协同编辑系统中语义保持的研究与实现 (硕士学位论文)

摘要
计算机支持协同编辑系统是CSCW领域的一个重要研究方向，它允许多个用户通过计算机和通信网络对同一个共享文档同时进行编辑设计。与单用户编辑系统相比，协同编辑系统能够提高工作效率、节约时间、降低成本。目前对协同编辑系统的研究主要集中在语法层面上的一致性维护问题上，包括结果一致、因果一致和操作意图一致等，而对于语义层面上的一致性维护问题，即语义保持问题，则少有研究。但是，语义保持对于协同编辑系统来说有着极其重要的意义，因为用户的每一个操作都包含其特定的用户语义，对这些用户语义的任何误解都有可能会造成冲突问题的产生，从而降低协同工作的效率。而且，语义保持还无法仅仅通过已有的文档一致性维护算法来实现，因此，我们有必要对协同编辑系统中的语义保持问题进行研究。
本文在国内外最新研究成果的基础上，对协同编辑系统中语义保持问题进行了深入的研究，具体内容包括：1、根据不同的标准对协同编辑系统中的各种语义进行分类、分析，并提出了新的语义分类方法，即按照语义所表达的信息内容不同，将语义分为描述性语义、数值约束语义、关系约束语义和个性化语义四种；2、对现有的几种语义保持模型的优缺点进行了比较，提出了一个新的基于语义知识库的语义保持模型。在该模型中，通过语义规则表达式来形式化地描述用户语义规则，并通过语义描述语言SDL将所有用户语义以文本方式存放在语义知识库文件中，以便下次编辑同一个文档时能够重新加载先前定义的所有用户语义；3、提出了语义知识库的三种不同维护方式，包括集中式维护、分布式维护和复制式维护，并简单介绍了各种维护方式下语义知识库的维护机制及其优缺点；4、在以复制式维护方式维护语义知识库的基础上，提出了语义冲突检测的四个时机，即在发起一个本地普通操作之后、在准备执行一个远程普通操作之时、在发起一个本地语义操作之后、在准备执行一个远程语义操作之时进行语义冲突检测，并以此为基础改进了原有的语义冲突解决算法。
最后，本文在课题组的CoDesign原型系统基础上，对本文提出的几个关键技术进行了验证，设计并实现了一个基于复制式语义知识库的语义保持子系统。(所有权: 爱毕业设计网 www.2bysj.cn )

关键词：协同编辑系统，CSCW，一致性维护，语义保持，语义知识库，语义冲突
 
Abstract
Research on Computer-Supported collaborative editing systems is one of the most important domains in CSCW. In these systems, users can view and edit the same shared document at the same time, from geographically distributed sites connected by computers and network. Compared to Single-User editing systems, Multi-User collaborative editing systems have the benefit of improving efficiency, saving time and reducing cost. Currently, most of the researches are focused on syntactic consistency by ensuring convergence, causality and intention preservation, and works on semantic preservation are very limited. But semantic preservation problem shouldn’t be ignored in collaborative editing systems, as every operation contains some user specific semantic, any misunderstanding for these semantic may cause conflict problem and thus hurt the efficiency of the collaborative work. Furthermore, semantic preservation can not be maintained by existing consistency maintenance algorithms, so it’s necessary to research on the semantic preservation problems in collaborative editing systems.
This paper focuses on the semantic preservation problems in collaborative editing systems, which is based on the newest research achievements in the world. The content includes: 1. According to different criterion, we classified the semantics in collaborative editing systems and analyze the characteristics of them, and then we proposed a new classification, by which we divides the semantics into four categories: description semantic, value constraint semantic, relation constraint semantic and personal semantic. 2. After the analysis for several semantic preservation models currently existing, we proposed a new semantic preservation model which is based on semantic library. In this model, every user semantic is described by semantic rule expression, which itself is described by SDL in semantic library files, so we can reload them next time. 3. We proposed three different methods for maintaining semantic library, include centralized maintenance, distributed maintenance and replicated maintenance, and also we discussed their principle and analyzed their characteristics. 4. Based on the replicated maintenance method, we proposed four suitable times for checking semantic confliction and an improved algorithm for inserting operation (includes normal operation and semantic operation) to solve the semantic conflict problem.
At last, based on our CoDesign prototype system, we designed and implemented a semantic preservation subsystem which based on replicated semantic library, to test for the key technologies proposed in this paper.

