基于本体的领域业务逻辑建模及其应用研究精.docx
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基于本体的领域业务逻辑建模及其应用研究精
基于本体的领域业务逻辑建模及其应用研究
1、项目研究意义
计算机在各行各业的应用，是以领域内业务逻辑（领域应用逻辑）的抽象、描述，以及在程序上的实现为基础。
应用程序的控制结构，即程序控制逻辑，是业务领域内的应用逻辑在计算机上的抽象、描述与实现。
因此如何对应用领域内的业务逻辑进行认识、分析、归纳与建模、描述，是领域问题能够在计算机上有效解决的首要条件。
几十年信息管理和软件开发技术的发展，充分证明了这一点。
并且计算机解决领域问题的范围、深度以及有效性，多取决于领域业务逻辑被抽象、建模和描述的程度。
一般说来，应用领域内业务逻辑蕴藏于领域行为、概念、资源以及标准、规范等领域范畴之中，以此为载体。
所以归纳、分析领域应用逻辑，构造领域应用逻辑描述模型，描述领域行为、概念、资源和标准等，建立领域应用逻辑库，以此为基础构造领域管理工具和应用平台，是应用领域信息化的基础与核心。
不过从各行各业信息化过程中可见，随着信息技术的发展，具体领域中的信息化载体——应用工具和管理平台、甚至领域资源建设——被迫不断更新换代。
应用领域信息化建设的主要精力，不是放在领域应用逻辑的建模与描述上，而是不断跟踪信息技术进步。
领域信息化缺乏对自身的深刻认识，对本领域的深刻归纳。
其实领域信息化的要求来自于领域本身，重心应该在于对领域应用逻辑的信息化，形成自身的规范和结构模型，这是领域信息化的关键。
知识工程和语义建模技术的产生，为领域应用逻辑建模和应用提供了可能和有效的参考。
本体技术是知识工程和语义建模技术的有效思想、方法和工具。
本课题期望使用本体建模技术，实现面向领域的概念、资源、行为建模——构造面向领域的概念、资源、行为本体，并实现基于此的推理应用，探索一种可行的应用技术模式，满足领域内业务逻辑的建模和应用。
期望实现信息技术在领域中的应用范围、深度和应用模式上的突破。
本课题从领域信息化过程发展中，提出领域应用逻辑的概念，试图探索领域应用逻辑的描述模型，实现基于该模型的应用技术模型，着重于软件开发应用环节的基础研究。
是浙江省信息产业发展中的重要一环；是《浙江省信息产业发展“十五”计划》“2010年远景目标纲要”中强调的使“软件产业保持持续快速增长并发展成为信息产业的核心产业”——的有效保证；属于《浙江省“十五”基础性研究发展计划》优先发展领域“信息科学与自动化”中“软件与互联网相关技术的基础性研究”的部分内容；是《2005年度浙江省自然科学基金》中“信息处理、网络与移动计算的关键技术”资助领域的重要组成部分。
该技术模型的成功研发，能够为浙江省应用领域产业信息化提供可靠的技术保障，同时激励具体领域信息化进程。
2、项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系
在教学科研中，本人及其学科团队致力于软件工程和知识工程等相关领域的研究工作。
去年在学校的大力支持下建立了“面向领域的知识工程实验室”，作为整个学科团队科研、教学以及承建相关软件开发等工作的支撑平台，本人及该团队一直深入研究信息化过程的原理、原则，探索基于领域应用逻辑的分析、建模和描述，摸索应用逻辑和程序控制逻辑之间的分离与转化关系，力图构造领域应用逻辑描述模型，设计基于此模型的应用，并大胆探索可行的技术模式，实现面向领域的知识建模以及相应的领域平台与工具建设，构造面向具体的领域的技术体系。
该领域内的研究工作，无论从软件工程的角度，还是从知识工程应用的角度，或者从领域应用逻辑建模（主要包括领域内概念、资源、行为建模）的角度，以及从领域信息化过程的角度，在国内外刚刚处于探索阶段；不过，其理论和应用价值已经被许多组织和高校研究单位所意识，并开始积极的从事于该领域的研究工作。
如国际上的卡内基-梅隆大学软件工程研究所（CMU-SEI），W3C组织，以及国内的北京大学现代教育中心等，本人有幸参与部分组织的研发工作，多年一直致力于该领域的研究，现在以“面向领域的知识工程实验室”为依托，积极从事这方面的教研。
