CN102255929B - 一种顾及上下文的空间信息服务组合语义匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种顾及上下文的空间信息服务组合语义匹配方法，属于空间信息服务技术。本发明充分考虑空间信息服务组合对内部抽象原子服务匹配的约束，以及匹配过程中抽象原子服务上下文之间的相互影响，动态地匹配抽象服务组合模型中的各原子服务，准确有效地将抽象的空间信息服务模型转换成可执行的空间信息服务链。

Description

一种顾及上下文的空间信息服务组合语义匹配方法

技术领域

本发明属于空间信息服务语义技术领域，特别是涉及一种新的顾及上下文的空间信息服务组合语义匹配方法。

背景技术

在全球网络化、信息数字化的驱动下，web服务、语义网等新技术和应用不断涌现，海量的空间数据、强大的计算资源，以及丰富的空间信息处理功能，正以服务的形式提供给用户，使GIS面临新的机遇和挑战。

随着用户需求的日益提高，单个的空间信息服务很难再满足用户，促使空间信息服务组合的出现成为必然。空间信息服务组合是利用网络上分布的空间信息服务，根据用户的应用需求，在服务组合支撑平台的支持下，选择一系列符合要求的空间信息服务来组成满足总需求的组合服务流程，通过流程中各个服务的协同来最终完成用户的服务请求。它主要分为三个阶段：第一阶段是空间信息服务组合抽象模型的构建，通过能够描述服务功能的抽象原子服务及服务之间的数据流和控制流来构建满足用户需求的抽象服务组合模型。第二阶段是服务组合的匹配，将抽象的服务组合模型中各原子服务匹配成具体的服务，最终完成将整个服务组合模型实例化成可执行的服务链。第三阶段是服务链的执行，利用支持网络服务的工作流引擎执行服务链。

第二阶段空间信息服务组合匹配是服务组合的核心部分及关键技术，国内外研究人员从不同的角度对空间信息服务组合匹配进行了研究：Li Yan等人提出一种考虑QoS数据可信性的服务选择方法，根据数据的来源对质量属性进行分类和统计；Yue Peng提出一种基于语义的空间信息服务链自动组合方法，引入空间信息语义来完成空间信息服务功能的匹配，通过输入输出数据类型的匹配完成空间信息服务链的自动组合；Zhang Jianting提出一种评估空间信息服务性能而进行服务组合和调用的方法，在小规模的空间数据情况下，科学地应用Kepler工作流系统来进行性能评估最终完成分布式空间信息服务组合。这些研究主要是集中对服务组合中各原子服务功能的发现，它们将服务组合的功能分成一个个子服务功能去发现匹配，最后通过各种质量属性参数来衡量服务链的好坏。这种将空间信息服务组合匹配转换为一系列独立的空间信息服务之间的语义匹配方法的流程一般为：首先从空间信息服务组合的模型中提取抽象原子服务，与注册中心中具体服务进行语义匹配，再根据组合模型中各服务间的链接关系将各服务实例连接起来，形成可执行的空间信息服务链，最后通过各种服务组合的参数属性来衡量服务链的质量。

这种基于单个空间信息服务语义匹配方法忽略了服务组合匹配中的各种约束条件，主要包括抽象服务组合的输入输出对原子服务匹配的约束作用及原子服务之间的相互约束。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种能够顾及上下文的空间信息服务组合动态语义匹配方法。

本发明提供的技术方案是一种顾及上下文的空间信息服务组合语义匹配方法，包括以下步骤：

步骤一、提取抽象空间信息组合服务模型中的各抽象原子服务，并存入抽象原子服务列表；

步骤二、从抽象原子服务列表中依次读取一个未匹配的抽象原子服务；

步骤三、判断抽象原子服务是否与组合服务的输入相连接，是则执行步骤四，否则直接执行步骤五；

步骤四、匹配组合服务输入参数与抽象原子服务输入参数，使得组合服务的输入对原子服务的输入具有约束作用；如果匹配成功则执行步骤五，否则说明抽象原子服务的输入无法满足组合服务的输入要求，服务组合语义匹配失败；

