（计算机软件与理论专业论文）qos驱动的gis语义网格服务研究.pdf

o o s 驱动的g i s 语义网格服务研究 q o s 驱动的g i s 语义网格服务研究 计算机软件与理论 硕士生：赵叔能 指导老师：李文军教授 摘要 网格是应用于大规模计算机系统的分布式技术，它为跨地域跨组织问的资源 共享提供了技术支持。g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m 地理信息系统) 网格 服务采用一种面向服务的体系结构( s e r v i c e - o r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，简称s o a ) ， 为g i s 的信息共享与应用集成开辟了一条崭新道路。目前，在g i s 网格服务的 发布与查找方面，只能依懒于传统的基于关键字搜索的办法。这种办法并不能很 好的表达应用中服务的语义及上下文。使得应用不能自动的发现与集成已有的 g i s 网格服务，给g i s 的信息共享与资源的利用带来了障碍。 本研究结合语义网格一语义网与网格的研究课题，提出在网格中应用语义 网的技术，通过为网格计算环境巾的资源添加语义描述，加强网格服务的元数据 表达能力，从而提高网格的资源发现与集成能力，更好地共享与利用已有的网格 服务资源。 本文基于中山大学软件工程实验室g i s 网格服务项目中的研究，提出了基于 语义的q o s 驱动服务注册查找框架，并提出了带q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e 服务 质量) 的服务本体及相关的语义匹配与查找方法。利用本体去构建一个关于网格 服务的形式化模型，该模型包含有嘲格服务的动态q o s 信息。在此模型基础上， 构建一个基于语义的q o s 驱动g i s 网格服务发布与查找框架。 关键词：q o s语义两格本体 g i s 网格服务 0 0 s 鹱动的g i s 语义阿桥服务研究 r e s e a r c ho nq o sd r i v e ns e m a n t i cg i sg r i ds e r v i c e s c o m p u t e rs o r w a r ea n dt h e o r y n a m e ：z h a os h u e n g s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iw e n j u n a b s t r a c t g r i d , ad i s t r i b u t e dl e c h n o l o g yu s e di nl a r g es c a l ec o m p u t e rs y s t e m s ，e n a b l e s s h a r i n g r e s o u r c e sa m o n gd i s t r i c t sa n da m o n go r g a n i z a t i o n s g i s ( g e o g r a p h i e i n f o r m a t i o ns y s t e m ) g r i ds e r v i c e s w h i c he m e r g e 鹪t h el l c wg e n e r a t i o no f i u t e m e t - b a s e dg i sa p p l i c a t i o n s ，p a v ean c ww a yf o rb 2 be n t e r p r i s ea p p l i c a t i o ma n d e - g o v e r n m e n t s t os h a r e g e o s p a t i a ti n f o r m a t i o na n ds p a t i a la n a l y s i ss e r v i o e s t h i sp a p e rp r o p o s e saf r a m e w o r kf o rq o sd r i v e ns e r v i c ed i s c o w * yw i t h s e m a n t i c s t h ef r a m e w o r ki st oh e l pn s e l ss e l e c tt h ec u r r e n t l yb e s ts e r v i c e sm a t c h i n g t h e i rr e q u e s t si nad y n a m i cg g s ( g i sg r i ds e r v i c e s ) v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ( v o ) w e m a k et h es e l e c t i o na c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dd y n a m i cq u a l i t i e so f s e r v