Luận án tiến sĩ: Chuyển đổi giữa mô hình mức khái niệm và ontology - Võ Hoàng Liên Minh, Đại học Huế 2021

Khám phá quy trình chuyển đổi mô hình khái niệm sang ontology, một phương pháp quan trọng trong nghiên cứu khoa học máy tính, tối ưu hóa biểu diễn tri thức.

• Tác giả: Võ Hoàng Liên Minh
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Quang
• Trường học: Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
• Chuyên ngành: Khoa học Máy tính
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi giữa mô hình mức khái niệm và ontology
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Huế

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp chuyển đổi mô hình mức khái niệm và ontology

Phương pháp chuyển đổi giữa mô hình mức khái niệm và ontology là chủ đề nghiên cứu trọng tâm trong lĩnh vực khoa học máy tính hiện đại. Mô hình mức khái niệm bao gồm các công cụ thiết kế như mô hình thực thể - mối quan hệ (ER), mô hình ER mở rộng (EER), biểu đồ lớp UML và mô hình TimeER. Ontology, được biểu diễn qua ngôn ngữ OWL, đóng vai trò quan trọng trong Web ngữ nghĩa và trí tuệ nhân tạo. Nhu cầu chuyển đổi giữa hai loại mô hình này ngày càng cấp thiết. Hệ thống thông tin truyền thống sử dụng mô hình mức khái niệm để thiết kế cơ sở dữ liệu. Trong khi đó, các ứng dụng Web ngữ nghĩa đòi hỏi ontology. Việc chuyển đổi tự động giúp tiết kiệm thời gian và giảm sai sót. Nghiên cứu này đề xuất các quy tắc chuyển đổi toàn diện. Các quy tắc đảm bảo bảo toàn ngữ nghĩa giữa hai mô hình. Kết quả nghiên cứu có giá trị cả về lý thuyết lẫn thực tiễn.

1.1. Mô hình mức khái niệm trong thiết kế cơ sở dữ liệu

Mô hình mức khái niệm là công cụ quan trọng trong thiết kế hệ thống thông tin. Mô hình thực thể - mối quan hệ (ER) do Peter Chen đề xuất năm 1976 được sử dụng rộng rãi. Mô hình ER mở rộng (EER) bổ sung thêm khái niệm thực thể yếu, thuộc tính đa trị và quan hệ kế thừa. Biểu đồ lớp UML cung cấp cách mô tả trực quan với lớp, thuộc tính và phương thức. Mô hình TimeER mở rộng thêm yếu tố thời gian. Các mô hình này giúp nhà phát triển hiểu rõ cấu trúc dữ liệu trước khi triển khai hệ thống.

1.2. Ontology và vai trò trong Web ngữ nghĩa

Ontology là phương thức mô hình hóa tri thức trong lĩnh vực Web ngữ nghĩa. Ontology sử dụng ngôn ngữ OWL (Web Ontology Language) để biểu diễn khái niệm, thuộc tính và quan hệ. OWL có ba phiên bản chính: OWL Lite, OWL DL và OWL Full. Công cụ soạn thảo ontology phổ biến là Protégé. Ontology cho phép suy luận tự động dựa trên logic mô tả. Hệ thống dựa trên ontology có khả năng tìm kiếm ngữ nghĩa và tích hợp dữ liệu thông minh. Đây là nền tảng cho các ứng dụng trí tuệ nhân tạo hiện đại.

II. Phân tích vấn đề chuyển đổi mô hình mức khái niệm sang ontology

Quá trình chuyển đổi mô hình mức khái niệm sang ontology gặp nhiều thách thức phức tạp. Sự khác biệt về mặt khái niệm giữa hai loại mô hình là rào cản chính. Mô hình ER tập trung vào cấu trúc dữ liệu và ràng buộc toàn vẹn. Ontology nhấn mạnh vào tri thức và khả năng suy luận logic. Các nghiên cứu trước đây đã đề xuất nhiều phương pháp chuyển đổi khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết chỉ xử lý được các trường hợp cơ bản. Các trường hợp phức tạp thường bị bỏ qua hoặc xử lý chưa triệt để. Thực thể yếu và mối quan hệ định danh chưa được chuyển đổi đầy đủ. Thuộc tính đa trị phức hợp lồng nhau thiếu quy tắc chuyển đổi rõ ràng. Quan hệ phản xạ và quan hệ đệ quy cũng chưa được đề xuất chi tiết. Mô hình có yếu tố thời gian đòi hỏi cách tiếp cận đặc biệt. Nghiên cứu cần xây dựng bộ quy tắc toàn diện hơn. Các quy tắc mới phải đảm bảo tính đầy đủ và bảo toàn ngữ nghĩa.

