語(yǔ)義Web服務(wù)匹配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要:語(yǔ)義WEB是W3C制定的關(guān)于下一代WEB技術(shù)的擴(kuò)展，將已有的WEB服務(wù)技術(shù)與語(yǔ)義WEB相結(jié)合可以形成語(yǔ)義WEB服務(wù)技術(shù)。而本體作為其中的一部分，起到了非常重要的作用。該文探討了有一個(gè)基于本體和描述邏輯的語(yǔ)義服務(wù)匹配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并分析了系統(tǒng)的查詢靈活性及邏輯推理等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:語(yǔ)義WEB;WEB服務(wù);匹配系統(tǒng);描述邏輯

中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)27-7745-03

Design and Implementation of Semantic WebService Matching System

ZHANG Cai-neng， LU Wu-kui， LI Fa-ying

(Computer Department of Xiangnan university， Chenzhou 423000， China)

Abstract: The semantic Web is the W3C’s vision of the next generation Web. This paper discusses the design and implementation of an Ontology and description Service matching System and analyses and advantages of this system flexibility of query and logically reasoning.

Key words: semantic Web; WEB service; matching-system; description logic

語(yǔ)義WEB的目標(biāo)是使得WEB上的信息是機(jī)器可處理和可理解的。為了提高WEB上數(shù)據(jù)自動(dòng)處理和智能化處理能力在語(yǔ)義WEB中引入了本體和描述邏輯等技術(shù)。

隨著對(duì)本體研究的深入，本體已經(jīng)被應(yīng)用到了很多種應(yīng)用系統(tǒng)中，如軟件移動(dòng)代理系統(tǒng)，知識(shí)管理系統(tǒng)等，不同的系統(tǒng)應(yīng)用本體可以收到不同的效果，但總體說(shuō)來(lái)，本體應(yīng)用到這些系統(tǒng)中一個(gè)重要的因素就是將本體作為智能化知識(shí)推理的基礎(chǔ)，對(duì)于本文的匹配系統(tǒng)而言，由于服務(wù)匹配系統(tǒng)最終用于公共信息查詢系統(tǒng)中，所以引入本體的目的則是是為了探索基于語(yǔ)義WEB技術(shù)的信息處理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。

描述邏輯作為知識(shí)表示的工具之一，由于它具有清晰的模型-語(yǔ)義理論，可以用它來(lái)清晰刻畫語(yǔ)義，另外由于它與OWL DL在語(yǔ)義上的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，使得我們?cè)谄ヅ湎到y(tǒng)中可以方便利用描述邏輯的研究成果，為匹配系統(tǒng)的應(yīng)用研究奠定了良好基礎(chǔ)。

1 本體和描述邏輯

1.1 本體

本體是概念的形式化的規(guī)范說(shuō)明。引入本體概念的目的一是為了達(dá)成對(duì)某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)詞匯的共同一致的理解;二是用于描述該領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)，最終便于Web上數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和智能化處理，便于Web服務(wù)的動(dòng)態(tài)合成。在分布式計(jì)算環(huán)境下，，數(shù)據(jù)分布在整個(gè)Web中，通過(guò)使用本體來(lái)形式化表示知識(shí)并對(duì)分布式數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而提供明確的語(yǔ)義、屬性和推理算法。

Web上的知識(shí)描述語(yǔ)言有W3C開發(fā)和推薦的RDF、RDFS和OWL，其中，OWL是W3C于2004年推出的一種知識(shí)表示和描述語(yǔ)言，在匹配系統(tǒng)中，通過(guò)在推理復(fù)雜度和知識(shí)描述能力之間折中，選用OWL DL作為本體語(yǔ)言。

1.2 描述邏輯

在本文的服務(wù)匹配系統(tǒng)中采用描述邏輯主要基于以下兩個(gè)原因:一是本體語(yǔ)言O(shè)WL DL與描述邏輯存在語(yǔ)義上存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，描述邏輯構(gòu)造算子可以用于OWL語(yǔ)言描述的本體中;二是由于該匹配系統(tǒng)用于信息查詢系統(tǒng)中，使得信息檢索系統(tǒng)是基于語(yǔ)義和概念層次的，在概念層次的信息檢索主要解決的關(guān)鍵技術(shù)是自然語(yǔ)言的處理技術(shù)。主要是從概念層次、知識(shí)層次來(lái)檢索知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)義和概念層次的檢索系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有很高的智能化程度。

2 語(yǔ)義服務(wù)匹配系統(tǒng)SSMS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)為用戶設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了如下功能:

1) WEB服務(wù)的發(fā)布與獲取。WEB服務(wù)由服務(wù)提供者發(fā)布通過(guò)UDDI規(guī)范發(fā)布到服務(wù)注冊(cè)庫(kù)中，并用WSDL語(yǔ)言描述服務(wù)，根據(jù)服務(wù)描述信息，服務(wù)需求者從服務(wù)注冊(cè)庫(kù)中獲取需要的WEB服務(wù)。

