面向服務(wù)環(huán)境下基于本體映射的多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同

摘 要:為解決面向服務(wù)環(huán)境下多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同中的語義不一致問題，使不同領(lǐng)域提供的Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)無障礙交互以及數(shù)據(jù)和知識共享，提出基于本體映射的多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同框架。首先根據(jù)領(lǐng)域知識建立參考本體，然后根據(jù)各領(lǐng)域的參考本體生成領(lǐng)域間的協(xié)同本體，最后將協(xié)同本體通過映射轉(zhuǎn)換到BPEL和WSDL文件。該方法能夠保留流程與Web服務(wù)中的原始語義信息，從而保證不同領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同地順利進(jìn)行。原型系統(tǒng)在歐盟ImportNET項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞:業(yè)務(wù)過程協(xié)同; Web服務(wù); 本體; 映射

中圖分類號:TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)03-0919-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.03.031

Multi-domain business process collaboration based on ontology mapping in service-oriented environments

NI Yue1，2， FAN Yu-shun1

(1.Dept. of Automation， Tsinghua University， Beijing 100084， China; 2.Dept.of No.1， Guilin Air Force Academy， Guilin Guangxi 541003， China)

Abstract:In order to resolve the semantic inconsistency in multi-domain business process collaboration in service-oriented architecture， and realize the barrier-free communication and the share of data and knowledge between Web services provided by providers from various domains， this paper proposed a multi-domain business process collaboration architecture based on ontology mapping. First built the reference ontologies corresponding to each domain’s knowledge， and then constructed collaboration ontologies semi-automatically， finally mapped OWL-S files generated from collaboration ontologies to BPEL and WSDL files respectively. This method could keep the original semantic information in processes and Web services， consequently ensure the semantic consistency of collaborative business processes. The prototype system was implemented and proved by project ImportNET which was funded by European Commission within the Sixth Framework Programme.

Key words:business process collaboration; Web service; ontology; mapping

0 引言

在面向服務(wù)的體系架構(gòu)下，越來越多的企業(yè)間和企業(yè)內(nèi)功能被封裝為Web服務(wù)，Web服務(wù)已成為不同領(lǐng)域間業(yè)務(wù)過程協(xié)同的關(guān)鍵。然而，Web服務(wù)通常來自不同領(lǐng)域的多個(gè)服務(wù)提供者，而不同領(lǐng)域的信息和知識又具有分布性和異構(gòu)性，因此在多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同時(shí)，經(jīng)常會出現(xiàn)理解不一致、知識無法共享以及語義不明確等困難，導(dǎo)致企業(yè)間協(xié)作程度不高、工作效率低下。因此，如何保證多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同中的語義一致性，是協(xié)同能否順利執(zhí)行的關(guān)鍵。

已有很多工作研究了面向服務(wù)環(huán)境下多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程的協(xié)同與互操作問題。Tang[1]為跨企業(yè)業(yè)務(wù)集成和協(xié)同提出一個(gè)柔性的面向服務(wù)的體系架構(gòu);佐治亞大學(xué)的LSDIS實(shí)驗(yàn)室通過DAML+OIL共享本體對Web服務(wù)進(jìn)行語義標(biāo)注[2];Tsai等人[3]給出一個(gè)基于本體的動態(tài)過程協(xié)同框架，它支持復(fù)雜SOA系統(tǒng)的建模與組合，并可實(shí)現(xiàn)代碼自動生成;Martin等人[4]闡述了ontology Web language for services (OWL-S)，并且用OWL-S擴(kuò)展 business process execution language (BPEL)和Web services description language(WSDL)向Web服務(wù)中添加語義;Aslan等人[5]提出一種將BPEL映射到OWL-S的方法并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)映射工具;Bordbar等人[6]提出SiTra框架以實(shí)現(xiàn)OWL-S到BPEL的轉(zhuǎn)換。這些工作大多集中于向已有的BPEL和 WSDL中添加語義信息，雖然能在流程和Web服務(wù)中添加語義，但不能準(zhǔn)確地反映真實(shí)世界的原始語義信息，從而造成部分的語義缺失以及語義誤解現(xiàn)象。

