shí)時(shí)系統(tǒng)的語(yǔ)義約束如下:“郵箱”可以與“創(chuàng)建”與“刪除”兩種行為有關(guān)聯(lián),且“創(chuàng)建”與“刪除”兩種行為只能有“任務(wù)”發(fā)出;“郵箱”所屬目標(biāo)對(duì)象類(lèi)別,目標(biāo)對(duì)象同時(shí)還包含“資源”與“信號(hào)量”兩種.而圖5(b)則給出了與“資源”節(jié)點(diǎn)有直接關(guān)聯(lián)的所有實(shí)體.

實(shí)時(shí)領(lǐng)域知識(shí)圖譜清晰表達(dá)了節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系有無(wú)以及關(guān)系之間的方向性,嚴(yán)格地給出了對(duì)象及行為之間的語(yǔ)義約束.在實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜中,可以采用cypher語(yǔ)言查詢(xún)并獲取各節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系和關(guān)聯(lián)情況,因此在使用模型驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)所獲取的關(guān)聯(lián)情況的有無(wú)和方向即可完成實(shí)時(shí)領(lǐng)域中的語(yǔ)義約束.

以圖6為例,我們?cè)诓捎媚Ｐ万?qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法時(shí),有任務(wù)main、資源resource1和郵箱mailbox1三個(gè)對(duì)象本體,分別對(duì)應(yīng)于知識(shí)圖譜中任務(wù)、資源和郵箱三個(gè)實(shí)體,這里要使用模型驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)這三個(gè)模型之間進(jìn)行進(jìn)一步的具體行為關(guān)聯(lián).而由于屬性不同,其背后的語(yǔ)義約束較為復(fù)雜.

圖6 任務(wù)、資源和郵箱的模型圖Fig.6 Model graph of tasks,resources,and mailboxes

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,在使用發(fā)送到郵箱命令時(shí),如果誤將其指向資源本體resource1,使用上文構(gòu)建的實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜,可通過(guò)cypher語(yǔ)言查詢(xún)到與“資源”節(jié)點(diǎn)有直接關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn),如圖5(b)所示.可以看到“資源”所屬類(lèi)別,以及與“資源”節(jié)點(diǎn)直接關(guān)聯(lián)的所有行為本體,在這里,并沒(méi)有“發(fā)送到郵箱”這個(gè)行為,因此在語(yǔ)義上判別出盡管資源是一個(gè)目標(biāo)對(duì)象,但是當(dāng)前這個(gè)動(dòng)作是不能與之發(fā)生關(guān)聯(lián)的,因此盡管在語(yǔ)法上沒(méi)有錯(cuò)誤,但是識(shí)別出這是一個(gè)語(yǔ)義錯(cuò)誤,報(bào)錯(cuò)并停止執(zhí)行,如圖7(a)所示.

圖7 “資源”語(yǔ)義約束及建模實(shí)現(xiàn)Fig.7 "resource" semantic constraints and modeling implementation

而當(dāng)“發(fā)送到郵箱”這個(gè)行為作用到郵箱mailbox1時(shí),通過(guò)使用實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜查詢(xún)到與“郵箱”節(jié)點(diǎn)有直接關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn),如圖5(a)所示.因此驗(yàn)證了符合語(yǔ)義規(guī)則,可以完成當(dāng)前動(dòng)作,得到的結(jié)果如圖7(b)所示.

由上述例子可見(jiàn),實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜包含了所有實(shí)時(shí)領(lǐng)域知識(shí)內(nèi)的知識(shí)及知識(shí)之間的語(yǔ)義約束,可通過(guò)可視化圖譜方式呈現(xiàn),不僅具體清晰,還可以通過(guò)cypher語(yǔ)言對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行查詢(xún),檢驗(yàn)當(dāng)前的語(yǔ)義是否符合實(shí)時(shí)語(yǔ)義的規(guī)定,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)領(lǐng)域語(yǔ)義嚴(yán)格的約束.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證使用知識(shí)圖譜后實(shí)時(shí)系統(tǒng)語(yǔ)義約束性的效果,我們以基于模型驅(qū)動(dòng)方法的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境,針對(duì)各種設(shè)計(jì)中存在的語(yǔ)義映射問(wèn)題進(jìn)行了多次測(cè)試實(shí)驗(yàn).使用原有的語(yǔ)義約束方法[27]和基于知識(shí)圖譜的語(yǔ)義約束方法,分別對(duì)語(yǔ)義約束的準(zhǔn)確度、誤識(shí)別度和漏識(shí)別度三方面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,無(wú)論是對(duì)象類(lèi)語(yǔ)義、行為類(lèi)語(yǔ)義還是算法類(lèi)語(yǔ)義,在以上三種指標(biāo)上都得到了明顯的改善,具體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

表2 指標(biāo)對(duì)比
Table 2 Index comparison

準(zhǔn)確率誤識(shí)別率漏識(shí)別率對(duì)象類(lèi)原方法84%7%9%語(yǔ)義本文方法92%4%4%行為類(lèi)原方法78%8%14%語(yǔ)義本文方法90%6%4%算法類(lèi)原方法81%13%6%語(yǔ)義本文方法91%6%3%

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),基于知識(shí)圖譜的實(shí)時(shí)語(yǔ)義約束方法能夠更好地保證在模型映射過(guò)程中語(yǔ)義的保持和映射,尤其對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的行為類(lèi)語(yǔ)義有更好的效果.

5 總結(jié)與展望

針對(duì)在采用于模型驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法過(guò)程中語(yǔ)義約束難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,本文構(gòu)建了實(shí)時(shí)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)圖譜,重點(diǎn)針對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)語(yǔ)義關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜的特點(diǎn),首先完成了對(duì)實(shí)時(shí)領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)本體及各種關(guān)系的識(shí)別和提取,構(gòu)造了基于知識(shí)實(shí)體的本體屬性模型,并在此基礎(chǔ)上采用圖數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)語(yǔ)義體系的知識(shí)圖譜.

本文提取了實(shí)時(shí)語(yǔ)義中的對(duì)象本體與關(guān)系本體之間的相關(guān)性作為構(gòu)建實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜的主要框架,分別通過(guò)實(shí)體,屬性,關(guān)聯(lián)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜的構(gòu)建.所得到的實(shí)時(shí)語(yǔ)義知識(shí)圖譜的可視化能夠清晰具體地表達(dá)實(shí)時(shí)語(yǔ)義體系中各個(gè)實(shí)體與關(guān)系之間的關(guān)聯(lián)性,同時(shí)完成了嚴(yán)格的語(yǔ)義定義.具體的例子和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,將該知識(shí)圖譜應(yīng)用于模型驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中時(shí),通過(guò)與知識(shí)圖譜的實(shí)時(shí)交互,可以檢驗(yàn)當(dāng)前設(shè)計(jì)動(dòng)作是否符合語(yǔ)義約束,并且明顯改善了模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中隱含的語(yǔ)義約束性能指標(biāo).

采用本文方法不但可以實(shí)現(xiàn)不同建模本體之間交互的語(yǔ)義約束,還可以為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)義的關(guān)聯(lián)、檢索和推理提供基礎(chǔ),從而為實(shí)時(shí)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中的語(yǔ)義一致性問(wèn)題提供更有效的解決方案.下一步將結(jié)合知識(shí)圖譜的推理算法展開(kāi)研究,以繼續(xù)完善和提高實(shí)時(shí)語(yǔ)義一致性的性能.