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摘 要：概念建模是提高需求分析质量的重要技术。针对分布式多媒体信息系统概念建模面临的系统的异构性、海量数据和格式的差异性、时空的不一致性问题，本文介绍了信息系统常见概念建模方法，包括结构化概念建模、面向对象概念建模和本体概念建模，在此基础上，采用基于UML的面向对象概念建模法对分布式多媒体网络教学系统概念模型进行描述和表达，并建立了UML类图到本体模型的转换。
关键词：分布式；多媒体信息系统；概念建模；UML；本体
中图分类号： TP271+、31 文献标识码：a DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.02.014
Research on the Conceptual Modeling Method in Distributed Multimedia Information System fU Da-jie(Jiangxi Vocational College of Finance and Economics, Jiujiang, Jiangxi, 332000)
【Abstract】Conceptual modeling is the important technology to improve the quality of demand analysis. There are problems in the
distributed multimedia information system, which include heterogeneity, different forma of mass data and time-space inconsistency. this paper introduces some common conceptual modeling methods such as structured conceptual modeling, object-oriented conceptual modeling and ontology conceptual modeling, then describes and represents the concept model of the distributed multimedia internet teaching system using UML class diagram, and establishes the translation of UML class diagram to ontology model.
【Key words】Distributed; Multimedia Information System; conceptual modeling; UML; ontology
0 引 言
多媒体信息系统涉及文字、图形、图像、动画、音频、视频等各种信息媒体，特别是分布式多媒体系统，其数据结构的复杂性、系统功能的多样性、交互实现的实时性对系统提出了更高、更新的要求，从而加剧了系统开发的难度。实证研究表明在系统开发过程中一半以上的错误是由需求的不准确和不完整引起的，在开发的早期阶段的质量保证要比在末端测试的效益高出33倍多[1]。而概念建模是提高需求分析的质量的重要技术。研究多媒体信息系统概念建模方法，对于多媒体信息系统的开发、引进、改造、标准化和集成都具有积极的质量保证作用。
1 分布式多媒体信息系统概念建模面临的问题
文献[2-6]从不同角度对概念建模进行了定义，不难发现，信息系统的概念建模是并不考虑系统底层的具体实现技术，它从需求的角度表述了系统的主要特征并形成抽象的轮廓。对于多媒体信息系统而言，概念建模并不涉及到媒体存储、转换、检索等相关的技术问题，但需考虑媒体的相关应用和类型。要在一个分布式多媒体信息系统中实现各种多媒体对象的集成、同步、交互和展现，就必须为其建立一个独立于现实环境的抽象的表示模型。当前，分布式多媒体信息系统概念建模主要面临如下问题：
（1）分布式系统的异构性。分布式多媒体信息系统的跨平台的特点，涉及不同的计算机体系结构、不同的操作系统、不同的网络协议标准和不同的数据库，从而产生各种异构，导致应用系统开发的复杂化。
（2）海量数据存储和格式的差异性。多媒体数据有别于一般数据，它集成多种形式的内容，其数据量是海量（MASS DATA），数据量大，且数据格式差异极大，不利于信息系统的组织和存储，增加了数据处理的难度。
（3）时空的不一致性问题。很多多媒体数据带有时间属性和空间属性，如音频数据、视频数据、图形数据，在分布式多媒体信息系统中，由各计算节点的计算延时、网络传输延时、节点空间坐标系不同等容易造成的时空不一致问题，从而影响概念建模的准确性和适应性。
2 分布式多媒体信息系统概念建模方法介绍
概念建模方法是提供使用概念建模语法的程式，通常主要规定如何把对一个领域的观察结果映射为概念模型[7]。从上世纪70年代起新的概念建模方法开始激增，据不完全统计，大概有1000多种概念建模方法，而且每年还在不断地增长[8]。文献[9-11]结合应用领域对概念建模方法做了实践性研究，从理 论上讲，当前概念建模方法主要有三种：结构化概念建模、面向对象概念建模、本体概念建模。
