基于SROIQB的语义Web服务建模和组合

2010年8月JournalonCommunicationsAugust2010第31卷第8A期通信学报Vol.31No.8A基于SROIQB的语义Web服务建模和组合刘大有1,2，刘思培1,2，齐红1,2（1.吉林大学计算机科学与技术学院，吉林长春130012；2.吉林大学符号计算与知识工程教育部重点实验室，吉林长春130012）摘要：提出了一种基于SROIQB的语义Web服务建模和组合方法。首先，从OWL-S所提供的原子服务和组合流程语义描述出发，详细分析了原子服务的IOPE属性与顺序、选择、乱序、条件、迭代、循环、分支和汇合等组合流程的控制结构，将原子服务的输入、输出语义视为描述逻辑的概念，将原子服务和组合流程分别建模为描述逻辑中的原子角色和布尔角色公式，基于概念和角色蕴含公理对语义Web服务的可实现性、可执行等功能语义进行刻画。其次，将本体中概念的上下位关系等价表示为描述逻辑的概念蕴含公理，在描述逻辑的框架下建立了领域本体与语义Web服务的联系，将语义Web服务的并发和顺序组合问题归结为基于描述逻辑知识库的蕴含关系判定和一致性检查等推理问题。从而在描述逻辑的框架内，对语义Web服务组合问题，提出了一种既具有足够的建模能力，又保证组合推理过程可判定的新方法。关键词：语义Web服务；服务建模；服务组合；描述逻辑；布尔角色算子中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：1000-436X(2010)8A-0001-09UsingSROIQBtomodelandcomposesemanticWebserviceLIUDa-you1,2,LIUSi-pei1,2,QIHong1,2(1.CollegeofComputerScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130012,China;2.KeyLaboratoryofSymbolicComputationandKnowledgeEngineeringofMinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130012,China)Abstract:OnekindofsemanticWebservicemodelingandreasoningmethodbasedondescriptionlogicwithBooleanroleconstructors(SROIQB)wasintroduced.ByusingDLtofigureoutthehyponymyrelationshipbetweenconceptsindomainontologyandmodelWebservicefunctionalsemanticinServiceProfile,anddefineBooleanroleexpressionstodescribethecompositionprocessinProcessProfilerespectively.Furthermore,BooleanroleexpressionisintroducedtodescribeallpossiblecompositionstructuresofatomicservicesandthensemanticWebservicecompositioncanbere-gardedasaprocessofconsistencecheckingandclasssubsumptioncomputingreasoningonDLknowledgebase.ThusthecomparisonandexamplevalidationshowthatintroducedonekindofnewandreasonablesemanticWebservicemodelingandcompositionmethodintheframeworkofsemanticWebbyusingSROIQB,whichwithmorestrongexpressivecapa-bilityanddecidabletypeinference.Keywords:semanticWebservice;servicemodeling;servicecomposition;DL;Booleanroleconstructor收稿日期：2010-06-05基金项目：国家自然科学基金资助项目(60603030,60773099,60873149,60973088)；国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目(2006AA10Z245,2006AA10A309)；欧盟基金资助项目(BridgingtheGap,155776-EM-1-2009-1-IT-ERAMUNDUS-ECW-L12)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(60603030,60773099,60873149,60973088);TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(2006AA10Z245,2006AA10A309);ErasmusMun-dusExternalCooperationWindow'sProject(EMECW)(BridgingtheGap,155776-EM-1-2009-1-IT-ERAMUNDUS-ECW-L12.2009-2012)·2·通信学报第31卷1引言Web服务和语义Web是万维网的2个重要发展趋势[1]。Web服务是一种独立、可通过Web访问的程序和资源，旨在为Internet上不同地域、不同行业的应用提供更强大的互操作能力，其高度互操作性、跨平台性和松耦合等特点引起了世界范围内学术界和工业界的极大兴趣。