步骤五、以抽象原子服务为模板与注册中心的具体服务进行单个空间信息服务语义匹配，如果匹配成功，表示找到了与抽象原子服务语义相似度大于用户设定阈值内的服务实例，并根据语义相似度将找到的各服务实例存入服务实例列表，执行步骤六；否则匹配失败，表示没能找到与抽象原子服务语义相似度大于用户设定阈值的服务实例，即返回空的服务实例类表，执行步骤十二；

步骤六、从抽象原子服务对应的服务实例列表中选取最佳服务实例,并将该服务实例在服务实例列表中删除；

步骤七、判断最佳服务实例是否选取成功，如果选取成功，执行步骤八，否则说明抽象原子服务需要重新匹配，执行步骤十二；

步骤八、从抽象原子服务列表中提取抽象原子服务的后继服务，如果提取成功，执行步骤九，否则直接执行步骤十；

步骤九、将最佳服务实例的输出参数与后继服务的输入参数进行语义匹配，如果匹配成功，根据最佳服务实例的输出参数类型修改后继服务输入参数的匹配条件，执行步骤十；否则返回步骤六进行最佳服务实例的重新选择；

步骤十、判断抽象原子服务的输出是否与组合服务的输出相连接，如果相连接，则执行步骤十一，否则直接执行步骤十五；

步骤十一、进行抽象原子服务输出参数与组合服务输出参数的语义匹配，如果匹配成功，则执行步骤十五，否则返回步骤六进行最佳服务实例的重新选取；

步骤十二、将抽象原子服务存入重匹配服务列表；

步骤十三、根据抽象原子服务列表，提取抽象原子服务的前置服务，如果提取成功，执行步骤十四设置前置服务；如果不成功，则表示服务组合语义匹配失败；

步骤十四、设置前置服务为实行操作的当前抽象原子服务，返回步骤六进行前置服务的重匹配；

步骤十五、判断重匹配服务列表是否为空，如果不为空，执行步骤十六，否则直接执行步骤十七；

步骤十六、根据重匹配服务列表，依次读取需要重新匹配的抽象原子服务，返回步骤五；

步骤十七、判断抽象原子服务列表是否匹配完成，如果匹配完成，则执行步骤十八，否则返回步骤二读取下一个抽象原子服务；

步骤十八、根据抽象空间信息服务组合模型中抽象原子服务之间的链接关系，将各抽象原子服务的最佳服务实例组合起来构建空间信息服务链。

本发明的特点：在单个空间信息服务语义匹配的基础上，结合空间信息服务组合中服务上下文的情况，采用回溯算法思想对原子服务进行语义匹配，通过前置服务匹配结果的输出参数与原子服务输入参数的匹配，避免了原子服务匹配的服务实例并不适合服务组合的现象；通过原子服务的输出与后继服务输入的语义匹配，有效地情况缩小后继服务的输入类型的范围，为后继服务匹配提供更加合适的模板。而且，本发明还通过单个空间信息服务语义匹配相似度的连续化及一值化处理，更准确地表现了服务相似度及更容易选择最佳原子服务实例。本发明所提供方法准确、有效，适合空间信息服务组合匹配，可有效提供服务组合的匹配效率。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为空间信息服务组合抽象模型图；

图3为抽象原子服务存储索引图；

图4为本发明实施例流程图。

具体实施方式

服务组合的输入输出是描述用户功能需求的参数，用户通过服务组合的输入约束开始的原子服务节点的输入，及用服务组合的输出约束结束的原子服务的输出。服务组合中的抽象原子服务不是孤立存在的，因此在匹配过程中，它需要通过其前置服务匹配的服务实例的输出参数来约束其输入参数，同时利用其匹配服务实例的输出参数对其后继服务的输入参数进行约束。其中在服务组合模型中原子服务A的输出参数与原子服务B的输入参数具有直接的数据流传递关系时，在本发明中，称服务A是服务B的前置服务，或称服务B是服务A的后继服务。

