CN101794218A - 一种基于知识库并支持复杂产品先进制造系统的语义soa集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于知识库并支持复杂产品先进制造系统的语义SOA(Service-oriented Architecture)集成方法。该方法是以SOA为运行空间，以知识库为核心提供语义支持，提出了一种语义SOA体系框架，以及该框架下知识库的组织和建立以及语义SOA实现方法。本发明借助现有语义Web思想、SOA架构和知识库建模架构，针对复杂产品先进制造系统的特点和具体要求，对知识库中领域本体、服务本体、案例本体的组织和表示以及知识库支持下语义SOA实现中的服务语义发布、查询、调用等六大关键技术进行了设计和阐述。以期解决集成系统语义异构问题，并最终达到提高系统集成智能化和自动化的目的。

Description

一种基于知识库并支持复杂产品先进制造系统的语义SOA集成方法

技术领域

本发明涉及一种基于知识库并支持复杂产品先进制造系统的语义SOA集成方法，即一种以SOA为运行空间，以知识库为核心提供语义支持，以信息的知识级表示、交换、共享和重用为目的的集成方法。该发明属于分布式制造系统信息集成技术领域。

背景技术

面向服务架构(SOA)是近年来发展迅速的一种新的信息系统集成框架，采用SOA技术框架实现企业异构信息系统间的集成已得到业界认可。SOA解决了传统集成系统结构复杂且灵活性差、无法适应分布式企业环境下不同企业间的动态业务需求与企业内部业务流程的实时变化等问题，为新一代的复杂产品先进制造集成系统提供了一个灵活的、易集成、易实现的平台。尽管SOA给信息系统集成带来许多优势，但基于SOA的集成系统仍然存在着语义异构、系统集成智能程度不高等问题。

知识库是结构化、易操作、易利用、全面有组织的知识集群，是对某一(或某些)领域问题求解需求，采用某种(或若干)知识表示方式在计算机中存储、组织、管理和使用的互相联系的知识集合。目前，知识库已成为信息系统、软件、人工智能、数据库、知识工程等领域研究的热点，国内外有大量研究报道。知识库已在决策支持系统、专家系统、PDM、CAPP等方面取得了良好的应用效果，可以预见其旺盛的生命力和美好的发展前景。针对基于SOA的复杂产品先进制造集成系统中存在的问题和不足，引入知识库建模架构对语义SOA集成系统中的知识和服务进行组织和建模，建立面向复杂产品先进制造系统的知识库，进而提供语义支持。

发明内容

(1)目的：本发明涉及一种基于知识库并支持复杂产品先进制造系统的语义SOA集成方法，即一种以SOA为运行空间，以知识库为核心提供语义支持，以信息的知识级表示、交换、共享和重用为目的的集成方法。通过利用知识库对SOA集成系统中的知识和服务进行组织存储从而提供语义基础，利用语义SOA作为集成手段对知识库中的语义信息进行推理和应用，以解决集成系统语义异构问题，并最终达到提高系统集成智能化目的。

(2)技术方案：语义SOA以服务为核心，一切活动围绕服务展开，并通过知识库提供知识管理与语义支持，主要分为服务实现层、服务表示层、服务操作层以及服务应用层四个层次。

最底层是服务实现层。在复杂产品设计制造过程中，有许多分布、异构和动态的资源，包括计算资源、软件资源、存储资源等。要想让这些异构资源更好地为复杂产品设计制造提供更多便利的服务，就需要对这些资源进行集成，把现有的各种资源封装成服务，同时也可以把现有的服务和资源封装成新的服务，为SOA集成系统提供最基本的元素，即服务。

服务表示层提供语义SOA集成框架的语义基础。当完成服务创建、服务部署的工作后，服务则成为可用元素。下一步最重要的是如何实现服务的描述，为服务查询和调用提供数据支持。传统的WSDL和UDDI模式能在一定程度上满足用户的需求，但只能限制在语法层次，无法上升到语义层次。采用OWL-S和知识库将服务进行语义化描述和管理，能使服务描述被计算机所理解，进一步被自动处理和应用。同时，领域本体可以对服务描述进行深层次的扩充和处理，使对服务的描述上升到语义层次。

服务操作层是语义SOA集成框架的实现层。服务的最终目的是为了能被查询和调用，为服务使用者提供便利。所以在服务使用者和服务之间，必须提供相应的语义服务操作，主要包括语义服务标注、扩充、注册、匹配、分解、组合、调用等，这些操作在知识库的语义支持下来完成。

