语义web服务中的匹配和发现专业技术分析.doc

云制造中的语义web服务的发现和匹配技术分析中国海洋大学海大新星计算机工程中心QQ：447805280 目前，尽管基于可扩展标记语言和超文本传输协议的Web服务能够实现云制造环境下的制造资源集成，即各实体通过Web服务的方式封装其拥有的制造资源,供其他实体调用。但是Web服务架构中用于Web服务发现的UDDI技术主要是基于关键词查找，由于关键词查找的自身缺陷，UDDI技术不支持概念间的推理或灵活的匹配，因而不能实现基于服务性能的查找。这便给企业用户找到合适的服务带来了很大的不便，在服务发现的效率和自动化上也大打折扣。因此单单靠UDDI技术不能满足企业用户的需求，因此应当要在Web服务发现机制中加入语义的成分。本文提出了语义Web (semantic Web)的概念，并将其运用到云制造资源匹配的实现中。语义web的设计目标是为云制造平台的Web上的各种资源添加语义,进一步建立公共的概念体系(本体),并在此基础上添加推理机制,从语义层次上实现网络的互联,服务于智能化的云制造应用中。语义Web服务的研究目标是利用语义描述和服务本体实现云制造中服务的高效率和自动化。一、项目立项依据（1）、传统的web服务及其缺点Web 服务是指采用相同的标准或技术规范，将应用逻辑、网络技术等集成一体，使不同应用服务模块进行相互通信的一种组件框架。Web 服务框架一般包括服务提供者、服务请求者和服务注册中心。它们通过基于XML 的标准或协议，如SOAP (Simple Object Access Protocol)、WSDL (Web Service Description Language) 和UDDI (Universal Description，Discovery，and Integration) 相互通信或交流。它们之间具体关系如下: 服务提供使用WSDL 描述提供的Web 服务功能，并向服务注册中心发布服务信息; 服务请求者向服务注册中心提交服务请求; 注册中心根据请求，使用UDDI 查询或发现符合条件的Web 服务，并将结果返回给请求者; 请求者根据返回的服务信息，与提供者进行连接绑定，并使用SOAP 协议调用Web 服务，以期获取服务结果。传统的UDDI 标准只支持基于语法层次上的关键字的服务发现机制，然而网络是动态、复杂的环境，其中可用的Web 服务数量增长迅速，且随时可能被更新，因此单纯通过关键字查询或列表形式获取所需服务，已不能满足Web 服务快速发展的需要。另外，通过手动方式发现和组合Web 服务在现实中是不可取的，因为网络中具有相同功能的Web 服务数量很多，甚至不同功能的Web 服务可能被相同的关键字所搜索到。为此，人们提出了语义Web 服务(语义WEB: Semantic Web Service)。（2）、语义web服务及其优点 对于语义Web, Berners- Lee 给出如下定义: 语义Web 是一个网, 它包含了文档, 或文档的一些部分, 描述了事物间的明显关系, 且包含语义信息, 以利于我们的机器自动处理。其主要思想就是让Web 上的信息以能让人们在不同的应用程序中更好的发现、整合、重用为目的, 来用新的方法定义信息。语义WEB 是对Web 服务进行语义扩展，以便于计算机能自动的理解和处理Web 服务。语义WEB 是利用语义Web 中具有明确的、清晰的本体概念显示地表达Web 服务的语义信息，以解决Web 服务间的歧义和异质性。语义WEB 的优势在于它能提高服务发现的效率，并使实现服务发现或信息集成自动化成为可能。在语义WEB 众多研究领域中，服务的描述语言和注册发布框架是语义WEB 有关研究的核心和基本问题。语义Web 服务具有以下优势特点: 开放性和松耦合性解决了不同企业间异构数字化资源平台的集成问题; 提供面向物流资源的领域本体信息库,解决了跨企业的业务协作流程的自动编排和服务组合问题; 为产业链中的客户和合作伙伴提供专业化的物流服务平台,降低了企业应用的成本和物流企业信息化的资金门槛。利用语义Web 服务进行语义描述及业务过程建模,把Web服务和业务过程有机地结合起来。这样不但支持跨企业的业务合作,而且在本领域内有共同的语义基础和业务过程规范,增强了云制造中中小企业间的业务集成能力和协调能力。二、项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题。