【硕士论文】Web服务组合中业务流程的研究及应用.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 随着信息技术和 Web 应用的快速发展 Web 服务组合技术逐渐成为企业信息集成的主流技 术 从面向过程的角度看 服务组合就是根据业务需求来设计业务流程 为业务流程选择一系 列符合一定规则的单个 Web 服务组成满足总需求的服务流程 因此 对服务组合中业务流程的 研究成为 Web 服务组合研究中的关键问题之一 现有的业务流程模型缺乏语义信息 构建业务 流程时无法很好的控制业务活动的颗粒度 实例化业务流程时对服务质量考虑不足 针对这些 问题 本文开展了如下几个方面的工作 首先 介绍了 Web 服务组合和业务流程相关概念 分析了该领域国内外研究现状 归纳了 现有研究中存在的不足 并论证了利用环境本体表达功能语义以及将层次化分析方法应用于业 务流程构建中的可行性 其次 给出了一个基于环境本体的业务流程模型 即业务流程本体系统 包含相互关联的 多个不同类型的本体 支持业务流程的语义信息描述 然后 把层次化分析方法应用到基于上述本体系统的业务流程构建中 控制了流程中业务 活动的颗粒度 通过对 Web 服务质量的值进行标准化处理 实现了为业务流程选择最佳的服务 实例 最后 设计了一个业务流程系统原型 对前文提出的模型和方法加以实现 并以电子商务 中的网上购物流程对系统的各个模块加以说明 关键词 关键词 Web 服务组合 业务流程 层次化分析方法 环境本体 服务质量 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 II Abstract With the rapid development of information technology and web applications web services composition is becoming the main technology for the integration of enterprises information From the view of process web services composition is the process that preople design business process accord with business requirement choose a series of single web services accord with some rules for the business process to form the services process which can meet the total requirement Therefore the research of business process in web services composition is one of the key problems in web services composition But the model of business process being is lack of semantic information cann t control the granularity of business activity and is short of considering service quality when instanced to particular services process To solve these problems the main research works are as follows Firstly the background of web services composition and business process is researched in this dissertation According to the analysis of domestic and foreign researches in this field the weaknesses of current researches are summarized Then the feasibility of using environment ontology to express function semantic and using hierarchical analyzing method to construct business process is demonstrated Secondly a business process model based on environment ontology is given in this dissertation that is business process ontology system It contains several different types ontologies associated with each other supports the description of semantic information Thirdly hierachical analyzing method is used to control