i c e s ( q o s ) r e q u i r e m e n t s t h i sf i a m c w o r ku t i l i z e so n t o l o g yt o d e f i n et h e m m i n o l o g i a so ng g s f u n c t i o n sa n dd y n a m i cq o ss e m a n t i c s t h ew o r ki sb a s e do n t h eg i sp r o j e c to f t h es o f t w a r ee n g i l a e e r m gl a bo f s u n - y a t 咖u n i v e r s i t y s u g g e s t sa 1 o n t o l o g yb a s e dq o s d r i v e ng r i ds e r v i c ef r a m e w o r kf o rg i sg r i ds e r v i c ed i s c o v e r y a n dm o n i t o r i n g aq o sd r i v e no n t o l o g yi sb u i r a n dt h es e m a n t i cm a t c hm a k i n ga n d q u e r yf o rs f t v i e e si sp r o p o s e d k 碍w o r d s ：q o s s e m a n t i cg r i d o n t o l o g y g i sg r i ds e r v i c e o o s 驱动的g i s 语义嘲格服务研究 第1 章引言 语义网格服务 2 0 1 的研究试图结合语义网与网格的研究课题，提出在网格中 应用语义网的技术，通过为网格计算环境中的资源添加语义描述，加强网格服务 的元数据表达能力，从而提高嘲格的资源发现与集成能力，更好地共享与利用已 有的网格服务资源。 本研究的解决方案就是利用本体去构建一个关于纠格服务的形式化模型，该 模型包含有网格服务的动态q o s 信息。在此模型基础上，构建一个基于语义的 q o s 驱动g i s 网格服务发布与查找框架。 网格系统的q o s 保证是有待解决的关键问题。随着网格的发展向商业应用的 服务网格，网格体系中的q o s 的需求也向一个新的台阶发展。具有q o s 属性的 网格服务发布与查找成为当前网格服务研究的重点。研究网格中的q o s 技术， 可以指导用户或者开发人员如何以q o s 为驱动机制，去整合网格环境中的各种 资源。 对服务资源的语义描述，成为了网格计算自动化的重要途径。网格系统必须 能够动态的创建、合成、管理各种各样的有状态的网格服务。这些服务的自动化 管理，更多的依赖于准确的形式化语义描述。q o s 的语义描述，能够使得网格服 务在语义层次上提供q o s 信息，以动态q o s 驱动的这种资源整合方式来利用我 们的网格服务资源。 语义网格服务的技术，能够为用户提供更人性化的门户服务。对于用户来说， 所需要的信息服务更能以适当的时间适当的地点出现。即智能的网格系统用户程 序，可以利用语义描述及相关的推理服务，获得与用户密切相关的服务资源。 本文后面的章节安排如下：第2 章介绍本文研究的背景；第3 章介绍了在 语义网格领域比较成功的研究项目：第4 章和第5 章介绍本文研究的理论基础与 技术基础中相关的基本概念；第6 章与第7 章着重介绍了本文研究的语义网格服 务框架和相应的带q o s 语义的服务本体。最后给出对整个工作的总结与下一步 工作的展望。 q o s 驱动的g i s 语义嘲格服务研究 2 1 网格 第2 章研究背景 网格( g r i d ) 是为人规模计算系统、高性能存储系统以及高级数据分析软件 的应用，为解决商业领域和科学领域的计算问题而提出来的。网格计算可以使组 织机构可以更加有效地和灵活地用他们现有的分布式计算资源，从现有的系统中 获取更加有用的计算力【14 】。与之相比，已有的分布式技术如c o r b a 、j a v a r m i 等，只能提供i 一一组织内的资源共享，而网格的研究则关注于动态的、跨组织的 资源共享。主要解决的问题是按需计算、数据密集型计算、协同计算等等。 2 1 1 网格的架构 网格架构是一个协议架构，用一组协议定义了虚拟组织用户可以建立、管理、 利用资源的基础机制。对于网格的架构，最初研究人员提出了五层沙漏架构( 构 造层、连接层、资源层、汇集层、应用层) 。五层沙漏结构是一种早期的抽象层 次结构，以“协议”为中心，强调协议在网格的资源共享和互操作中的地位。通过 协议实现一种机制，使得虚拟组织的用户与资源之间可以进行资源使用的协商、 建立共享关系，并且可以进一步管理和开发新的共享关系。这一标准化的开放结 构对网格的扩展性，互操作性、一致性以及代码共享都很有好处。 而后由g r i d f o r u m 4 起草的o g s a ( o p e n g r i d s e r v i c e s a r c h i t e c t u r e ) ，提出 了列格应用以嗍格服务为核一b 1 5 】。