（计算机应用技术专业论文）基于语义web的自动服务组合技术的研究.pdf

河海大学硕士学位论文摘耍 摘要 w e b 服务技术的快速发展使得利用w e b 服务组合来满足应用的需要成为可 能。然而，由于服务组合的高度复杂性，不能单靠人工完成该任务，而需要使服 务组合实现自动化。语义w e b 使得w e b 服务成为计算机或智能a g e n t 能够理解的 实体，从而支持服务的自动发现、组合、互操作和执行。 本文对语义w e b 的自动服务组合的关键技术，包括语义w e b 标记语言、描述 模型0 w l s 、自动服务组合的模型和方法进行了研究，工作内容主要包括以下几 个方面： 首先，通过阅读文献和研究成果，发现自动服务组合方法必须支持b 服务 的语义描述，即通过语义w e b 标记语言描述服务。本文使用。轷l s 标准作为w e b 服务的描述模型，集中讨论了s e r v i c e p r o f i l e 和s e r v i c e m 0 d e l 这两类本体。通 过对已有的自动服务组合方法的深入分析和比较，结合基于工作流和规划方法的 优点，给出了一个基于语义w e b 服务的自动服务组合模型s w s c m ，并根据该模型 给出了一种具体的自动服务组合方法。采用线性逻辑作为模型的内部形式化语 言，通过定理证明的形式化方法保证服务组合的正确性与完整性。从得到的证明 中直接提取组合服务的过程模型，以过程演算表示，同时还可将其转换为工作流 领域的流程建模标准方便组合服务的调用。通过领域本体的推理为定理证明提供 子类型包含关系的公理。本文集中讨论了服务描述语言之间的映射、定理证明、 过程模型的提取、领域本体推理等关键步骤。 【关键词】w e b 服务、语义w e b 、自动服务组合、a 札一s 、过程模型 塑查查兰堡主兰垡堡苎 些! 型 a b s t r a c t 1 k 瑚i p i dd e v e l o p i i l e n to fw 曲s e r v i t o c h n o l o g ym a l ( 髓i tp o s s i b l et o 鹏e c o m p o s i 虹o no fw 曲s e i c et om e e tt h e 嘲u i 煳e n to ft 圭l e 印p l i c a d o n h 0 w e v b e 甜u s es e i c e m p o s i t i o ni sal l i g h l yc o m p l e xt a s l 【w i l i c hc 锄o tb cs o l e l y i m p l e i i l e n t e dm 赳m a l l mi tf e = q u i r e s 血e 越i t o m a t o ds e n ，i c ec o i n p o s i t i o n s 鲫a n t i cw 曲 m a k 髂w 曲s c r “c 鹤c o m p u t e r o ra 静i t - i n t e r p r e t a b l ec n n t i e s ，s o 笛屯oe n a b l es e r v l c e d i s c o v 唧；c o m p o s i t i o i l ，i i l t 盯0 讲髓t i o n 锄de x e c u t i m 越a u t o 姗t i cw a y t h ed i 嚣豇t a t i o nt a k ear c s e a r c hi n 也ek e yi s s u 豁c o n c e r n i n gs 锄m l t i cw g b s e i c c 咖p o s i t i o n ，抽v o l v i n gs 锄锄t i cw 曲m 咖l 锄g l l a g e ，s 锄锄t i cw 曲 s e r v i c ed e s 舐p t i m o d d0 w l s ，蝴a t c ds e r v i c ec o m p o s i t i o nm o d c l s 删 a p p r o a c h 鼯t h em a i np o i i l t so f m i sw o r ka r e 鼬f o i l o w s ： f i 硎x 吐1 r 0 1 l g hs t u d y i n go n 也eb i b l i o 鲫h y 蜘d 豫s 搿c h 瑚m 主w e 矗n d 也a t 越n o m a t o ds e r “咖p o s i t i o nm u s t 岛l p p o r td c s c r j b i n gw 曲s 盯“c 鼯s 锄柚t i c a l l y ， n 锄e l yd 玛c r i b i i l gt h es e r v i b ys 锄柚t i cw 曲m 咖l 锄l g 岫g e t h ed i 鼹e n a l i o n u s e0 w l ，ss t 雒l d 删嬲 d e s c r j p t i o n m o d e lf - 0 rw g bs e i c c