Luận án Tiến sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi giữa mô hình mức khái niệm và ontology

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:155

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu và phát triển các phương pháp chuyển đổi giữa một mô hình dữ liệu mức khái niệm (như mô hình ER, EER, biểu đồ lớp UML) và OWL. Vì vậy luận án thực hiện các mục tiêu cụ thể gồm: chuyển đổi mô hình thực thể - mối quan hệ sang OWL ontology; chuyển đổi biểu đồ lớp UML sang OWL ontology; trích xuất mô hình dữ liệu mức khái niệm từ OWL ontology. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học máy tính: Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi giữa mô hình mức khái niệm và ontology

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÕ HOÀNG LIÊN MINH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI GIỮA MÔ HÌNH MỨC KHÁI NIỆM VÀ ONTOLOGY NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ NGÀNH: 9.48.01.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. HOÀNG QUANG 2. PGS. TS. HOÀNG HỮU HẠNH HUẾ - NĂM 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Nội dung tham khảo từ các công trình khác đều được trích dẫn rõ ràng. Các kết quả viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý trước khi đưa vào luận án. Các kết quả của luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác ngoài các công trình của tác giả. Nghiên cứu sinh Võ Hoàng Liên Minh i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án tiến sĩ, tôi đã nhận được sự hỗ trợ quý báu từ nhiều cá nhân, cơ quan và đơn vị. Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Hoàng Quang và PGS. TS. Hoàng Hữu Hạnh đã hướng dẫn tận tình cho tôi các phương pháp nghiên cứu, phương pháp viết bài báo khoa học và phương pháp tổng hợp tri thức trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Đại học Khoa học – Đại học Huế đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án, xin cảm ơn tập thể thầy cô giáo Khoa Công nghệ thông tin của Trường đã giúp đỡ và động viên, đóng góp các ý kiến quí giá để hoàn thiện công trình nghiên cứu này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cơ quan công tác, tất cả người thân, bạn bè và những người xung quanh luôn chia sẻ, động viên trong những lúc khó khăn. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đối với cha mẹ và gia đình đã luôn ủng hộ, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh Võ Hoàng Liên Minh ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. vi DANH MỤC THUẬT NGỮ ................................................................................... viii DANH MỤC KÝ HIỆU ............................................................................................ ix DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ xi DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... xiv PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CƠ SỞ DỮ LIỆU MỨC KHÁI NIỆM VÀ ONTOLOGY ........................................................................................................6 1.1 Giới thiệu các mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm .....................................7 1.1.1 Mô hình ER .............................................................................................7 1.1.2 Mô hình ER mở rộng ..............................................................................9 1.1.3 Giới thiệu mô hình TimeER .................................................................12 1.1.4 Biểu đồ lớp UML ..................................................................................13 1.2 Giới thiệu về Web ngữ nghĩa và Ontology ...................................................17 1.2.1 Thể hiện ................................................................................................17 1.2.2 Lớp ........................................................................................................17 1.2.3 Thuộc tính .............................................................................................18 1.2.4 Quan hệ .................................................................................................18 1.2.5 Ngôn ngữ của ontology.........................................................................18 1.2.6 RDF Schema .........................................................................................19 1.2.7 Ngôn ngữ OWL ....................................................................................19 1.2.8 OWL2 ...................................................................................................23 1.2.9 Trình soạn thảo ontology ......................................................................27 1.3 Tổng quan về các nghiên cứu chuyển đổi các mô hình ................................27 iii
1.3.1 Các kết quả đề xuất chuyển đổi mô hình thực thể - mối quan hệ sang OWL 27 1.3.2 Các kết quả đề xuất chuyển đổi biểu đồ lớp UML sang OWL.............30 1.3.3 Các kết quả đề xuất trích xuất mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm từ OWL 34 1.4 Tổng kết chương 1 ........................................................................................35 CHƯƠNG 2. CHUYỂN ĐỔI MÔ HÌNH THỰC THỂ - MỐI QUAN HỆ SANG OWL ..........................................................................................................................37 2.1 Giới thiệu .......................................................................................................37 2.2 Các nghiên cứu trước đây .............................................................................38 2.2.1 Chuyển đổi tập thực thể ........................................................................39 2.2.2 Chuyển đổi mối quan hệ kế thừa (Is-A) ...............................................39 2.2.3 Chuyển đổi thuộc tính ...........................................................................42 2.2.4 Chuyển đổi mối quan hệ .......................................................................46 2.3 Các quy tắc chuyển đổi bổ sung....................................................................49 2.3.1 Chuyển đổi thực thể yếu và mối quan hệ định danh.............................49 2.3.2 Chuyển đổi thuộc tính đa trị phức hợp lồng nhau ................................51 2.3.3 Chuyển đổi mối quan hệ phản xạ .........................................................54 2.4 Chuyển đổi mô hình TimeER sang OWL .....................................................62 2.4.1 Tạo ontology ban đầu biểu diễn yếu tố thời gian .................................63 2.4.2 Chuyển đổi tập thực thể có yếu tố thời gian .........................................64 2.4.3 Chuyển đổi thuộc tính có yếu tố thời gian ............................................66 2.4.4 Chuyển đổi mối quan hệ có yếu tố thời gian ........................................67 2.4.5 Chuyển đổi thuộc tính có yếu tố thời gian của mối quan hệ ................68 2.5 Kết quả thực nghiệm .....................................................................................71 2.6 Tổng kết chương 2 ........................................................................................78 CHƯƠNG 3. CHUYỂN ĐỔI BIỂU ĐỒ LỚP UML SANG OWL .........................79 3.1 Các nghiên cứu trước đây .............................................................................79 3.1.1 Chuyển đổi lớp ......................................................................................80 3.1.2 Chuyển đổi thuộc tính ...........................................................................81 3.1.3 Chuyển đổi quan hệ giữa các lớp ..........................................................83 iv
