装备需求论证本体元建模方法

赵 凯，郭齐胜，樊延平，穆 歌，董志明

(装甲兵工程学院装备指挥与管理系，北京 100072)

装备需求论证本体元建模方法

赵 凯，郭齐胜，樊延平，穆 歌，董志明

(装甲兵工程学院装备指挥与管理系，北京 100072)

着眼提高装备需求论证模型的重用性与共享性，围绕装备需求论证元模型构建问题，给出了装备需求论证元模型的层次结构及其数学描述，分析了元模型的构建过程，提出了本体元模型的构成及其设计要求，以及基于Web本体语言(Ontology Web Language，OWL)的装备需求论证元模型描述方法，给出了元模型的形式化结构，并开展了实例分析，为提高装备需求论证模型的可重用性提供了方法支撑。

装备需求论证； 本体； 元模型； Web本体语言

作战需求是武器装备体系建设与优化的主要依据，是决定武器装备体系结构组成与功能组合的关键[1]。开展武器装备需求论证工作，一方面应着眼于未来不断发展变化的使命任务需求，综合考虑可能的作战威胁和预期的作战效果，以武器装备体系整体能力建设为目标，科学研究武器装备体系的结构、功能、规模与数量需求；另一方面，应在武器装备体系需求框架下，针对型号装备的使命任务、运用模式和协同方式，科学提出型号装备的需求方案。由于装备需求论证目标与对象的不同，必然导致装备需求论证的应用流程具有较大的差异，但在构建不同应用流程的过程中，往往会使用相同的论证模型，这就需要装备需求论证模型具有较高的可重用性。而建立可重用的论证模型是提高装备需求论证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画许多具有相似特征的实例模型，为实现模型的可重用性和互操作性提供可行的技术途径。

笔者依据装备需求论证流程和论证环节，采用元建模理论与方法，提出装备需求论证本体元建模方法，并进行装备需求论证本体元模型实例分析，为提高装备需求论证模型可重用性提供方法支撑。

1 装备需求论证元模型

1.1 元模型基本概念

为了有效地规范和应用元建模技术，国际对象管理组织(Object Management Group,OMG)制定了元对象设施(Meta Object Facility，MOF)规范。该规范提供了一个4层元模型体系框架，如图1所示。

图1 MOF规范的4层元模型体系框架

OMG定义的MOF模型与UML模型密切相关。其中：MOF模型是对通用元模型或特殊领域元模型的定义，采用了面向对象机制，特别适合于采用面向对象方法的元模型。由图1可见：M2层模型由M3层元模型来描述；M1层模型由M2层元模型来描述；M0层模型由M1层元模型来描述。

元模型是对模型的抽象，而模型是元模型的实例化。在装备需求论证领域，装备需求论证环节元模型、模型及系统之间的关系如图2所示。可以看出：首先，要对装备需求论证系统进行系统分析，获得装备需求论证的流程及其环节组成；然后，依据装备需求论证流程、论证环节及其信息交互，构建装备需求论证流程和论证环节模型，并集成为装备需求论证系统模型。其中：拟合元模型是对装备论证流程和论证环节模型的简化，即通过输入、输出数据对原来的流程和环节进行拟合，主要作用是对论证流程和论证环节进行验证，辅助建立符合论证要求的流程模型；类型元模型既可提供论证流程模型，也可通过实例化元模型来定义论证流程模型。

图2 装备需求论证环节元模型、模型及系统之间的关系

1.2 元模型层次结构

装备需求论证元模型包括类、属性、约束和操作4类要素，通过定义元模型类与属性的关系，可实现各种实例对象之间的关联。根据MOF的4层元模型体系框架，可得装备需求论证元模型层次结构，如图3所示，其组成环节或环节活动采用活动类来表示，具体由属性、关系和操作3部分组成。其中：属性用来描述活动对象的特征，是区分不同类事物的主要标志，同时也提供了有效的索引关键词；关系用来定义活动对象之间的关系，以方便描述元模型之间的相互关系；操作用来定义对活动对象的更新、修改和删除等操作，为用户提供良好的活动对象模型管理接口。

图3 装备需求论证元模型层次结构

1.3 元模型数学描述

装备需求论证元模型可采用3元组描述为Model={Attri,Cons,Opt}。其中：Attri表示模型属性；Cons表示模型约束；Opt表示模型操作。模型属性和模型约束描述了装备需求论证元模型及其相互关系；模型操作定义了装备需求论证元模型的元操作，用来描述装备需求论证元模型的动态变化和建立过程。装备需求论证元模型的语义图如图4所示。

图4 装备需求论证元模型语义图

图4中：关系a表示装备需求论证模型类由模型属性和模型操作按规则组合生成，如装备需求论证活动模型由装备需求论证活动的相关属性及其相互关系组成；关系b表示装备需求论证模型类之间的相互关系，包括继承、关联和聚合等,如多个活动可组合形成论证环节，则组成论证环节的多个活动之间存在聚合关系；关系c表示模型属性之间存在继承、关联和聚合关系，如论证方法的方法类别属性又可细分为粒度更细的方法类别集合，说明子方法类别与方法类别之间存在继承关系；关系d表示模型约束之间的相互关系，主要有聚合、继承和关联关系；关系e表示装备需求论证模型约束与模型类及模型属性之间的关系，继承约束既可作用于继承类,也可作用于继承属性，如某项约束同时是某继承类及其属性的约束。

