科技知识组织体系(STKOS)相关工具集成服务系统的设计与实现*
方安1, 吴思竹1, 洪娜1, 钱力2, 王颖2, 胡佳慧1
1(中国医学科学院医学信息研究所 北京 100020)
2(中国科学院文献情报中心 北京 100190
方安, ORCID: 0000-0002-9526-9306, E-mail: fa.an@imicams.ac.cn

作者简介:方安: 提出集成框架研究思路, 设计系统研究方案, 起草、修订论文; 吴思竹: 设计系统研究方案, 起草、修改论文; 洪娜: 设计系统研究方案; 钱力, 王颖: 设计工作流研究方案; 胡佳慧: 系统测试, 起草、修改论文。

摘要
目的科技知识组织体系课题产出了大量知识组织相关工具, 为避免工具重复建设, 实现对这些工具的复用和共享。【应用背景】“面向外文科技文献信息的知识组织体系建设和应用示范”项目是国家“十二五”科技支撑计划项目, 构建了包含超级科技叙词表、本体、范畴在内的, 覆盖理、工、农、医的多层次知识组织体系。在科技知识组织体系建设过程中, 各课题组开发了大量知识组织相关工具。方法基于OSGi的Equinox实现框架搭建插件型知识组织工具集成服务系统。设计并实现插件自动封装流程, 利用文件和数据库相结合的方式存储工具和插件, 并提出基于jBPM工作流的插件组配机制。结果完成STKOS相关工具的仓储及对外发布系统建设, 基于插件的知识组织工具集成框架和组件建设以及基于工作流的知识组织工具集成三方面的建设内容。结论实现对STKOS相关工具的集成、规范化管理和共享共用。
关键词: STKOS; 工作流; OSGi插件; 工具集成
中图分类号:TP350
Design and Implementation of Integrated Service System for STKOS Related Tools
Fang An1, Wu Sizhu1, Hong Na1, Qian Li2, Wang Ying2, Hu Jiahui1
1(Institute of Medical Information, Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100020, China)
2 (National Science Library, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Abstract

[Objective] Avoiding the repeat of tools construction, this paper aims to realize the efficient reusing and sharing of tools related to knowledge organization, which are outputs of Science and Technology Knowledge Organization System (STKOS). [Context] The Construction and Application Demonstration of Knowledge Organization System Oriented Foreign Scientific and Technical Literature Information is one of the National Science & Technology Pillar Program projects during the Twelfth Five-year Plan Period, which aims to construct a multilayer system of science, engineering, agriculture and medicine involving thesaurus, Ontology and category. During the construction of STKOS, a large number of tools are developed. [Methods] The Equinox OSGi core framework implementation is used to build a plug-in integrated service system for knowledge organization tools. Plug-in automatic packaging process is designed and implemented, tools and plug-ins are stored in files and databases, and a plug-ins allocation mechanism based on jBPM workflow is proposed in this paper. [Results] The construction of STKOS is completed, including the related tools storage and release system, the tools integration frame and components and the knowledge organization tools integration based on workflow. [Conclusions] The related tools integration, standardized management and sharing of STKOS are realized.

Keyword: STKOS; Workflow; OSGi plug-in; Tools integration
1 引言

“ 面向外文科技文献信息的知识组织体系建设和应用示范” 项目是国家“ 十二五” 科技支撑计划项目, 构建了包括超级科技叙词表、本体、范畴在内的, 覆盖理、工、农、医的多层次知识组织体系。在科技知识组织体系(Science and Technology Knowledge Organization System, STKOS)的建设过程中, 各课题组开发了大量知识组织相关工具, 为了避免工具重复建设, 实现在STKOS课题组下对相关工具进行规范管理、共用共享和有效利用, 课题组提出构建基于OSGi的插件型STKOS相关工具集成服务系统, 定义了工具集成框架, 通过标准插件开发规范, 将STKOS项目的各课题中构建的一些重要知识组织工具封装为可控、可管理的插件, 集成到系统之中, 形成知识组织工具插件库, 用户可以按需求选择各种知识组织工具插件, 将这些插件有机地组合起来, 满足某项知识组织体系建设的需要。

