基于本体的异构系统语义互操作研究*

吴佑波， 陶 熠

(重庆工商大学 电子商务及供应链系统重庆市重点实验室， 重庆 400067)

基于本体的异构系统语义互操作研究*

吴佑波， 陶 熠

(重庆工商大学 电子商务及供应链系统重庆市重点实验室， 重庆 400067)

企业信息系统的互操作是企业动态联盟中企业协作的基础，为了解决企业间异构系统互操作这一基本问题，引入本体的思想，利用网络本体语言(OWL)建立汽摩配产品本体模型，运用网络服务本体语言(OWL-S)建立了一个Web服务本体模型，设计了基于本体的异构系统互操作集成平台，建立了基于本体的异构系统互操作过程中的语义映射规则，描述了异构系统互操作的实现过程；通过原型系统验证了方法的可行性，结果表明：运用本体技术可以改进订单处理方式，增强平台互操作性，为实现异构系统互操作提供了有效的途径。

本体;企业协作;异构系统;互操作;OWL

随着经济全球化的步伐进一步加快，企业面临国际范围内的竞争进一步加剧，越来越多的企业意识到与自身上下游企业协作的重要性。中小企业尤其是制造型中小企业，面对市场的波动需要快速做出应对，企业间协作为此类企业竞争力的加强增加了砝码。企业间协作的基础是信息的交互，如何实现企业间信息系统层级的协作成为当前研究的热点。由于信息化推进程度和企业业务流程的不同，不同企业的应用系统所采用的系统架构往往会不一致。在异构系统间实现信息交互的一个基础问题就是如何实现互操作。异构系统的互操作分为3个层级的互操作，分别是物理层、数据层和语义层。而语义层级的互操作是最难实现的，通过语义标准化可以解决部分特定领域的语义互操作问题。当前的异构系统互操作研究大多集中在数据层的互操作，针对实现异构系统语义互操作困难的现状，本文引入本体的概念，将需要交互和协作的信息进行本体语义描述，通过系统集成平台进行本体映射和转换，进而实现异构系统间的互操作。通过利用OWL建立汽摩配产品本体模型，运用OWL-S建立Web服务本体模型，设计异构系统互操作集成平台，建立异构系统互操作中语义映射规则，以汽摩配产品为例，用原型系统验证了方法的可行性。

1 现状及问题提出

本体最初起源于古希腊哲学思想领域，1991年Neches等人将本体引入人工智能、知识工程、信息集成和共享等领域后，本体在众多领域中得到广泛应用。一般来讲，本体就是通过形式化语言对事物、信息等进行描述，通过本体映射消除语义差异，实现信息的共享和交互。STUDER R.等人[1]将本体定义为“本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明”。

本体现阶段的应用多停留在消除语义差异上，郭剑锋等人[2]提出了本体智能映射方法，将本体应用于零件库中产品的查找。LEE C S、郭剑锋等人[2-4]基于应用目的的不同提出了3层和4层的本体模型框架，研究了产品本体模型的建立。对于异构系统互操作所需的语义交互至今尚未有成熟的方法加以解决。吴学华[9]、常关羽[10]、晋芳华[11]等研究了语义互操作的关键技术和进行了验证。企业间业务协作中需要实现异构系统的互操作，而异构系统产生的不同信息导致的语义冲突带来互操作的困难，利用本体可消除语义差异的优点使解决异构系统互操作问题成为了可能。

2 基于本体的异构系统互操作集成平台及工作流程

2.1 基于本体的异构系统互操作集成平台

基于本体的异构系统互操作集成平台主要实现的功能是使传统数据库数据转换为本体并加以储存，对产品本体与应用本体进行映射匹配和为应用系统提供接口。异构系统互操作的实现是利用集成平台作为数据转换为本体的加工车间和中间仓库，通过集成平台提供的接口实现数据的转换和交互。

异构系统互操作集成平台的功能是实现异构系统间的信息传递，基于本体的异构系统互操作集成平台可实现信息的获取、识别、匹配和映射。基于本体的异构系统互操作集成平台的系统结构有4层，分别是基础层、映射层、接口层和应用层，其系统结构如图1所示。

基础层提供与企业产品数据库的接口，通过基础层将企业产品信息导入原始零件信息数据库；映射层实现产品数据转换为本体并储存于本体库中；接口层的功能是进行本体与采购订单或销售订单的转换；应用层实现异构系统互操作。

图1 基于本体的异构系统互操作系统结构Fig 1 Framework of interoperability based ontology

基于本体的异构系统互操作集成平台通过订单本体编辑器获得采购订单信息，转换为本体以后再通过映射工具将获得的采购订单本体信息与集成平台本体模型映射，集成产品本体模型利用网络本体语言(Web Ontology Language, OWL)[5]描述，OWL是在互联网上描述、发布和共享本体的一种应用广泛的本体语言。映射工具是基于protégé建立的，通过protégé的racer推理机，将本体的定义、属性、关系、公理等进行匹配和映射。基础层的企业产品本体数据库存放企业所有产品本体信息，原始零件信息数据库通过异构系统后台管理接口与各企业原始产品数据库建立连接。