（1）、语义web服务的结构作为语义Web服务的基础，语义Web的目标是使得Web上的信息具有计算机可以理解的语义，满足智能软件代理(Agent)对www上异构和分布信息的有效访问和检索。基于语义的语义Web体系结构如下：1.Unicode与URI层：本层是整个语义网体系结构的基础。Web环境中的应用需要相互通信，资源之间直接或间接地以机器可理解的数据格式传递和发布信息。这些信息是对Web上资源的描述，因此，首先应该以明确的方式来标识这些资源。语义Web采用统一资源标识符(Uniform Resource Identifiers，URI)来标识资源及其属性，URI是一个Internet标准，记载于RFC2396L281。由于语义万维网的最终目的是要构建一个全球信息的网络，在这个网络上应该涵盖各种语言和文字的信息资源，所以它采用统一编码Unicode作为字符的编码方案。这一层是这个语义万维网的基石，它成功地解决了万维网上资源的定位和跨地区字符编码的标准格式的问题。2.XML+NS+XML Schema层：本层也叫语法层，用于从语法上表示数据的内容和结构，通过使用标准的格式语言将网上资源和信息的表现形式、数据结构和内容分离。目前，XML作为网络资源的标准标记语言，正成为语义和知识的基础标记语言。XML包含一些规则，任何人可按规则创建一个标记语言，规则保证一个称为分析器的简洁程序可以处理这些新语言。XML依赖于Unicode，因此它能在不同计算机系统间交换信息，也超越了国家和文化的边界。NS（Name Space）是XML命名空间，由URI索引确定，在XML文档中用作元素类型和属性名。XML模式（schema）是描述XML文档内容的模型。XML模式内有两类基本约束：内容约束（决定在哪里及什么时候可以使用元素）和数据类型约束（控制类型数据可以出现在元素中）。也就是说XML是底层的数据交换格式，它只是解决了文档内容的次序，结构的问题，并没有解决文档内容的语义，联系的问题。其具体含义的定义和互操作要交给上一层去解决。3.RDF+RDF Schema层（赋值层Assertion Layer）：XML层的上一层是数据互操作层-资源描述框架(Resource Description Framework，RDF)和RDF schemas RDF本身并没有规定语义，但是它为每一个资源描述体系提供了一个能够描述其特性需求的语义结构的能力。它定义了一种机器可理解的数据语义的数据模型。该数据模型主要包含下面的三个对象类型：资源(Resources)：资源可能是整个网页，或网页的一部分；或页面的全部集合；或者是不能通过Web直接访问的对象。特性(Properties)：特性是描述某个资源特定的方面，特性，属性或关系。声明(Statements)：一个特定的资源和特性名称加上该特性的值一起构成了一个RDF声明。一个声明中包含三个部分，分别称为：主体(subject)，谓词(predicate)和对象(object)。RDF和XML之间的关系一直是一个容易混淆的问题，它们之间有着明确的功能分工：RDF解决如何无二义性地描述资源对象的问题，使得描述的资源的元数据信息成为机器可以理解的信息。RDF通过基于XML语法的明确定义的模型来帮助建立语义协定(RDFS)和语法编码(XML)之间的桥梁，并以此来实现元数据的互操作功能这部分解决了部分通用语义的问题，但是RDFRDFS描述语义的功能非常有限，需要进一步扩展。4.ontology vocabulary层（语义层Semantic Layer）：该层也叫语义层，用来定义共享的知识，从而对各种资源之间的语义关系进行描述，揭示资源本身以及资源之间更为复杂和丰富的语义信息。Ontology（本体），即词汇体系，用以表达元数据，是某领域内概念的显式说明，它对应的词汇用于描述该领域。一个本体可以描述事情的类型之间的关系，如“这是一个过渡的性质”。本体词汇提供更多元信息，互操作性和互转换性。信息的无缝交换已经成为Web成功开发的关键问题，本体提供了方法捕捉人和机器使用的术语的共享理解性，帮助信息交换。Semantic Web的任务是建立基于本体来描述元数据元素、元数据关系和约束元数据语义的机制。有时，本体可直接定义元数据，或者将某些元数据模式引入到本体中。5.Logic层：即逻辑知识体系。