为了解决上述问题，本发明提出了一种顾及上下文的空间信息服务组合语义匹配方法，在空间信息服务组合匹配过程中，能够根据原子服务的上下文关系及实际的匹配情况，动态地进行抽象服务组合模型中的各原子服务的语义匹配，准确有效地将抽象的空间信息服务模型转换成可执行的空间信息服务链。参见图1，对于抽象空间信息服务组合模型中的单个抽象原子服务，首先进行组合服务输入与原子服务输入的语义匹配、前置服务输出与原子服务输入的语义匹配，然后进行原子服务输入输出的语义匹配，再进行组合服务输出与原子服务输出的语义匹配、后继服务输入与原子服务输出的语义匹配，最后综合模型所有抽象原子服务的匹配结果得到可执行的空间信息服务链。

以下结合理论和实施例详细说明本发明技术方案：

1、理论基础

空间信息服务组合的性能特征是由内部每个原子服务的性能特征及其之间的相互协作决定的。因此对抽象空间信息服务组合的语义匹配不仅仅是单独对各抽象原子服务的语义匹配，还需要对各原子服务之间的关系进行相关的语义匹配。

从理论上可以发现：正如单个空间信息服务有输入输出一样，抽象空间信息服务组合模型也有其对应的服务组合输入输出；并且其内部包括抽象原子服务，和各原子服务之间的控制流及数据流。服务组合的输入输出是描述用户功能需求的参数，用户通过服务组合的输入约束开始的原子服务节点的输入，及用服务组合的输出约束结束的原子服务的输出，使得整个服务组合满足用户的需求。同时服务组合中的各抽象原子服务不是孤立存在的，它具有相应的前置服务和后继服务，通过前置服务的输出参数来约束其输入参数，而通过后继服务的输入参数对其输出参数进行约束。如图2所示的一个抽象空间信息服务组合模型具有两个组合服务输入和两个组合服务输出，内部则由原子服务1和原子服务2…原子服务n形成组合服务，各原子服务之间通过输入输出结合提供控制流及数据流。

根据这一理论，本发明提出并实现了一个新的顾及上下文的空间信息服务组合语义方法。在对单个空间信息服务语义匹配的基础上，将对空间信息服务组合的输入输出，及原子服务的输入输出等关系进行语义匹配。匹配种类如下：

●原子服务的输入参数与组合服务的输入参数间的语义匹配

●原子服务的输出参数与组合服务的输出参数间的语义匹配

●原子服务的输入参数与前置服务的输出参数间的语义匹配

●原子服务的输出参数与后继服务的输入参数间的语义匹配

●单个空间信息原子服务的输入/输出参数的语义匹配

2、服务的语义匹配

本发明的服务匹配所涉及到的服务均为语义Web服务，即己经标注好语义的Web服务(同样的，用户请求也是语义标注好的)，既然发布服务和请求服务的输入和输出都用本体概念标注，那么服务和请求之间的相似度就可以用它们所包含的输入和输出的相似度综合得到，而语义相似度的计算一般先将其转化为语义距离的计算，而语义距离实际上就是本体概念间的距离。

现有技术中，经典的相似度算法的匹配结果采用离散的度量方式，分为Excat，PlugIn，Subsume和Fail。

Exact:当outR与outA相同或outR是outA的直接子类(subClassOf)时，结果为Exact。

PlugIn:如果outA包含outR,也就是说outA可能完全满足outR。

Subsume:如果outR包含outA,即outA能部分满足outR但不是完全满足。

Fail:在outR和outA之间没有任何包含关系,匹配失败。

其中outR为请求输出参数，outA为发布服务输出参数。由此可以看出，四种匹配关系从高到底排序结果为：Exact、PlugIn、Subsume、Fail。

该经典方法可以用于本发明的技术方案，但对于这种离散评价的方法，有其优点和不足：优点是该方法的算法简便、易于实现、速度快；不足是对同一等级内部的不同情况不能加以区分，这可能也是所有离散方法的共同缺点。

根据这一理论，本发明提出可以采用一种新的空间信息服务语义相似度算法，进行相似度比较的精度更高。该方法对离散的语义距离进行赋值并进行一值化处理，使两个服务的相似度能够为[0，1]区间的连续值。算法式子为：

