基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究現(xiàn)狀分析

李　超　王　亮　楊學(xué)印

〔摘 要〕基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館構(gòu)建成為解決數(shù)字圖書館中資源共享及協(xié)同的主流技術(shù)。本文對當(dāng)前基于網(wǎng)格、語義網(wǎng)格和知識網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述和分析。針對當(dāng)前研究的不足，分別就基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館仿真及原型系統(tǒng)開發(fā)、基于語義網(wǎng)格的語義互操作、基于知識網(wǎng)格的知識服務(wù)提出了數(shù)字圖書館研究的未來發(fā)展方向。

〔關(guān)鍵詞〕數(shù)字圖書館;網(wǎng)格;語義網(wǎng)格;知識網(wǎng)格

〔中圖分類號〕G250.76 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號〕1008-0821(2009)03-0074-04

廣域、分布、異構(gòu)、動態(tài)、自治Internet環(huán)境中數(shù)字圖書館(Digital Library)構(gòu)建的目標(biāo)是利用先進(jìn)的技術(shù)，實現(xiàn)Internet上各孤立數(shù)字節(jié)點上資源的共享與協(xié)同，為用戶提供透明的訪問接口。隨著計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、分布式計算技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)格(Grid)的數(shù)字圖書館構(gòu)建成為當(dāng)前圖書情報學(xué)領(lǐng)域研究的熱點問題之一[1]。廣義上的數(shù)字圖書館具有豐富的數(shù)字化資源、網(wǎng)絡(luò)化存取、信息分布檢索和資源整合等基本特征。狹義上的數(shù)字圖書館主要是基于物理圖書館，將物理圖書館的傳統(tǒng)優(yōu)勢轉(zhuǎn)換為信息服務(wù)主體的資源優(yōu)勢和服務(wù)優(yōu)勢，適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)對信息服務(wù)主體、服務(wù)客體、服務(wù)模式和服務(wù)理念的改變[2]。網(wǎng)格是繼Web之后新的分布式計算平臺，是指在動態(tài)變化的多個虛擬機(jī)構(gòu)間共享資源和協(xié)同解決問題、構(gòu)筑在互連網(wǎng)上的一組新興技術(shù)。它將高速互連網(wǎng)、高性能計算機(jī)、大型數(shù)據(jù)庫、傳感器和遠(yuǎn)程設(shè)備等融為一體，為科技人員和用戶提供更多的資源、功能和交互[3]。我國基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究，是伴隨著網(wǎng)格概念的提出和網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展的，目前已取得了一些階段性的成果，但需要解決的問題還很多。為了對當(dāng)前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和推動未來研究的發(fā)展，本文分別就基于網(wǎng)格、語義網(wǎng)格和知識網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述與分析，最后提出了數(shù)字圖書館研究的未來發(fā)展方向。

本文第2節(jié)對網(wǎng)格技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，第3節(jié)對基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述與分析，第4節(jié)給出了數(shù)字圖書館研究的未來發(fā)展方向，第5節(jié)對全文進(jìn)行了總結(jié)和對未來研究工作進(jìn)行了展望。

1 網(wǎng)格技術(shù)概述

隨著OGSA、OGSI、WSRF和GT4等規(guī)范、體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)的應(yīng)用和推廣，網(wǎng)格成為開放、異構(gòu)環(huán)境下構(gòu)造松耦合、組合化分布式應(yīng)用的主流技術(shù)[4-6]。OGSA(Open Grid Services Architecture)把一切都抽象成服務(wù)，服務(wù)可以包括計算機(jī)設(shè)備、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)，儀器等。將一切都抽象為服務(wù)有利于通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口來管理和共享網(wǎng)格上功能各異的資源。OGSA是網(wǎng)格中描述面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)SOA(Service-Oriented Architecture)，它把網(wǎng)格服務(wù)看作是一種特殊的Web服務(wù)(Web Services)，它們可能以不同的方式創(chuàng)建，用不同的程序語言實現(xiàn)，由不同的網(wǎng)格服務(wù)(Grid Services)開發(fā)者提供，網(wǎng)格服務(wù)請求根據(jù)特定的應(yīng)用背景和需要由服務(wù)組合或服務(wù)間的協(xié)同工作來完成。

