不確定QoS信息下的web服務(wù)選擇方法研究①

吳青林，周天宏

（1.鄖陽(yáng)師范高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)系，湖北 十堰 442000；2.武漢商學(xué)院信息工程系，湖北 武漢 430056）

0 引言

隨著面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)、云計(jì)算以及軟件即服務(wù)等技術(shù)的發(fā)展，web服務(wù)發(fā)展成為面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)軟件的重要形式，已廣泛應(yīng)用到電子商務(wù)、教育、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域.當(dāng)前web服務(wù)數(shù)據(jù)迅速增長(zhǎng)，用戶對(duì)web服務(wù)的需求日益多樣化，在服務(wù)的選擇過(guò)程中不僅需要考慮web服務(wù)的功能屬性，也需要考慮其非功能屬性.在web服務(wù)環(huán)境中，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些基于QoS屬性的web服務(wù)選擇方法，大多數(shù)采用確定的QoS屬性信息實(shí)現(xiàn)服務(wù)選擇，而web服務(wù)處于開(kāi)放的環(huán)境中，一些QoS指標(biāo)受到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化、任務(wù)數(shù)等諸多外部因素的影響，以及服務(wù)用戶應(yīng)用上下文環(huán)境的復(fù)雜性和服務(wù)提供者資源調(diào)度的靈活性等特點(diǎn)，web服務(wù)的QoS值會(huì)發(fā)生變化，具有不確定性因素，以確定值的形式給出QoS屬性無(wú)法準(zhǔn)確描述web服務(wù)受開(kāi)放環(huán)境的影響程度，不利于最優(yōu)候選服務(wù)的選取［1-5].

如何在web服務(wù)選擇過(guò)程中分析和量化不確定QoS信息已經(jīng)成為web服務(wù)領(lǐng)域內(nèi)迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，充分考慮不確定QoS信息對(duì)更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)web服務(wù)組合具有重要的意義.針對(duì)當(dāng)前對(duì)web服務(wù)選擇研究中對(duì)不確定QoS信息考慮不充分的問(wèn)題，根據(jù)QoS屬性描述內(nèi)容和獲取方式不同對(duì)QoS屬性進(jìn)行分類，并以此為基礎(chǔ)提出一種不確定QoS信息下服務(wù)選擇的方法.該方法采用有序加權(quán)平均（OWA）算子來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)間數(shù)的確定化，使用聯(lián)系數(shù)分析和量化web服務(wù)的模糊QoS屬性，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證該選擇方法的有效性，進(jìn)一步提高用戶web服務(wù)選擇的響應(yīng)時(shí)間和用戶滿意度.

1 web服務(wù)的QoS屬性描述

web服務(wù)QoS屬性指標(biāo)種類繁多，主要是描述完成業(yè)務(wù)目標(biāo)的特征，根據(jù)其描述的內(nèi)容和獲取方式不同，可以將其分為基礎(chǔ)性指標(biāo)、運(yùn)行性指標(biāo)、歷史性指標(biāo)和專用屬性指標(biāo)，其分類結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［6-8]：

圖1 web服務(wù)QoS屬性結(jié)構(gòu)圖

1）基礎(chǔ)性指標(biāo)

基礎(chǔ)性指標(biāo)是指每個(gè)web服務(wù)都應(yīng)該包括的通用指標(biāo)，用戶在進(jìn)行服務(wù)選擇時(shí)都需要考慮.主要包括成本、時(shí)間、信譽(yù)度等.基礎(chǔ)性指標(biāo)為web服務(wù)選擇提供重要的判斷依據(jù).

2）運(yùn)行性指標(biāo)

運(yùn)行性指標(biāo)主要包括運(yùn)行時(shí)的一些QoS屬性，主要包括可見(jiàn)性、可訪問(wèn)性和完整性等服務(wù)運(yùn)行性能的描述，在為web服務(wù)組合的服務(wù)選擇中發(fā)揮重要的參考作用.

