楊　　波，李穎芳，傅錦偉

（紅河學(xué)院，云南蒙自 661199）

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基于Petri網(wǎng)的語(yǔ)義Web服務(wù)組合建模研究

楊波，李穎芳，傅錦偉

（紅河學(xué)院，云南蒙自 661199）

摘 要：近年來(lái)，隨著Internet上的Web服務(wù)數(shù)量激增，單個(gè)Web服務(wù)已不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求，開(kāi)展語(yǔ)義Web服務(wù)的組合問(wèn)題研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章在前期Ontology的語(yǔ)義Web服務(wù)組合框架研究基礎(chǔ)上，圍繞Petri網(wǎng)在Web服務(wù)的應(yīng)用展開(kāi)工作，提出一種Petri網(wǎng)的服務(wù)組合建模方法，并通過(guò)實(shí)例仿真對(duì)其有效性、可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：Petri網(wǎng)；OWL-S；Web服務(wù)；服務(wù)組合

1　語(yǔ)義Web服務(wù)

OWL-S是以O(shè)WL語(yǔ)言為基礎(chǔ)的Web服務(wù)描述框架。用OWL-S創(chuàng)建Web服務(wù)語(yǔ)義本體能夠增強(qiáng)Web服務(wù)語(yǔ)義信息，利用本體描述相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，形式化定義領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的知識(shí)，使計(jì)算機(jī)可以理解Web服務(wù)，使得服務(wù)帶有語(yǔ)義信息，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)調(diào)用和組合[1]。

定義1 將S= 定義為語(yǔ)義Web服務(wù)功能信息描述模型，其中，概念矢量為語(yǔ)義描述的輸入?yún)?shù)(一個(gè)Web服務(wù)的n 個(gè)輸入?yún)?shù))，表示服務(wù)S 的n 個(gè)輸入?yún)?shù)在領(lǐng)域本體庫(kù)中對(duì)應(yīng)的語(yǔ)義概念；概念矢量為語(yǔ)義描述的m 個(gè)輸出參數(shù)(一個(gè)Web服務(wù)的m 個(gè)輸出參數(shù))，’ 表示服務(wù)S的m 個(gè)輸出參數(shù)在領(lǐng)域本體庫(kù)中相對(duì)應(yīng)的語(yǔ)義概念。

2　基于Ontology的語(yǔ)義Web服務(wù)組合框架

定義2將SWSC=<π，SWS>二元組定義為語(yǔ)義Web服務(wù)組合，其中π表示包括串行、選擇、并列等方式的服務(wù)組合操作方法，SWS為服務(wù)候選集。

語(yǔ)義Web服務(wù)組合框架，主要基于Ontology環(huán)境，在注冊(cè)中心（UDDI）進(jìn)行語(yǔ)義匹配，確定服務(wù)組合，實(shí)現(xiàn)組合服務(wù)的發(fā)布與部署，進(jìn)而完成整個(gè)語(yǔ)義Web服務(wù)的組合過(guò)程，圖1為基于Ontology的語(yǔ)義Web服務(wù)組合框架。

圖1　基于Ontology的語(yǔ)義Web服務(wù)組合框架

整個(gè)過(guò)程如下：

1）服務(wù)提供商對(duì)發(fā)布服務(wù)進(jìn)行含有語(yǔ)義信息的描述；

2）請(qǐng)求服務(wù)方根據(jù)實(shí)際要求提出具有語(yǔ)義信息描述的服務(wù)請(qǐng)求；

3）UDDI中心通過(guò)Ontology對(duì)服務(wù)發(fā)布和服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行功能服務(wù)描述匹配；

4）通過(guò)調(diào)用匹配機(jī)制，進(jìn)行語(yǔ)義相似度計(jì)算；

5）將滿(mǎn)足匹配的結(jié)果進(jìn)行服務(wù)結(jié)果集排序，形成候選服務(wù)集；

6）基于服務(wù)候選集的服務(wù)組合操作，將獲取的服務(wù)結(jié)果集部署與發(fā)布；

7）服務(wù)請(qǐng)求被接受后，服務(wù)請(qǐng)求者與服務(wù)提供者協(xié)商，綁定目標(biāo)服務(wù)，并調(diào)用組合服務(wù)；