2.1. Hạn chế của các phương pháp chuyển đổi hiện có

Các phương pháp chuyển đổi hiện tại tồn tại nhiều hạn chế đáng kể. Phương pháp chuyển đổi từ ER sang OWL chỉ xử lý thực thể, thuộc tính và quan hệ cơ bản. Các trường hợp đặc biệt như thực thể yếu, quan hệ định danh bị bỏ qua. Phương pháp chuyển đổi từ UML sang OWL chưa đề cập đến thuộc tính có kiểu dữ liệu là lớp. Quan hệ kết hợp có lớp kết hợp cũng thiếu quy tắc chuyển đổi. Các nghiên cứu về TimeER sang OWL rất hạn chế. Sự thiếu hụt này tạo khoảng trống lớn trong lĩnh vực nghiên cứu.

2.2. Khoảng trống nghiên cứu về chuyển đổi mô hình thời gian

Mô hình thời gian như TimeER đặt ra thách thức đặc biệt cho quá trình chuyển đổi. TimeER mở rộng mô hình ER bằng cách thêm các chiều thời gian. Thời gian sống, thời gian hợp lệ và thời gian giao tác cần được biểu diễn chính xác. Các nghiên cứu hiện tại chưa có phương pháp chuyển đổi toàn diện từ TimeER sang ontology. Việc bảo toàn ngữ nghĩa thời gian trong ontology đòi hỏi cách tiếp cận sáng tạo. OWL cần các cơ chế mở để biểu diễn đầy đủ thông tin thời gian. Khoảng trống nghiên cứu này cần được lấp đầy bằng các quy tắc chuyển đổi mới.

III. Đề xuất giải pháp chuyển đổi mô hình mức khái niệm sang ontology

Nghiên cứu đề xuất bộ quy tắc chuyển đổi toàn diện từ mô hình mức khái niệm sang ontology. Phương pháp tiếp cận dựa trên phân tích sự tương đồng và khác biệt giữa hai loại mô hình. Quy tắc chuyển đổi từ ER sang OWL xử lý đầy đủ các thành phần cơ bản. Tập thực thể chuyển đổi thành class trong ontology. Thuộc tính được ánh xạ thành datatype property hoặc object property. Quan hệ kế thừa (Is-A) sử dụng cơ chế subClassOf của OWL. Đối với các trường hợp phức tạp, nghiên cứu đưa ra giải pháp mới. Thực thể yếu và mối quan hệ định danh được xử lý bằng pattern đặc biệt. Thuộc tính đa trị phức hợp lồng nhau sử dụng cấu trúc phức tạp trong OWL. Quan hệ phản xạ được biểu diễn bằng axioms reflexivity. Mô hình TimeER đòi hỏi ontology mở rộng với các class thời gian riêng biệt. Mỗi chiều thời gian được ánh xạ thành property chuyên biệt.

3.1. Quy tắc chuyển đổi từ mô hình ER và EER sang OWL

Quy tắc chuyển đổi từ mô hình ER/EER sang OWL được xây dựng hệ thống. Thực thể chuyển đổi thành OWL Class với đầy đủ thuộc tính. Thuộc tính đơn giản trở thành DatatypeProperty liên kết với class. Thuộc tính đa trị được xử lý bằng cardinality restriction. Quan hệ nhị nguyên chuyển đổi thành ObjectProperty giữa hai class. Quan hệ kế thừa sử dụng rdfs:subClassOf để bảo toàn tính kế thừa. Thực thể yếu được biểu diễn bằng class riêng với existential restriction. Mối quan hệ định danh ánh xạ thành property có functional characteristic. Mỗi quy tắc đi kèm ví dụ minh họa cụ thể.

3.2. Mở rộng phương pháp cho mô hình UML và TimeER

Phương pháp chuyển đổi được mở rộng cho biểu đồ lớp UML và mô hình TimeER. UML Class chuyển đổi thành OWL Class tương tự như thực thể ER. Phương thức trong UML được biểu diễn bằng SWRL rules trong ontology. Quan hệ kết tập trong UML sử dụng object property với domain và range rõ ràng. Quan hệ kết hợp có lớp kết hợp đòi hỏi pattern phức tạp hơn. Đối với TimeER, mỗi chiều thời gian tạo thành ontology riêng biệt. Thông tin thời gian được tích hợp vào ontology chính qua property annotation. Giải pháp này đảm bảo tính mô-đun và dễ bảo trì.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của phương pháp chuyển đổi