s ，f o c u s i i 培 s e r v i c e p r o f i l e 彻ds e i c e m o d do n t o l o 科b y 勰a l y z i n ga n dc o m p 撕n gt h ec x i s t 酣 啪a c h e sf o ra u t 伽a t 甜s e f v i c e m p o s i t i o n b a s c do nt i l ea d v 锄t a g 茚o fw o r k n o w a l l dp l a i l n m gm e t h o d s ，m e 龇锄t i c - b a s e da u t i ) m a t e ds c r v i c ec o m p o s i t i o nm o d e l s c s a mi sp r o p o s e d ac o n c r e t em e 廿l o dt - o ra u t o m 捌s e r 、r l c ec o m p o s l t l o nl s p r 懿e n t c dw i 也f c s p e c tt ot i l i sm o d e l t h el i n e a ri o 百ci sl l s e d 船t h ei n t e m a lf 0 脚a l i s m f 0 rs e r v i c e 1 h em e t h o do f t h e o r e m 删f 培e n s u r 嚣t h ec o r r e 咖e 略a n d 啪p l e t e 主_ l e 豁 f b r m p o s i t es e r v i c c t h ep f 0 c 髂sm o d e li sd i r e c t l y 懿仃a c t e df 西mt h ep f o o f a i l di s p r e s 蜘t e d 砸t i lp r o c 髂sc a l c u l l l s nc 觚a l s ob e 的i l s l 址e dt 0p r o c e 韶m o d d i n gs 协n d a r d i nw o r k f l o wd o m a i n ，s o 嚣t 0i n v o k ct l l ec o m p o s i t es e r v i c o n v e i l i t l y s e m a i l n c r e a s o i l i n go nd o n l a i no n t o l o g yp r o v i d e 戕i o m so f 鲫b s 嘲p 6 0 nr e l a t i o n s h i p t h ek e y s t 印si n c l u d i n gm em a p p i n go fw e b s e r v i c ed e s c r i p t i o nl g i i a g c ，也e o r e mp f 0 v i n 吕 e x t r a c t i o no f p r o c e s sm o d e l ，s 邸a i l t i cr e a _ s o n i n go nd o m a i no n t o l o g y 缸ed i s c 璐s c d 【k e y w o r d s 】w 曲s e r “c e ，s 锄锄6 cw 曲，a u t 咖a i e ds e r v i c ec o m p o s i t i o n ，o w l s ，p f o c 黜 m o d d i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名)单 学位论文使用授权说明 d 口年 易月，口日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名 。脾么月争日 河海大学碗七学位论文基于语义w 曲的自动服务组合技术的研究 第一章绪论 本章首先介绍基于语义w 曲的自动服务组合问题的研究背景；然后分析当 前的研究现状；最后将概述本文的研究内容，说明论文的整体结构。 1 1 研究背景 近年来，服务成为开放网络环境下资源封装与共享的核心概念，特别是随着 w 曲服务技术的出现和推广，面向服务的计算( s e r v i o r i 饥t e dc o m p u 缸g ，s o c ) 成为主流的计算范型。w c b 服务是一种崭新的分布式计算模型，它是自包含、自 描述、模块化的应用程序，可以在w 曲上被发布、查找和调用【n 。近年来，越来 越多的企业开始将它们的核心业务封装成w 西服务发布到w 曲上。然而随着应 用的深入，单个简单的w 曲服务已经无法满足实际的应用需要，人们常常将多 个w 曲服务组合起来完成更为复杂盼任务，这就是w 曲服务组合问题。 w 曲服务的组合问题是高度复杂的，其复杂性在于： w 曲服务数量剧增，需要查找巨大的w 曲服务库，不能单靠人工来完成该任 务。 w 曲服务可以实时地创建和更新，因此服务组合系统需要在运行时检测更新 信息并根据最新的信息进行决策。 