the granularity of business avtivity in the construction of business process base on the ontology system given above and web service instance is chosen for each service class in business process through the standardization of the value of the quality of web service Lastly a business process system is designed to practice the model and method given above and the example Shopping Online in E Business is used to demonstrate each module of this system Keywords Web Services Composition Business Process Hierarchical Analyzing Method Environment Ontology Quality of Sevice 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图 表清单 图 1 1 论文组织结构 5 图 2 1 Web 服务组合 6 图 2 2 Web 服务组合模型 7 图 2 3 活动的运行模型 8 图 2 4 网上购物流程 9 图 2 5 网上购物环境本体 14 图 2 6 业务目标分解图 16 图 3 1 本体系统 18 图 3 2 电子商务领域本体 19 图 3 3 四种基本的原子结构 22 图 3 4 树形综合指标体系 27 图 4 1 业务活动树示例 31 图 4 2 由业务活动树生成的多个业务活动序列 31 图 4 3 业务流程构建过程 XML 示例 33 图 4 4 业务流程构建过程示例 34 图 5 1 系统体系结构 40 图 5 2 本体管理操作界面 43 图 5 3 环境实体数据 44 图 5 4 环境实体状态迁移数据 44 图 5 5 领域数据 44 图 5 6 业务活动数据 45 图 5 7 分解方法数据 45 图 5 8 服务类数据 45 图 5 9 服务实例数据 46 图 5 10 质量评价因子数据 46 图 5 11 业务流程生成 47 图 5 12 业务流程实例化 48 表 4 1 Create Order 待选服务实例质量信息 36 表 4 2 Create Order 待选服务实例三角模糊数表示 36 表 4 3 Create Order 待选服务实例三角模糊数去模糊后的表示 36 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 VI 注释表 RMI Remote Method Invokation 远程方法调用 Java 中远程对象调用的解决方案 DCOM Distributed Component Object Model 分布式组件对象模型 是一种基于分布式 环境下的 COM COBER Common Object Request Broker Architecture 公用对象请求代理体系结构 由 OMG 定义的最早的组件体结构 Web 服务 服务 Web Services 部署在 Web 上的可以通过 SOAP 协议进行交互的平台无关组件 URI Universal Resource Identification 通用资源标记符 XML eXtensible Markup Language 可扩展标记语言 UDDI Universal Description Discovery and Integration 统一描述 发现和集成 是为 解决 Web 服务的发布和发现问题制定的技术标准 WSDL Web Service Definition Language Web 服务描述语言 一种基于 XML 的 Web 接口 定义语言 SOAP Simple Object Access Protocol 简单对象访问协议 一种基于 XML 的分布式计算 协议 支持分布式系统中的消息传送和远程过程调用 BPEL Business Process Execution Language 业务流程执行语言 一种使用 XML 编写的 编程语言 BPEL4WS Business Process Execution Language for Web Service Web 服务业务流程执 行语言 RDF Resource Description Framework 一种用于描述 Web 资源的标记语言 OWL Ontology Web Language W3C 网络本体工作组设计的一种网络本体语言 包含一 个高层的抽象语法 现在已经成为语义 Web 的标准语言 OWL S OWL based Web Service Ontology 基于 OWL 的 Web 服务本体 采用 OWL 来 描述 Web 服务的属性和能力 Qos Quality of Service 服务质量 SOA Service Orientated Architecture 面向服务的体系结构 淘宝网购物 