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        基于情境的Web服務推薦方法

        2014-12-23 01:22:06古凌嵐
        計算機工程與設計 2014年3期
        關鍵詞:相似性聚類情境

        古凌嵐

        (廣東輕工職業(yè)技術學院 計算機工程系,廣東 廣州510300)

        0 引 言

        Web服務組合現(xiàn)已成為面向服務的計算模式下應用構造的主要方式,隨著面向服務技術的廣泛應用,功能相似性能相異的Web服務也越來越多,使得用戶需要花費大量時間搜索自己滿意的服務,因此,在匹配功能需求的前提下,如何快速有效地發(fā)現(xiàn)服務質量(quality of service,QoS)良好、適合用戶個性化需求的Web服務,已成為Web服務組合技術成功應用的關鍵和研究熱點。目前,許多研究成果對此進行了闡述,如文獻[1,2]在功能匹配的基礎上,結合用戶QoS約束和QoS屬性偏好,更好地滿足了用戶對服務質量的要求。文獻[3,4]基于聚類思想,對于功能相似而QoS不同的語義Web 服務先分類后排序,縮小了搜索范圍,在滿足功能和質量要求的同時,提高了服務發(fā)現(xiàn)的效率。文獻[5]以語義Web服務發(fā)現(xiàn)的結果為基礎,利用用戶和服務的情境信息、預定義的情境規(guī)則和規(guī)則等級,進一步篩選和排序得到適應用戶情境的Web服務,提高了用戶滿意度。通過分析發(fā)現(xiàn)已有研究存在以下不足:

        (1)對用戶信息的利用不充分。Web服務資源的迅速膨脹,使得用戶的個性化需求逐漸成為服務發(fā)現(xiàn)的重要依據(jù),但目前主要從當前用戶背景和QoS屬性偏好來考慮,較少關注歷史數(shù)據(jù)(如歷史用戶評價、歷史用戶信息等)的利用,而歷史數(shù)據(jù)反映了用戶的行為習慣和服務體驗的滿意度,對于發(fā)現(xiàn)用戶個人偏好具有重要的價值。

        (2)忽視了服務動態(tài)性和網(wǎng)絡特性對于QoS 的影響。已有研究中多采用服務提供者提供的原始QoS值,由于服務的動態(tài)性和網(wǎng)絡的不確定性,QoS的許多指標是動態(tài)變化的,直接影響了服務發(fā)現(xiàn)的有效性。

        針對Web服務組合過程中服務發(fā)現(xiàn)的問題,本文提出一種基于情景的Web服務推薦方法,構建情境模型刻畫用戶和服務的信息,利用服務歷史執(zhí)行信息建立和更新服務緩存,采用K-MEANS算法實現(xiàn)服務情境聚類,并進行服務查找和初步QoS約束篩選;綜合用戶特征和用戶評價相似性,結合服務聚類集,進行用戶情境聚類,利用情境相似用戶的預測和使用頻率優(yōu)化初步推薦結果,從而最大限度地滿足了用戶個性化需求,同時也提高了服務發(fā)現(xiàn)的效率。

        1 情境模型

        情境是用來描述任何一個實體情況的所有信息,本文總結文獻[6,7]情境的定義及分類工作,把情境分為用戶特征情境、服務情境和用戶評價情境3個部分。用戶特征情境包括用戶背景和平臺環(huán)境,其中用戶背景是指用戶的基本特征,包括姓名、性別、年齡、職業(yè)和民族。平臺環(huán)境是指用戶所在位置、硬件設備和網(wǎng)絡狀態(tài),硬件設備是指用戶所使用的設備,如PDA 或PC,網(wǎng)絡狀態(tài)包括網(wǎng)絡帶寬、延遲和安全性。服務情境包括服務描述和QoS 情境。其中服務描述包括服務名、輸入/輸出屬性、前提和結果。QoS情境是指經(jīng)過一段時間統(tǒng)計到的服務質量有關屬性,包括響應時間、服務費用、可用性和可靠性。用戶評價情境是指用戶對于服務的滿意程度,包括服務標識、用戶標識和用戶評分。

        為了充分利用情境信息,需要建立統(tǒng)一的描述和表示模型,以刻畫服務、用戶特征和用戶評價信息,給出以下定義:

        定義1 服務情境模型定義為SC=(SInfo,QoS,TStat),其中SInfo={Name,Inpu,Outp,Cond,Effe}表示服務描述,包括服務名、輸入屬性、輸出屬性、前提和結果集,QoS={Time,Cost,Avai,Reli}表示服務質量,包括響應時間、費用、可用性和可靠性,TStat為更新時間。

        定義2 用戶特征情境模型定義為UC=(Feat,Plat)。其中Feat={Name,Gend,Age,Prof,Nati}表示用戶背景,包括姓名、性別、年齡、職業(yè)和民族,Plat={Loca,Devi,NStatu}表示平臺環(huán)境,包括用戶所在位置、硬件設備(PDA/PC)和網(wǎng)絡狀態(tài),NStatu={NBand,NDela,NSecu}表示網(wǎng)絡狀態(tài),包括網(wǎng)絡帶寬、網(wǎng)絡延遲和網(wǎng)絡安全性。

        定義3 用戶評價情境模型定義為UR =(Uid,Sid,Score),其中Uid、Sid 和Score 分別表示用戶標識、服務標識和用戶評分。

        2 基于情境的Web服務推薦方法

        本文方法的基本思路是:①構建情境模型描述用戶特征、服務和用戶評價信息;②收集服務運行時信息,建立和更新服務緩存;③對于相似情境的服務和用戶進行聚類;④基于服務情境發(fā)現(xiàn)符合功能和QoS 要求的初步結果;⑤基于用戶情境進一步推薦符合用戶偏好的候選服務,從而得到最適合用戶的推薦結果。服務推薦框架如圖1所示。

        圖1 Web服務推薦框架

        圖1中各部分的主要功能:

        服務代理:負責解析用戶提出的服務請求,向服務推薦引擎提交其可識別的功能需求和QoS約束描述,返回服務推薦結果給用戶,并負責捕獲服務執(zhí)行信息,收集用戶的使用評價,提交給推薦引擎。

        服務推薦引擎:由服務情境推薦、用戶情境推薦、服務緩存管理、服務聚類和用戶聚類模塊組成。事先服務聚類和用戶聚類模塊分別利用服務信息、用戶評價和用戶信息庫,對相似情境的服務和用戶進行聚類。用戶提出請求時,服務情境推薦模塊負責查找功能匹配服務所在類,若查找失敗,則通過UDDI注冊中心搜尋并返回功能和QoS匹配的具體服務,服務推薦結束;若查找成功,則計算其總的QoS值,按QoS降序排序,并剔除小于QoS約束最低容忍度的服務,得到初步推薦結果集。用戶情境推薦模塊負責查找用戶所在類,結合預測評價和使用頻率降序排序,得到最終推薦結果集,提交給服務代理。服務緩存管理模塊負責建立和更新服務緩存,包括QoS參數(shù)的更新。

        UDDI注冊中心:負責Web服務的發(fā)布,并提供服務查詢功能。

        2.1 服務緩存的建立和更新

        為了提高服務查詢效率,本文引入了服務緩存機制。每當服務被調用時,服務代理主動進行監(jiān)測,收集該服務執(zhí)行時信息,包括服務標識、服務描述、響應時間、費用、可用性和可靠性,保存在服務信息庫作為服務緩存。當用戶請求服務時,服務推薦引擎先查詢服務緩存,查找成功則進入推薦的下一步工作,只有查詢不成功時,才需要通過UDDI注冊中心發(fā)現(xiàn)服務,隨著服務緩存中數(shù)據(jù)的不斷積累,服務查詢效率將會不斷提高。

        由于Web服務的動態(tài)性,服務緩存中的數(shù)據(jù)需及時更新,一方面,對于長時間無人訪問的服務或是服務質量低下的服務定期進行刪除;另一方面,根據(jù)每次服務執(zhí)行情況,需重新評估QoS各參數(shù),以保證QoS的時效性。QoS數(shù)據(jù)是本文初步推薦服務的主要依據(jù),下面重點對于QoS參數(shù)評估的方法進行說明。

        由于Web服務的動態(tài)性,使得QoS 值也隨之不斷變化,越近時間得到的QoS數(shù)據(jù)對于服務質量評估的貢獻越大,為此,引入時間衰減因子λ,每當服務被調用時,利用每次服務執(zhí)行時收集的QoS數(shù)據(jù),結合λ對QoS的各參數(shù)進行重新評估