Keywords: Collaborative Editing System, CSCW, Consistency Maintenance, Semantic Preservation, Semantic Library, Semantic Conflict

1.2 研究背景
计算机支持的协同编辑（Computer Supported Cooperative Editing，CSCE）是CSCW领域的一个重要研究方向。它是指多个用户通过计算机对同一个文档进行编辑，其文档类型既可以是文本的也可以是图形图像的，还可以是两者混合的。在诸如图案编辑、机械设计等应用领域，人们通常把针对图形图像的协同编辑又称作协同设计。
目前的协同编辑系统研究主要集中于用户操作的语法保持问题[3, 4]，即操作的一致性问题，包括数据一致性、因果关系一致性、操作意图一致性，而对于语义保持问题，即操作过程中的语义一致性维护问题则涉及甚少[5, 6, 7]。在协同编辑过程中，每一个用户的每一个操作必然包含有用户特定的设计意图，即操作语义，对其他用户操作语义的误解必将引起歧义并导致协同工作效率的下降。因此，要想真正发挥协同编辑的优势，提高协同编辑的工作效率，必然要求系统能够理解至少是部分理解用户操作中所包含的语义[6]。然而，研究表明，操作语义无法仅仅通过维护文档的一致性来表达和维护。因此，它要求用户在协同工作过程中能够通过某种机制来表达和维护自身操作的语义。
对于文本协同编辑中语义一致性维护问题的研究已有一些成果，但对于图案协同设计中语义保持问题的研究在国内外都尚处于起步阶段，所取得的成果相对更少。本论文研究就是在这样的学术背景下，在浙江省重点基金项目“基于互联网的图案协同CAD/CAM关键技术研究”（Z603231）资助下进行，以面向轻纺行业的图案协同设计（CAD/CAM）为应用背景，对协同编辑系统中语义一致性维护问题展开研究。
1.3 本文研究工作的意义与内容
协同编辑系统是单用户文档编辑系统的延伸，它能够使用户在不同的地点同时对同一个文档进行编辑工作。随着Internet技术的迅速发展，依靠计算机技术和网络通讯技术来支持和加强用户间协同工作效率和质量的需求显得日益迫切。在这个瞬息万变的世界里，人们需要在高科技的支持下跨越时间和空间的限制，以最优的合作方式、最快的设计速度，生产出最优的产品以适应和占领市场。协同编辑系统使这一切成为了可能，其研究与实现对众多行业如办公文档处理、轻纺、平面设计、建筑等行业有着重要意义。
鉴于语义一致性维护问题在协同编辑系统中的重要性，国内外都开始将研究重点从语法保持问题转向语义保持问题。本文在研究国内外相关技术的基础上，根据协同工作的特点和要求以及一些潜在的设计规则等，对各类操作的语义进行分析、归类综合，提炼出协同编辑操作的语义表示模型，建立语义表示工具来表达语义消息，并建立语义知识库来辅助用户自动或半自动地生成语义消息，并在此基础上初步研究了协同编辑过程中的语义理解和触发技术。我们还通过扩展实验室的原型系统CoDesign实现了文中所提到的几个关于语义一致性维护问题的技术点，从而证明了这些技术的可行性。
本论文研究主要集中于图案协同编辑（又称图案协同设计）系统中的语义一致性维护问题，也会部分涉及到文本协同编辑系统中的语义一致性维护问题。
本文分为八章，主要结构及内容如下：
第一章：绪论。介绍协同编辑系统中语义一致性维护问题的研究背景、意义及本论文的研究内容。
第二章：相关研究综述。介绍CSCW和协同编辑的发展、研究内容、主要问题以及研究现状等。
第三章：协同编辑系统中语义保持问题。介绍语义保持问题的产生、语义的分类及现有的几种语义保持模型，并提出了一种新的基于语义知识库的语义保持模型。
第四章：语义规则及语义知识库。通过语义规则表达式及语义描述语言介绍用户语义在语义知识库中的表述方式，并详细阐述了语义知识库的几种不同的维护方式。
第五章：语义检测及冲突解决。在以复制式维护方式维护语义知识库的基础上，提出了语义冲突检测的4个时机，并以此为基础改进了原有的冲突解决算法。
第六章：系统设计与实现。介绍了在CoDesign原型系统中实现基于复制式语义知识库的语义保持模型的一些细节描述，包括语义规则及语义知识库的数据结构、语义消息的通讯协议等，并展示了一些语义保持相关的人机界面。
第七章：总结与展望。对本文的工作进行总结，并对协同编辑系统中语义保持问题的进一步研究作了展望。
 (所有权: 爱毕业设计网 www.2bysj.cn )




