裝備需求論證本體元建模方法

趙 凱，郭齊勝，樊延平，穆 歌，董志明

(裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系，北京 100072)

裝備需求論證本體元建模方法

趙 凱，郭齊勝，樊延平，穆 歌，董志明

(裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系，北京 100072)

著眼提高裝備需求論證模型的重用性與共享性，圍繞裝備需求論證元模型構建問題，給出了裝備需求論證元模型的層次結構及其數學描述，分析了元模型的構建過程，提出了本體元模型的構成及其設計要求，以及基于Web本體語言(Ontology Web Language，OWL)的裝備需求論證元模型描述方法，給出了元模型的形式化結構，并開展了實例分析，為提高裝備需求論證模型的可重用性提供了方法支撐。

裝備需求論證； 本體； 元模型； Web本體語言

作戰需求是武器裝備體系建設與優化的主要依據，是決定武器裝備體系結構組成與功能組合的關鍵[1]。開展武器裝備需求論證工作，一方面應著眼于未來不斷發展變化的使命任務需求，綜合考慮可能的作戰威脅和預期的作戰效果，以武器裝備體系整體能力建設為目標，科學研究武器裝備體系的結構、功能、規模與數量需求；另一方面，應在武器裝備體系需求框架下，針對型號裝備的使命任務、運用模式和協同方式，科學提出型號裝備的需求方案。由于裝備需求論證目標與對象的不同，必然導致裝備需求論證的應用流程具有較大的差異，但在構建不同應用流程的過程中，往往會使用相同的論證模型，這就需要裝備需求論證模型具有較高的可重用性。而建立可重用的論證模型是提高裝備需求論證模型可重用性的基本方法之一。元模型通常是指模型的模型。利用元模型可有效刻畫許多具有相似特征的實例模型，為實現模型的可重用性和互操作性提供可行的技術途徑。

筆者依據裝備需求論證流程和論證環節，采用元建模理論與方法，提出裝備需求論證本體元建模方法，并進行裝備需求論證本體元模型實例分析，為提高裝備需求論證模型可重用性提供方法支撐。

1 裝備需求論證元模型

1.1 元模型基本概念

為了有效地規范和應用元建模技術，國際對象管理組織(Object Management Group,OMG)制定了元對象設施(Meta Object Facility，MOF)規范。該規范提供了一個4層元模型體系框架，如圖1所示。

圖1 MOF規范的4層元模型體系框架

OMG定義的MOF模型與UML模型密切相關。其中：MOF模型是對通用元模型或特殊領域元模型的定義，采用了面向對象機制，特別適合于采用面向對象方法的元模型。由圖1可見：M2層模型由M3層元模型來描述；M1層模型由M2層元模型來描述；M0層模型由M1層元模型來描述。

元模型是對模型的抽象，而模型是元模型的實例化。在裝備需求論證領域，裝備需求論證環節元模型、模型及系統之間的關系如圖2所示?？梢钥闯觯菏紫?，要對裝備需求論證系統進行系統分析，獲得裝備需求論證的流程及其環節組成；然后，依據裝備需求論證流程、論證環節及其信息交互，構建裝備需求論證流程和論證環節模型，并集成為裝備需求論證系統模型。其中：擬合元模型是對裝備論證流程和論證環節模型的簡化，即通過輸入、輸出數據對原來的流程和環節進行擬合，主要作用是對論證流程和論證環節進行驗證，輔助建立符合論證要求的流程模型；類型元模型既可提供論證流程模型，也可通過實例化元模型來定義論證流程模型。

圖2 裝備需求論證環節元模型、模型及系統之間的關系

1.2 元模型層次結構

裝備需求論證元模型包括類、屬性、約束和操作4類要素，通過定義元模型類與屬性的關系，可實現各種實例對象之間的關聯。根據MOF的4層元模型體系框架，可得裝備需求論證元模型層次結構，如圖3所示，其組成環節或環節活動采用活動類來表示，具體由屬性、關系和操作3部分組成。其中：屬性用來描述活動對象的特征，是區分不同類事物的主要標志，同時也提供了有效的索引關鍵詞；關系用來定義活動對象之間的關系，以方便描述元模型之間的相互關系；操作用來定義對活動對象的更新、修改和刪除等操作，為用戶提供良好的活動對象模型管理接口。

