（计算机应用技术专业论文）制造网格中基于语义的服务发现研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 制造网格实现了地理上分散的各类制造资源的全面连通，用户能像使用本地 资源一样方便地使用制造网格中的服务资源，从而解决了网络化制造环境中的 资源共享和协同工作问题。针对传统的基于关键字的服务发现方式在服务的查 全率和查准率上难以令人满意这一问题，本文研究了制造网格中基于语义的服 务发现方式。制造网格中基于语义的服务发现综合采用网格计算、语义w e b 和 w e b 服务技术，以服务描述为基础，采用服务匹配算法计算服务的相似度，是 一种快速、准确的服务发现方式。本文以服务发现过程为研究对象，对制造网 格中基于语义的服务发现的相关理论和技术进行了深入的研究。 在传统的w e b 服务体系结构基础上，面向服务发现的服务描述、注册发布 与匹配三个过程，结合语义w e b 和w e b 服务实现技术，构建了制造网格中基于 语义的服务发现系统框架模型，设计了该框架下的功能组件，研究了服务发现 的工作流程。 为了在制造网格资源服务的描述中添加语义信息，研究了本体的构建步骤， 建立了制造资源试验本体。通过继承并扩展w e b 服务本体语言( o w l s ) 的服 务概要( s e r v i c ep r o f i l e s ) ，使其能以描述服务的当前状态和服务数据的方式来定 义制造网格服务的概要( g r i d s e r v i c e p r o f i l e ) ，采用g s e r v i c e p r o f i l e s 本体并结合 制造资源本体的方式，实现了对服务的语义描述。通过在服务注册中心引入本 体提供的分类机制和w e b 服务本体语言，优化了服务的存储方式，解决了服务 注册中心对语义信息的支持。 为了实现快速、高效、精确的制造资源服务发现与匹配，建立了该问题的数 学模型，阐述了制造资源服务发现的基本要求，对其实现环境制造服务匹 配引擎进行了研究，建立了制造服务匹配引擎的体系结构，研究了其工作过程。 在制造服务匹配度以及语义相似度计算研究的基础上，设计了制造服务匹配引 擎的核心算法。通过实验分析，设计的算法有较高的服务查全和查准率。 最后，在相关项目“制造网格资源共享服务平台”的支持下，开发了制造网 格中基于语义的服务发现原型系统，进一步验证了研究的可行性。 关键字：制造网格，语义w e b ，w e b 服务，本体，服务发现 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gg a dm a k e s t h ec o n n e c t i v i t yo fa l lt h ed i s t r i b u t e dm a n u f a c t u r i n g i c s o u i e sc o m et r u e u s e r sc a nm a k eu s eo ft h es e r v i c er e s o u r c e si nm a n u f a c t u r i n g g a dc o n v i e n t l ya si ft h e yw e r el o c a lr e s o u r c e s i tr e s o l v e dt h ep r o b l e m o fr e s o u r c e s h a r i n g 柚dc o l l a b o r a t ew o r ki nn e t w o r km a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t i na l l u s i o nt o p r o b l e mo fc u s t o ms e r v i c ed i s c o v e r y w h i c hb a s e do nt h ek e y w o r dh a s t h e u n s a t i s f a c t o r yr e s u l to fl o wr a t eo fi n q u i r yp r e c i s i o na n dr e c a l l ，t h es e r v i c ed i s c o v e r y b a s e do ns e m a n t i ci nm a n u f a c t u r i n gg a dw a sr e s e a r c h e d i ti n t e g r a t e st h et e c h n o l o g y o fg a dc o m p u t i n g , s e m a n t i cw e ba n dw e bs e r v i c e ，a n di t b a s e do nt h es e r v i c e d e s c r i p t i o na n dc o m p u t e st h es i m i l a r i t yo fs e r v i c e st h r o u g ht h ea l g o r i t h mo fs e r v i c e m a t c h