（1）结构化概念建模。即根据“自顶向下、逐步细化、模块化设计”的思想，将采用自顶将整个系统功能划分成一系列实现独立功能且可相互调用的模块，用模块结构关系来表示系统模型。但其存在“需求冻结”的隐患，不适合结构复杂的分布式多媒体信息系统。
（2）面向对象概念建模。使用类、对象、继承和消息机制进行概念建模。分析阶段通过类或对象的认定，确定类之间（或对象间）关系，然后对它们的属性、所提供的方法和所需要的方法进行描述，并按照它们之间的关系进行组织，得到类（或对象）结构。面向对象概念建模，就是要将类和对象映射为概念，只要找出类和对象并建立了类结构，也就建立了概念模型[12]。面向对象建模单个对象表示的行为粒度过于精细，难以把握问题的实质和总体结构，容易造成系统结构不合理及各部分关系失调等问题。
（3）本体概念建模。通过对静态的领域本体和动态的任务本体两个部分进行分析描述,并结合用户需求分析，获得语义层面上的概念模型;借助本体描述语言及建模工具将概念化的实体与过程图形化表达，形成具体的功能模型 [13]。本体作为共享概念形式化建模工具,可增强系统模型的语义表达能力，以便更好的消除语义差异，实现不同系统间的知识共享和互操作，是未来建模技术的发展方向和趋势[14]。
3 分布式多媒体信息系统概念建模实践
通过上述介绍，可以发现几种概念建模方法各有所长，下面笔者以分布式多媒体网络教学系统中课程实例为例，简要说明面向对象概念建模念建模方法与本体概念建模方法的具体应用。
3.1 基于UML的面向对象概念建模
UML是国际对象管理组织OMG制定的可视化建模语言标准，主要用于面向对象建模，UML的核心是以面向对象思想来描述客观世界，即通过类图、构建图、部署图等表示系统静态结构的静态模型和对象图、用例图、顺序图、协作图、状体图、活动等表示系统动态结构的动态模型来描述系统的及其内在的联系。其中，UML类图是面向对象概念建模的核心，对于系统的核心概念，用类、属性和方法表示，概念间的关系主要采用聚合、组合、泛化（继承）以及依赖、关联等关系来表达。
基于UML的概念建模，主要用于系统需求与分析阶段人与人之间的沟通交流，它只对问题域的对象（现实世界的概念）建模，而不考虑定义系统中技术细节的类（如处理用户结构、数据库、通信和并行性等问题的类），从这一点上来讲，分布式多媒体信息系统比较适合采用基于UML的面向对象概念建模。同时，UML统一了Booch、OMT和其他面向对象方法的基本概念和符号，汇集了面向对象领域中的多种思想，为概念模型的表达提供了科学的、通用的、标准化图形符号表示，并能被交互的可视化建模工具所支持，使得领域内的系统相关者都可以通过概念模型了解相关概念。另外，UML包括概念的语义、表示法和说明，提供了静态、动态、系统环境及组织结构的模型。图1为网络教学系统中用类图表示的用户（User）概念模型。
图1 网络教学系统用户（User）类图
3.2 类图与本体模型的转换
在信息系统领域，本体的核心是描述领域的本质概念及其之间的关联，是领域共享概念模型的形式化规范说明[15]。本体表达的概念间关系通常包括部分关系、所属关系、实例关系、属性关系。比较本体与UML类图，可以看出：本体中的类或概念相当于UML中的类，以及类的属性和方法；本体中的基本语义关系可以与UML类图中的关系相对应，比如，部分关系可以对应类图中的聚合或者组合关系，所属关系对应类图中的泛化（继承）关系，实例关系可以对应UML中的类与对象的关系，属性关系实际上对应一个类图中类与其本身属性的所属关系[16]。将图1中的类图转换为本体模型如下：
O-User =<{User,Account,Password,email,Student,number,name,sex, age,classNum,grade,Teacher,name,sex,Identity CardID,course,telephone Num,Administrator, TelephoneNum},{User≡Student∩Teacher∩Administ rator, Student≡number∩name∩sex∩age∩classNum∩grade,Teacher≡na me∩sex∩Identity CardID∩couse∩telephoneNum,Administrator≡Telepho neNum}, {getEmail(),getAccount(),changePass(),Student(),Teacher(),Upda teCourseInfo(),UpdateTeacherIntro(),Adminstrator(),CertifyUploaded(),Up dateInfomation(),Adduser(),DeleteUser()}>