3）歷史性指標(biāo)

歷史性指標(biāo)主要是通過(guò)對(duì)web運(yùn)行記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到，如服務(wù)被調(diào)用次數(shù)、成功次數(shù)和失敗次數(shù)等，這些由客戶或目錄服務(wù)統(tǒng)計(jì)的客觀性服務(wù)質(zhì)量，在服務(wù)選擇中起到一定的參考作用.

4）領(lǐng)域特有指標(biāo)

專用指標(biāo)是指特定領(lǐng)域的服務(wù)所持有的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo).如產(chǎn)品類服務(wù)的“合格率”，天氣類服務(wù)的“溫度”等，web服務(wù)應(yīng)當(dāng)具有的領(lǐng)域特有指標(biāo)一般通過(guò)領(lǐng)域本體來(lái)描述.

2 web服務(wù)QoS屬性確定化

web服務(wù)的QoS屬性的度量方法、量綱、表達(dá)方式等都不盡相同，具有多樣化的特點(diǎn).web服務(wù)QoS屬性的多樣性特征為web服務(wù)的選擇增加了難度，需要對(duì)QoS屬性進(jìn)行確定化處理，以便更準(zhǔn)確為抽象服務(wù)選擇合適的web服務(wù)進(jìn)行組合，該階段對(duì)web服務(wù)組合具有重要作用.筆者根據(jù)QoS屬性的描述方式，將不確定QoS屬性分為區(qū)間型和模糊型，通過(guò)不同的處理方式分別將其確定化［9-12].

2.1 確定化思想決策思路是分別對(duì)區(qū)間型和語(yǔ)言型QoS屬性提出解決方案，區(qū)間型QoS屬性采用通過(guò)樣本性質(zhì)總體估計(jì)隨機(jī)變化的QoS指標(biāo)并通過(guò)有序加權(quán)平均（OWA）算子來(lái)實(shí)現(xiàn)QoS確定化，語(yǔ)言型QoS值數(shù)據(jù)模糊程度較高，通過(guò)轉(zhuǎn)化成聯(lián)系數(shù)的形式來(lái)刻畫(huà)和分析web服務(wù)描述的確定與不確定聯(lián)系.本文中提出的方法采用的聯(lián)系數(shù)形式是:u=a+bi，其中a+b=1，a，b∈［0，1]，a表示同一度，b表示差異度，i為差異度系數(shù)，取值區(qū)是［-1，1]，當(dāng)b=0時(shí)，聯(lián)系數(shù)為一確定數(shù)，將聯(lián)系數(shù)引入到web服務(wù)領(lǐng)域，能夠很好地解決不確定QoS屬性的web服務(wù)的選擇問(wèn)題.

2.2 區(qū)間型QoS屬性處理

2.2.1 區(qū)間數(shù)的獲取 當(dāng)web服務(wù)的QoS屬性值在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)隨機(jī)變化時(shí)，采用樣本的性質(zhì)對(duì)隨機(jī)變量總體性質(zhì)進(jìn)行估計(jì)，總體估計(jì)隨機(jī)變化的QoS指標(biāo)并通過(guò)有序加權(quán)平均（OWA）算子來(lái)實(shí)現(xiàn)QoS確定化，首先隨機(jī)選取web服務(wù)的n次執(zhí)行記錄值，分別確定不同QoS指標(biāo)值的樣本向量，設(shè)web服務(wù)的其中一個(gè)QoS屬性值的樣本向量為：Qi={q1,q2,q3,…,qn}，通過(guò)（1）式和（2）式得到其樣本值的數(shù)學(xué)期望