3.2 Các quy tắc chuyển đổi bổ sung....................................................................89 3.2.1 Chuyển đổi thuộc tính có cấu trúc ........................................................89 3.2.2 Chuyển đổi quan hệ kết hợp phản xạ ....................................................90 3.2.3 Chuyển đổi quan hệ kết tập chia sẻ ......................................................92 3.2.4 Chuyển đổi quan hệ kết hợp có yếu tố hạn định...................................93 3.3 Kết quả thực nghiệm .....................................................................................96 3.4 Tổng kết Chương 3 .....................................................................................100 CHƯƠNG 4. TRÍCH XUẤT MÔ HÌNH CƠ SỞ DỮ LIỆU MỨC KHÁI NIỆM TỪ OWL ONTOLOGY ................................................................................................102 4.1 Trích xuất mô hình EER từ OWL ...............................................................102 4.1.1 Các quy tắc trích xuất đã đề xuất ........................................................102 4.1.2 Các quy tắc trích xuất bổ sung ............................................................108 4.1.3 Thuật toán trích xuất mô hình EER ....................................................113 4.1.4 Ví dụ minh họa ...................................................................................115 4.2 Trích xuất biểu đồ lớp UML từ OWL .........................................................117 4.2.1 Trích xuất lớp ......................................................................................117 4.2.2 Trích xuất thuộc tính ...........................................................................117 4.2.3 Trích xuất quan hệ giữa các lớp ..........................................................119 4.2.4 Ví dụ minh họa ...................................................................................126 4.3 Tổng kết chương 4 ......................................................................................128 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................................129 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ........................131 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................132 v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ Nội dung viết tắt tiếng Diễn giải tiếng Việt viết Anh tắt BT BiTemporal Thời gian hợp lệ và thời gian giao tác CSDL Cơ sở dữ liệu LS LifeSpan Thời gian sống là thời gian mà một thực thể tồn tại trong thực tế. Lse LifeSpan end Thời gian sống kết thúc LSs LifeSpan start Thời gian sống bắt đầu LT Lifespan and Transaction Thời gian sống và thời gian giao tác time MDA Model Driven Architecture Kiến trúc hướng mô hình OCL Object Constraint Language Ngôn ngữ ràng buộc đối tượng Ngôn ngữ xây dựng mô hình phần mềm được định nghĩa như một chuẩn thêm vào UML cho phân tích và thiết kế hướng đối tượng. ODM Ontology Definition Đặc tả của Object Management Group Metamodel (OMG) để tạo ra các khái niệm về kiến trúc hướng mô hình có thể áp dụng cho việc xây dựng ontology. OWL Web Ontology Language Ngôn ngữ ontology QVT OMG's Bộ ngôn ngữ tiêu chuẩn để chuyển đổi mô Query/View/Transformation hình được xác định bởi Object Management Group. SASD Structured Analysis and Phân tích và thiết kế cấu trúc Structured Design TT Transaction Time Thời gian giao tác là thời gian mà một thực thể/sự kiện là hiện thời trong CSDL TTe Transaction Time end Thời gian kết thúc giao tác TTs Transaction Time start Thời gian bắt đầu giao tác UML Unified Modeling Language Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất VT Valid Time Thời gian hợp lệ là thời gian mà một sự kiện được xem là đúng trong thực tế. vi
VTe Valid Time end Thời gian kết thúc hợp lệ VTs Valid Time start Thời gian bắt đầu hợp lệ W3C World Wide Web Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế về World Wide Consortium Web. XMI XML Metadata Interchange Một chuẩn OMG cho việc trao đổi siêu dữ liệu metadata giữa các công cụ, kho dữ liệu và các ứng dụng, cho phép người dùng mô tả đối tượng bằng XML. vii
DANH MỤC THUẬT NGỮ Thuật ngữ Diễn giải tiếng Việt Close World Assumption Giả thiết thế giới đóng CSDL Cơ sở dữ liệu Data property Thuộc tính dữ liệu disjoint Phân ly Domain Miền xác định (của thuộc tính) Miền của một thuộc tính chỉ định tập hợp các đối tượng có thể liên quan đến các giá trị khác với thuộc tính. Object property Thuộc tính đối tượng Open World Assumption Giả thiết thế giới mở overlap Chồng lấp Range Phạm vi (của thuộc tính) Phạm vi của thuộc tính chỉ định tập hợp các đối tượng hoặc giá trị dữ liệu có thể liên quan đến từ các đối tượng khác với thuộc tính. viii
DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Diễn giải tiếng Việt attE Thuộc tính đơn trị attE của tập thực thể E. attU Thuộc tính attU của lớp U trong biểu đồ lớp UML. C(E) Lớp C(E) trong OWL, được chuyển đổi từ tập thực thể E của mô hình ER. C(U) Lớp C(U) trong OWL, được chuyển đổi từ lớp U của biểu đồ lớp UML. COWL Tập các lớp trong OWL DP(attE) Thuộc tính dữ liệu DP(attE) trong OWL, được chuyển đổi từ thuộc tính đơn trị attE của mô hình ER. DP(attU) Thuộc tính dữ liệu DP(attU) trong OWL, được chuyển đổi từ thuộc tính attU của biểu đồ lớp UML. DP_attEOWL Tập các thuộc tính dữ liệu trong OWL. E Tập thực thể mạnh E của mô hình ER. ER Mô hình ER mở rộng để thực hiện chuyển đổi (đầu vào của thuật toán). fileER, Là các file xml mô tả cho các mô hình EER, biểu đồ lớp UML và fileUML, OWL ontology fileOWL keyE Thuộc tính khóa keyE của tập thực thể E. OP_attEOWL Tập các thuộc tính đối tượng trong OWL OWL OWL ontology (đầu ra của thuật toán). Q Yếu tố hạn định Q trong quan hệ kết hợp giữa lớp tổng thể A với lớp bộ phận F R Mối quan hệ nhị nguyên R của mô hình ER. R Quan hệ R trong biểu đồ lớp UML. role Vai trò của quan hệ trong biểu đồ lớp UML sub_attU Thuộc tính thuộc tính thành phần sub_attU là con thuộc tính attU của lớp U trong biểu đồ lớp UML. sub_E Tập thực thể sub_E kế thừa từ tập thực thể E TimeER Mô hình có yếu tố thời gian TimeER để thực hiện chuyển đổi (đầu vào của thuật toán). ix
U Lớp U của biểu đồ lớp UML. UML Biểu đồ lớp UML để thực hiện chuyển đổi (đầu vào của thuật toán). UML Biểu đồ lớp UML để thực hiện chuyển đổi (đầu vào của thuật toán). W Tập thực thể yếu W. x
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biểu diễn lớp cha và lớp con trong mô hình EER ...................................9 Hình 1.2 Ký hiệu chuyên biệt hóa và các lớp con trong mô hình EER ................10 Hình 1.3 Ví dụ hai tập thực thể CAR và TRUCK ................................................11 Hình 1.4 Ví dụ tổng quát hoá................................................................................12 Hình 1.5 Ví dụ về vai trò trong quan hệ ...............................................................15 Hình 1.6 Ví dụ về quan hệ tổng quát hóa .............................................................15 Hình 1.7 Ví dụ về quan hệ kết hợp .......................................................................16 Hình 1.8 Ví dụ về quan hệ kết tập thông thường ..................................................16 Hình 1.9 Ví dụ về quan hệ kết tập chia sẻ ............................................................16 Hình 1.10 Biểu diễn thuộc tính kiểu dữ liệu name của lớp StaffMember ............22 Hình 1.11 Biểu diễn thuộc tính đối tượng isTaughtBy.........................................22 Hình 2.1 Kiến trúc các bước chuyển đổi từ mô hình CSDL mức khái niệm sang OWL ..........................................................................................................................38 Hình 2.2 Chuyển đổi tập thực thể con trong mối quan hệ kế thừa. ......................39 Hình 2.3 Chuyển đổi ràng buộc phân ly trong cấu trúc chuyên biệt hóa/tổng quát hóa .............................................................................................................................40 Hình 2.4 Chuyển đổi tập thực thể con trong ràng buộc phân ly trong cấu trúc Chuyên biệt hóa/Tổng quát hóa ................................................................................40 Hình 2.5 Chuyển đổi tập thực thể con trong ràng buộc chồng lấp trong cấu trúc Chuyên biệt hóa/Tổng quát hóa ................................................................................41 Hình 2.6 Ví dụ chuyển đổi ràng buộc chồng lấp trong cấu trúc Chuyên biệt hóa/Tổng quát hóa .....................................................................................................41 Hình 2.7 Chuyển đổi tập thực thể Employee và thuộc tính. .................................44 Hình 2.8 Ví dụ chuyển đổi thuộc tính đa trị .........................................................45 Hình 2.9 Ví dụ chuyển đổi thuộc tính phức hợp ..................................................45 Hình 2.10 Ví dụ chuyển đổi mối quan hệ không có thuộc tính ............................46 Hình 2.11 Ví dụ chuyển đổi mối quan hệ nhị nguyên có thuộc tính. ...................48 Hình 2.12 Chuyển đổi tập thực thể yếu và mối quan hệ định danh. .....................50 Hình 2.13 Ví dụ thuộc tính đa trị phức hợp lồng nhau .........................................51 Hình 2.14 Kết quả chuyển đổi thuộc tính đa trị phức hợp lồng nhau sang OWL 53 xi
