一種基于模式的服務整合優化框架研究

王顯志 王忠杰 徐曉飛

摘要：現代服務系統日漸呈現出開放式、整合化和規模化的趨勢，研究新特征下整合服務設計和運營的系統化優化方法具有重要意義。探討服務模式的概念和基本性質，進而提出一種基于模式的服務整合優化框架。結合按需服務的生命周期，識別框架中所包含的若干關鍵問題，并給出利用服務模式進行服務整合優化的基本過程及幾個關鍵問題的相互關系，為考慮需求規模、服務容量、服務不確定性和收益優化等服務價值特性的領域服務整合優化提供指導。

關鍵詞：現代服務系統； 服務模式； 整合優化框架； 按需服務生命周期

中圖分類號：TP 311.5 文獻標識碼：A文章編號：2095-2163（2013）06-0001-06

0引言

服務是創造和獲取價值的服務提供者/客戶的交互[1]。隨著信息技術的發展，傳統服務業逐漸向現代服務業發生了過渡與轉型。有別于傳統服務，現代服務以先進IT技術為支撐，通過IT技術與物理業務過程的有機結合，形成服務生態系統。在服務生態系統中，現實資源被合理抽象并以軟件的形式加以組織、調度和使用。在這一背景下，服務計算作為跨越計算機與信息技術、商業管理、商業咨詢等領域的新興學科順勢應運而生，并獲得積極發展。服務計算旨在消除商業服務與信息支撐技術之間的鴻溝，以實現更加高效和有效的業務服務。服務計算覆蓋了服務創新研究的整個生命周期，包括業務模塊化、服務建模、服務創建、服務實現、服務標注、服務部署、服務發現、服務組合、服務交付、服務協作、服務監測、服務優化和服務管理[2]。其代表性技術包括：面向服務的體系架構（Service Oriented Architecture，SOA）及Web服務、云計算，網格/效用計算、以及業務流程整合與管理。這三方面分別用以解決技術平臺與架構、服務交付和業務整合與管理等方面的一系列問題。

面向服務的架構支持一種適應快速、持續變化和開發設計靈活的整合業務模型。一方面，在以云計算、開放API為代表的整合化服務趨勢下，越來越多的服務提供者根據顧客的需求整合多方資源形成新的服務內容，服務系統表現為一系列服務能力和資源的聚集和鏈接，而服務系統的構建則演變為一系列軟件、資源等服務要素的組合。在此背景下，如何合理規劃和配置資源，以優化按需構造服務的收益和性能即成為服務系統優化的核心問題；另一方面，現代服務業的深度變革導致服務的構造目標發生著重大的變化。尤其是Web 2.0的發展，使其從單純地追求顧客滿意度發展為關注于包括個性化和用戶享受在內的整體價值體驗，從單純地提供功能到追求整合的業務增值。區別于一般軟件系統所追求的功能、性能、質量等方面，服務的最終目標是在顧客和提供者間的交互過程中實現價值，其中既包括經濟價值，同時也泛指服務給提供者/客戶帶來的外在收益和/或自身條件改變。這也要求服務整合解決價值優化的問題。

為了保障服務過程中各方參與者的價值實現，哈爾濱工業大學提出價值知覺的服務工程方法論（Value-Aware Service Engineering Methodology，VASEM）”[3]，作為一套系統化的工程思路和方法指導服務系統的優化設計與運行。服務工程方法論將服務生態系統分為次“需求—業務—資源”三個層次，相關基本概念如表1所示。概念含義服務需求外在的功能和關于價值、性能、質量等方面的目標服務任務完成描述的具體業務過程或業務集合服務行為完成一個在邏輯、功能和價值上相對獨立的功能服務構件與服務資源相關用于完成服務行為的基本功能單元服務資源現實資源在網絡空間的相對獨立的映像VASEM通過服務模型的價值標注、價值約束下的服務模型優化和由服務模型到具體服務的映射三個步驟完成價值需求到系統構成的傳遞，必要時迭代修改上層以得到可行的優化方案。圖1示意性地描述了這一過程。

由圖1可見，服務組合作為服務系統構造的核心技術，是影響顧客需求能否滿足和服務價值實現程度的關鍵因素。事實上，服務組合一直是服務計算領域的研究熱點。而現代服務業，尤其是整合型服務應用的快速發展則為這一問題提出新的挑戰。

