語義We b服務搜索研究概述*

郭富祿，曾志浩，武岫緣

（湖南工業大學 計算機與通信學院，湖南 株洲 412008）

1 語義Web服務搜索

語義Web服務[1]源自2001年Berners Lee提出語義Web[2]的概念，并繼承了大量有關Web服務的研究成果，是語義Web技術和Web服務[3]技術相結合的產物。相關研究主題包括：服務發布/注冊、服務搜索、服務組合、服務調用/執行、服務管理/監控等。在上述研究主題中，語義Web服務搜索處于整個語義Web服務生命周期中的關鍵位置。服務的組合和調用都必須以找到滿足用戶需求的服務資源為前提條件，而服務的搜索又與語義Web服務資源的發布和注冊機制密切相關，這使得服務資源的搜索功能在整個語義Web服務生命周期中起著承上啟下的重要作用。

語義Web服務搜索利用語義Web服務的描述模型和描述語言給予Web服務的語義信息進行搜索操作[4]，以獲得滿足用戶需求的Web服務資源。這種方式能夠提高服務搜索的精度，改善用戶體驗，并為語義Web服務的組合、執行提供更為可靠地支持。

2 語義Web服務搜索相關研究主題

目前語義Web服務搜索相關研究的側重點都集中在如何利用語義信息進行服務的匹配，即在大量已有語義服務資源的基礎之上，快速、準確地搜索和發現滿足用戶需求的服務。對于語義Web服務搜索的研究工作，通常從以下3個方面進行，即服務資源的收集/索引、搜索條件表達/處理和服務資源的匹配/排序[5]。語義 Web服務的相關研究內容和語義Web服務搜索的研究主題可用下圖1說明。

圖1 語義Web服務相關研究主題

語義服務資源的收集和索引研究涉及語義Web服務的發布和注冊機制，服務資源的收集，以及對于收集的服務資源進行索引和索引資源后續管理方面的問題。語義搜索條件的表達則主要研究提供一種方法，使用戶利用語義信息，清晰、明確地表達其對所需服務資源的需求。語義Web服務資源的匹配/排序研究用戶對Web服務資源的需求的語義描述與Web服務資源的語義信息的契合程度，并根據契合程度對服務資源進行排序，以便擇優選擇。

3 Web服務資源收集/索引

3.1 傳統的注冊和發布機制

UDDI主要提供基于Web服務的注冊和發現機制，為Web服務提供3個重要的技術支持：標準的描述Web服務的機制；調用的Web服務的機制；可以訪問的Web服務注冊中心。UDDI規范由OASIS標準化組織制定。其缺點是僅支持語法層的操作，在服務的注冊階段無法準確的描述服務的功能，而在服務的搜索階段也是僅提供基于關鍵字的匹配策略，因而無法提供精確的搜索結果。另一方面UDDI集中式Web服務發現結構也存在缺乏可擴展問題。

3.2 分布式注冊中心

為了解決注冊中心因為缺乏有效分布式策略而導致的系統存在可擴展問題，Perryea等[6]提出通過注冊中心組成社區（community），利用服務間的依賴關系生成食物鏈來幫助發現Web服務，這種方式雖然提高了發現效率，卻導致大量的額外存儲，降低了可擴展性。Verma等[7]通過聯盟（federation）來組織注冊中心，即一個注冊中心可以屬于多個聯盟。這種方式會導致在極端的情況下，如一個注冊中心屬于所有的聯盟，該策略就不能很好地將注冊中心分類，無法高效地完成服務注冊和發現任務。參考文獻[8]通過P2P覆蓋網將注冊中心組織起來以提供好的可擴展性，然而采用非結構化P2P方式，很難解決系統內請求消息轉發次數太多導致的占用帶寬過多等問題。參考文獻[9]則通過crawler主動地訪問各個注冊中心來提取服務信息。

4 語義Web服務搜索條件表達

4.1 假想完整服務搜索條件描述模型

以假想的完整服務描述模型來表示服務搜索條件。在參考文獻 [10]中給出了以完整服務描述模型來表示報務搜索條件的一般范式。以這種方式進行的研究工作主要分為兩類：（1）基于 OWL-S服務描述模型的，代表性工作有[11]；（2）基于 WSMO服務描述模型的，代表性工作包括[12]。從地域上看，基于OWL-S模型進行研究工作的研究機構和人員主要分布在美國和亞洲地區，而基于WSMO模型的研究工作則集中在歐洲和大洋洲地區。此外，對于WSDL規范進行語義描述的擴展，以使其能夠描述語義Web服務的研究工作相對時間較早，現已基本偃旗息鼓。