该层主要提供公理和推理规则，为智能服务提供基础。比如可利用分布在Web上的各种断言或公理推理出新的知识。逻辑层是利用Web各处的断言导出新知识的地方，问题是各种演绎系统不可互操作推理能力不同，任何规则系统都可以输出到这层。6.Proof层和Trust层：该层注重于提供认证和信任机制，使用户代理Agent在网络上实现个性化服务和彼此间交互合作具有可靠性和安全性。如果不设计一个跨系统的推理系统，而是建议一种普遍性语言来表达证明，就实现了Proof层。7.Digital Signature层：跨越了多层，虽然公共钥匙密码技术已经存在较长时间了，但还没有真正广泛应用，如果加上语义网各层支持，使一个团体在一定范围内可信任，就实现了Proof层，这样一些诸如电子商务等重要的应用就可以进入到语义网的实用领域中。第五层到第七层是在下面四层的基础上进行的逻辑推理操作。在整个语义网体系结构中，核心层为XML、RDF、Ontology，这3层用于表示语义Web的语是当前语义网研究和应用关注的重点。（2）、语义web服务的构成语义web服务其流程的整体构成主要有：服务发现、服务匹配、服务选择和服务组合，他们之间的关系如下图所示：也就是通过以下过程来完成一个完整的基于语义的web服务的：1服务提供者提供服务描述：服务提供者编写服务后，用描述语言来描述其提供的服务；也就是构成候选服务集合；2服务发布：服务代理者在注册中心分类并发布服务提供者提供的服务描述信息；3服务请求者需求服务描述：服务请求者询问代理者是否存在具有合适功能性的服务提供者；4服务匹配：服务代理者将请求者的需求与存储的服务描述进行服务匹配、服务选择、服务组合，并返回执行结果；5调用服务：最后，服务请求者根据发现的服务描述中绑定的服务地址激活目标Web服务。（3）语义web服务发现架构1语义Web 服务发现语义匹配在Web 服务发现中起着关键的作用，但是由于缺乏服务描述的统一而且标准的形式化方法，服务发现结果往往不能满足服务请求者的需求，会产生如下几种错误情况语法相似而语义不同语法不同但语义相似的服务语法不同而且表面语义也不同的服务语法相似而且表面的语义也相似的服务2 语义Web 服务发现方法的改进目前，语义Web 服务发现主要有以下问题：（a）如何有效而富有语义的描述服务提供者的服务广告、服务请求者的服务需求以及服务参与方的上下文知识（b）由于服务参与方使用的描述上下文的领域本体具有分布的、异构及私有的特点，因此它们之间存在本体概念上的语义协调问题（c）针对服务提供者和服务请求者对于服务功能的描述，如何使用有效的匹配算法进行服务的发现上述第3 个问题是服务发现过程中比较关键的问题，而服务发现的结果与服务的语义匹配结果密切相关一般说来，服务提供者的服务广告描述与服务请求者的需求描述之间的语义相似度越高，则服务的匹配度就越高3语义web服务发现架构在上图所描述的语义web服务发现系统结构中，主要有五层结构组成，分别是：用户层、管理层、服务发现层、服务资源层、服务注册层。（a）用户层，包括两个部分，分别是服务发布者和服务提供者，它们共同充当服务发现系统中的客户端，为了能充分体现用户的需求信息，（b）管理层，也是通信层，主要功能是从外界获得信息，判断信息的类型，并分别发向相应的模块，例如根据信息是请求还是发布转到服务发现或者服务注册层。（c）服务发现层，在服务发现层处理服务请求者查询Web服务的请求，进行服务功能(IPOE)匹配。 OWLS推理机可以根据本体的层次关系推导出概念之间的联系，通过服务匹配算法得出服务之间的匹配关系，根据此关系可以得到服务的动态复合链。并与目标服务本体匹配。返回一个满足用户请求的列表。随后该系统根据用户的选择和相应的UDDI记录引用和声明，获取到与服务标志信息相对应的、具体Web服务的信息，如服务调用地址等，将这些服务的信息通过通信管理模块，返回给服务请求者。（d）服务资源层包括，各种原子服务和复合服务上图所描述的语义web服务发现系统结构可以分为六大功能模块：语义转换模块、OWL-S/UDDI 转换模块、需求解析模块、服务匹配模块、OWL-S 推理机模块及服务列表模块等6 大模块，每个模块的功能描述如下：（a）语义转换模块：根据服务提供者所输入信息，结合本体知识库中相关语义生成所要注册服务的OWL-S 文件。（b）OWL-S/UDDI 转换模块：目前的UDDI 能解析WSDL文档，但并不具备语义处理能力，所以针对基于OWL-S 的服务描述文档需要进行转换。