8）組合服務(wù)調(diào)用操作。

3　基于Petri 網(wǎng)的語(yǔ)義Web 服務(wù)

為提高Web服務(wù)組合匹配的準(zhǔn)確性，針對(duì)第2節(jié)提出的基于Ontology的語(yǔ)義Web服務(wù)組合框架，利用對(duì)語(yǔ)義Web服務(wù)自動(dòng)組合方法進(jìn)行研究，本文提出一種基于Petri網(wǎng)的語(yǔ)義Web服務(wù)組合建模方法，以提高Web服務(wù)組合的效率和成功率。

3.1 Petri 網(wǎng)

Petri 網(wǎng)[4]( Petri Net) 是一種利用網(wǎng)狀圖形表示系統(tǒng)模型的方法，它以描述系統(tǒng)中各元件之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，以圖形化的方式來(lái)表示W(wǎng)eb 服務(wù)組合過(guò)程中的同步、并發(fā)或順序等各種活動(dòng)。Petri 網(wǎng)的結(jié)構(gòu)包括以下元素：

位置：用以表示系統(tǒng)可能出現(xiàn)（如隊(duì)列、緩沖、資源等）的狀態(tài)、狀況。

變遷：用以表示系統(tǒng)狀態(tài)經(jīng)歷的動(dòng)作、事件。

?。河靡员硎臼录c狀態(tài)（局部）之間的關(guān)系，理解為狀態(tài)（局部）之間的轉(zhuǎn)換。

圖2　Petri 網(wǎng)

3.2 基于Petri 網(wǎng)的語(yǔ)義Web 服務(wù)

定義3 用PN= ( P,T,F,I,O)的元組（五元）定義Petri 網(wǎng)，其中：P代表位置（操作）集合，T表述狀態(tài)變遷、轉(zhuǎn)移；F代表有向弧的一個(gè)集合，F(xiàn)?(S×T)∪(T×S) ；I（輸入庫(kù)所）={x∈S×T |( X，I)∈F} =φ ；O（輸出庫(kù)所）= { x∈S×T |(OX) ∈F}=φ 。

定義4 用WS= ( Sname,Coms,Spn)的元組（三元）定義Web服務(wù)，其中：服務(wù)名(Sname)；基本服務(wù)集合Coms：當(dāng)集合元素與Sname相同，其本身即為基本服務(wù)，反之當(dāng)集合元素與Sname不相同，本身即為組合服務(wù)。Spn= ( P,T,F,I,O)，表示加入 Web 服務(wù)元素的 Petri 網(wǎng)。

基于以上的定義，可以將OWL-S 的8種結(jié)構(gòu)利用Petri 網(wǎng)進(jìn)行描述，如圖3所示。

圖3　Petri 網(wǎng)對(duì)OWL- S 的8 種結(jié)構(gòu)

4　基于Petri 網(wǎng)的語(yǔ)義Web 服務(wù)組合建模

建模工作是在本文提出的Ontology的語(yǔ)義Web服務(wù)組合框架研究基礎(chǔ)上，將 Web 服務(wù)組合和Petri 網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了從 Web 服務(wù)組合過(guò)程到 Petri 網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，最終達(dá)到服務(wù)組合的目的。

我們通過(guò)主體的語(yǔ)義Web 服務(wù)自動(dòng)組合研究，服務(wù)需求者希望通過(guò)相關(guān)旅游資訊網(wǎng)，完成上海到昆明的旅游。具體有如下要求：服務(wù)需求者根據(jù)自身需要決定旅游時(shí)間，并具體說(shuō)明旅游所需的交通工具和旅游駐地酒店基本要求。初始條件：由出行天氣，判定并選擇出行工具；確認(rèn)條件：由到達(dá)時(shí)間，決定酒店房間預(yù)訂。