        式中:qijold、qij′——緩存中服務QoS參數(shù)、最新評估的服務QoS參數(shù),qij——服務執(zhí)行時QoS 參數(shù),λ——時間衰減因子,值域為[0,1],為了盡量準確地反映服務當前的狀態(tài),忽略時間跨度很近的衰減影響,取λ=0.5,而時間跨度過大的QoS 已無太大價值,取λ=1,因此,λ計算公式如下

        式中:tcur、told——當前、QoS統(tǒng)計時間,T——有效時間跨度,T0——可忽略衰減的時間跨度,λ越大,則qijold的重要性越低。

        由于QoS參數(shù)包括成本型和效益型兩種,成本型包括服務費用和響應時間,取值越大,質量越低;效益型包括可用性和可靠性,取值越大,質量越高。為了便于計算和比較,在計算服務總的QoS之前還需要對QoS 各參數(shù)進行歸一化處理,將其規(guī)格化到相同量綱上。本文采用的歸一化公式如下

        式中:qij′、qij″——某QoS參數(shù)處理前、后的值,、——該項參數(shù)最大、最小值,式(a)用于成本型參數(shù),式(b)則應用于效益型參數(shù)。

        2.2 服務情境聚類

        聚類算法通過對n 個對象不斷地分類,形成若干個聚類集合,同一類中對象的相似度較高,而不同類中對象的差別較大。本文采用K-MEANS聚類算法,通過計算服務情境相似性,對于服務進行聚類。

        服務相似性通過服務情境信息中服務描述屬性的語義相似度來體現(xiàn),計算公式如下。

        式中:w1~w5——服務名稱、輸入/輸出、前提和結果屬性的權重,式中的本體間距離和屬性間語義相似度的計算參考文獻[6]中方法。

        服務情境聚類的算法描述:

        算法1:服務情境聚類

        輸入:服務情境集合SC={sc1,sc2,…,scn}。

        輸出:服務類的集合C={C1,C2,…,Ck}。

        (1)任意選K 個相互間相似度小于閾值δ的服務,將其服務情境向量作為初始的聚類中心,記為c={c1,c2,…,ck};

        (2)初始化服務類的集合C;

        (3)REPEAT

        2.3 用戶情境聚類

        協(xié)同過濾推薦算法是基于用戶評價項目相似性計算用戶相似性,來發(fā)現(xiàn)目標用戶的最近鄰,從而成功地預測用戶感興趣的項目。本文將其用戶相似度計算方法引入用戶情境聚類中,綜合用戶評價相似性和用戶特征相似性度量用戶情境相似度,考慮到實際上用戶評價服務的數(shù)量偏少所引起的數(shù)據(jù)稀疏性對于計算準確性的影響,在服務聚類基礎上,先計算各服務類內的用戶情境相似度,以減少相似用戶搜尋空間,而后據(jù)此進行類之間聚合,最終得到用戶聚類的集合。

        (1)用戶評價相似性采用常用的Person 相關系數(shù)度量,該方法是基于用戶共同評分過的服務集合來計算的,為了避免共同評分服務較少時出現(xiàn)相似性度量的偶然性,總結文獻[8]工作,引入評分服務交集最小閾值η對于相似度計算進行修正

        (2)對于用戶特征相似性,本文假設用戶特征的各屬性均可量化,包括數(shù)值型和區(qū)間型兩類,而數(shù)值型屬性分為成本型和效益型,為了便于計算采用式(3)進行了規(guī)范化處理。用戶特征相似度包括數(shù)值型和區(qū)間型屬性相似度計算。

        數(shù)據(jù)型屬性相似度

        區(qū)間型屬性相似度。

        采用相對長度法計算區(qū)間型屬性的相似度,計算公式為

        式中:L(ui)、L(vi)和L(ui∩vi)——u 和v 的第i 個屬性區(qū)間長度,以及兩個屬性間重疊長度。

        (3)根據(jù)用戶評價相似性和用戶特征相似性的度量方法,可得到用戶情境相似性計算公式為

        式中:w1,w2——權重系數(shù),w1+w2=1,且w1>w2,k是聚類數(shù)。

        2.4 Web服務推薦算法

        服務情境和用戶情境聚類無實時性要求,可采用離線方式,在服務推薦處理之前完成。算法描述如下:

        算法2:基于情境的Web服務推薦算法

        輸入:服務類的集合C、用戶類的集合U、用戶標識v、服務功能需求Sreq、服務QoS約束Qreq和用戶QoS偏好權重w。

        教學手段和方法的創(chuàng)新 基于前述搭建的虛擬共享實訓平臺,本改革對變速箱拆裝實訓課程的教學手段和方法進行創(chuàng)新,將整個拆裝實訓課程劃分為課前、課中和課后三個階段(如圖1所示)。

        輸出:滿足用戶個性化需求的服務集合RSfinal。

        1.For each cluster Ci∈C do i∈{1,…,k} //在服務類的集合中查找功能匹配的服務

        2.For si∈S do//對于功能匹配的服務計算QoS

        If(qi>Qreq)//若大于QoS約束則結合用戶QoS偏好計算服務總的QoS

        S′=S′∪scj;//將功能匹配且大于QoS約束的服務加入S′

        3.RSfirst=sort(S′,Q);//按服務總的QoS 降序排序,得到初步推薦結果

        4.For 1to m do

        find v∈Ui;Ui∈U//查找用戶v所在的類

        5.For each user uj∈Uido//計算RSfirst預測評價,統(tǒng)計使用頻率

        6.If Frsi=0filter(rsi,RSfirst);//剔除頻率為0的服務

        7.For each service rsi∈RSfirstdo

        EFrsi=αQi+βPrsi,v+γFrsi;//計算每個服務得到的總體評價,權重α+β+γ=1

        8.RSfinal=sort(RSfirst,EFrsj);//按總評價降序排序,得到最終推薦結果

        3 實例分析

        下面以一實例說明本文Web服務推薦的方法。假設有50個Web服務,包括5個酒店訂房服務、10個訂票服務、10個天氣預報服務和25個景點查詢服務,這些服務均已被使用過,其中酒店訂房服務有6人使用過,包括一名學生u6。他現(xiàn)準備在酒店訂房,并希望酒店提供訂票服務。表1描述了酒店訂房服務使用情況,各服務的QoS和業(yè)務特點,假設已通過情境聚類得到了服務類的集合C 和用戶類的集合U(表2),為了減少計算復雜度,QoS僅列出響應時間和服務費用屬性量化后的值,U 僅包含使用過酒店訂房服務的用戶類,用戶情境也僅列出用戶背景的職業(yè)屬性。

        表1 用戶使用酒店訂房服務的評價(平均評分/使用次數(shù))

        表2 用戶類的集合和服務類的集合列表

        采用本文方法推薦Web服務的過程:

        (1)在服務類的集合C 中發(fā)現(xiàn)酒店訂房服務所在類C1,得到候選服務sc1,sc2,sc3,sc4,sc5;

        (2)計算各服務總的QoS值,假設sc5總的QoS值小于用戶QoS約束被剔除,則得到sc1,sc2,sc3,sc4各自總的QoS值排名(3,1,1,2);

        (3)按QoS 降序排序,得到初步推薦結果sc2,sc3,sc4,sc1;

        (4)在用戶類的集合U 中發(fā)現(xiàn)用戶所在類U2;

        (5)計算u6對服務sc2,sc3,sc4,sc1的預測評分(4.1,4.3,0,3.2);

        (6)統(tǒng)計U2使用服務sc2,sc3,sc4,sc1的頻率(11,6,0,9);

        (7)剔除頻率為0 的服務sc4,設α=0.5,β=0.3,γ=0.2,計算U2對sc2,sc1,sc3的總評價為(3.52,2.92,2.57);

        (8)按總評價降序排序;

        (9)得到最終推薦結果sc2,sc1,sc3返回給用戶u6。

        用戶u6可優(yōu)先選sc2,其次sc1,通過本文的服務推薦算法,為用戶提供了功能匹配、達到QoS約束要求,且滿足用戶個性化需求的服務。

        4 實驗及結果分析

        為了進一步驗證本文方法的可行性和有效性,本文設計了3組實驗。

        實驗環(huán)境:2臺服務器CPU Intel Core 2Duo 2.1GHz,內存4G,操作系統(tǒng)Window Server 2003,數(shù)據(jù)庫SQL Server 2008。1臺PC 機CPU Intel Core 2 1.86GHz,內存2G,操作系統(tǒng)Window XP。服務器1、2 分別用于配置Web服務和運行本文的Web服務推薦算法,Web服務代理也配置在服務器2上。PC用于用戶提出請求。