2.2.2 區(qū)間數(shù)的確定化 區(qū)間的確定化依據(jù)美國(guó)著名學(xué)者Yager提出的有序加權(quán)平均（OWA）算子來(lái)實(shí)現(xiàn)，其基本思想是對(duì)數(shù)據(jù)按順序排列，通過(guò)數(shù)據(jù)所在位置進(jìn)行加權(quán)再進(jìn)行集結(jié)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)間數(shù)不確定信息的融合，并將其轉(zhuǎn)化成確定數(shù).為了更好地描述區(qū)間數(shù)的確定化，將涉及到的基本區(qū)間單調(diào)函數(shù)COWA算子定義如下：

定義1設(shè)Q函數(shù):［0，1]→［0，1]，性質(zhì)為：①Q(mào)（0）=0；②Q（1）=1③如果x≥y，則Q（x）≥Q（y），則Q稱為基本的區(qū)間單調(diào)函數(shù).

定義2設(shè)xˉ=[xl,xu]為區(qū)間數(shù)，并且：

其中Q為基本區(qū)間函數(shù)，稱fQ為連續(xù)區(qū)間間OWA算子，簡(jiǎn)稱COWA算子.

本文中主要通過(guò)COWA算子實(shí)現(xiàn)區(qū)間QoS值的確定化，設(shè)Q（y）=yr（r≥0）時(shí)，COWA算子可以表示為（3）式:

當(dāng)r取不同的值時(shí)對(duì)應(yīng)不同的結(jié)果如（4）式：

2.3 模糊QoS屬性確定化

2.3.1 將模糊型QoS值轉(zhuǎn)換為三角模糊數(shù) 模糊型QoS屬性通常分為語(yǔ)言型、等級(jí)型、是否型和決策型，設(shè)三角模糊數(shù)u=［aL，aM，aN]（0＜aL＜aM＜aN），則稱u是一個(gè)三角模糊數(shù)，并且把a(bǔ)L、aN稱為三角模糊數(shù)的下確界和上確界，稱aM為三角模糊數(shù)的中值，稱aN-aL為三角模糊數(shù)的取值區(qū)間.先將其轉(zhuǎn)換為三角函數(shù)，其轉(zhuǎn)換規(guī)則分別為：

1）語(yǔ)言型：如果ij是（0≤j≤m）為語(yǔ)言集i=＜i0，i1，i2，…，in＞的一個(gè)屬性值，則轉(zhuǎn)換成三角模糊數(shù)為（（j-1）/m，j/m，（j+1）/m）.

2）等級(jí)型：如果li（0≤i≤m）是有序等級(jí)集合L=＜L0，L1，…，Ln＞的一個(gè)屬性值，則該屬性的三角模糊數(shù)為＜li/lm，li/lm，li/lm＞.

3）是否型:是否型屬性值包括“是”和“否”兩種情況，如果值為“是”，則其三角模糊數(shù)可表示為＜1，1，1＞，如果其值為“否”則其三角模糊數(shù)表示為＜0，0，0＞.

4）決策型:如果n屬性為決策模型的評(píng)價(jià)值，則0≤n≤1，則該決策值的三角模糊數(shù)為（n，n，n）.

2.3.2 數(shù)據(jù)采集及模糊數(shù)的確定化 選取n個(gè)用戶的反饋值的中較大概率的評(píng)價(jià)值作為三角模糊數(shù)值，將三角函數(shù)值轉(zhuǎn)化成確定數(shù)通過(guò)三元聯(lián)系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn).

1）聯(lián)系數(shù)的加法和乘法計(jì)算法則

①設(shè)u1=a1+b1i，u2=a2+b2i是兩個(gè)聯(lián)系數(shù)，則兩個(gè)聯(lián)系數(shù)之和u1+u2為u=a+bi，記作u=u1+u2=a1+a2+（b1+b2）i=a+bi.

② 設(shè)u1=a1+b1i，u2=a2+b2i是兩個(gè)聯(lián)系數(shù)，則兩個(gè)聯(lián)系數(shù)之積u1×u2是一個(gè)聯(lián)系數(shù)u=a+bi，記作u=u1×u2=（a1+b1i）×（a2+b2i）=a1a2+（a1b2+a2b1+b1b2）i=a+bi.