开放嘲格服务结构o g s a 是g l o b a lg r i d f o r u m 4 的重要标准建议，是继五层沙漏结构之后最重要、也是目前最新的一种 网格体系结构，被称为下一代的网格结构。其中心思想是：以服务为中心的模型： 统一的w e bs e r v i c e 框架；突破科技应用领域。建造o g s a 的两大支撑技术是网 格技术 如g l o b u s 软件包) 和w e bs e r v i c e 。五层模型与o g s a 都相当重视互操 作性，但o g s a 更强调服务的观点，将互操作性问题转化为定义服务的接口和 识别激活特定接口的协议 2 o o s 驱动的g i s 语义m 格噩务研究 2 1 2 网格中间件 如果说o s g a 是对网格的一个蓝图，那么o s g i ( o p e ng d ds e r v i c e s i n f r a s t r u c t u r e ) 则是如何构建网格的说明书了。o s g i 提出了网格服务，有状态的 w e b 服务以用于分布式的计算环境，为合作资源共享及跨机构动态虚拟组织间的 计算问题提出了解决方案。 g t 4 ( g l o b u st o o l k i t4 1 是现时比较流行的开源网格中间件，它是按照w s r f 的规范实现的。该项目发起于2 0 世纪9 0 年代中期，最初的目的是希望把美国境 内的各个高性能计算中心通过高性能网络连接起来，方便美国的大学和研究机构 使用，提高高性能计算机的使用效率。目前，g t 4 系统的主要组成部分有： ( 1 ) 网格安全基础设施( g s i ) ：( 2 ) g l o b u s 资源分配管理( g r a i v l ) ；( 3 ) 元 计算目录联务( m d s ) ；( 4 ) 全局二级存储服务( g a s s ) ；( 5 ) 网格f r p 服务； ( 6 ) g l o b u s 复制管理。 2 2 g i s 网格服务 进入因特网时代以后，一种基于w e b 的新型应用w e b g i s 为向非专业人员发 布g i s 信息与服务提供了一种廉价、实用的途径，g i s 从此走进千家万户。g i s 与因特网相结合产生了g i sw e b 服务，它采用松散耦合的面向服务体系结构 ( s o a ) ，其平台无关性使得应用能很好的满足日益增长的地理空间信息共享以及 集成的需求。为提高g i sw e b 服务的可互操作性，开放g i s 联盟( 0 g c ) 制订了 一系列6 i sw e b 服务规范。包括w e b 地图服务( w m s ) 等类型的服务。当前，不 少主流6 i s 软件供应商已经推出g i sw e b 服务产品，包括e s r i 的a r c w e b 服务、 i n t e r g r a p h 的开放地理空间网络、m i c r o s o f t 的 a p p o i n tw e b 服务等。 g i s 网格服务 4 5 ，4 6 结合了w e b 服务技术和高性能叫格计算。与w e b 服务 相比，网格服务可以支持更大规模的资源共享，将一个虚拟组织( v o ) 中所有的 计算资源、存储资源等资源均抽象为服务。更有利于将资源整合到一个应用当中。 从而有助于创建新型的g i s 应用。 o o s 驱动的g i s 语义两_ | 服务研究 2 3 语义网格 语义网格( s e m a n t i cg r i d ) 1 9 的提出，很大程度上是由于在大规模的网 格应用中，不断增加的对虚拟组织自动构建、组织内资源的协作能力、资源的自 动定位利用等方面的需求。我们可以用一个简单的例子引出原来网格设施对语义 的这一种需求。假设两个服务接口“a d d ”与“p l u s ”是同一虚拟组织中不同服 务提供者编写的同一功能的服务：加法。对于原来的网格设施，区分这两者的责 任便落到了使用者身上。服务的用户必须要显式的表明我需要使刚哪一个服务。 而不能够只表达只需要一个“加法服务”，然后系统自动的匹配一个这样功能的 服务。 现今的网格应用需求，很大程度上要提供一个用户友好的环境，尽量自动 化所有资源定位使用的工作。这也是当初i a nf o s t e r 对网格的一个愿景。即用 户不震要理会网格中有什么资源，只需要将任务提交，网格系统就会自动的定位 到任务执行所需要的资源并计算后返回一个结果。就现在的网格技术发展而言， 在网格资源的加入、选择、使用、合成方面，人是必不可少的一个重要凶素。语 义网格正是在这。方面作出努力，希望将更多的语义赋予给不同的资源，使得这 些资源是可以被计算机系统所识别的。继而使资源的加入、选择、使用、合成都 能在计算机系统的自动化方式下进行。使用者只需要关心的是需要完成什么任务 以及这个任务需要何种类别的资源，剩下的就可以交给网格系统去完成了。 实际应用中提出了对语义网格的一些明确的需求，下面列举相关的十二点 【1 8 】： 1 资源的描述、发现与使用。系统必需能够识别构成系统的大量的信息内容、 服务、计算资源、网格基础设施等。系统必需能有效的发现这些资源，适当 的利用，并有计划的安排任务。 2 处理过程的描述与执行。