ma ：k e r i naw o r d ，i ti sar e a l i z a t i o nw a yo fd i s c o v e r ys e r v i c e sq u i c k l ya n d e x a c t l y f o c u so i lt h ep r o c e s so fs e r v i c ed i s c o v e r y , t h i st h e s i ss t r e n g t h ss t u d yo nt h e t h e o r i e sa n d k e yt e c h n o l o g i e s o fs e r v i c ed i s c o v e r y b a s e do ns e m a n t i ci n m a n u f a c t u r i n gg r i d b a s e do nt h ea r c h i t e c t u r eo fw e bs e r v i c ea n d c o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yo f s e m a n t i cw e ba n dw e bs e r v i c e ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r em o d e lo fs e r v i c ed i s c o v e r y s v s t e mb a s e do ns e m a n t i ci nm a n u f a c t u r i n gg a dw a sd e s i g n e dw h i c hf o c u so nt h e p r o c e s so fs e r v i c ed e s c r i p t i o n ，p u b l i s ha n dm a t c h m a k e t h ef u n c t i o nc o m p o n e n to f t h ea r c h i t e c t u r ew a sd e s i g n e d ，a n di t sw o r k f l o ww a s r e s e a r c h e d i no r d e rt oa d ds e m a n t i ci n f o r m a t i o nt ot h em a n u f a c t u r i n gg a d r e s o u r c es e r v i c e s , t h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n go n t o l o g yw a sr e s e a r c h e d ，a n da ne x p e r i m e n t a lo n t o l o g y o fm a n u f a c t u r i n gf e s o u f e e sw a sc o n s t r u c t e d t h ed e f i n i t i o no fs e r v i c e p r o f i l eo fg a d s e r v i c e sn a m e dg s e r v i c e p f i l e sw h i c hi n c l u d e st h es t a t ea n ds e r v i c e sd a t aw a sp u t f o r w a r dt h r o u g hi n h e r i ta n de x t e n dt h es e r v i c e p r o f i l eo fw e bo n t o l o g yl a n g u a g ef o r s e r v i c e a tl a s t ，t h es e m a n t i cd e s c r i p t i o no fs e r v i c e sw a s r e a l i z e dc o m b i n e dw i t ht h e g s e r v i c e p f o f i l e so n t o l o g ya n dt h eo n t o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ed o m a i n t h e s t o r a g e m a n n e ro fs e r v i c e sw a so p t i m i z e da n dt h ep r o b l e mo f t h es e m a n t i c s u s t a i n a b l ei ns e r v i c er e g i s t e rc e n t e rw a sr e s o l v e dt h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no ft h e 武汉理：亡大学硕士学位论文 c l a s s i f y i n gm e c h a n i