為解決這一問題，本文提出一個(gè)多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同框架，用工作流將所有協(xié)同企業(yè)間和企業(yè)內(nèi)的Web服務(wù)組織起來，同時(shí)給出一系列本體映射的方法，將協(xié)同本體轉(zhuǎn)換為BPEL和WSDL文檔，從而在現(xiàn)實(shí)世界的語義和過程與Web服務(wù)的語義間架起橋梁，實(shí)現(xiàn)最小語義丟失的轉(zhuǎn)換。

1 多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同框架

本章先給出一個(gè)經(jīng)過簡化的簡單協(xié)同場景。企業(yè)A和B分別屬于機(jī)械和電子這兩個(gè)工程領(lǐng)域。Ana是企業(yè)A的機(jī)械工程師，Bob是企業(yè)B的電子工程師，他們協(xié)同設(shè)計(jì)一種路由器。當(dāng)Ana改變了電路板上一處開孔的位置，Bob需要相應(yīng)地改變電路設(shè)計(jì)，但由于二人所屬工程領(lǐng)域不同，領(lǐng)域知識不同，而協(xié)同過程中又經(jīng)常需要交換異構(gòu)的數(shù)據(jù)和信息，因此設(shè)計(jì)過程緩慢，經(jīng)常出現(xiàn)返工現(xiàn)象。這一場景雖然簡單但在實(shí)際協(xié)同過程中卻普遍存在。為了解決這一問題，本文提出了多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同框架(圖1)。首先根據(jù)不同領(lǐng)域的參考本體構(gòu)建一個(gè)OWL-S格式的協(xié)同本體，然后將OWL-S轉(zhuǎn)換為BPEL和WSDL文檔，將原始的語義信息轉(zhuǎn)換到流程定義和服務(wù)描述中，最終通過語義的共享實(shí)現(xiàn)協(xié)同者之間的無障礙交互以及協(xié)同過程的順利進(jìn)行。從協(xié)同本體得到的流程和服務(wù)描述包含了語義屬性，因而可以實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)的自動發(fā)現(xiàn)、配置和管理。

當(dāng)一名工程師向面向領(lǐng)域的用戶接口(DUI)發(fā)送查詢請求時(shí)，DUI封裝該請求成為標(biāo)準(zhǔn)的SOAP消息。轉(zhuǎn)換得到的*.bpel流程文件和*.wsdl服務(wù)描述文檔預(yù)先部署在工作流引擎中，工作流引擎接收到SOAP消息后啟動相應(yīng)的流程并執(zhí)行。當(dāng)流程需要調(diào)用Web服務(wù)時(shí)，讀取*.wsdl文件，調(diào)用相應(yīng)的Web服務(wù)。流程結(jié)束后返回SOAP消息至DUI，查詢結(jié)果通過DUI提供的領(lǐng)域友好界面返回給該工程師。

本體服務(wù)器(ontology server)是協(xié)同框架的核心部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)OWL到BEPL和WSDL的轉(zhuǎn)換(圖2)。各領(lǐng)域的領(lǐng)域本體經(jīng)由本體轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為參考本體。本文案例中領(lǐng)域本體為機(jī)電領(lǐng)域本體，由ImportNET項(xiàng)目組成員匈牙利Applied Logic Laboratory 和奧地利Salzburg Research構(gòu)建[7]。本文的參考本體基于DOLCE頂層本體庫中的擴(kuò)展描述與狀態(tài)模塊實(shí)現(xiàn)[8]。參考本體由Protégé ontology editor 3.4 beta建立，用*.owl表示。參考本體的概念集由相關(guān)文檔經(jīng)文檔處理器處理后得到， 選中的概念集將被集成到協(xié)同本體中，得到粗糙的協(xié)同本體，通過添加、刪除等操作，參考本體中沒有的概念、關(guān)系、實(shí)例、公理等將被添加到協(xié)同本體中。

