謝春麗 李必信 蘇志勇

(1東南大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189)(2江蘇師范大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，徐州 221116)

基于WSDG的Web服務(wù)組合可靠性預(yù)測

謝春麗1，2李必信1蘇志勇1

(1東南大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211189)(2江蘇師范大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，徐州 221116)

為了更好地對基于SOA的Web服務(wù)組合進行可靠性預(yù)測，提出了基于服務(wù)依賴圖的可靠性模型.首先介紹了Web服務(wù)組合的描述語言WS－BPEL，以及用來描述服務(wù)業(yè)務(wù)流程的原子活動和結(jié)構(gòu)化活動;其次在傳統(tǒng)的控制流圖的基礎(chǔ)上提出了Web服務(wù)依賴圖的概念，Web服務(wù)依賴圖用來描述Web服務(wù)組合的執(zhí)行行為和結(jié)構(gòu)信息，包括服務(wù)名、服務(wù)類型和服務(wù)的可靠性，以及服務(wù)之間的轉(zhuǎn)移概率、轉(zhuǎn)移可靠性等信息;然后分析BPEL的原子活動和結(jié)構(gòu)化活動的控制依賴關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造相應(yīng)的Web服務(wù)依賴圖.最后基于服務(wù)依賴圖的遍歷，應(yīng)用可靠性預(yù)測算法計算Web服務(wù)組合的可靠性.實例分析結(jié)果表明，基于依賴圖的可靠性預(yù)測方法具有簡便性和易處理性.

Web服務(wù);可靠性;Web服務(wù)依賴圖;BPEL

Web服務(wù)是自包含的、模塊化的應(yīng)用程序，它可以在網(wǎng)絡(luò)中被描述、發(fā)布、查找以及調(diào)用，具有良好的封裝性、耦合松散及高度可集成等一些特征.在商業(yè)應(yīng)用中，為了滿足用戶的功能需求需要將多個Web服務(wù)組合起來，同時服務(wù)組合還需要滿足用戶對可靠性、安全性和性能等服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求.由于這些Web服務(wù)由不同的服務(wù)提供者提供，具有物理上分布分散、運行于不同的平臺等一些特征，并且滿足某個功能需求的可供選擇的服務(wù)越來越多，使得Web服務(wù)組合的服務(wù)質(zhì)量控制更加復(fù)雜.同時Web服務(wù)組合的復(fù)雜性及執(zhí)行失效的高昂代價也使得Web服務(wù)組合的可靠性建模和預(yù)測變得更加重要和復(fù)雜.

軟件可靠性研究的基本問題是如何將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更好地表現(xiàn)出來，其中使用最多的是控制流圖(CFG)［1－3］.用 CFG 表示軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通常假設(shè)系統(tǒng)各組件之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系滿足Markov性，結(jié)合組件的失效行為(可以用可靠性或者失效率來表示)，構(gòu)建基于狀態(tài)的模型，軟件系統(tǒng)的可靠性描述為從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到最終成功狀態(tài)的概率.但是對于松耦合的Web服務(wù)來說，消息交換是各服務(wù)之間進行交互的主要機制［4］，CFG只能表示服務(wù)之間簡單的控制流關(guān)系(順序、選擇、循環(huán)等)，但實際上對Web服務(wù)來說，由于服務(wù)之間的松耦合性，用傳統(tǒng)的構(gòu)建控制流的方法很難將服務(wù)之間的關(guān)系完整地表達(dá)出來，尤其是消息傳遞時，例如，雖然活動A和B之間沒有顯式控制關(guān)系，但是活動A發(fā)送消息到活動B，其中隱含了活動A和B之間的控制關(guān)系［5］.本文將對已有的CFG進行擴展，構(gòu)成服務(wù)依賴圖(WSDG)，用于描述服務(wù)之間的控制流、消息流，并增加服務(wù)的可靠性、服務(wù)的轉(zhuǎn)移概率、服務(wù)的轉(zhuǎn)移可靠性等一些有關(guān)可靠性的屬性信息.