虚拟组织可以为某一服务序列的合成进行描述( 如工 作流) ，系统能够自动的将相关的资源进行合成。 3 自治行为。整个系统的动态配置可以自动完成。特别是在出现故障的时候， 自动修复的能力是必需的。 4 安全与信任机制。当多组织参与协作的时候，各自的安全策略需要以某种形 式发布以能够让其它的成员使用。 4 0 0 s 驱动的g 1 s 语义嘲格服务研究 5 标注。新数据的产生，必须伴随着解释这些数据的原数据。语义网格应当提 供一种方便的手段，让领域专家为其产生的数据添加原数据，且这些原数据 信息是有助于共享这些数据的。 6 信息集成。语义网格可以提供一种手段让用户查询到自己所需要的数据信 息，且能使这此信息之间是可互操作的。 7 同步的信息流与混合。除了持久化的数据外，实时的数据流动引发的事件应 该触发一些自动处理的事件。利用数据的原信息，系统能够自动的整合处理 新产生的数据。 8 上下文相关的决策支持。系统必须知道在何时何种设备上存放或显示用户的 数据。 9 社区。网格内的用户可以自由的创建自己的协作社区。 1 0 智能环境。与外界的环境交互中，网格必须显示一定的智能性。( 如使用条 型码或者r f i d 等) 令用户与其它设备的交互更直接、方便。 11 容易开发及配置计算环境。网格的服务应当令更多非网格技术专家能够开发 和部署。 1 2 与遗留系统的整合。因为语义网格是希望整合不l j 的资源进行共享，因此， 与遗留系统的整合，仍是语义嘲格的研究问题之一。 2 4 。语义网格的研究问题 语义网格这一名词的提出与网格的出现几乎是同一时间的可以说，语义 网格研究只是在原来网格提出的基础上，针对一些特定的需求所提出问题。相对 于原来的网格研究，语义网格最缺乏的是一个行之有效的像0 g s a 之样的架构标 准。 现阶段的研究，很大程度参考语义网( s e m a n t i cw e b ) 的研究成果 2 1 1 。首 先，在计算的目标与方式上，w e b 与g r i d 有相类似的地方。他们两者都是以共 享资源为目标都是以分布式的计算环境为基础。尽管在架构上，这两者有较大 的区别，但网格是在w e b 这种计算方式下发展过来的，它的基础设施很多都是 基于w e b 的应用。因此，研究者们在语义网的发展巾，借鉴了许多语义网的研 究 s o o s 驱动的g i s 语义髑鞯服务研究 语义网在理论方面的研究，特别是本体的研究为语义网格的研究提供了个 良好的基础。近年来，随着r d f 、r d f s 、o w l 等成为了w 3 c 的推荐标准后， 语义网的许多应用都可以成为现实。更多的标准正在制定，如为w e b 服务制定 语义标准的o w l - s 提案。现在的许多语义网格应用，在语义原数据方面，研究 者和开发人员们都采用了r d f 进行描述，在领域的本体模型上都普遍的使用了 o w l 作为工具。这主要是能够使得许多的工具与现行的标准相符，且能够与 w e b 的研究成果共享。 另外，一些研究人员基于主体a g e n t 的计算来研究语义网格 1 8 】。这方面主 要是强调了服务的自丰性。即在服务等级的协议( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 方 面自动的进行协调，也能够在动态的计算环境中自适应，例如自动的选择资源。 同时，由于网格是面向服务的体系结构s o a ，这方面的研究便必须以服务为核 心，提出a g e n t - b a s e d 的方法论。研究成果方面比较有成效的是w s a g r e e m e n t 。 其次，在一些研究中，人们探讨了网格与用户之阃的交流。毕竟语义网格的 很主要的目标是为e - s c i e n c e 服务的，是要为人们的协作提供一个更用效的平台。 这方面的研究就涉及到了普适计算( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 的范畴。其中也探讨 了许多人性化的功能，如在手持设备上加入对网格的支持等。 总的说来，语义嗍格的研究是基于原有的嘲格体系结构的基础，以s o a 为 出发点，研究在服务为主导下的计算环境中如何更有效的自动化整合及共享资 源。 6 o o s 驱动的g i s 语义聃讲服务研究 第3 章语义网格著名研究项目 3 1 m y g r i d 该项目( h t t p ：w w w m y 鲤i d o r g u k ) 是一个英国e s c i e 眦e 项目，由e p s r c 资助， 并由五所英国的高校及欧洲生物信息研究所和其它一些商业机构所承担。此项目 是基于生物科学的研究领域目标为科学研究提供一个平台共享信息。生物科学 研究需要一个工作流程进行不同的分析。需要综合不同的资源，组成一个临时的 组织进行工作。m y c , d d 建造了一个开源的高层次网格中间件，以提供数据密集型 的生物科学研究平台。其重点是数据资源的整合、工作流、个性化的用户使用环 境。在这个项目中，利用本体来描述的任务主要集中在解决两个问题：1 ) 找到 合适的服务类型。2 ) 对于任务，将找到的服务合成起来使用f 考虑到的工作流的 语义建模。