s ma n do w l - s t os e r v i c er e g i s t e rc e n t e r i no r d e rt or e a l i z ed i s c o v e r ya n dm a t c h m a k eo ft h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s e r v i c e s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs e r v i c ed i s c o v e r yw a sp r e s e n t e d ，a n dt h e r e s t r i c t i o nf o rs e a r c h i n gm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es e r v i c e sw a se x p a t i a t e d ar e a l i z e d i n f r a s t r u c t u r en a m e dm a t c h i n ge n g i n ew a sr e s e a r c h e d ，t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d w o r kp r o c e s so ft h em a t c h i n ge n g i n ew e r er e s e a r c h e d o nt h eb a s i so ft h ed e f i n i t i o n o fs e r v i c e m a t c h i n gd e g r e e a n ds e m a n t i cs i m i l a r i t y , t h e m a t c h i n ga l g o r i t h m i m p l e m e n t e di n t h em a t c h i n ge n g i n ew a sd e s i g n e d a st h ee x p e r i m e n ts t a t e ，t h e a l g o r i t h mh a si m p r o v e dt h es e r v i c ed i s c o v e r yi np r e c i s i o na n dr e c a l l f i n a l l y , w i t ht h eh e l po fap r o j e c tn a m e d m a n u f a c t u r i n gg r i dr e s o u r c es h a r i n g p l a t f o r m ”，t h ep r o t o t y p eo fs e r v i c ed i s c o v e r yi nm a n u f a c t u r i n gg r i dw a sd e v e l o p e d , a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h er e s e a r c hw a sv a l i d a t e d k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gg r i d ， s e m a n t i cw e b ，w e bs e r v i c e ， o n t o l o g y ， s e r v i c ed i s c o v e r y 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 研究生( 签名) ：跹日期 关于论文使用授权的说明 跚毯。丐ll j i 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 屎留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：毁毒师。签名， 日觌洳0 3 | 五。哆 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，国内加大了对网络化制造的研究，出台了很多网络化制造模式。 由于没有统一的标准和规范，并且网络化制造涉及到的资源种类繁多，而资源 存在着异构、分散、自治和动态等特征。因此，网络化制造中的资源共享和协 同工作问题得不到较好的解决，使得网络化制造只能局限于某个地区或行业， 甚至是某类产品中，信息技术领域的网格技术可望解决这一问题。 网格是把地理位置上分散的资源集成起来的一种基础设施，使用户可以透 明地使用自己需要的资源。网格上的资源包括计算机、集群、计算机池、仪器、 设备、传感器、存储设备、数据、软件等实体【。目前，能被普遍接受的网格定 义是由美国a r g o n n e 实验室的l a nf o s t e r 于2 0 0 1 年提出的：“动态多机构虚拟组 织中的资源共享和协同问题解决1 2 】。