w 西服务可由不同的组织进行开发，这些组织可能使用不同的概念模型来描 述服务。这需要使用相关的语义信息来匹配和组合w 西服务。 因此，如何实现服务组合的自动化过程成为亟待解决的问题。然而，w 3 c 提出的w 曲服务标准( 例如u d d i ( 、w s d l 【3 1 和s q a p 川) 和工业晁出现的标准 ( 如b p e l 4 w s 和w s f l ) 都只是在语法层次上用“l 语言描述w 曲服务，没 有涉及w 曲服务的语义信息。基于x m l 标准的缺陷在于缺少语义且没有足够的 表达能力实现w 曲服务间互操作的能力。服务间无缝的互操作不仅需要服务描 述自己的功能，还必须理解其他服务的功能。为了做到这点，必须描述w 曲服 务的内容和功能，而这些都是x m l 无法完成的。 语义w 曲睁1 的出现解决了以上问题，为w c b 服务提供了新的动力。语义w 曲 的概念由t i m b 啪e f s l e e 提出，它的研究目标是扩展当前的w 曲，赋予w c b 中 的所有信息以良好定义的语义，使计算机和人能更好地协作。如果用语义w 曲 的标记语言来描述服务的语义，从而使得w 曲服务成为计算机或智能a g e n t 可以 理解的实体，从而支持服务的自动发现、执行、组合和互操作。 本文研究的就是如何将语义w 曲技术和w 曲服务组合结合起来，以实现基 于语义w c b 的自动服务组合。 河海大学硕士学位论文 基于语义w 曲的自动服务组合技术的研究 1 2 研究现状 早期服务组合技术的理论、方法和关键技术的研究大约从2 0 0 0 年左右开始。 w c b 服务技术的兴起和推广后，服务组合这一理念立刻引起了国内外众多研究机 构的高度关注，大量研究工作从不同角度切入这一主题。下面将主要从服务组合 的方法和描述语言上简述当前服务组合技术的研究现状，并进行总结分析。 1 2 1 服务组合的方法 近年来，工业界和学术界提出了很多服务组合的方法，这些方法大致基于两 种思想：基于工作流的思想和基于规划的思想。 基于工作流的服务组合方法 基于工作流的组合方法使用与经典工作流建模方法相似的模型来描述组合 服务。原子服务集合、控制流、数据流是组合服务建模的基本模型元素。基于工 作流的方法相对直观，易于理解。目前多数相关国际标准支持基于业务流程的服 务组合，如b p e l 4 w s 、b p m l 等。但是基于工作流的服务组合方法多基于非形 式化的流程模型，建模理论相对薄弱，因此组合正确性与完整性保证较弱。某些 研究将服务组合模型与形式化的建模方法( 如p e 缸网【冽) 之间建立映射，从而 为服务组合增强正确性保证，但是这些研究刚起步，并不完善。 e f l o w 【1 2 】、m e t e o r s 【1 3 l 和s e l f s e r v 是基于工作流的服务组合的著名项 目。 基于工作流的组合方法特点是：对服务建模依赖于开发者的经验，自动化程 度不高；实现相对简单，实用化程度高。 基于规划的服务组合方法 基于规划的组合方法将a i 规划思想引入服务组合技术。它将w 曲服务看成 a i 中的动作，通过输入输出参数、前提和结果等来描述服务。在服务组合时， 只要将w 曲服务的描述映射为动作的形式化描述，在w 曲服务空间中以构造组 合w 曲服务为目标，通过形式化的推理来得出w 曲服务的组合序列，动态形成 服务组合方案，同时也能够保证规划结果的正确性和完整性。目前这方面的工作 主要是借助a i 领域的经典研究方法：如状态演算1 6 】、规划域定义语言 p d d “17 1 、层次任务网络h t n 【2 0 ，2 ”、有限自动机【2 甜、定理证明 3 6 】等。这些方法 与语义w 曲技术结合，研究语义w 曲服务、组合需求分解、组合推理以及服务 模型的自动构造方法。基于a i 规划的方法对于运行系统关注较少，为了达到m 规划的目标，即实现全自动的服务组合，本身是一个非常复杂的过程，目前这些 方法还处于理论研究阶段。 基于规划的组合方法特点是：应用形式化描述建模服务，自动化程度较高， 河海大学硕士学位论文 摹于语义w e b 的自动服务组合技术的研究 能保证组合的正确性和完整性；实现比较复杂，实用化程度较低，且面临扩展性 问题。 有关服务组合方法的详细内容将在第二章中介绍。 1 2 2w e b 服务的描述语言 w 曲服务组合依赖于w 西服务描述。目前，w 曲服务的描述语言主要有以 下几种： w 曲服务描述语割3 1 ( w 曲s e r v i c ed 嚣州p t i o nl a i l g l l a g c ，w s d l ) w s d l 是一种基于x m l 的语言，通过提供数据抽象定义的消息和w 曲服务 用来传输消息的操作来说明w 曲服务。在w s d l 中，服务访问点和消息的抽象 定义从具体的服务部署或数据格式绑定中分离出来。消息是对交换数据的抽象描 述；而端口类型是指操作的抽象集合：用于特定端口类型的具体协议和数据格式 规范构成了可再次使用的绑定。将w 曲访问地址与可再次使用的绑定相关联， 可以定义一个端口，而端口的集合则定义为服务。 