4.2 簡化的服務描述模型元素

以簡化后的服務描述模型元素來表示服務搜索條件。服務描述模型元素包括服務描述中的功能語義，服務的前置條件（Precondition，P），服務接口的效果（Effect，E）[13]，服務的各種操作（operation），更進一步的還有服務的輸入（Input，I）和服務的輸出（Output，O）[14]。

4.3 自定義服務搜索條件格式

自定義服務搜索條件格式。以該種方式進行語義Web服務資源的搜索和發現的研究工作比較多，其實該類研究工作是在簡化后的服務描述模型基礎上對相關的元素進行了規范化。具體的方法有：以服務模版（Service Template）的概念表示服務的搜索請求條件；以能力描述（Capability Description）來表述語義服務的搜索請求條件；提出過程查詢語言PQL（Process Query Language），基于其提出的過程本體（process ontology）表述服務搜索條件。而更多的研究工作則基于上述簡化后的服務描述模型元素，將其抽取出來后進行規范化表述，以N元組的方式來表述服務搜索條件。如參考文獻[15]中用服務請求三元組 req={reqName，InReqSet，OutReqSet}。此外，語義上下文（Semantic Context）也可以包含在服務搜索條件中。

4.4 特定語言或語法結構

利用現有的特定語言或語法結構來表示服務搜索條件。在OWL-S 2004版本規范中，已經考慮了關于服務條件的表述，其中就包括 SWRL（Semantic Web Rule Language）和 KIF（Knowledge Interchange Format）。 SWRL（Semantic Web Rule Language）是W3C的標準之一，作為OWLS-Lite和Rule ML的綜合，它可以表示面向OWL-S服務資源的規則，并能將其用于語義Web服務資源的搜索中。但很明顯，上述兩種描述語言只能適用于用OWL-S規范描述的服務搜索，且KIF是面向機器的、在不同程序間交換知識的語言，不適用于半自動化的、由用戶自己提交服務搜索條件的情況。這種方式直接用于語義Web服務搜索時，對用戶的要求過高[16]。

5 語義Web服務匹配/排序

5.1 基于邏輯推理的語義Web服務匹配方法

基于邏輯推理的Web服務匹配方法是Web服務搜索的主要方法之一，即通過本體概念之間包含的邏輯關系來實現基于語義的服務匹配。當前基于邏輯推理的匹配方法主要是根據其語義關系，特別是在本體分類層次中的關系來確定。服務的接口的描述主要有輸入（Input，I）參數的語義標注、輸出（Output，O）參數的語義標注、接口的前置條件 （Precondition，P）、接口的效果（Effect，E）組成。根據匹配的內容不同可以分為基于輸入輸出（IO）的匹配和基于輸入輸出和前置后置條件的匹配（IOPE）的匹配?；贗O語義匹配的匹配器有OWLSM，OWLS-UDDI，他們通過發布服務的IO與請求服務IO之間的語義包含關系來確定服務的匹配程度?；贗OPE的服務匹配除了考慮IO外，還考慮前置條件P和后置條件E，目前提出的有，采用兩階段的方法來度量用戶目標的滿足程度，第一階段度量WSMO目標模板與WSMO中Web服務匹配程度，若滿足，再在此基礎上度量目標實例與Web服務的相似度[17]。

5.2 基于語義相似度的語義Web服務匹配算法

基于語義相似度計算的匹配方法，以本體概念之間的相似性為基礎，通過計算服務描述之間的相似性來確定服務的匹配程度。當前研究工作有，通過計算本體概念之間相同和不同的屬性來得到相似度值，其代表是Amos Tversky的基于屬性相似度的算法[18]；通過測量本體間概念連接邊長度，用概念間的幾何距離來衡量語義相關度的基于語義相似度的計算算法[19]；還有一種基于信息容量的相似度算法，其核心是根據兩個本體概念所擁有的共同部分來決定他們之間的相似度。

從上述對語義Web服務搜索的研究工作的總結和分析中可得出以下結論。首先，語義Web服務搜索是語義Web服務研究工作中一個基礎性問題。現有的研究工作主要集中在Web服務的匹配上，基于邏輯推理的匹配方法和基于語義相似度的匹配方法以及它們的組合的方法都為Web服務的匹配提供的豐富的選擇。隨著服務效果、服務的情景等信息的引入，有效地提高了語義Web服務匹配的質量。其次，目前尚沒有一種完備的、規范的服務搜索條件表達方式，進而使得當前的服務的匹配算法大多都是在自我假定環境中實現的，不具有通用性。最后，Web服務的注冊和索引沒有一種統一的規范，UDDI注冊中心的集中式Web服務發現結構存在可擴展性不足的問題。

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