网格的目的在于把用通信手段连接起来的 资源无缝地集成为一个有机整体，让用户如同电力网格中使用电力一样方便的 去使用网格资源。网格的核心思想和根本特征是实现资源的共享，消除资源孤 岛是其奋斗目标。 2 0 0 4 年1 月2 0 日，g l o b u s 联盟、i b m 和h p 等联合发布了网格的新标准 - w e b 服务资源框架( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ，w s r f l 3 1 ) 。在w s r f 规范中，网格服务演变了w e b 服务和资源文档两部分，认为资源是有状态的， 而服务是无状态的1 4 1 。w s r f 推出的目的在于定义一个通用和开放的架构，利用 w e b 服务对具有状态属性的资源进行存取。w s r f 的提出，使得网格技术不再 局限于学术的殿堂，而与已经商业化的w e b 服务技术彻底融为一体。 将资源封装成w e b 服务，采用w e b 服务相关标准达到对资源使用的目的， 打破了传统网络对资源共享的种种限制，为用户提供前所未有的资源共享机会。 因此，将网格技术引入制造业是网络化制造发展的自然趋势。 目前，对制造网格还没有一个标准的定义。文献f 5 1 对此的定义是：制造网 格是实现企业和社会资源共享与集成，支持企业群体协同运作和管理的集成支 撑环境，它基于网格和相关先进的计算机与信息技术，通过网络将分散在不同 武汉理 二入学硕士学位论文 企业和社会群体中的设计、制造、管理、信息、技术、智力和软件资源通过封 装和集成，屏蔽资源的异构性和地理分布性，以透明的方式为用户提供各类制 造服务。使企业或者经营个体能够以请求服务的方式方便地获得所有与制造相 关的服务，能够像使用本地资源一样方便地使用封装在制造网格中的所有资源， 实现各类资源的集成和优化运行，并为构建面向企业协同制造特定需求的制造 网格系统提供协同工作支持环境，从而实现企业间的商务协同、设计协同、制 造协同和供应链协同，使基于制造网格支撑环境运行的制造企业群体能够以低 的成本和短的开发周期，制造出符合市场需求的高质量产品。 制造网格是在i n t e r n e t 环境和网格等相关技术支持下构建的面向制造的虚拟 网络，其物理网络还是目前的i n t e r n e t ，通过i n t e r n e t 来整合所有制造及相关资源， 实现了制造资源的无缝集成和透明的访问，彻底解决了制造资源共享。 随着制造网格技术研究的深入和应用的普及，制造网格中存储的服务资源 在数量上将急剧增加，服务的形式将多样化和无组织化，服务的主题将复杂化， 人们在网络时代感受到的“数据过剩 和“知识贫乏 问题将在网格时代被“服 务过剩 和“服务贫乏”所取代，如果没有一种好的服务发现方式，人们势必 迷失在服务的海洋中。 另一方面，随着w e b 的迅速普及，基于w e b 的应用已由最初的简单应用延 伸到种类日益繁多的复杂应用和计算，传统的w e b 体系已越来越不能满足新的 发展需求，互联网技术的研究者正在研究新的技术来改变这种状况，其中最令 人瞩目的是w w w 的创始人之一t i mb e r n e r s l e e 于2 0 0 1 年在文献【6 】中提出了 语义w e b 技术。语义w e b 是对当前w w w 的扩展，通过给w e b 上的资源信息 添加上拥有明确定义的语义，使计算机不仅能够处理信息，还能够理解它所处 理的内容，从而使得计算机之间以及计算机与人类能更好的彼此合作。从功能 上看，语义w e b 是一个能够“理解人类信息的智能网络。自语义w e b 被提出 以来，其相关的支撑技术得到了快速发展，相关的标准和技术不断涌现，如 r d f l 7 i r d f - s i 引、o n t o l o g y l 9 】、o w l o w l - s t l o 】等。 语义w e b 技术所具有的计算机可理解、可处理等特征可以很好的解决当前 制造网格中资源与任务表达缺乏语义的问题，有助于实现资源的发现、合成和 调用等过程的自动处理。基于此，本文针对当前制造网格服务发现中存在的效 率低下等问题，探索将语义w e b 技术应用于制造网格中，结合制造资源的分类 描述、组织、注册发布和匹配发现，研究制造网格中基于语义的服务发现过程。 2 武汉理： 人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 国外对网格技术在制造业中的研究可以追溯到1 9 9 5 年c a c r e s e a r c h 的 s a v o l a i n e n 等人在文献f l l 】中介绍了网格技术在计算机集成制造( c i m ) 中的应 用，强调为网格建立一个可以兼容现有c i m 系统公共框架；美国x 射线设备门 户( x p o r t ) 利用网格技术提供的手段和功能满足用户通过网络对远程仪器设备 的操作需求，使远程使用仪器设备“比到那儿还方便 1 1 2 1 。但目前国外直接介 绍制造网格的文献却比较少见。 在信息技术领域，国外对基于语义的服务发现的研究主要包括： 美国马里兰大学的c h a k r a b o r t y 等在文献 1 3 1 中提出基于预先定义的服务属 性本体中的属性进行服务发现。 