首先，隨著基于第三方服務平臺的大規模整合應用[4]（如：攜程、阿里巴巴）的崛起，服務的在線效率問題進一步突顯。在典型的整合服務應用中，大量相同或者相似的領域需求持續出現。傳統服務組合基于單個需求的優化方法在許多場景下已經不再適用。因此，借鑒生產制造領域“大規模定制”的概念，建立面向領域大規模需求的新的服務構造方法將成為必然選擇。

其次，傳統服務組合主要關注于服務質量，而現代服務生態系統優化是一個多參與者、多目標的綜合優化過程。因此有必要擴展當前服務組合的關注范疇，從更加廣義的服務價值的角度對服務過程進行分析，并根據需求的重要性、問題規模和服務容量分別提出相應的優化方法，從而以較小的計算代價完成包括收益、質量、個性化等價值特征的綜合優化，并提高應用的在線效率。

再次，服務系統通常處于高度動態的不確定環境，且現實中的資源和服務常常存在關聯。在這種情況下，不得不在可用資源數量、質量動態變化和可能出現的服務執行失敗等情況下對關鍵資源的有限服務能力做出合理分配，并解決相關優化問題。

以上問題相互關聯，亟需一套系統化的框架加以解決。現有服務優化方法與領域結合并不緊密，而服務都是領域相關的，因此從中獲取和利用領域實踐中的模式化結果即成為提高在線服務效率的必然選擇。在領域實踐中，多會發現一些常用的、在大量場景中重復出現且可以被分析抽取出來的共性子服務。事實上，這些子服務（可能包含復雜服務以及服務之間的關聯）可以作為從服務需求到具體服務資源之間的快速、高價值映射的重要先驗知識和實現基礎，即：領域實踐驗證過的關于按需構造復雜服務方案的規律性構造方法。本文以服務組合的思路和方法為基礎，提出一套基于服務模式的整合服務設計與優化構造框架及方法，以有效解決上述問題。作為服務高價值構建的重要先驗知識和實現基礎，服務模式將有助于間接地高效求解優化問題，并為策略層面的改進提供支持。

圖2給出了引入“服務模式”的概念之后，服務系統涉及的主要概念以及各概念之間的關系。

其中，一個服務模式包含若干服務構件，并對應若干服務行為，是若干服務所對應的業務過程的集合。這些行為通過信息流、數據對象和行為實體等服務要素聯系在一起。服務模式通過其“實例化”過程實現由抽象定義到具體服務的轉換。

1服務模式相關研究現狀

服務模式在不同背景和問題中具有不同的含義。常見的模式包含以下幾種范疇：

（1）業務和經營層面的“模式”，如“連鎖店模式”、“超市模式”等；

（2）應用層面的“模式”，如“Web 2.0模式”、“萬物皆服務模式”、“雙邊資源整合（Bilateral Resource Integration，BIRIS）模式”等；

（3）系統構建層面的模式，用以描述系統功能單元及其之間關系在系統構建和優化中的規律性。這也是本文研究所關心的模式。

與模式相關的主要概念在服務整合中主要是為了解決優化效率問題而提出的。隨著越來越多的功能在互聯網上提供服務，導致問題規模呈指數增長。研究者大多采用整數規劃[5]和啟發式算法[6，7]來解決這一問題。然而，考慮當前服務整合應用的領域特征，如：優化目標、在線效率、需求規模、服務容量、不確定性等相應情況，傳統方法往往不能很好地滿足現實要求。

客戶社區[8]和服務社區[9]等方法從一定程度緩解了以上問題。在一個客戶社區中，通過客戶與客戶之間的相似性和服務關系而對其進行分類；而在服務社區中，服務間的關系得以保存，同時服務組合的歷史記錄也可以保存和利用。社交網絡[10]和小世界理論[11]都是社區理論在服務整合背景下的豐富和發展。然而此類研究并未從根本上解決如上問題。

協同過濾方法（Collaborative Filtering，CF）給出了運用歷史經驗解決個性化服務推薦問題的新思路。文獻[12]提出不確定服務環境下基于協同過濾的Web服務QoS預測方法。文獻[13]通過基于用戶位置信息的聚類而改進以上方法的效率。然而這些方法考慮的是服務消費者直接面對服務的情況，而在服務組合中，服務的消費者卻面臨著邏輯上的第三方（即服務代理）作為服務的直接提供者，其與參與組合的成員服務之間的交互完全由服務代理完成。因此，服務組合中的組合經驗是指服務代理的經驗，而不是服務消費者的個人經驗。因此當前的CF方法只適用于簡單服務的推薦，且很難直接應用到服務組合。