圖3 裝備需求論證元模型層次結構

1.3 元模型數學描述

裝備需求論證元模型可采用3元組描述為Model={Attri,Cons,Opt}。其中：Attri表示模型屬性；Cons表示模型約束；Opt表示模型操作。模型屬性和模型約束描述了裝備需求論證元模型及其相互關系；模型操作定義了裝備需求論證元模型的元操作，用來描述裝備需求論證元模型的動態變化和建立過程。裝備需求論證元模型的語義圖如圖4所示。

圖4 裝備需求論證元模型語義圖

圖4中：關系a表示裝備需求論證模型類由模型屬性和模型操作按規則組合生成，如裝備需求論證活動模型由裝備需求論證活動的相關屬性及其相互關系組成；關系b表示裝備需求論證模型類之間的相互關系，包括繼承、關聯和聚合等,如多個活動可組合形成論證環節，則組成論證環節的多個活動之間存在聚合關系；關系c表示模型屬性之間存在繼承、關聯和聚合關系，如論證方法的方法類別屬性又可細分為粒度更細的方法類別集合，說明子方法類別與方法類別之間存在繼承關系；關系d表示模型約束之間的相互關系，主要有聚合、繼承和關聯關系；關系e表示裝備需求論證模型約束與模型類及模型屬性之間的關系，繼承約束既可作用于繼承類,也可作用于繼承屬性，如某項約束同時是某繼承類及其屬性的約束。

2 裝備需求論證本體元模型構建

2.1 本體構建原則

本體用來給出構成相關領域詞匯的基本術語和關系，并利用這些術語和關系定義相關領域詞匯的外延規則[2]。Studer進一步將本體定義為共享概念模型的、明確的和形式化的規范說明[3]。

基于本體的裝備需求論證元建模就是根據裝備需求論證領域的特征，采用元模型技術構建裝備需求論證元模型的過程。其基本思路為：首先，明確裝備需求論證領域和范圍，抽取裝備需求論證領域中的重要概念，并按照特定的邏輯規則進行概念分組；然后，定義概念的類、屬性及其關系，并采用Web本體語言(Ontology Web Language，OWL)進行裝備需求論證本體的形式化描述。

裝備需求論證本體應具有較高的可讀性和可重用性，構建裝備需求論證本體應遵循如下4項原則：

1)一致性。本體應與領域相一致，具備與領域相同的推理邏輯并遵守相同的推理規則。

2)可擴展性。本體應隨著領域的拓展和知識庫的更新而更新，并可拓展概念本體或以現有的本體為基礎描述新概念。

3)明確性和客觀性。本體應能客觀、準確地反映領域中的概念、屬性及其關系，保證本體與領域事理的一致性。

4)最小編碼偏差。本體的建立應不依賴于特定的計算機實現語言，應適應不同系統環境下程序實現的要求。

2.2 本體元建模步驟

本體元模型構建方法主要有7步法、骨架方法和TOVE(TOronto Virtuol Enterprise)方法等。其中：骨架方法著眼于有效獲取領域知識并確定應用目的，可直接采用形式化語言進行編碼，通過本體模型的不斷迭代，由粗到精反復優化，最終形成成熟的本體模型，此方法與特定的本體語言無關，抽象層次更高，模型的可重用性和拓展能力更強。因此，筆者采用骨架方法構建裝備需求論證本體元模型，建模流程如圖5所示，具體建模步驟如下：

圖5 裝備需求論證本體元建模流程

1)領域分析。通過對裝備需求論證領域的綜合分析，提出裝備需求論證的規范化流程和主要方法，明確裝備需求論證的工作過程和要求。

2)本體抽取。根據裝備需求論證工作過程及要求，圍繞裝備需求論證環節及其活動，抽取裝備需求論證核心概念，明確裝備需求論證核心概念之間的相關關系。

3)本體分析。確定裝備需求論證概念屬性集，定義裝備需求論證概念之間的關系類型與關系模式，并采用關聯矩陣法分析概念與關系之間的匹配情況。

4)本體設計。采用合適的本體元建模語言，設計本體結構，并對活動模型、環節模型和流程模型進行實例化，驗證裝備需求論證本體元模型的適應性和可用性。

總之，在裝備需求論證本體元建模過程中，應圍繞裝備需求論證本體元建模的終極目標，根據各步驟的特點，有針對性地做好各步驟的分析與驗證工作，并通過本體元建模過程的反復迭代，實現裝備需求論證本體元模型的不斷成熟和優化。