Web服務(wù)是基于XML的，能在異構(gòu)的計算環(huán)境中開發(fā)分布式應(yīng)用的一種技術(shù)。Web服務(wù)由WSDL描述服務(wù)、由SOAP作為客戶和服務(wù)之間通信的消息格式、由UDDI作為服務(wù)的發(fā)布和發(fā)現(xiàn)。OGSI(Open Grid Services Infrastructure)是作為OGSA的核心規(guī)范被提出的，OGSI把一個有狀態(tài)的資源刻畫為一個封裝資源狀態(tài)的Web服務(wù)，把服務(wù)的標(biāo)識、生命周期和資源狀態(tài)緊耦合在一起，這樣存在明顯的不足。為了解決OGSI和Web服務(wù)之間的矛盾，2004年3月WSRF(Web Service Resource Framework)被提出，WSRF提出一個標(biāo)準(zhǔn)方法把Web服務(wù)刻畫成有狀態(tài)資源。WSRF正在替代OGSI，用在OGSA環(huán)境中構(gòu)建網(wǎng)格核心服務(wù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，WSRF核心服務(wù)和OGSA平臺服務(wù)構(gòu)成網(wǎng)格中間件。

2 基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究現(xiàn)狀

按照網(wǎng)格客體的不同層次，可將網(wǎng)格分為資源網(wǎng)格、語義網(wǎng)格和知識網(wǎng)格3個從低到高的層次，分別對應(yīng)于處理內(nèi)容為資源、語義信息、知識的網(wǎng)格。資源網(wǎng)格包括通常的計算網(wǎng)格和數(shù)據(jù)網(wǎng)格，直接在Web之上的是資源網(wǎng)格。語義網(wǎng)格在資源網(wǎng)格以上，為上層應(yīng)用提供信息的語義互操作。而知識網(wǎng)格的主要功能是從底層的數(shù)據(jù)和語義信息中發(fā)掘知識、處理知識和應(yīng)用知識。本文以“數(shù)字圖書館”作為檢索詞，對清華同方全文數(shù)據(jù)庫中從2003年至2007年末全國的所有核心期刊以關(guān)鍵詞作為檢索項進(jìn)行了模糊匹配，共檢索到學(xué)術(shù)論文4 905篇。在這4 905篇論文中，與“網(wǎng)格”作為關(guān)鍵詞精確匹配的有72篇，與“語義網(wǎng)格”作為關(guān)鍵詞精確匹配的有7篇，與“知識網(wǎng)格”作為關(guān)鍵詞精確匹配的有11篇。以上數(shù)據(jù)說明，當(dāng)前研究主要集中在基于一般網(wǎng)格技術(shù)的數(shù)字圖書館構(gòu)建，而基于語義網(wǎng)格和知識網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究還不是很多。以下分別就基于網(wǎng)格、語義網(wǎng)格和知識網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究進(jìn)行了概述。