项目中使用t r d f , r d q l ，d a m l + o i l ( o w l ) ，d a m l - s ( o w l s ) ， w s f l 建模过程中他们利用d o m a i nm c t a d a t a 表达领域知识b u s m e 站m e t a d a t a 表达 c o s t , q o s 等内容。 3 2 0 n t o g r i d t h eo n t o g r i dc o n s o 而u m ( h t t p ：w w w o n t o g r i d n e g o n t o g r i d h o m e i s p ) 包括数 家大学及机构的研究人员组成，其成员包抱有t h eu n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e r , u i l t h eu n i v e r s i t yo f l i v e r p o o lu k 等著名大学。其应用背景为保险业对汽车损坏的 赔偿处理以及卫星发射任务中模拟且进行质量分析。 提出s - o g s a 作为语义网格的参考架构，这个架构在o g s a 基础上定义了 一个轻量级的机制用于显式的使用语义描述。定义了相关的知识服务用于支持处 理服务能力。 提出了o d e s g s 框架描述语义网格服务。o d e s g s 是一个环境用于为原有 的网格服务进行标注语义以及创建新的语义网格服务。这个开发的过程是在知识 的层次上的。这个环境提供了能过图形界面设计服务并自动转换到带语义的服务 表达语言表示，以及在这个过程的错误处理能力。这使得整个环境支持一种半自 7 o o s 驱动的g i s 语义刚格服务研究 动化的服务发现机制。o d e s g s 的标注过程是与w s r f 相兼容的。这意味着它 支持对w s r f 描述的服务进行语义标注。一旦在知识层次上刨建了网格服务， 这个环境就会为该网格服务在w s r f 与语义描述间构建一个关联( 以s - o g s a 为基础) 并提供将这些语义描述表达成如r d f ( s ) 、o w l s 的形式。这个知识 层次上的语义描述是基于o d e s g so n t o l o g y 这一本体的。这本体描述了语义 网格服务的各方面，如功能、工作流、交互、非功能的参数等。 借助于语义网的创造，我们将能够以内容访问w e b 而不是关键字。一个很主 要的发展是新一代的标记语言如o w l 以及在它之前出现的 d a m l + o i l ( h t t p ：w w w d a m l o r g ) 。这些语言都能够为任何领域创建本体和网站 上本体描述的实例。这些语言也同时提供了进行逻辑推理的能力，能让应用程序 自动的推出奉体描述语句的结果。 在w e b 资源中，服务已经被提到了一个相当重要的位置。s o a 为许多大规 模的分布式应用提供了良好的支持。语义网在其中所能够发挥的作用就是允许计 算机可识别的服务注册、发现、使用和监视。一个软件a g e n t 需要正规的对服务 的描述，包括服务的内容、访问方式、结果等。网络中的资源就需要在一个统一 的框架中使用标准的本体描述语言，包括一套基本的类与属性。o w l 就提供了 这么一个w e b 兼容的语言框架。 o w l - s ( h t t p ：w w w w 3 o r g s u b m i s s i o n o w l - s ) 是基于o w l 建立的w e b 服 务本体。它的目标任务是： 1 ) 自动的w 曲服务查找与发现。根据一些客户定制的约束能够自动的对有相关 能力的w e b 服务进行定位。例：机票( 关键字与本体语义查找的对比) 2 ) 自动的w e b 服务调用。这是指只提供对服务的描述一个w e b 服务就能够被程 序或者a g e n t 所调用，与之相比的是往常所用到的需要生成特定的桩的做法。 3 ) 自动的w e b 服务组合与互操作。通过给出高层次的需求描述，可以自动的完 成服务选择、组合与互操作。例：旅游安排。对于这个目标的支持，必需提供语 言描述服务的前提与运行结果的规格说明，以及描述服务的合成与数据流的交 o o s 驱动的g 1 s 语义硝格服务研究 互。 构造服务的本体，需要回答下面三个问题：服务向用户提供了什么? 这个服 务是如何使用的? 其它服务如何弓它交互? 从总体上，o w l s 提供了s e r v i c e 、s e r v i c e p r o f i l e 、s e r v i c e m o d e l 、 s e r v i c e c n o u n d i n g 等类去回答上面的问题。每一个s e r v i c e 的实例都会p r e s e n t s 一 个s e r v i c e p r o f i l e ，也会d c s c r i b c d b y 一个s e r v i c e m o d e l ，同时会s u p p o r t s 一个 s e r v i c e g r o u n d i n g 。p r e s e n t s 、d e s c r i b e d b y 、s u p p o r t s 都是s e r v i c e 的属性。