協(xié)同本體的構(gòu)建已有一些相關(guān)研究工作，如斯坦福大學(xué)Knowledge Systems， AI Laboratory實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的協(xié)同本體構(gòu)建工具[9]，唐杰等人[10]解決了元數(shù)據(jù)異構(gòu)本體之間的映射問題，為協(xié)同本體構(gòu)建提供了很好的方法。協(xié)同本體的構(gòu)建相對比較復(fù)雜，本文不作重點(diǎn)討論，本文協(xié)同本體的具體構(gòu)建方法請參閱文獻(xiàn)[7， 11]。以協(xié)同本體作為輸入，OWL2BPEL和OWL2WSDL轉(zhuǎn)換器分別輸出*.bpel 和*.wsdl文件。此協(xié)同框架中，所有的業(yè)務(wù)過程定義和Web服務(wù)描述均由協(xié)同本體轉(zhuǎn)換而來，因此保留了原始的語義信息，使協(xié)同業(yè)務(wù)過程之間可以實(shí)現(xiàn)語義明確的交互，而無須擔(dān)心Web服務(wù)提供者在何領(lǐng)域。

2 OWL-S到BPEL的映射

2.1 OWL-S

語義Web的目標(biāo)是使Web資源可以被機(jī)器理解，從而實(shí)現(xiàn)按內(nèi)容搜索，而非現(xiàn)有Web的按關(guān)鍵詞搜索。Web服務(wù)在語義Web中扮演著重要的角色，用戶和軟件代理能夠使用復(fù)雜服務(wù)發(fā)現(xiàn)、組合并調(diào)用語義Web內(nèi)容。DARPA agent markup language (DAML) 擴(kuò)展了XML和resource description framework (RDF)，用來創(chuàng)建機(jī)器可讀的本體及標(biāo)記信息[12]。DAML的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)是OWL-S，它提供一個(gè)框架來描述Web服務(wù)的功能和公告，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)的自動發(fā)現(xiàn)、調(diào)用、組合、互操作及執(zhí)行監(jiān)控[13]。本文使用OWL-S的1.2版本，其服務(wù)模型使用以下三個(gè)部分描述本體:profile，服務(wù)概要，描述服務(wù)是什么;model，服務(wù)模型，說明服務(wù)如何工作;grounding，服務(wù)基點(diǎn)，提供如何使用服務(wù)的信息。

OWL-S提供Java API便于其他程序讀取、執(zhí)行和寫入OWL-S服務(wù)描述。OWL-S的交換語法是 RDF/XML， OWL-S API使程序員可以程序化訪問并操作OWL-S服務(wù)描述。但OWL-S不會取代現(xiàn)有的Web服務(wù)和語義Web的標(biāo)準(zhǔn)，它的目標(biāo)是適應(yīng)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，并通過加入程序可操作、可理解的外在語義，提高現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的效能。

2.2 BPEL

BPEL (BPEL4WS) 是一種XML語言，它支持面向業(yè)務(wù)過程的服務(wù)組合，目前已成為在Web服務(wù)環(huán)境下定義業(yè)務(wù)過程的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。在BPEL中，服務(wù)組合的結(jié)果稱為過程(process)，參與的服務(wù)稱為伙伴(partners)，消息交換和中間結(jié)果轉(zhuǎn)換稱為活動(activity)。過程可以包含一系列的活動，過程與外部的伙伴服務(wù)通過WSDL接口交互。過程通過下面三部分來定義:BPEL 源文件(*.bpel)，描述活動;過程接口(*.wsdl)，描述合成服務(wù)的端口;可選的服務(wù)部署描述(*.pdd)，包含伙伴提供服務(wù)的物理地址。

BPEL活動可以分為基本活動(primitive activities)和結(jié)構(gòu)化活動(structural activities)。基本活動用于描述業(yè)務(wù)伙伴之間的交互，如〈receive〉〈reply〉 〈invoke〉 〈throw〉 ;結(jié)構(gòu)化活動描述BPEL過程模型中的工作流，如 〈sequence〉〈flow〉〈switch〉〈while〉 等。

