語義Web服務(wù)建模框架比較分析＊

林關(guān)成

（渭南師范學院 傳媒工程學院，渭南714099）

隨著Web服務(wù)在信息服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，互聯(lián)網(wǎng)上Web服務(wù)的數(shù)量呈現(xiàn)出爆炸式增長．Web服務(wù)作為一種新興的 Web應(yīng)用模式，可以擺脫硬件系統(tǒng)平臺、操作系統(tǒng)以及編程語言的束縛，為服務(wù)提供者跨平臺、跨行業(yè)的進行服務(wù)提供了技術(shù)保障．當前的Web雖然能夠更多地為用戶提供多種描述文本信息，卻不包含機器之間可理解的語義信息，在傳統(tǒng)的Web服務(wù)模式下要想實現(xiàn)服務(wù)的自動發(fā)現(xiàn)、自動匹配以及自動調(diào)用是不太容易的，這不僅限制了機器在互聯(lián)網(wǎng)信息檢索領(lǐng)域的發(fā)展，也限制了機器自動化的處理能力［1］．

在Web服務(wù)數(shù)量龐大的今天，再依靠傳統(tǒng)的人工方式去組織、管理、分類Web服務(wù)已經(jīng)不太現(xiàn)實，要讓機器自動的處理這些服務(wù)的識別、組織以及匹配問題，需要讓計算機具有更高的智能化，必須克服傳統(tǒng)的信息組織形式，摒棄傳統(tǒng)的文本匹配思路，于是語義 Web便應(yīng)運而生［2］．語義 Web的出現(xiàn)給機器之間的智能交互提供了契機，通過語義描述語言使互聯(lián)網(wǎng)上的信息具有語義，從而更準確的發(fā)現(xiàn)知識［3］．將語義Web技術(shù)應(yīng)用于 Web服務(wù)領(lǐng)域就產(chǎn)生了語義Web服務(wù)，它是傳統(tǒng)的Web服務(wù)機制和語義Web技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，能夠自動處理服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、服務(wù)的組合以及服務(wù)的調(diào)用，使Web服務(wù)更加智能化、服務(wù)定位更加精準、用戶的體驗度更高［4］．語義 Web服務(wù)的實現(xiàn)一方面需要創(chuàng)建、發(fā)現(xiàn)和自動化調(diào)用 Web服務(wù)的形式化描述［5］，另一方面還需要用于分析、驗證服務(wù)語義的建模框架［6］．當前，有關(guān)研究機構(gòu)各自提出了不同的語義Web服務(wù)建模框架，比較著名的框架有：METEOR-S［7］，WSMO［8-9］，IRS［10］以及 SWSF［11］等．本文以語義Web服務(wù)的一般結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對語義Web服務(wù)的三大主流建?？蚣躉WL-S，IRS和WSMO從行為、體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)本體等方面進行比較分析．

1 語義Web服務(wù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

當前，圍繞語義Web服務(wù)的研究大多是從行為、體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)本體三個方面展開的．行為定義了支撐語義Web服務(wù)的多種功能，包括服務(wù)的發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、選擇、組合、配置以及本體的管理等；體系結(jié)構(gòu)定義了一系列實現(xiàn)上述行為的組件，包括注冊機、推理機、中介系統(tǒng)、觸發(fā)器等等；服務(wù)本體則是從概念上關(guān)于服務(wù)的最本質(zhì)的描述，定義了服務(wù)的輸入輸出、執(zhí)行的前提和執(zhí)行后產(chǎn)生的效果、服務(wù)的類型以及服務(wù)的質(zhì)量等等．三者從宏觀到微觀構(gòu)成了語義Web服務(wù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)．