Nghiên cứu đã đề xuất thành công bộ quy tắc chuyển đổi toàn diện giữa mô hình mức khái niệm và ontology. Các quy tắc mới bổ sung những trường hợp còn thiếu trong nghiên cứu trước. Quá trình chuyển đổi đảm bảo bảo toàn ngữ nghĩa ở mức cao nhất. Kết quả nghiên cứu có giá trị lý thuyết quan trọng. Bộ quy tắc cung cấp nền tảng cho việc xây dựng công cụ chuyển đổi tự động. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp rất đa dạng. Doanh nghiệp có thể tái sử dụng thiết kế cơ sở dữ liệu hiện có cho ứng dụng Web ngữ nghĩa. Việc tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn trở nên dễ dàng hơn. Hệ thống trí tuệ nhân tạo có thể khai thác ontology được chuyển đổi. Giáo dục và đào tạo cũng hưởng lợi từ kết quả nghiên cứu này. Sinh viên hiểu rõ hơn sự liên kết giữa mô hình truyền thống và công nghệ mới. Tương lai, nghiên cứu có thể mở rộng cho các loại mô hình khác nhau.

4.1. Đóng góp khoa học của luận án tiến sĩ 2021

Luận án tiến sĩ năm 2021 của Võ Hoàng Liên Minh có nhiều đóng góp quan trọng. Đóng góp thứ nhất là bộ quy tắc chuyển đổi từ ER/EER sang OWL đầy đủ nhất. Đóng góp thứ hai là phương pháp xử lý mô hình TimeER chưa từng được đề xuất. Đóng góp thứ ba là phân tích so sánh chi tiết giữa các loại mô hình. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Khoa học - Đại học Huế dưới hướng dẫn của PGS. Hoàng Hữu Hạnh. Kết quả được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín. Công trình tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

4.2. Triển vọng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Phương pháp chuyển đổi mô hình mức khái niệm và ontology có triển vọng phát triển rộng lớn. Công cụ chuyển đổi tự động dựa trên kết quả nghiên cứu có thể được xây dựng. Tích hợp với hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu hiện đại là hướng đi tiềm năng. Ứng dụng trong lĩnh vực IoT và dữ liệu lớn ngày càng cần thiết. Nghiên cứu có thể mở rộng cho các ontology domain-specific như y tế, giáo dục. Cộng đồng Web ngữ nghĩa toàn cầu có thể áp dụng kết quả này. Sự phát triển của trí tuệ nhân tạo sẽ thúc đẩy nhu cầu chuyển đổi mô hình tăng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 3 nghiệm được kiểm chứng trên phần mềm Protégé và các bộ suy luận HermiT 1. 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 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. 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 4 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 quan hệ phản xạ của mô hình ER từ OWL ontology.

Đề xuất phương pháp trích xuất các lớp, thuộc tính và các mối quan hệ của biểu đồ lớp UML từ OWL ontology. Luận án được hoàn thành nhưng không tránh những sai sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý để Luận án được hoàn thiện hơn. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CƠ SỞ DỮ LIỆU MỨC KHÁI NIỆM VÀ ONTOLOGY Mô hình cơ sở dữ liệu là một tập hợp các cấu trúc logic được sử dụng để diễn tả cấu trúc dữ liệu và các mối quan hệ dữ liệu trong một cơ sở dữ liệu. Mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm tập trung vào bản chất logic của việc biểu diễn dữ liệu.

Do đó, mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm liên quan tới các đối tượng được biểu diễn trong cơ sở dữ liệu hơn là làm thế nào để biểu diễn nó. Một trong những phương pháp thiết kế cơ sở dữ liệu phổ biến là cách tiếp cận xuất phát từ mô hình ở mức khái niệm. Quá trình này thường được thực hiện như sau: Từ yêu cầu của bài toán trong thế giới thực, người phân tích thiết kế hệ thống sẽ thiết kế CSDL ở mức khái niệm (lược đồ ở mức khái niệm), từ đó thiết kế CSDL ở mức logic (lược đồ ở mức logic) và cuối cùng là thiết kế CSDL ở mức vật lý (lược đồ ở mức vật lý). Nhiều hệ thống phần mềm trước đây được phát triển bằng cách phân tích và thiết kế cấu trúc, phổ biến nhất là mô hình thực thể mối - quan hệ (gọi tắt là mô hình ER) hoặc mô hình ER mở rộng.