3、项目研究内容，研究方案和进度安排
如意义部分论述，计算机在领域中的应用，是以领域内业务逻辑的抽象、描述，以及在程序上的实现为基础，如何对应用领域内的业务逻辑进行认识、分析、归纳与建模、描述，是领域问题能否在计算机上有效解决的首要条件。
领域信息化过程相对于信息技术发展的被动局面，也证明了领域信息化的重心应该在于具体的应用领域。
基于领域业务逻辑的建模与描述，而能生成领域业务过程，甚至是程序控制逻辑，则被认为是领域信息化过程的最有效成果和目标。
因此，本课题预期结合知识工程和语义描述技术的发展，使用本体建模技术，实现面向领域的应用逻辑建模，并实现基于此的推理应用，探索一种可行的应用技术模式，满足领域内业务逻辑的建模和使用。
该应用模型能够实现业务应用逻辑和系统的程序控制逻辑的分离，在具体领域中的应用，促使领域内知识建模和领域应用开发的分离。
（一）、研究内容：
基于领域应用逻辑建模的领域资源、概念和行为语义建模及其实现，可以作为一种技术体系结构进行研究。
研究工作主要包括如下内容：
1、探索概念：
分析、界定程序逻辑、领域业务逻辑和程序控制逻辑的内涵和关系，使用计算机科学、数学的思想论证它们之间可能的逻辑转化与推理。
2、构造应用逻辑模型：
使用本体思想和方法设计领域应用逻辑描述模型，使用一种计算机可理解可推理语言进行模型的描述，构造领域应用逻辑本体。
3、设计应用技术模型：
论证并设计由如上本体模型向程序控制逻辑推理、转化的可能性和可行性。
设计领域业务逻辑模型的应用技术模型。
4、设计应用实例：
依附具体领域（根据以往的研究成果和学科优势，定为在林业管理中的应用），使用领域逻辑描述模型，描述领域业务逻辑；使用应用技术模型，设计具体的应用工具或管理平台。
5、设计技术模式：
归纳整个技术体系模型，论证潜在的优势，分析把程序逻辑分成领域业务逻辑和程序控制逻辑的设计思想和方法，设计技术模型。
（二）、技术路线、关键技术：
a、应用基础理论：
知识工程、本体建模
知识工程学是随着电子计算机技术和人工智能的发展而诞生的一门新兴学科，是从知识的本源上来探讨知识的产生和使用，进而建造有效的知识系统。
作为知识的有效处理思想和工具，本体是一个重要的概念，它来源于哲学，人工智能中的本体是指可表示可呈现的。
本课题希望通过这种知识处理的思想和方法，从知识描述与应用的角度，来为领域构造应用逻辑模型。
为了达到领域应用逻辑建模的需要，预期使用本体概念描述应用领域的基本模型，其中包括领域概念模型和领域行为模型，并称之为一个基本群（预期参考群和数理逻辑的理论，现在并非完成的数学概念），群中的概念可以通过描述逻辑定义与领域有关的概念。
而应用逻辑过程，可以视为在该群上的运算（如下图），这样基本群通过运算可以产生领域有关的所有逻辑关系。
b、语义描述层次理论
领域的应用逻辑建模的实现预期使用基于语义的描述技术，并且是计算机可认识可推理的，这是本课题的关键。
语义网技术为Internet范围内的资源语义描述提供了的思想、技术和工具，这一点可以作为领域应用逻辑建模和使用的基础；在一定意义上说，其它领域内的用户请求的推理生成是语义网应用的延伸。
本体是语义网中知识推理的基础，如何表示本体才能达到机器可理解进而实现知识的自动处理是目前语义网领域的研究重点之一。
在具体的语义实现技术上，2000年12月TimBerners-Lee提出了语义网的七层模型，为语义网的构成提供了框架结构，如图下所示。
这里为本课题提供了语义描述保障。
c、建模语言：
XML、RDF和OWL、OWL-API、OWL-S、OWL-SAPI
模型基于语义描述，并实现领域应用逻辑的机器可理解可推理，可以期望通过如下语言和工具实现。
XML的制定是以数据的建立及管理为主要目标。
基于XML语言的RDF和OWL语言，是知识建模、表达语义的语言。
RDF是ResourceDescriptionFramework（资源描述框架）的缩写，它是W3C组织用于定义元数据的正式格式，采用了通用的三元组的形式，可以理解为自然语言中的“主、谓、宾”的形式，这个三元组RDF定义了描述领域资源、概念的框架。