2.1 基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館

現(xiàn)有的數(shù)字圖書館，還是Internet世界中一個個孤島，用戶在檢索信息時，需要登錄不同的站點進(jìn)行檢索，給用戶的使用帶來極大的不便。如何采用先進(jìn)的技術(shù)和方法，將Web上的數(shù)字圖書館聯(lián)合起來，實現(xiàn)數(shù)字圖書館之間的互操作，已成為數(shù)字圖書館界研究的主要問題之一。OAI-PMH框架通過元數(shù)據(jù)的互操作實現(xiàn)了數(shù)字圖書館的互操作，克服了分布式搜索無法解決的規(guī)模問題。而網(wǎng)格計算技術(shù)與傳統(tǒng)的分布式計算不同之處在于，關(guān)注多機(jī)構(gòu)之間大規(guī)模的資源共享和協(xié)同工作，提供了資源共享的基本方法，在解決異構(gòu)平臺兼容及集成已有系統(tǒng)方面有著獨特的優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[7]將網(wǎng)格技術(shù)與元數(shù)據(jù)采集方法相結(jié)合，提出了一種增強(qiáng)數(shù)字圖書館互操作的新框架——數(shù)字圖書館網(wǎng)格DL Grid，即在原有OAI-PMH框架的基礎(chǔ)上引入Grid的概念，利用網(wǎng)格技術(shù)更好地解決數(shù)字圖書館資源發(fā)現(xiàn)、整合、跨倉儲檢索等問題，克服了傳統(tǒng)數(shù)字圖書館互操作方案的局限性，實現(xiàn)世界范圍內(nèi)的聯(lián)邦數(shù)字圖書館。為了將網(wǎng)格、OAI-PMH框架和數(shù)字圖書館集成統(tǒng)一整體，文獻(xiàn)[7]還提出了一個3層DL Grid結(jié)構(gòu)模型，即資源層、網(wǎng)格中間層和應(yīng)用服務(wù)層。其中資源層由廣域分布的數(shù)字圖書館組成，構(gòu)成整個DL Grid的信息提供者，網(wǎng)格中間層利用開放的網(wǎng)格技術(shù)和OAI-PMH協(xié)議，屏蔽資源層中的分布、異構(gòu)特性，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)、采集、組織、存儲等功能，向網(wǎng)格應(yīng)用層提供透明、一致的接口。應(yīng)用服務(wù)層是信息服務(wù)提供者，在集成下層元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過單一的服務(wù)接口為用戶提供增值服務(wù)。文獻(xiàn)[8]提出了將數(shù)字圖書館分為計算網(wǎng)格層、信息網(wǎng)格層和知識網(wǎng)格層。這三層之間的關(guān)系對應(yīng)于數(shù)據(jù)、信息、知識間的關(guān)系。數(shù)據(jù)、信息、知識具有層次關(guān)系，是信息增值鏈上的3個層次，每個層次代表著信息加工的不同階段。相對應(yīng)的數(shù)字圖書館的網(wǎng)格層次也對應(yīng)著3個階段，即計算網(wǎng)格層完成海量數(shù)據(jù)的訪問，信息網(wǎng)格層構(gòu)建統(tǒng)一檢索平臺，知識網(wǎng)格層則實現(xiàn)知識的自動積累，建立知識鏈接網(wǎng)絡(luò)，從而解決知識管理的問題。文獻(xiàn)[9]針對個人數(shù)字圖書館信息檢索問題，提出了一個檢索策略模型。將個人數(shù)字圖書館架構(gòu)在P2P網(wǎng)格之上，創(chuàng)建了一個分布式的信息檢索環(huán)境，并采用Z39.50/SRW/SRU信息檢索協(xié)議實現(xiàn)了個人數(shù)字圖書館的信息檢索，為網(wǎng)格環(huán)境中個人數(shù)字圖書館信息檢索技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

2.2 基于語義網(wǎng)格的數(shù)字圖書館

語義網(wǎng)格的概念是隨著語義Web和網(wǎng)格的同步發(fā)展而提出的，是語義Web在網(wǎng)格中的應(yīng)用。語義Web被定義為當(dāng)前Web的擴(kuò)展，語義Web的目的是增加無結(jié)構(gòu)Web的內(nèi)容，用于實現(xiàn)機(jī)器翻譯信息，改進(jìn)Web應(yīng)用的潛能。而語義網(wǎng)格是網(wǎng)格和語義Web之上的層次，元數(shù)據(jù)和本體在語義Web的發(fā)展中扮演了一個關(guān)鍵的角色。元數(shù)據(jù)是用于描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，本體是概念模型的明確的規(guī)范說明，是對某領(lǐng)域的共享理解，經(jīng)常被表示為類、關(guān)系、功能、原理和實例的結(jié)合[10]。本體描述語言是用來描述本體的，它讓用戶可以為領(lǐng)域模型編寫清晰、形式化的概念描述。目前W3C推薦的本體語言主要有:XML、RDF/RDFS、DAML+OIL、OWL等。圖1表示了本體描述語言的層次結(jié)構(gòu)。其中XML作為元數(shù)據(jù)交換和處理的通用語法，RDF作為Web元數(shù)據(jù)的描述語言，RDFS、DAML+OIL、OWL作為Web的本體描述語言。