2 語義Web服務(wù)主流建?？蚣?/h2>

2．1 OWL-S

OWL-S是由“DAML（DARPA Agent Markup Language for Services）計劃”定義的關(guān)于語義Web服務(wù)的基于本體描述的語言體系［12-13］，通過對Web服務(wù)進行邏輯化描述，進而產(chǎn)生相關(guān)的描述方法以支持機器和機器的相互理解．以此為核心的OWL-S語言構(gòu)件可以實現(xiàn)Web服務(wù)的自動處理，比如服務(wù)的自動發(fā)現(xiàn)、服務(wù)的調(diào)用、服務(wù)的組合及監(jiān)視等．從體系框架來看，OWL-S本體形成一個層次結(jié)構(gòu)，以概念類為基本的組織形式，這種概念類主要表現(xiàn)為服務(wù)的形式，因此也將這些概念類稱為服務(wù)類，其主要包含三個基本屬性：表示、被描述和支持，如圖1所示．OWL-S包括三個組件，服務(wù)概要描述服務(wù)的功能，即這個服務(wù)是做什么的，服務(wù)搜尋代理通過服務(wù)概要實現(xiàn)服務(wù)匹配，尋找到滿足服務(wù)請求者需求的Web服務(wù)；服務(wù)模型描述服務(wù)是怎么做的，即服務(wù)的具體實現(xiàn)細節(jié)；服務(wù)基點描述怎樣訪問服務(wù)．可以說 WSDL與UDDI使Web服務(wù)實現(xiàn)了自動化，OWL-S使得 Web服務(wù)實現(xiàn)智能化．縱使OWL-S有許多的優(yōu)越性，但是在目前的Web框架下，很難得到廣泛的使用，因為語義Web并沒有廣泛的應(yīng)用，OWL-S在理想狀況下（即到處都是語義）才能發(fā)揮最大的功效．

圖1 OWL-S的頂層本體Fig．1 The upper ontology of OWL-S

在圖1中，服務(wù)概要是用來描述服務(wù)功能的，告訴用戶服務(wù)的總體信息，在Web服務(wù)發(fā)布機制中起到了發(fā)布服務(wù)廣告的作用，用戶看到以后，根據(jù)自己的服務(wù)需求能夠精準的進行服務(wù)判決；服務(wù)模型用來描述服務(wù)在實現(xiàn)過程中的運行方式以及執(zhí)行流程；服務(wù)基點通過提供服務(wù)調(diào)用過程中的通信協(xié)議以及消息格式等具體細節(jié)，進而提供服務(wù)方位方式的具體方案，用戶通過服務(wù)基點即可知道如何與Web服務(wù)進行存取等通信信息．

2．2 IRS

IRS是Open university開發(fā)的一種框架結(jié)構(gòu)，它可以支持 Web服務(wù)的發(fā)布、定位、組合和執(zhí)行，在框架體系結(jié)構(gòu)中將每個Web服務(wù)通過語義描述其功能，通過語義推理服務(wù)提供了上下文知識的理解，由三大部分組成：IRS服務(wù)器，IRS發(fā)布器和IRS客戶機，這三部分通過SOAP（Simple Object Access Protocol）［14］協(xié)議進行交互．SOAP 不僅可以完成服務(wù)通信功能，而且在安全實現(xiàn)方面有更多的機制．IRS服務(wù)器保存了對語義 Web服務(wù)不同層次的描述．在內(nèi)部，它使用OCML來表示對組件知識層面的描述．另外，使用集合來映射知識層面的描述和特定的 Web服務(wù)之間的關(guān)系．IRS發(fā)布器在IRS服務(wù)器中連接了Web服務(wù)和語義描述．IRS客戶端負責請求需要完成的任務(wù)，調(diào)用恰當?shù)腤eb服務(wù)．

2．3 WSMO

WSMO是一個概念模型，它通過形式化描述語言對 WSMF［15］進行擴展，并細化了 WSMF中描述語義 Web服務(wù)的4個要素，即本體、目標、Web服務(wù)描述以及中介器，目的是通過為語義網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的核心元素提供本體化說明，從而更好地支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、整合以及交互，其整體框架如圖2所示．

圖2 WSMO框架結(jié)構(gòu)Fig．2 The framework of WSMO

本體提供了對某一領(lǐng)域的正式描述和共享概念，為Web服務(wù)的交互信息提供正式語義，方便Web服務(wù)整合；目標描述了當客戶請求服務(wù)時可能持有的目的，它詳述了客戶端對某個Web服務(wù)的功能要求，也描述其期望的與Web服務(wù)的交互方式；Web服務(wù)描述了Web服務(wù)所提供的功能以及在Internet上的業(yè)務(wù)接口；中介器提供了整合多個Web服務(wù)聯(lián)合作業(yè)中產(chǎn)生的誤匹配問題的一般機制．