Bên cạnh đó, biểu đồ lớp UML cũng được sử dụng 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, cho phép mô tả và phản ảnh tốt thế giới thực. Trên thực tế, hầu hết các ứng dụng trước đây đều được thiết kế từ mô hình dữ liệu mức khái niệm. Vì vậy, có một khối lượng khổng lồ các tài nguyên thông tin trên mạng, điều này làm nảy sinh vấn đề là làm thế nào để tìm kiếm chính xác tài nguyên mình mong muốn. Web ngữ nghĩa ra đời đã giải quyết bài toán đó.

Để làm cơ sở cho luận án, chương này giới thiệu tổng quan về các mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm, web ngữ nghĩa và ontology. Đồng thời trình bày các kết quả nghiên cứu trước đây liên quan đến việc chuyển đổi giữa các mô hình CSDL mức khái niệm và OWL ontology. Theo đó cấu trúc chương này như sau: Mục 1.1 giới thiệu về các mô hình CSDL mức khái niệm, nhưng mô hình ER và ER mở rộng, biểu đồ lớp UML.2 sẽ giới thiệu về web ngữ nghĩa và ontology.3 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 6 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 trong các chương tiếp theo.1 Giới thiệu các mô hình cơ sở dữ liệu mức khái niệm 1.1 Mô hình ER Mô hình ER được đề xuất bởi P.Chen [ CITATION PCh76 \l 1033 ] vào năm 1976, đây là mô hình ở mức khái niệm, mô tả chi tiết một cách logic về tổ chức dữ liệu của một hệ thống thông tin. Mô hình ER còn được xem là một trong những mô hình dữ liệu ngữ nghĩa, trên đó có thể xác định được các thực thể của một hệ thống thông tin và ngữ nghĩa của mô hình được thể hiện thông qua mối quan hệ giữa các thực thể.1 Tập thực thể Thực thể là một đối tượng tồn tại mà ta có thông tin về nó và phân biệt được với các đối tượng khác.

Mỗi tập thực thể có một tập các thuộc tính mà thế giới thực yêu cầu lưu trữ và quản lý. Thông tin về mỗi thể hiện trong tập thực thể được xác định bởi một bộ các giá trị của các thuộc tính trong tập thực thể đó. Một thuộc tính hay một tập các thuộc tính mà các giá trị của nó là xác định duy nhất một thể hiện trong tập thực thể được gọi là khóa [ CITATION Elm15 \l 1033 ]. Tập thực thể yếu là một khái niệm về tập thực thể mà sự tồn tại của nó phụ thuộc vào sự tồn tại của một hay nhiều tập thực thể khác.

Tập thực thể mà nó phụ thuộc vào gọi là tập thực thể chủ. Tập thực thể yếu có tất cả các đặc điểm của một tập thực thể, tuy nhiên khóa của tập thực thể yếu được gọi là khóa bộ phận mà để định danh được thực thể của tập thực thể yếu cần kết hợp khóa bộ phận và khóa của tập thực thể chủ.2 Thuộc tính Thuộc tính là đặc tính của một thể hiện hay một mối quan hệ trên ER. Thuộc tính gồm: Thuộc tính đơn là thuộc tính không thể phân nhỏ được; Thuộc tính phức hợp là thuộc tính có thể phân thành nhiều thuộc tính thành phần; Thuộc tính đơn trị là thuộc tính chỉ có tối đa một giá trị cho một thể hiện của tập thực thể; Thuộc tính đa trị là thuộc tính có thể có nhiều giá trị cho một thể hiện của tập thực thể. Thuộc 7 tính khóa được sử dụng để xác định duy nhất một thực thể, đảm bảo thỏa điều kiện là một thuộc tính đơn, có thể chỉ có một giá trị, không thể null và phải khác biệt về giá trị.3 Mối quan hệ Để diễn tả số lần tham gia tối thiểu và tối đa của một thực thể vào một mối quan hệ người ta dùng bản số.

Bản số giúp xác định loại của mối quan hệ là 1:1, 1:N, N:1 hay N:N, tức là để xác định mỗi thể hiện của tập thực thể này có liên hệ với tối đa là bao nhiêu thể hiện của tập thực thể kia thông qua mối quan hệ. Mối quan hệ diễn tả sự liên quan giữa một hay nhiều thực thể với nhau và có thể được mô tả thông qua ngữ nghĩa thế giới thực. Giữa các tập thực thể có thể có nhiều mối quan hệ và số lượng các tập thực thể tham gia vào mối quan hệ được gọi là bậc/ngôi của mối quan hệ. Một mối quan hệ R có n tập thực thể tham gia E1, E2, …, En.

Khi đó, thể hiện của mối quan hệ R này là một tập con của tích Descartes E1  E2  …  En. Để diễn tả số lần tham gia tối thiểu và tối đa của một thực thể vào một mối quan hệ người ta dùng bản số.