2) WEB服務(wù)的維護(hù)。WEB服務(wù)的維護(hù)工作主要包括服務(wù)項(xiàng)目的添加、修改、刪除以及注冊(cè)新的WEB服務(wù)等功能。對(duì)于前3個(gè)功能，系統(tǒng)主要從本體著手，對(duì)本體庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展，并在服務(wù)注冊(cè)庫(kù)中添加服務(wù)描述信息，以及在知識(shí)庫(kù)中增加必要的知識(shí)概念。WEB服務(wù)的刪除功能和注冊(cè)新的WEB服務(wù)主要在服務(wù)注冊(cè)模塊中進(jìn)行。

2.2 WEB服務(wù)的查詢與共享

服務(wù)匹配系統(tǒng)最終用于CIQS公共信息查詢系統(tǒng)中，所以對(duì)WEB服務(wù)信息的查詢和共享是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮到信息查詢的靈活性、高效性和信息的及時(shí)共享。

2.3 系統(tǒng)的功能模塊及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，同時(shí)考慮本體的需要及語(yǔ)義Web技術(shù)的特點(diǎn)，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了多個(gè)功能模塊，通過(guò)模塊間的協(xié)同工作來(lái)支持信息的發(fā)布、維護(hù)和查詢工作。其中的某些模塊是由Jena工具包提供的。

在以前的基于本體的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在數(shù)據(jù)庫(kù)部分通常使用最基本的RDF本體語(yǔ)言來(lái)描述資源，通過(guò)一種固定的二元關(guān)系來(lái)定義概念、屬性概念之間及屬性之間的關(guān)系。如使用rdfs:Class來(lái)定義概念，用rdfs:Property來(lái)定義兩個(gè)概念之間的關(guān)系，用rdfs:subClassOf及rdfs:subPropertyOf定義概念之間和關(guān)系之間的聯(lián)系，通過(guò)rdfs:domain和rdfs:range來(lái)限制屬性的定義域和值域。由于RDF和RDF對(duì)概念和關(guān)系只提供較少的限制，因而RDF不能成為表達(dá)力很強(qiáng)的本體語(yǔ)言。其次，基于本體和描述邏輯的WEB服務(wù)匹配系統(tǒng)需要本體語(yǔ)言本體具有很強(qiáng)的推理能力，由于在RDF文檔中不允許定義多重概念之間的包含關(guān)系，這就決定了基于RDF本體語(yǔ)言的推理主要應(yīng)用在WEB服務(wù)的獲取，而不能應(yīng)用在WEB服務(wù)的動(dòng)態(tài)合成和智能化服務(wù)匹配。

為了滿足表達(dá)WEB上信息的需求，同時(shí)控制推理復(fù)雜度，方便應(yīng)用的開發(fā)，在實(shí)際的信息系統(tǒng)開發(fā)中采用W3C于2004年推薦的本體語(yǔ)言O(shè)WL，該本體語(yǔ)言是基于網(wǎng)絡(luò)的本體語(yǔ)言，最適合用來(lái)開發(fā)在分布式計(jì)算環(huán)境下應(yīng)用的WEB服務(wù)匹配系統(tǒng)和WEB服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)。

2.4 OWL文件的生成及本體編輯工具Protege3.2.1

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，OWL文件即系統(tǒng)本體的生成可以通過(guò)專業(yè)的本體開發(fā)工具——Protege3.2來(lái)實(shí)現(xiàn)。該本體編輯器是一個(gè)優(yōu)秀的編輯工具，它是美國(guó)斯坦福大學(xué)開發(fā)的開發(fā)源代碼的免費(fèi)軟件，支持Racer推理機(jī)和FaCT推理，本體開發(fā)者在protege3.2上根據(jù)本體中使用的概念及其關(guān)系在對(duì)應(yīng)的窗口界面中羅列概念名稱和屬性名稱，并確定概念的包含和被包含關(guān)系，protege3.2中的OWL插件即可根據(jù)輸入的原始概念生成對(duì)應(yīng)的OWL文件，該OWL文件對(duì)應(yīng)一般信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)文件，不同的是，OWL文件本身包含有支持推理的足夠的語(yǔ)義信息，圖2是基于protege3.2的WEB服務(wù)注冊(cè)界面。

2.5 OWL本體中知識(shí)的獲取

該文提及的WEB服務(wù)匹配系統(tǒng)是基于描述邏輯的分布式環(huán)境下的信息獲取和信息智能化匹配系統(tǒng)，最終目的是應(yīng)用在公共信息查系統(tǒng)CIQS中，為了提高信息查詢效率，需要提高本體中知識(shí)獲取的效率，該效率直接由本體的復(fù)雜度和本體組織的優(yōu)化程度決定。在服務(wù)匹配系統(tǒng)中，從現(xiàn)成的知識(shí)庫(kù)中獲取隱含知識(shí)的能力完全由推理機(jī)的推理能力決定。本文主要通過(guò)以下渠道來(lái)提高知識(shí)推理效率，最后提高服務(wù)匹配效率和服務(wù)匹配智能化程度。