2.3 本體元模型

2.3.1 本體元模型庫構成

裝備需求論證本體元模型庫是對裝備需求論證領域(特別是裝備需求論證流程)中存在的概念、關系和屬性的統一化描述，包括概念庫、屬性庫和關系庫3個部分[4]，如圖6所示。

1)概念庫。主要用于規范裝備需求論證模型構建中規范化的、公認的術語，通常具有相同的屬性或行為對象。概念庫中包含裝備需求論證領域提取的所有概念，經過逐條審核，具有全局一致性，與其他概念之間不存在任何沖突。

2)關系庫。是在確定裝備需求論證概念后，結合本體的設計原則提出的關于概念之間關系的規則，主要包括Belong-to、Is-a、Instance-of和Reference-of等。

圖6 裝備需求論證本體元模型庫構成

3)屬性庫。定義概念的基本屬性，通?？筛鶕傩缘奶囟愋筒捎貌煌臄祿愋蛠肀硎?。

2.3.2 本體元模型類設計

本體元模型類設計是將本體元模型庫中的概念設計成類，并進行反復檢驗和修改。由裝備需求論證環節的規范化描述結果可知：裝備需求論證元模型類可抽取為活動類(ActivityClass)、輸入類(InputClass)、輸出類(OutputClass)、方法類(MethodClass)、組織類(OrganizationClass)、角色類(RoleClass)和約束條件類(RuleClass)，其含義如表1所示。

表1 裝備需求論證本體元模型類的含義

2.3.3 本體元模型關系定義

通過分析裝備需求論證本體元模型類來確定本體元模型類之間的關系，具體如表2所示。由表2可以看出：活動類通過讀取輸入類、方法類、組織類、角色類和約束條件類，獲取活動執行所必需的輸入數據、使用方法、論證主體及其角色和活動規則等信息；活動類通過向輸出類寫入信息，生成活動的輸出信息。

表2 裝備需求論證本體元模型類之間的關系

2.3.4 本體元模型屬性定義

本體元模型屬性是對本體元模型類特性的描述，提供了關于屬性及其值的描述定義[5]，具體如下：

1)輸入類本體元模型屬性定義

輸入類本體元模型屬性是對裝備需求論證活動輸入信息的結構化描述，通常包括輸入類名稱、標志號、來源編碼、信息類型和信息內容等。

2)輸出類本體元模型屬性定義

輸出類本體元模型屬性是對裝備需求論證活動輸出信息的結構化描述，通常包括輸出類名稱、標志號、輸出活動類、信息類型和信息內容等。

3)活動類本體元模型屬性定義

活動類本體元模型屬性是對裝備需求論證活動自身的結構化描述，通常包括活動類名稱、活動功能、活動粒度和活動描述等。

4)組織類本體元模型屬性定義

組織類本體元模型屬性是對裝備需求論證活動主體的描述，如作戰需求論證機構、裝備需求論證機構、技術需求論證機構、需求方案評估機構等，通常包括組織類名稱、組織類型、聯系電話、組織簡介和專業特長等。

5)角色類本體元模型屬性定義

角色類本體元模型是組織類本體元模型的組成部分，是對組織在裝備需求論證活動中所擔負職責的劃分，如項目組長、子項目負責人和環節執行者等，包括角色類名稱、角色類型和角色職能等。

6)規則類本體元模型屬性定義

規則類本體元模型屬性描述了裝備需求論證活動開展所必須遵守的約束條件或相關規則，如某些方法需要在特定的規則下使用，作戰活動分析需要與軍隊的編制體制和條令條例相一致等，主要包括規則名稱、規則類型、規則表示方法和規則內容等。

7)方法類本體元模型屬性定義

方法類本體元模型屬性描述了開展裝備需求論證活動所采用方法的相關特征，包括方法類名稱、方法類型、方法標志、方法原理和方法模型等。

2.3.5 本體元模型類圖

根據裝備需求論證元模型類及其屬性和關系的設計情況，可構建裝備需求論證本體元模型的類、屬性及其關系,如圖7所示。

由圖7可知：裝備需求論證本體元模型既可描述和表示裝備需求論證過程中的實體性和事實性知識，也可描述和表示其關系性知識和過程性知識，最大限度地滿足裝備需求論證模型重用性和共享性要求。