        實驗數(shù)據(jù):鑒于現(xiàn)在沒有標準的測試數(shù)據(jù)集,實驗數(shù)據(jù)均以模擬方式產生,共生成200個Web服務。服務的QoS屬性包括響應時間、費用、可用性和可靠性,在一定范圍內隨機生成。500個用戶已使用過,用戶評價在[0,5]整數(shù)范圍內隨機生成。實驗以響應時間為例進行測試,事先以隨機次數(shù)調用每個Web服務,以獲得真實響應時間參數(shù)。

        實驗1:QoS動態(tài)變化對服務推薦的影響

        設T0=60s,T=250s,響應時間約束Time=40s,選取9個功能相同的Web服務(sc1~sc9),且sc4~sc9均滿足QoS約束。利用程序模擬延遲1s,對于服務sc1~sc3減少響應時間,對于sc4~sc6增加響應時間,對于sc7~sc9不做改變,對9個服務的QoS值進行計算排序,得到最初推薦結果,共進行5次實驗。

        分析表3數(shù)據(jù),當某次服務被調用時QoS 發(fā)現(xiàn)變化,該服務情境的QoS響應時間屬性也被重新評估,間隔越久的原有QoS數(shù)據(jù)重要性越低,當再次請求時,若重新評估后的響應時間不能滿足QoS約束最低容忍度,將被剔除,如服務sc4在第一次延遲后其響應時間大于40s,第二次請求時被剔除,實驗結果表明,利用每次服務運行時QoS數(shù)據(jù)動態(tài)更新服務QoS參數(shù),保證了提供給用戶的QoS數(shù)據(jù)的真實性、可信性。

        表3 QoS變化時對服務推薦的影響

        實驗2:本文方法與其它方法在準確性上的比較

        初選20個服務,之后每次增加20 個服務,對于本文方法與通過功能和QoS匹配方法 (FQM)進行比較,圖2表明,由于本文方法中服務QoS參數(shù)得到了及時更新,在服務推薦過程中從歷史數(shù)據(jù)挖掘用戶偏好,發(fā)現(xiàn)的候選服務數(shù)相對較少,為用戶提供了滿意度較高的服務,并且隨著服務數(shù)量的增加,其效果更加明顯。

        圖2 服務推薦的準確性比較

        實驗3:本文方法與其它方法在時間開銷上的比較

        初選20個服務,之后每次增加20 個服務,比較本文方法與FQM 發(fā)現(xiàn)候選服務所用的時間,圖3 表明,由于FQM 需通過服務器1查找候選服務,隨著服務數(shù)量增多服務發(fā)現(xiàn)所用的時間大幅度增加,而本文方法由于引入了緩存機制,僅在緩存查找失敗時,才需要訪問服務器1,并且事先對服務信息庫中的服務進行了聚類處理,使得服務推薦的實時性得到了明顯改善。

        圖3 服務推薦的時間開銷比較

        5 結束語

        服務發(fā)現(xiàn)是Web服務組合成功應用的關鍵,為了解決服務發(fā)現(xiàn)的效率和用戶滿意度問題,本文提出了基于情境的服務推薦方法。該方法建立情境模型描述服務執(zhí)行信息和用戶相關信息,利用服務歷史執(zhí)行信息建立和更新服務緩存,采用K-MEANS算法進行相似情境服務的聚類,基于功能和QoS匹配實現(xiàn)初步服務推薦,通過綜合用戶特征和用戶評價相似性度量用戶情境相似度,先計算各服務類內的用戶相似度,而后據(jù)此進行類之間聚合,實現(xiàn)用戶情境聚類,利用用戶所在類對初步結果的預測評價和統(tǒng)計使用頻率,使得推薦結果得到了進一步精化和優(yōu)化,實例分析和實驗結果表明,本文方法能夠快速有效地發(fā)現(xiàn)質量良好、滿足用戶個性需求的服務。下一步工作重點是服務組合過程中服務發(fā)現(xiàn)的安全性問題。

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