${\mathrm{Sim}}_{\mathrm{IO}}(c1,c2)=\frac{1}{e^{\mathrm{Dist}(c1,c2)}}$

其中c1，c2是表示匹配服务之间的输入输出本体描述；Dist(c1,c2)是c1，c2两个本体之间的语义距离，e为数学常数。

可以看出，当两个本体之间的语义距离越大时，它们的相似度越小。该算法不仅能够将服务之间的语义距离进行一值化，更重要的是能够区分语义距离都比较小，而相似度比较大的两个服务之间的好坏程度。

3、实施例实现过程

为标示清晰起见，图4中将步骤标为step和阿拉伯数字：

步骤一、按照抽象空间信息组合服务模型中的各种结构的特点依次提取抽象空间信息组合服务模型中所含的各抽象原子服务，并存入抽象原子服务顺序列表中。抽象空间信息组合服务模型在以下流程中简称为组合服务，后续匹配步骤需要考虑组合服务的输入输出参数。其中可能包括的控制结构为：顺序结构（Sequence）、选择结构（Choice）、循环结构（Loop）、平行分支结构（Split）、同步结构（Synchronization）等。例如读取顺序结构sequence时，则按顺序读取其内部的原子服务，而对于平行分支结构split，则需要先将它划分成多个sequence分支，然后再依次读取各个分支中的原子服务。

步骤二、从抽象原子服务列表中依次读取某个未匹配的抽象原子服务，进行单个原子抽象空间信息服务匹配处理。后续步骤都针对该抽象原子服务进行处理，直到流程返回步骤二依次读取下一个未匹配的抽象原子服务进行处理。实施例在在某个原子抽象空间信息服务匹配完成后，将其的匹配标志符match_flag设为true。从而避免出现重复匹配的情况。

步骤三、读取抽象原子服务所有的输入参数，然后逐一查看其是否与服务组合的开始节点start相连接，如果连接，则说明该抽象原子服务接收的参数为组合服务的输入参数，即该抽象原子服务与组合服务的输入相连接，则执行步骤四；如果其所有的输入参数都没有与start节点相连接则直接执行步骤五。

步骤四、根据步骤三的判断，能够发现该抽象原子服务的某一条或几条输入参数与组合服务的输入相连接，则对这些服务输入参数进行语义匹配，使得组合服务的输入对原子服务的输入具有约束作用。匹配成功的条件为：当该抽象原子服务的输入参数与组合服务的输入参数的语义关系为Excat或PlugIn时，匹配成功；否则匹配失败。如果成功则执行步骤五，而匹配失败则说明该抽象原子服务的输入无法满足组合符合的输入要求，服务组合匹配失败。

步骤五、以该抽象原子服务为模板，与注册中心的具体服务进行输入输出的语义匹配。注册中心的服务是发布者通过网络发布的，因此本专业称为广告服务。实施例具体方法为对该抽象原子服务的输入输出进行一对一的匹配，匹配算法为：

然后根据所有输入输出的语义匹配度，计算整个服务的语义相似度： ${\mathrm{Sim}}_{\mathrm{service}}=\frac{\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{sim}}_{\mathrm{IO}}({\mathrm{req}}_i,{\mathrm{adv}}_i)+\underset{o=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{sim}}_{\mathrm{IO}}({\mathrm{req}}_o,{\mathrm{adv}}_o)}{M+N},$ 其中M，N分别为服务的输入输出的数量，req_i,adv_i分别表示请求服务及广告服务的某个输入参数、req_o,adv_o分别表示请求服务及广告服务的某个输出参数。然后根据用户设定的阈值，对服务进行过滤。返回一个相似度大于规定阈值的服务列表。如果返回的服务列表不为空，表示找到了与原子服务匹配的服务实例，并根据语义匹配相似度大小对各服务实例进行排序，然后执行步骤六；否则表示没能找到语义相似度超过用户设定阈值的服务实例，即返回空的服务实例列表，执行步骤十二。

步骤六、在默认的情况下，根据服务相似度的大小，从原子服务对应的服务实例列表中选取匹配相似度最大的服务实例作为最佳服务实例,并将该服务实例从服务实例列表中删除，使得下次选择时不再重复选取。具体实施时可以设计一个服务选择模型，提供用户设定他们更加关注的服务属性，然后对服务的选择模型中的各个服务属性赋于不同的权值，计算服务的关注指数。然后根据用户的关注指数和服务的语义相似度选择最佳的原子服务实例。