圖7 裝備需求論證本體元模型的類、屬性及其關系

3 基于OWL的本體元模型描述

筆者采用OWL語言來描述裝備需求論證本體元模型類的關系、屬性、屬性約束、規則、函數和實例[5-8]。

3.1 類的關系描述

由2.3.3節可知：類之間存在多種關系，如定性論證方法類是方法類的一種，它們之間的關系為part-of，采用rdfs:subClassOf分類構造器將這2個類聯系起來，可表示為

Qualitative Method

Qualitative Method

3.2 屬性描述

采用枚舉類來表示定性論證方法的類型，如頭腦風暴法(Brain Storm Method)、專家會議法(Meeting Method)、Delphi法(Delphi Method)等，可表示為

3.3 屬性約束描述

以武器裝備的兵種屬性為例，其通常包括裝甲、機步、炮兵、防空、陸航、偵察、通信、指揮、工程、防化和測繪等，可表示為

…

3.4 規則描述

以生成需求評估結論的活動為例，當需求評估值>0.7時，則活動輸出為真，否則為假，可表示為

If CaculationValue greaterThan 0.7 Then

true

3.5 函數描述

首先利用JAVA語言編寫加權和算法的函數，然后采用OWL代碼調用JAVA代碼，可表示為

Java代碼：

public LinerWeightedSum

{

public float [] weght；

public float [] subvalue；

public LinerWeightedSum (float [] weght,float [] subvalue)

…

public float LinerWeightedSum (float [] weght,float [] subvalue)

{

…

}

}

OWL代碼：

3.6 實例描述

使命任務分析環節是活動類的一個實例，可表示為

4 結論

在裝備需求論證本體元建模方法指導下，可將復雜的、不同應用層面的裝備需求論證流程和環節模型抽象成為“同源”的本體元模型，通過擴展與梳理得出本體元模型類及其關系和屬性，可進一步細化本體元模型，進而規范、統一裝備需求論證流程和環節模型數據；基于OWL的本體元模型描述，在形式、語義和語法上較好地刻畫了本體元模型類的關系和屬性等，具有較好的工程實踐性，滿足了裝備需求論證工程化的要求。

[1] 樊延平,郭齊勝,穆歌,等.裝備作戰需求論證流程規范化建模[J].裝甲兵工程學院學報,2014,28(2):1-6.

[2] 王宇華.基于本體的流程類業務需求建模方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2011.

[3] 修佳鵬,熊燕,張雷,等.基于OWL的戰場本體構建方法[J].鄭州大學學報(理學版),2007,39(2):136-141.

[4] 石鑫.基于過程本體的設計過程表示研究[J].現代制造工程,2013(8):35-41.

[5] 陳鋼.基于本體的特征知識庫[D].天津:天津大學,2004.

[6] 謝磊.基于互表性的動態本體描述語言的研究[D].西安:西北工業大學,2014.

[7] 張開朋.STEP轉換為語義Web本體的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2013.

[8] 赫磊.基于云平臺的智慧旅游信息推送系統研究[D].西安:西北工業大學,2014.

(責任編輯：王生鳳)

Ontology-meta Modeling Method for Equipment Requirement Demonstration

ZHAO Kai,GUO Qi-sheng,FAN Yan-ping,MU Ge,DONG Zhi-ming

(Department of Equipment Command and Administration,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

Focusing on the reusability and sharing of the equipment requirement demonstration model,based on the problem of constructing the meta-model of equipment requirement demonstration,the hierarchical structure and mathematical description of the equipment requirement demonstration meta-model is proposed.The construction process of meta-model is analyzed,the structure and design requirements as well as the description method of meta-model based on Ontology Web Language (OWL) are presented.Then,the formal structure of meta-model is given and case analysis is carried out,which provides method support for improving the reusability of equipment requirement demonstration model.

equipment requirement demonstration; ontology; meta-model; Ontology Web Language (OWL)

1672-1497(2017)01-0001-07

2016-12-19

軍隊科研計劃項目

趙 凱(1986-)，男，博士研究生。

E917

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.001