3 語義Web服務(wù)建?？蚣鼙容^分析

3．1 行 為

行為定義了支撐語義Web服務(wù)的各種功能及功能組合，在行為方面，幾種建模的核心框架各有各的優(yōu)勢．OWL-S通過良好的服務(wù)框架構(gòu)建，對服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)選擇、服務(wù)組合、服務(wù)配置以及知識本體庫的服務(wù)觸發(fā)能夠提供良好的支持，特別是在服務(wù)的發(fā)現(xiàn)方面能夠發(fā)現(xiàn)隱含的深層次的服務(wù)對象，對于構(gòu)建整體服務(wù)，形成綜合服務(wù)組合具有重要意義；IRS通過設(shè)立專用的服務(wù)發(fā)布器，對于服務(wù)的發(fā)布進行專門處理，在新服務(wù)產(chǎn)生時可以及時的發(fā)布新服務(wù)，并且通過其IRS服務(wù)單元可以對專門服務(wù)對象提供領(lǐng)域知識服務(wù)，通過調(diào)用領(lǐng)域知識提供領(lǐng)域內(nèi)的服務(wù)組合．WSMO通過構(gòu)建專用的服務(wù)發(fā)現(xiàn)架構(gòu)，實施服務(wù)發(fā)現(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計，為語義本體服務(wù)的核心元素提供本體化說明，使所提供的服務(wù)描述更加詳細，服務(wù)發(fā)現(xiàn)更為精確，從而更好地支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、整合以及交互等行為．

3．2 體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)定義了一系列實現(xiàn)上述行為的組件．從體系結(jié)構(gòu)的角度來看，三大建?？蚣芨鞑幌嗤?，各有其側(cè)重點．IRS構(gòu)建了較為完善的體系結(jié)構(gòu)，其核心框架模塊由IRS服務(wù)器，IRS發(fā)布器和IRS客戶端三大功能模塊構(gòu)成，各個模塊之間是通過基于XML的SOAP協(xié)議來進行通信，并負責通信過程中安全保障的．IRS服務(wù)器模塊是將功能說明文檔通過SOAP協(xié)議映射到具體的Web服務(wù)上．IRS發(fā)布器模塊，接收到獨立代碼描述的 Web服務(wù)，第一步是要將這些代碼描述方式轉(zhuǎn)化為標準的Web服務(wù)，第二步將解析出的Web服務(wù)與IRS服務(wù)器中相應(yīng)的語義描述信息建立關(guān)聯(lián)信息，最后，用戶提出服務(wù)任務(wù)請求，可以通過任務(wù)觸發(fā)機制在IRS服務(wù)器上找到并觸發(fā)相應(yīng)服務(wù)．OWL-S沒有為其服務(wù)本體制定具體的執(zhí)行框架，采用若干組件來支持OWL-S的應(yīng)用開發(fā)．WSMO建模體系結(jié)構(gòu)的核心是服務(wù)發(fā)布與自動發(fā)現(xiàn)，這些過程是通過位于遠程的服務(wù)注冊服務(wù)器來完成的，服務(wù)注冊服務(wù)器的核心是中介器，它可以控制Web服務(wù)及服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程的交互．

3．3 服務(wù)本體

服務(wù)本體從概念上對服務(wù)進行本質(zhì)描述．從服務(wù)本體的角度來看，OWL-S、IRS和 WSMO三大建?？蚣艿姆?wù)本體構(gòu)建方法和邏輯基礎(chǔ)不盡相同．從本體模型的角度說，IRS的服務(wù)本體包括兩部分，分別是任務(wù)本體和問題求解方法本體，其中任務(wù)本體主要包含基于描述邏輯的領(lǐng)域本體．通過將Web服務(wù)描述與Web服務(wù)的實現(xiàn)進行分離，增強了Web服務(wù)調(diào)用過程的靈活性，但是這樣的分離也帶來了一些弊端，主要表現(xiàn)在：IRS服務(wù)本體規(guī)范化要求不高，導(dǎo)致處理本體服務(wù)的靈活性較大，加之本體使用過程中應(yīng)用領(lǐng)域的差別，使得應(yīng)用領(lǐng)域難以達到統(tǒng)一，從而無法完成統(tǒng)一管理本體的目標；本體無法統(tǒng)一也導(dǎo)致不同領(lǐng)域本體之間難以融合，使多領(lǐng)域推理難度加大，降低了推理知識庫的適用范圍．WSMO本體是基于一階邏輯的本體，它通過形式化的規(guī)格說明達到服務(wù)的匹配、組合和調(diào)用目的，雖然其推理能力有所增強，但受到一階邏輯的推理能力制約，其推理功能及服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能受到一定的限制．OWL-S是基于描述邏輯的本體服務(wù)描述，服務(wù)本體采用概念化的表示方法，能夠描述邏輯所具有的具體特性，雖然無法明顯地表達任務(wù)的概念，但它是建立在語義 Web技術(shù)標準之上，具有強大的邏輯表達能力，本體規(guī)范化程度較高，管理較容易．

