基于功能语义标注的Web服务发现方法_文俊浩

收稿日期：2010-11-11；修回日期：2010-12-30基金项目：国家“十一五”科技支撑计划资助项目（2007BAF23B0302）；重庆市科委自然科学基金资助项目（2010BB2244）；中央高校基本科研业务费科研专项———研究生科技创新基金资助项目（CDJXS 11181161）作者简介：文俊浩（1969-），男，河南临颍人，教授，博导，博士，CCF 会员，主要研究方向为服务计算与面向服务的软件工程；涂丽云（1985-），女，江苏宿迁人，硕士，主要研究方向为服务计算与面向服务的软件工程（tuliyun@gmail．com ）．基于功能语义标注的Web 服务发现方法*文俊浩a ，b ，涂丽云a，江卓b，何盼b（重庆大学a．软件学院；b．计算机学院，重庆400030）摘要：针对Web 服务发现中存在的语义异构、逻辑推理复杂、应用实施代价较大以及查准率有待进一步提高等问题，提出了一种基于功能语义标注的Web 服务发现方法。

定义了领域功能语义模型和本体映射机制，对服务进行功能语义标注以增加语义信息；服务发现时，先对其功能进行语义相似度匹配，满足给定阈值的服务再进行接口匹配。

仿真实验表明，提出的方法在保证服务匹配效率的同时，有效避免了语义异构问题，相比传统方法查准率提高了34．1%。

关键词：Web 服务发现；领域本体；功能描述；语义标注；相似度中图分类号：TP331文献标志码：A文章编号：1001-3695（2011）07-2546-04doi ：10．3969/j．issn．1001-3695．2011．07．041Web service discovery approach based on functional semantic annotationWEN Jun-hao a ，b，TU Li-yun a ，JIANG Zhuo b ，HE Pan b（a．College of Software Engineering ，b．College of Computer Science ，Chongqing University ，Chongqing 400030，China ）Abstract ：Aiming at the existing problems in Web service discovery such as semantic heterogeneity ，complexity of logical rea-soning ，much cost to implement ，and the precision can be further improved ，this paper presented a Web service discovery ap-proach based on functional semantic annotation．Defined a Web service domain functional semantic model and the correspon-ding mapping mechanism ，added functional semantic information to Web service by annotating the function of Web service．During the service discovering ，firstly matched services according to the function using semantic similarity ，then discovered ac-cording to the interface only with the results that satisfied the given threshold．A serial of experiments illustrate that the method improves the service matching efficiency ，effectively avoids semantic heterogeneity ，and compared with the traditional method the precision increases by 34．1%．Key words ：Web service discovery ；domain ontology ；functional description ；semantic annotation ；similarity0引言Web 服务发现是根据用户对目标服务的需求描述，通过服务匹配算法从服务注册中心查找到与用户需求描述相匹配的服务［1］。

随着Web 服务数量的快速增长，服务请求者如何从海量服务集合中自动、快速、准确地搜索出符合需求的目标服务，成为Web 服务技术中的关键问题。

当前的服务发现算法从操作手段上大致分为两大类。

第一类是语法级别的服务发现，主要采用WSDL 和UDDI 技术［2］，以关键字对服务集合进行搜索匹配。

这类方法查询效率高、易于实现，但由于缺少语义信息，其查准率不高，难以满足用户的需求。

更多的研究者致力于第二类发现方法，即使用本体［3］来描述Web 服务，较好地解决了以上问题。

将本体用于Web 服务描述的研究工作大致有两类。

文献［4］提出一种基于OWL-S ［5］的语义Web 服务匹配机制，向UDDI 中引入语义元素，系统通过语义服务匹配算法提高Web 服务匹配的准确度和召回率。

文献［6］从OWL-S 中的process model 出发，利用动态描述逻辑DDL （SHOIN （D ））的描述能力以及推理功能，提出了一种对Web 服务建模和推理的有效途径，为语义Web 服务的自动发现提供了有效的支持。

这类研究工作通过定义一套描述Web 服务的本体，如OWL-S /DAML-S 、WSML /WSMO 或WSDL-S 等，对Web 服务功能、行为的语义描述，使用逻辑演绎和推理机制进行服务匹配。

