CN102780583B - 物联网业务描述、组合和服务质量评估的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种物联网业务描述、组合和服务质量评估的方法，尤其涉及物联网业务应用集成中的业务描述与业务组合重用及QoS(服务质量)评估。该方法基于单个原子业务的描述模块、业务库模块、逻辑结构控制与业务组合模块、服务质量QoS评估模块、与平台支持层的接口模块；充分利用了既开发的物联网业务应用，通过言简意赅的描述，业务库的注册、发布，通过在逻辑控制条件下进行组合、计算新业务QoS等能够高效的重用既有业务、开发出新的具有一定复杂功能的物联网业务，具有一定的实际使用价值和经济价值。

Description

物联网业务描述、组合和服务质量评估的方法

技术领域

本发明属于应用软件开发与集成领域，尤其涉及物联网业务应用集成中的业务描述与业务组合重用及QoS(服务质量)评估。

背景技术

物联网逐渐成为近来人们研究的热点，它融合了无线传感、智能感知、识别、泛在网络与云计算等技术，被认为是信息产业领域的又一具有广阔前景的发展方向。物联网触及人类社会生活的方方面面，涉及它的应用扩展到物品和环境，通过与互联网相连，使得人们能够方便的对现实世界进行智能化的识别、定位、监控和管理。由于物联网的这些特点，其业务涉及的范围十分丰富多样，遍及家居、交通、电网、环保、安防、军事等各个领域。

针对这些规模数量不断扩大增长的的物联网业务，通过与发展成熟的Web服务相比较，我们认为目前物联网业务的发展存在着一些不足：首先，这些业务间相互独立，它们自成功能体系，缺乏共用共享机制；其次，缺乏一个综合业务集成的平台，无法对纷繁的物联网业务进行统一注册、管理和调度。这些不足导致物联网业务的软件重用性不足、开发效率得不到有效提高。因此，适时地引入一种对物联网业务进行描述及组合的方法以及相对应的集成平台系统成为了改善这些不足的关键所在。

发明内容

技术问题：本发明的主要目的在于提供一种实现描述和组合物联网业务的方法，以求对既有原子业务进行组合重用并进行服务质量评估，高效地开发具有一定复杂功能的新业务。

技术方案：本发明的一种物联网业务描述、组合及服务质量评估的方法基于单个原子业务的描述模块、业务库模块、逻辑结构控制与业务组合模块、服务质量QoS评估模块、与平台支持层的接口模块；本方法的基本流程是：

Step1：完成某项功能的物联网业务首先需要通过业务描述模块对此业务的相关信息进行描述；这里的单个原子业务的描述模块，用于对物联网业务从业务的基本信息，业务功能属性、非功能属性，调用方式的角度，使用自定义的业务描述语法规则来对业务信息进行描述，为物联网平台对业务的识别和注册以及后期对业务的发布、选择与组合打下基础；

Step2：业务描述完成后，业务将被注册到业务库模块，这里的业务库模块是平台的持久层，用于分类存储所描述的各个物联网业务的信息，在物联网业务平台中注册业务，这样做一方面能够为业务选择与组合提供必要的信息，另一方面平台支持层可根据业务库进行相应 的业务程序的加载、管理等操作；

Step3：以上工作完成后，表明业务已加载到平台上即可以通过平台使用此业务功能，此时在服务器端对业务进行组合，这里用到逻辑结构控制与业务组合模块，在此模块业务组合人员按照需求将一个较复杂的功能分解由若干完成基本功能的原子业务组合来完成，使用平台自定义的基于Petri网(Petri-Net,Petri网)组合规程，用于在组合过程中对业务组合人员组合业务、生成新业务的过程进行控制，保证组合过程的正确性；

Step4：组合结构完成后需要通过QoS评估模块对此组合结构的业务的总体QoS进行评估，该模块以Petri网的状态转移矩阵和四种基本组合结构即并行-与、选择-或、顺序、循环为基础，通过提取不同结构下的状态转移结果特征来对所组合业务的总体QoS进行计算评估，过程中使用了在业务描述及注册阶段中的业务的非功能属性的相关信息，通过评估来帮助业务组合人员对所组合业务的总体服务质量状况进行了解；

Step5：业务组合与QoS评估完成后，系统的与平台支持层的接口模块将会生成相应组合的逻辑描述及其代码框架，该模块主要用于将组合过程的关键逻辑、业务间接口顺序的编排、新业务相关参数等信息进行处理，交付平台支持层以具体分配资源、程序任务调度进行具体实现。