根據(jù)上述分析與比較，OWL-S基于面向代理的思想規(guī)范了一系列基于OWL的服務(wù)本體；IRS則是從可重用的知識組件方法演化而來，易于使用且得到了很多應(yīng)用的支持；WSMO主要采用面向業(yè)務(wù)的方法，致力于解決電子商務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，這些領(lǐng)域要求具有信任與安全機制．從行為的角度來看，三種方法有各自的優(yōu)勢；從體系結(jié)構(gòu)的角度來看，IRS相比另外兩種框架較為完善，也更實用；從服務(wù)本體角度來看，OWL-S具有表達能力強，規(guī)范程度高等優(yōu)勢．

4 應(yīng)用實例分析

為了驗證語義Web服務(wù)主流建?？蚣?，以教學資源本體為例，在教學資源本體上建立排課規(guī)則，將推理系統(tǒng)模型應(yīng)用于以教學資源本體為基礎(chǔ)的排課系統(tǒng)．

首先，確定教學資源本體創(chuàng)建的領(lǐng)域和范圍．本例中，本體是為排課系統(tǒng)服務(wù)，因此，教學資源主要有教室資源和設(shè)備資源．其次，需要定義教學資源本體的詞匯，確定各個類別之間的階層關(guān)系．教室資源定義為教室（classroom）類，主要包含普通教室（general classroom）類、聽力教室（listening classroom）類 和 多 媒 體 教 室 （multimedia classroom）類三個子類．設(shè)備資源定義為設(shè)備（equipment）類，主要包含聽力設(shè)備（listening equipment）類和多媒體設(shè)備（multimedia equipment）類兩個子類．此外，還要定義課程（course）類、課程表（course Table）類以及各類的數(shù)據(jù)類型和屬性等．接著，在OWL本體中定義各個類別之間的限制和屬性，明確類和類之間的關(guān)系，指出各類的領(lǐng)域、范圍和屬性類別．最后，建立classroom實例、equipment實例、course實例以及course Table中具體條目實例等知識實例，分別將具體的資源填入相應(yīng)的實例，完成教學資源本體的建立．對教學資源本體進行檢測修改后，建立排課的推理規(guī)則，利用指令將該類別所有的實例建成事實列表，將本體和規(guī)則分別經(jīng)過相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，進行規(guī)則和知識的模式匹配運算，得到新的知識．排課系統(tǒng)的具體推理過程如圖3所示．

語義Web中的本體通過基于描述邏輯的語義Web本體表示語言O(shè)WL來明確表示詞匯表中術(shù)語的含義以及術(shù)語間的關(guān)系，在本體的基礎(chǔ)上進行推理，從而實現(xiàn)真正意義上的語義Web．

圖3 基于語義Web的排課過程Fig．3 The course scheduling based on semantic web

5 結(jié) 論

在分析語義Web服務(wù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從行為、體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)本體的角度分析比較了當前語義Web服務(wù)三大主流建?？蚣艿奶攸c，對語義Web服務(wù)的建模具有一定的參考價值．三大建模框架各具特色，也可相互補充，它們分別為不同的應(yīng)用領(lǐng)域提供了不同的Web服務(wù)，在具體的應(yīng)用環(huán)境中采用哪種建?？蚣芤鶕?jù)語義描述形式、體系結(jié)構(gòu)要求以及需要支持的服務(wù)類型等功能需求進行具體的分析選擇．三種主流建模框架也有各自的缺陷，現(xiàn)有的語義Web服務(wù)建模框架有待進一步的完善．

［1］ 崔華，應(yīng)時，袁文杰，等．語義 Web服務(wù)組合綜述［J］．計算機科學，2010（5）：21．CUI Hua，YING Shi，YUAN Wen-jie，et al．Review of Semantic Web Service Composition［J］．Computer Science，2010（5）：225．（in Chinese）

［2］ 朱創(chuàng)錄．語義 Web與推理系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］．微型機與應(yīng)用，2010（5）：52．ZHU Chuang-lu．Research on Semantic Web and Reasoning System ［J］．Microcomputer ＆ Its Applications，2010（5）：52．（in Chinese）