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1 1 课题研究背景 随着 Internet 的迅速发展 现代企业的信息系统越来越表现出自治 异构 分布的特点 分布式网络计算已经逐渐成为网络应用的主流 传统的分布式对象技术 1 如 RMI DCOM CORBA 能够在异地之间传递数据对象 具有面向对象的各种优点 但是缺乏统一的数据表示 规范和传输协议 彼此互操作性差且组件之间耦合紧密 这样的系统往往十分脆弱 如果一端 的执行机制发生变化 那么另一端便会崩溃 例如 如果服务器应用程序的接口发生更改 那 么客户端便会崩溃 这种模式在处理公司内部紧密耦合的流程时并没有太大问题 但是当各个 公司之间需要相互合作时 这种相对封闭的模式便无法提供良好的支持 Web 服务以其松散耦合 语言中立 平台无关性有效解决了上述问题 根据 W3C 的定义 Web 服务是一种通过 URI 标识的软件应用 其接口及绑定形式可以通过 XML 标准定义 描 述和检索 并能通过 XML 消息及互联网协议完成与其他应用的直接交互 2 Web 服务技术 使用一系列协议 如 UDDI 3 WSDL 4 SOAP 5 方便有效地实现跨平台的软件的交互 Web 服务的解决方案不必依赖于某个特定的实现提供商 对运行环境的要求也比较宽松 在系统开 发方面 Web 服务技术的出现也带来了一种全新的思路 对于一些完成通用功能的系统模块 完全可以不必自己开发 而是通过搜索现有 Web 服务系统 配合特定用户的商务逻辑来组合成 新的系统 充分缩短软件开发的周期 目前 一些有实力的公司已经将自己的服务作为 Web 服 务发布 如搜索公司 Google 已经对外发布了名为 Google Search 的搜索 Web 服务 用户可以通 过调用其 API 将搜索功能集成到自己的系统中来 微软也发布了股票报价 Web 服务 对外实 时提供股票价格变化服务 其它 Web 服务更是提供了从产品报价 天气预报 车票预订 酒店 预约等各个方面的服务 Web 服务有很多优点 但在实际应用中 为了提高服务的可重用性 分散和简化逻辑 单 个 Web 服务一般仅提供某些单一功能 要实现具体的复杂应用 必须实现多个服务的交互协作 即 Web 服务组合 Web 服务组合的受益者不仅仅是增值服务的提供商 他们可以利用已有的一 些服务组合出新的定制服务 服务的消费者同时也会得到相应的收益 不仅可以得到按需定制 的服务 在未找到合适服务的场合 也可以利用 Web 服务组合系统对现有服务组合 充分利用 这些已有功能 满足自己特殊的要求 在 Web 服务组合中 建立业务流程是 Web 服务组合的关键操作 也是衡量 Web 服务组合 技术是否成熟的标志之一 尽管在工作流的研究领域提出了很多业务流程模型 但是由于采用 业务组件的不同以及应用环境的不同 工作流模型不能充分满足 Web 服务组合中业务流程的要 淘宝网购物 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 2 求 因此针对 Web 服务组合领域研究业务流程是非常有意义的 1 2 研究现状及选题依据 1 2 1 研究现状 由于研究目标不同 目前有多种面向服务组合的业务流程模型 其中基于工作流的模型一 般采用状态图或活动图来描述业务流程的执行顺序 这些模型来源于成熟的工作流模型 往往 包含完整的流程执行描述 提供例外处理机制和补偿机制 并引入事务管理和安全性管理 它 们可用于构建可执行的服务流程 但是由于缺乏对语义的支持 它们在应用需求表示以及业务 流程复用等方面存在不足 例如 BPEL 6 模型是基于工作流的业务流程模型 它的实现语言 BPEL4ws 6 已经被 OASIS Organization for the Advancement of Structured Information Standards 组织采纳为业务流程表示标准 在 BPEL 模型中 业务流程由多个业务活动按照一定的逻辑结 构组成 每个业务活动连接到 WSDL 文件上 通过 XPath 语法提供消息处理 生成的 BPEL 文 档可以在 BPEL 引擎上执行 BPEL 模型提供了业务流程完整地执行描述 但是不涉及业务活 动的需求描述和业务流程的功能描述 不能支持服务发现和流程推荐等操作 生成的业务流程 难以被复用 基于语义的模型通过本体语言来描述业务流程 它们关注服务需求的语义表示以及如何实 现服务发现 选取和组合的自动化 但是在如何执行业务流程及如何实现服务之间的消息通信 方面还存在不足 例如 OWL S 7 的服务模型 Service Model 部分提供了业务流程的语义描述 在 OWL S 语言中 概念包含和两个子类 分别 表示原子服务和组合服务 其中由原子服务或其它组合服务构成 描述一 个业务流程 尽管 OWL S 语言的 grounding 部分提供了服务信息到 WSDL 的映射 但是在 grounding 部分不涉及参与服务的执行语义以及服务消息的处理机制 因此 OWL S 更多的是用 语义描述来表示业务之间的逻辑关系 可执行性较差 另外还有一些表示模型利用其它研究领域的成熟模型来表示业务流程 例如 Web 组件模 型 8 把组合逻辑相关的信息封装在类的定义中 支持重用 特化 specialization 和扩展等软件开 发的原则 并提供兼容性和一致性验证 进程代数模型 9 10 把 