OSGi(Open Service Gateway initiative)是面向Java的动态模型系统。作为Java模块化发展的代表, 其具有面向服务的组件模型(Service-oriented Component Model)的核心设计思想, 具有高层次的模块管理、良好的封装性、较低的模块耦合度、易扩展等优点。OSGi以Bundle为单位实现模块化, 其提供了一套完善的机制用于管理和控制Bundle、服务(Service)的生命周期, 以及Bundle和服务在其生命周期内的交互。由于已存在的项目和若干来自不同STKOS课题开发的知识组织相关工具, 均经历了长时间的开发, 不能抛弃以前已有的成果重新编写, 根据OSGi规范可对各课题组的核心工具进行改造、封装形成灵活的插件, 工具插件化能够极大地促进STKOS相关工具的集成、复用和共享。

因此, 本文提出基于OSGi规范的插件型STKOS相关工具集成服务系统的构建思路, 设计了系统框架, 论述了系统的数据存储方式、服务模式和功能模块, 并介绍了当前系统的实现效果。

2 相关研究

知识组织系统是传统信息检索语言的发展, 传统信息检索语言的主要功能是为标引者和检索者之间的信息沟通建立共同表达的桥梁。随着计算机技术的发展和人们对知识需求的日益迫切, 知识组织系统的功能不断扩展, 不仅能帮助用户查找和感知信息, 帮助用户描述问题和给出答案, 也能够提供有意义的概念结构作为资源组织和描述的形式化基础, 还能够提供计算机程序理解、分析和知识推理。当前知识组织系统建设关注多种知识组织工具和方法的整合和集成, 包括多词表、多语种的综合知识组织系统构建。如美国国立医学图书馆的医学一体化语言系统(Unified Medical Language System, UMLS)[1]、欧洲多语言叙词表EuroVoc[2]、联合国粮农组织的多语言农业叙词表AGROVOC[3]等。当前, 也有许多项目目标在于多词表的整合集成, 如FOS项目, 整合了4个词表系统, 包括FIGS门户的参考目录、ASFA叙词表、AGROVOC叙词表的渔业部分、OneFish主题树[4]。OntoFusion项目是面向基因和临床医学数据库的本体集成系统, 采用半自动化的映射(Mapping)和全自动化的统一(Unification)两种方式将大规模生物医学数据库资源关联起来[5]。在知识组织系统构建过程中, 产生了大量知识组织系统编辑、构建等相关工具, 这些工具或以功能模块的形式集成在平台上, 如AGROVOC概念服务器工作台(AGROVOC Concept Server Workbench)[6]提供概念编辑、加工等功能; 或以独立、集成工具的形式发布在网站上, 提供用户下载, 如美国国立医学图书馆将知识组织工具MetaMap[7]提供给用户下载和使用, 并没有形成关于知识组织工具的统一、规范的管理和应用。

我国正在建设的“ 面向外文科技文献的科技知识组织体系建设” 项目, 集成了来自理、工、农、医4个领域的上百部词表资源构建超级科技叙词表(STKOS), 用于提供更深入的知识服务。在STKOS的建设和示范方面, 王兴兰等[8]研究了图书馆领域知识组织体系的文本自动分类方法, 分析得出现有方法需要结合基于机器学习的算法对分类模式进行改善, 指出完善的知识组织体系支撑的重要性, 并介绍了STKOS作为新的自动分类体系, 拥有强大的数据支撑, 可以在极大程度上消除分类体系本身的不足。NSTL智能检索平台也是“ 面向外文科技文献信息的知识组织体系建设和示范应用” 项目的建设内容之一, 其目标是为科技创新主体提供高效便捷的知识服务和科研文献信息支撑环境, 中国医学科学院医学信息研究所参与构建的STKOS协同工作平台为该检索平台构建关联网络提供其所需的基础数据[9]。中国科学院文献情报中心的相关研究人员基于STKOS引擎API设计了开放查询和推理接口模块化方案和规范[10], 目前已完成子课题“ 科技知识组织体系(STKOS)的开放查询和推理接口建设” 的主体建设。通过标准接口协议, 所设计的STKOS 接口为第三方系统实现知识组织体系的深度开发和利用提供帮助。综上所述, 以实现我国海量外文科技文献信息的知识组织和利用为目标[11], STKOS的研究工作目前已取得了一定的进展, 在STKOS的建设过程中, 产出了大量知识组织建设、编辑工具。但是各课题组之间所建设的知识组织相关工具存在交集, 不可避免地出现大量工具重复建设的情况, 因此有必要对这些工具进行集成、规范管理, 提高知识组织工具的共享、共用程度。