至于本体概念建模的实现，一般采用OWL(Web Ontology Language)标准描述语言完成。OWL本体包括类、属性和它们的实例（即个体）的描述，通过采用OWL对复杂的跨平台、异构性的分布式多媒体信息系统系统概念模型及其之间的联系进行形式化描述，使得系统概念模型表达为语义和语法准确规范的领域本体，能够被计算机自动识别处理，在同一领域不同信息系统之间共享知识，从而有效保证分布式多媒体信息系统的最终质量。具体实现可参考其他相关文献[18-19]。
4 结束语
信息系统建模，实际上是对信息系统进行认识、描述、分析并抽象表示的过程。对于复杂的分布式多媒体信息系统，如何综合权衡各种概念建模方法利弊，“择其善者而从之，其不善者而改之”，直接影响了未来系统质量。本文结合UML类图对面向对象概念建模和本体概念建模做了具体的实证分析，下一步笔者将结合OWL语言针对分布式多媒体信息系统建模做进一
步研究[19]。
参考文献
[1] Moody DL，Shanks GG.Improving the quality of data models: empirical validation of a quality management framework[J]， Information Systems，2003，28(6):619-650.
[2] Mylopoulos J.Conceptual modeling and telos.Loucopoulos P，Zicari R.Conceptual modeling，database，and case:an integrated view of information systems development[J].Wiley，New York，1992.49－68.
[3] 孙凡.信息系统概念建模方法绩效评价的研究[J].计算机系统应用，2009，(4):15-17.
[4] 吴永波，何晓晔，谭东风，等.军事概念模型研究综述.系统仿真学报， 2005， 17(12): 3076-3080.
[5] Horrocks I， Patel-Schneider P F， Harmelen F V. From SH I and RDF toOWL:The making of a web onto logy language[J]. Journal of Web Semantics， 2003， 1(1): 7-26.
[6] GrahamWidemana.ConceptModeling: What It Is， and where’s The Software? -Intelligence and Change in Enterprises [EB/OL].[1999-03].http:www.kc.com.
[7] Wand Y，Weber R.Research Commentary: Information Systems and Conceptual Modeling--A Research Agenda. Information Systems Research，2002，13(4):363－376.
[8] Siau K， Rossi M.Evaluation of information modeling methods a review [J]. System Scences，1998，5:314－322.
[9] 贾美英，杨炳儒，张文海，等.情报信息系统概念模型建模方法研究[J].情报研究，2009，53(22):35-39.
[10] 谢春燕，李为民.区域反导组网作战战术信息分发系统军事概念建模研究[J]. 军事运筹与系统工程，2005，19(3):34-35.
[11] 华玉光，徐浩军，刘凌，等.军事体系对抗复杂系统概念建模方法[J].系统仿真学报，2008，20(23):6507－6510.
[12] 徐宝祥，刘爽. OOA在信息系统中概念建模方法[J].情报科学，2001，19(1):66-68.
[13] 张维明.信息系统建模[M].北京:电子工业出版社，2002:35-53.
[14] 唐晓波，韦贞，徐蕾.基于本体的信息系统建模方法[J].情报科学，2008，26(3): 391-395.
[15] 曾宪文，陈向东，杨明福.基于UML的本体建模研究[J].计算机应用与软件，2006，23(7): 42-43.
[16] 严璐，李利.从UML类图到本体的自动映射[J].科学技术与工程，2008， 8(13): 3645-3648.
[17] 冉婕，孙瑜，昌霞，等基于OWL的成语典故本体构建研究[J].计算机技术与发展，2010，20(5): 63-64.
[18] 董坚峰，胡凤.基于OWL本体的知识表示研究[J].情报理论与实践，2010， (9): 88-90.
[19] Fu Dajie. Analysis of the Conceptual Modeling Method in Multimedia Information System [C] Proceedings of 2010 Asia-Pacific Conference on Information Network and Digital Content Security， Beijing:Scientific Research Publishing，USA，2010: 244-246.