转换的内容包括服务描述中contact-Information 到UDDI BusinessEntity 的Contacts 的映射；OWL-S服务基本信息如serviceName 和textDescription 到Businessservice中的name 和description 的映射；其余Web 服务语义与扩展的UDDI TModel 类型中的元素建立映射关系。如serviceCategory与serviceCategory_TModel 进行映射。通过该功能模块可以让UDDI 存储Web 服务语义信息。（c）需求解析模块：对服务请求者的需求进行解析，识别其中的基本信息需求、功能需求，传递给服务匹配模块，作为服务匹配的标准。（d）服务匹配模块：基于OWL-S 推理机，接收需求解析模块分解的需求信息，包括基本信息匹配、功能匹配两个子模块。两个子模块可计算出请求服务与候选目标服务对应部分的语义相似度，最后根据权重得出综合语义相似度，满足综合语义相似度阈值的Web 服务传递给服务列表模块。（e）OWL-S 推理机：可以根据本体概念的层次关系推导出概念之间的联系，并可以根据服务匹配算法得出服务之间的匹配关系。（f）服务列表模块：对符合服务请求者需求的Web 服务按一定的优先级次序列表显示，如可按基本信息语义相似度、功能语义相似度以及综合语义相似度对最终服务获取结果进行排序。（4）、语义web服务匹配架构对语义Web服务添加语义标注，采用物流领域本体对物流服务SAWSDL 文档的相应概念添加语义信息，并在SAWSDL 文档中的概念与本体中的概念之间建立映射根据用户需求和偏好，创建QOS 语义模型及服务决策支持模型畅对服务请求模块中的概念同样采用本体概念进行语义描述，并采用服务匹配算法评价候选服务与服务模板之间的语义匹配程度整个服务匹配系统的原理如下图：在匹配过程中，客户提交所需服务清单，根据客户需求生成服务匹配模板（MT），在业务数据库的服务集合中选取匹配服务（MS）；同时，在本体库中选取符合要求的一个或多个候选本体（CO）通过本体映射、本体融合及本体合并生成进行最终匹配的匹配本体；采用语义分解与语义合并生成候选服务（CS）及服务模板（ST）；采用匹配算法对候选服务与服务模板进行功能与非功能性服务匹配，计算得到各匹配度值并排序，最终选择最优服务对服务模板ST）和候选服务（CS）的匹配，是根据其语义信息进行的，故需对ST 和CS进行语义标注添加语义信息的方式有两种：（a）、是开发和使用基于本体的描述语言，如OWL-S或DMAL-S；（b）、是在现有的Web服务标准UDDI，WSDL 中添加语义信息这两种添加语义的方法均需要在Web 服务中的概念和领域本体中的概念之间建立映射。采用SAWSDL 语言对Web 服务进行标注通过采用外部语义模型，服务提供者可以选择自己的领域本体以标注服务接口参数。在语义标注的过程中，服务开发者遍历所有可用本体，选定符合Web 服务要求的领域本体，并从该本体中为该Web 服务的每个WSDL 元素逐一选择合适的概念，最后进行标注代码的添加。完成服务的匹配之后，便可通过SOAP协议来执行服务调用，如果在单个简单的Web服务无法满足企业实际的应用需求时，这就常常需要复合多个Web服务以完成一个较复杂的任务，这就是服务组合的问题。三、拟采取的研究方案及可行性分析。语义Web服务的提出使得Web服务具有了语义信息，从而计算机系统之间可以理解Web服务的功能和通信内容，从而实现自动的实现了服务发现、匹配和调用，也就实现了计算机系统之间的自动化交互。语义Web服务的提出是语义网技术和Web服务技术发展的结果。Web服务描述技术服务描述模型是建立语义Web服务的基础，这里的服务描述不仅要从语法角度描述服务的各个方面，同时需要增加服务的语义描述信息，服务描述模型为服务发现算法提供了服务的描述形式，也为其它系统与该服务交互提供了相应的语义信息，因此，服务描述模型是服务的自动发现、组合、执行的基础，是语义Web服务框架的关键组成部分。web服务发现技术服务发现算法是语义web服务框架的核心，因为建立语义web服务的一个关键目标是实现服务的自动发现，进一步实现服务的自动组合和调用，而服务发现算法是服务自动发现的根本，也是服务自动组合和调用的基础。