通常说 来，s e r v i c e p r o f i l e 向a g e n t 提供了信息用于服务的发现，而s e r v i c e m o d e l 与 s e r v i c e g r o u n d i n g 结合起来，向a g e n t 提供了足够的信息说明这个服务是如何使 用的。 o w l - s 为语义服务的本体建立奠定了一个基础。 3 4 。k n o w l e d g eg r i d 由中科院诸葛海研究员【2 5 ，2 6 带领的团队。项目立项于0 4 年1 1 月，是国 家的9 7 3 项目，应用背景同样是医药信息类。他们主导的框架较大，计划是从理 论到实现包办将语义网格提升到另一个层次一知识网格。在架构方面，他们综 合了p 2 p 计算及网格计算的特点提出自己特色的架构 对于这个项目，值得参考的是他们提出的知识网格的需求。他们提出的架构 有值得参考的地方。特别是借鉴于p 2 p 计算方面的这样一个考虑。他们不只是要 将语义加入到网格中，而是要用语义的模型去刻画整个知识网格的计算环境，使 得从基础设施开始，整个网格就是以知识应用为中心的。 9 o o s 驱动的g i s 诺义两格服务研究 第4 章语义信息表达的逻辑研究 4 1 本体 本体是语义网格中语义研究的理论基础，它的概念住不同的研究领域有着 不同的含义。借助本体来标识我们计算机环境中的服务，使得计算环境具有自动 化的性质。卜面简单介绍了本体的概念。 最初本体的研究来源于哲学。哲学上的本体足指存在的主体。该领域所研究 之本体问题与计算机科学所研究的本体问题差别较大，这里就不详细论述了。可 以在下面这个网址找到相关的信息：h t t p ：w w w f o r m a l o n t o l o g y i t 。 4 1 1 人工智能研究的本体 人工智能是最早引入本体概念的计算机科学分枝。其中研究本体是为了定义 知识共享中的公有词汇( c o m m o n v o c a b u l a r y ) 。我们可以认为在人工智能系统中， 现实存在的就是可以被表达的。当一个领域( d o m a i n ) 里的知识可以用陈述形 式( d e c l a r a t i v ef o r m a l i s m ) 表达，那么表达的对象就构成了论域( u n i v e r s eo f d i $ c o l l l s e ) 。这些对象以及它们之间的关系可以在以知识处理为基础的程序中表 达出来。因此，我们可以在一个程序中用定义具体项目( r e p r e s e n t a t i o n a l t e r m s ) 的方法来描述本体。形式上，这些本体是一个逻辑学的陈述( s t a t e m e n t ) 。这也 就引入了使用逻辑的语言来表达本体。 4 1 2 语义网需要引入的本体 本体就是对概念的一个规格说明。这样的说法比较能够表达本体在计算机 科学中，特别是w e b 中的应用需求【2 4 】。这就是说，本体是一个对概念以及在 主体闻存在的关系的一个描述。对于本体，重要的是知道本体的用处。在许多计 算机科学研究者的工作中，本体的研究是为了共享与重用知识，而且能够使得计 算机操作与使用这些知识。 语义网中研究本体，是借用了人工智能方面研究的许多成果。在语义网中， 1 0 o o s 驱动的g i s 语义网格服务研究 研究本体的目的是为了w e b 上的资源共享更好的被机器自动化处理，以便于资 源的整合与利用，且使得在w e b 上可以表达知识关系。 对于本体的理解，主要有三个关键点。 1 本体是针对某个我们感必趣的领域进行建模。 2 建模的方式是形式化的，描述的是领域中的概念及其关系。 3 模型建立以后是可以被计算机的软件工具自动处理的。 4 2 描述逻辑 描述逻辑【1 1 】是语义网工作的重要理论支持。它规范了本体的语义，使得本 体能在计算机之间进行交互。了解这门逻辑是为了使语义网格建模能更好的完 成。描述逻辑作为一门逻辑，它有自己的发展与研究内容。其重点是在于研究描 述逻辑的表达能力与推理能力，以及在实际应_ f l i 的发挥的作用。对于描述逻辑的 研究属于专门的一个方向。若从语义网格应用的角度看，我们应该注重于考察各 种描述逻辑语言的表达能力，以及它能够提供的推理机制是否适合我们的应用需 求。 描述逻辑作为一种表达知识的形式化方法，是人工智能方面研究的方向。描 述逻辑是由语义网络( s e m a n t i cn e t w o r k s ) 和f r a m e 1 1 1 系统发展而来的。描述逻 辑语言提供的语言结构及推理，被视为知识表达系统的核心。 在知识表达领域的研究，一般是关注高层次的描述能力，即如何显式的表达 现实世界中的概念及概念之问的关系。这方面的研究从7 0 年代开始。分为两个 分枝一个是逻辑基础的分技。利用谓词演算去表达知识；一个分枝是非逻辑基 础的表达，例如网络结构和以规则为基础的表达。在逻辑基础的方法中，一般是 以一阶谓词演算的变形作为知识表达的语言，而推理则是用于验证逻辑结论。在 非逻辑基础的方法中，一般是基于图形表达的使用，知识的表达与推理都是用一 些a dh o c 的数据结构及方法，s e m a n t i cn e t w o r k 与f r a m e s 就是这类特殊方法。