在語義網(wǎng)格中，網(wǎng)格服務(wù)可以用與自動服務(wù)發(fā)現(xiàn)的本體相聯(lián)系的元數(shù)據(jù)注釋。從服務(wù)分層的角度語義網(wǎng)格中服務(wù)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。將語義網(wǎng)格技術(shù)用于數(shù)字圖書館的構(gòu)建，解決數(shù)據(jù)集成、資源共享、語義檢索的問題，已引起了部分研究者的注意，取得了一些階段性的研究成果。文獻(xiàn)[11]結(jié)合語義網(wǎng)格中的理論和關(guān)鍵技術(shù)， 構(gòu)建了一個四層體系架構(gòu)的智能化數(shù)字圖書館知識推送服務(wù)系統(tǒng)模型，將系統(tǒng)模型劃分為原始數(shù)據(jù)層、知識處理層、表示層和用戶層，給出了語義相似度和關(guān)聯(lián)相似度的計算公式，并詳細(xì)論述了系統(tǒng)實現(xiàn)的整個流程。文獻(xiàn)[12]引入知識地圖技術(shù)，認(rèn)為應(yīng)用知識地圖技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)字圖書館領(lǐng)域本體的聚類，形成數(shù)字圖書館本體知識地圖，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建語義網(wǎng)格環(huán)境中數(shù)字圖書館知識組織的語義互聯(lián)模型。文獻(xiàn)[13]探討了語義網(wǎng)格環(huán)境中數(shù)字圖書館知識組織的目標(biāo)與內(nèi)容、知識組織方法與知識組織過程。文獻(xiàn)[14]提出了語義網(wǎng)格環(huán)境中數(shù)字圖書館的概念模型，探討了語義網(wǎng)格環(huán)境中數(shù)字圖書館知識組織的關(guān)鍵技術(shù)與服務(wù)，在此基礎(chǔ)上，遵循OGSA標(biāo)準(zhǔn)和語義Web標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了基于語義網(wǎng)格的數(shù)字圖書館知識組織模型，并從知識組織、知識服務(wù)、服務(wù)組合3個方面對此模型進(jìn)行了分析。

2.3 基于知識網(wǎng)格的數(shù)字圖書館

2001年11月，F(xiàn)ran Berman在《Communications of the ACM》上發(fā)表了短文“From Tera Grid to Knowledge Grid”，在這篇文章中提出了知識網(wǎng)格這一概念，并提出知識網(wǎng)格的主要研究內(nèi)容是:利用網(wǎng)格、數(shù)據(jù)挖掘、推理等技術(shù)從大量在線數(shù)據(jù)集中抽取和合成知識，使搜索引擎能夠智能地進(jìn)行推理和問題回答，并從大量數(shù)據(jù)中得出結(jié)論[15]。諸葛海教授認(rèn)為:“知識網(wǎng)格是一個智能互聯(lián)環(huán)境，它能使用戶或虛擬角色有效地獲取、發(fā)布、共享和管理知識資源，并為用戶和其他服務(wù)提供所需要的知識服務(wù)，輔助實現(xiàn)知識創(chuàng)新、協(xié)同工作、問題解決和決策支持?！敝R網(wǎng)格的本質(zhì)是要實現(xiàn)知識的共享與協(xié)同，利用知識網(wǎng)格技術(shù)解決數(shù)字圖書館中知識的發(fā)現(xiàn)和增值是一理想的選擇。

文獻(xiàn)[15]分別從知識網(wǎng)格的概念、基本理論、體系結(jié)構(gòu)及知識網(wǎng)格技術(shù)與數(shù)字圖書館信息資源的組織開發(fā)幾方面進(jìn)行了論述。文獻(xiàn)[16-19]分別就知識網(wǎng)格的原理、網(wǎng)格知識服務(wù)的架構(gòu)與本體規(guī)范、知識服務(wù)的描述、發(fā)現(xiàn)及工作流組合和知識網(wǎng)格在英國e-Science項目上的應(yīng)用進(jìn)行了概述。文獻(xiàn)[20]對知識網(wǎng)格在知識管理中的作用進(jìn)行了闡述，提出了知識網(wǎng)格有利于知識的交流、有利于智能化的知識管理、有利于為知識管理提供統(tǒng)一的平臺、有利于有效的組織和提煉知識、有利于隱性知識向顯性知識轉(zhuǎn)換。