服務(wù)需求者共涉及包括天氣、機(jī)票預(yù)訂、火車(chē)票預(yù)定、酒店房間預(yù)訂的4各Web 服務(wù)，分別記為W1、W2、W3、W4。就單個(gè)服務(wù)的部署情況看，不能滿(mǎn)足服務(wù)需求者要求，將分布于不同服務(wù)器中的單個(gè)服務(wù)進(jìn)行組合才能達(dá)到需求者的目的。

這個(gè)預(yù)定服務(wù)過(guò)程包括順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等組合結(jié)構(gòu)。利用Petri 網(wǎng)描述其服務(wù)組合過(guò)程如圖4所示。

圖4　Petri 網(wǎng)服務(wù)組合建模

本文的Petri 網(wǎng)的建模與仿真工作是在前期基于Ontology的語(yǔ)義Web服務(wù)組合基礎(chǔ)上進(jìn)行的，Petri 網(wǎng)的庫(kù)所和變遷如下所示：

Start：開(kāi)始狀態(tài)；p1：執(zhí)行成功狀態(tài)；p2：天氣晴朗狀態(tài)；p3：天氣不晴朗狀態(tài)；p4：預(yù)定機(jī)票狀態(tài)；p5：未設(shè)置；p6：預(yù)定火車(chē)票狀態(tài)；p7：預(yù)定機(jī)票成功狀態(tài)；p8：預(yù)定火車(chē)票成功狀態(tài)；p9：到達(dá)時(shí)間確認(rèn)狀態(tài)；p10：預(yù)定酒店成功狀態(tài)；End：服務(wù)結(jié)束狀態(tài)。

t1：開(kāi)始執(zhí)行；t2：天氣晴朗查詢(xún)；t3：天氣不晴朗查詢(xún)；t4：查詢(xún)結(jié)果不滿(mǎn)足預(yù)定要求；t5：預(yù)定機(jī)票操作；t6：預(yù)定火車(chē)票操作；t7：查詢(xún)結(jié)果滿(mǎn)足飛機(jī)票預(yù)定要求；t8：查詢(xún)結(jié)果不滿(mǎn)足預(yù)定要求；t9：查詢(xún)結(jié)果滿(mǎn)足火車(chē)票預(yù)定要求；t10：到達(dá)時(shí)間確認(rèn)執(zhí)行；t11：酒店訂單預(yù)定執(zhí)行；t12：預(yù)定不滿(mǎn)足要求；t13：預(yù)定成功執(zhí)行。

5　結(jié)語(yǔ)

單個(gè)服務(wù)組合的多個(gè)服務(wù)，在目前Web服務(wù)資源激增的情況下，才能到達(dá)服務(wù)增值效果，同時(shí)也是服務(wù)提供層面獲取最大利益的保障。本文提出的Petri 網(wǎng)的語(yǔ)義Web 服務(wù)組合建模方法，將Petri網(wǎng)作為處理模型、系統(tǒng)建模的工具，對(duì)單個(gè)Web 服務(wù)的組合服務(wù)生成具有推進(jìn)作用，也能提高Ontology的環(huán)境下服務(wù)組合的有效性問(wèn)題。下一步，將展開(kāi)面向語(yǔ)義Web 服務(wù)組合的Petri 網(wǎng)知識(shí)推理研究工作。

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[責(zé)任編輯 張燦邦]

Research on Semantic Web Service Composition Modeling Based on Petri Net

YANG Bo,LI Ying-fang,FU Jin-wei
(Engineering College of HongHe University,Mengzi 661199,China)

Abstract:In recent years,with the surge in the number of Web services on the Internet,a single Web service can not meet the needs of users,to carry out the study of the combination of semantic Web services has important practical significance.In this paper,a semantic Web service composition modeling method based on Petri net is proposed,and the validity and feasibility of the method are verified by modeling and simulation.

Key words:Petri net; OWL-S; Web service; Service composition

基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（2013C016)

收稿日期：2016-01-14

DOI:10.13963/j.cnki.hhuxb.2016.02.010

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9128（2016）02-0037-02

第一作者：楊波（1977-），男，云南建水人，副教授，碩士，研究方向：語(yǔ)義Web、數(shù)據(jù)挖掘。