前 者是由1 9 6 7 年q u i l l i a n 提出的工作f 1 1 1 ，主要目标是用网络状的结构表达及推理 知识。后者则是提出“f r a m e ”的概念作为原型并研究各个“f 1 a m e ”间的关系。 这两者都被视为网络结构型的知识表达方法，这种方法利用网络状的结构表达个 体集合与他们之间的关系。这类方法比起逻辑基础的方法，更以人的认识为中心， q o s 驱动的g 1 s 语义网 服务研究 在实用方面更有效。但是，这类的系统都缺乏准确的语义。使得每个系统的行为 都千差万别。后来的研究发现，这两种方法均可以视作一阶逻辑的一部分。在这 样的基础上，描述逻辑的研究开始于t e r m i n o l o g i c a ls y s t e m s ，而后来发展到 c o n c e p tl a n g u a g e s 。直至近几年，描述逻辑( d e s c r i p t i o nl o g i c ) 这一名称才广为使 用。 图表4 1 则为一个网络结构的知识表达例子。例子中表达了关于p c i s o r l s 、 p a r e n t s 、c h i l d r e n 等的知识。网络的结构可以显式的表达出概念及其关系。例如 m o t h e r 与p a r e n t 之间的连接表明了m o t h e r s 是p a r e n t s 的关系。我们可以从中了 解到描述逻辑表达知识的基本思想。 图表4 - 1 o o s 驱动的g i s 语义叫擀服务研究 第5 章语义网格服务的技术研究 语义髓( s e m a n t i cw 西) 【2 l 】的研究为语义嘲播的研究提供了很强的理论与工 程实践基础。现阶段的w e b 应用中，大部分信息部只能给人阅读而不能给机器 阅读，换而言之，它缺少了一种可以自动处理信息的能力，这就给跨应用领域的 数据共享及整合带来了相当大的困难，另外财于更进一步的w e b 信息搜索，比 如说知识查找等应用的发展也造成了阻碍。x m l ( e x t a n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 可扩展标记语言，是由万维网协会w 3 c ( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ，1 9 9 4 1 0 成立，由w e b 的发明者t i mb e r n e r s - l e e 领导) 于1 9 9 8 年制定的一种基于文本的 数据描述语言的语法通用标准，可用于制定定义数据的结构、种类、属性和内容 的具体规范，为各种应用提供了良好的数据表示形式。语义n ( s e m a n t i cw e b ) 试 图在这方面通过提出基于x m l 格式的语言规范的方式去解决问题。使得w e b 上的信息是机器可以自动处理的。提出了语义网的工作基础r d f ，r d f s 、o w l 三种基于x m l 的语言规范。 5 1 语义网 w e b 的设计目标是一个信息的空间，不单为人与人的交互作用而且应该为 机器与机器的交互提供帮助。现阶段一个最大的问题是，w e b 上的大部分信息都 只能给人阅读而不能给机器阅读，换而言之，它缺少了一种可以自动处理信息的 能力。就算是结构化比较好的数据库，也不能够提供相当好的自动化处理能力。 很明显，给一个机器去识别一个新的数据库中的数据是非常困难的事情。除了人 工智能研究方面去解决训练机器去模拟人类行为外，语义n ( s e m a n t i cw e b ) 在这 方面，通过提出语言( 基于x m l 格式) 的方式尝试去解决这一个问题。使得w e b 上的信息是机器可以自动处理的。 语义网提供了一个通用的框架，允许跨越不同应用程序、企业和团体的边界 共享和重用数据。语义w e b 是w 3 c 领导下的协作项口，有大量研究人员和业界 伙伴参与语义w 曲以资源描述框架r d f ( r e s o u r c ed e s c r i p t i o nf r a m e w o r k ) 为基 础，r d f 以x m l 作为语法、u r j 作为命名机制，将各种不同的应用集成在一起。 t i mb e m e r s - l e e 等人在对语义网进行定义时提出了“语义网是现有w e b 的 1 3 0 0 s 驱动的g i s 语义网格服务研究 扩展，信息被赋予定义良好的含义，更便于计算机和人的协同”。在t i m b e m a c s - l e e 的设想中，语义网就是w w w 的将来。现阶段，许多组织都致力于 把机器可认识的数据放到w e b 上面。只有将数据以机器可认识的形式发布，我 们才能利用软件工具自动的处理、共享w e b 上面的数据。语义网的愿景就是将 w e b 上面的数据以一种可以机器使用的形式进行定义与链接，这样做的目的不但 可以使数据为人所阅读，而且可以为以后跨应用的数据自动化、整合、重用提供 良好的基础。 5 2 x m l x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 可扩展标记语言，由万维网协会w 3 c 于1 9 9 8 年制定的一种基于文本的数据描述语言的语法通用标准，可用来制定定 义数据的结构、种类、属性和内容的具体规范。