3 基于網(wǎng)格數(shù)字圖書館研究的未來發(fā)展方向

從以上研究成果可以看出，盡管我國的科研工作者在基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究領(lǐng)域進(jìn)行了努力的探究，取得了很多有價值的成果，但取得的成果主要集中在將網(wǎng)格相關(guān)概念、模型框架、相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字圖書館的構(gòu)建中，提出了基于網(wǎng)格數(shù)字圖書館構(gòu)建的基本理論、體系結(jié)構(gòu)、模型框架等。當(dāng)前文獻(xiàn)很少見到原型系統(tǒng)的實現(xiàn)、模型框架中具體算法的設(shè)計及面向?qū)嶋H數(shù)字圖書館構(gòu)建的解決方案。結(jié)合數(shù)字圖書館未來發(fā)展趨勢和目前亟待解決的問題，本文提出了基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究的未來發(fā)展方向如下:

3.1 基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館的仿真及原型系統(tǒng)的開發(fā)

網(wǎng)格技術(shù)作為一種新的分布式計算技術(shù)，正在世界范圍內(nèi)引起各國研究人員的注意，每年的研究成果層出不窮，而網(wǎng)格技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用也正逐步展開?；诰W(wǎng)格的數(shù)字圖書館的研究應(yīng)借鑒這些研究成果，將有益于數(shù)字圖書館構(gòu)建的理論、模型框架、關(guān)鍵技術(shù)和方法借鑒過來，開展數(shù)字圖書館構(gòu)建的仿真或原型系統(tǒng)的開發(fā)，這樣才能檢驗研究中提出的理論和方法的正確性，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，為更大范圍內(nèi)數(shù)字圖書館的構(gòu)建提供實際經(jīng)驗和技術(shù)的支持。

3.2 基于語義網(wǎng)格的語義互操作

數(shù)字圖書館中不同節(jié)點間的互操作是實現(xiàn)無縫連接的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下資源共享與協(xié)同的關(guān)鍵。而基于語義網(wǎng)格的語義互操作是屏蔽底層硬件、軟件、數(shù)據(jù)等資源及實現(xiàn)上層服務(wù)組合和分布式檢索的有效途徑。數(shù)字圖書館中的語義互操作最終體現(xiàn)為語義網(wǎng)格服務(wù)間的互操作，因此需要對服務(wù)的元數(shù)據(jù)描述、服務(wù)的領(lǐng)域本體構(gòu)建、服務(wù)間組合算法、服務(wù)間協(xié)同算法、服務(wù)的自主計算、服務(wù)的組織方式、分布式協(xié)同檢索算法等進(jìn)行深入的研究，并通過仿真或原型系統(tǒng)的運(yùn)行對某些關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行驗證。

3.3 基于知識網(wǎng)格的知識服務(wù)

數(shù)字圖書館的最理想目標(biāo)不僅是提供異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息共享，而是提供知識的共享和知識增值。知識發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)挖掘和知識管理等是人工智能領(lǐng)域的重要研究方向，而基于知識網(wǎng)格的數(shù)字圖書館的構(gòu)建將隨著其它領(lǐng)域的研究進(jìn)展而受益，很多關(guān)鍵的技術(shù)難題還有待解決，可以說是任重而道遠(yuǎn)。而數(shù)字圖書館中的知識服務(wù)是未來數(shù)字圖書館提供的高級服務(wù)，是數(shù)字圖書館能發(fā)揮其優(yōu)越性的重要體現(xiàn)，是利國利民的巨大工程。針對數(shù)字圖書館中知識服務(wù)的具體情況，未來的研究將集中在數(shù)字圖書館中知識的描述、知識的發(fā)現(xiàn)、知識的集成、知識的檢索、知識的推理、基于知識的機(jī)器學(xué)習(xí)、知識增值等。

4 結(jié)束語

本文在查閱大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前我國基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述和分析，最后針對當(dāng)前研究的不足及未來數(shù)字圖書館的發(fā)展，提出了基于網(wǎng)格的數(shù)字圖書館研究的未來發(fā)展方向。數(shù)字圖書館的構(gòu)建是一巨大的工程，涉及到不同學(xué)科領(lǐng)域的交叉，面對的方法和技術(shù)難題需要不同知識背景的研究人員協(xié)力解決。本文下一步的研究工作將對基于語義網(wǎng)格的數(shù)字圖書館中服務(wù)間的組合、協(xié)同及分布式檢索算法進(jìn)行研究。

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