w s d l 只定义了w 曲服务的功能，但是没有定义如何完成该功能。w s d l 只是从语法层对w 西服务进行描述，不支持丰富的语义描述。 w 曲服务业务流程执行语割8 】( b u s i n e s sp r o c e s se x e c u t i o nl a n g u a g e6 ) rw 曲 s e r v i c e s ，b p e l 4 w s ) b p e l 4 w s 是专为整合w 曲服务而制定的一项规范标准。b p e l 4 w s 的作用 是将一组现有的服务整合起来，从而定义一个新的w 曲服务。它能够将w 曲服 务调用、操作数据、异常或终止流程等不同的活动连接起来，从而创造出复杂的 流程，这些活动可以嵌套到结构化活动中，结构化活动定义了活动的运行方式和 控制流程。b p e l 4 w s 流程是一个流程图，用柬表达特定业务的处理逻辑和算法， 流程的每一步称为一个活动。 和w s d l 一样，b p e l 4 w s 缺少对w 曲服务的语义描述。 基于本体的w 曲服务语言p u ( o n t o l o 鲥w 曲l a n g u a g ef o rs e r v i c e s ，o w l s ) o w l s ( 即以前的d a m l s ) 是语义w c b 中一种用来描述w 曲服务的属性 和功能的本体规范，它使用一系列基本的类和属性来描述w 曲服务，提供了一 个可共享的框架。在o w l s 中，描述服务的基本信息主要有3 类本体： s e r v i c e p r o i l e ，s e r v i c e m o d e l 和s 盯v i c e g r o u n d i n g 。s e i c e p r o 矗1 e 说明了服务的功 能；s e i c e m o d d 描述了服务的过程模型；s e i c e g r o u d n i n g 说明了如何访问服 务的细节内容。 但是由于o w l s 缺少对调用平台的支持，所以s e i c e p r o f i l e 和s e r v i c e m o d e l 分别需要w s d l 和b p e l 4 w s 作为它们的g r o u n d i n g 基础。 从上面的分析可以看出，这些标准各有优缺点，它们之问还存在一定的互补 河海大学硕士学位论文基于语义w 曲的自动服务组合技术的研究 作用。 1 2 3 研究现状分析 服务组合的理论、方法和技术受到软件工程、人工智能、工作流、形式化语 言等多个领域研究工作的影响和推动，目前已取得了一些有价值的研究成果。但 是从总体上说，由于研究历史不长，服务组合的方法及实现技术仍不成熟，还有 许多亟待解决的研究问题： 自动服务组合的模型 自动服务组合模型对于研究服务组合至关重要。它表达了对于服务组合技术 的理解，能够为说明自动服务组合的过程提供基础框架。通过明确的模型我们还 可以比较清晰地定位相关研究工作，进一步明确自动服务组合的研究内容。现在 大部分研究工作集中于服务的语义表示和组合服务方案生成这两个过程，这使得 研究内容相对独立，而实际的服务组合过程涉及描述、组合、选择和执行等几个 过程，需要有统一的模型框架来说明整个服务组合的过程，因此我们认为有必要 提供自动服务组合的模型供参考和引用。 w 曲服务描述( 说明) 语言之间的转换和映射关系 一方面，大多数服务组合系统都会区分服务描述的外部和内部语言( 说明) 。 用户使用服务的外部语言以提高服务的可访问性，这样能够表示他们提供的以及 需要的服务。内部系统一般采用形式化语言以提高服务组合的正确性。因此，在 服务组合的过程中要对外部和内部语言进行区分并且进行j 下确的转换和映射。 另一方面，w s d l 、b p e l 4 w s 和o w l s 在w 曲服务描述方面各有其特点： w s d l 和o w l ss e r “c e p m f i l e 侧重于描述服务的功能：b p e l 4 w s 和o w l s s e r v i c e m o d e l 侧重于描述组合服务的过程模型。由研究背景和现状可知，服务组 合的自动化过程需要通过语义w 曲赋予其良好定义的语义信息，但是w 3 c 推荐 的语义w 曲描述语言o w l s 缺少调用机制，因此o w l s 需要w s d l 和 b p e l 4 w s 为其提供g r o l l l l d i n g 机制，这就需要它们之间进行必要的映射和转换。 语义描述和过程模型的联系和结合 在获得组合服务的方案后，服务组合系统需要根据该方案得出对应的过程模 型，从而便于组合服务的执行和调用。现在大多数基于语义w 曲的服务组合的 研究工作主要集中于对服务的语义描述( s e i c ep r o 矗1 e ) 上，而没有很好地考虑 服务的过程模型( p r o c e 豁m o d e l ) ，而且由于学术界提出的过程模型的本体描述 语言缺乏调用机制，因此需要结合工业界有关工作流方面的技术解决过程模型的 提取和执行问题。 4 河海大学硕士学位论文基于语义w 曲的自动服务组合技术的研究 1 3 研究内容 文本关注基于语义w 曲的自动服务组合技术。