為了支持在服務組合中對歷史經驗的運用，文獻[14]提出了歷史記錄為基礎的服務選擇方法，其中的服務組合方案是根據歷史記錄中候選服務的實際QoS值確定的。然而，根據每個候選服務的歷史質量單獨預測其QoS值的做法本身效率很低，且將導致歷史記錄中所體現的不同功能或服務間的隱性關聯信息也將丟失。

已有一些學者對服務模式的相關概念進行定義，如：文獻[15]將業務流程中可利用的邏輯歸納和定義為可在用戶之間共享的模式，以方便新組合應用的構建；文獻[16]對服務流程中重復出現的過程片段進行提取，以期望在服務選擇中進行重用。然而，以上所謂的“模式”只是純粹的服務流程片段，難以對服務選擇提供支持，且都沒有提供在服務組合中應用這些“模式”的方法。

文獻[17]中，在服務組合中經常出現的過程片段（包括一組頻繁共同出現的服務集合和相互之間的控制流）被通過數據挖掘技術提取出來以備在后續服務組合中予以征用。文獻[18]進一步給出可利用已發現的服務過程片段（包括控制流和已綁定的服務）進行組合服務選擇的方法。但是與CF類似，該方法存在“新項目問題”，即：歷史中沒有參與過任何組合的新服務也難以參與到以后服務組合中去。此外，由于服務提供環境、服務本身質量的不確定性，所發現服務過程片段的QoS可能不夠準確，甚至會失效，因此對服務組合結果的最優性產生影響。以上各原因都削弱了利用其進行服務組合的優勢。

與前面自下而上進行模式提取的方式相比，有些自上而下的服務組合方法也可確認為模式的一種定義方法。文獻[19]通過對于各候選服務集合中的服務質量進行分級和服務級別的選擇，而將全局質量約束分解為多個針對簡單服務的局部質量約束，從而提高服務組合的效率。文獻[20]中，該算法得到進一步擴展，以支持除了順序結構之外的多種類型的工作流結構。上述服務組合方法完全基于按需的實時計算而進行服務組合，沒有利用任何歷史經驗，因此優化效率尚有可待提升的空間。同時，全局約束總是分解到不能再分解為止，即分解到服務組合的最小粒度的服務，這種做法不能支持對業務中隱性業務關聯的發現和利用，因而缺乏靈活性。

2服務模式的概念和基本性質

為支持服務應用的高價值按需構建，本文提出“服務模式”的概念以支持服務需求到具體服務的快速映射。服務模式的定義基于以下假設：

（1）相同領域應用的服務基本相似；

（2）相同領域相同服務的過程和資源基本相似；

（3）相同領域的基本服務和資源是有限的。

服務模式定義為與先驗業務相關的、基于構件組合而成的服務復合體，也稱為“業務關聯的服務復合體或復合構件（Business-Oriented Service Complex， BOSC）”。研究可知BOSC具備以下特征：

（1）是一種業務相關服務復合體；

（2）有別于應用模式；

（3）是一種組合。

服務模式以支持服務系統構建和運行中的快速優化為目標，在概念上可以描述為多維向量（pID， pName， pObjective， pFunction， pElement， pStructure， pTrait， pUtilization， pConstraint）。其中，pID和pName分別是服務模式的標識和名稱，pObjective表征服務模式所處的業務領域和功能，pFunction用以描述服務模式實現方面的功能特性，包括輸入、輸出和業務影響等，pElement是與服務模式相關的構件化服務功能集合，vStructure表示服務模式所對應服務行為的組織和邏輯結構，pTrait 表征服務模式的質量標準和風險，用以體現服務模式在針對非功能方面的量化價值參數，vUtilization表示服務模式在使用方面的信息，包括使用方式、接口等功能信息和使用頻率等統計信息，pConstraint表示服務模式使用的條件和對于綁定服務的約束等。

服務模式的基本思路在于從以往服務嘗試中發現有開發價值的抽象方案，并通過重用或者修改已有方案來減少優化過程中構造全新方案的負擔。服務模式可由領域專家定義，也可由程序運行發現。作為系統構建的組件，BOSC可被大量選擇和復用，但很少作以改動。而且每次服務之后，均有可能生成新的BOSC。

服務模式存在的基礎在于服務的領域相似性，即：相似領域的服務業務及所表征的維度、特性方面都具有一定的相似性，且這種相似性還具有一定的穩定性。領域相似性使得服務模式具備以下性質：