目前關(guān)于構(gòu)件和Web服務(wù)的可靠性預(yù)測的研究有許多成果［6－11］. 文獻(xiàn)［7］介紹了基于場景的構(gòu)件系統(tǒng)可靠性分析方法.使用構(gòu)件依賴圖(CDG)來表示基于構(gòu)件的軟件的執(zhí)行場景，屬于基于路徑的方法.本文的Web服務(wù)依賴圖的思想來源于構(gòu)件依賴圖，但是本文從BPEL文檔出發(fā)，建立服務(wù)組合系統(tǒng)的依賴圖，基于BPEL的可靠性模型比基于場景的更具有確定性和可應(yīng)用性.文獻(xiàn)［1］將基于構(gòu)件系統(tǒng)的可靠性預(yù)測方法分為2類:基于狀態(tài)的方法和基于路徑的方法.文獻(xiàn)［10－11］應(yīng)用Markov模型對軟件系統(tǒng)的可靠性進行建模，主要是對模塊或構(gòu)件之間的結(jié)構(gòu)和它們之間的轉(zhuǎn)移信息進行建模，屬于基于狀態(tài)的方法.但是轉(zhuǎn)移矩陣通常都是稀疏矩陣，應(yīng)用效率不高.本文則將轉(zhuǎn)移可靠性、轉(zhuǎn)移概率和服務(wù)可靠性相結(jié)合，將服務(wù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系轉(zhuǎn)換為圖的形式，借助于圖的遍歷過程計算組合服務(wù)的可靠性，提高了計算效率.

1 WS－BPEL

Web服務(wù)作為SOA的應(yīng)用實例，其體系結(jié)構(gòu)是基于3種角色(服務(wù)提供者、服務(wù)注冊中心和服務(wù)請求者)之間的交互.基于現(xiàn)有的SOA，服務(wù)提供者在服務(wù)注冊中心發(fā)布各自的Web服務(wù)，服務(wù)請求者通過UDDI注冊中心查詢所需服務(wù)時，注冊中心返回該服務(wù)的描述文件(包括WSDL文檔、服務(wù)質(zhì)量信息等)，服務(wù)請求者可以從描述文件中獲取服務(wù)質(zhì)量或綁定信息，根據(jù)服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)選定服務(wù)并綁定到所需服務(wù)的接口上.服務(wù)請求者通常請求調(diào)用多個Web服務(wù)，并使用WS－BPEL(簡稱BPEL)來描述多個Web服務(wù)的調(diào)用和交互.Web服務(wù)使用WSDL將其描述為服務(wù)端口的集合，然后BPEL以業(yè)務(wù)流程活動的形式集成多個Web服務(wù)，構(gòu)成復(fù)雜的Web服務(wù)組合.BPEL描述的業(yè)務(wù)流程的每一步稱為一個活動，主要分為原子活動和結(jié)構(gòu)化活動.下面將簡要介紹這些活動.

1)原子活動

原子活動描述業(yè)務(wù)流程行為的基本步驟，是流程定義中所使用的活動原語，與服務(wù)進行交互，操作傳輸數(shù)據(jù)或處理異常.BPEL包含8種類型的原子活動:〈receive〉、〈reply〉、〈invoke〉、〈assign〉、〈throw〉、〈exit〉、〈wait〉和〈empty〉.原子活動中與外界進行交互的活動是:〈invoke〉、〈reply〉和〈receive〉.流程的伙伴之間通過使用這3種活動發(fā)生交互，通過指定端口類型、操作以及伙伴，這些活動中的每一種活動被標(biāo)識出它所屬于的Web服務(wù)調(diào)用.

2)結(jié)構(gòu)化活動

結(jié)構(gòu)化活動描述了一系列活動的執(zhí)行次序.通過BPEL所提供的結(jié)構(gòu)化活動，可以將各種活動進行組合，形成活動有序執(zhí)行的流程.這些結(jié)構(gòu)化活動，類似于傳統(tǒng)編程語言中的控制結(jié)構(gòu)，表達(dá)業(yè)務(wù)協(xié)議中所涉及的控制模式、數(shù)據(jù)流、故障和外部事件的處理以及在流程實例之間進行消息交換的協(xié)調(diào).BPEL包含8種類型的結(jié)構(gòu)化活動:順序活動〈sequence〉，選擇活動〈if〉，循環(huán)活動〈while〉、〈repeatUntil〉、〈forEach〉，并行活動〈flow〉，事件選擇活動〈pick〉，BPEL語句塊〈scope〉.