所述单个原子业务的描述模块，在对物联网业务多个角度进行描述的过程中，使用基于可扩展标记语言XML(ExtensibleMarkupLanguage,)，分别从接口参量定义、业务概述、主要操作、QoS非功能属性、调用或绑定规范方面分层次进行描述，它们均由自定义的XML标签及属性加以说明；业务概述<service_Profile>主要描述业务提供者相关信息、功能描述信息两部分，包括提供者名称<Profile_provider-name>、联系方式<Profile_provider-contact>、业务的文字性简述<Profile_textDescription>、业务计算所需输入<Profile_Inputparameter>、输出结果<Profile_Outputparameter>、业务运行前的预设条件<Profile_Precondition>、业务运行后的影响<Profile_Effect>；主要操作<service_Operate>描述对外的接口操作即输入操作<Interface_Input>和输出操作<Interface_Output>方法和函数；QoS需求描述主要是业务的非功能性参量：业务费用<Cost>、请求平均响应时间<Responsetime>、可靠性<Reliability>、平均占用带宽<Bandwidth>属性；调用规范描述主要是业务的调用方法：包括执行业务所在的位置<Invoke_Source>、端口<Invoke_Port>、通信方式<Invoke_Protocol>。

所述业务库模块，其设计主要以业务描述的信息为基础，按照其中的业务开发者信息、业务基本信息、业务功能属性、非功能性属性、业务调用方法等信息来对业务进行注册。

所述逻辑结构控制与业务组合模块中，基于Petri网理论来指导组合过程进行建模，将Petri网中库所的资源映射为原子业务资源；将Petri网的状态转移映射为不同业务间实现功能 的转变；同时依照Petri网语法对规则对组合过程进行语法监督，在Petri网变迁之前的有向弧阶段按需求对原子业务进行筛选，在变迁中，业务组合人员需要按照业务实际运行的流程，对原子业务所执行顺序进行编排、对输入与输出接口进行适当分配，以保证所组合的结果即新业务在运行逻辑和接口参数类型上不存在错误。

所述的QoS评估模块以Petri网的状态转移并以并行-与、选择-或、顺序、循环四种基本结构的转移结果表达式特征及相应QoS计算方法为基础，对所组合复杂结构的Petri网状态转移结果的特征分析，来判断逻辑结构进而分类分层次对组合的总体QoS进行计算；具体步骤是：

step1：分析获得Petri网结构输入输出矩阵；

step2：求得转移矩阵；

step3：状态转移递归；

step4：参照四种基本结构表达式特征分析状态输出项表达式以获取组合结构；

step5：根据所得结构按照一定顺序对所得结构分层次计算QoS。

与平台支持层的接口模块，主要负责对新组合业务的注册、与支持层相应的业务管理模块的进行交互以支撑具体实现，用于将业务组合的关键逻辑流程信息、业务间接口顺序的编排、组合结果即新业务的描述进行处理，交付平台支持层以分配资源、程序任务调度进行具体实现。

有益效果：本发明提供一种实现物联网业务的描述和组合的实施方法，充分利用了既开发的物联网业务应用，通过言简意赅的描述，业务库的注册、发布，通过在逻辑控制条件下进行组合、计算新业务QoS等能够高效的重用既有业务、开发出新的具有一定复杂功能的物联网业务，具有一定的实际使用价值和经济价值。

附图说明

图1是本发明的应用场景。

图2是业务平台模块关系图。

图3QoS评估方法流程。

图4是本发明业务组合Petri网的顺序结构。

图5是本发明业务组合Petri网的并行“与”结构。

图6是本发明业务组合Petri网的选择“或”结构。

图7是本发明业务组合Petri网的循环结构。

图8是本发明某业务组合结构。

具体实施方式

在对物联网业务进行描述的方案中，基于XML对单个业务功能性与非功能性进行描述，进而使平台能够对业务进行有效的识别与注册。过程中，利用XML的通用性、可扩展性等良好特性，并依据平台物联网业务的实际实现方式和特点(服务端的分析处理与客户端的结果反馈的分离，业务服务对后台大量传感数据的获取与分析处理透明，提供较明确的输入输出接口等)自定义了层次较为清晰的描述逻辑和方法。

业务经过描述与注册后即能够在平台进行发布与客户使用，将完成某个单一的具体功能的物联网业务(原子业务)进行组合以形成可以完成一定组合功能的复杂业务，本方案在基于Petri网逻辑结构模型之上，对部分元素赋予组合定义以帮助组合过程进行逻辑控制，同时根据Petri网的转移矩阵的分析来确定组合逻辑进而分情况对所组合业务的总体QoS进行评估，帮助业务组合人员对组合业务的特性进行认识，在完成功能性要求的同时，提高业务组合的非功能性。

(1)、单个原子业务的描述

本模块运用自定义的XML标签对单个原子业务进行分层次描述，鉴于这些独立完成某项封装好的功能的原子业务，需要向外界提供必要的接口和细节说明才能使外界能够对它进行调用和访问，才能实施后续的业务重用、组合与QoS评估，所以我们从接口参量定义、业务概述、输入输出接口、QoS需求、调用规范等五个层面对其进行描述。这五个层面基本涵盖了业务的说明、功能性与非功能性描述以及调用方法：其中接口参量、输入输出接口属于功能性描述，QoS需求属于非功能性描述，调用规范属于业务的使用调用方式描述。