2 装备需求论证本体元模型构建

2.1 本体构建原则

本体用来给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，并利用这些术语和关系定义相关领域词汇的外延规则[2]。Studer进一步将本体定义为共享概念模型的、明确的和形式化的规范说明[3]。

基于本体的装备需求论证元建模就是根据装备需求论证领域的特征，采用元模型技术构建装备需求论证元模型的过程。其基本思路为：首先，明确装备需求论证领域和范围，抽取装备需求论证领域中的重要概念，并按照特定的逻辑规则进行概念分组；然后，定义概念的类、属性及其关系，并采用Web本体语言(Ontology Web Language，OWL)进行装备需求论证本体的形式化描述。

装备需求论证本体应具有较高的可读性和可重用性，构建装备需求论证本体应遵循如下4项原则：

1)一致性。本体应与领域相一致，具备与领域相同的推理逻辑并遵守相同的推理规则。

2)可扩展性。本体应随着领域的拓展和知识库的更新而更新，并可拓展概念本体或以现有的本体为基础描述新概念。

3)明确性和客观性。本体应能客观、准确地反映领域中的概念、属性及其关系，保证本体与领域事理的一致性。

4)最小编码偏差。本体的建立应不依赖于特定的计算机实现语言，应适应不同系统环境下程序实现的要求。

2.2 本体元建模步骤

本体元模型构建方法主要有7步法、骨架方法和TOVE(TOronto Virtuol Enterprise)方法等。其中：骨架方法着眼于有效获取领域知识并确定应用目的，可直接采用形式化语言进行编码，通过本体模型的不断迭代，由粗到精反复优化，最终形成成熟的本体模型，此方法与特定的本体语言无关，抽象层次更高，模型的可重用性和拓展能力更强。因此，笔者采用骨架方法构建装备需求论证本体元模型，建模流程如图5所示，具体建模步骤如下：

图5 装备需求论证本体元建模流程

1)领域分析。通过对装备需求论证领域的综合分析，提出装备需求论证的规范化流程和主要方法，明确装备需求论证的工作过程和要求。

2)本体抽取。根据装备需求论证工作过程及要求，围绕装备需求论证环节及其活动，抽取装备需求论证核心概念，明确装备需求论证核心概念之间的相关关系。

3)本体分析。确定装备需求论证概念属性集，定义装备需求论证概念之间的关系类型与关系模式，并采用关联矩阵法分析概念与关系之间的匹配情况。

4)本体设计。采用合适的本体元建模语言，设计本体结构，并对活动模型、环节模型和流程模型进行实例化，验证装备需求论证本体元模型的适应性和可用性。

总之，在装备需求论证本体元建模过程中，应围绕装备需求论证本体元建模的终极目标，根据各步骤的特点，有针对性地做好各步骤的分析与验证工作，并通过本体元建模过程的反复迭代，实现装备需求论证本体元模型的不断成熟和优化。

2.3 本体元模型

2.3.1 本体元模型库构成

装备需求论证本体元模型库是对装备需求论证领域(特别是装备需求论证流程)中存在的概念、关系和属性的统一化描述，包括概念库、属性库和关系库3个部分[4]，如图6所示。

1)概念库。主要用于规范装备需求论证模型构建中规范化的、公认的术语，通常具有相同的属性或行为对象。概念库中包含装备需求论证领域提取的所有概念，经过逐条审核，具有全局一致性，与其他概念之间不存在任何冲突。

2)关系库。是在确定装备需求论证概念后，结合本体的设计原则提出的关于概念之间关系的规则，主要包括Belong-to、Is-a、Instance-of和Reference-of等。

图6 装备需求论证本体元模型库构成

3)属性库。定义概念的基本属性，通常可根据属性的特定类型采用不同的数据类型来表示。

2.3.2 本体元模型类设计

本体元模型类设计是将本体元模型库中的概念设计成类，并进行反复检验和修改。由装备需求论证环节的规范化描述结果可知：装备需求论证元模型类可抽取为活动类(ActivityClass)、输入类(InputClass)、输出类(OutputClass)、方法类(MethodClass)、组织类(OrganizationClass)、角色类(RoleClass)和约束条件类(RuleClass)，其含义如表1所示。

表1 装备需求论证本体元模型类的含义

2.3.3 本体元模型关系定义

通过分析装备需求论证本体元模型类来确定本体元模型类之间的关系，具体如表2所示。由表2可以看出：活动类通过读取输入类、方法类、组织类、角色类和约束条件类，获取活动执行所必需的输入数据、使用方法、论证主体及其角色和活动规则等信息；活动类通过向输出类写入信息，生成活动的输出信息。

