语义Web服务建模框架比较分析＊

林关成

（渭南师范学院 传媒工程学院，渭南714099）

随着Web服务在信息服务领域的应用越来越广泛，互联网上Web服务的数量呈现出爆炸式增长．Web服务作为一种新兴的 Web应用模式，可以摆脱硬件系统平台、操作系统以及编程语言的束缚，为服务提供者跨平台、跨行业的进行服务提供了技术保障．当前的Web虽然能够更多地为用户提供多种描述文本信息，却不包含机器之间可理解的语义信息，在传统的Web服务模式下要想实现服务的自动发现、自动匹配以及自动调用是不太容易的，这不仅限制了机器在互联网信息检索领域的发展，也限制了机器自动化的处理能力［1］．

在Web服务数量庞大的今天，再依靠传统的人工方式去组织、管理、分类Web服务已经不太现实，要让机器自动的处理这些服务的识别、组织以及匹配问题，需要让计算机具有更高的智能化，必须克服传统的信息组织形式，摒弃传统的文本匹配思路，于是语义 Web便应运而生［2］．语义 Web的出现给机器之间的智能交互提供了契机，通过语义描述语言使互联网上的信息具有语义，从而更准确的发现知识［3］．将语义Web技术应用于 Web服务领域就产生了语义Web服务，它是传统的Web服务机制和语义Web技术结合的产物，能够自动处理服务的发现、服务的组合以及服务的调用，使Web服务更加智能化、服务定位更加精准、用户的体验度更高［4］．语义 Web服务的实现一方面需要创建、发现和自动化调用 Web服务的形式化描述［5］，另一方面还需要用于分析、验证服务语义的建模框架［6］．当前，有关研究机构各自提出了不同的语义Web服务建模框架，比较著名的框架有：METEOR-S［7］，WSMO［8-9］，IRS［10］以及 SWSF［11］等．本文以语义Web服务的一般结构为基础，对语义Web服务的三大主流建模框架OWL-S，IRS和WSMO从行为、体系结构和服务本体等方面进行比较分析．

1 语义Web服务的基础结构

当前，围绕语义Web服务的研究大多是从行为、体系结构和服务本体三个方面展开的．行为定义了支撑语义Web服务的多种功能，包括服务的发布、发现、选择、组合、配置以及本体的管理等；体系结构定义了一系列实现上述行为的组件，包括注册机、推理机、中介系统、触发器等等；服务本体则是从概念上关于服务的最本质的描述，定义了服务的输入输出、执行的前提和执行后产生的效果、服务的类型以及服务的质量等等．三者从宏观到微观构成了语义Web服务的基础结构．

2 语义Web服务主流建模框架

2．1 OWL-S

OWL-S是由“DAML（DARPA Agent Markup Language for Services）计划”定义的关于语义Web服务的基于本体描述的语言体系［12-13］，通过对Web服务进行逻辑化描述，进而产生相关的描述方法以支持机器和机器的相互理解．以此为核心的OWL-S语言构件可以实现Web服务的自动处理，比如服务的自动发现、服务的调用、服务的组合及监视等．从体系框架来看，OWL-S本体形成一个层次结构，以概念类为基本的组织形式，这种概念类主要表现为服务的形式，因此也将这些概念类称为服务类，其主要包含三个基本属性：表示、被描述和支持，如图1所示．OWL-S包括三个组件，服务概要描述服务的功能，即这个服务是做什么的，服务搜寻代理通过服务概要实现服务匹配，寻找到满足服务请求者需求的Web服务；服务模型描述服务是怎么做的，即服务的具体实现细节；服务基点描述怎样访问服务．可以说 WSDL与UDDI使Web服务实现了自动化，OWL-S使得 Web服务实现智能化．纵使OWL-S有许多的优越性，但是在目前的Web框架下，很难得到广泛的使用，因为语义Web并没有广泛的应用，OWL-S在理想状况下（即到处都是语义）才能发挥最大的功效．