例如，我们这里用“温度感知”这个原子业务进行描述举例。这一原子业务的主要功能是在获得查询地点和时间的条件下，返回该条件下的环境温度。

其总的描述结构如下：

其中，接口参量定义(service_InterfaceParameter)节点描述包括参量名称(name)及参量类型(type)两个属性；

业务概述(service_Profile)主要描述业务提供者相关信息、功能描述信息两部分，包括提供者名称(Profile_provider-name)、联系方式(Profile_provider-contact)、业务的文字性简述(textDescription)、业务计算所需输入(Profile_Inputparameter)、输出结果(Profile_Outputparameter)、业务运行前的预设条件(Profile_Precondition)、业务运行后的影响(Profile_Effect)；

主要操作接口描述(service_Interface)节点描述业务对外的接口操作即输入操作(Interface_Input)和输出操作(Interface_Output)方法和函数；

QoS需求描述主要是业务的非功能性参量：业务费用(Cost)、请求平均响应时间(Responsetime)、可靠度(Reliability)、平均占用带宽(Bandwidth)等属性；

调用规范描述主要是业务的调用方法：包括执行业务所在的位置(Invoke_Source)、端口(Invoke_Port)、通信方式(Invoke_Protocol)；

(2)、逻辑结构控制与业务组合

本模块是组合功能的核心模块，我们基于Petri网理论来指导组合逻辑过程进行建模。如：将Petri网中库所的令牌资源映射为原子业务资源；将Petri网的状态转变映射为业务功能的转变(组合后的新业务较原业务功能增加)；同时依照Petri网语法对规则对组合过程进行语法监督。

以组合“温度查询”“阈值告警”两个原子业务为例，建立顺序结构的库所分别表示“温度查询”原子业务和“阈值告警”原子业务(多个令牌表示同类业务不止一个)，以及输出库所，在Petri网变迁之前(有向弧)可以按需求对原子业务进行筛选。在变迁中，业务组合人员须要按照业务实际运行的流程，对这两个原子业务所执行次序进行编排、对输入与输出的来源进行适当分配，以保证所组合的结果(新业务)在运行逻辑和接口参数类型上不存在错误。例如本例中“温度查询”有两个输入接口(地点参数get_location、时间参数get_time)和一个输出接口(返回温度值return_temperature)；“阈值告警”有两个输入接口(数据data、阈值value)和一个输出(告警alarm)，这里就需要对原子业务的执行逻辑顺序及输入输出的来源进行编排分配，即“温度查询”输出的数据交付给“阈值告警”业务的输入接口(get_data)。在变迁完成后的库所中即为这一业务组合的结果。最后我们需要将这一组合过程中的关键信息(如所调用到的原子业务的业务代码，执行顺序，相关接口参数来源分配)，以及所产生新业务的定义(如定义其业务名称、所属类型、访问权限设定等)进行记录描述。这些信息将通过交付模块交支持层以进行具体的任务调度、资源分配等方法来对所设计原子业务及进行封装等。

(3)、QoS评估

本模块是业务组合功能中重要模块之一，主要功能是根据所组合的原子业务的特性及其Petri网的逻辑结构来计算组合后的新业务的总体QoS指标。本模块的核心是以Petri网状态转移矩阵为基础，根据转移的输出库所最终状态的结果进行特征分析来获取组合Petri网的逻辑结构，进而依据不同的逻辑结构分别按序进行QoS计算。以四种基本的业务组合逻辑结构：顺序、并行(与)、选择(或)以及循环方式来说明实现方法，这四种基本逻辑结构是分析和计算复杂结构的组合业务QoS的基础。

以Petri网数学分析中的状态转移矩阵的生成方法及状态转移递归公式为工具，来进一步对组合逻辑进行分析，提取特征进而计算业务总体QoS。

首先根据式(1)得到该结构的状态转移矩阵L_DP ^*，其中，D^-与D⁺分别为该Petri网的输入与输出矩阵(它们都是n×m的矩阵，其中n表示库所数目，m表示变迁数目，输入矩阵D^-中元素d_ij为1表示库所p_i是变迁t_j的输入，否则d_ij为0，输出矩阵D⁺同理)，diag(t_i)为该Petri网所有变迁t_i组成的对角阵，得到的L_DP ^*为一个n×n的矩阵(n表示库所数目)。然后根据式(2)状态转移递归公式得出Petri网各k状态下的状态矩阵M，最后通过对M中的输出库所的代数分析得到Petri网的逻辑结构。

L_DP*＝D^-·diag(tⁱ)·(D⁺)^T     (1) 

M(k+1)＝M(k)·L_DP ^*   (2) 

下面详细说明四种基本业务组合逻辑的QoS评估方法，并以此为基础来评估复杂结构的组合业务的QoS。

①、顺序结构 

如图4所示的Petri网顺序结构，据图我们可以分别得到其输入矩阵D^-、输出矩阵D⁺及变迁组成的对角阵diag(t_i)如下：

$D^{-}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right),D^{+}=\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ 1& 0\\ 0& 1\end{array}\right),\mathrm{diag}\left(t_i\right)=\left(\begin{array}{cc}{t}_1& 0\\ 0& t_2\end{array}\right);$

其状态转移矩阵为：

${L_{\mathrm{DP}}}^{*}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}{t}_1& 0\\ 0& t_2\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& t_1& 0\\ 0& 0& t_2\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