2.3 OWL-S2BPEL

圖3描述了從OWL-S到BPEL和WSDL的映射過程，將OWL-S中的服務(wù)基點(diǎn)(grounding)和模型(model)映射到WSDL， 同時(shí)根據(jù)服務(wù)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將其映射到BPEL中的基本活動和結(jié)構(gòu)化活動。

與OWL-S相比BPEL包含的語義信息非常有限，本文提出一種從OWL-S到 BPEL的映射方法(圖4)，使映射后的BPEL文件仍能保留原始語義信息。

OWL-S包含簡單過程(simple processes)、原子過程(ato-mic processes)和復(fù)合過程(composite processes)。BPEL包含抽象過程(abstract processes)和執(zhí)行過程(executable processes)。

OWL-S的簡單過程與BPEL的抽象過程類似，都定義了一定層次的抽象，所以將簡單過程映射到抽象過程。BPEL的基本活動通過發(fā)送和接收消息來執(zhí)行Web服務(wù)操作，OWL-S的執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)(perform control construct)用于執(zhí)行原子過程，原子過程也通過簡單的接收和發(fā)送消息來執(zhí)行服務(wù)操作，所以將執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)映射到基本活動。OWL-S有順序控制結(jié)構(gòu)(sequence control construct)用于執(zhí)行順序中的原子過程或復(fù)合過程。BPEL過程模型中的結(jié)構(gòu)化活動描述一系列子基本活動或結(jié)構(gòu)化活動的執(zhí)行順序，如BPEL中的sequence表示一種順序的結(jié)構(gòu)化活動，包含了子基本活動和結(jié)構(gòu)化活動的執(zhí)行順序，根據(jù)邏輯匹配，將OWL-S復(fù)合過程中的控制結(jié)構(gòu)映射到BPEL的結(jié)構(gòu)化活動。復(fù)合過程是客戶端通過發(fā)送和接收一系列消息執(zhí)行的行為。在將OWL-S復(fù)合過程映射到BPEL的結(jié)構(gòu)化活動時(shí)，分別將OWL-S的sequence、split、if-then-else、repeatwhile映射到BPEL的sequence、flow、switch和while。

仍以第1章給出的協(xié)同場景為例說明上述的映射方法。假設(shè)機(jī)械工程師Ana改變了電路板上某孔的位置，于是電子工程師Bob向DUI發(fā)送請求以查詢改動，工作流引擎收到查詢消息后啟動相應(yīng)的流程，調(diào)用相關(guān)的Web服務(wù)，并將查詢結(jié)果返回DUI，最后DUI將結(jié)果轉(zhuǎn)換成適合電子工程師的友好界面顯示給Bob。該過程的部分OWL-S代碼如下:

……

〈process:CompositeProcess

rdf:about=\"http://importnet.imi.uni-karlsruhe.de/importnet/requestdesignchange.owl#requestmechanicalchange\"〉

〈process:composedOf〉

〈process:Sequence〉

〈process:components〉

〈process:ControlConstructList〉

〈list:first〉

〈process:Perform〉

〈process:process rdf:resource=\"http://importnet.imi.uni-karlsruhe.de/importnet/requestdesignchange.owl#mechanicalchangerequestProcess\"/〉

〈/process:Perform〉

……

〈process:ControlConstructList〉

〈list:first〉

〈process:Perform〉

〈process:process rdf:resource=\"http://importnet.imi.uni-karlsruhe.de/importnet/requestdesignchange.owl#mechanicalchangereplyProcess\"/〉

〈/process:Perform〉

〈/list:first〉

……

從OWL-S映射得到的BPEL代碼如下:

……

〈process xmlns=\"http://importnet.imi.uni-karlsruhe.de/importnet/requestdesignchange\" xmlns:...〉