这些方法在特定的服务模型和应用场景中可以获得较理想的查全率和查准率，但它们仅是Web 服务描述的上层本体，并不关注特定的应用领域，同时存在逻辑推理复杂、实施应用的难度较大、服务双方缺少对服务的共同语义描述、Web 服务之间存在语义异构性等问题。

此外，目前已有大量基于WSDL 的Web 服务，在使用这类方法前，需将WSDL 转换成目标服务所采用的模型和语言，转换过程复杂，应用实施代价较大。

另一类研究工作是在现有的WSDL 和UDDI 上增加语义信息。

文献［1］通过对标准的WSDL 文件中的接口进行扩展，使接口具有语义信息，但未给出具体的扩展方法。

文献［7］采用领域本体对WSDL 文件进行标注。

文献［8］基于W3C 的最新规范SAWSDL ，实现了Web 服务的自动匹配，匹配算法考虑了服务的功能、接口参数以及QoS 属性，但其完全基于领域本体，不能很好地表达服务功能的相关概念。

文献［9］构建了一个领域功能本体，对服务的功能进行描述，为服务请求者和提供者之间提供一致的描述并给出了匹配第28卷第7期2011年7月计算机应用研究Application Research of Computers Vol.28No.7Jul.2011算法，但没有深入探讨如何进行本体映射。

针对以上问题，本文提出了一种基于功能语义标注的Web 服务发现方法。

对领域本体进行扩展，定义了Web 服务的领域功能语义模型（domain functional sematic model ，DF-SM ），对Web 服务描述进行语义扩展；在服务发现时，先对服务的功能进行语义相似度匹配，满足用户设定阈值的服务再进行接口匹配。

语义模型的建立能有效避免语义异构性，同时在不影响服务匹配运行效率的前提下，能够很好地平衡查全率和查准率，为基于功能语义进行服务发现提供了一种有效可行的方法。

1Web 服务的领域功能语义模型Web 服务描述方式的差异以及语义异构等，使服务提供者和请求者对同一服务的理解存在偏差。

针对这一问题，本文借助领域本体并对其进行功能扩展，形成领域功能语义模型，借助DFSM 对Web 服务的功能进行语义标注。

DFSM 是领域本体的扩展，是一种专门用于描述特定领域知识的本体，它定义在WSDL 文档的外部，独立于现有的WSDL 文件。

标注后的WSDL 文档通过标签的URL 指定对DFSM 的引用。

以旅游行业为例，旅游行业的DFSM 如图1所示。

定义1假设对领域本体D 进行扩展后的功能语义模型记为M ，则M =｛｛C ｝，｛R ｝，｛Ax ｝｝，C i ∈D ，i =1，2，…，m ；R k ∈D ，k =1，2，…，p ；A l ∈D ，l =1，2，…，q 。

其中：a ）C 为概念（concept ）或类（classes ）集合，它是一类对象集合的抽象描述，包括领域本体中的基本属性和扩展的动作属性。

基本属性描述某概念的自然特征，如图1所示，color 和startPoint 是train 的基本属性；动作属性描述概念的行为特征，比如search 是train 的动作属性。

b ）R 为关系（relation ），描述n 个概念所含对象之间的联系。

概念C 1，C 2，…，C n 间的n 元关系R n ∈｛C 1ˑC 2ˑ…ˑC n ｝。

c ）Ax 为公理（axiom ）。

公理是无须证明的永真断言，它在本体中的作用是严格定义概念和在本体所表达的知识范围内回答问题。

DFSM 中的六种关系如表1所示。

其中part-of 、kind-of 、at-tribute-of 和instance-of 为领域本体中最基本的关系。

仅有这些关系不足以表达服务的功能信息，因此为了实现对功能语义的扩展，本文添加了action-of 关系用于表示某概念具有的动作属性。

另外，为了避免进行功能语义描述时的语义异构，添加了similar-of 关系。

表1DFSM 中六种关系及其作用关系类别表达的作用part-of 概念之间部分与整体的关系kind-of 概念之间的继承关系attribute-of 某概念是另一概念的属性instance-of 某概念是另一概念的实例化action-of 某概念是另一概念的动作similar-of某概念与另一概念完成相同动作在服务发现时，经常出现服务双方对同一服务有不同理解和表示的情况，产生语义异构，导致满足需求的服务不能被正确发现。

通过扩展similar-of 属性，可以将实现相同功能的服务关联在一起，找到一个就找到相同功能的多个服务。