表2 装备需求论证本体元模型类之间的关系

2.3.4 本体元模型属性定义

本体元模型属性是对本体元模型类特性的描述，提供了关于属性及其值的描述定义[5]，具体如下：

1)输入类本体元模型属性定义

输入类本体元模型属性是对装备需求论证活动输入信息的结构化描述，通常包括输入类名称、标志号、来源编码、信息类型和信息内容等。

2)输出类本体元模型属性定义

输出类本体元模型属性是对装备需求论证活动输出信息的结构化描述，通常包括输出类名称、标志号、输出活动类、信息类型和信息内容等。

3)活动类本体元模型属性定义

活动类本体元模型属性是对装备需求论证活动自身的结构化描述，通常包括活动类名称、活动功能、活动粒度和活动描述等。

4)组织类本体元模型属性定义

组织类本体元模型属性是对装备需求论证活动主体的描述，如作战需求论证机构、装备需求论证机构、技术需求论证机构、需求方案评估机构等，通常包括组织类名称、组织类型、联系电话、组织简介和专业特长等。

5)角色类本体元模型属性定义

角色类本体元模型是组织类本体元模型的组成部分，是对组织在装备需求论证活动中所担负职责的划分，如项目组长、子项目负责人和环节执行者等，包括角色类名称、角色类型和角色职能等。

6)规则类本体元模型属性定义

规则类本体元模型属性描述了装备需求论证活动开展所必须遵守的约束条件或相关规则，如某些方法需要在特定的规则下使用，作战活动分析需要与军队的编制体制和条令条例相一致等，主要包括规则名称、规则类型、规则表示方法和规则内容等。

7)方法类本体元模型属性定义

方法类本体元模型属性描述了开展装备需求论证活动所采用方法的相关特征，包括方法类名称、方法类型、方法标志、方法原理和方法模型等。

2.3.5 本体元模型类图

根据装备需求论证元模型类及其属性和关系的设计情况，可构建装备需求论证本体元模型的类、属性及其关系,如图7所示。

由图7可知：装备需求论证本体元模型既可描述和表示装备需求论证过程中的实体性和事实性知识，也可描述和表示其关系性知识和过程性知识，最大限度地满足装备需求论证模型重用性和共享性要求。

图7 装备需求论证本体元模型的类、属性及其关系

3 基于OWL的本体元模型描述

笔者采用OWL语言来描述装备需求论证本体元模型类的关系、属性、属性约束、规则、函数和实例[5-8]。

3.1 类的关系描述

由2.3.3节可知：类之间存在多种关系，如定性论证方法类是方法类的一种，它们之间的关系为part-of，采用rdfs:subClassOf分类构造器将这2个类联系起来，可表示为

Qualitative Method

Qualitative Method

3.2 属性描述

采用枚举类来表示定性论证方法的类型，如头脑风暴法(Brain Storm Method)、专家会议法(Meeting Method)、Delphi法(Delphi Method)等，可表示为

3.3 属性约束描述

以武器装备的兵种属性为例，其通常包括装甲、机步、炮兵、防空、陆航、侦察、通信、指挥、工程、防化和测绘等，可表示为

…

3.4 规则描述

以生成需求评估结论的活动为例，当需求评估值>0.7时，则活动输出为真，否则为假，可表示为

If CaculationValue greaterThan 0.7 Then

true

3.5 函数描述

首先利用JAVA语言编写加权和算法的函数，然后采用OWL代码调用JAVA代码，可表示为

Java代码：

public LinerWeightedSum

{

public float [] weght；

public float [] subvalue；

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

…

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

{

…

}

}

OWL代码：

3.6 实例描述

使命任务分析环节是活动类的一个实例，可表示为

4 结论

在装备需求论证本体元建模方法指导下，可将复杂的、不同应用层面的装备需求论证流程和环节模型抽象成为“同源”的本体元模型，通过扩展与梳理得出本体元模型类及其关系和属性，可进一步细化本体元模型，进而规范、统一装备需求论证流程和环节模型数据；基于OWL的本体元模型描述，在形式、语义和语法上较好地刻画了本体元模型类的关系和属性等，具有较好的工程实践性，满足了装备需求论证工程化的要求。

[1] 樊延平,郭齐胜,穆歌,等.装备作战需求论证流程规范化建模[J].装甲兵工程学院学报,2014,28(2):1-6.

[2] 王宇华.基于本体的流程类业务需求建模方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2011.

[3] 修佳鹏,熊燕,张雷,等.基于OWL的战场本体构建方法[J].郑州大学学报(理学版),2007,39(2):136-141.

[4] 石鑫.基于过程本体的设计过程表示研究[J].现代制造工程,2013(8):35-41.

[5] 陈钢.基于本体的特征知识库[D].天津:天津大学,2004.

[6] 谢磊.基于互表性的动态本体描述语言的研究[D].西安:西北工业大学,2014.

[7] 张开朋.STEP转换为语义Web本体的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

[8] 赫磊.基于云平台的智慧旅游信息推送系统研究[D].西安:西北工业大学,2014.

(责任编辑：王生凤)

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

军队科研计划项目

赵 凯(1986-)，男，博士研究生。

E917

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.001