Hình 2.15 Ví dụ biểu diễn mối quan hệ phản xạ đối xứng bằng đồ thị có hướng G ...................................................................................................................................55 Hình 2.16 Các loại mối quan hệ phản xạ và ví dụ các kiểu mối quan hệ phản xạ trên tập thực thể Employee........................................................................................55 Hình 2.17 Ví dụ chuyển đổi mối quan hệ phản xạ đối xứng không có thuộc tính ...................................................................................................................................57 Hình 2.18 Ví dụ chuyển đổi mối quan hệ phản xạ đối xứng có thuộc tính ..........58 Hình 2.19 Ví dụ chuyển đổi mối quan hệ phản xạ bất đối xứng không có thuộc tính. ............................................................................................................................59 Hình 2.20 Ví dụ chuyển đổi mối quan hệ phản xạ bất đối xứng có thuộc tính ....60 Hình 2.21 Ví dụ mô hình TimeER........................................................................63 Hình 2.22 Ontology biểu diễn yếu tố thời gian ....................................................64 Hình 2.23 Chuyển đổi yếu tố thời gian của tập thực thể ......................................65 Hình 2.24 Chuyển đổi thuộc tính có yếu tố thời gian của tập thực thể ................66 Hình 2.25 Chuyển đổi mối quan hệ có yếu tố thời gian .......................................68 Hình 2.26 Chuyển đổi thuộc tính có yếu tố thời gian của mối quan hệ ...............69 Hình 2.27 So sánh hiệu suất chuyển đổi giữa các phương pháp trên mô hình thư mục trích dẫn .............................................................................................................73 Hình 2.28 So sánh hiệu suất chuyển đổi giữa các phương pháp trên mô hình Elmasri ......................................................................................................................73 Hình 2.29 Mô hình EER của Elmasri ...................................................................75 Hình 2.30 Mô hình OWL chuyển đổi từ Hình 2.29..............................................76 Hình 2.31 Giao diện ứng dụng chuyển đổi mô hình Elmasri sang OWL ontology ...................................................................................................................................77 Hình 3.1 Ví dụ biểu đồ lớp UML .........................................................................80 Hình 3.2 Ví dụ chuyển đổi thuộc tính và thuộc tính có cấu trúc của lớp đối tượng ...................................................................................................................................81 Hình 3.3 Ví dụ chuyển đổi kiểu dữ liệu liệt kê .....................................................82 Hình 3.4 Ví dụ chuyển đổi quan hệ kết hợp và thuộc tính có kiểu dữ liệu là lớp 84 Hình 3.5 Ví dụ chuyển đổi quan hệ kết hợp có lớp kết hợp .................................85 Hình 3.6 Ví dụ kết tập thông thường ....................................................................86 Hình 3.7 Chuyển đổi quan hệ phụ thuộc ..............................................................87 Hình 3.8 Ví dụ chuyển đổi quan hệ tổng quát hóa/chuyên biệt hóa .....................89 Hình 3.9 Ví dụ chuyển đổi mối quan hệ phản xạ đối xứng ..................................91 xii