美国马萨诸塞州理工学院的k l e i n 和纽约大学的b e r m s t e i n 在文献f 1 4 】中提 出基于过程本体的w e b 服务发现技术，认为服务查找和发现的过程就是过程模 型中的过程本体与请求中所用到的过程本体匹配的过程，通过描述服务过程的 匹配来提高服务匹配的查全率和查准率。 英国牛津大学的c a p r o t t i 等人在文献1 1 5 d e 运用描述逻辑和o w l 语言规范 设计出数学w e b 服务匹配算法，作为语义w e b 服务在特定领域的应用具有重要 意义。 卡内基梅隆大学的p a o l u c c i 等人在文献1 1 6 t 扣提出基于能力的服务匹配思 想，认为服务能完成什么样的功能可以通过考察服务描述中的某些属性进行判 定，进而将服务发现过程转换成对服务属性的考察：在文献【1 7 1 中提出使用服务 本体语言d a m i 广s 描述w e b 服务，然后通过描述的输入输出接口的概念匹配得 到匹配结果；在文献1 8 1 中提出了将基于o w l - s 的描述引入u d d i 机制的w 曲 服务发现模型。 上述研究中，值得注意的是卡内基梅隆大学在文献 1 9 1 6 q h 对基于语义的 服务发现的过程进行了深入的研究，包括扩展u d d i 引入语义层、服务匹配语 义相似度的计算方法、利用软件a g e n t 实现服务的语义匹配以及语义w e b 服务 发现集成开发环境的实现等方面。 在国内，清华大学、上海大学、西北工业大学、武汉理工大学以及广东工 业大学等对制造网格进行了较多的研究，研究的内容包括制造网格的体系结构、 平台建设、资源共享、安全访问控制、资源优选和调度等方面，主要研究成果 3 武汉理工人学硕士学位论文 有清华大学的范玉顺教授对制造网格的概念和管理技术进行了阐述，提出了基 于i n t e m e t 的远程设计、制造和资源共享的制造网格多层次结构模型1 2 7 勰1 。上海 大学机电工程与自动化学院c i m s 和机器人中心对制造网格资源发现，访问控 制，服务质量管理，q o s 管理等进行了深入的研究1 2 9 啦j ；西北工业大学深入研 究了制造网格资源配置、调度、任务管理、资源建模、制造网格服务组合等i 弘了刁； 武汉理工大学数字制造湖北省重点实验室深入研究了制造资源的建模与共享、 协同制造网格平台、制造网格资源优选评估等问题1 3 1 1 ；广东工业大学对基于 项目的制造网格服务响应机制、项目的自组织协商与协调等进行了研列记4 3 1 。 同时，国内已开始重视语义w e b 服务发现方面的研究，并取得了一定的成 果。陈华英等结合关键字和概念层语义关系进行了服务二次匹配算法研究i 叫； 叶蕾等提出了基于功能语义的w 曲服务发现方法【4 5 j ；邝砾等提出了面向组合的 服务发现算法，利用待排序索引的优势，减少搜索空间，提高了服务发现的查 全率i 删：李春梅研究了具有q o s 约束的语义w 曲服务发现方法，提出了一个三 层次的匹配筛选算法i 叼：艾未华研究了基于领域本体的w e b 服务发现方法，对 发布服务和请求服务都采用o w l - s 描述，提出一种基于图匹配的服务发现算法 【镐】；于守健等提出一种基于语义描述的分布式w e b 服务发布发现，通过定义服 务双方共同遵守的领域本体，实现具有同样语义概念的两种不同描述的统一， 提高服务发现的效率和准确度1 4 9 l ；张广胜等研究了基于模糊p e t r i 网的服务发现 框架，提出支持软计算语义的松弛匹配机制，给出了算法印j ；吴正洋等利用 o w l - s 语言支持w e b 服务的自动发现、调用、合成和运行监测的特点，提出了 基于o w l - s 的三层服务匹配模型，开发了原型系统刚；蒋哲远等设计了一个基 于多a g e n t 和语义驱动的w 出服务发现中间件平台，给出了一种基于多a g e n t 的w e b 服务有效发现方法1 5 2 】；马应龙研究了在语义w e b 服务中确认分布式本 体变动、维护一致性，并实现基于进化的分布式本体的w e b 服务语义查询p 习； 吴健研究了服务匹配过程中属性词汇语义相似度的判定1 5 4 j ；何召卫探讨了如 何为服务建立本体描述，并以此为基础进行基于本体相似的服务搜索p 州。 总的来看，国内外对制造网格涉及到的关键技术的研究处于理论阶段，针 对制造网格中资源服务的发现、合成、调度和调用的研究不多。因此本文通过 研究制造网格资源服务的特点，探索基于语义的制造资源服务发现，以此促进 制造网格的发展和应用。 4 武汉理t 大学硕十学位论文 1 3 研究意义及内容 1 3 1 研究意义 服务发现是一项关系到广域分布式环境中资源共享和协同工作效率的关键 技术，它是把服务资源和服务请求者联系起来的重要环节。在制造网格环境中 解决制造任务的模式如图1 - 1 所示，服务发现是联系用户和资源的桥梁，当制造 网格中资源服务种类繁多、功能各异时，制造网格应该为用户提供一种能够根 据用户的请求从制造网格中快速、准确找到满足用户需求的资源，可以说服务 发现功能的强弱，直接决定了网格的使用效率和友好程度。 图1 - 1 制造网格任务解决模式 目前，在制造网格资源服务发现方面，存在着一些技术缺陷： ( 1 ) 服务的描述主要使用基于x m l 语法的w s d l ，不利于计算机的处理； ( 2 ) 对服务的描述存在冲突，即语义异构问题。