本体（Ontology）是体现了知识表示的一个重要方面，2003年由W3C组织在XML和RDF的基础上提出了描述本体的语言（WebOntologyLanguage）的标准，最新的标准版本是2004年10月10日发布的。
描述逻辑（DescriptionLogic）也是本体的描述工具之一，它是基于形式化的语义描述，为知识表示而设计的一种逻辑描述方式，使得基于描述逻辑的本体可以通过推理机对概念进行逻辑推理。
OWLAPI是一个基于Java语言，开放源码的W3C发布的OWL语言的编程接口与实现，它提供了大量的推理机编程和有效性验证函数。
2003年10月15日W3C发布了它的第一个版本（1.0.0），当前版本（1.4.2）发布于2005年03月21，能够对OWLDL1.0版本实现的Ontology提供有效的推理应用函数。
虽然有待完善，但是实现基于某一方面应用的推理机编程。
其他还有可以用于过程描述的OWL-S本体，及其推理接口WOL-SAPI（1.0.0版本发布于2004年03月07日，当前版本是发布于2004年05月25日）可以用于本课题科研过程中的辅助工具。
d、行为建模理论参考
在以往的语义建模和本体的研究中，本体一般只是用于表示静态概念的层次结构和他们之间的语义关系，以名词结构为主，而在本课题的研究和应用中希望能够扩展本体表达语义的能力，用本体和描述逻辑（DL）来描述行为和动作之间的语义关系。
对行为进行建模是国内外近一两年致力研究方向，还没有成功理论和产品应用于实践。
因为要想深入研究领域的行为，进行有效的描述和推理应用，需要涉及了心理、哲学、社会学等许多领域。
本课题预期引用俄国心理学家Vygotsky在1920年至1930年之间提出来的行为理论模型（ActivityTheory）作为行为描述的依据，该模型后来在70年代和80年代被Leont’ev和Engeström等人进一步深化。
（三）、科研年度研究计划如下表所示：
进度阶段
主要任务
研究内容明细
时间范围
一
前期可行性研究
1、收集国内外相关资料，整理技术文献
2、确认科研价值意义
3、确认科研项目的可行性
4、初步设计的领域应用逻辑模型和应用模型，验证技术的有效性
已经完成
二
领域应用逻辑分析
1、确认国内外相关领域的进度和成果
2、分析、论证程序逻辑、领域业务和程序控制逻辑的内涵和关系
3、论证应用模型
2005年下半年
三
设计领域应用逻辑模型
1、论证并设计领域应用逻辑模型模型
2006年上半年
四
设计应用模型
1、确认国内外相关领域的进度和成果
2、论证并设计应用模型
2006年下半年
五
开发应用模型实例
1、设计领域描述模型实例
2、开发领域应用逻辑推理机
3、测试系统预期性能
4、设计应用实例
2007年上半年
六
测试、评估、归纳，并设计开发过程
1、归纳开发流程和经验
2、设计出基于领域描述模型的应用开发规范和过程管理工程方法
2007年下半年
4、项目创新之处
计算机的广泛应用，是以领域内业务逻辑的抽象、描述，以及在程序上的实现为基础。
应用程序的控制结构（程序控制逻辑），事实上是业务领域内的应用逻辑在计算机上的抽象、描述与实现。
几十年信息管理和软件开发技术的发展，充分证明了这一点，因为无论结构化，还是面向对象的程序开发范性，都承载着应用领域的业务逻辑归纳、描述与转化能力。
所以如何对应用领域内的业务逻辑进行认识、分析、归纳与建模、描述，是领域问题能否在计算机上有效解决的首要条件。
并且计算机解决领域问题的范围、深度以及有效性，多取决于领域业务逻辑被抽象、建模和描述的程度。
可见，归纳、分析领域应用逻辑，构造领域应用逻辑描述模型，描述领域行为、概念、资源和标准等，建立领域应用逻辑库，以此为基础构造领域管理工具和应用平台，是应用领域信息化的基础与核心。
可是在具体领域信息化过程中，随着信息技术的发展，领域中的信息化载体——应用工具和管理平台、甚至领域资源建设——被迫不断更新换代。
应用领域信息化建设的主要精力，不是放在领域应用逻辑的建模与描述上，而是不断跟踪信息技术进步。
领域信息化缺乏对自身的深刻认识，对本领域的深刻归纳。