本文的研究内容是： ( 1 ) 本文从服务组合的特点和过程出发，分离服务组合过程中所需的具有 普遍意义的功能，结合基于工作流和基于规划的服务组合方法的优点，提出基于 语义w 曲的自动服务组合模型s w s c m ，从而为研究服务组合的关键技术、服 务组合的特定过程提供了一致的研究框架。在s w s c m 的基础上，提出了一种具 体的自动服务组合的方法。 ( 2 ) 采用线性逻辑作为自动服务组合的内部形式化语言，处理语义w 曲服 务描述语言( 外部语言) 与线性逻辑公理( 内部语言) 之间的映射问题。利用定 理证明的方法得出组合服务的方案，从而保证组合过程的正确性和完整性。 ( 3 ) 从得到的组合服务方案中抽取过程模型，并将其转换为工作流的流程 建模语言方便系统的调用和执行，从而有效地将语义描述和提取过程模型这两个 过程无缝地结合起来，不需要其他额外的处理步骤。 1 4 论文结构 第一章是绪论部分，主要介绍基于语义w 曲的自动服务组合问题的研究背 景，具体的研究现状；提出本文的研究内容；说明论文的整体结构。 第二章简要介绍了w 曲服务组合概念、当前主要的服务组合的方法、基于语 义w 曲的自动服务组合方法及其特点、语义w 曲服务的描述框架o w l s 以及 本文中将会使用到的线性逻辑等数学基础内容，本章内容为后面的内容提供了知 识准备。 第三章通过结合各种w 曲服务组合方法的特点以及软件工程、人工智能、工 作流、形式化语言、语义w 曲等领域的相关工作，提出了一个基于语义w e b 的 自动服务组合的模型s w s c m ，该模型抽象并集成了大多数研究工作中的共性的 功能，为说明自动服务组合过程提供了统一的框架。使用线性逻辑作为服务组合 系统的内部说明语言，着重讨论了外部与内部语言之间的映射和转换、通过定理 证明获得组合服务方案、提取过程模型、利用领域本体推理帮助规划等关键步骤。 第四章讨论了第三章提出的自动服务组合模型中重要组件的实现，通过实例 和实验说明整个服务组合的过程。 第五章对所做的工作进行总结，并作出展望。 河海大学硕士学位论文 基于语义w 曲的自动服务组合技术的研究 第二章服务组合相关工作 本章介绍了服务组合的相关工作，包括w 曲服务组合的概念及相关技术，服 务组合的方法，基于语义w 曲的服务组合及方法，最后还对本文中使用的形式 化语言作了简要的介绍。 2 1w e b 服务组合的概念 虽然“服务组合”这一术语被许多文献反复提及，但是现在还没有有关服务 组合的统一定义。几个重要文献对服务组合的定义如下： 服务组掣9 ，1 是指在给定w 曲服务集合以及任务目标的高层描述的前提下， 找到完成该任务的服务的组合。 服务组合使得丌发者在面向服务的计算与生俱来的描述、发现和通信能力之 上创建应用，这些应用可被快速部署，为开发者提供重用能力以及为用户提供对 于多种复杂服务的无缝访问p “。 随着w 曲服务技术的日益成熟，越来越多的稳定易用w 曲服务共享在网络 上，但单个的w e b 服务能够提供的功能有限，为了更加充分地利用共享的w 曲 服务，有必要将共享的w 曲服务组合起来，提供更为强大的服务功能，加快系 统的开发速度，快速满足用户需求【”。 本文研究的服务组合是：在语义w 曲的环境下，给定原子服务的集合以及用 户需求的高层外部描述，使用基于规划的方法自动找出满足用户需求的新服务的 过程。 以上定义强调了几点：首先，服务组合应该是在语义w 曲的环境下进行的， 因为语义w c b 能使w e b 服务成为计算机或a g e n t 可理解的实体，从而实现自动 服务组合；其次，原子服务和用户需求是预先确定的，而且使用语义w 曲语言 进行标记，由于实际的w 曲环境可能比较复杂，用户未必能给出完整的需求， 但是这里为了方便研究相关内容，假设用户的需求是已确定且完整的：最后，使 用基于规划的服务组合方法完成服务的组合，这是因为基于规划的形式化方法能 够保证组合过程的完整性和正确性，而且得出的服务组合方案还能进一步转换为 过程模型，方便服务的正确调用和执行。 本文将由服务组合构造得到的服务称为组合服务( c o n l p o s i t es e i c e ) 。 6 河海大学硕士学位论文摹于语义w 曲的自动服务组合技术的研究 2 2 基于语义的w e b 服务 2 2 1 语义w e b 随着w 曲应用的迅速发展，w 曲应用面临着自动化及语义保持的问题。对 于用户提交的应用请求，如何根据语义信息执行分布在w 西上的相关服务，并 自动地进行这些服务间的切换，是语义w 曲被提出的动机所在。语义w 曲的基 本思想是通过本体和w 曲内容的语义标记，使计算机、程序或智能a g e n t 能够理 解并处理w 曲上的信息，从而更好地协助人们在w 曲上发现知识，处理事务。 0 l i l t o l o g y 是共享概念的形式化、显式的定义。在语义w 曲中，隐藏在数据、页 面、程序和其他w 曲资源中的语义都通过合适的语义w 曲标记语言来显式表示， 构成一个基于知识的w 曲，使计算机可以智能地处理和集成这些信息，从而使 w 曲提供的服务实现一次质的飞跃。 