步骤七、当服务实例列表不为空时，总能从服务实例列表中选出相应的服务实例，即最佳服务提取成功，然后执行步骤八。但是当服务实例列表已经为空，而不存在原子服务实例时，说明抽象原子服务需要重新匹配，执行步骤十二。

步骤八、根据组合服务中的各原子服务之间的关系，从抽象原子服务列表中提取该抽象原子服务的后继服务，为了方便找到该原子服务相应的后继服务，本发明实施例设计了一个索引的存储方法。对原子服务的每个输出参数和其连接的后继服务进行建立索引映射，如图3所示：服务的服务名映射到输入参数和输出参数（其中输入参数包括其相应的输入参数名称和输入参数类型、输出参数名次包括输出参数名称和输出参数类型），如果该服务具有前置服务，相应的输入参数指向该参数对应的前置服务的输出参数（其中前置服务的输出参数包含前置服务名称和前置服务输出参数名称）；如果该服务具有后继服务，其相应的输出参数指向该参数对应的后继服务的输入参数（其中后继服务的输入参数包含后继服务名称和后继服务输入参数名称）。使得在查找后继服务时，只需要根据原子服务的输出参数直接映射到其相应的后继服务。当该抽象原子服务存在后继服务时，即后继服务提取成功，执行步骤九；否则说明该抽象原子服务不存在后继服务，直接执行步骤十。

步骤九、将步骤六所得最佳服务实例的输出参数与后继服务的输入参数进行语义匹配，确保后继服务的匹配是在原子服务匹配结果上进行的；当该原子服务实例的输出参数与后继服务相应的输入参数的语义关系为Excat或Subsume时，说明该原子服务实例的输出条件能够被后继服务的输入所接收，即与后继服务的输入匹配成功；然后根据原子服务实例的输出参数类型修改后继服务输入参数的匹配条件，使得后继服务匹配时能够在注册中心找到相似度更大的服务实例，执行步骤十。如果原子服务的输出与后继服务的输入匹配失败，否则返回步骤六进行最佳服务实例的重新选择。

步骤十、判断抽象原子服务的输出是否与服务组合的输出（结束节点end）相连接，如果连接，则说明该原子服务的输出参数直接作为组合服务的输出参数，则需要进行与组合服务的输出参数语义匹配，执行步骤十一；如果该原子服务的所有输出参数都没有与end节点相连接则直接执行步骤十五。

步骤十一、抽象原子服务输出参数与组合服务输出参数的进行语义匹配，确保匹配得到的服务输出的结果符合服务组合的输出要求。当该抽象该原子服务的输出参数与组合服务相应的输出参数的语义关系为Excat或Subsume时，说明该最佳服务实例的输出满足用户对组合服务输出的要求，即与组合服务的输出匹配成功，则执行步骤十五。否则匹配失败，说明该服务实例的输出无法满足用户的需求，则需要返回步骤六进行最佳服务实例的重新选择；

步骤十二、如果单个抽象原子服务匹配失败，流程就会进入此步骤将该抽象原子服务存入重匹配服务列表。其中重匹配服务列表是用于当该抽象原子服务的前置服务实例重新选取成功，并且根据选择的前置服务实例的输出类型更改原子服务的输入参数类型，再从重匹配服务列表读取该抽象原子服务进行重新匹配。如果失败，则将前置服务再存入重匹配服务列表，如此循环，直到原子服务匹配成功。然后根据匹配失败的相应输入参数，读取该参数对应的前置抽象原子服务。

步骤十三、根据原子服务匹配失败对应的具体的输入参数，根据输入参数，从抽象原子服务列表中读取该参数对应的前置的抽象原子服务。如果读取成功，即存在前置服务，执行步骤十四设置前置服务，进行前置服务实例的重新选择；如果读取不成功，说明匹配失败的原子服务是服务组合的开始节点，并不存在其相应的前置服务，因此无法通过对前置服务的重新匹配而使得原子服务匹配成功，则表示服务组合匹配失败。

步骤十四、将前置服务设置为实行操作的当前原子抽象服务，返回步骤六为抽象前置服务的重新选择其最佳的服务实例。通过最佳前置服务实例的重新选择，使用前置服务实例的输出参数类型缩小其后继服务的输入参数的类型，促使后继服务匹配成功。