其实领域信息化的要求来自于领域本身，重心应该在于对领域应用逻辑的信息化，形成自身的规范和结构模型，这是领域信息化的关键。
知识工程和语义描述技术的产生，为领域应用逻辑建模和应用提供了可能和有效的参考。
本体技术是知识工程和语义建模技术的有效思想、方法和工具。
本课题期望使用本体建模技术，实现面向领域的概念、资源、行为建模——构造面向领域的概念、资源、行为本体，并实现基于此的推理应用，探索一种可行的应用技术模式，满足领域内应用逻辑的建模和使用。
期望实现信息技术在领域中的应用范围、深度和应用模式上的突破。
预期的领域逻辑描述模型和应用模型能够实现领域业务逻辑和程序控制逻辑的分离，以及实现基于应用逻辑及其推理机的程序控制逻辑的自动生成。
在具体领域中的应用，促使领域内知识建模和领域应用开发的分离，形成领域信息化本身的技术体系。
这里预期把程序逻辑中有关在应用领域业务逻辑的部分独立出来，单独进行知识、语义建模，并描述，构成应用领域逻辑库；该部分面向具体的领域以及业务需求。
程序逻辑中有关程序控制逻辑的部分，是面向下层的，基于计算机应用的，通过面向领域的过程库来实现。
从而为领域平台和工具建设提出一种可行的技术模式，满足领域内业务逻辑的建模和应用。
在以往的本体建模的研究中，本体只是用于表示静态概念及其层次结构关系；本课题需要对于领域行为模型进行构造与推理，作为领域应用逻辑描述的一部分，但是缺少基础行为理论作为支持，必须从哲学、心理学等范围着手，构造行为描述模型。
动态概念描述的研究在国内外尚未展开，参考文献较少，本课题希望扩展本体的语义表达能力，用本体来描述领域中行为和动作，以及它们之间的关系。
领域业务逻辑建模与使用的研究工作，无论从领域应用逻辑建模，还是从领域信息化过程的角度，或者从软件工程、知识工程应用的角度，在国内外，刚刚处于探索阶段，尚未有成熟的理论或工具、产品推出；不过，其理论和应用价值已经被许多组织和高校研究单位所意识到，并开始积极的从事于该领域的研究工作。
如国际上的卡内基-梅隆大学软件工程研究所（CMU-SEI）和W3C组织，在这方面一直积极活跃地进行卓越的研究工作。
预期应用模型为领域平台和工具建设提出一种可行的技术模式。
通过这种方式建设的领域信息化会具有如下预期意义：
第一：
能够实现领域应用逻辑和程序控制逻辑在设计和应用上分离。
在设计时使用本体描述领域内业务逻辑模型，使用过程库描述具体领域的计算机实现过程；领域的规则和过程独立于应用程序的开发，领域过程的产生，来自于领域模型，而非固定到应用程序中。
领域应用逻辑，交给领域知识专家处理，而非程序员。
从这种意义上说，应用软件的开发，被分成两个层次，上层是面向业务领域的过程生成，在一定程度上，独立于计算机；下层应用代码的开发是对上层业务过程的支持，提供虚拟的运行环境，它在一定程度上独立于业务过程的设计。
业务建模、需求和代码的分离，与自动装配，是软件工程的一个大胆的假设，在这里存在现实的影子。
这一体系结构在领域信息化中的应用，保证了业务过程建设和维护的灵活性；促使领域知识建模和领域应用开发的分离，能够形成领域本身的技术体系。
如下图所示：
第二、增强了领域应用系统的可集成、灵活、扩展、融合等性能。
领域业务逻辑库是面向领域的，是领域行为、概念和资源及其语义关系的描述，推理机根据这些概念及其语义关系进行推理，构造出业务行为过程。
在理想的情况下，由于应用逻辑业务逻辑构造得丰富、完备与简练，系统的用户对领域内的请求，领域应用逻辑知识库能构造出业务行为过程，并能够在过程库的支持下，通过和用户的交互，得到有效的应答，完成用户请求。
这里以有限的领域内模型构造，完成无限的领域内操作。
这一特点使得业务目标和代码的关系变得松散。
在领域应用上的实现，增加了领域平台的组装、定制和扩充能力的特性。
5、工作基础与工作条件
在学校的支持下建立的“面向领域的知识工程实验室”，为该领域的研究工作提供具备完善的软件、硬件以及网络设备，为数名对该领域有着强烈兴趣的教师，提供了科研、教学以及承建相关软件开发等工作的支撑平台。
