基于语义描述的制造业Web服务合成研究

卢 健, 刁雅静, 王志英

(江苏科技大学经济管理学院,江苏镇江212003)

在因特网环境下,为了使各个服务能够协作、交换信息来完成共同的任务,解决目前网络上广泛存在的信息格式的异构性、信息语义的多重性以及信息关系的匮乏和不统一等问题,需要采用标准的方式来描述服务的各种信息。如何对服务描述是基于Web服务的应用集成的关键问题之一。Web服务合成技术的出现为这一问题提供了很好的解决方案。目前Web服务合成的研究方法主要分为两种：(1)以XML的工作流描述语言和工作流技术为基础的方法,具有代表性的语言是WSCL、BPEL4WS等。它们能够描述Web服务流程模型,也能够作为一种可执行语言供Web服务流程解析引擎执行;(2)以Web服务语义描述模型为基础的方法,具有代表性是面向服务的网络本体语言OWL-S(Ontology Web Language for Services)。是基于网络本体语言OWL(Ontology Web Language)在Web服务领域的应用,是OWL的扩展,用参数、前提和结果等来描述服务,可以比较自然地映射为行为的形式化描述,克服了基于可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language)的Web服务描述方法缺乏语义信息的问题[1]。以基于语义的Web服务合成理论为基础,在分析制造业信息资源特点的基础之上,以库存管理领域为应用实例,选取OWL-S作为服务本体描述语言提出了制造业Web服务合成的一般方法。

1 基本理论

领域本体是对特定领域内概念及概念间关系的精确描述。领域本体的构建是实现某领域内Web服务合成的基础和前提。构建本体的难点在于准确和完整地描述领域中的概念,概念之间的相互关系[2],对于制造业这种复杂领域来讲这种关系不仅包含简单的纵向关系,还包含了概念之间的横向关系,如两概念间的依赖关系、关联关系。

定义1 本体五元组的定义[3]

其中：C表示领域本体的术语集,Ac表示概念间的简单属性(非关联属性),Ar表示概念间的关联属性,H表示术语C的继承关系,包含类继承和属性继承,X表示公理集。

OWL-S是本体语言OWL的一个子集,用于描述Web服务的属性和功能以及访问的方法。它使Web服务具有机器可理解性和易用性,从而让人性化的智能主体支持自动的,动态的服务发现、执行、组合和互操作。主要由3个部分组成：(1)服务轮廓：描述服务的内容,即服务做什么。用于服务的发布和发现。服务查询代理利用其提供的语义信息判断所找到的服务是否符合查询要求。(2)服务过程模型：描述服务如何工作,即服务执行时具体的逻辑执行顺序。可以将一个服务视为一个过程。在过程模型中,有两大本体：过程本体和过程控制本体。其中过程本体又分为3类：原子过程、简单过程以及合成过程。原子过程是不可再分的过程,可以直接被调用。组合过程由若干原子和简单过程构成,每个过程由一个控制构造定义,控制构造来定义组合过程的执行顺序[4]。(3)服务基点：描述如何访问服务,即描述访问服务时的通信协议及其它一些特定细节。其中,服务过程模型所提供的语义信息可被服务搜索代理用于深入分析该服务是否满足其需要;完成特定的任务从多个服务中集成若干服务;在服务的设定过程中调整不同参与者的活动;监控服务的执行等用途。可见服务过程模型与Web服务的组合有着密切的关系,前者为后者的实现提供了必要的信息。

2 制造业Web服务合成研究框架

目前国内外学者对语义Web服务的研究主要有3方面：(1)基于语义描述Web服务的方法论的研究[5-7]：文献[5]提出了基于OWL-S如何描述服务的方法论。文献[6]提出了基于语义网的旅游本体构建方法。(2)对于OWL-S的具体实现技术的探讨：如文献[8]、[9]研究了服务基点的交互方法的详细说明,基于领域本体实现服务合成的技术方法。(3)语义Web服务描述应用领域的研究：如文献[6]、[10]、[11]表明国内外对于语义Web服务的应用领域主要集中于旅游服务、地理服务和航空订票服务等领域,没有应用于制造企业的先例。究其原因主要是制造业领域业务过程复杂、业务活动繁多且各个活动之间语义关系众多,难以规范化定义。论文在调研了一般制造企业业务流程的基础之上,将制造业的若干业务活动按“管理职能-管理过程-管理活动”[12]逐层分解,首先在领域专家的帮助下抽取领域术语,定义约束公理完成领域本体的构建,为描述Web服务提供词汇字典和描述基础;然后将每个管理过程包含的若干管理活动分别定义为原子过程,这样管理过程就成为这些原子过程的合成过程,通过定义服务的上层本体实现Web服务的动态描述,最后通过OWL-S编辑器模拟实现Web服务的动态合成过程。具体流程如图1所示。