服务应用层提供相应的对外接口，主要包括两部分，一部分是用户接口，与用户进行交互，采用B/S结构，使服务提供者和服务使用者能够发布、修改、查询服务；另一部分是智能系统接口，实现语义SOA系统与其它智能系统的对接，实现自动的服务发布、查询以及调用等操作。

本发明提出基于知识库的、支持复杂产品先进制造系统的语义SOA集成框架，通过利用知识库对SOA集成系统中的知识和服务进行组织存储从而提供语义支持，利用语义SOA作为集成手段对知识库中的语义信息进行推理和应用，以解决集成系统语义异构问题，最终达到提高系统集成智能化和自动化的目的。

附图说明

图1是基于知识库并支持复杂产品先进制造系统的语义SOA体系框架图；

图2是知识库组成结构图；

图3是基于知识库的语义SOA实现流程图；

图4是服务语义匹配流程图；

图5是服务语义分解流程图；

图6是服务语义调用流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明包括一种基于知识库的、支持复杂产品先进制造系统的语义SOA体系框架以及该框架下知识库的组织和建立，以及语义SOA实现流程，如图1和图3所示。语义SOA实现流程主要分为四个过程：知识库建立、服务语义发布、服务语义查询、以及服务语义调用。具体实现步骤如下：

第一步，建立面向复杂产品设计制造全生命周期的知识库，主要包括领域本体库、服务库和案例库，如图2所示。

首先，通过捕获复杂产品设计制造相关领域的知识，提供对相关领域的共同理解，确定相关领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上给出这些词汇(术语)及词汇间相互关系的明确定义，采用Stanford大学开发的Protégé作为建模工具，采用OWL作为建模语言，采用改进的七步法作为建模方法，建立领域本体库，进而提供人机之间、机器和机器之间互相理解的语义。

其次，根据语义SOA过程的不同应用，将服务描述定义为五种本体类型，以便从不同抽象级别上对服务进行语义化描述。这五种本体为：预服务本体、服务本体、预请求本体、请求本体、应用本体。以OWL-S editor和OWL-S API作为建模工具，以Jena和Racer作为推理工具，以OWL-S作为建模语言，对以上服务库中的五大类型本体进行建模和应用。

再次，案例是指将语义SOA过程中的每次服务请求、匹配结果、应用本体以及执行评价等，按一定的组织方式存贮起来，积累成案例库。案例可以定义为一个五元组C＝<PRO，RO，MR，AO，QE>。其中PRO、RO、AO是服务库中包含的内容；MR是服务查询过程中匹配结果的集合；QE是所选服务执行后质量评价的集合。选择以面向对象表示方法进行案例表示，以OWL作为案例描述语言，以OWL中类概念的具体实例来存储案例信息。

第二步，服务语义发布过程是由服务提供者发起，在知识库的支持下，实现从服务构建、部署，到服务注册的过程，主要分为以下几个步骤：

首先，需要构建和部署服务。服务的构建阶段包括开发和测试服务发现、定义服务接口描述和定义服务实现描述。服务的实现主要有3种方法：创建新的服务、把现有的应用程序封装成服务以及将其它服务和应用程序组成新的服务。服务构建以后，需要将服务的可执行文件部署到相应的执行环境中去。

其次，服务提供者提供服务描述的WSDL文件和服务相关信息，利用相应的语义标注工具，生成相应OWL-S格式的预服务本体，同时存储到知识库中。

再次，预服务本体中仍存在语义异构问题，需要进一步对预服务本体进行分析，同时从领域本体中抽取相应的语义信息，对预服务本体进行语义扩充，生成服务本体。抽取服务本体中的部分信息，注册到服务中介中去，以便服务查找匹配时使用；最后，服务本体存储到知识库中。

第三步，服务语义查询过程是语义SOA应用最重要的一个过程，是由服务请求者发起，完成从服务请求到应用本体的全过程。服务语义查询过程包括4个子过程：语义请求、语义匹配、语义分解、语义组合。

首先是语义请求过程。服务请求者输入服务请求信息，利用相应的语义标注工具，生成相应的以OWL-S描述的预请求本体，同时存储到知识库中。预请求本体中仍存在语义异构问题，需要进一步对预请求本体进行分析。同时从领域本体中抽取相应的语义信息，对预请求本体进行语义扩充，生成请求本体。请求本体被存储到知识库中，同时服务的部分信息被存储到服务注册中心。

其次是语义匹配过程，参见图4。根据用户的请求生成相应的请求本体，按照匹配算法，首先与案例进行匹配，如果成功，生成相应的匹配结果。如果不成功，则在服务库进一步进行匹配，匹配成功，则生成匹配结果。如果在案例库和服务库中均匹配不到合适的服务，则进入语义分解过程。