一是獲取知識(shí)庫(kù)中TBox中類的關(guān)系和屬性的關(guān)系，也就是獲取類的子類集，屬性的子屬性集，屬性的特征，屬性的定義域和值域。在OWL本體文件中，OWL都提供了相應(yīng)的構(gòu)造算子來(lái)表示類和屬性的關(guān)系及它們的約束關(guān)系。

二是獲取ABox中的信息，即獲得一個(gè)類的所有實(shí)例、實(shí)例的屬性、獲得滿足條件的所有實(shí)例，對(duì)ABox中信息的獲取接近于實(shí)例的檢索和信息的瀏覽，對(duì)推理的速度和效率要求較高。

2.6 OWL本體文件

信息系統(tǒng)中使用最多的數(shù)據(jù)文件對(duì)整個(gè)信息系統(tǒng)的推理起著關(guān)鍵性的作用。本體的各部分組成都包含了OWL語(yǔ)法上的構(gòu)造算子，而且所有的構(gòu)造算子都有特定的含義，下面是聲明與人相關(guān)的OWL本體中一小部分的基本組成。

//聲明三個(gè)類，People，Man，Woman，并聲明Man是People的子類，兩者不具有相交關(guān)系。

//聲明Woman是People的子類，兩者不具有相交關(guān)系。

1

//聲明Parent類是People的子類并指定它的數(shù)據(jù)類型屬性的取值范圍是非負(fù)整數(shù)最小基數(shù)值為1。//類聲明的結(jié)束標(biāo)簽

2.7 系統(tǒng)的技術(shù)特色

基于本體和描述邏輯的服務(wù)匹配系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)良好的推理功能，這是匹配系統(tǒng)應(yīng)用于公共信息查詢系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。推理可以實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)匹配，從而實(shí)現(xiàn)信息的智能化檢索，提高信息檢索效率。該系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

1) 系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。由于系統(tǒng)在分布式環(huán)境下進(jìn)行服務(wù)匹配所需數(shù)據(jù)都包含在OWL本體中，在需要對(duì)系統(tǒng)增加功能時(shí)只需要增加本體層的詞匯，只要增加的詞匯不與領(lǐng)域本體中的概念相沖突;

2) 整個(gè)系統(tǒng)具有異構(gòu)分布的特點(diǎn)，適合在分布式計(jì)算環(huán)境下信息的獲取和對(duì)信息的集成;

3) 系統(tǒng)中的本體層、邏輯層和業(yè)務(wù)處理層可以相對(duì)獨(dú)立地存在于系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的自治，可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，方便系統(tǒng)的維護(hù);

4) 系統(tǒng)的各個(gè)部分間可以互相協(xié)同，通過(guò)特定的接口實(shí)現(xiàn)知識(shí)層和其他各層的有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)基于描述邏輯的智能化推理;

5) 系統(tǒng)為用戶提供友好的智能檢索界面和問(wèn)題解答服務(wù)。這樣就克服了基于關(guān)鍵字的信息檢索2化程度低下的缺陷。

6) 基于描述邏輯知識(shí)庫(kù)可以接受類似數(shù)據(jù)庫(kù)SQL語(yǔ)句的查詢，為了提高推理機(jī)的效率，先對(duì)查詢語(yǔ)句進(jìn)行處理，然后再把處理后的查詢語(yǔ)句提交給推理機(jī)，這樣可以減少推理機(jī)的推理次數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)將語(yǔ)義WEB技術(shù)應(yīng)用于信息處理領(lǐng)域，通過(guò)引入本體和描述邏輯，使得對(duì)語(yǔ)義WEB數(shù)據(jù)的智能化處理能力有了較大的提高。為了實(shí)現(xiàn)智能化查詢的目標(biāo)，還要加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)本體的維護(hù)，對(duì)知識(shí)庫(kù)的更新，以及與其它系統(tǒng)和設(shè)備的應(yīng)用接口都有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn):

[1] Gruber T.A Translation Approach to Portable Ontology Specifications Knowledge，Acquisition.1993.5(2):199.

[2] Hayes P.RDF Semantics http://www.w3.org/TR/RDF-MT/.

[3] CARDOSOJ， SHETH P. Semantice-workflow composition[J]. Journal of Intelligent Information Systems，2003，21(3):191-255.

[4] CARDOSO J， SHETH A，MILLER J.Quality of service for workflows and Web service processes[J].Journal of Web Semantics，2004，24(3):25-32.

[5] 尹曉璐，李廣軍.基于語(yǔ)義的Web服務(wù)查詢[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2005(1).

[6] 張維明，宋峻峰.面向語(yǔ)義WEB的領(lǐng)域本體表示、推理與繼承研究[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2006，43(1).