表现为：一是同名异义， 即同一概念在服务描述中表现为不同的含义：二是同义异名，即对同一事物的 描述采取不同的概念；三是对同一信息的描述采用不同的结构。 ( 3 ) 采用基于关键字或基于框架的方式进行服务匹配，由于存在语义异构 问题，因此在服务发现的查全率或查准率上存在很大的缺陷。 制造网格解决了资源共享问题，采用语义技术可以实现服务的准确发现。 因此，在了解了服务发现的重要性和分析了制约服务发现的原因的基础上，提 出制造网格中基于语义的服务发现研究，以帮助用户快速准确的找到所需要的 服务，为推动制造网格的向前发展具有现实意义。 5 武汉理：【大学硕士学位论文 1 3 2 研究内容 从国内外对服务发现研究可以看出，基于语义的服务发现过程涉及到服务 封装描述、注册发布与匹配发现等过程。且国内外对基于语义的服务发现的研 究仍有可改进的地方，如仅仅使用接口参数的语义相似度作为服务发现的基础 难以保证服务发现的精确度；以接口参数语义相似度的简单求和作为服务的匹 配度有一些局限性：在服务发现模型体系结构上，很少有针对特定的应用领域 去研究提出的模型的可行性。 因此，本文结合制造网格资源共享服务平台的开发实施过程，具体研究以 下五个方面的内容： ( 1 ) 制造网格中基于语义的服务发现框架 扩展面向服务架构，引入制造资源本体，构建出支持语义的服务发现系统 框架模型，并研究其工作流程。 ( 2 ) 制造资源本体的构建 研究制造资源的分类机制，结合本体的构建方法和技术，利用本体建模工 具建立制造资源本体，为资源服务的描述提供语义概念。 ( 3 ) 服务描述、组织 研究基于o w l - s 的服务描述机制，在制造资源本体的支持下，实现制造资 源的语义描述；研究如何利用制造资源本体对服务进行归类处理，提高服务发 现效率。 ( 4 ) 服务匹配算法 服务匹配算法是服务发现过程中关键的一步，匹配算法直接关系到服务发 现效率的好坏。因此，在研究服务匹配的基础环境服务匹配引擎的体系结 构和工作过程的基础上，进一步研究匹配引擎的服务匹配算法。 ( 5 ) 服务发现原型系统的开发 在理论研究的基础上，研究原型系统的丌发过程和方法，通过原型系统验 证理论的可行性。 1 4 课题来源 本文的研究： 作，得到以下项目的支持： 6 武汉理r ：人学硕士学位论文 ( 1 ) 国家自然科学基金重大国际合作项目“网络为基础下的数字制造环境 新理论与新技术研究”( n o ：5 0 6 2 0 1 3 0 4 4 1 ) ( 2 ) 国家科技部国际科技合作项目：“基于多智能体的数字制造基本理论 与关键技术研究( 2 0 0 6 d f a 7 3 1 8 0 ) ( 3 ) 武汉市重点科技攻关项目“汽车行业制造资源a s p 服务关键技术研究 ( n o ：2 0 0 5 5 1 0 2 0 2 1 ) 。 ( 4 ) 武汉市软件产业发展专项资金项目“制造网格资源共享服务平台( 武 信发【2 0 0 7 】8 号) 武汉理上人学硕七学位论文 第2 章服务发现框架 2 1 语义w e b 概要 2 1 1w e b 服务 w e b 服务是一种新兴分布式计算模型，是自包含的、模块化的应用程序。 作为一种崭新的w e b 应用模式，其主要目的在于解决异构平台上的数据和应用 的整合与共享，可以在w e b 中被描述、发布、查找以及调用，它执行特定的任 务，遵守具体的技术规范，可与其他兼容的应用程序进行互操作。 w e b 服务体系结构1 5 6 j 基于服务提供者、服务请求者和服务注册中心三个角 色的交互，包含注册发布、查找和绑定服务三个动作，如图2 1 所示。其实现技 术和标准有x m l 、w s d l 、s o a p 和u d d i 。 2 1 2 语义w e b 图2 - 1w e b 服务体系结构 语义w e b 由w w w 的发明人之一t i mb e r n e r s l e e 首次提出，其目标是扩展 当前w e b ，并赋予w e b 中的信息以定义良好的语义，从而充分发挥现有w e b 信 息系统的潜力，使人和计算机能更好的协同工作，其层次结构1 57 j 如图2 2 所示。 u n i c o d e 和u r l 层中，u n i c o d e 提供统一的字符编码标准，u r i 提供对资源 的标识；x m l + n s + x m l s c h e m a 层提供数据内容和结构的语法；r d f + r d f s c h e m a 层提供描述w e b 资源的数据模型和类型原语；o n t o l o g yv o c a b u l a r y 层是在r d f s 8 武汉理工大学硕士学位论文 基础上定义的概念和关系的抽象描述，通过定义不同概念之间的关系，以支持 词汇的演化；l o g i c 层为基于规则的系统提供一个描述公理的框架；p r o o f 层执 行规则并做出相应的评估；t r u s t 层为应用程序是否信任一个给定的证明提供检 测机制，数字签名和加密技术用来检测文档的改动情况，是增强w e b 信任的手 段。其中o n t o l o g y 层为语义w 曲提供数据的语义，是语义w e b 的核心。 