x m l 被誉为因特网上的世界语， 其主要应用领域有：数据交换、w e b 发布和分布式计算等，是新万维网w e b 的 基础，是语义网研究中在表示层上一个重要的工作基础。 5 3 r d f 与r d f s 5 3 1 r d f r d f ( h t t p ：w w w w 3 o r g r d f ) 是用于在w e b 上表现信息及交互知识。它是 w 3 cr e c o m m e n d a t i o n1 0f e b r u a r y2 0 0 4 。r d f 是语义网工作的基础之一，虽然它 的许多语法被x m l 的开发者所反对，但它最有价值的部分是数据模型。它定义 了非常简单的三元组形式的数据模型：( s u b j e c t , p r e d i c a t e ，o b j e e o 其中s i l b j e c t 和 p r e d i c a t e 是u r i $ ，o b j e c t 是u r i 或者文字描述。r d f 直接定义类，属性以及它们的 关系。这些操作是直接在数据模型这一层次上做的，而不是语法层次。在这一领 域上最难的问题不是整个实现的机制，而是本体本身。如果没有工业上广泛认可 的本体存在，使用语义网是有很大的限制的。许多机构正在努力研究这一方面的 内容，如d u b l i nc o r em e t a d a t al n i t i a t i v e l t 在创建各种的本体以及相关的工具去管 理它们。 r d f 的表现形式为x m l ，它刻画了一个r d fg r a p h 。 1 4 o o s 驱动的g i s 语义m 格服务研究 r d f 使用命名特性和值来表达与资源有关的简单声明。但是，在某些情况 下，用户希望能够根据需要自定义一些词汇，然后用这些词汇来描述资源。这些 词汇表明用户正在描述某种资源，并且会采用某些特定的特性来描述。 详细的 内容可以参考w 3 c 公布的规格说明。 5 3 2 r d f s r d f 本身并不能针对特定应用需求来定义一些类和特性。这些类和特性被称 为r d f 词汇，它们需要通过r d f 词汇描述语言：r d fs c h e m a ( r d f 的一种扩 展语言) 来定义。r d f s 才算得上是本体描述语言。 r d f s 通过一些元r d f 标记，可以用于定义基本的用户词汇，表达领域知识。 关于r d f s 的详细的内容可以参考w 3 c 公布的规格说明。 5 4 o w l o w l ( h t t p ：w w w w 3 o r g 2 0 0 4 o w l ) 是用于发布共享本体，用于支持更有效 的w e b 搜索、软件a g e n t ) 及知识管理。o w l 也是需要r d f 、r d f s 作为基础的。o w l 分为三个子语言，分别对应1 i 同的需求。o w ll i t e 、o w ld l 、o w lf u l l 。 o w l 提供了三种表达能力递增的子语言，以分别用于特定的实现者和用户团体。 o w ll i t e 用于提供给那些只需要一个分类层次和简单约束的用户。例如， 虽然o w ll i t c 支持基数限制，但只允许基数为0 或l 。提供支持o w ll i f e 的工 具应该比支持表达能力更强的其他o w l 语言更简单，并且从辞典( t h e s a u r i ) 和 分类系统( t a x o n o m y ) 转换到o w l l i t e 更为迅速。 o w ld l 支持那些需要最强表达能力的推理系统的用户，且这个推理系统 能够保证计算的完整性( c o m p u t a t i o n a lc o m p l c t o n e s s ，即所有的结论都能够保证 被计算出来) 和可判定性( d e c i d a b i l i t y ，即所有的计算都在有限的时问内完成) 。 它包括了o w l 语言的所有成分，但有一定的限制，如类型的分离( 一个类不能 同时是一个个体或属性，一个属性不能同时是一个个体或类) 。o w ld l 这么命 名是冈为它对应于描述逻辑。o w ld l 旨在支持已有的描述逻辑商业处理 ( b u s i n e s ss e g m e n t ) 和具有良好计算性质的推理系统。本文所构建的本体即基于 此语言。 1 5 q o s 驱动的g i s 语义嗍讲服务研究 o w l f u l l 支持那些需要尽管没有可计算性保证，但有最强的表达能力和完 全自由的r d f 语法的用户。例如，在o w l f u l l 中，一个类可以被同时看为许多 个体的一个集合以及本身作为一个个体。另外一个和o w ld l 的重要区别是 o w l ：d a t a t y p e p r o p c r t y ( 数据类型属性) 能作为一个o w l ：i n v e r s e f u n c t i o n a l p r o p e r t y ( 逆函数型属性) 。o w lf u l l 允许一个本体增加预定义的( r d f