下面將從Web服務(wù)的角度出發(fā)，集中關(guān)注與Web服務(wù)的調(diào)用、消息交互相關(guān)的活動，它們?yōu)閃eb服務(wù)描述了輸入消息、輸出消息以及Web服務(wù)組合的執(zhí)行行為和結(jié)構(gòu)信息等.

2 Web服務(wù)依賴圖

依賴圖起源于CFG，CFG是程序代碼中用來描述程序流程、分支結(jié)構(gòu)等的典型方法.Yacoub等［6］將CFG引用到基于構(gòu)件的應(yīng)用程序中，用來表示構(gòu)件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系以及可能的執(zhí)行路徑，稱之為CDG.本文將傳統(tǒng)的構(gòu)件依賴圖的原理應(yīng)用到Web服務(wù)中，對Web服務(wù)及消息傳遞路徑進行描述，稱之為Web服務(wù)依賴圖(WSDG)，其定義如下:

定義1(服務(wù)依賴圖)WSDG定義為四元組〈N，E，s，t〉，其中〈N，E〉為有向圖，s為開始節(jié)點，t為終止節(jié)點.N為節(jié)點的集合E為有向邊的集合

定義2(節(jié)點n)n∈N用來表示W(wǎng)eb服務(wù)，ni表示 Web 服務(wù)Wi，ni=〈Wi〉，其中Wi是第i個Web服務(wù)，且

定義3(服務(wù)Wi)Web服務(wù)由三元組〈Ni，Ti，Ri〉定義，其中Ni為服務(wù)名，Ti為服務(wù)類型，Ti指明當(dāng)前服務(wù)所屬的類型，可以是基本服務(wù)，也可以是包含結(jié)構(gòu)化活動的服務(wù)，Ti={s，t，basic，structure，while，scope}.其中，s表示起始節(jié)點，t表示終止節(jié)點，basic活動包含了〈invoke〉、〈reply〉和〈receive〉，而結(jié)構(gòu)化活動〈sequence〉、〈if〉、〈flow〉、〈pick〉和〈forEach〉最終可以進一步拆分為若干個basic活動的組合.〈while/repeatUntil〉，〈scope〉等結(jié)構(gòu)化活動也可以進一步拆分為一個活動的多次循環(huán)調(diào)用.Ri為服務(wù)的可靠性，指服務(wù)在被調(diào)用時能夠正確執(zhí)行的概率R且 0≤Ri≤1.

定義4(有向邊e) 有向邊e表示從一個服務(wù)轉(zhuǎn)移到另外一個服務(wù)的控制流，由三元組表示，其中Tij表示從節(jié)點ni到nj的轉(zhuǎn)移路徑名，RT

ij表示從節(jié)點ni轉(zhuǎn)移到節(jié)點nj的可靠性，Pij表示從節(jié)點ni到轉(zhuǎn)移到節(jié)點nj的轉(zhuǎn)移概率

3 基于WSDG的可靠性模型

3.1 BPEL活動分析

BPEL中包含了原子活動和結(jié)構(gòu)化活動，活動之間存在依賴關(guān)系［12］.本文所關(guān)注的是活動之間的控制依賴關(guān)系.BPEL中影響活動之間的控制依賴的因素主要有3個:

1)如果活動之間有消息傳遞，即活動A發(fā)送消息到活動B，那么稱活動B控制依賴于A［5］.如BPEL程序中實現(xiàn)服務(wù)消息交換機制的語句調(diào)用，同步服務(wù)機制的receive－reply語句，說明了原子活動receive和reply活動之間的控制依賴關(guān)系.

2)結(jié)構(gòu)化活動定義了其所包含的原子活動或結(jié)構(gòu)化活動的控制依賴關(guān)系.BPEL的結(jié)構(gòu)化活動主要有〈sequence〉、〈if〉、〈pick〉、〈flow〉、〈for Each〉、〈while〉/〈repeatUntil〉和〈scope〉.