（1）先驗性：業務中被成功應用過的服務及其幾率是已知的；

（2）價值性：服務模式是歷史經驗的總結，在“型”和“值”兩方面分別具備一定的價值優先級；

（3）概率性：服務模式從統計概率的角度達到優化設計的目標。

服務模式的設計目標是使其盡可能地接近和達到“2：8規律”，即：80%的服務需求可以通過20%的服務來滿足。其應用目標設定為支持在可接受的時間內給出價值可接受、性能可滿足的服務方案，本質上屬于領域服務的優化問題。針對應用場景的不同，其設計目標和優化手段也會有所不同。

3基于服務模式的服務整合框架

本文從生命周期的角度對按需服務整合優化問題進行分析。圖3給出了基于服務模式進行按需服務整合的生命周期。由于面向服務架構下系統的設計與實現兩部分是密不可分的，因此與傳統軟件工程中的優化不同，本文將整合服務優化的生命周期分為服務準備、方案構造以及服務綁定三個階段。具體地，第一階段主要解決不同需求規模、服務規模及服務容量限制下的調度問題，其目標是從宏觀的層面對服務能力進行時空調度，制定大規模個性化需求下的服務提供策略及方法，從而有效提升后續階段的優化性能和效果；第二階段解決基于模式的服務方案構建問題。由于宏觀需求與具體服務之間存在較大差異，直接映射不僅效率低下，而且難以重用領域業務經驗。因此這一階段關注于定義、發現和識別一組可重用和被需求匹配的服務模式，從而在保障經驗價值的基礎上提高優化效率；第三階段面向服務模式選擇滿足一組其價值需求的服務，實現完成由抽象方案到具體服務的映射。

以上階段分別處于優化的宏觀、中觀和微觀的三個層面。隨著各階段的遷移，整個優化問題得以不斷細化和分解。通過對其中各階段的優化，最終能夠綜合利用各種手段建立和保障雙邊服務價值。

由于服務資源統一封裝并以按能力集合抽象為服務構件模型，因此服務必然要體現資源相關特性。有關服務構件的定義可以參閱“服務模型驅動的體系結構（Service Model Driven Architecture，SMDA）”[21]。

基于服務模式進行整合的思路如圖4所示。首先，將分散的獨立需求抽象為能夠表現大規模與個性化特征，同時將分布的服務根據經驗或規律等抽象為整合服務；進而，基于服務模式建立滿足需求的服務整合方案；最后，面向服務模式選擇具體服務，由此形成整合應用。

圖5給出了相應整合框架。該框架立足于第三方平臺，一方面聚集客戶需求，為其按需構建整合服務；另一方面組織來自不同服務提供者的資源，在動態和非可靠的服務環境下完成服務整合。在以上過程中，需要根據顧客滿意度、服務質量、優化性能和收益等方面，優化設計服務提供策略和資源配置，以綜合地優化雙邊客戶的價值。

4基于模式進行服務整合的基本過程

圖6描述了該框架下進行資源整合的基本過程，并以文字闡述如下：

（1）基于需求規模和收益啟發，進行需求抽象與調度；

（2）基于需求預測和服務使用經驗，確定服務及容量預留策略；

（3）基于服務模式以及歷史組合經驗構造新服務方案；

（4）根據選定的服務模式進行服務資源提取及根據環境變化對可用資源進行按需更新；

（5）根據具體價值需求，確定服務模式在服務方案中的提供策略，并為模式選擇具體服務；

（6）將最終服務方案部署到運行環境，形成可執行的服務流程。圖5 基于服務模式的雙邊資源整合框架

Fig.5 Pattern-based bilateral resource integration framework圖6 基于模式的服務整合的基本過程

Fig.6 Basic process of pattern-based service integration5結束語

為應用對現代服務系統的發展逐漸呈現出在線、實時、價值、整合等方面的特征，本文提出一種基于模式的服務整合優化框架。框架從生命周期的角度對新業務特征條件下的服務系統優化問題進行了分類，給出系統化的服務整合優化思路、架構和過程，并重點關注了大規模需求、海量服務資源、服務容量受限和環境動態性等問題，為面向服務提供者和客戶雙邊價值優化的服務整合提供了系統化的解決方案。

鑒于當前在整合型服務構建與優化方面（尤其是大規模整合方面）還沒有系統化的思路和方法，本文提出適合于整合型應用的服務模式及服務即時構造框架，對于解決面向服務的領域應用快速構建與高價值優化問題具有重要意義。

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