2.2 基于本体的异构系统互操作实现过程

在为中小企业服务的ASP平台中，通过构建订单本体编辑器Web服务和产品本体模型,让采购企业A通过基于本体的异构系统互操作集成平台输入订单,并转换为企业产品本体，通过与平台产品本体进行映射匹配,再进一步与销售企业订单本体进行映射匹配,使A、B企业通过ASP集成平台进行互操作。图2为企业A和企业B互操作示意图。

图2 异构系统互操作示意图Fig.2 Sketch map of interoperability between asynchronous systems

采购企业A需要采购产品，通过企业ERP系统生成所需采购的产品订单，再通过平台提供的订单本体编辑器将订单信息输入平台进行本体转换，集成平台收到A企业发送的订单请求以后，通过智能映射匹配引擎将本体编辑器传来的订单本体信息与集成平台的产品本体进行映射匹配，得到映射匹配结果。再进一步与销售企业B的订单本体进行映射匹配，得到映射匹配结果传递给B企业，生成销售订单。基于同样的方法，实现订单本体编辑器Web服务发现、组合、匹配，实现异构系统互操作。

企业采购的传统做法是将自身ERP系统产生的订单传真给销售企业，销售企业再手工导入本企业的ERP系统，效率低下而且容易出错。利用本方法可以实现订单的自动转换，提高了效率，减少了出错的几率。

基于本体的异构系统互操作关键技术主要包括产品本体模型建立、Web服务本体模型建立、异构系统互操作过程中的语义映射。

3 基于本体的异构系统互操作关键技术研究

3.1 产品本体模型的建立

在基于本体的异构系统互操作系统结构中，接口层的集成平台产品本体模型是关键和核心，如何建立简洁有效的产品本体模型是实现异构系统互操作的基础。结合汽摩配产品特点及汽摩配行业所普遍采用的订单现状，在此以汽摩配垫圈类产品为例，提出了汽摩配垫圈类产品的3层本体模型框架，如图3所示，产品本体模型分为概念层、目录层和属性层。其中，名称属于概念层；重量、厚度、直径、材料、刚度属于目录层；螺纹直径、内圈直径、外圈直径、材料性质属于属性层。该汽摩配产品3层产品本体模型的特点如下：

(1) 简化产品本体模型的层数，减少本体映射智能匹配的计算量，可使产品本体的快速映射匹配；

(2) 根据垫圈类产品特点制定的产品本体模型可快速构建产品本体，减少不必要的工作量；

(3) 按照通用的垫圈类产品特征描述，及对信息粒度的需求进行本体构建。

经实例验证，该本体模型框架是有效可行的。

图3 垫圈类产品本体概念模型Fig.3 Concept model of washer product ontology

3.2 Web服务本体模型的建立

订单输入、转换、输出作为ASP集成平台提供的一种Web服务，需要面向企业用户构建简洁、有效的订单表示方法。在传统的数据转换及交互系统中，系统间可实现语法层面的互操作，本文基于本体研究了通过建立Web服务本体模型来构造面向用户的订单输入输出服务。订单输入输出的语义信息转换为本体后和上节中平台产品本体模型进行映射匹配，映射结果转换为输出订单信息，反之亦然，从而实现异构系统语义层面的互操作。订单本体编辑器作为一种Web服务，采用OWL-S描述。Web服务本体描述语言(Web Ontology Language for Services, OWL-S) 是基于OWL语言的Web 服务本体[6]。

根据OWL-S 的定义,一个Web服务由Presents、Describedby和Supports三个属性进行描述,它们的范围分别为ServiceProfile、ServiceModel和Service Grounding。ServicProfile用于描述Web服务的能力[7]。采用OWL-S对订单本体编辑器提供的Web服务进行描述，如图4所示。通过服务请求所描述的概念与服务提供所描述的概念进行推理并实现映射匹配，即实现通过订单本体编辑器输入的企业产品本体与平台本体库中本体进行映射以及平台产品本体与输出产品本体进行映射。

图4 订单本体编辑器Web服务本体Fig.4 Web service ontology of order ontology editor

如果用概念A来形式化定义订单本体编辑器Web服务的输入操作，则概念A包含了元条件A1～A6的OWL DL(Description Logic)声明如下：

1)A1⊆操作;

2)A2⊆∃具有输入操作(∃具有属性(∃参照订单内容 材料));

3)A3⊆∃具有输入操作(∃具有属性(∃具有订单内容(∃具有尺寸/毫米)));

4)A4⊆∃具有输入操作(∃具有属性(∃具有订单内容(∃质量))) ;

5)A5⊆∃具有输入操作(∃具有关系(∃具有订单内容) (具有公差/微米)));