Hình 3.10 Ví dụ chuyển đổi mối quan hệ đệ quy bất đối xứng ............................91 Hình 3.11 Ví dụ chuyển đổi quan hệ kết tập chia sẻ ............................................93 Hình 3.12 Ví dụ chuyển đổi quan hệ kết hợp có yếu tố hạn định ........................94 Hình 3.13 So sánh hiệu suất chuyển đổi trên biểu đồ lớp UML Purchase Order Application ................................................................................................................97 Hình 3.14 So sánh hiệu suất chuyển đổi trên biểu đồ lớp UML Elmasri .............98 Hình 3.15 Kết quả chuyển đổi trên OntoGraf.......................................................98 Hình 3.16 Mô hình OWL chuyển đổi từ Hình 3.1 ...............................................99 Hình 3.17 Một phần kết quả OWL2 chuyển đổi từ biểu đồ lớp ở Hình 3.1 ......100 Hình 4.1. Trích xuất thuộc tính đơn trị ...............................................................103 Hình 4.2. Trích xuất thuộc tính đa trị Location ..................................................105 Hình 4.3. Trích xuất thành mối quan hệ nhị nguyên 1-1 ....................................107 Hình 4.4. Trích xuất thành thuộc tính phức hợp .................................................109 Hình 4.5. Trích xuất mối quan hệ phản xạ đối xứng ..........................................110 Hình 4.6. Trích xuất mối quan hệ phản xạ bất đối xứng ....................................112 Hình 4.7. Sơ đồ phân tích các khả năng nhận dạng thành mô hình EER ...........113 Hình 4.8 Mô hình EER trích xuất .......................................................................116 Hình 4.9. Ví dụ biểu diễn quan hệ kết hợp với bản số 1..N ...............................121 Hình 4.10. Quan hệ tổng quát hóa/chuyên biệt hóa............................................122 Hình 4.11. Quan hệ kế thừa bội ..........................................................................123 Hình 4.12. Quan hệ phụ thuộc ............................................................................124 Hình 4.13. Sơ đồ phân tích các khả năng nhận dạng thành biểu đồ lớp UML ...124 Hình 4.14 Biểu đồ lớp UML trích xuất ..............................................................127 xiii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bản số trong UML .................................................................................15 Bảng 1.2 Các cú pháp áp dụng cho lớp ................................................................20 Bảng 1.3 Ý nghĩa một số cú pháp ràng buộc trong OWL ....................................21 Bảng 1.4 Các kiểu thuộc tính đối tượng trong OWL............................................22 Bảng 2.1 Cặp thuộc tính thêm vào khi chuyển đổi thuộc tính đa trị phức hợp lồng nhau ...........................................................................................................................52 Bảng 2.2 Các thuộc tính khóa tương ứng với yếu tố thời gian .............................65 Bảng 2.3 Các cơ sở dữ liệu được thực nghiệm trong luận án...............................71 Bảng 3.1 Các cơ sở dữ liệu được thực nghiệm trong luận án...............................96 Bảng 4.1 Bản số của thuộc tính đối tượng OP giữa hai lớp ...............................107 Bảng 4.2 Cấu trúc trích xuất tổng quát hóa/chuyên biệt hóa ..............................108 Bảng 4.3 Các trường hợp chuyển đổi quan hệ tổng quát hóa/chuyên biệt hóa ..122 xiv
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Ngành công nghệ phần mềm đã có nhiều đột phá quan trọng trong việc thiết kế các mô hình cơ sở dữ liệu, đặc biệt là mô hình ở mức khái niệm. Về cơ bản, thiết kế các mô hình cơ sở dữ liệu dựa trên ý tưởng của kiến trúc hướng mô hình (MDA). Các chức năng hệ thống sẽ được định nghĩa như là một mô hình nền độc lập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đặc tả thích hợp, sau đó chuyển đổi sang các mô hình cuối để thực hiện việc cài đặt. Mô hình dữ liệu mức khái niệm được sử dụng để biểu diễn các đối tượng trong thế giới thực và mối quan hệ giữa các đối tượng đó. Do đặc điểm phản ảnh tốt thế giới thực, mô hình thực thể - mối quan hệ (mô hình ER) và các mở rộng của nó được xem là các mô hình dữ liệu ở mức khái niệm. Ngoài ra, để mô hình hóa các hệ thống thông tin bằng tập các thuộc tính và các phương thức nhằm phản ảnh cấu trúc dữ liệu của lớp, thì biểu đồ lớp UML cũng là một trong những mô hình dữ liệu ở mức khái niệm được sử dụng để mô tả và phản ảnh tốt thế giới thực của các hệ thống thông tin. Theo W3C, thông tin được cung cấp bởi các trang web chiếm gần 70% lượng thông tin trao đổi trên toàn thế giới. Web đã trở thành một hệ thống dữ liệu khổng lồ và là một môi trường chuyển tải thông tin không thể thiếu được trong thời đại ngày nay. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để khai thác được thông tin trên Web một cách hiệu quả, mà cụ thể là làm sao để máy tính có thể hiểu và hỗ trợ con người xử lý tự động được các thông tin đó. Chính vì vậy, Web ngữ nghĩa đã ra đời, trong đó thông tin được định nghĩa rõ ràng, từ đó giúp cho con người và máy tính có thể cùng làm việc với nhau một cách hiệu quả. Ontology là một thuật ngữ khoa học dùng để mô tả các loại thực thể trong thế giới thực và mối quan hệ giữa các thực thể đó như thế nào. Ontology cung cấp cách thức để con người và máy đều có thể nhận biết được các thông tin, nhờ đó cải thiện hệ thống tương tác hai chiều và chia sẻ kiến thức, từ đó giúp con người và máy tính có thể cùng làm việc, giúp máy tính “hiểu” và có khả năng xử lý thông tin hiệu quả. Một lợi ích quan trọng của việc sử dụng ontology là khả năng tìm kiếm ngữ nghĩa. 1
Vì vậy, W3C thiết kế OWL là một ngôn ngữ mô tả các lớp, các thuộc tính và các mối quan hệ giữa các đối tượng theo cách mà máy có thể hiểu được nội dung web. Tuy nhiên, hầu hết dữ liệu đã được mô hình hóa và lưu trữ trong các cơ sở dữ liệu truyền thống (CSDL quan hệ, đối tượng), nên các dữ liệu đó nằm ngoài khả năng của nhiều ứng dụng của web ngữ nghĩa. Với sự phát triển của web ngữ nghĩa như hiện nay, việc tích hợp các ứng dụng web hiện tại vào web ngữ nghĩa đang trở nên là vấn đề cấp thiết. Ngoài ra, việc thiết kế cơ sở dữ liệu cho các ứng dụng hiện tại thường được thiết kế từ mô hình dữ liệu mức khái niệm, trong khi web ngữ nghĩa lại chủ yếu được xây dựng trên các ontology được biểu diễn bằng OWL. Vì thế, việc nâng cấp một hệ thống thông tin bằng cách chuyển đổi các mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm sang ontology cho phép kế thừa các cấu trúc dữ liệu trên các hệ thống cũ nhằm giảm chi phí trong việc thiết kế là có ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn. 2. Động lực nghiên cứu Web ngữ nghĩa là một lĩnh vực đang phát triển rất nhanh và nhận được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu trong thời gian qua. Để nâng cấp các hệ thống thông tin trước đây trên nền web ngữ nghĩa nhằm kế thừa các kiến trúc dữ liệu trên các hệ thống cũ, giải pháp ít tốn kém chi phí nhất là chuyển đổi mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm đã có sang ontology. Đã có nhiều công trình nghiên cứu đề xuất việc chuyển đổi giữa mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm và ontology như: chuyển đổi mô hình ER sang OWL ontology, chuyển đổi biểu đồ lớp UML sang OWL ontology, chuyển đổi từ OWL ontology sang mô hình ER... Trong các nghiên cứu đã công bố, các tác giả chỉ mới đề xuất chuyển đổi các trường hợp chung của mô hình mức khái niệm và OWL ontology. Nhưng thực tế, nhiều hệ thống thông tin được thiết kế để đảm bảo phản ảnh đúng bản chất của thế giới thực, với nhiều thành phần mở rộng. Nếu áp dụng các quy tắc chuyển đổi của các nghiên cứu trước đây sẽ không chuyển đổi đầy đủ các mô hình. Vì vậy, chúng ta nhận thấy rằng, đề xuất bộ quy tắc đầy đủ để chuyển đổi các thành phần của mô hình mức khái niệm và OWL ontology là một vấn đề quan trọng trong việc nâng cấp các hệ thống thông tin cũ. 3. Mục tiêu của luận án 2