h l t e 玎1 d 上的资源不仅仅局限于数据和数据所表示的信息，随着信息技术的 发展和人们实际的生活和生产的需要，越来越多的资源通过服务封装之后，都可 以而且都需要通过h n e r n e l 访问得到。在这种情况下，如何将语义w e b 技术和 w 曲服务技术结合起来，通过w 曲服务的语义封装为人们提供所谓的语义w 曲 服务( s w s ) ，是一个值得研究和探讨的问题。 2 2 2 语义w e b 和w e b 服务的结合 语义w 曲为w 曲服务带来了新的活力，结合语义w 曲技术的w 曲服务( 即 语义w 曲服务【9 ，1 川) 将是一种更为智能的服务，是w 曲服务未来发展的趋势， 如图2 1 所示。 图2 1 语义w e b 服务是w e b 服务的发展趋势 7 河海大学硕士学位论文 基于语义w 曲的自动服务组合技术的研究 在w 曲服务中有效利用本体领域模型进行服务的概念建模，可阻指导w 曲 服务应用的设计；在w 曲服务中有效利用语义信息，进行w 曲服务和语义w 曲 的有机结合可提高w c b 服务的质量；语义w 曲服务是语义w 曲和w 曲服务的 结合，可为w 曲服务的发现、执行和组合的自动化提供有效的支持。 2 2 3 基于语义的自动霄e b 服务组合 单个w 曲服务往往无法满足实际应用的需要，人们常常要将多个w 曲服务 组合起来完成一个较复杂的任务，即服务组合。传统方式下服务的选取和执行通 常由用户来完成，但是由于服务的异构性、服务数量的剧增、服务的动态创建和 更新等原因，需要让计算机根据必要的信息自动地、动态地选取和组合服务，即 自动w 曲服务组合，而完成该任务需要借助语义w 曲，在语义w 曲的环境下， 用语义w 曲标记语言描述w 曲服务的信息，从而方便w 曲服务的自动发现、组 合、互操作和执行。 2 3w e b 服务组合方法 近几年，工业界和学术界提出了很多服务组合的方法，这些方法大致基于两 种思想：基于工作流的思想和基于a i 规划的思想。下面将首先介绍服务组合的 动态和静态的概念和区别，然后介绍自动和人工服务组合，最后将集中分析基于 工作流和a i 规划的服务组合方法。 2 3 1 静态与动态服务组合 w 曲服务组合方法从组合方案生成方式来分有两大类：静态组合和动态组合 门j 。静态组合意味着请求者应在组合计划实施前创建一个抽象的过程模型。抽象 的过程模型包括任务的集合以及任务问的数据依赖关系，每个任务包含一个查询 的子句，用来查找完成任务的真正的w 曲服务。静态组合中最常用的是用图来 描述过程模型。丽动态组合不仅自动地选择、绑定w 曲服务，同时更重要的是 自动地创建过程模型。这需要请求者指定一些约束关系，包括w c b 服务间的依赖 关系、用户的偏爱等。 2 3 2 自动与人工服务组合 服务组合问题包括服务的选择和执行。传统方式下服务的选择和执行通常是 由用户( 人工地) 完成的，但是随着服务数量的剧增，如何根据必要的信息自动 地、动态地选择和组合服务，即w 曲服务的自动组合问题。这些必要的信息就 河海大学硕士学位论文基于语义w e b 的自动服务组合技术的研究 是服务的语义描述模型，而模型的描述手段就是语义w 曲标记语言。 工作流的方法与越规划都能完成服务的自动组合。对于前者，动态的工作 流方法为自动地绑定节点和具体资源或服务提供了手段。另一方面，动态组合方 法需要自动生成规划，而大多数生成自动规划的方法与a i 规划和演绎证明相关。 这种方法都基于这样的假设：在规划上下文中，可以使用服务的前提和结果来说 明服务。 2 3 3 基于工作流的服务组合 在很多情况下，组合服务与工作流很相似【l l 】。组合服务的定义包括原子服务 的集合以及服务之间的控制流和数据流。同样，工作流也必须说明这些控制流和 数据流。另外，动态的工作流方法提供了自动绑定抽象节点到具体资源或服务的 方法。 e f l 0 0 1 2 】是一个说明、制定和管理组合服务的平台，它使用静态工作流生 成方法。组合服务被建模为图，在该图中指定了过程中节点之间的执行顺序。图 需要人工创建，但可以动态更新。图中包含服务、策略和事件节点。服务节点代 表对某个原子服务或组合服务的调用，策略节点说明了控制流程执行的规则，事 件节点使得服务过程可以发送和接收一些类型的事件。图中的弧说明了节点之间 的依赖关系。虽然图通过人工建立，但是e n o w 提供了将节点绑定到具体服务的 自动化方法。服务节点的定义中包含查找方法用于在流程初始化时或运行时查询 实际服务。当服务节点启动后，会执行查找方法，并返回特定服务的引用。特别 地。查找方法会在每次激活服务节点时被解析，这是因为在动态变化的环境中服 务可能会发生频繁的变换。 文献 1 3 】介绍了基于工作流的服务项目：m e t e o r s ，它采用d a m l s 描述 服务，用户编写抽象语义流程模板( 该流程模板结构类似于b p e l 4 w s 结构) ， 而后程序自动对该模板进行语义标注，根据标注后的模板去匹配搜索并集成相应 的服务，生成以b p e l 4 w s 描述的具体业务流程。由于引入了本体，因此对于服 务的搜索和匹配更加精确。 p p m ( p o l y m o r p i l i cp r o c e s sm o d e l ) 1 1 4 】使用了一种结合静态和动态服务组合 的方法。