Web 服务建模为移动的进程 易 于实现对安全性 活动等属性的校验和资源的管理 Petri 网模型 11 12 利用 Petri 网表示 Web 服 务 Petri 网是具有图形化特征的形式化工具 是基于状态的描述工具 而且具有丰富的分析技 术 在 Petri 网模型下可以研究组合服务能否正确终止 这些模型利用形式化的方法去推导业务 流程的正确性和合理性 具有严格的描述规范和推理机制 但这也使其在现实的企业环境中难 以被推广应用 因此一般作为业务流程建模的有益的补充 淘宝网购物 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 2 2 选题依据 业务流程是为了完成某一目标或需求而进行的一系列逻辑相关业务活动的有序集合 因此 只有在确定业务需求之后 才能围绕它展开各种活动 业务活动是业务流程的基本要素 业务 流程中的每一个业务活动都完成定义的一个或多个目标 企业的战略目标是由一系列的业务活 动来完成 对应目标的业务活动并不是孤立的 它们之间相互关联 相互协调 最终完成企业 的战略目标 虽然业务流程应用研究已经取得了一系列成果 但结合对目前国内外研究现状的 分析发现还存在以下问题和不足 第一 业务流程语义描述信息不足 现有的模型主要对服务的操作接口建模 缺乏语义描 述信息 业务流程的语义描述信息包括业务流程的功能描述信息 非功能描述信息和执行描述 信息 功能和非功能描述信息和用于生成业务流程以及发现和选取 Web 服务 如果缺乏这些信 息 当遇到相似的业务需求时很难修改已有的业务流程来达到复用的目的 执行描述信息是描 述业务流程如何被执行即其包含的业务活动之间的时序关系和逻辑关系 用于控制业务流程的 执行 如果缺乏这些信息 业务流程不能被正确执行 第二 业务流程构建过程中没有提供控制业务功能粒度的机制 业务流程实例化时对服务 质量考虑不足 随着 Web 服务数量的增加 同样的组合需求可以由不同业务功能粒度的业务流 程实现 如何选择不同功能粒度的业务流程对应用实现有很大的影响 上述模型中还没有提供 在设计业务流程时很好的控制业务功能粒度的机制 业务流程业务流程被看成是不可分割的整 体 只能作为整体推荐 即使新的业务需求是已有的业务流程的功能子集 局部子流程也不能 被独立推荐 影响业务流程的复用程度 第三 在现有的业务流程模型下 缺乏集成系统及实现技术对业务流程进行管理 目前需 要有一个独立于不同企业应用的系统 实现对企业各管理层面各种业务流程统一 连贯的管理 可以在绝大多数企业中都能方便的成功部署 提高业务流程系统的适应性 环境本体1利用软件实体所处的环境以及环境可能的状态变化是可以准确描述 将需求问题 和功能语义用统一的形式描述 为上述语义描述信息不足的问题提供了解决方法 层次化分析 方法2是一种基于分治思想和自上而下分解思想的设计模式 可以用在业务流程构建过程中实现 对业务功能粒度的控制 本文基于此对服务组合中业务流程模型及构建过程进行研究 旨在将 环境本体和层次化分析方法运用到业务流程研究中 克服现有研究中存在的不足 进而为服务 组合提供可复用的设计基础和有益的参考 1 关于环境本体更详细的介绍 将在第二章中给出 2 关于层次化分析方法更详细的介绍 将在第二章中给出 淘宝网购物 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 4 1 3 论文内容组织结构 1 3 1 论文工作目标 本文从业务需求出发 对实现目标需要执行的业务活动 业务活动之间的关系 实现业务 活动对应的 Web 服务以及 Web 服务实例选取时服务质量的考虑等方面对服务组合中业务流程 进行研究 主要工作目标包括以下几个方面 1 在对 Web 服务组合和业务流程分析的基础上 利用环境本体刻画业务需求和功能描 述 将两者用统一框架描述 进而给出业务流程本体系统 对 Web 服务组合中业务流程所涉及 到的概念及概念之间的关系进行语义描述 2 把层次化分析方法应用到基于环境本体的业务流程构建中 对业务需求进行自上而下 的分解 得到不同功能粒度的业务活动与连接这些业务活动结点的方法 避免业务活动的重复 设计 实现 Web 服务组合中业务流程的共享和重用 在业务流程实例化过程中着重考虑服务质 量对服务实例选取的影响 3 设计一个 Web 服务组合中的业务流程系统原型 对给出的本体系统 业务流程构建 及实例化过程加以实现 并以网上购书流程为实例对系统的各个部分加以说明 1 3 2 论文结构 如图 1 1 所示 本文主要内容分为六章 各章节的内容概括如下 第一章 绪论 本章首先阐述了课题的研究背景 然后对 Web 服务组合中业务流程的研究 现状进行了描述 最后总结了当前研究中存在的不足之处 给出了本课题的选题依据和工作目 标 第二章 服务组合中业务流程关键技术研究 本章首先介绍了 Web 服务组合及业务流程的 相关概念 然后介绍了本文研究的两个基础 环境本体和层次化分析方法 第三章 业务流程本体系统 本章首先概要介绍了业务流程本体系统的构成 然后详细阐述 了本体系统中的领域本体 流程本体 服务本体和质量本体涉及到的定义和概念 并以实例加 以说明 第四章 业务流程的构建及实例化 本章首先对应 Web 服务组合过程分为功能流程的构建 和执行流程的构建将对业务流程的操作分为业务流程的构建和实例化两步 然后介绍这两步的 具体过程 其中业务流程构建主要考虑业务流程中业务活动 