管理信息系統安全性本體建模和驗證研究*

趙蘭杰 翁 爽 李 震 苗 虹

（1.江蘇科技大學電子信息學院 鎮江 212003）（2.上海船舶設計研究院 上海 201203）（3.江蘇科技大學經濟管理學院 鎮江 212003）

1 引言

近年來安全事故頻發，根據國家安監局公布的數據，僅2017 年月全國共發生5.3 萬起事故，死亡3.8萬人。安全生產管理已經成為日益重視和迫切需要解決的問題。

船舶修造企業具有明火作業多、高空作業多、起重作業多、易燃易爆作業多、狹隘室作業多、立體交叉作業多以及特種作業多等特點，因而事故發生頻率較高［1～2］，從而具有典型的安全生產管理要求。

管理信息系統（MIS）極大地提高了企業的管理效率，但其對安全生產管理仍缺乏有力的支持。顯然，通過驗證MIS 的安全管理能力，發現并解決存在的安全管理問題，將大大增強企業的安全管理能力。

本體是共享概念模型的明確的形式化規范說明，目標是捕獲相關領域的知識，提供對該領域知識的共同理解［3］。從相關標準中抽取和建立本體的共享概念模型，利用其進行驗證可以得到最廣泛的領域知識認可。

綜上所述，文章從安全生產管理的領域標準出發，利用本體建模方法抽取共享概念、關聯和公理集，建立安全生產管理的本體模型，基于此對管理信息系統的安全生產管理能力進行驗證和分析。

2 相關工作

在企業本體建模和驗證領域，中科院的金芝等圍繞本體的知識工程做出了開創性的工作［4］。文獻［5］研究了信息系統安全性需求的本體建模和復用。

在其他安全相關領域，文獻［6］介紹了面向航天產品研制的知識網絡本體建模方法。加拿大卡爾隆大學遵循適航（飛行安全性）標準（RTCA DO-178B）開發安全關鍵軟件的UML 剖面，初步歸納了機載軟件安全性需求中和軟件相關的概念和關聯［7］。文獻［8］進一步研究了軟件安全性需求的本體建模和驗證，并開發了原型工具和進行了實例應用。于洋，劉東等基于本體和電力信息交互總線的IEC 61968 標準對信息模型的一致性進行了校驗［9］。

綜上所述，在企業安全管理的本體建模和驗證方面，國內外存在一些相關的研究，但直接和深入的工作還不多，在其他領域，國內外存在相關的安全性本體或模型描述，但未發現直接在企業安全管理領域建立的標準本體模型。

3 基本概念

3.1 本體定義

本體具有多種形式的元組定義［10～11］，文章選取本體的六元組定義［10］：Ontology={C，AC，R，AR，H，X}，其中：C表示本體的有關概念集，是領域中部分或全部或擴展的概念；AC表示基于各概念的屬性集；R表示概念間的關聯集合；AR表示各關聯的屬性集；H表示基于概念集的層級關系，兩者間有父子級的關系；表示一公理集，其中的每一公理表示基于概念屬性間、關聯屬性間和概念對象間的約束。

3.2 建模方法

文獻［12］對幾種常用的本體建模方法之間和IEEE1074-1995 標準作了成熟度比較。文章選擇最為成熟和易于組織的“七步法”作為本體建模方法。“七步法”的本體建模流程如圖1所示。

圖1 “七步法”建模流程

“七步法”在具體的建模過程中可以不拘泥以上步驟，所以文章將定義類的屬性和側面結合起來。

3.3 選取標準

本體的核心是共享概念的明確形式說明，所以概念的抽取必須得到廣泛的認可。鑒于此，我們以船舶修造企業及其相關領域選擇了權威的安全管理標準作為研究基礎，在標準之上構成頂層的企業安全管理本體元模型，遴選的通用和行業標準如表1所示。

表1 遴選的企業安全管理標準

4 建模和驗證

4.1 方法和過程

文章遵循企業安全管理的標準，參考相關安全性領域的標準，結合企業本體模型，根據七步建模法，從標準文本中抽取概念和關聯，建立概念和關聯的類層次和具體信息，利用概念和關聯對標準中的安全性約束進行形式邏輯描述（SHIQ）以形成公理集，生成完整的企業安全管理本體，用于企業安全管理建模和驗證。方法和過程如圖2所示。

圖2 過程和方法

4.2 建模

文章依據表1 中遴選的權威標準，同時按照“七步法”合并原則將對類的屬性定義和側面定義的工作進行合并，對企業安全管理領域進行了本體建模，具體工作包括：

1）界定領域和范疇；

2）通過分析標準來列舉術語；

3）分析現有本體的復用可能性；

4）創建類和等級體系、類屬性和側面、類關聯，公理集；

5）實例創建。

限于篇幅，文章重點介紹4）和5）中開展的研究工作和結果。

4.2.1 類和等級體系

文章通過分析企業安全生產管理領域的知識，自頂向下，從頂層的概念開始，逐步細化，以安全生產管理為主，限于篇幅略寫了通用的企業生產管理類，建立了安全生產管理領域內的類和類等級體系，如圖3所示。