则根据库所标识状态转移递归公式

$M(k+1)=M\left(k\right)\&CenterDot;{L_{\mathrm{DP}}}^{*}=\left[\begin{array}{ccc}{p}_1& p_2& p_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}0& t_1& 0\\ 0& 0& t_2\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

设定初始状态M(0)＝[p₁ 0 0]其中p₁为库所P₁的初始状态的令牌数，则通过递归得到M(1)＝[0  p₁·t₁ 0]，M(2)＝[0 0 p₁·t₁·t₂]，对最终状态[0 0 p₁·t₁·t₂]其中的输出库所项(第三项)进行分析：

令|t_i|的取值范围为0或1(|t_i|表示变迁权值，0表示变迁不发生，1表示变迁发生)，p₁取值范围均为0或1(初始状态库所P₁的令牌数p₁，0表示无相应业务资源，1表示有业务资源)。根据Petri网中库所令牌资源数的有界性，同时考虑该Petri网过程中无死锁，顺利执行的条件，则所得到的最终状态输出库所P₃的令牌资源数须为1。则这里p₁·t₁·t₂中当且仅当p₁＝1，|t₁|＝1，|t₂|＝1。

由以上特征可分析出此基本顺序组合方式的逻辑结构特征：两个业务S_A、S_B顺序组合(这里用符号S_A⊙S_B表述顺序组合)，其Petri网的输出结果形如P_A·P_B，(这里变量P_A、P_B分别指代状态转移结果中代表相应业务的库所与变迁的变量运算，本例中P_A为p₁·t₁，P_B为t₂)只有两者同时都为1，此结构才顺利执行。多个业务同理。

这里给出该基本结构——顺序组合下的总体QoS计算方法及原理。以业务S_i来对应结构中相应库所的原子业务资源(如图4，用原子业务S₁、S₂分别表示库所P₁、P₂所指代的业务资源)组合后的总体QoS三项指标(以时延、可靠性、费用)为例说明： 

时延：这里用T(S_i)表示第i个业务S_i的执行所用时延，由于该结构中，下一个业务的开始要以前一个业务的完成(或需要前一业务产生的结果)为前提，故总体时延为各顺序执行的原子业务时延之和。如图4中组合后总体时延为T(S₁)+T(S₂)。

可靠性：R(S_i)表示第i个业务S_i的可靠性(调用成功总次数/调用总次数)，总体可靠性是各顺序执行的业务可靠性之积；

费用：SP(S_i)表示第i个业务S_i的费用，由于所组合业务均要调用，故总体费用为各顺序执行的业务费用之和。

②、并行(与)结构

如图5所示的Petri网与(并行)结构，据图我们可以分别得到其输入矩阵D^-、输出矩阵D⁺及变迁组成的对角阵diag(t_i)如下：

D^-＝(1 1 0)^T，D⁺＝(0 0 1)^T，diag(t_i)＝(t₁)；

其状态转移矩阵为：

$L_{\mathrm{DP}}={\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\end{array}\right]}^T\&CenterDot;t_1\&CenterDot;\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& t_1\\ 0& 0& t_1\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

根据转移矩阵的定义，同一列中的变迁t_i出现k次，则以t_i/k取代原t_i，并由此得到L_DP ^*，则该结构状态转移矩阵为：

${L_{\mathrm{DP}}}^{*}=\left(\begin{array}{ccc}0& 0& \frac{t_1}{2}\\ 0& 0& \frac{t_1}{2}\\ 0& 0& 0\end{array}\right)$

设定初始状态M(0)＝[p₁ p₂ 0]其中p₁、p₂表示库所P₁、P₂的初始状态的令牌数，则通过递归得到M(1)＝[0 0 (p₁+p₂)·t₁/2]，对最终状态[0 0 (p₁+p₂)·t₁/2]其中的输出库所项(第三项)进行分析：

令|t₁|、p₁与p₂取值范围均为0或1，为使输出库所P₃在变迁发生后令牌资源数为1(原理同顺序结构所述)。则这里(p₁+p₂)·t₁/2当且仅当|t₁|＝1，p₁与p₂为1。

由以上特征可分析出此基本并行(与)组合方式的逻辑结构特征：两个业务S_A、S_B进行“与”组合(这里用符号S_A&S_B表示与组合)，其Petri网的输出结果形如(P_A+P_B)·1/2，(同理若是n个业务相与则为系数则为1/n，变量P_A、P_B分别指代状态转移结果中代表相应业务的库所与变迁的变量运算，本例中P_A为p₁·t₁，P_B为p₂·t₁)只有两者同时都为1，此结构才顺利执行。多个业务相与同理。

这里给出该基本结构——并行(与)组合下的总体QoS计算方法及原理。以业务S_i来对应结构中相应库所的原子业务资源(如图5，用原子业务S₁、S₂分别表示库所P₁、P₂所指代的业务资源)组合后的总体QoS三项指标(以时延、可靠性、费用)为例说明：