〈partnerLinks〉

〈partnerLink myRole=\"electronicalengineer\" name=\"electronicalchangerequestLinkType\" partnerLinkType=\"ns1:electronicalchangerequestLinkType\"/〉

〈partnerLink name=\"mechanicalchangereplyLinkType\" partnerLinkType=\"ns2:mechanicalchangereplyLinkType\" partnerRole=\"mechanicalengineer\"/〉

〈/partnerLinks〉

〈variables〉

〈variable messageType=\"ns1:requestchangeMessage\" name=\"requestchangeMessage\"/〉

〈variable messageType=\"ns1:returnchangeMessage\" name=\"returnchangeMessage\"/〉

〈/variables〉

〈sequence〉

〈receive operation=\"requestchange\" partnerLink=\"mechanicalchangereplyLinkType\" portType=\"ns1:mechanicalchangereplyPT\" variable=\"requestchangeMessage\"/〉

〈invoke inputVariable=\"requestchangeMessage\"

operation=\"mechanicalchangerequest\" outputVariable=\"returnchangeMessage\" partnerLink=\"mechanicalchangereplyLinkType\" portType=\"ns2:mechanicalchangereplyPT\"/〉

〈reply operation=\"requestchange\" partnerLink=\"mechanicalchangereplyLinkType\" portType=\"ns1:mechanicalchangereplyPT\" variable=\"returnchangeMessage\"/〉

〈/sequence〉

〈/process〉

……

3 OWL-S到WSDL的映射

僅有*.bpel文件并不足以完成一個(gè)流程的執(zhí)行，流程執(zhí)行過程中還需要調(diào)用Web服務(wù)，它是由WSDL來描述的，因此需要在基于OWL-S的本體與WSDL的定義之間建立映射。

WSDL是XML格式的Web服務(wù)描述語言，它將服務(wù)描述成一些對消息操作的端點(diǎn)(endpoints)。WSDL 1.1中用以下幾個(gè)元素定義服務(wù):

types:數(shù)據(jù)類型定義容器，用諸如XSD的類型系統(tǒng)定義數(shù)據(jù)類型;

message:抽象的數(shù)據(jù)通信的定義;

operation:服務(wù)支持活動的抽象描述;

portType:一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)支持的抽象操作集;

binding:對特殊portType的具體協(xié)議和數(shù)據(jù)格式定義;

port:單一端點(diǎn)，合并了一個(gè)binding和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址;

service:相關(guān)端點(diǎn)的集合。

OWL-S和WSDL有相似也有不同之處。OWL-S通過OWL類來定義抽象types，而WSDL通過XML Schema定義抽象types;OWL-S沒有binding信息，而WSDL不包含語義信息。如果將OWL-S轉(zhuǎn)換成WSDL，則WSDL同時(shí)包含語義和binding信息。圖 5說明了OWL-S和WSDL之間的關(guān)系[4]。WSDL的operation 對應(yīng)于OWL-S的atomic process;OWL-S中atomic process的inputs和outputs 對應(yīng)于WSDL中的message;OWL-S的grounding本體說明抽象信息交換;而原子過程詳細(xì)解釋了這種信息交換:服務(wù)消費(fèi)者請求服務(wù)，服務(wù)提供者提供相應(yīng)的服務(wù)[4]。將OWL-S的atomic process映射到WSDL的operation (定義輸入輸出消息)，通過grounding的相應(yīng)操作將OWL-S的inputs和outputs映射到WSDL中的輸入輸出message。通過映射，將面向語法和協(xié)議的WSDL和面向描述邏輯依賴語義元素的OWL-S連接到一起。

仍然使用本文前述場景，由OWL-S轉(zhuǎn)換得到的WSDL部分代碼如下:

……

〈wsdl:message name=\"requestchangeMessage\"〉

〈wsdl:part name=\"changelocation\" type=\"xsd:string\"/〉

〈/wsdl:message〉

〈wsdl:portType name=\"requestService\"〉

〈wsdl:operation name=\"request\"〉

〈wsdl:input name=\"requestchange\" message=\"tns:requestchange\"/〉

〈wsdl:output name=\"returnchange\" message=\"tns:returnchange\"/〉

〈/wsdl:operation〉

〈/wsdl:portType〉

〈wsdl:binding name=\"requestServiceDocLitBinding\" type=\"tns:requestService\"〉

〈wsdlsoap:binding style=\"document\" transport=\"http://schemas.xmlsoap.org/soap/http\" xmlns:wsdlsoap=\"http://schemas.xmlsoap.org/wsdl/soap/\"/〉

〈wsdl:operation name=\"request\"〉

〈wsdlsoap:operation soapAction=\"\" style=\"document\"

xmlns:wsdlsoap=\"http://schemas.xmlsoap.org/wsdl/soap/\"/〉

〈wsdl:input name=\"requestchange\"〉

〈wsdlsoap:body use=\"literal\" xmlns:wsdlsoap=\"http://schemas.xmlsoap.org/wsdl/soap/\"/〉

〈/wsdl:input〉

〈wsdl:output name=\"returnchange\"〉

〈wsdlsoap:body use=\"literal\" xmlns:wsdlsoap=\"http://schemas.xmlsoap.org/wsdl/soap/\"/〉

〈/wsdl:output〉

……

〈plnk:partnerLinkType xmlns:plnk=\"http://schemas.xmlsoap.org/ws/2003/05/partner-link/\" name=\"requestPLT\"〉

〈plnk:role name=\"mechanicalengineer\"〉

〈plnk:portType name=\"tns:requestService\"/〉

〈/plnk:role〉

〈/plnk:partnerLinkType〉

……

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文提出的協(xié)同框架在ImportNET項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證。ImportNET是歐盟第六框架資助項(xiàng)目，其主要目標(biāo)是建立一個(gè)跨工程領(lǐng)域、跨文化、跨企業(yè)邊界的業(yè)務(wù)協(xié)同系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)基于本體的知識共享。該系統(tǒng)的主要功能包括:基于DOLCE頂層本體庫創(chuàng)建參考本體[14];通過添加、刪除、合并等操作生成協(xié)同本體;實(shí)現(xiàn)*.owl文檔向 *.bpel和*.wsdl文檔的自動轉(zhuǎn)換;使用開源的ActiveBPEL Community Edition Engine作為工作流引擎執(zhí)行BPEL流程。BPEL 不僅可以用于編排Web服務(wù)，而且BPEL流程在工作流引擎部署后，其本身也可以看做Web服務(wù)。在第1章所述的協(xié)同場景中，當(dāng)系統(tǒng)完成查詢后，Bob就能知道Ana在電路板上做了哪些改動。圖6是ImportNET中面向領(lǐng)域的用戶接口界面，當(dāng)點(diǎn)擊界面上方的“changes”按鈕，窗口左側(cè)就會調(diào)用CAD系統(tǒng)顯示接口轉(zhuǎn)換器的3D圖形，同時(shí)右側(cè)顯示可視化的查詢結(jié)果視圖，如本例中的電路板開孔位置的更改由左下角黑色圓圈標(biāo)示出。

5 結(jié)束語

本文通過本體映射來解決多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同中的語義不一致問題，提出了多領(lǐng)域業(yè)務(wù)過程協(xié)同框架，通過各領(lǐng)域的參考本體以及由此構(gòu)建的協(xié)同本體將語義信息轉(zhuǎn)換到業(yè)務(wù)過程執(zhí)行語言和Web服務(wù)描述文檔中，從而實(shí)現(xiàn)了最小語義丟失的轉(zhuǎn)換。最后實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)以驗(yàn)證本文方法的有效性，該系統(tǒng)已在歐盟第六框架項(xiàng)目ImportNET中得到應(yīng)用。文中協(xié)同本體的生成目前主要靠人工完成，今后將利用本體推理技術(shù)半自動或自動化地生成協(xié)同本體。

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