关键词：分布式；多媒体信息系统；概念建模；UML；本体
中图分类号： TP271+、31 文献标识码：a DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.02.014
Research on the Conceptual Modeling Method in Distributed Multimedia Information System fU Da-jie(Jiangxi Vocational College of Finance and Economics, Jiujiang, Jiangxi, 332000)
【Abstract】Conceptual modeling is the important technology to improve the quality of demand analysis. There are problems in the
distributed multimedia information system, which include heterogeneity, different forma of mass data and time-space inconsistency. this paper introduces some common conceptual modeling methods such as structured conceptual modeling, object-oriented conceptual modeling and ontology conceptual modeling, then describes and represents the concept model of the distributed multimedia internet teaching system using UML class diagram, and establishes the translation of UML class diagram to ontology model.
【Key words】Distributed; Multimedia Information System; conceptual modeling; UML; ontology
0 引 言
多媒体信息系统涉及文字、图形、图像、动画、音频、视频等各种信息媒体，特别是分布式多媒体系统，其数据结构的复杂性、系统功能的多样性、交互实现的实时性对系统提出了更高、更新的要求，从而加剧了系统开发的难度。实证研究表明在系统开发过程中一半以上的错误是由需求的不准确和不完整引起的，在开发的早期阶段的质量保证要比在末端测试的效益高出33倍多[1]。而概念建模是提高需求分析的质量的重要技术。研究多媒体信息系统概念建模方法，对于多媒体信息系统的开发、引进、改造、标准化和集成都具有积极的质量保证作用。
1 分布式多媒体信息系统概念建模面临的问题
文献[2-6]从不同角度对概念建模进行了定义，不难发现，信息系统的概念建模是并不考虑系统底层的具体实现技术，它从需求的角度表述了系统的主要特征并形成抽象的轮廓。对于多媒体信息系统而言，概念建模并不涉及到媒体存储、转换、检索等相关的技术问题，但需考虑媒体的相关应用和类型。要在一个分布式多媒体信息系统中实现各种多媒体对象的集成、同步、交互和展现，就必须为其建立一个独立于现实环境的抽象的表示模型。当前，分布式多媒体信息系统概念建模主要面临如下问题：
（1）分布式系统的异构性。分布式多媒体信息系统的跨平台的特点，涉及不同的计算机体系结构、不同的操作系统、不同的网络协议标准和不同的数据库，从而产生各种异构，导致应用系统开发的复杂化。
（2）海量数据存储和格式的差异性。多媒体数据有别于一般数据，它集成多种形式的内容，其数据量是海量（MASS DATA），数据量大，且数据格式差异极大，不利于信息系统的组织和存储，增加了数据处理的难度。
（3）时空的不一致性问题。很多多媒体数据带有时间属性和空间属性，如音频数据、视频数据、图形数据，在分布式多媒体信息系统中，由各计算节点的计算延时、网络传输延时、节点空间坐标系不同等容易造成的时空不一致问题，从而影响概念建模的准确性和适应性。
2 分布式多媒体信息系统概念建模方法介绍
概念建模方法是提供使用概念建模语法的程式，通常主要规定如何把对一个领域的观察结果映射为概念模型[7]。从上世纪70年代起新的概念建模方法开始激增，据不完全统计，大概有1000多种概念建模方法，而且每年还在不断地增长[8]。文献[9-11]结合应用领域对概念建模方法做了实践性研究，从理 论上讲，当前概念建模方法主要有三种：结构化概念建模、面向对象概念建模、本体概念建模。
（1）结构化概念建模。即根据“自顶向下、逐步细化、模块化设计”的思想，将采用自顶将整个系统功能划分成一系列实现独立功能且可相互调用的模块，用模块结构关系来表示系统模型。但其存在“需求冻结”的隐患，不适合结构复杂的分布式多媒体信息系统。
