基于網格的數字圖書館研究現狀分析

〔摘 要〕基于網格的數字圖書館構建成為解決數字圖書館中資源共享及協同的主流技術。本文對當前基于網格、語義網格和知識網格的數字圖書館研究現狀進行了概述和分析。針對當前研究的不足，分別就基于網格的數字圖書館仿真及原型系統開發、基于語義網格的語義互操作、基于知識網格的知識服務提出了數字圖書館研究的未來發展方向。

〔關鍵詞〕數字圖書館;網格;語義網格;知識網格

〔中圖分類號〕G250.76 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1008-0821(2009)03-0074-04

廣域、分布、異構、動態、自治Internet環境中數字圖書館(Digital Library)構建的目標是利用先進的技術，實現Internet上各孤立數字節點上資源的共享與協同，為用戶提供透明的訪問接口。隨著計算機技術、信息技術、分布式計算技術的發展，基于網格(Grid)的數字圖書館構建成為當前圖書情報學領域研究的熱點問題之一[1]。廣義上的數字圖書館具有豐富的數字化資源、網絡化存取、信息分布檢索和資源整合等基本特征。狹義上的數字圖書館主要是基于物理圖書館，將物理圖書館的傳統優勢轉換為信息服務主體的資源優勢和服務優勢，適應互聯網對信息服務主體、服務客體、服務模式和服務理念的改變[2]。網格是繼Web之后新的分布式計算平臺，是指在動態變化的多個虛擬機構間共享資源和協同解決問題、構筑在互連網上的一組新興技術。它將高速互連網、高性能計算機、大型數據庫、傳感器和遠程設備等融為一體，為科技人員和用戶提供更多的資源、功能和交互[3]。我國基于網格的數字圖書館研究，是伴隨著網格概念的提出和網格技術的應用而發展的，目前已取得了一些階段性的成果，但需要解決的問題還很多。為了對當前的研究現狀進行總結和推動未來研究的發展，本文分別就基于網格、語義網格和知識網格的數字圖書館研究現狀進行了概述與分析，最后提出了數字圖書館研究的未來發展方向。

本文第2節對網格技術研究進展進行了概述，第3節對基于網格的數字圖書館研究現狀進行了概述與分析，第4節給出了數字圖書館研究的未來發展方向，第5節對全文進行了總結和對未來研究工作進行了展望。

1 網格技術概述

隨著OGSA、OGSI、WSRF和GT4等規范、體系結構和技術的應用和推廣，網格成為開放、異構環境下構造松耦合、組合化分布式應用的主流技術[4-6]。OGSA(Open Grid Services Architecture)把一切都抽象成服務，服務可以包括計算機設備、應用程序、數據，儀器等。將一切都抽象為服務有利于通過統一的標準接口來管理和共享網格上功能各異的資源。OGSA是網格中描述面向服務的體系結構SOA(Service-Oriented Architecture)，它把網格服務看作是一種特殊的Web服務(Web Services)，它們可能以不同的方式創建，用不同的程序語言實現，由不同的網格服務(Grid Services)開發者提供，網格服務請求根據特定的應用背景和需要由服務組合或服務間的協同工作來完成。

Web服務是基于XML的，能在異構的計算環境中開發分布式應用的一種技術。Web服務由WSDL描述服務、由SOAP作為客戶和服務之間通信的消息格式、由UDDI作為服務的發布和發現。OGSI(Open Grid Services Infrastructure)是作為OGSA的核心規范被提出的，OGSI把一個有狀態的資源刻畫為一個封裝資源狀態的Web服務，把服務的標識、生命周期和資源狀態緊耦合在一起，這樣存在明顯的不足。為了解決OGSI和Web服務之間的矛盾，2004年3月WSRF(Web Service Resource Framework)被提出，WSRF提出一個標準方法把Web服務刻畫成有狀態資源。WSRF正在替代OGSI，用在OGSA環境中構建網格核心服務的基礎結構，WSRF核心服務和OGSA平臺服務構成網格中間件。

2 基于網格的數字圖書館研究現狀

按照網格客體的不同層次，可將網格分為資源網格、語義網格和知識網格3個從低到高的層次，分別對應于處理內容為資源、語義信息、知識的網格。資源網格包括通常的計算網格和數據網格，直接在Web之上的是資源網格。語義網格在資源網格以上，為上層應用提供信息的語義互操作。而知識網格的主要功能是從底層的數據和語義信息中發掘知識、處理知識和應用知識。本文以“數字圖書館”作為檢索詞，對清華同方全文數據庫中從2003年至2007年末全國的所有核心期刊以關鍵詞作為檢索項進行了模糊匹配，共檢索到學術論文4 905篇。在這4 905篇論文中，與“網格”作為關鍵詞精確匹配的有72篇，與“語義網格”作為關鍵詞精確匹配的有7篇，與“知識網格”作為關鍵詞精確匹配的有11篇。以上數據說明，當前研究主要集中在基于一般網格技術的數字圖書館構建，而基于語義網格和知識網格的數字圖書館研究還不是很多。以下分別就基于網格、語義網格和知識網格的數字圖書館研究進行了概述。