2）將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化成u=a+bi型聯(lián)系數(shù)的轉(zhuǎn)換方法

設(shè)三角模糊數(shù)u=［aL，aM，aN]，轉(zhuǎn)化后的聯(lián)系數(shù)中的a=(aL+aM+aN)/3 ，b={[(aL-A)2+(aM-A)2+則三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化后的聯(lián)系數(shù)

3 基于聯(lián)系數(shù)的web服務(wù)選擇模型

在web服務(wù)選擇決策模型中服務(wù)提供者將服務(wù)在UDDI注冊(cè)中心注冊(cè)，服務(wù)請(qǐng)求者提出服務(wù)請(qǐng)求，通過(guò)日志信息庫(kù)和服務(wù)信息庫(kù)獲取相關(guān)信息，然后根據(jù)不同類型的QoS屬性選取相應(yīng)的處理方法，其web服務(wù)選擇模型圖如圖2所示：

圖2 web服務(wù)選擇模型圖

在該web服務(wù)選擇模型中將web服務(wù)選擇轉(zhuǎn)化為一個(gè)多屬性決策模型，具有相同功能的候選服務(wù)集合為獲取的QoS屬性并將其處理后的屬性向量為q(si)={q1(si),q2(si),…,qm(si)}，其對(duì)應(yīng)的屬性權(quán)重為根據(jù)每個(gè)候選服務(wù)的QoS信息建立聯(lián)系數(shù)決策矩陣，結(jié)合權(quán)重向量，即可計(jì)算出每個(gè)候選服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，假設(shè)屬性先經(jīng)過(guò)規(guī)范化處理，屬性值越大越好.則候選服務(wù)的質(zhì)量計(jì)算分式為將上述公式模型利用三角模糊數(shù)表示即為：

其中i的取值范圍為本文中根據(jù)比例取值原理取

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證用戶對(duì)本文中中推薦模型的有效性，在局域網(wǎng)中構(gòu)建模擬環(huán)境，仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)配置是Pentium 3500MHz處理器，2G內(nèi)存，win7操作系統(tǒng)，Matlab 8.1，模擬5個(gè)功能相同的服務(wù)，每個(gè)服務(wù)有4個(gè)質(zhì)量屬性，即響應(yīng)時(shí)間（單位:ms），價(jià)格（單位:元），信任度和可用性.實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）分別調(diào)用候選服務(wù)30次，根據(jù)提出的方法計(jì)算區(qū)間型屬性，選取較大概率數(shù)據(jù)作為模糊型屬性，其質(zhì)量屬性區(qū)間和語(yǔ)言描述如表1所示：

表1 候選服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量的屬性區(qū)間

2）根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，用三角模糊數(shù)表示用語(yǔ)言描述的QoS值，語(yǔ)言描述集為：{很高，高，一般，較低，很低}，其屬性矩陣如下：

3）根據(jù)本文中中提出確定化方法，將上述區(qū)間數(shù)和三角模糊數(shù)確定化，可得到確定化矩陣為:

4）先將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并根據(jù)區(qū)間范圍和三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化成聯(lián)系數(shù)的方法，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立聯(lián)系數(shù)矩陣：

5）將三角模糊數(shù)轉(zhuǎn)化成聯(lián)系數(shù)的形式:

6）權(quán)重確定.QoS權(quán)重采用三角模糊數(shù)的形式表示，將其轉(zhuǎn)化成聯(lián)系數(shù)再參與計(jì)算，4個(gè)QoS屬性的權(quán)重轉(zhuǎn)換成聯(lián)系數(shù)，其值分別為

7）綜合QoS值.根據(jù)選擇模型計(jì)算公式分別求出每個(gè)服務(wù)的質(zhì)量聯(lián)系數(shù)，結(jié)果分別為:

8）按照“i的比例取值原理”取值，計(jì)算綜合值.