圖3 企業安全管理領域的類和等級體系

4.2.2 類和關聯

文章根據圖3 中類和等級體系圖，對類進行了屬性和側面定義，同時分析了類之間的關聯。類和關聯的部分概要視圖如圖4所示。

圖4 類和關聯的概要視圖

4.2.3 創建類實例

“七步法”中最后的實例創建需要結合實際的建模對象，文章選取了船舶修造企業的基礎安全管理，利用數據庫軟件在4.3 小節對其進行實例創建和驗證。

4.3 驗證

文章在4.2小節中建立了企業安全生產管理的本體模型，包括了類和等級體系、類的屬性和側面、類和關聯，為使用本體的概念和關聯來對企業安全生產管理領域的約束進行描述從而形成公理集，也為企業信息系統安全性的數據庫設計和查詢驗證，做好了基礎的準備性工作。

4.3.1 描述邏輯

描述邏輯（SHIQ）是一種用來描述概念和概念層次關系的謂詞邏輯的子集合，具備完備和正確的推理算法。描述邏輯比一階謂詞邏輯更適合于本體工程構建和推理檢驗，包含合取、析取、存在量詞、全稱量詞、否定、數量約束等構造因子，是通過添加數量限定因子擴展而來的，也是主流本體推理引擎的形式化基礎［13］。

所以文章采用SHIQ邏輯來對本體存儲的邏輯知識來進行描述，形成公理集。SHIQ 的語法和語義如表2所示。

表2 SHIQ語法和語義

4.3.2 驗證方法和過程

文章以前述建立的企業安全生產管理的本體概念集對應企業信息系統安全生產管理的數據表，本體關聯對應關聯表，SHIQ 邏輯描述的公理集作為驗證查詢語句的形式化基礎，以數據表和關聯表為驗證對象，執行公理集對應的SQL語句來進行驗證查詢［14］。

SHIQ 邏輯描述的公理集是形式化的，從而為驗證和推理提供了數學基礎的統一標準描述。文章將SHIQ的形式化描述用來指導生成SQL查詢語句，對企業信息系統進行數據庫的安全性驗證。

文章生成的SQL 語句是違反安全性本體標準公理集的描述，如果查詢結果為空，表示信息系統沒有違反安全性本體標準公理集的記錄，反之將得到信息系統違反安全性本體標準公理集的反例記錄。反例記錄表明企業信息系統中存在安全性管理的問題，從而得到企業信息系統的安全生產管理的驗證結果，供企業管理人員對安全生產管理進行有針對性的完善。

驗證方法和過程如圖5所示。

圖5 驗證方法和過程

4.3.3 驗證示例

文章使用MySql 數據庫建立了模擬的船舶修造企業的信息系統原型，并根據公理集設計SQL驗證查詢語句，對安全管理能力進行驗證。

在實際的船舶修造企業信息系統中可能使用了不同于本體模型的數據表和關聯表。文章給出了基于本體的企業安全管理能力的本體建模和驗證的過程與方法，在具體的企業信息系統安全管理能力的驗證實施時，還要根據實際的數據表和關聯表，進行驗證設計。

1）驗證示例1

2）驗證示例2

3）驗證示例3

文章通過以上三個示例，以SHIQ 描述的公理集為指導，生成違反公理的SQL 語句，通過對企業信息系統數據庫進行查詢，以實現企業信息系統的安全性驗證。當SQL驗證查詢結果為空時，表示該驗證通過；當SQL 驗證存在返回記錄時，表示該驗證未通過，可以根據SQL查詢語句的內容對企業信息系統的安全性問題進行分析，指導企業根據驗證結果來改善企業行為和相應的信息系統及其約束，從而提高了企業信息系統的安全管理能力［15］。

5 結語

文章針對目前企業管理信息系統缺乏安全生產管理能力的問題，基于本體建模思想和方法，以船舶修造企業為示例領域，采用七步法進行了本體的概念、關聯和公理集的建模和描述。文章基于本體模型利用數據庫軟件建立了示例的船舶修造企業信息系統，在公理集的SHIQ 描述基礎上，生成SQL 查詢語句對企業管理信息系統的安全性能力進行驗證，從而發現和改善企業管理信息系統中的安全性管理問題，增強企業信息系統的安全性能力。

文章提出的本體建模和驗證方法，在實踐中還要結合成熟的企業管理信息系統模型和實用數據庫軟件來建立本體模型和公理集，并依據此生成SQL 查詢語句以實施更有效率和針對性的安全性驗證。