良好的服务发现算法可以精确的定位符合需求的服务，实现服务的自动发现。服务发现算法也是语义注册中心的核心。本文提出了基于服务的输入、输出、元操作、前提条件和效果的服务发现算法，同时该算法中加入了权值和阂值约束，能够精确的定位用户需要的服务。普适计算环境下的人机交互 普适计算使得信息空间与人们生活的物理空间相融合，与此相应人机接口也将随之扩展到人们生活工作的整个三维物理空间。因此需要研究物理空间中的人机交互方式。在传统的计算模式下，交互环境的物理因素不影响人机交互。而在普适计算的模式下，用户和环境的物理因素将成为交互的重要因素，这将使人机交互的性质产生一系列的变化，其中包括：人机交互本质上是与信息空间的交互；交互接口扩展到日常生活的用品和环境；动态的人机交互上下文；蕴含人机交互等。制造资源建模技术通过定义企业生产经营过程中所涉及的关键资源之间的逻辑关系和资源的具体属性，描述企业主要资源构成及约束模型。建立具有准确性、全面性、开放性、可集成性和柔性，面向云制造平台的资源模型，不仅可以为企业业务流程重组设计、资源的合理化管理和优化配置及运行仿真提供有效的方法和工具，还可以有效地满足网络化制造系统知识密集、敏捷性、规模可调以及动态重构等需要，有利于实现网络化制造资源的全局优化利用和系统全局生产成本最小化等目标。Web服务注册技术语义服务注册中心是利用服务描述模型、实现服务发现算法的一个实体系统，该系统除了服务发现算法之外，还要提供服务发布、服务查询、服务信息修改等各项功能。语义注册中心的关键部分是架构和流程。架构设计决定了系统性能的优劣，是系统设计的核心部分。流程设计则是实现相应业务逻辑的核心内容，实现什么样的流程决定了系统具有什么样的功能。云制造中资源的虚拟化技术对于计算资源的虚拟化，采用计算系统虚拟化技术，以硬件辅助虚拟化为基础，应用虚拟机管理器(VMM)来对计算机硬件资源进行抽象与划分,实现单核/多核的单机计算资源的虚拟化；并在单机虚拟化技术基础上，抽象多机资源映射，提供统一的资源管理，从而实现多机运行环境的按需动态构建。web服务双向搜索规则技术云制造中服务请求者搜索规则和机制的建立，有利于服务请求者迅速便捷的完成服务搜索。双向搜索是指遵循以下三条搜索规则:(a). 搜寻任务的服务请求者在搜寻到匹配的服务后, 应立即告发出通知知成员企业;(b).发布资源的服务发布者在其资源找到生产任务后, 应立即告发出通知知成员企业(c). 虚拟生产企业组建后, 服务提供者和需求者企业应立即注销其相关的失效任务型服务和资源型服务。这样的规则避免了语义服务的重复匹配, 从而可以提高系统性能; 规则(c)通过及时注销失效信息, 从而提高搜索效率。知识库模型设计与知识的获取云制造资源智能化检索系统知识库是关于制造资源知识的存储机构，用于存储解决用户检索所需的原理性知识、专家的经验性知识以及有关的事实等。知识库中的知识来源于知识学习系统,同时它又为推理机提供求解问题所需的知识。知识库包含了知识分类体系、用户需求信息推导规则、用户学习规则等。系统将知识按照一种分级索引模型进行组织,这种分级结构能够促进知识库的动态管理。这种模型自然而动态地表达了知识的层次结构，便于系统对用户的信息需求在语义上进行扩充。知识库的主要作用是保存系统对用户相关信息的学习记录,体现了系统对用户信息检索需求的推导、更新和维护。为了在划分用户信息检索需求时有据可依，知识库还应起到规范知识体系的作用。基于知识的制造资源虚拟化、Web服务发现、Web服务匹配算法、Web服务描述与用户界面可视化等技术均是未来需要攻克的重要技术。这些是项目实施中的重点环节，相信通过项目团队的有效开发能够克服困难。综上所述，本项目的技术方案是可行的。四、本项目的特色与创新之处本体规范即采用本体(Ontology) 对标签信息进行规范化标签的高度开放和高度柔性的特点同时容易带来产品分类编码系统杂乱无章、庞大无序的问题。本体技术有助于这一问题的解决。本体的作用是将产品分类信息规范化。语义描述考虑到产品分类编码系统是在网络环境中的使用，考虑到产品分类编码系统需要适合不同文化层次的人的需求，采用语义描述具有使用和维护方便的特点。拟采用标签(TAG) 作为产品分类编码。标签是一种语义描述特征的方法， 特别是在Web2.0系统中应用广泛，取得较好的效果。直接用标签描述产品分类特征，可以避免传统的产品分类编码系统中，以码代形式所带来的使用和识别编码的不便。标