20世纪90年代后期, 软件开发从面向对象的开发阶段转向基于构件的开发阶段。构件是可以被复用的软件构成成分, 由构件规约和构件实现两部分组成。基于构件的软件工具具有灵活的使用性和可扩展性。为了便于软件工具的集成、复用, 各种构件库建设兴起, 如欧盟信息技术计划ESPRIT中开发的REBOOT(REuse Based on Object Oriented Techniques)系统[12]、北京大学开发的青鸟构件库管理系统[13]和美国科罗拉多大学开发的CodeBroker构件库[14], 支持大量构件的描述、存储、检索和管理。构件插件化是当前工具软件开发的新兴发展趋势之一。插件是构件的组成部分, 粒度更细、更灵活并易于管理、组配和扩展。Eclipse[15]平台就是一个典型的开放式插件体系结构, 以微内核扩展形式构成, 通过插件扩展开发功能。尹铨[16]利用Eclipse插件技术、数据集成技术, 并采用GEF和JFACE配置工作流实现软件的集成, 用于软件生产线的复用。2008年, 欧盟第七研究框架(the 7th Framework Programme for Research, FP7)启动了LarKC(Large Knowledge Collider)项目[17], 研发基于插件的LarKC语义数据处理平台, 集成了包括识别插件、转换插件、选择插件、推理插件、决策插件等几大类插件, 通过工作流可将一些插件贯穿在一起, 实现特定任务。该平台主要用于处理语义数据, 实现语义推理。这些项目和研究在不同应用领域对工具集成进行了实践, 并且有的仅作为工具或项目的托管平台, 支持工具的下载而不能支持工具的在线使用和灵活组配。一些平台虽然能够支持工作流组配, 但其组配的工具多由平台本身创建, 而非由多方提交、集成和封装, 并且现有研究中缺乏在知识组织建设的工具集成和管理方面的实践。

基于当前不足, 借鉴已有研究对OSGi的实践作为工具集成系统建设的经验, 探索基于OSGi的插件型知识组织相关工具集成建设, 设计可集成的系统框架, 对各种知识组织工具的核心模块安插模式进行封装, 规范这些插件的类型、输入/输出接口, 使这些核心模块能够被集成到知识组织工具的集成框架中, 形成可被管理的组件对象。本文将详细介绍STKOS相关工具集成服务系统的设计方案, 并结合目前的研究进展给出系统的实现效果。

3 系统设计
3.1 总体框架

STKOS相关工具集成服务系统的总体框架, 如图1所示:

图1 STKOS相关工具集成服务系统总体框架

STKOS相关工具集成服务系统采用基于OSGi的Equinox框架作为运行环境, Equinox是OSGi最早和应用最为成熟的实现框架, 具有规范的代码和清晰的结构, 并且其与Eclipse的结合, 能提供便利的开发环境配置[18]。各课题提交知识组织相关工具, 如文本抽词工具、选词评价工具、编辑工具等, 知识组织体系相关工具集成服务系统对这些工具进行登记、注册, 存储到工具库, 遵循OSGi规范对工具进行规范接口封装, 并对插件描述信息进行记录, 将插件及其相关信息存储到插件库中。按插件功能对其进行组织分类, 如抽取类、词法分析类和分类去重类等, 这些类集成了来自不同课题、不同单位、不同用户开发的实现相同功能的插件。集成服务系统通过动态加载插件, 将插件发布到Web页面, 提供用户服务。系统通过构建工作流引擎调度实现对不同功能的若干插件的组配, 如在一个流程中实现对一篇文本的词汇抽取、词形规范、规范后的词频次统计等功能, 形成为满足特定应用需求的工作流, 并支持对外发布和服务。