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu và phát triển các phương pháp chuyển đổi giữa một mô hình dữ liệu mức khái niệm (như mô hình ER, EER, biểu đồ lớp UML) và OWL. Vì vậy luận án thực hiện các mục tiêu cụ thể gồm: (1) chuyển đổi mô hình thực thể - mối quan hệ sang OWL ontology; (2) chuyển đổi biểu đồ lớp UML sang OWL ontology; (3) trích xuất mô hình dữ liệu mức khái niệm từ OWL ontology. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm kiếm, thu thập tài liệu về các công trình nghiên cứu đã được công bố, các bài báo đăng ở các hội thảo và tạp chí có uy tín để nghiên cứu, từ đó bổ sung các quy tắc và phương pháp chuyển đổi giữa một mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm và ontology. Trên cơ sở này, luận án phân tích, đánh giá ưu và khuyết điểm của các đề xuất. Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện việc cài đặt các thuật toán chuyển đổi của luận án nhằm minh chứng tính khả thi của phương pháp chuyển đổi. 5. Nội dung và bố cục của luận án Nội dung của luận án được tổ chức thành bốn chương như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về các mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm như mô hình thực thể - mối quan hệ, biểu đồ lớp UML, khái niệm web ngữ nghĩa và ngôn ngữ OWL ontology; khảo sát, phân tích một số công trình nghiên cứu liên quan đến bài toán chuyển đổi giữa mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm và OWL ontology; phân tích chi tiết các đặc điểm tương đương giữa mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm và OWL ontology; Từ đó luận án định hướng bổ sung các quy tắc chuyển đổi giữa một mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm và OWL ontology. Chương 2 tổng hợp và phân tích kết quả chuyển đổi giữa mô hình ER, EER và OWL ontology của một số công trình nghiên cứu, quy tắc hóa thống nhất các quy tắc chuyển đổi theo quy ước của luận án; đề xuất các quy tắc bổ sung chuyển đổi các thành phần của mô hình EER sang OWL ontology; trình bày kết quả thực nghiệm được kiểm chứng trên phần mềm Protégé và các bộ suy luận HermiT 1.3.8.3, FaCT+++. Chương 3 tổng hợp và phân tích kết quả chuyển đổi giữa biểu đồ lớp UML và OWL ontology của một số công trình nghiên cứu, quy tắc hóa thống nhất các quy tắc 3
chuyển đổi theo quy ước của luận án; đề xuất bổ sung các quy tắc chuyển đổi một biểu đồ lớp UML sang OWL ontology dựa vào các đặc điểm tương đồng giữa biểu đồ lớp UML và OWL ontology; kết quả thực nghiệm cũng được kiểm chứng trên Protégé và các bộ suy luận. Chương 4 đề xuất các quy tắc trích xuất một mô hình dữ liệu mức khái niệm từ một ontology cho trước; trích xuất các thành phần của mô hình mức khái niệm bằng cách phân tích cấu trúc thành phần của ngôn ngữ OWL ontology. Vấn đề trích xuất một mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm từ OWL ontology được xem là việc xác định một ánh xạ ngược của ánh xạ chuyển đổi từ mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm sang ontology, cho phép "điều tra" một mô hình dữ liệu mức khái niệm có thể đã được sử dụng để thiết kế một ontology. Mỗi phương pháp trích xuất đều được minh họa để kiểm chứng kết quả. 6. Đóng góp của luận án Đóng góp chính trong luận án là bổ sung các quy tắc nhằm cho phép thực hiện việc chuyển đổi giữa một mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm và OWL ontology. Các đóng góp cụ thể bao gồm: - Kế thừa các quy tắc chuyển đổi từ mô hình ER sang OWL ontology đã đề xuất như chuyển đổi tập thực thể, thuộc tính và mối quan hệ, từ đó luận án đã đề xuất bổ sung các quy tắc chuyển đổi phân lớp chồng lấp, tổng quát hợp nhất, thuộc tính đa trị phức hợp lồng nhau, quan hệ phản xạ. Luận án đề xuất bổ sung phương pháp chuyển đổi mô hình có yếu tố thời gian TimeER gồm các trường hợp, như yếu tố thời gian của tập thực thể, thuộc tính có yếu tố thời gian, mối quan hệ có yếu tố thời gian, thuộc tính có yếu tố thời gian của mối quan hệ. - Đề xuất bổ sung một số quy tắc chuyển đổi biểu đồ lớp UML sang OWL ontology, cụ thể là chuyển đổi thuộc tính có cấu trúc, thuộc tính có kiểu dữ liệu là lớp, các mối quan hệ kết hợp có lớp kết hợp, quan hệ kết hợp đệ quy, quan hệ kết hợp có yếu tố hạn định, quan hệ phụ thuộc. - Xây dựng phương pháp trích xuất OWL ontology thành mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm. Cụ thể là bổ sung phương pháp trích xuất thuộc tính phức hợp, mối 4