［3］ 裴韶亮．語義 Web服務(wù)匹配框架模型研究與設(shè)計［J］．計算機工程與設(shè)計，2010（2）：410．PEI Shao-liang．Research on and Design of Semantic Web Service Matching Framework［J］．Computer Engineering and Design，2010（2）：410．（in Chinese）

［4］ 劉華文，申春，楊冬，等．語義 Web服務(wù)基礎(chǔ)技術(shù)研究綜述［J］．吉林大學學報：信息科學版，2010（1）：47．LIU Hua-wen，SHEN Chun，YANG Dong，et al．Survey of Semantic Web Service Techniques［J］．Journal of Jilin University：Information Science Edition，2010（1）：47．（in Chinese）

［5］ 蔡杰，李冠宇，李海燕．語義 Web服務(wù)框架比較及本體異構(gòu)協(xié)調(diào)［J］．遼東學院學報：自然科學版，2011（3）：218．CAI Jie，LI Guan-yu，LI Hai-yan，Semantic Web Service Framework Comparison and Ontology Heterogeneity Coordination ［J］．Journal of Eastern Liaoning University：Natural Science，2011（3）：218．（in Chinese）

［6］ 郭頌，柳春華，周明林．語義 Web服務(wù)組合實現(xiàn)框架研究［J］．信陽師范學院學報：自然科學版，2011（4）：536．GUO Song，LIU Chun-hua，ZHOU Ming-lin．Implement Framework of Semantic Web Service Composition［J］．Journal of Xinyang Normal University：Natural Science Edition，2011（4）：536．（in Chinese）

［7］ KUNAL V，KAARTHIK S，AMIT S，et al．METEOR-S WSDI：A Scalable P2PInfrastructure of Registries for Semantic Publication and Discovery of Web Services［J］．Information Technology and Management，2005，6（1）：17．

［8］ 李蜀瑜，周娟．基于 WSMO服務(wù)質(zhì)量的語義 Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架［J］．計算機應(yīng)用，2009（8）：2299．LI Shu-yu，ZHOU Juan．Semantic Web Service Discovery Framework Based on WSMO-QoS［J］．Journal of Computer Applications，2009（8）：2299．（in Chinese）

［9］ REINHOLD H，HOLGER L，DUMITRU R，et al．D10v0．1WSMO Registry，WSMO Working Draft［EB／OL］．（2014-04-25）［2015-03-31］．http：／／www．wsmo．org／2004／d10／v0．1／20040426／，2004-4-26．

［10］ ENRICO M，JOHN D，LILIANA C，et al．IRS-II：A Framework and Infrastructure for Semantic Web Services［C］／／Proc of the 2nd International Semantic Web Conference，F(xiàn)lorida：Springer-Verlag berlin Herdelberg，2003：306．

［11］ 滿君豐，邱銀安，陳青，等．語義 Web服務(wù)框架模型研究［J］．計算機集成制造系統(tǒng)，2005（10）：1372．MAN Jun-feng，QIU Yin-an，CHEN Qing，et al．Research on Model of Semantic Web Service Framework［J］．Computer Integrated Manufacturing Systems，2005（10）：1372．（in Chinese）

［12］ 吳金紅，殷之明，王翠波．基于OWL-S的語義 Web服務(wù)質(zhì)量描述框架［J］．情報雜志，2007（10）：75．WU Jin-hong，YIN Zhi-ming，WANG Cui-bo．An OWL-S Based Framework for Quality of Semantic Web Service［J］．Journal of Information，2007（10）：75．（in Chinese）

［13］ DAVID M，MARK B，JERRY H，et al．OWL-S：Semantic Markup for Web Services［EB／OL］．（2014-11-22）［2015-03-31］．http：／／www．w3．org／Submission／2004／SUBM-OWL-S-20041122．

［14］ MARTIN G，MARC H，NOAH M，et al．SOAP Version 1．2Part 1：Messaging Framework （2nd ed）［EB／OL］．（2007-04-27）［2015-03-31］．http：／／www．w3．org／TR／2007／REC-soap12-part1-20070427／，2007-04-27．

［15］ FENSEL D，BUSSLER C．The Web Service Modeling Framework WSMF ［J］．Electronic Commerce：Research and Applications，2002，28（1）：113．