时延：max{T(Si)}，这里T(S_i)表示第i个业务S_i的执行所用时延，由于此结构中，所有输入库所表示的业务均要并行执行完毕才算顺利完成，故总体时延为执行的业务中完成时间最长的那个业务所需的时延；

可靠性：R(S_i)表示第i个业务S_i的可靠性(调用成功总次数/调用总次数)，由于各业务并行执行且均要求执行完成，故总体可靠性是各执行的业务可靠性之积；

费用：SP(S_i)表示第i个业务S_i的费用，由于该结构各业务均要执行，故总体费用为各并行执行的业务费用之和。、

③、选择(或)结构

如图6所示的Petri网选择(或)结构，据图我们可以分别得到其输入矩阵D^-、输出矩阵D⁺及变迁组成的对角阵diag(t_i)如下：

$D^{-}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right),D^{+}=\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\end{array}\right),\mathrm{diag}\left(t_i\right)=\left(\begin{array}{cc}{t}_1& 0\\ 0& t_2\end{array}\right);$

其状态转移矩阵为：

$L_{\mathrm{DP}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\\ 0& 0\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}{t}_1& 0\\ 0& t_2\end{array}\right]\&CenterDot;{\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\\ 1& 1\end{array}\right]}^T\left[\begin{array}{ccc}0& 0& t_1\\ 0& 0& t_2\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

其状态转移矩阵为：

${L_{\mathrm{DP}}}^{*}=\left(\begin{array}{ccc}0& 0& t_1\\ 0& 0& t_2\\ 0& 0& 0\end{array}\right)$

设定初始状态M(0)＝[p₁ p₂ 0]其中p₁、p₂表示库所P₁、P₂的初始状态的令牌数，则通过库所标识状态转移递归公式得到M(1)＝[0 0 p₁·t₁+p₂·t₂]，对最终状态[0 0 p₁·t₁+p₂·t₂]其中的输出库所项(第三项)进行分析：

令|t₁|、|t₂|、p₁与p₂取值范围均为0或1，为使输出库所P₃在变迁发生后令牌资源数为1(原理同顺序结构所述)。则这里p₁·t₁+p₂·t₂当|t₁|＝1且p₁(k)＝1或者|t₂|＝1且p₂(k)＝1。

由以上特征可分析出此基本选择(或)组合方式的逻辑结构特征：两个业务S_A、S_B进行“或”组合(这里用符号S_A||S_B表示或组合)，其Petri网的输出结果形如P_A+P_B，(这里变量P_A、P_B分别指代状态转移结果中代表相应业务的库所与变迁的变量运算，本例中P_A为p₁·t₁，P_B为p₂·t₂)只有两者同时都为1，此结构才顺利执行。多个业务同理。

这里给出该基本结构——选择(或)组合下的总体QoS计算方法及原理。以业务S_i来对应结构中相应库所的原子业务资源(如图6，用原子业务S₁、S₂分别表示库所P₁、P₂所指代的业务资源)组合后的总体QoS三项指标(以时延、可靠性、费用)为例说明：

时延：其中T(S_i)表示第i个业务S_i的执行所用时延，P_i表示业务S_i执行的概率，由于此结构中，输入库所表示的业务是选择执行，分别对应一定概率，故总体时延可以用各执行业务的数学期望来表示；

可靠性：其中R(S_i)表示第i个业务S_i的可靠性(调用成功总次数/ 调用总次数)，P_i表示业务S_i执行的概率，业务是选择执行，分别对应执行概率，故总体可靠性也是各选择执行业务可靠性的数学期望；

费用：其中SP(S_i)表示第i个业务S_i的费用，P_i表示业务S_i执行的概率，故总体费用也为各选择执行业务费用的数学期望。

④、循环结构 

如图7所示的Petri网循环结构结构，据图我们可以分别得到其输入矩阵D^-、输出矩阵D⁺及变迁组成的对角阵diag(t_i)如下：

D^-＝(1 0)^T，D⁺＝(1 1)^T，diag(t_i)＝(t₁)；

其状态转移矩阵为：

${L_{\mathrm{DP}}}^{*}={\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]}^T\&CenterDot;t_1\&CenterDot;\left[\begin{array}{cc}1& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{t}_1& t_1\\ 0& 0\end{array}\right]$

设定初始状态M(0)＝[p₁ 0]其中p₁表示库所P₁的初始状态的令牌数，则通过递归得到M(1)＝[p₁·t₁ p₁·t₁]，M(2)＝[p₁·t₁ ² p₁·t₁ ²]，M(3)＝[p₁·t₁ ³ p₁·t₁ ³]...对N次状态迁移后的状态M(N)＝[p₁·t₁ ^N p₁·t₁ ^N]其中的输出库所项(第二项)进行分析：

令|t₁|、p₁取值范围均为0或1，为使输出库所P₂在变迁发生后令牌资源数为1(原理同顺序结构所述)。则这里p₁·t₁ ^N当且仅当p₁＝1，|t₁|＝1；且通过分析，与顺序结构不同的是，此结构中每经历一次循环后，输出库所都会产生输出项，且循环的次数N是由人为设定的，故可以计录输出库所中有输出项产生的状态出现的次数n，当n＝N时即表示循环次数完成。