（2）面向对象概念建模。使用类、对象、继承和消息机制进行概念建模。分析阶段通过类或对象的认定，确定类之间（或对象间）关系，然后对它们的属性、所提供的方法和所需要的方法进行描述，并按照它们之间的关系进行组织，得到类（或对象）结构。面向对象概念建模，就是要将类和对象映射为概念，只要找出类和对象并建立了类结构，也就建立了概念模型[12]。面向对象建模单个对象表示的行为粒度过于精细，难以把握问题的实质和总体结构，容易造成系统结构不合理及各部分关系失调等问题。
（3）本体概念建模。通过对静态的领域本体和动态的任务本体两个部分进行分析描述,并结合用户需求分析，获得语义层面上的概念模型;借助本体描述语言及建模工具将概念化的实体与过程图形化表达，形成具体的功能模型 [13]。本体作为共享概念形式化建模工具,可增强系统模型的语义表达能力，以便更好的消除语义差异，实现不同系统间的知识共享和互操作，是未来建模技术的发展方向和趋势[14]。
3 分布式多媒体信息系统概念建模实践
通过上述介绍，可以发现几种概念建模方法各有所长，下面笔者以分布式多媒体网络教学系统中课程实例为例，简要说明面向对象概念建模念建模方法与本体概念建模方法的具体应用。
3.1 基于UML的面向对象概念建模
UML是国际对象管理组织OMG制定的可视化建模语言标准，主要用于面向对象建模，UML的核心是以面向对象思想来描述客观世界，即通过类图、构建图、部署图等表示系统静态结构的静态模型和对象图、用例图、顺序图、协作图、状体图、活动等表示系统动态结构的动态模型来描述系统的及其内在的联系。其中，UML类图是面向对象概念建模的核心，对于系统的核心概念，用类、属性和方法表示，概念间的关系主要采用聚合、组合、泛化（继承）以及依赖、关联等关系来表达。
基于UML的概念建模，主要用于系统需求与分析阶段人与人之间的沟通交流，它只对问题域的对象（现实世界的概念）建模，而不考虑定义系统中技术细节的类（如处理用户结构、数据库、通信和并行性等问题的类），从这一点上来讲，分布式多媒体信息系统比较适合采用基于UML的面向对象概念建模。同时，UML统一了Booch、OMT和其他面向对象方法的基本概念和符号，汇集了面向对象领域中的多种思想，为概念模型的表达提供了科学的、通用的、标准化图形符号表示，并能被交互的可视化建模工具所支持，使得领域内的系统相关者都可以通过概念模型了解相关概念。另外，UML包括概念的语义、表示法和说明，提供了静态、动态、系统环境及组织结构的模型。图1为网络教学系统中用类图表示的用户（User）概念模型。
图1 网络教学系统用户（User）类图
3.2 类图与本体模型的转换
在信息系统领域，本体的核心是描述领域的本质概念及其之间的关联，是领域共享概念模型的形式化规范说明[15]。本体表达的概念间关系通常包括部分关系、所属关系、实例关系、属性关系。比较本体与UML类图，可以看出：本体中的类或概念相当于UML中的类，以及类的属性和方法；本体中的基本语义关系可以与UML类图中的关系相对应，比如，部分关系可以对应类图中的聚合或者组合关系，所属关系对应类图中的泛化（继承）关系，实例关系可以对应UML中的类与对象的关系，属性关系实际上对应一个类图中类与其本身属性的所属关系[16]。将图1中的类图转换为本体模型如下：
O-User =<{User,Account,Password,email,Student,number,name,sex, age,classNum,grade,Teacher,name,sex,Identity CardID,course,telephone Num,Administrator, TelephoneNum},{User≡Student∩Teacher∩Administ rator, Student≡number∩name∩sex∩age∩classNum∩grade,Teacher≡na me∩sex∩Identity CardID∩couse∩telephoneNum,Administrator≡Telepho neNum}, {getEmail(),getAccount(),changePass(),Student(),Teacher(),Upda teCourseInfo(),UpdateTeacherIntro(),Adminstrator(),CertifyUploaded(),Up dateInfomation(),Adduser(),DeleteUser()}>
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4 结束语
信息系统建模，实际上是对信息系统进行认识、描述、分析并抽象表示的过程。对于复杂的分布式多媒体信息系统，如何综合权衡各种概念建模方法利弊，“择其善者而从之，其不善者而改之”，直接影响了未来系统质量。本文结合UML类图对面向对象概念建模和本体概念建模做了具体的实证分析，下一步笔者将结合OWL语言针对分布式多媒体信息系统建模做进一
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