9）結(jié)果及分析.從以上綜合值的排序，5個(gè)候選服務(wù)的質(zhì)量排序?yàn)镾3＞S5＞S4＞S1＞S2，本文中算法與多目標(biāo)決策算法處理結(jié)果一致，并選擇響應(yīng)時(shí)間和用戶滿意度作為性能指標(biāo)，將兩種算法的性能進(jìn)行對(duì)比.

①響應(yīng)時(shí)間比較

本文中算法通過(guò)引入聯(lián)系數(shù)，算法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，其響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于多目標(biāo)決策算法，通過(guò)增加候選服務(wù)的數(shù)量個(gè)數(shù)，其響應(yīng)時(shí)間保持平穩(wěn)增加，沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，兩種算法的響應(yīng)時(shí)間隨服務(wù)數(shù)變化的比較如圖3所示.

②用戶滿意比較

本文中提出的算法在候選服務(wù)數(shù)量小于30時(shí)，滿意度與多目標(biāo)決策算法大致相當(dāng)，當(dāng)候選服務(wù)數(shù)量大于30時(shí)準(zhǔn)確性和用戶滿意度明顯優(yōu)于多目標(biāo)決策算法，兩種算法的滿意度隨候選服務(wù)數(shù)變化的比較如圖4所示.

圖3 響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

圖4 用戶滿意度對(duì)比

5 小結(jié)

web服務(wù)QoS屬性信息不確定性問(wèn)題是web服務(wù)選擇過(guò)程中迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入聯(lián)系數(shù)的形式提出了web服務(wù)選擇方法，實(shí)驗(yàn)證明該方法的可行性和有效性，在下一步的工作中，應(yīng)該進(jìn)一討論如何將其應(yīng)用于服務(wù)組合過(guò)程，提高服務(wù)組合的效率和準(zhǔn)確性.

［1]溫濤，李迎秋，盛國(guó)軍，等.不確定信息下基于改進(jìn)粒子群算法的web服務(wù)選擇［J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2014，44

（1）:129-137.

［2]康國(guó)勝，劉建勛.考慮QoS屬性相關(guān)性的web服務(wù)選擇［J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2014，35（4）:786-789.

［3]祝希路，王柏.基于不確定服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)選擇算法［J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17（11）:2532-2539.

［4]王紅兵，孫文龍，王華蘭.Web服務(wù)選擇中偏好不確定問(wèn)題的研究［J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2013，36（2）:275-286.

［5]文俊浩，秦佳，柳玲.一種在用戶偏好不確定情況下的web服務(wù)選擇方法［J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010，27（6）:2147-2149.

［6]趙克勤.二元聯(lián)系數(shù)A+Bi的理論基礎(chǔ)與基本算法及在人工智能中的應(yīng)用［J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2008，3（6）:477-488.

［7]董九英，萬(wàn)樹(shù)平.三角模糊數(shù)型多屬性決策的灰色關(guān)聯(lián)法［J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（15）:196-199.

［8]孫祿，盧瀟，韓毅娜.基于三角模糊數(shù)的多目標(biāo)群決策方法［J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（11）:73-77.

［9]張成文，蘇森，陳俊亮.基于遺傳算法的QoS感知的web服務(wù)選擇［J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2006，29（7）:1029-1038.

［10]賀春林，謝琪.基于協(xié)同過(guò)濾的個(gè)性化web 服務(wù)選擇方法［J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（1）：239-242.

［11]舒振，陳洪輝，羅雪山.基于改進(jìn)混合粒子群算法的服務(wù)動(dòng)態(tài)選擇方法［J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011（10）:3086-3094.

［12]付曉東，鄒平等.QoS信息不確定情況下的web服務(wù)選擇［C].第二十七屆中國(guó)控制會(huì)議論文集:271-276.