2.1 基于網格的數字圖書館

現有的數字圖書館，還是Internet世界中一個個孤島，用戶在檢索信息時，需要登錄不同的站點進行檢索，給用戶的使用帶來極大的不便。如何采用先進的技術和方法，將Web上的數字圖書館聯合起來，實現數字圖書館之間的互操作，已成為數字圖書館界研究的主要問題之一。OAI-PMH框架通過元數據的互操作實現了數字圖書館的互操作，克服了分布式搜索無法解決的規模問題。而網格計算技術與傳統的分布式計算不同之處在于，關注多機構之間大規模的資源共享和協同工作，提供了資源共享的基本方法，在解決異構平臺兼容及集成已有系統方面有著獨特的優勢。

文獻[7]將網格技術與元數據采集方法相結合，提出了一種增強數字圖書館互操作的新框架——數字圖書館網格DL Grid，即在原有OAI-PMH框架的基礎上引入Grid的概念，利用網格技術更好地解決數字圖書館資源發現、整合、跨倉儲檢索等問題，克服了傳統數字圖書館互操作方案的局限性，實現世界范圍內的聯邦數字圖書館。為了將網格、OAI-PMH框架和數字圖書館集成統一整體，文獻[7]還提出了一個3層DL Grid結構模型，即資源層、網格中間層和應用服務層。其中資源層由廣域分布的數字圖書館組成，構成整個DL Grid的信息提供者，網格中間層利用開放的網格技術和OAI-PMH協議，屏蔽資源層中的分布、異構特性，實現元數據的發現、采集、組織、存儲等功能，向網格應用層提供透明、一致的接口。應用服務層是信息服務提供者，在集成下層元數據的基礎上，通過單一的服務接口為用戶提供增值服務。文獻[8]提出了將數字圖書館分為計算網格層、信息網格層和知識網格層。這三層之間的關系對應于數據、信息、知識間的關系。數據、信息、知識具有層次關系，是信息增值鏈上的3個層次，每個層次代表著信息加工的不同階段。相對應的數字圖書館的網格層次也對應著3個階段，即計算網格層完成海量數據的訪問，信息網格層構建統一檢索平臺，知識網格層則實現知識的自動積累，建立知識鏈接網絡，從而解決知識管理的問題。文獻[9]針對個人數字圖書館信息檢索問題，提出了一個檢索策略模型。將個人數字圖書館架構在P2P網格之上，創建了一個分布式的信息檢索環境，并采用Z39.50/SRW/SRU信息檢索協議實現了個人數字圖書館的信息檢索，為網格環境中個人數字圖書館信息檢索技術提供了理論基礎。

2.2 基于語義網格的數字圖書館

語義網格的概念是隨著語義Web和網格的同步發展而提出的，是語義Web在網格中的應用。語義Web被定義為當前Web的擴展，語義Web的目的是增加無結構Web的內容，用于實現機器翻譯信息，改進Web應用的潛能。而語義網格是網格和語義Web之上的層次，元數據和本體在語義Web的發展中扮演了一個關鍵的角色。元數據是用于描述數據的數據，本體是概念模型的明確的規范說明，是對某領域的共享理解，經常被表示為類、關系、功能、原理和實例的結合[10]。本體描述語言是用來描述本體的，它讓用戶可以為領域模型編寫清晰、形式化的概念描述。目前W3C推薦的本體語言主要有:XML、RDF/RDFS、DAML+OIL、OWL等。圖1表示了本體描述語言的層次結構。其中XML作為元數據交換和處理的通用語法，RDF作為Web元數據的描述語言，RDFS、DAML+OIL、OWL作為Web的本體描述語言。

在語義網格中，網格服務可以用與自動服務發現的本體相聯系的元數據注釋。從服務分層的角度語義網格中服務的層次結構如圖2所示。將語義網格技術用于數字圖書館的構建，解決數據集成、資源共享、語義檢索的問題，已引起了部分研究者的注意，取得了一些階段性的研究成果。文獻[11]結合語義網格中的理論和關鍵技術， 構建了一個四層體系架構的智能化數字圖書館知識推送服務系統模型，將系統模型劃分為原始數據層、知識處理層、表示層和用戶層，給出了語義相似度和關聯相似度的計算公式，并詳細論述了系統實現的整個流程。文獻[12]引入知識地圖技術，認為應用知識地圖技術可以實現數字圖書館領域本體的聚類，形成數字圖書館本體知識地圖，并以此為基礎，構建語義網格環境中數字圖書館知識組織的語義互聯模型。文獻[13]探討了語義網格環境中數字圖書館知識組織的目標與內容、知識組織方法與知識組織過程。文獻[14]提出了語義網格環境中數字圖書館的概念模型，探討了語義網格環境中數字圖書館知識組織的關鍵技術與服務，在此基礎上，遵循OGSA標準和語義Web標準，構建了基于語義網格的數字圖書館知識組織模型，并從知識組織、知識服務、服務組合3個方面對此模型進行了分析。