3.2 存储方式

STKOS相关工具集成服务系统中包含多种存储对象, 主要有待集成工具、封装后的插件以及工具和插件的相关描述信息。工具, 主要是课题各成员单位提交的工具源码压缩包或jar包、工具运行所需的第三方jar包或运行需调用的资源等。封装后的插件Bundle也是jar包, 与工具jar包不同的是其在jar包中的MANIFEST.MF文件中增加了插件描述信息。为了降低系统运行负荷及便于工具、插件的存储、调用和关联, 知识组织体系相关工具集成服务系统采用文件系统和数据库相结合的存储方式, 利用文件系统存储工具源码压缩包或jar包、工具运行需依赖的第三方jar包、插件Bundle等, 利用数据库存储工具和插件的相关描述信息, 包括插件编号、安装运行环境、说明文档, 插件状态信息、用户注册信息、系统日志信息、系统资源信息、用户信息、统计信息等。此外, 工作流是插件组配形成的流程, 集成服务系统并不对构成工作流的多个插件进行再次存储, 而是记录工作流中插件的组配信息, 包括插件编码、组配顺序、工作流描述说明、工作流执行状态及中间结果等。

3.3 服务模式

插件服务化是STKOS相关工具集成服务系统实现的重要目标之一, 系统除提供工具、插件的检索、浏览、分类、统计等服务外, 对于工具及插件的使用主要提供如下三类服务模式, 其中包括离线和在线方式, 用以满足用户的不同使用需求。

(1) 插件在线服务: 用户可准备和上传符合系统要求的规范格式数据, 在线调用插件完成特定的数据处理需求, 系统提供插件运行结果的在线显示和下载服务。

(2) 基于工作流的插件在线服务: 根据插件功能, 并提供按照用户特定需求, 进行插件的工作流程组配、建模, 形成有效的工作流。实现用户所需的功能, 建立规范的数据输入、输出接口, 用户通过输入和配置规范数据格式, 完成所需的数据处理。系统提供工作流功能节点的插件执行结果的显示、修改和下载。

(3) 工具及插件的下载服务: 向授权用户提供工具和插件的下载, 并提供工具及插件使用的相关运行环境、配置信息、第三方jar包以及资源等用于离线运行。

4 功能模块

STKOS相关工具集成服务系统的功能框架如图2所示, 主要包括工具管理模块、插件封装模块、插件管理模块、插件运行模块、工作流模块以及基础模块。

(1) 工具管理模块工具管理模块主要实现包括知识组织工具的注册提交、查询管理、工具检测、分类管理、版本管理等功能。

①注册提交: STKOS相关工具集成服务系统为各工具提交者提供工具存储的入口, 提交内容包括工具描述和工具包。工具描述的元数据项, 包括工具名称、功能描述、所属机构、运行环境、开发环境、运行参数、工具版本号等, 工具有需要上传的工具源码压缩包或jar包、工具运行依赖的第三方jar包或所需资源。

②查询管理: 用于对已提交的工具进行查询。

③工具检测: STKOS相关工具集成服务系统提供包括关键词、工具分类及工具提交单位等不同检索点及组合检索点的插件检索功能。

④分类管理: 按实现功能进行工具分类。

⑤版本管理: 管理工具的历史版本。

(2) 插件封装模块

图2 系统功能框架

考虑到工具的复杂性, STKOS相关工具集成服务系统中的插件封装功能分为自动封装和手动封装。对于粒度小、功能独立的工具进行自动封装, 而对于需要开放特定接口或复杂的工具则需要提交管理员进行手动封装。工具封装需要解析工具包结构, 对工具接口进行规范, 将插件依赖信息写入元数据并重新编译打包。封装后对插件提供在线功能测试, 确保插件可用, 最后将封装后的插件存储到插件库中, 插件封装流程如图3所示:

图3 系统插件封装流程

①解析工具包结构: 工具提供者提供的工具以jar包形式上传到系统中, STKOS相关工具集成服务系统实现jar向Bundle的转换, 首先需要对原有jar包解压, 这是jar的接口解析与封装的准备条件。

②解析接口: 利用Java反射技术, 对jar的类、函数进行解析, 并与上传jar包时所填写的执行类、函数信息进行验证。

③封装接口: 把解析后的jar集成到Bundle模板中(Bundle模板是符合Bundle所要求的最简洁封装形式, 本身并不具有任何的功能函数), 已经解析后的接口在Bundle模板重新声明, 并直接调用jar包相应的函数, 生成新的MANIFEST.MF文件, 从而实现原有jar函数在Bundle中的封装。

④编译与测试: 对生成的集成了jar的Bundle源码进行编译, 并重写包中的MANIFEST.MF文件中的信息, 如Bundle-Name等信息检测。

⑤Bundle生成: 实现Bundle源码的打包, 重新生成jar包, 即Bundle。

⑥插件入库: 生成后的Bundle入插件库进行管理, 通过Bundle 容器进行启动、停止等控制, 从而实现Bundle的在线运行服务。

(3) 插件管理模块

插件管理模块实现插件的分类管理、版本管理、元数据管理和生命周期管理功能。

①分类管理: 插件封装后存入插件库, STKOS相关工具集成服务系统提供按插件功能的分类管理。

②版本管理: 管理插件的历史版本。

③元数据管理: 管理插件描述的元数据信息, 包括插件名称、版本号、插件类型、运行环境、调用的类名、方法名、传递参数、封装时间等用于插件表示和展示。

④生命周期管理: 系统还提供插件的在线发布、插件的生命周期管理, 包括插件的启动、解析、运行、卸载、停止的状态管理。

(4) 插件运行模块

STKOS相关工具集成服务系统框架监控插件运行中的状态、服务的注册、发现和绑定情况, 如图4所示, 能够对运行中的插件实现数据加载和调用, 控制插件的停止、启动, 并监控插件运行对系统资源的消耗。

图4 Bundle运行模块机制

在Java虚拟机环境中, 类的生命周期开始于虚拟机的加载, 终止于被提前卸载或虚拟机停止。STKOS相关工具集成服务系统中, 系统通过实现接口, 并在Bundle的MANIFEST.MF文件中获取Bundle在OSGi环境中运行的上下文。当Bundle被启动或停止时, OSGi框架将该Bundle的运行上下文注入到该实现类实例中, 系统可以在该Bundle的运行过程中使用该上下文访问OSGi环境信息, 访问处于OSGi环境中的其他Bundle, 注册事件监听, 发布或引用服务等。并且, 系统实时监控插件运行中的系统资源消耗情况, 包括CPU和内存的占用情况。

(5) 工作流模块

工作流模块包括流程定义、流程建模、流程执行、流程管理和流程监控。

①流程定义: 主要是对工作流进行命名和描述流程功能。

②流程建模: 基于开源软件jBPM(java Business Process Management)[19]构建基于可视化的工作流模板, 对jBPM进行本地化改进, 在插件面板中引入由本系统封装、分类的插件, 并附有每个插件的输入、输出的详细说明信息。可通过在流程建模面板内的插件拖曳实现多个插件的组配, 构建工作流模板, 系统提供模板的保存和修改。

③流程执行: 支持启动执行工作流, 包括全过程一键执行和按节点分步执行。系统可以显示工作流中的每个功能节点的运行结果, 在分步执行时, 可对作为本功能节点输入的上一功能节点的结果进行调整和修正。

④流程管理: 支持对工作流进行发布、删除、编辑、修改。

⑤流程监控: 监督每个工作流的功能节点的插件生命周期状态。

流程执行过程如图5所示, 用户执行工作流时, 系统从工作流库中读取工作流定义及配置信息, 创建工作流引擎实例, 启动执行工作流引擎, 按节点执行, 返回每一步或最终的结果。