图1 OWL-S的顶层本体Fig．1 The upper ontology of OWL-S

在图1中，服务概要是用来描述服务功能的，告诉用户服务的总体信息，在Web服务发布机制中起到了发布服务广告的作用，用户看到以后，根据自己的服务需求能够精准的进行服务判决；服务模型用来描述服务在实现过程中的运行方式以及执行流程；服务基点通过提供服务调用过程中的通信协议以及消息格式等具体细节，进而提供服务方位方式的具体方案，用户通过服务基点即可知道如何与Web服务进行存取等通信信息．

2．2 IRS

IRS是Open university开发的一种框架结构，它可以支持 Web服务的发布、定位、组合和执行，在框架体系结构中将每个Web服务通过语义描述其功能，通过语义推理服务提供了上下文知识的理解，由三大部分组成：IRS服务器，IRS发布器和IRS客户机，这三部分通过SOAP（Simple Object Access Protocol）［14］协议进行交互．SOAP 不仅可以完成服务通信功能，而且在安全实现方面有更多的机制．IRS服务器保存了对语义 Web服务不同层次的描述．在内部，它使用OCML来表示对组件知识层面的描述．另外，使用集合来映射知识层面的描述和特定的 Web服务之间的关系．IRS发布器在IRS服务器中连接了Web服务和语义描述．IRS客户端负责请求需要完成的任务，调用恰当的Web服务．

2．3 WSMO

WSMO是一个概念模型，它通过形式化描述语言对 WSMF［15］进行扩展，并细化了 WSMF中描述语义 Web服务的4个要素，即本体、目标、Web服务描述以及中介器，目的是通过为语义网络服务的核心元素提供本体化说明，从而更好地支持网络服务的发现、整合以及交互，其整体框架如图2所示．

图2 WSMO框架结构Fig．2 The framework of WSMO

本体提供了对某一领域的正式描述和共享概念，为Web服务的交互信息提供正式语义，方便Web服务整合；目标描述了当客户请求服务时可能持有的目的，它详述了客户端对某个Web服务的功能要求，也描述其期望的与Web服务的交互方式；Web服务描述了Web服务所提供的功能以及在Internet上的业务接口；中介器提供了整合多个Web服务联合作业中产生的误匹配问题的一般机制．

3 语义Web服务建模框架比较分析

3．1 行 为

行为定义了支撑语义Web服务的各种功能及功能组合，在行为方面，几种建模的核心框架各有各的优势．OWL-S通过良好的服务框架构建，对服务发现、服务选择、服务组合、服务配置以及知识本体库的服务触发能够提供良好的支持，特别是在服务的发现方面能够发现隐含的深层次的服务对象，对于构建整体服务，形成综合服务组合具有重要意义；IRS通过设立专用的服务发布器，对于服务的发布进行专门处理，在新服务产生时可以及时的发布新服务，并且通过其IRS服务单元可以对专门服务对象提供领域知识服务，通过调用领域知识提供领域内的服务组合．WSMO通过构建专用的服务发现架构，实施服务发现的优化设计，为语义本体服务的核心元素提供本体化说明，使所提供的服务描述更加详细，服务发现更为精确，从而更好地支持网络服务的发现、整合以及交互等行为．

3．2 体系结构

体系结构定义了一系列实现上述行为的组件．从体系结构的角度来看，三大建模框架各不相同，各有其侧重点．IRS构建了较为完善的体系结构，其核心框架模块由IRS服务器，IRS发布器和IRS客户端三大功能模块构成，各个模块之间是通过基于XML的SOAP协议来进行通信，并负责通信过程中安全保障的．IRS服务器模块是将功能说明文档通过SOAP协议映射到具体的Web服务上．IRS发布器模块，接收到独立代码描述的 Web服务，第一步是要将这些代码描述方式转化为标准的Web服务，第二步将解析出的Web服务与IRS服务器中相应的语义描述信息建立关联信息，最后，用户提出服务任务请求，可以通过任务触发机制在IRS服务器上找到并触发相应服务．OWL-S没有为其服务本体制定具体的执行框架，采用若干组件来支持OWL-S的应用开发．WSMO建模体系结构的核心是服务发布与自动发现，这些过程是通过位于远程的服务注册服务器来完成的，服务注册服务器的核心是中介器，它可以控制Web服务及服务发现过程的交互．