6)A6⊆∃数据接口(手工订单输入)。

同样地,也可以将输出订单作OWL DL声明,将两项OWL DL声明转换为OWL代码后,就可以用Racer推理机[8]进行推理运算,实现订单本体映射。

3.3 基于本体的异构系统互操作过程中的语义映射

本文实例中基于本体的异构系统互操作过程中的语义映射包含订单信息OWL语义描述的映射以及OWL-S语义描述下的Web服务语义映射。

本文中本体映射采用基于相似度的映射方法[13]，通过对企业输入产品本体和平台本体进行相似度计算后得到映射结果。假设现有本体O1和O2，分别为O1(C1,D1,P1)和O2(C2,D2,P2),其中C表示本体概念，D表示本体目录，P表示本体属性。本体O1和O2的相似度用函数S(O1,O2)表示，S的最大值为1，通过计算S的值可得出本体间的相似度。利用OWL对企业产品进行语义化描述，得到OWL语句，通过与已建立的平台本体模型进行OWL语言表述相比较可得出本体之间的相似度。由于本体模型O(C,D,P)分别具有概念、目录和属性，分别对C、D和P赋以权值ωi(∑ωi=1)。用Li(O)表示本体的逻辑相似性，得到本体的相似度表达式：

S(O1,O2)=∑iω(i)*SL(Li(O1),Li(O2))

(1)

产品本体储存于集成平台本体库，通过订单本体编辑器Web服务输入的产品信息经过集成平台的本体化表达，并定义相应的映射规则，使订单本体编辑器所获取的信息经过OWL转换后与平台现有产品本体的OWL表述进行语义对照，并进行相似度计算，实现平台产品本体与企业产品本体的语义映射，并转换为企业应用系统中信息加以应用。同理可对用OWL-S语义表述的订单本体编辑器Web服务进行映射匹配。

如图5所示，为应用系统信息与平台本体进行转换的过程描述。传统应用系统中信息是数据形式储存，产品本体是以知识元形式储存在本体库中。将不同应用系统的产品信息转换为本体储存于平台本体库后，即可将不同本体进行映射匹配。

图5 产品本体与订单本体编辑器信息的映射Fig.5 Mapping between information from order ontology editor and product ontology

3.4 系统运行实例

以某汽摩配企业通过ASP平台采购密封垫片为例，在该企业的ERP系统中密封垫片表示为“垫片”，目录为“编号”，属性为“01-017-02E-NI”，订单本体编辑器Web服务获取到其订单信息后将“瓦丝”转换为产品本体并与平台标准本体库中产品本体进行映射，匹配成功后自动映射至销售订单“垫片”栏。相应地，生产企业可以根据实际情况对订单进行修改，反馈至集成平台及采购企业。在订单本体编辑器Web服务发现、映射、匹配组合时采用同样的方法，可使订单在语义层面实现互操作如图6所示。

图6 平台互操作运行实例Fig.6 Instance of interoperability on platform system

4 结 论

本文通过分析汽摩配行业订单的特点和应用现状，建立了适合中小企业的ASP集成平台的产品本体及符合自然语言与使用习惯的订单本体编辑器Web服务模型，并开发了相应的ASP服务平台系统，验证了基于本体的订单处理可行性。通过分析发现需进一步开展的研究：

(1) 不同产品的本体建模需要规范，本文仅对汽摩配行业的部分零部件做了验证试验，对于其他行业的异构系统订单处理有待验证；

(2) 对于复杂订单的互操作还需要进一步完善本体模型；

(3) 对于传统数据库与本体的映射有待进一步研究；

(4) 异构互操作系统平台的安全性、规范性等方面还需要进一步研究。

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责任编辑：代小红

Research on Semantic Interoperability of Asynchronous Systems Based on Ontology

WU You-bo,TAO Yi

(Chongqing Key Laboratory of Electronic Commerce & Supply Chain System, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

In the dynamic enterprises alliance, the interoperability of enterprises information systems is the foundation of enterprises collaboration. In order to solve this basic problem, which refers to interoperability of asynchronous systems between different enterprises, ontology thought was introduced, and Web Ontology Language (OWL) was used to establish ontology of mechanical accessory as well as Web Ontology Language-Service (OWL-S) being used to establish web services. The ontology based integrated platform for interoperability of asynchronous systems was designed, meanwhile the semantic mapping rule for use in the process of ontology based interoperability of asynchronous systems was built. In the same way, the realization of interoperability of asynchronous systems was described. In the end a prototyping system was developed to validate the method. The results showed that using ontology technology could improve order dealing, also increase the performance of the platform in interoperability. Thus it provides an efficient approach to implement interoperability between asynchronous systems.

ontology; enterprises collaboration; asynchronous systems; interoperability; OWL

2016-11-17;

2016-12-25.

重庆市高校青年骨干教师资助计划项目(670101110);重庆工商大学青年博士基金(1352022);重庆工商大学科研启动基金(2013-56-02).

吴佑波(1983-),男,四川内江人,博士,主要从事制造业信息化、物流与供应链管理研究.

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0002.014

TP182

A

1672-058X(2017)02-0065-06