再次是语义分解过程，参见图5。在语义分解过程中，在领域本体和服务本体的语义支持下，语义分解过程和语义匹配过程共同作用，完成对用户请求的分解。语义分解过程有两种结果：如果分解不成功，则请求失败；如果分解和匹配均成功，则进入语义组合过程。

最后是语义组合过程。根据服务分解的情况以及领域本体和服务本体的语义支持，对服务分解匹配后的结果进行语义组合，生成匹配结果。

第四步，服务语义调用过程是将匹配到的服务经用户选择并进行调用的过程，参见图6。在服务语义查询过程中最后得到的匹配结果有多种。首先由服务请求者进行选择，根据选择结果自动生成应用本体，存储在知识库中。同时，由应用本体指导，解析需调用服务对应的服务本体，对服务调用过程进行语义前处理，并生成相应的处理结果。在处理结果的指导下，调用相应服务，并将结果返回给服务请求者。

Claims (10)

1.一种基于知识库并支持复杂产品先进制造系统的语义SOA集成方法，该方法的特征在于：基于知识库并支持复杂产品先进制造系统的语义SOA体系框架以服务为核心，一切活动围绕服务展开，并通过知识库提供知识管理、服务管理、案例管理与语义支持，自底向上分为四层，分别为服务实现层、服务表示层、服务操作层以及服务应用层；该方法包括以下步骤：

步骤1)引入知识库建模架构对语义SOA集成系统中的知识和服务进行组织和建模，建立面向语义SOA的知识库；

步骤2)服务实现层将复杂产品设计制造过程中计算资源、软件资源、存储资源分布、异构和动态的资源进行集成，并封装成服务，也可以把现有的服务和资源封装成新的服务同时将服务部署到相应的发布容器中，为集成系统提供最基本的元素即服务；

步骤3)服务表示层将步骤2中产生的服务进行语义化描述和管理，并将服务的描述上升到语义层次，使服务描述能被计算机所理解，进一步被自动处理和应用，最后存储到步骤1中建立的知识库中，为步骤4提供语义基础；

步骤4)服务操作层根据步骤1中知识库提供的语义信息和步骤2中部署的服务，进行相应的语义操作，包括服务语义标注、扩充、注册、匹配、分解、组合、调用；

步骤5)服务应用层提供相应的对外接口，实现与用户或其它智能系统的动态交互，同时将相应信息传递给步骤4中的服务操作层进行语义处理。

2.根据权利要求1所说的方法，其特征在于：步骤1中所说的知识库由三部分组成：领域本体库、服务库、案例库。

3.根据权利要求2所说的方法，其特征在于：步骤1中建立的领域本体库是指捕获复杂产品设计制造全生命周期的知识，提供对领域知识的共同理解，确定相关领域内共同认可的词汇，进而解决语义异构问题，实现语义的一致性和完整性。

4.根据权利要求2所说的方法，其特征在于：步骤1中建立的服务库是对语义SOA实现过程中服务的语义化描述，是动态生成的，且服务库能提供机器可理解的、能自动处理的语义支持；服务库包括五种本体类型：预服务本体、服务本体、预请求本体、请求本体和应用本体。

5.根据权利要求2所说的方法，其特征在于：步骤1中建立的案例库对集成系统中服务查询的全过程进行表示和组织进而应用，提高SOA集成的智能性。

6.根据权利要求1所说的方法，其特征在于：步骤2所说的服务封装是指将各种复杂产品设计制造过程中各种服务在Web服务描述语言WSDL标准框架及规范下生成服务描述文档，同时生成相应的服务接口。

7.根据权利要求1所说的方法，其特征在于：步骤2所说的服务部署是指将封装好的服务部署到相应的服务容器中。

8.根据权利要求1所说的方法，其特征在于：步骤3中所说的服务的语义化描述和管理，采用OWL-S和知识库将服务进行语义化描述和管理，能使服务描述被计算机所理解，进一步被自动处理和应用；同时，领域本体可以对服务描述进行进一步扩充和处理，使对服务的描述上升到语义层次。

9.根据权利要求1所说的方法，其特征在于：步骤4中所说的语义操作，在知识库的语义支持下，在服务使用者和服务之间提供相应算法和中间件，实现自动的服务发布、查询以及调用操作。

10.根据权利要求1所说的方法，其特征在于：步骤5中所说的对外接口，包括两部分，一部分是用户接口，与用户进行交互，采用B/S结构，使服务提供者和服务使用者能够发布、修改或者查询服务；另一部分是智能系统接口，实现语义SOA系统与其它智能系统的对接。

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