·sequence包含一組順序執(zhí)行的活動1，2，…，n.

·if根據(jù)條件表達(dá)式的結(jié)果進行不同活動的選擇.

·pick結(jié)構(gòu)包含n個互斥的消息事件，當(dāng)任意一個消息到達(dá)時，相應(yīng)的活動被觸發(fā).

·flow結(jié)構(gòu)中的n個活動并發(fā)執(zhí)行.

· forEach，while，repeatUntil都是循環(huán)結(jié)構(gòu)，反復(fù)執(zhí)行活動.

3)BPEL中的變量(variable)和鏈接(link).變量不僅可以用于〈if〉、〈while〉/〈repeatUntil〉活動的條件表達(dá)式中，也可以用于〈flow〉活動中source元素的條件中［8］，而鏈接是〈flow〉活動中的布爾變量，用來在〈flow〉活動中定義更多的控制結(jié)構(gòu).如下面的BPEL程序片段中定義了結(jié)構(gòu)化活動flow中，活動X和活動Y之間的控制依賴關(guān)系，這種控制依賴關(guān)系通過source和target元素獲取.

3.2 Web服務(wù)依賴圖的構(gòu)造

根據(jù)3.1節(jié)給出的3個因素來分析BPEL文檔，獲得活動之間的控制依賴關(guān)系，進而構(gòu)造服務(wù)組合的Web服務(wù)依賴圖.圖1中給出了BPEL到對應(yīng)的WSDG的轉(zhuǎn)換.對于原子活動中與Web服務(wù)交互的〈invoke〉、〈receive〉和〈reply〉活動而言，它們調(diào)用了Web服務(wù)的操作，是執(zhí)行的實體，所以將其看作是依賴圖中的節(jié)點，節(jié)點類型Ti=basic，如圖1中的服務(wù)依賴圖(1)所示.〈assign〉，〈empty〉，〈wait〉，〈throw〉和〈exit〉這5個原子活動不需要調(diào)用具體的服務(wù)，因此不予考慮.對于結(jié)構(gòu)化活動而言，它們將各種基本活動或者其他結(jié)構(gòu)化活動進行組合，形成活動有序執(zhí)行的流程.本文僅討論有多個基本活動組成的結(jié)構(gòu)化活動，根據(jù)3.1節(jié)將BPEL的結(jié)構(gòu)化活動轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的依賴圖.〈sequence〉、〈if〉、〈pick〉、〈flow〉和〈forEach〉活動由多個活動組成，其中每個活動既可以是基本活動也可以是結(jié)構(gòu)化活動，因此在依賴圖的定義中，這幾個結(jié)構(gòu)化活動可進一步分解成多個節(jié)點和邊的表示形式，如圖1中服務(wù)依賴圖(2)～(4)所示.如果結(jié)構(gòu)化活動〈sequence〉、〈if〉、〈pick〉、〈flow〉和〈forEach〉中包含其他結(jié)構(gòu)化活動，可以按照上述方法進一步遞歸分解，最終可以分解為若干個基本活動的組合.循環(huán)結(jié)構(gòu)〈while〉/〈repeatUntil〉是自身包含的活動反復(fù)執(zhí)行，為了便于表示依賴圖，將〈while〉/〈repeatUntil〉和〈scope〉活動也用節(jié)點來表示，并分別定義節(jié)點類型Ti為while和scope，表明Wi包含Web服務(wù)依賴圖Wi－WSDG，如圖1中服務(wù)依賴圖(5)和(6)所示.

圖1BPEL到WSDG的轉(zhuǎn)換

3.3 可靠性預(yù)測算法

對于給定的BPEL文檔，首先根據(jù)3.1節(jié)的3種因素，構(gòu)造出包含基本活動和各種結(jié)構(gòu)化活動的WSDG，除了scope和while結(jié)構(gòu)活動之外其余的所有結(jié)構(gòu)化活動根據(jù)圖1逐步分解為基本服務(wù)的組合，最終得到的WSDG中有基本服務(wù)、scope結(jié)構(gòu)和while結(jié)構(gòu).WSDG中Web服務(wù)之間的依賴關(guān)系已經(jīng)給出，但是WSDG中節(jié)點和邊的信息參數(shù)并不完整，需要對這些參數(shù)進行預(yù)測.下面討論WSDG中的參數(shù)問題.