由以上特征可分析出此基本循环组合方式的逻辑结构特征：对某业务S_A进行循环调用(这里用符号A^N表示循环组合)，其Petri网的输出结果形如i·(P_A)^N，(变量P_A指代状态转移结果中代表相应业务的循环体变迁的变量运算，i为循环体的输入库所指代的变量，本例中i为p₁，P_A为t₁)，显然输入与循环体变迁权值同时为1，此结构才顺利执行。

这里给出该基本结构——循环结构下的总体QoS计算方法及原理。以图4为例，用原子业务S₁表示库所P₁指代的业务资源，以组合后的总体QoS三项指标(以时延、可靠性、费用)为例说明：

时延：N·T(S₁)，这里T(S₁)表示库所P₁指代的业务资源S₁的执行所用时延，由于此结构中，业务S₁需要循环执行N次，故总体时延为单个时延与循环次数的乘积；

可靠性：(R(S₁))^N，R(S₁)表示业务S₁的可靠性(调用成功总次数/调用总次数)，由于业务S₁需要循环执行N次，故总体可靠性是N个该业务可靠性相乘；

费用：N·SP(S₁)，SP(S₁)表示业务S₁的费用，总体费用为单个执行的业务费用与循环次 数的乘积。

通过以上具体分析，得到四种基于Petri网业务组合的基本逻辑结构的状态转移结果特征及相应的总体QoS计算方法及原理，总结如表1：

表1四种基本组合逻辑结构与输出特征的映射

表中是以两个原子业务S_A、S_B的组合为例来说明，这里的特征表达式中的变量P_A、P_B分别代表状态转移结果中对应业务S_A和S_B的库所与变迁的运算。过程中遵循的Petri网的规则有：Petri网中库所令牌资源数的安全有界性——Petri网中任一状态下所拥有的令牌数不能超过整数1；Petri网可达、无死锁，顺利执行的条件——Petri网中初始状态只有输入库所拥有一个令牌，状态转移能够到达最终状态，且最终状态只有输出库所拥有令牌，其他库所不拥有。

以上述四种基本逻辑结构及对应的总体QoS计算方法为基础，可以对复杂的组合逻辑结构进行特征分析，在总体QoS评估计算过程中可以采用分解为基本子结构分别计算、再按一定顺序对子结构的QoS进行复合计算的方法的嵌套计算方法进行。

下面以一个稍复杂的组合逻辑结构来说明上述方法的执行过程。

step1：分析获得输入输出矩阵

如图8所示的Petri网结构，据图我们可以分别得到其输入矩阵D^-、输出矩阵D⁺及变迁组成的对角阵diag(t_i)如下：

$D^{-}={\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0\end{array}\right)}^T,D^{+}={\left(\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)}^T,\mathrm{diag}\left(t_i\right)=\left(\begin{array}{cc}{t}_1& 0\\ 0& t_2\end{array}\right);$

step2：求得转移矩阵

${L_{\mathrm{DP}}}^{*}=D^{-}\&CenterDot;\mathrm{diag}\left(t_i\right)\&CenterDot;{\left(D^{+}\right)}^T=\left[\begin{array}{cccc}0& t_1& 0& 0\\ 0& 0& 0& \frac{t_2}{2}\\ 0& 0& \text{0}& \frac{t_2}{2}\\ 0& 0& \text{0}& \text{0}\end{array}\right]$

step3：状态转移递归

设定初始状态M(0)＝[p₁ 0 0 0]其中p₁表示库所P₁的初始状态的令牌数，则通过状态递归并在t₂变迁执行前为状态加入输入库所p₃(根据Petri的变迁发生规则：某个变迁的所有输入库所都有令牌时，此变迁发生)得到，M(1)＝[0 p₁·t₁ p₃ 0]，M(2)＝[0 0 0 (p₁·t₁+p₃)·t₂/2]。

step4：参照基本结构表达式特征分析最终状态输出项表达式以获取组合结构

对最终状态的输出库所项(p₁·t₁+p₃)·t₂/2进行分析：最外层表达式符合并行(与)结构特征，而括号内部的子式p₁·t₁·t₂符合顺序结构特征，故该Petri网组合结构是由先顺序再并行(与)而成的结构，即库所P₁与P₂代表的原子业务S₁、S₂顺序执行，而后再与库所P3代表的原子业务S₃相并行(与)执行，最后流程完成，用符号表示为(S₁⊙S₂)&S₃。

step5：对所得结构分层次计算QoS

在获得该组合的原子业务间的结构和执行顺序后，可对该组合的总体QoS进行计算评估，过程中注意QoS计算的顺序：先里层结构后外层结构。如本例，先对里层结构S₁⊙S₂按照顺序QoS进行计算(S₁与S₂顺序组合后作为整体用M表示)：时延：T(M)＝T(S₁)+T(S₂)；可靠性：R(M)＝R(S₁)·R(S₂)；费用：SP(M)＝SP(S₁)+SP(S₂)。在对外层结构M&S₃按照并行(与)QoS进行计算得到结构总体(用S表示)的QoS指标：时延：T(S)＝max{T(M)，T(S₃)}；可靠性：R(S)＝R(M)·R(S₃)；费用：SP(S)＝SP(M)+SP(S₃)。