步骤十五、判断重匹配服务列表是否为空，即判断是否存在需要重新匹配的抽象服务，如果不为空则执行步骤十六，否则说明该抽象原子服务匹配处理完成，直接执行步骤十七。

步骤十六、根据重匹配服务列表的内容，依次读取需要重新匹配的抽象原子服务，返回步骤五进行抽象原子服务的重新匹配。

步骤十七、判断抽象原子服务列表的所有抽象原子服务是否全部匹配完成，即判断服务组合是否匹配完成，如果抽象原子服务列表中的所有抽象原子服务的匹配标识符match_flag全部为true时，说明服务组合匹配完成，则执行步骤十八，否则返回步骤二读取下一个未匹配的抽象原子服务。

步骤十八、根据抽象空间信息组合服务模型中原子服务之间的链接关系，将各抽象原子服务相应的最佳实例服务组合起来形成能够执行的空间信息服务链。

Claims (1)

1.一种顾及上下文的空间信息服务组合语义匹配方法，其特征是包括以下步骤：

步骤一、提取抽象空间信息组合服务模型中的各抽象原子服务，并存入抽象原子服务列表；

步骤二、从抽象原子服务列表中依次读取一个未匹配的抽象原子服务；

步骤三、判断抽象原子服务是否与组合服务的输入相连接，是则执行步骤四，否则直接执行步骤五；

步骤四、匹配组合服务输入参数与抽象原子服务输入参数，使得组合服务的输入对原子服务的输入具有约束作用；如果匹配成功则执行步骤五，否则说明抽象原子服务的输入无法满足组合服务的输入要求，服务组合语义匹配失败；

步骤五、以抽象原子服务为模板与注册中心的具体服务进行单个空间信息服务语义匹配，如果匹配成功，表示找到了与抽象原子服务语义相似度大于用户设定阈值的服务实例，并根据语义相似度将找到的各服务实例存入服务实例列表，执行步骤六；否则匹配失败，表示没能找到与抽象原子服务语义相似度大于用户设定阈值的服务实例，即返回空的服务实例类表，执行步骤十二；

步骤六、从抽象原子服务对应的服务实例列表中选取最佳服务实例,并将该服务实例在服务实例列表中删除；

步骤七、判断最佳服务实例是否选取成功，如果选取成功，执行步骤八，否则说明抽象原子服务需要重新匹配，执行步骤十二；

步骤八、从抽象原子服务列表中提取抽象原子服务的后继服务，如果提取成功，执行步骤九，否则直接执行步骤十；

步骤九、将最佳服务实例的输出参数与后继服务的输入参数进行语义匹配，如果匹配成功，根据最佳服务实例的输出参数类型修改后继服务输入参数的匹配条件，执行步骤十；否则返回步骤六进行最佳服务实例的重新选择；

步骤十、判断抽象原子服务的输出是否与组合服务的输出相连接，如果相连接，则执行步骤十一，否则直接执行步骤十五；

步骤十一、进行抽象原子服务输出参数与组合服务输出参数的语义匹配，如果匹配成功，则执行步骤十五，否则返回步骤六进行最佳服务实例的重新选取；

步骤十二、将抽象原子服务存入重匹配服务列表；

步骤十三、根据抽象原子服务列表，提取抽象原子服务的前置服务，如果提取成功，执行步骤十四设置前置服务；如果不成功，则表示服务组合语义匹配失败；

步骤十四、设置前置服务为实行操作的当前抽象原子服务，返回步骤六进行前置服务的重匹配；

步骤十五、判断重匹配服务列表是否为空，如果不为空，执行步骤十六，否则直接执行步骤十七；

步骤十六、根据重匹配服务列表，依次读取需要重新匹配的抽象原子服务，返回步骤五；

步骤十七、判断抽象原子服务列表是否匹配完成，如果匹配完成，则执行步骤十八，否则返回步骤二读取下一个抽象原子服务；

步骤十八、根据抽象空间信息服务组合模型中抽象原子服务之间的链接关系，将各抽象原子服务的最佳服务实例组合起来构建空间信息服务链。

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