1)Web服務(wù)的可靠性RiWeb服務(wù)可靠性的來源有很多，如:服務(wù)提供者可以提供可靠性值作為參考;服務(wù)請求者可以對該服務(wù)進行可靠性測試獲得可靠性值;根據(jù)Web服務(wù)器所記錄的歷史數(shù)據(jù)計算可靠性.本文假設(shè)basic類型的Web服務(wù)的可靠性已知.對于服務(wù)類型為while/repeatUntil和scope的Web服務(wù)，則基于其所包含的Web服務(wù)依賴圖來計算.Scope類型的Web服務(wù)可靠性用它所包含的Web服務(wù)的可靠性R1來表示，即

假設(shè)while類型的Web服務(wù)包含的循環(huán)服務(wù)為W1，P為while結(jié)構(gòu)中繼續(xù)循環(huán)的概率，R1為W1的可靠性，則while類型的Web服務(wù)的可靠性計算公式為

2)轉(zhuǎn)移的可靠性RTijWeb服務(wù)的分布性使得服務(wù)之間的轉(zhuǎn)移失效率在可靠性預(yù)測中起著關(guān)鍵作用，因此必須考慮Web服務(wù)之間的轉(zhuǎn)移失效率.關(guān)于參數(shù)RTij的分析，在文獻(xiàn)［9］中已經(jīng)有所討論，本文不再進行討論，均假設(shè)轉(zhuǎn)移可靠性已知.

3)轉(zhuǎn)移概率PijPij表示從Web服務(wù)Wi轉(zhuǎn)移到Wj的概率.通過對依賴圖的分析，發(fā)現(xiàn)并不需要考慮各個服務(wù)之間的轉(zhuǎn)移情況，而是根據(jù)依賴圖得出可靠性預(yù)測所需要的轉(zhuǎn)移概率參數(shù).這里通過轉(zhuǎn)移次數(shù)來計算轉(zhuǎn)移概率.

給定WSDG以及所需要的參數(shù)后，就可以預(yù)測Web服務(wù)組合的可靠性.下面給出Web服務(wù)組合的可靠性預(yù)測算法.

算法1 Web服務(wù)組合可靠性預(yù)測算法

該可靠性預(yù)測算法將服務(wù)組合的Web服務(wù)依賴圖作為輸入，從起始節(jié)點開始并使用堆棧存貯節(jié)點，通過節(jié)點的依賴關(guān)系，找出當(dāng)前節(jié)點的所有后續(xù)節(jié)點，來進行圖的深度優(yōu)先遍歷.在對圖中每個節(jié)點進行遍歷的同時計算服務(wù)的可靠性.假設(shè)每個服務(wù)在同一層次只能出現(xiàn)在一個結(jié)構(gòu)化活動中，那么組合服務(wù)的依賴圖其實就是一個圖的最小生成樹，有n－1條邊，根據(jù)深度優(yōu)先遍歷的算法，可知該算法的復(fù)雜度為O(n).

如果當(dāng)前活動Wi的后續(xù)節(jié)點是由基本服務(wù)w1，w2，…，wn組成的 sequence 結(jié)構(gòu)或者串行的for－Each結(jié)構(gòu)，則根據(jù)上述算法，其結(jié)構(gòu)化活動的可靠性可用下式計算:

其中，Pj(j+1)=1，j=1，2，…，n.如果當(dāng)前活動Wi執(zhí)行后，接下來執(zhí)行的活動是由基本服務(wù)w1，w2，…，wn組成的forEach，flow，if，pick結(jié)構(gòu)，則結(jié)構(gòu)化活動的可靠性可按下式計算:

如果是并行的forEach或者flow結(jié)構(gòu)，式(4)中的Pij=1，若是if或pick結(jié)構(gòu)，則

4 應(yīng)用實例分析

本文以文獻(xiàn)［13］的申請貸款服務(wù)這一Web服務(wù)組合為例，分析該應(yīng)用的BPEL文檔，生成依賴圖，最后預(yù)測該應(yīng)用的可靠性.申請貸款的場景描述如下:用戶需要申請貸款，將個人信息和貸款信息提交給申請貸款服務(wù).應(yīng)用接收到用戶請求后，將執(zhí)行一個評估驗證流程，以決定批準(zhǔn)或拒絕貸款.評估驗證流程根據(jù)用戶申請貸款額度和用戶信用信息，分為2種情況:首先進行評估，貸款額度低(小于10 000美元)且信用好的用戶將自動批準(zhǔn);對高額度貸款或者貸款額度低但信用差的用戶將進行進一步驗證，決定是否批準(zhǔn)貸款.最終應(yīng)用將是否批準(zhǔn)貸款的結(jié)果以消息的形式通知用戶.該Web服務(wù)組合的依賴圖如圖2所示.

通過對依賴圖的分析，需要進行預(yù)測的參數(shù)主要有:每個服務(wù)的可靠性、每個轉(zhuǎn)移的可靠性、轉(zhuǎn)移概率.使用軟件Matlab對這些參數(shù)進行模擬，如表1和表2所示.最后采用可靠性預(yù)測算法，得到申請貸款應(yīng)用的可靠性為Rcomp=0.807 1.

圖2 申請貸款服務(wù)的WSDG

表1 申請貸款服務(wù)的可靠性參數(shù)

表2 服務(wù)轉(zhuǎn)移參數(shù)

5 結(jié)語

本文介紹了Web服務(wù)組合的一種可靠性預(yù)測方法.首先將BPEL轉(zhuǎn)化為Web服務(wù)依賴圖，然后根據(jù)依賴圖得到需要預(yù)測的參數(shù)，最后基于WSDG和參數(shù)估計值計算Web服務(wù)組合的可靠性.本文主要貢獻(xiàn)是基于Web服務(wù)組合語言BPEL構(gòu)造用于可靠性預(yù)測的Web服務(wù)依賴圖;依賴圖中處理了選擇、并發(fā)、循環(huán)和scope結(jié)構(gòu).本文所提出的Web服務(wù)依賴圖也可以應(yīng)用于Web服務(wù)組合執(zhí)行時間、價格等的計算.接下來將進一步研究Web服務(wù)的可靠性參數(shù)的多種預(yù)測方式和依賴圖的精確建立.

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WSDG-based reliability prediction approach for Web service composition

Xie Chunli1，2Li Bixin1Su Zhiyong1

(1School of Computer Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)
(2School of Computer Science and Technology，Jiangsu Normal University，Xuzhou 221116，China)

In order to estimate the reliability for Web service compositions based on service－oriented architecture(SOA)，a Web services dependency graph(WSDG)－based reliability prediction model is proposed.First the description language for web service composition WS－BPEL is introduced，and the atomic activity and structural activity which describe business process for web services are presented.Then the concept of WSDG is proposed based on the traditional control flow graph(CFG).WSDG is used to describe the execution behavior and the structural information for web services composition，such as service name，service type，service reliability，transition probability of service and reliability of transition.Moreover，control dependencies of basic activities and structured activities of business process execution language(BPEL)are analyzed and the WSDG of compositions are constructed.Finally，an algorithm for predicting the reliability of Web service compositions is presented based on the WSDG traversal.An example shows that the approach is simple and tractable.

Web services;reliability;Web services dependency graph(WSDG);business process execution language(BPEL)

TP311

A

1001－0505(2012)06－1074－06

10.3969/j.issn.1001－0505.2012.06.010

2012－05－17.

謝春麗(1979—)，女，博士生;李必信(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，bx.li@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(60973149)、教育部博士點基金資助項目(20100092110022)、江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進項目(JHB2011－3).

謝春麗，李必信，蘇志勇.基于WSDG的Web服務(wù)組合可靠性預(yù)測［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，42(6):1074－1079.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.010］