(4)、业务库模块 

本模块主要功能是对系统或平台所融合的业务进行注册。按照对原子业务的描述，设有业务开发者信息表、业务基本信息表、业务功能属性表、非功能属性表、业务调用方法表对业务进行注册；各表间通过唯一业务代码作为外键相关联，从而形成一个体系。另外业务库中以数据库或文件形式负责存放和管理所有在册业务的描述。这一模块一方面能够为业务组合提供帮助，另一方面能够为下层支持层指示必要的调用方法、资源需求等信息，成为连接业务组合表示与支持层实际支撑的桥梁。

本发明提供一种对物联网业务进行描述、组合及QoS评估的方法，具体实施方式包括以下模块：单个原子业务的描述模块、业务库模块、逻辑结构控制与业务组合模块、QoS评估模块以及与下层平台支持层的接口模块；其中，

单个原子业务的描述模块，用于对物联网业务从业务的基本信息，业务功能属性、非功能属性、等多个角度进行描述，以便于系统对业务的识别和注册；

业务库模块，用于分类存储所描述的各个物联网业务的信息，在系统中注册物联网业务，以便于业务组合过程对业务的选择以及平台支持层的业务管理操作；

逻辑结构控制与业务组合模块，业务组合人员按照需求将一个较复杂的功能由若干完成基本功能的原子业务组合来完成，在组合过程中对业务组合人员组合业务、生成新业务的过程进行控制，保证组合逻辑的正确性；

QoS评估模块以Petri网的状态转移分析为基础，按所组合模型的Petri网状态转移结果的特征来判断逻辑结构进而分情况对组合的总体QoS指标进行计算；

与下层平台支持层的接口模块，用于将业务组合的关键逻辑流程信息、组合结果相关信息即新业务的描述进行处理，交付系统支撑层以具体分配资源、任务分配与调度进行具体实现。

1、单个原子业务的描述模块，在对物联网业务多个角度进行描述的过程中，使用基于XML的方式，分别从接口参量定义、业务概述、主要操作、QOS等非功能属性、调用(绑定)规范等具体方面分层次进行描述，它们均由自定义的XML标签及属性加以说明。

2、业务库模块的设计主要根据业务描述的信息，按照业务开发者信息、业务基本信息、业务功能属性、非功能性属性、业务调用方法等角度来对业务进行注册。该模块以数据库或文件形式负责存放和管理所有在册业务的描述。这一模块一方面能够为业务组合提供帮助，另一方面能够为下层支持层指示必要的调用方法、资源需求等信息，成为连接业务组合表示与支持层实际支撑的桥梁。

3、在逻辑结构控制与业务组合模块中，我们基于Petri网理论来指导组合过程进行建模。这里我们将Petri网中库所映射为原子业务资源状态；将Petri网的状态变迁映射为原子业务间功能的转换；同时依照Petri网语法规则对组合过程进行监督。该模块主要将原子业务按照规则进行适当组合，建立业务组合的模型，过程中需要对各功能业务的执行顺序、输入输出接口进行编排与匹配。

4、QoS评估模块以Petri网的状态转移分析为基础，按所组合模型的Petri网状态转移结果的特征来判断逻辑结构进而分类分层次对组合的总体QoS进行计算。过程中以并行、选择、顺序、循环四种基本结构为基础，提取相应结果转移特征及QoS计算原理及方法指导复杂结构的QoS评估，具体实施步骤有以下几步：

step1：分析获得Petri网结构输入输出矩阵；

step2：求得转移矩阵；

step3：状态转移递归；

step4：参照基本结构表达式特征分析最终状态输出项表达式以获取组合结构；

step5：根据所得结构按照一定顺序对所得结构分层次计算QoS。

5、与下层平台支持层的接口模块，主要与业务库相协作，负责对新组合业务的注册、与支持层相应的业务管理模块的进行交互以支撑具体实现。用于将业务组合的关键逻辑流程信息、组合结果即新业务的描述进行处理，交付系统支撑层以具体分配资源、任务分配与调度进行具体实现。

Claims (6)

1.一种物联网业务描述、组合及服务质量评估的方法，其特征在于，该方法基于单个原子业务的描述模块、业务库模块、逻辑结构控制与业务组合模块、服务质量QoS评估模块、与平台支持层的接口模块；本方法的基本流程是：

Step1：完成某项功能的物联网业务首先需要通过业务描述模块对此业务的相关信息进行描述；这里的单个原子业务的描述模块，用于对物联网业务从业务的基本信息，业务功能属性、非功能属性，调用方式的角度，使用基于可扩展标记语言XML，分别从接口参量定义、业务概述、主要操作、QoS非功能属性、调用或绑定规范方面分层次进行描述，它们均由自定义的XML标签及属性加以说明；为物联网平台对业务的识别和注册以及后期对业务的发布、选择与组合打下基础；