业务活动分解方法和服务类3 功 能相同的一类 Web 服务 的复用 业务流程实例化主要考虑服务质量约束下如何为业务流程中 的各个服务类选择合适的 Web 服务实例生成最终的执行流程 3 关于服务类更详细的介绍 将在第三章中给出 淘宝网购物 南京航空航天大学硕士学位论文 5 第五章 业务流程系统原型 本章介绍了基于本体系统的业务流程系统的设计 内容包括系 统体系结构设计 数据库设计及各个模块的详细设计 并以网上购物应用为实例加以说明 第六章 总结与未来工作 对本文的研究工作进行了总结 归纳了研究中存在的不足之处并 提出进一步的研究内容 图 1 1 论文组织结构 第一章 绪论 第二章 服务组合中业务流 程关键技术研究 第三章 业务流程本 体系统 第四章 业务流程的构 建及实例化 第五章 业务流程系 统原型 第六章 总结与未来工作 淘宝网购物 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 6 第二章 服务组合中业务流程关键技术研究 上一章概要的介绍了课题的研究背景 研究现状及预定工作目标 本章首先将对 Web 服务 组合和组合中的业务流程做一个详细介绍 然后对应前文提出的研究中的不足 给出解决方法 的基础即环境本体和层次化分析方法 2 1 Web 服务组合相关概念 2 1 1Web 服务组合 严格的讲 服务组合的概念向上可以追溯到软件工程领域的软件重用 在文献 13 中 服 务组合被定义为使用当前存在的服务创建一个定制服务的过程 该过程按照一个计划的次序来 动态发现 集成和调用执行这些服务以满足用户需求 例如比较有代表意义的安全流服务 SecStream 系统 14 其实质就是一个服务组合系统 只是在该系统中研究的服务的粒度或者说 是接口不同 主要以 CORBA 接口的形式存在 该系统主要组合了流服务 安全服务 数据安 全服务 由于在组合方面缺乏相关的标准或规范 系统采用了一种封闭的 固化的硬性程序编 码方式来构建复合服务 该系统比较鲜明地反映了这类服务组合系统普遍存在的一些问题 在 标准化 开放性等方面支持不足 这严重制约着这些服务组合系统的应用范围 它们可以应用 在环境相对简单 易于控制的企业网内部 却不适用于更广阔的 Internet 环境 而以 Web 服务 为基础的服务组合则可以天然的克服这些弊端 图 2 1 Web 服务组合 每个 Web 服务是一个独立的软件模块 Web 服务组合主要指将具有一定逻辑顺序的服务 按照某种规则 合成为一个 新服务 这个新服务的组成成员不仅仅可以相互通信 更为重要 的是 它们是按照某种逻辑组合起来的 如图 2 1 所示 WSi代表 Web 服务 WS1和 WS2组 合成为一个更大粒度的服务 WS6 WS3 WS4和 WS5组合成为 WS7 WS6和 WS7最终又组合成 WS8 WS6 WS7 WS1 WS2 WS3 WS4 WS5 淘宝网购物 南京航空航天大学硕士学位论文 7 为粒度更大的 Web 服务 WS8 这种通过相互协作将小粒度的 Web 服务进行组合形成更大粒度 的 Web 服务的过程就是 Web 服务组合 因此 我们对 Web 服务组合提出一个更为通用和完整 的定义 定义定义 2 1 Web 服务组合 服务组合 利用 Internet 上分布的现有 Web 服务 根据用户 最终用户或 增值服务开发商 总的应用需求 包括功能和非功能的要求 在服务组合支撑平台的支持下 制定相应的业务流程并为业务流程中各个业务活动自动地选择一系列符合一定规则的单个Web 服务 组成满足总需求的服务流程 通过流程中各个服务的协作来最终完成用户的服务请求 流程逻辑层 功能逻辑层 功能实现层 抽象业务流程描述 Web服务描述 Web服务资源空间 业务活动 服务实现 组合服务 服务类 服务引用 实例绑定 图 2 2 Web 服务组合模型 如图 2 2 所示 逻辑上可以把 Web 服务组合成分为三层 最上层是抽象业务流程层 着眼 于业务流程的逻辑表示 描述业务活动以及业务活动之间的时序关系和控制关系 中间层提供 了功能逻辑单元描述 在 Web 服务环境中 就是定义各种 Web 服务类 功能逻辑单元可以是 简单服务 也可能是封装了跨部门 跨企业的复杂业务流程的组合服务 最下层是 Web 服务资 源空间 包含了实现所有功能逻辑的 Web 服务实例 这些服务一起工作 共同提供业务流程所 请求的各项功能 是业务流程模型中活动的最终执行者 同一类型的功能逻辑可能有多种实现 不同的实现可能位于不同的部门或者企业 所以服务的实现可能是单一应用 也可能是横跨部 淘宝网购物 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 8 门或者企业的集成应用 位于最上层的业务活动通过对中间层功能逻辑单元的引用来定义相应 的功能逻辑 而位于中间层的功能逻辑又被绑定到位于 Web 服务资源空间中的功能逻辑的具体 实现中 2 1 2Web 服务组合中的业务流程 业务流程是完成某一目标或任务而进行的一系列逻辑相关活动的有序集合 因此只有在确 定业务目标之后 才能围绕它展开各种活动 业务流程是对企业内部资源交互以及企业之间的 业务合作的有效描述 业务流程的模型直接影响到内容资源和业务过程的重用 好的业务流程 模型可以实现资源的充分利用 加快应用的开发过程 降低开发成本 实现资源的有效整合 15 业务流程的基本术语包括 目标 goal 业务活动 