3．3 服务本体

服务本体从概念上对服务进行本质描述．从服务本体的角度来看，OWL-S、IRS和 WSMO三大建模框架的服务本体构建方法和逻辑基础不尽相同．从本体模型的角度说，IRS的服务本体包括两部分，分别是任务本体和问题求解方法本体，其中任务本体主要包含基于描述逻辑的领域本体．通过将Web服务描述与Web服务的实现进行分离，增强了Web服务调用过程的灵活性，但是这样的分离也带来了一些弊端，主要表现在：IRS服务本体规范化要求不高，导致处理本体服务的灵活性较大，加之本体使用过程中应用领域的差别，使得应用领域难以达到统一，从而无法完成统一管理本体的目标；本体无法统一也导致不同领域本体之间难以融合，使多领域推理难度加大，降低了推理知识库的适用范围．WSMO本体是基于一阶逻辑的本体，它通过形式化的规格说明达到服务的匹配、组合和调用目的，虽然其推理能力有所增强，但受到一阶逻辑的推理能力制约，其推理功能及服务发现功能受到一定的限制．OWL-S是基于描述逻辑的本体服务描述，服务本体采用概念化的表示方法，能够描述逻辑所具有的具体特性，虽然无法明显地表达任务的概念，但它是建立在语义 Web技术标准之上，具有强大的逻辑表达能力，本体规范化程度较高，管理较容易．

根据上述分析与比较，OWL-S基于面向代理的思想规范了一系列基于OWL的服务本体；IRS则是从可重用的知识组件方法演化而来，易于使用且得到了很多应用的支持；WSMO主要采用面向业务的方法，致力于解决电子商务等领域的应用需求，这些领域要求具有信任与安全机制．从行为的角度来看，三种方法有各自的优势；从体系结构的角度来看，IRS相比另外两种框架较为完善，也更实用；从服务本体角度来看，OWL-S具有表达能力强，规范程度高等优势．

4 应用实例分析

为了验证语义Web服务主流建模框架，以教学资源本体为例，在教学资源本体上建立排课规则，将推理系统模型应用于以教学资源本体为基础的排课系统．

首先，确定教学资源本体创建的领域和范围．本例中，本体是为排课系统服务，因此，教学资源主要有教室资源和设备资源．其次，需要定义教学资源本体的词汇，确定各个类别之间的阶层关系．教室资源定义为教室（classroom）类，主要包含普通教室（general classroom）类、听力教室（listening classroom）类 和 多 媒 体 教 室 （multimedia classroom）类三个子类．设备资源定义为设备（equipment）类，主要包含听力设备（listening equipment）类和多媒体设备（multimedia equipment）类两个子类．此外，还要定义课程（course）类、课程表（course Table）类以及各类的数据类型和属性等．接着，在OWL本体中定义各个类别之间的限制和属性，明确类和类之间的关系，指出各类的领域、范围和属性类别．最后，建立classroom实例、equipment实例、course实例以及course Table中具体条目实例等知识实例，分别将具体的资源填入相应的实例，完成教学资源本体的建立．对教学资源本体进行检测修改后，建立排课的推理规则，利用指令将该类别所有的实例建成事实列表，将本体和规则分别经过相应的格式转换，进行规则和知识的模式匹配运算，得到新的知识．排课系统的具体推理过程如图3所示．

语义Web中的本体通过基于描述逻辑的语义Web本体表示语言OWL来明确表示词汇表中术语的含义以及术语间的关系，在本体的基础上进行推理，从而实现真正意义上的语义Web．

图3 基于语义Web的排课过程Fig．3 The course scheduling based on semantic web

5 结 论

在分析语义Web服务结构的基础上，从行为、体系结构和服务本体的角度分析比较了当前语义Web服务三大主流建模框架的特点，对语义Web服务的建模具有一定的参考价值．三大建模框架各具特色，也可相互补充，它们分别为不同的应用领域提供了不同的Web服务，在具体的应用环境中采用哪种建模框架要根据语义描述形式、体系结构要求以及需要支持的服务类型等功能需求进行具体的分析选择．三种主流建模框架也有各自的缺陷，现有的语义Web服务建模框架有待进一步的完善．

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