静态部分由基于引用过程的跨企业过程支持，该过程由抽象的子过程组 成，其中子过程有功能描述，但是并没有实现。抽象的子过程在运行时绑定到服 务，这和e f l o w 中的服务绑定相似。p p m 的动态部分由基于服务的过程支持。 这里的服务建模为自动机，说明了服务的可能状态和状态之间的转换。状态转换 由服务操作调用或内部服务转换而触发。因此根据自动机的推理，服务的动态组 合成为可能。 9 河海大学硕士学位论文 基于语义w 曲的自动服务组合技术的研究 2 3 4 基于a i 规划的服务组合 o w l - s 的出现为基于a i 规划的组合方法提供了可能，将w 曲服务看成舢 中的动作，通过输入输出参数、前提和结果等来描述服务。在服务组合时，只要 将w 曲服务的描述映射为动作的形式化描述，在w 曲服务空间中以构造组合 w 曲服务为目标，通过形式化的推理来得出w 曲服务的组合序列，动态形成服 务组合方案，同时也能够保证规划结果的正确性和完整性。 状态演算 状态演算是一种形式化的规划方法。它是一阶逻辑语言，主要用来表示动态 变化的世界，是一种关于状态、动作和动作作用于状态的结果的形式化谓词演算。 在状态演算中，世界的所有变化过程都是动作执行的结果。 m c r a i t l l 和她的研究小纠1 5 m 1 采用并扩展了( b i o g 语言用于w c b 服务的自 动创建。g o l o g 是建立在状态演算之上的逻辑编程语言。作者通过提供高层的通 用过程和定制约束来解决w 曲服务的组合问题。这里采用的g o l o g 语言是表示 和推理服务组合问题的形式化方法。 该方法的思想是：软件醒c r i t 通过推理w 曲服务可以执行自动的服务发现、 执行、组合和互操作。用户的请求( 通用过程) 和约束可以用状态演算的一阶语 言束表示。每个w 曲服务可以看作为动作，即原子动作( p 血1 i t i v e a c t i o n ) 或复 杂动作( c 伽p l e ) 渔c t i o n ) 。原子动作可以是改变世界状态的动作或是改变a g e m 知识状态的信息搜集动作。复杂动作是原子动作的组合。a g e n t 的知识库( k b ) 使用状态演算语言对w 曲服务动作的前提和结果进行逻辑编码，组合服务是一 系列通过过程编程语言的构造算子( 例如i t l l 饥一e l s e 、w “l e 等) 连接起来的原 予服务的集合。 作者还提出了结合服务请求者的约束来定制g o l o g 程序的方法。例如，服务 请求者可以使用非确定的选择来表示在给定状态中所选择的动作，或使用序列构 造算子强制两个动作间的执行序列。生成的规划必须满足预定义的约束。 p d d l 规划域定义语言( p l a l l l l i n gd o m a i nd e f i n i t i o nl 棚u a g c ，p d d l ) 被人们广泛 地接受为规划器的标准输入，事实上，o w l s 本身受到p d d l 语言的重大影响， 因此这两种语言之间的映射是很壹接的。在需要规划服务组合时，o w l ，s 的描 述可以翻译为p d d l 的格式，然后不同的规划器可以利用它来进行服务的合成或 组合。 为了在p d d l 基础之上表示w 曲服务组合，m c d e r n l o 7 】介绍了一种新的知 识，称为动作值( v a l u eo fa 1 1a c t i o n ) ，这与t r u t hl i t e r a l 有所区别，可以用它来描 述w c b 服务执行后产生的信息转换和状态改变。通过输入和输出参数表示的信 息是可重用的，因此数据值可以在执行多个任务时进行复制。相反，世界的状态 o 河海大学硕士学位论文基于语义、b 的自动服务组合技术的研究 通过服务执行而改变。这里的改变是指旧状态的消失以及新状态的产生。 在a i 规划中，通常会假设世界是封闭的，也就是说，如果某个文字( 1 i t e 跏) 不存在于当前世界，则它的真值为假，这在逻辑编程方法中称为失败即否定 ( n e g a t i o n 勰陆h 珊) 。封闭世界假设的缺点在于劬t hi i t e 蹦不能表达新的信息。 如果服务请求者想要描述给某个w 曲服务发送消息，则需要创建消息的m ，这 样在以后的通信过程中可以使用该i d ，这只有在引入动作值后才能在规划系统 中表达这样的新知识。 基于规则( r m 曲a s e d ) m e d i a l l e d 【蜡l 提出了基于本体的自动w 曲服务组合的框架，从高层声明描述 生成组合服务。组合方法包含4 个概念独立的阶段：说明、匹配、选择和生成。 说明阶段使用组合服务说明语言( c o m p o s i t es e i c cs p e c i f i c a t i o nl 趾班a g e ， c s s l ) 提供所需组合的高层描述。匹配阶段使用组合规则生成满足组合说明的 组合规划( p l a n ) 如果匹配阶段产生一个以上的规划，则组合服务引擎将根据 组合质量( q o c ) 参数选择一个规划( 选择阶段) 。