activity 角色 role 资源 resource 规 则 rule 策略 strategy 产品 product 等 目标 也即需求 表示企业在流程中要实现什么功能 表述了一种功能性的状态 即流程 试图达到的一种状态或状态集合 业务活动 业务流程是由一系列彼此紧密联系的业务活动构成的 实现流程目标的具体事 务工作也就是流程活动 任何一个业务流程都有确定的价值目标 但这一价值目标最终能否有 效地达成 完全取决于业务活动的效率和效果 图 2 3 活动的运行模型 业务活动是业务流程的基本要素 业务流程中的每一个业务活动都完成定义的一个或多个 目标 企业目标是由一系列的业务活动来完成 对应目标的业务活动并不是孤立的 它们之间 相互关联 相互协调 最 终完成企业目标 业务活动的运行模型如图 2 3 业务活动在一定的环境中执行 它包括下列各 项 1 资源 在流程活动执行过程中使用 消耗或产生的实体 资源按能动性可以分为主动 资源和被动资源 按生产经营中资源数量的变化情况可分为可消耗资源和非可消耗资源 也可 以分为 人力资源 财物资源和时间资源 2 角色 它是一个抽象的概念 是对企业中具有某些技能的执行一定活动的机构的总称 角色可以是流程中执行每个活动的人员或信息系统 是对活动执行者资格要求的描述 3 规则 描述业务流程的逻辑 从业务目标出发 对企业应该如何运作和组织进行明确 淘宝网购物 南京航空航天大学硕士学位论文 9 表示 它定义业务活动执行的约束条件 包括业务活动的输入 执行条件等 4 产品 业务流程执行时产生的与业务活动相关的信息 上面介绍了业务流程相关知识 在 Web 服务组合中每个 Web 服务是一个独立的软件模块 其所涉及到的资源 角色 规则和产品都包括在每个 Web 服务内以功能属性和非功能属性表现 出来 最终得到的组合服务是由有序的 Web 服务集表示 因此本文对应 Web 服务组合这个应 用领域 将业务流程定义为完成应用需求的一系列逻辑相关的服务类的有序集合 其实例为一 系列逻辑相关的 Web 服务实例的有序集合 图 2 4 给出了网上购物的一个业务流程实例 用户登陆系统 Log into system 通过系统浏 览所有的货物 Browse product 将选中的货物添加入购物篮中 Add product to cart 确定提交订 单 Process order 付款给商家 Pay online 然后决定是通过快递取货 Mail product 还是直接上门 提货 Fetch product Log into system Pay online Process order Add product to cartBrowse product Fetch product Mail product Choice 服务类 图 2 4 网上购物流程 2 2 Web 服务环境本体 2 2 1 本体相关定义及构建原则 1 本体的定义 本体 Ontology 最早是一个哲学上的概念 一直仅存在于哲学研究领域 直到现代科技革 命的出现 本体论才独立出来作为形而上学理论的一个分支 专指对世界存在的研究 在人工 智能界 最早给出本体定义的是 Neches 等人 他们将本体定义为 给出构成相关领域词汇的基 本术语和关系 以及利用这些术语和关系构成的规定这些词汇外延的规则的定义 1993 年 美国斯坦福大学的知识系统实验室的学者 Tom Gruber 给出了本体的一个最为流行的定义 即 本体是概念模型的明确的规范说明 后来 Borst 在此基础上 给出了本体的另外一种定义 本体是共享概念模型的形式化规范说明 Studer 等对上述两个定义进行了深入的研究 认为 本体是共享概念模型的明确的形式化规范说明 淘宝网购物 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 10 在 Studer 的本体定义中包含了四层含义 17 概念模型 cerptualization 通过抽象出客观世界中一些现象 Phenomenon 的相关概念而得 到的模型 其表示的含义独立于具体的环境状态 明确化 explicit 所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义 形式化 formal 本体是计算机能够识别的 即能够被计算机所处理 共享性 Share 本体体现的是共同认可的知识 反映的是相关领域中公认的概念集 它 所针对的是团体而不是个体 从这个定义可以看出 本体的目标是捕获相关领域的知识 提供对该领域知识的共同认识 和理解 确定该领域内共同认可的词汇 并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇 或称术 语 和词汇之间相互关系的明确定义 2 本体的模型原语和构建准则 Perez 等人用分类法组织了本体 归纳出 5 个基本的建模原语 18 概念 Concept 概念被用于一个广义的理解 它可以指任何事务 如任务 方法 行为 策略和推理过程 关系 Relation 关系表达了在领域中概念之间的交互作用 形式上定义为 n 维笛卡儿积 的子集 R C1 C2 Cn 在语义上关系对应于对象元组的集合 函数 Function 函数是一类特殊的关系 该关系的前 n 1 个元素可以唯一决定第 n 个 元素 形式化的定义为 F C1 C2 Cn 1 Cn 公理 Axiom 公理代表永真断言 