图5 流程执行过程

(6) 基础模块

实现STKOS相关工具集成服务系统的基础业务功能, 包括用户管理、单位管理、权限管理、日志管理、统计及资源管理。

①用户管理: 主要涉及对用户的用户名、密码和权限的管理。

②单位管理: 对使用系统资源的单位提供单位名称的添加、编辑、修改、删除。

③权限管理: 对使用系统资源的所有用户进行权限分配和管理。

④日志管理: 实现对系统操作情况的记载, 便于对发生问题的回溯和问题跟进。

⑤统计模块: 实现系统对工具或插件的收录存储、使用、下载情况的统计分析。

⑥资源监控: 对用户创建和使用插件所占用的资源(包括CPU使用率、内存占有率及数据库的连接数等)进行监控, 对资源占用过大的节点进行调整, 减少过度占用资源。

5 实现效果

基于本文提出的系统总体框架及其功能模块的设计思路, 实现了STKOS相关工具集成服务系统, 主界面如图6所示。该系统实现了工具存储、插件封装、插件仓储以及工作流组配等一系列功能。用户可以进行工具、插件和工作流的检索和浏览。

图6 STKOS相关工具集成服务系统界面

图7所示, 进入插件浏览界面可浏览、检索系统中封装的插件。左侧面板可按功能分类或来源工具提交单位浏览插件, 右侧为浏览插件的运行环境、版本号、封装时间等信息。点击相应的插件, 可看到插件的详细描述信息。图8给出了名称为“ trans” 的英译汉插件的展示页面, 用户可在线使用该插件。在“ 参数” 栏输入需要翻译的英文文字, 启动trans插件即可得到相应的中文译文。获得授权的用户也可下载该插件或原始工具。

图7 插件浏览界面

图8 trans插件界面

系统的工作流建模示例如图9所示:

图9 工作流建模示例

图9中定义工作流名称为trans_count, 功能描述为实现英文翻译为中文, 对中文进行分词, 并对分词后的文本进行词频统计。在系统提供的可视化图形库中分别选择英汉翻译插件trans 1、中文分词插件chinese_lexcion 1以及词频统计插件count 1, 从左侧面板的插件分类中拖曳到右侧面板中实现流程的配置, 按插件执行顺序组配完成trans_count工作流模板的创建和保存。STKOS相关工具集成服务系统对给出每个插件的输入、输出、实现功能都给予提示, 便于插件的前后组配。

图10给出了翻译分词统计的trans_count工作流运行过程。在文本框中输入一段英文文字, 经过英汉翻译插件trans 1, 输出相应的中文翻译文本, 该文本作为插件2的输入。通过中文分词插件chinese_lexcion 1, 插件2对插件trans 1的输出文本进行分词, 该分词结果作为插件3词频统计count 1的输入。从该功能显示的结果可以看出, 在STKOS相关工具集成服务系统中, 前一个插件的输出可以作为下一个插件的输入, 系统提供对每一步执行结果的修改和调整。系统支持对工作流运行结果的保存。

图10 trans_count工作流运行过程

6 结语

综上所述, 本文实现了STKOS工具集成服务系统的主体功能, 完成了STKOS相关工具的仓储及对外发布系统建设、基于插件的知识组织工具集成框架和组件建设、基于工作流的知识组织工具集成三方面的内容, 形成了能对来自不同课题、实现不同功能的知识组织相关工具进行组织、集成和发布的系统。下一步, 将进一步完善和细化系统功能, 进行系统性能测试, 加强系统的友好性建设, 为用户提供细致、友好的使用文档, 协调项目相关单位进行工具存缴。另外, STKOS相关工具集成服务系统并非独立存在, 而是科技知识组织体系共享平台的一个重要组成部分, 因此, 需要考虑与大平台的对接, 包括用户管理、权限管理、角色分配等, 以提供更好的使用体验。

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