目录
摘要 i
Abstract ii
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景 1
1.3 本文研究工作的意义与内容 2
第二章 相关研究综述 4
2.1 CSCW概述 4
2.1.1 CSCW的提出与发展 4
2.1.2 CSCW的分类 5
2.1.3 CSCW涉及的学科、领域及其应用 6
2.2 计算机支持协同编辑系统概述 7
2.2.1 协同编辑系统的发展与研究内容 8
2.2.2 协同编辑系统的主要研究问题 9
2.2.3 协同编辑系统领域的研究现状 11
2.3本章小结 12
第三章 协同编辑系统中语义保持问题 14
3.1 引言 14
3.2 语义类型分类 15
3.2.1 静态语义和动态语义 16
3.2.2 固有语义和即时语义 17
3.2.3 约束性语义、描述性语义和个性化语义 18
3.3 现有的几种语义保持模型 21
3.3.1 以用户为中心的语义保持模型 21
3.3.2 基于树状结构的语义保持模型 23
3.3.3 基于本体论的语义保持模型 25
(所有权: 爱毕业设计网 www.2bysj.cn )
3.4基于语义知识库的语义保持模型 27
3.5 本章小结 29
第四章 语义规则及语义知识库 30
4.1 引言 30
4.2 语义规则表达式 30
4.2.1 数值约束语义规则表达式 32
4.2.2 关系约束语义规则表达式 33
4.3 语义描述语言 35
4.4 语义知识库的维护 38
4.4.1 集中式维护 38
4.4.2 非集中式维护 41
4.4.3 语义知识库版本同步问题 44
4.5 本章小结 45
第五章 语义检测及冲突解决 46
5.1 引言 46
5.2 语义冲突问题 46
5.3 语义冲突检测的时机 49
5.4 语义冲突解决 51
5.5 本章小结 54
第六章 系统设计与实现 55
6.1 引言 55
6.2 CoDesign原型系统介绍 55
6.3 语义知识库的表示 56
6.4 语义操作的封装 59
6.5 语义消息通讯协议 60
6.6 语义保持系统界面 62
6.6.1语义表示工具 62
6.6.2 语义浏览工具 64
6.6.3 语义冲突处理 64
6.7 本章小结 65
第七章 总结与展望 66
7.1 主要研究内容 66
7.2 今后工作的展望 66
参考文献 68
作者攻读学位期间的研究成果 72
致谢 73

 
图目录
图 2 1 CSCW系统分类 5
图 3 1 图案协同编辑系统中违反用户语义的例子 15
图 3 2 违反单个对象语义和对象间语义的例子 17
图 3 3 图案协同编辑系统中保持用户个性化要求的例子 19
图 3 4 关系约束语义的一个例子 21
图 3 5 以用户为中心的一致性模型 22
图 3 6 基于树状模型的文档结构图 25
图 3 7 基于本体论的语义保持模型的体系图 27
图 3 8 解决语义一致的操作的冲突问题 27
图 3 9 基于语义知识库的语义保持模型的体系结构 29
图 4 1 集中式维护方式结构图 39
图 4 2 复制式维护方式结构图 41
图 4 3 分布式维护方式结构图 42
(所有权: 爱毕业设计网 www.2bysj.cn )
图 4 4 分布式维护方式对undo的处理 43
图 5 1 操作之间的因果关系和并发关系 47
图 5 2 NO与SO之间存在的语义冲突 47
图 5 3 SO与SO之间存在的语义冲突 48
图 5 4 只在4个时机中的某几个时机进行语义检测时存在的问题 50
图 5 5 操作时序图 53
图 6 1 CoDesign系统的体系结构 55
图 6 2 图案文档结构图 56
图 6 3 语义知识库加载、保存过程 57
图 6 4 语义知识库类的UML图 57
图 6 5 数值约束语义规则类的UML图 58
图 6 6 关系约束语义规则类的UML图 59
图 6 7 数值约束语义操作类 59
图 6 8 关系约束语义操作类 60
图 6 9 应用层消息包结构 60
图 6 10 ORNP消息包结构 61
图 6 11 ORNP Header数据结构 61
图 6 12 语义消息中Info Data部分的数据格式 62
图 6 13 语义工具使用 62
图 6 14 单个对象数值约束语义表示工具界面 63
图 6 15 对象间数值约束语义表示工具界面 63
图 6 16 关系约束语义表示工具界面 64
图 6 17 语义浏览界面 64
图 6 18 提示用户操作违反了一个非强制性语义规则 65
图 6 19 用户决定违反一个非强制性语义规则之后语义规则库的变化 65