通过使用规划，自动生成了 ( 生成阶段) 详细的组合服务的描述。 该方法中组合规则( c o m p o s i b i l i t ym l e ) 是核心概念，包括语法规则和语义规 则。语法规则包括：模式可组合性与绑定可组合性。语义规则包括：消息 可组合性操作语义可组合性质量可组合性以及组合合理性。 s w o r d 【1 9 】使用基于规则的专家系统自动决定是否可以获得组合服务，但是 没有关注服务的可组合性以及语义描述。 h t n 层次任务网纠冽( h i e r a r c h i c a lt a s kn 酶o r k ，h t n ) 规划法利用o w l s 作 为w 西服务的描述语言，通过任务分解的方法来组合服务。与其他规划方法不 同的是，h t n 的核心不是状态，而是任务。一个基于h t n 的规划系统将目标任 务分解为子任务的集合，这些子任务再分解为更小的子任务，一直循环这个过程， 直到所有的子任务仅包含原子w 曲服务，即现有的w 曲服务。在每一轮任务的 分解过程中，都会检验是否违反给定的条件( 如子任务数量不超过一定数目) 。 如果目标任务在不违反任何给定的条件下，能够被成功分解成原子任务集合，则 规划问题成功求解【”。 文献 2 1 】中使用s h o p 2 规划器用于w 曲服务的自动组合。s h o p 2 是层次任 务网络规划器。h t n 规划中的任务分解概念类似于0 w l s 过程本体中的过程分 解的概念。文中认为h t n 规划器比其他规划语言更加有效，如g o i o g 。 自动机 自动w 曲服务组合是大多数组合成果的最终目标。b e r a r d i 【2 2 】提出了一种将 w 曲服务的行为描述为执行树且将执行树翻译为有限自动机( f s m ) 的框架。他 们提出了一种算法检测是否存在组合服务，如果存在则返回该组合服务。在该过 河海大学碰士学位论文 基于语义w 曲的自动服务组台技术的研究 程中，证明了组合是正确的，且给出了其计算复杂性，从而保证自动组合将会在 有限步骤内完成。 p e t r i 网 p e m 网是一种过程建模的方法。p c t i i 网是包含位置( p l a c e ) 和变迁( 湘璐i t i o n ) 的有向二分图，变迁通常表示动作，用小矩形表示；位置通常表示资源或条件， 用圆圈表示。在网的基础上添加表示状态信息的t o k 钮分布，并按引发规则驱动 状态的变化，从而构成可反映系统动态运行过程的网系统。 通过将变迁赋值给方法以及将位置赋值给状态的方法，可以将服务建模为 p e 试网。每个服务都有相应的描述其行为的p e t r i 网且包含两个端口：输入位置 和输出位置。在给定时间内，服务可以处于以下任何一种状态：n o ti i l s t a i l t i a t e d 、 r 髓d y 、n m 协g 、s i l s p 锄d e d 或c o m p l e t e d 。在定义完每个服务的网之后，组合连 接子可以执行组合：顺序、选择、无序、迭代和并行。这些连接子保证了闭包属 性。因此，通过组合2 个或2 个以上的服务，就能产生新的服务。 在将组合指定为p e 砸网后，可以使用它来证明某些代数属性，例如是否存 在死锁或活锁( 组合是否会在有限数量的步骤之后终止) 。正确的终止对于组合 服务非常重要，通过确定p e t i j 网是否有限可以完成这样的判断。 刘必欣【2 3 】在研究通用的基于业务流程的组合服务元模型的基础上，采用p e 哂 网的理论与方法研究组合服务行为分析，提出了p m c e s s - n e t 用于刻画组合服务 运行时的行为。 基于a i 规划的服务组合方法能动态地生成w 如服务组合方案、动态地链接 具体实现的w 曲服务，能适应w 曲服务的动态变化，更能满足业务不断变化的 需要。 2 4 基于语义w e b 服务的自动服务组合方法 基于工作流的组合方法特点是：对服务建模依赖于开发者的经验，自动化程 度不高；实现相对简单，实用化程度高。基于工作流的方法大多使用b p e l 4 w s 或类似于b p e l 4 w s ( 如m e t e o r s ) 的标准，强调的是执行过程的自动化。而 且大部分方法没有采用语义w 曲的标记语言来描述服务，不支持语义w 曲服务 的自动服务组合。基于工作流的服务组合方法给我们的启示在于：该方法强调过 程模型中的数据流和控制流，从而保证执行的自动化，如果能够利用b p e l 4 w s 这样的标准应用于组合服务的执行过程中，可以保证其执行的方便性和正确性。 基于m 规划的组合方法特点是：应用形式化描述建模服务，自动化程度较 高，能保证组合的正确性和完整性；实现比较复杂，实用化程度较低，且面临扩 展性问题。第一个采用基于a i 规划的方法的是m c i r a i c h 和她的小组，使用0 w l s ( d a m l s ) 来描述高层的通用过程，采用g o l o g 作为表示和推理服务组合问题 河海大学硕士学位论文基于语义，曲的自动服务组合技术的研究 的形式化方法。但是该方法得到的服务组合方案通过一阶逻辑进行编码，需要刨 建单独的执行系统