比如概念乙属于概念甲的范围 实例 Instance 实例代表概念所包含的元素 出于对各自问题域和具体工程的考虑 构造本体的过程也是各不相同的 目前没有一个标 准的本体构造方法 最有影响的是 Gruber 在 1995 年提出的 5 条规则 19 本体的构建应遵循下 述准则 清晰 Clarity 本体必须有效的说明所定义术语的意思 定义应该是客观的 与背景独立 的 当定义可以用逻辑公理表达时 它应该是形式化的 定义应该尽可能的完整 所有定义应 该用自然语言加以说明 一致性 Coherence 本体应该是一致的 也就是说 它应该支持与其定义相一致的推理 它所定义的公理以及用自然语言进行说明的文档都应该具有一致性 可扩展性 Extendibility 本体应该为可预料到的任务提供概念基础 它应该可以支持在 已有概念基础上定义新的术语 以满足特殊的需求 而无须修改已有的概念定义 编码偏好程度最小 Minimal encoding bias 概念的描述不应该依赖于某一种特殊的符号 层的表示方法 因为实际的系统可能采用不同的知识表示方法 淘宝网购物 南京航空航天大学硕士学位论文 11 本体约定最小 Minimal ontological commitment 本体约定应该最小 只要能够满足特定 的知识共享需求即可 这可以通过定义约束最弱的公理以及只定义通讯所需的词汇来保证 作为知识表示方法应用于知识工程和知识管理等 本体统一了领域中的术语和概念 从而 使知识共享和重用成为可能 本体加上本体实例构成本体知识库 简称本体库 在业务客户 软件系统用户和开发人员之间建立一个共享的本体库可以为实现服务组合带来许多便利和优 点 首先 建立领域本体库可以为服务需求的描述以及服务功能描述提供统一的概念体系 为 实现服务发现和流程检索时的语义匹配和语义推理提供语义环境 其次 基于本体的系统适合 于 Web 服务这样的分布式系统 另外 本体库也为进一步实现 Web 服务自动组合提供了依据 2 2 2 环境本体的引入 需求问题所处的环境以及环境可能的状态变化是可以准确描述的 环境在软件实体的语义 刻画中有其重要的位置 这个观点来源于需求的客观含义 需求的客观含义将体现在它对环境 的作用上 即未来的软件将如何改变将与之交互的环境 实际上在软件工程早期 20 Pannas 提 出著名的四变量模型方法就隐含了基于环境建模的思想 但局限于当时的软件技术 所能表达 的问题比较简单 软件所作用的环境只能落实到简单的输入 输出变量上 需求的表现也就比较 简单 90 年代中期 Jackson 和 Zave 给出了著名的涉及环境的需求蕴涵式 明确指明了需求和 软件规格说明是含义完全不同的两个概念 就此而引出需求工程中经典的所谓 WHAT HOW 这两个不同关注点 环境在需求和软件规格说明之间的关系上占有至关重要的位置 随着软件 技术的发展 软件已经渗透到物理世界 如嵌入式软件等 社会系统 如信息系统 ERP Internet 使能系统等 等各个方面 软件能控制 所交互的环境越来越复杂 使得关于环境的知识成为研 究和理解需求不可缺少的前提条件 针对现实世界环境进行需求抽取和建模的思想也越来越受 到人们的重视 需求工程中的一个经典关系式就说明了环境的重要性 21 这个关系式的基本含义是已知未 来软件实体将处于的环境 和希望未来软件实体要满足的约束 R 需求工程过程是构造未 来软件的规格说明 S 使得 S R 成立 即需求的语义应落实到未来软件所处的环境上 是未来软件对其环境所发生的作用 从这一点出发 我们可以这么说 未来软件实体的语义体现在它可能处于之中的环境 以 及它可能引起环境发生的变化上 这是软件实体的功能性语义 需求工程中 需求是描述现有 的环境在软件的作用下或者与软件的交互后 期望所呈现的新状态 我们认为 需求描述应该 包含任务所处的环境的初始状态和期望达到的终止状态 软件的作用就是建立从初始状态到终 止状态的变迁路径 Web 服务组合是通过一种组合机制 将各个成员 Web 服务对环境状态改变 淘宝网购物 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 12 的能力进行组合 拼接出需求所要求的环境从初始状态到终止状态的变迁路径 Web 服务组合 软件的需求分解就是分析出从初始状态到终止状态可能经过的变迁路径 当所有这种变迁路径 分解到可以由某一个或某些 Web 服务实现时 就完成了需求分析 对 Web 服务来说 描述是 组合的前提和关键 Internet 环境下 网络上分布的 Web 服务是由不同的供应商由不同的理解 不同的目标而设计开发的 他们对 Web 服务的描述性理解可能会采用不同的方式 使用不同的 术语 为了让组合的 Web 服务间可以互相理解以便准确高效地发现组合 在组合前必须使用统 一的描述规范对所有 Web 服务进行描述 Web 服务是一种软件实体 软件实体的环境概念完全 可以延伸到 Web 服务 而且这个概念对 Web 服务具有更重要的意义 22 首先 Web 服务的行为直接体现 Web 服务的功能 任何一个 Web 服务都处于通过 Internet 互联的环境实体之中 Web 服务的行为直接或间接地会导致这些环境实体的状态发生变化 环 境实体的状态变化是 Web 服务行为的直接体现 22 反过来说 通过 Internet 互联的环境实体的 变化将依赖于 Web 服务行为 而这样的 Web 服务行为将体现为 Web 服务功能 