Step2：业务描述完成后，业务将被注册到业务库模块，这里的业务库模块是平台的持久层，用于分类存储所描述的各个物联网业务的信息，在物联网业务平台中注册业务，这样做一方面能够为业务选择与组合提供必要的信息，另一方面平台支持层可根据业务库进行相应的业务程序的加载、管理操作；

Step3：以上工作完成后，表明业务已加载到平台上即可以通过平台使用此业务功能，此时在服务器端对业务进行组合，这里用到逻辑结构控制与业务组合模块，在此模块业务组合人员按照需求将一个较复杂的功能分解由若干完成基本功能的原子业务组合来完成，使用平台自定义的基于Petri网组合规程，用于在组合过程中对业务组合人员组合业务、生成新业务的过程进行控制，保证组合过程的正确性；

Step4：组合结构完成后需要通过QoS评估模块对此组合结构的业务的总体QoS进行评估，该模块以Petri网的状态转移矩阵和四种基本组合结构即并行-与、选择-或、顺序、循环为基础，通过提取不同结构下的状态转移结果特征来对所组合业务的总体QoS进行计算评估，过程中使用了在业务描述及注册阶段中的业务的非功能属性的相关信息，通过评估来帮助业务组合人员对所组合业务的总体服务质量状况进行了解；

Step5：业务组合与QoS评估完成后，系统的与平台支持层的接口模块将会生成相应组合的逻辑描述及其代码框架，该模块用于将组合过程的关键逻辑、业务间接口顺序的编排、新业务相关参数信息进行处理，交付平台支持层以具体分配资源、程序任务调度进行具体实现。

2.根据权利要求1所述的物联网业务描述、组合及服务质量评估的方法，其特征在于所述单个原子业务的描述模块，在对物联网业务多个角度进行描述的过程中，使用基于可扩展标记语言XML，分别从接口参量定义、业务概述、主要操作、QoS非功能属性、调用或绑定规范方面分层次进行描述，它们均由自定义的XML标签及属性加以说明；业务概述<service_Profile>描述业务提供者相关信息和功能描述信息两部分，包括提供者名称<Profile_provider-name>、联系方式<Profile_provider-contact>、业务的文字性简述<Profile_textDescription>、业务计算所需输入<Profile_Inputparameter>、输出结果<Profile_Outputparameter>、业务运行前的预设条件<Profile_Precondition>和业务运行后的影响<Profile_Effect>；主要操作<service_Operate>描述对外的接口操作即输入操作<Interface_Input>和输出操作<Interface_Output>方法和函数；QoS需求描述是业务的非功能性参量：业务费用<Cost>、请求平均响应时间<Responsetime>、可靠性<Reliability>和平均占用带宽<Bandwidth>属性；调用规范描述是业务的调用方法：包括执行业务所在的位置<Invoke_Source>、端口<Invoke_Port>和通信方式<Invoke_Protocol>。

3.根据权利要求1所述的物联网业务描述、组合及服务质量评估的方法，其特征在于，所述业务库模块，其设计以业务描述的信息为基础，按照其中的业务开发者信息、业务基本信息、业务功能属性、非功能性属性、业务调用方法信息来对业务进行注册。

4.根据权利要求1所述的物联网业务描述、组合及服务质量评估的方法，其特征在于，所述逻辑结构控制与业务组合模块中，基于Petri网理论来指导组合过程进行建模，将Petri网中库所的资源映射为原子业务资源；将Petri网的状态转移映射为不同业务间实现功能的转变；同时依照Petri网语法对规则对组合过程进行语法监督，在Petri网变迁之前的有向弧阶段按需求对原子业务进行筛选，在变迁中，业务组合人员需要按照业务实际运行的流程，对原子业务所执行顺序进行编排、对输入与输出接口进行适当分配，以保证所组合的结果即新业务在运行逻辑和接口参数类型上不存在错误。

5.根据权利要求1所述的物联网业务描述、组合及服务质量评估的方法，其特征在于所述的QoS评估模块以Petri网的状态转移并以并行-与、选择-或、顺序、循环四种基本结构的转移结果表达式特征及相应QoS计算方法为基础，对所组合复杂结构的Petri网状态转移结果的特征分析，来判断逻辑结构进而分类分层次对组合的总体QoS进行计算；具体步骤是：

step1：分析获得Petri网结构输入输出矩阵；

step2：求得转移矩阵；

step3：状态转移递归；

step4：参照四种基本结构表达式特征分析状态输出项表达式以获取组合结构；

step5：根据所得结构按照一定顺序对所得结构分层次计算QoS。

6.根据权利要求1或4所述的物联网业务描述、组合及服务质量评估的方法，其特征在于，与平台支持层的接口模块，负责对新组合业务的注册、与支持层相应的业务管理模块进行交互以支撑具体实现，用于将业务组合的关键逻辑流程信息、业务间接口顺序的编排、组合结果即新业务的描述进行处理，交付平台支持层以分配资源、程序任务调度进行具体实现。