r u l e s t r u s t d a t a p r o o f， o 晶 d a t a l o g i c 譬 ， 巴 s e l f d e s c d o c o n t o l o g yv o c a b u l a r y 口口 置 譬 c 矿r d f + r d f s c h e m a a x m l s + n s + x m l s c h e m a u n i c o d eu r l 2 1 3 本体 图2 - 2 语义w e b 层次结构 本体( o n t o l o g y ) 源于哲学领域，在哲学中它是对本质和存在的一个系统的 描述。美国斯坦福大学的g r u b e r 给出目前广为接收的定义是：本体是概念模型 的明确规范说明1 5 刚。f e n s e l 认为本体有四个方面的特征1 5 9 l ： ( 1 ) 概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：客观世界的抽象模型； ( 2 ) 明确( e x p l i c i t ) ：概念以及概念间联系被精确定义； ( 3 ) 形式化( f o r m a l ) ：精确的数学描述； ( 4 ) 共享( s h a r e d ) ：本体反映的知识是使用者共同认可的。 本体的目标是为了获取相关领域的知识，提供对该领域知识的共同理解， 确定该领域内共同认可的词汇，给词汇间相互关系以明确的定义。通俗的讲， 本体就是用来描述某个领域概念及概念间的关系，使得这些概念和概念问的关 系在共享范围内有着明确的定义，并达成共识，以此增进人与机器之问的交流。 本体的语义来自于本体中概念类的继承关系、类与其属性的区分、类与类 9 武汉理工人学硕士学位论文 之间的二元关系以及本体对逻辑推理的支持。 2 1 4o 卫s o w l - s 是基于o w l 语言的w e b 服务本体，用来描述w e b 服务的属性和 功能，目的是通过规范的描述使计算机对服务的可“理解”，从而便于服务的发 现、调用、合成、执行和监控等。o w l - s 框架主要包括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 和s e r v i c e g r o u n d i n g 三类本体，分别用来描述服务提供什么功能，服务如何执行 和如何访问服务等语义信息，其组成如图2 3 所示。 w h a tt h es e r v i c ed o e sh o wi td o e s h o wt oa c c e s si t 图2 - 3o w l - s 本体结构 目前，s e v i c e p r o f i l e 是基于语义的服务发现的主要依据，它从服务的基本信 息、功能描述和服务特征三个方面定了w e b 服务的本体。 ( 1 ) 服务基本信息 包括服务的名称( s e r v i c e n a m e ) 、服务功能的文本描述( t x t d e s c r i p t i o n ) 和 服务提供者联系方式( c o n t a c t l n f c i r m a t i o n ) 三个方面。 ( 2 ) 服务功能描述( 1 0 p e ) i ( i n p u t s ) 是服务需要的输入信息；o ( o u t p u t s ) 是调用服务操作后返回的结果； p ( p r e c o n d i t i o n ) 是服务被请求前所应满足的前提条件：e ( e f f e c t s ) 是服务执行后所 得到的效果，主要是状态发生的变化。 ( 3 ) 服务特征 包括s e r v i c e p a r a m e t e r 、s e r v i c e c a t e g o r y 和q u a l i t y r a t i n g 三个元素。 s e r v i c e p a r a m e t e r 是一个可扩展属性，包括属性名s e r v i c e p a r a m e t e r n a m e 和 属性值s p a r a m e t e r 两个属性； s e r v i c e c a t e g o r y 通过引用其它本体或者服务分类法中的项来指定服务所属 1 0 武汉理工人学硕十学位论文 的分类，包括分类名称c a t e g o r y n a m e ，分类模式t a x o n o m y 、服务在该分类发中 的值v a l u e 和相应的代码c o d e 四个属性； q u a l i t y r a t i n g 定义服务的级别信息，包含分级系统的名称r a t i n g n a m e 和服务 在该等级系统中的级别r a t i n g 。 2 2 框架结构 2 2 1 体系结构 服务发现过程包括服务注册发布、服务匹配发现等，涉及到的角色有服务 提供者、服务请求者和服务注册中心。因此，在传统w e b 服务体系结构基础上， 引入制造资源本体以及对本体进行的推理等操作，设计了制造网格中基于语义 的服务发现系统框架如图2 4 所示。 图2 4 服务发现系统框架 设计的服务发现系统框架主要完成服务的注册发布与服务的发现两个功 能。