描述 Web 服务 语义的一个重要方面是要定义 Web 服务的功能 其次 目前针对 Web 服务重用 大部分的做法是通过阅读 Web 服务的文本描述 来理解 Web 服务和判断其是否可以重用 这种手段一般只能供人使用 如果要进行机器自动识别也只 能采用名字检索和名字匹配手段 如果对 Web 服务名字没有固定的约束的话 这是一种比较危 险的做法 危险性体现在不同功能 Web 服务可能取了相同的名字 而相同功能的 Web 服务可 能会取不同的名字 从而带来 Web 服务检索遗漏和错误匹配 要让由不同的人员发布的 Web 服 务可以相互理解 提供一个共同的描述指称域是一个可行的方法 Web 服务将共同作用之上的 环境实体就是一种这样的指称域 第三 不同来源的 Web 服务的组合遇到的是和 Web 服务理解同样的问题 名调用显然不 是一个可行的手段 而用特定的组合语言 如 BPEL4WS 构型的组合逻辑也只能人工规划并 书写 但如果有了环境实体的描述 Web 服务具备的功能和交互都能映射到这些公共环境实体 上 则有可能实现 Web 服务组合的自动规划 从而实现自动组合 2 2 3 环境本体相关定义 服务组合中的业务流程最终是由一系列有序地 Web 服务实例构成 因此环境本体对我们研 究 Web 服务组合中的业务流程有非常重要的意义 我们不仅可以用环境本体刻画应用需求 而 且可以利用环境本体对业务流程和 Web 服务进行功能语义刻画 下面简单介绍环境本体所包含 的一些重要概念 23 24 定义定义 2 2 环境本体 环境本体 环境本体定义为三元组 记作 EnvO 其中 EoC Ent SO SMO 是环境本体概念集 Ent 表示环境实体 SO 表示实体的状态 SMO 淘宝网购物 南京航空航天大学硕士学位论文 13 表示实体的状态机 其中 实体的状态机用状态和状态变迁表达外界可对实体实施的操作及操 作的效果 R 是环境实体 状态 状态机概念间关系的集合 rel R EoC EoC 是一个映射 对 c1 c2 EoC r R 如果有 rel r c1 c2 则 r c1 c2 成立 或记为 c1 r c2 定义定义 2 3 环境实体 环境实体 环境实体定义为一个四元组 记作 Ent 其 中 ID 是环境实体名 Type 是环境实体类型 包括自治型 A 因果型 C 符号型 S 25 等 Attr a1 a2 an 是它的静态属性集 StateTS 是它的状态变迁图 用层次状态机刻画 描述环境实体的状态以及在外部事件触发 下产生的状态变化 定义定义 2 4 状态 状态 状态定义为一个二元组 记作 S 其中 Name 是状态的名字 BelEnt 是状态所属实体的名字 定义定义 2 5 状态机 状态机 环境实体 e 的一个状态机定义为四元组 记作 SM 其中 S 是环境实体 e 的有限个状态的集合 T S S 是状态变迁的集合 状态变迁的集合构成一个状态图 s0 S 是初始状态 F S 是终止状态 使用树状偏序关系 我们可以定义一个环境实体的状态间的树状层次关系 26 xpy 表示状 态 x 是状态 y 的后代状态 x y 表示状态 x 与状态 y 相等 引入环境实体的状态间的树状层次 关系后 可以对状态进行不同粒度的描述 定义定义 2 6 子状态 子状态 对状态 x y z 如果 xpy 且 z xpzpy 则状态 x 是状态 y 的子 状态 y 是 x 的父状态 表示为 Child x y 或 x Child y 子状态关联是一种状态 后代状态关联 操作符 DirParState 求出一个状态的父状态 如果 x Child y 则 DirParState x y 定义定义 2 7 状态变迁 状态变迁 一个环境实体 e Ent 的状态变迁 T 记为 21 sse OP OP 是引 起状态变迁的操作 定义定义 2 8 状态变迁路径 状态变迁路径 一个环境实体 e Ent 的状态变迁路径 Tpath 记为 k OPOPOP ssse k 121 21 L 以图 2 4 所示的网上购物流程为例 涉及到的环境实体包括客户 Customer 产品 Product 订单 Order 其状态变迁如图 2 5 所示 环境实体用方框表示 使用方框内部的状态变迁图表 淘宝网购物 Web 服务组合中业务流程的研究及应用 14 示环境实体的状态变化 InStock ByPickout BingSold Product Name Price Customer Name Address Contact CID OffLine Online Null Anonymous Member StartChoosing Comfirm Order FinishSelect InPaying Order OID CID Product TotalPrice Null Creating Confirmed 图 2 5 网上购物环境本体 2 3 层次化分析方法 2 3 1 层次化分析方法概述 层次化分析方法是一种基于分治思想和自上而下分解思想的设计模式 广泛用于软件工程 和决策理论等领域 层次化分析方法的主要思路可归纳为 一个复杂的问题可以首先分解为若 干较为简单的子问题 解决了子问题也就完成了复杂问题的求解 同时子问题可以作为一个完 南京航空航天大学硕士学位论文 15 整的问题继续分解 直到子问题可以解决或者不能再分解为止 问题之间具有包含关系 它们 共同构成了一个层次化的拓扑结构 层次化分析方