语义Web是由TimBerners-Lee在2001年正式提出的，其主要目的是扩展当前万维网，使得网络中的信息具有语义，能被计算机自动处理和理解，便于人和计算机之间的交互。随着Web服务数量的快速增长，如何在大量Web服务中发现、定位和组合服务，使分布在Internet上的多个简单功能Web服务相互协作，以完成更复杂功能的任务，成为目前Web服务研究领域和面向服务计算领域(SOC)的重要问题。近来，人们提出了语义Web服务的概念[2]，希望通过采用一种机器可以理解的形式描述Web服务的功能语义，使语义Web服务的自动发现和自动组合成为可能。目前，语义Web服务领域的相关研究一般基于OWL-S开展，OWL-S是一种基于OWL语言描述的Web服务本体，是W3C组织所推荐的候选标准描述语言之一，其目的是在服务描述中增加足够的语义，由ServiceProfile、ProcessProfile和GroundProfile3个部分构成。其中ServiceProfile提供了更高层次的功能描述，包括输入、输出等功能属性信息的描述；ProcessProfile通过使用流程组合来刻画服务本身行为，描述服务是如何工作的，提供对顺序、分支、汇合、递归和循环等复合流程的描述；GroundProfile通过指定通信协议和消息格式描述服务访问和交互方式[3]。OWL-S在ServiceProfile和ProcessProfile中分别对Web服务的功能接口和行为特征等方面提供了丰富的语义描述，原子服务的功能语义可采用输入、输出、前提条件和执行效果(即IOPE模型)的建模方式，并且输入和输出参数可映射为本体中的概念，前提条件和执行效果等可看作是对输入和输出参数的角色约束；服务动态交互行为则采用原子服务之间组合流程的形式来描述。但OWL-S本身没有提供推理机制，而且作为其逻辑基础的描述逻辑[4]（DL）和OWL仅能描述具有树形特征的静态知识，未被证明有足够的描述能力去刻画Web服务过程模型，无法为OWL-S中过程模型提供明确的、可供机器理解和处理的解释[5]，故基于OWL-S无法直接进行语义Web服务的自动发现和组合[6]。因此，如何对OWL-S所提供的服务功能语义描述进行更全面地建模以及如何将其作为一种动态知识进行推理是实现语义Web服务检索、发现和组合的昀基本问题。已有基于OWL-S的语义Web服务组合研究也可以分为两大类，一类主要是从ServiceProfile所包含的服务功能语义出发，利用领域本体中概念间上下位关系来度量原子服务间的可组合性，利用图搜索[7]、智能规划[8]、逻辑推理[9]和语义匹配[10,11]等方法发现一个满足服务请求(WSR)的链式原子服务集合作为组合结果，但大多限于研究顺序组合问题。另一类则侧重从ProcessProfile所包含的服务行为交互出发，研究服务协作和组合，大多是基于Petri网[12]、动态工作流[13]、过程代数[14]、有限自动机[15]和谓词演算[16]等模型描述服务间顺序、选择、分支、汇合以及迭代等结构的复杂组合行为，组合结果表示为由原子服务构成的有向无环图[7,17]。以上组合方法研究都不能在语义Web的环境中给出完整的、令人满意的解决方案。首先，语义Web服务是一种计算资源，与语义Web上的其他资源相比，不但包含输入和输出参数等静态功能语义，而且包含状态变化、流程组合等方面的特征；但第一类中大多数方法在对其进行建模时，候选服务和服务请求（WSR）都视为原子服务，仅将它们建模为一个带有输入和输出参数的功能接口，对蕴含了状态变换和原子服务间动态交互行为的组合流程描述建模不足。第二类中的方法则多从组合流程角度的出发，借助于其他模型和理论实现对服务之间交互关系的建模，没能与领域本体所提供语义关系建立直接的联系，无法充分利用OWL-S提供的Web服务语义描述。其次，目前基于OWL-S的语义Web服务自动组合方法，对带有选择、分支和汇合结构等并发组合关系的处理能力不足。第一类方法基于原子服务之间一对一语义匹配，确定它们之间的可组合性，仅限于解决顺序服务组合问题[7]；第二类方法能够处理对带有选择、分支和汇合等并发关系的服务组合，但多借助于其他模型和理论来完成，且组合关系判定多基于句法匹配或模型验证，其逻辑基础则是一阶逻辑或命题逻辑，存在一个可判定性的问题[6]。第8A期刘大有等：基于SROIQB的语义Web服务建模和组合·3·DL作为语义Web的逻辑基础，是一阶逻辑的可判定子集，与OWL和OWL-S有着直接的等价关系，故基于DL对语义Web服务进行建模和推理一直被认为是昀佳选择。王杰生等[9]使用DL中角色和概念分别刻画服务接口和服务的输入、输出参数的类型，实现了对原子服务功能语义的建模，并假定组合服务可分解为多个抽象服务，借助于动态逻辑的智能规划方法，将语义Web服务组合问题变为DL推理问题。但有研究已指出DL仅能描述具有树形特征的静态知识，其推理局限于Abox中概念蕴含和实例验证2种形式。同时，DL虽然提供了一系列的算子，但仅用于定义复杂概念，没有为角色之间组合提供足够支持，昀新的描述逻辑SROIQ[18]也仅提供了二元关系的复合运算，仅能描述对原子服务之间顺序组合的描述，限制了其基于角色对Web服务功能语义进行推理的能力。史忠植等[6]从ProcessModel出发，将OWL-S中原子流程建模为动态描述逻辑中的动作理论，并对组合流程的数据流以及顺序、选择、任意序、条件、迭代、循环等控制结构进行刻画，将语义Web服务建模为一种动态知识，应用动态描述逻辑的推理机制分别对语义Web服务的可实现性、可执行性、投影、规划等问题进行推理；但未实现对服务组合中Split和Split+Join等控制结构的建模和推理。针对以上存在的问题，本文从原子服务功能语义和原子服务间交互关系所形成的组合流程两方面出发，提出了一种基于带有布尔角色算子的描述逻辑（SROIQB）的语义Web服务建模和组合推理方法。与已有的方法相比，该方法具有以下几方面的优势：首先，SROIQB与OWL具有相同逻辑基