实验室教师团队一直深入研究信息化过程的原理、原则，探索基于领域的应用逻辑建模和描述，摸索应用逻辑和程序控制逻辑之间的分离与转化关系,热衷于探索可行的技术模式，实现面向领域的业务建模以及相应的领域平台与工具建设，构造面向具体的领域的技术体系。
在科研教学过程中，实验室取得了不错的成果，一直和国内外相关领域保持联系，资源成果共享，保持同步发展。
本实验室研究工作也获得同行认可。
在以往的研究中，实验室成员掌握了大量的技术、工具与方法；尤其在行为建模领域，设计了行为建模模型，并在教学管理平台的设计中，开发了演示模型，这一点充分体现了思想和技术的可行性。
如下是在教学管理平台的设计中所构造的技术应用模型（如下图）：
a、用户首先把“请求”通过ClientAgent提交给“应用逻辑推理机”；
b、“教学推理应用”推理“教学领域内的应用逻辑库”，从逻辑库中获取用户请求的“业务过程”（完成用户请求的行为动作序列，及其概念参数集合）；
c、然后把“业务过程”提交给下一层应用：
“OWL-S生成应用”，它通过对“业务过程”分析描述，把业务过程编译成“OWL-S文件”；“OWL-S文件”是基于以已经发布于Internet上的webservice为原指令的控制结构文件，用它描述用户请求的业务过程；
d、最后把“OWL-S文件”提交给OWL-S执行虚拟机，虚拟机利用后台教学服务网格上发布的webservice和用户交互，执行“业务过程”；从而完成用户请求。
本系统充分利用业务应用逻辑库结构的优势，通过对各个环节进行探索、开发，逐步构造、完善应用环境，摸索各个环节的建模规范和中间产品，最终实现应用环境的协调运行。
应用模型可以通过由点到面的过程增加应用逻辑库和webservice应用来为教学环境提供一个松散的、可扩充的、初步构成了以教育领域内业务建模为中心的教学支撑平台。
其中，这里的“webservice”是应用的领域内“原子操作指令”库，它以网格应用的形式被部署的网络上，来支持有用户请求应用逻辑库生成的用户业务过程的执行，它把领域应用逻辑和程序控制逻辑有效结合起来，共同完成用户请求。
后继的研究，一则需要寻求理论上的论证与支持，从数理逻辑上论证逻辑转换的完整性，二则构造更完善的应用领域逻辑模型、及其应用模型和应用实例，开发过程支持工具等。
6、预期研究结果及其利用研究结果的计划和今后发展思路
鉴于当前领域信息化过程中的问题，以及可用的知识工程相应原理、技术与工具。
本课题首先试图从程序逻辑区分出领域应用逻辑和程序控制逻辑，界定两种逻辑的结构关系，论证从应用逻辑向程序控制逻辑自动推理的可能。
而后构造领域应用逻辑描述模型，并研究其应用模型。
最后，结合这两种模型的设计，在林业管理平台中予以实现，从而构造一种软件体系结构模型，该模型在具体领域中的应用，能够促使领域内知识建模和领域应用开发的分离，形成领域信息化本身的技术体系。
从而又为领域平台和工具建设提出一种可行的技术模式。
最后验证预期的效果。
主要包括如下研究内容：
1、领域业务逻辑和程序控制逻辑的内涵和关系的分析论证，构造一种新的软件设计技术和思想。
该思想体现了在领域信息化过程中，把业务建模从软件设计中独立出来，构成领域信息化的核心环节。
主要以学术论文体现成果。
2、领域业务逻辑建模模型，用本体思想和方法设计领域应用逻辑描述模型，并实现基于OWL描述。
主要以学术论文，兼顾后继实例开发体现成果。
3、应用模型设计。
设计并论证由领域应用逻辑模型向程序控制逻辑推理、转化的可能性和可行性。
主要以学术论文，兼顾后继实例开发体现成果。
4、应用实例设计。
依附具体领域，根据领域逻辑描述模型，描述领域业务逻辑；使用如上应用模型，设计具体的应用工具或管理平台。
5、归纳整个技术体系模型，论证潜在的优势，分析把程序逻辑分成领域应用逻辑和程序控制逻辑的设计思想和方法。
在取得上述成果的同时，推广该项应用技术模型的使用，引起领域信息化思想和技术方法的改进，实现具体应用领域内的经济社会效益。
根据实验室承建项目的范围和特点，将会首先在林业管理信息化平台和工具中得到应用。
7、参考文献
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