图1 制造业Web服务合成研究框架

3 应用实例

以一般企业物资管理子领域的库存管理过程为例,库存管理是物资管理系统中最核心、最基本、也是最重要的部分,反映了企业物资的实物状态。过程主要由入库申请,入库单审核、保管实收入库、出库申请、领料单审核、限额发料、保管实发出库和库存记账等管理活动构成。

3.1 领域本体

领域术语定义如表1所示。

表1 库存管理相关概念术语抽取

根据本体五元组定义,以下给出各个术语的关系编码：

3.2 Web服务定义

(1)创建库存管理的若干原子过程如表2所示。其中的若干参数均在以上领域本体中定义完成。

表2 库存管理参数汇总表

(2)定义合成过程

合成过程为compositeprocess-kcgl(库存管理),定义控制构造为Split+Join,设置输入输出参数,通过OWL-S编辑器实现自动合成,如图2所示。

(3)定义服务上层本体

在OWL-S编辑器中分别定义服务轮廓kcgl-profile、服务基点Wsdlgrounding-kcgl及服务kcgl-service;其中kcgl-profile的 service name为 ：kcgl-service,has-process为：compositeprocess-kcgl,输入输出参数通过IOPR管理器进行管理;Wsdlgrounding-kcgl中每个原子过程均定义相对应的基点sqrkgrounding,rkdshgrounding,bgssrkgrouding,rksqgrouding,lldsqgrouding,bgsfckgrouding,xeflgroudingkcjzgrouding;OWL-S编辑器实现服务本体如图3所示。

以上应用实例中服务轮廓和服务过程模型的定义都是关于服务的抽象描述,而服务基点是涉及到服务的具体规范,它的核心功能是将一个原子过程的抽象输入和输出实现成具体的消息映射,目前工业界广泛采用的消息描述标准格式是WSDL(Web Services Description Language),它与OWL-S文件格式存在映射关系。

图2 库存管理合成过程图

图3 库存管理服务本体

4 结论

(1)将基于语义的Web服务动态合成一般方法应用于制造业领域,在领域专家的帮助下完成领域本体的构建;将管理活动分别定义为原子过程实现了Web服务的动态合成,为实现自上而下的制造业信息系统集成和重用提供了可借鉴的方法。

(2)由于篇幅有限文中仅选取库存管理领域为应用对象,它的业务流程复杂在制造业各子领域中具有一定的代表性,该方法同样适用于其他管理子领域。

(3)OWL-S文件向WSDL文件映射的技术实现需要做更加深入的研究;在服务的语义描述中应该加入关于服务质量的描述信息提高服务选择的灵活性。

[1]OWL-S ：Semantic Markup for Web Services[EB/OL].http ：//www.daml.org/services/owl-s/1.0/

[2]林汝坤,刘芳,戴长华,姚莉.OWL本体建模中约束公理的应用[J].计算机工程,2006,32(16).

[3]Naing M M,Lira E P,Gob DH.Ontology-Based web annotation framework for hyperLink structures[A].Proceedings of the International Workshop on Data Semantics in Web Information Systems(DASWIS'02)[C].Singapore,2002：184-193.

[4]Shum,S B,E Motta,J Domingue.ScholOnto.an ontology-based digital library server for research documents and discourse.[J].Digital Libraries,2000,3(3)：237-248.

[5]Micherael C Jaeger,L Engel.A methodology for developing owl-s descriptions[J].In First International Conference on Interoperability of Enterprise Software and Applications workshop on Web Servicess and Interoperability,2005.

[6]Chang Choi,Miyoung Cho.Travel ontology for recommendation system based on semantic web.2006,20-22.

[7]石磊,沈超.语义Web服务描述框架研究综述[J].计算机技术与发展,2006,16(11)：134-139.

[8]Gerald C.Gannod,Raynette,J.Brodie.An interactive Approach for specifying owl-s groundings[J].Proceeding of the 2005 ninth IEEE International Enterprise computing conference.IEEE computer society.

[9]李曼,王大治,杜小勇,王珊.基于领域本体的Web服务动态合成[J].计算机学报,2005,28(4)：644-650.

[10]安杨,赵波.基于Ontology的地理服务描述[J].计算机工程,2005,31(12)：4-6.

[11]吴明昌,顾君忠.在Web services动态合成方面的OWL-S语义扩展[J].计算机应用与软件,2007,24(5)：69-71.

[12]葛世伦,潘燕华.大型单件小批制造企业信息模型[M].北京：科学出版社,2006.