完成这两个功能涉及到的功能组件包括本体库、资源服务描述模板库、发 布的服务库、本体操作以及服务描述的推理与匹配，各功能模块具体描述如下： 武汉理丁人学硕士学位论文 ( 1 ) 本体库 本体库中存放着用来为描述制造资源本体和用来描述资源服务信息的 o w l - s 本体，制造资源本体与o w l - s 共同为描述服务提供词汇及语义，本体 文件以基于x m l 语法的o w l 文件形式存储。 ( 2 ) 发布服务库 存放用户发布服务的描述信息，包括服务的名称、所属类别、输入、输出 以及服务描述采用的本体信息等，发布的服务以基于x m l 语法的o w l s 文件 形式存储。为了便于服务的快速查找，服务描述信息可以根据制造资源本体的 分类结构进行存储或建立索引。 ( 3 ) 模板库 提供服务发布发现信息描述模板，模板格式主要依据资源特点和o w l - s 本体生成，如服务名称、分类信息、输入、输出等接口信息，服务接口的描述 可以通过选择本体库中的概念进行标注，从而在服务描述中增加语义。 ( 4 ) 本体操作 包括本体编辑、本体可视化和本体查询。本体编辑提供给系统管理员对本 体库的维护，包括本体的创建、修改以及合并等。本体可视化工具将基于x m l 语法的本体文件转换成直观的本体树状结构图，便于用户直接查看。本体查询 帮助用户快速选择合适的概念去描述服务。 ( 5 ) 服务匹配器和推理器 服务匹配器接受用户的服务请求描述，按照预先设定的语义相似度匹配算 法去匹配发布在服务库中的服务描述信息，语义相似度通过推理器对本体库中 的概念进行逻辑推理计算而得到。 2 2 2 工作流程 设计的服务发现系统接受服务注册发布、服务发现任务，服务注册发御过 程如图2 5 所示，具体描述如下： 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 图2 5 服务注册发布过程 ( 1 ) 用户登陆到制造网格平台，选择服务发布服务； ( 2 ) 平台根据用户需要发布的资源类型从平台模板库中选择资源服务发布 模板，用户也可以定制自己的服务模板； ( 3 ) 在输入资源描述信息时，可以从平台本体库中选择适当的本体，根据 本体提供的概念去描述资源；也可以导入用户构建的本体，根据自建本体概念 去描述资源； ( 4 ) 资源描述信息提交后，平台将资源描述信息存入发布的服务库中。 服务的发现过程与发布过程的不同之处在于发布过程的最后一步，服务请 求者提交需求服务描述信息后，平台将服务请求提交给服务匹配器，由服务匹 配器完成请求服务与已发布服务的匹配发现过程。 服务匹配器的工作主要是匹配请求服务描述与发布服务描述信息，计算服 务的相似度值，根据平台用户设定的阈值返回匹配的结果，服务匹配器的工作 过程将在第四章介绍。 1 3 武汉理一r 大学硕十学位论文 2 2 3 结构特点 设计的服务发现系统框架扩展了传统的w 曲服务体系结构，引入了语义w e b 技术，在其它功能模块不变的情况下，改变本体库中存放的领域本体即可为不 同的领域提供基于语义的服务发现功能，可移植性好；其次，根据需要可以增 加新的功能模块，改变服务匹配算法等，结构灵活，具有可扩展性。 2 3 本章小结 本章简要的介绍了语义w e b 领域相关技术。在传统w e b 服务体系结构基础 上，引入本体机制，设计了基于语义的服务发现系统框架，研究了其功能组成， 设计了其工作流程，分析了其结构特点。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章服务描述与组织 3m 1 制造资源本体的构建方法 3 1 1 本体构建步骤 本体的构建有手工构建和机器自动建立两种方式，目前大多以手工建立为 主。建立本体没有唯一、普适的方法，无论采取何种方法，最基本的任务是抽 取领域内的概念并说明这些概念的属性以及概念之间的关系，抽取出的概念应 是领域中存在的实物或人们经常谈到或想到的抽象概念。 本体的建立是一个循环往复的过程，类似于软件开发的“原型模型”，当建立了 本体最初版本后，应在实际使用中不断修改，修改的依据是本体解决问题的能力。 在建立本体的实施过程中需要考虑的问题和需要完成的工作包括：决定本 体的使用范围、考虑今后的复用、列举领域术语、定义概念分类、定义类的属 性以及类的实例等，具体步骤是： ( 1 ) 确定本体的领域和范围。应明白本体的应用领域、目的，运用该本体 解决什么问题，谁使用和维护本体； ( 2 ) 确定本体的表示方法和描述语言。根据本体内容和构建目的，选择合 适的本体表示方法，必要时需要选用具体的描述语言； ( 3 ) 列举领域内的概念集。列举领域内使用频率最高的词汇，列举概念集 中的类和属性。如在定义机床时，相关概念有：数控机床、轴数、行程、工作 台尺寸等； ( 4 ) 定义类及其层次结构关系。采用自顶向下或自底向上或二者结合的方 法定义领域内所包含的类，并按照一定的层次关系组织起来； ( 5 ) 定义类的属性。定义了类后，还需定义类的属性。如数控车床类，其 属性有：轴数、加工方式、控制器类型、操作系统类型、最大工件重量、最大 工件长、最大工件直径、最大进给率、主轴驱动率、主轴转速、工作台尺寸、 刀库容量等： ( 6 ) 本体形式化。在完成类和属性的定义后，使用本体语言形式化的表示 这些概念及其问的关系； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 本体评价。如果这些本体不能满足实际应用需要