2.3 基于知識網格的數字圖書館

2001年11月，Fran Berman在《Communications of the ACM》上發表了短文“From Tera Grid to Knowledge Grid”，在這篇文章中提出了知識網格這一概念，并提出知識網格的主要研究內容是:利用網格、數據挖掘、推理等技術從大量在線數據集中抽取和合成知識，使搜索引擎能夠智能地進行推理和問題回答，并從大量數據中得出結論[15]。諸葛海教授認為:“知識網格是一個智能互聯環境，它能使用戶或虛擬角色有效地獲取、發布、共享和管理知識資源，并為用戶和其他服務提供所需要的知識服務，輔助實現知識創新、協同工作、問題解決和決策支持。”知識網格的本質是要實現知識的共享與協同，利用知識網格技術解決數字圖書館中知識的發現和增值是一理想的選擇。

文獻[15]分別從知識網格的概念、基本理論、體系結構及知識網格技術與數字圖書館信息資源的組織開發幾方面進行了論述。文獻[16-19]分別就知識網格的原理、網格知識服務的架構與本體規范、知識服務的描述、發現及工作流組合和知識網格在英國e-Science項目上的應用進行了概述。文獻[20]對知識網格在知識管理中的作用進行了闡述，提出了知識網格有利于知識的交流、有利于智能化的知識管理、有利于為知識管理提供統一的平臺、有利于有效的組織和提煉知識、有利于隱性知識向顯性知識轉換。

3 基于網格數字圖書館研究的未來發展方向

從以上研究成果可以看出，盡管我國的科研工作者在基于網格的數字圖書館研究領域進行了努力的探究，取得了很多有價值的成果，但取得的成果主要集中在將網格相關概念、模型框架、相關技術應用到數字圖書館的構建中，提出了基于網格數字圖書館構建的基本理論、體系結構、模型框架等。當前文獻很少見到原型系統的實現、模型框架中具體算法的設計及面向實際數字圖書館構建的解決方案。結合數字圖書館未來發展趨勢和目前亟待解決的問題，本文提出了基于網格的數字圖書館研究的未來發展方向如下:

3.1 基于網格的數字圖書館的仿真及原型系統的開發

網格技術作為一種新的分布式計算技術，正在世界范圍內引起各國研究人員的注意，每年的研究成果層出不窮，而網格技術在各行業的應用也正逐步展開?；诰W格的數字圖書館的研究應借鑒這些研究成果，將有益于數字圖書館構建的理論、模型框架、關鍵技術和方法借鑒過來，開展數字圖書館構建的仿真或原型系統的開發，這樣才能檢驗研究中提出的理論和方法的正確性，及時發現存在的問題，為更大范圍內數字圖書館的構建提供實際經驗和技術的支持。

3.2 基于語義網格的語義互操作

數字圖書館中不同節點間的互操作是實現無縫連接的基礎，是實現異構網絡環境下資源共享與協同的關鍵。而基于語義網格的語義互操作是屏蔽底層硬件、軟件、數據等資源及實現上層服務組合和分布式檢索的有效途徑。數字圖書館中的語義互操作最終體現為語義網格服務間的互操作，因此需要對服務的元數據描述、服務的領域本體構建、服務間組合算法、服務間協同算法、服務的自主計算、服務的組織方式、分布式協同檢索算法等進行深入的研究，并通過仿真或原型系統的運行對某些關鍵性能指標進行驗證。

3.3 基于知識網格的知識服務

數字圖書館的最理想目標不僅是提供異構網絡環境下的信息共享，而是提供知識的共享和知識增值。知識發現、數據挖掘和知識管理等是人工智能領域的重要研究方向，而基于知識網格的數字圖書館的構建將隨著其它領域的研究進展而受益，很多關鍵的技術難題還有待解決，可以說是任重而道遠。而數字圖書館中的知識服務是未來數字圖書館提供的高級服務，是數字圖書館能發揮其優越性的重要體現，是利國利民的巨大工程。針對數字圖書館中知識服務的具體情況，未來的研究將集中在數字圖書館中知識的描述、知識的發現、知識的集成、知識的檢索、知識的推理、基于知識的機器學習、知識增值等。

4 結束語

本文在查閱大量參考文獻的基礎上，對當前我國基于網格的數字圖書館研究現狀進行了概述和分析，最后針對當前研究的不足及未來數字圖書館的發展，提出了基于網格的數字圖書館研究的未來發展方向。數字圖書館的構建是一巨大的工程，涉及到不同學科領域的交叉，面對的方法和技術難題需要不同知識背景的研究人員協力解決。本文下一步的研究工作將對基于語義網格的數字圖書館中服務間的組合、協同及分布式檢索算法進行研究。

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