CN105119961B9 - 基于本体的语义Web服务自动组合方法 - Google Patents

基于本体的语义Web服务自动组合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于本体的语义Web服务自动组合方法，方法包括：获取一Web请求服务；从Web服务列表中查找到出口语义与Web请求服务的出口语义匹配的所有Web服务WS；使用“从右向左”匹配组合算法，从Web服务列表中查找出口语义与Web服务WS的入口语义匹配的所有Web服务WS’，并将Web服务WS’和Web服务WS的组合作为新的Web服务WS，直到Web请求服务的所有入口语义与Web服务WS匹配。本发明解决了现有技术中Web服务组合受实际应用场景限制，组合质量低下的问题。

Description

基于本体的语义Web服务自动组合方法
技术领域
本发明涉及Web服务组合技术，尤其涉及一种基于本体的Web服务组合方法，具体来说就是一种基于本体的语义Web服务自动组合方法。
背景技术
Web服务能够克服系统开发过程中的异构问题，而且能避免重复功能的多次开发，提高开发效率和质量。然而，Web服务的功能通常比较简单，并不能满足所有用户的需求，通过Web服务组合技术，能将多个功能单一的Web服务组合起来，实现更强功能。同时，由于Web服务数量众多，通过手工组合耗时耗力且灵活性差，因此，很有必要研究Web服务自动组合技术。
Web服务自动组合技术作为一个研究热点，国内外众多学者都做了大量的研究工作。目前，在Web服务组合技术中，自动组合技术还不成熟，一直处于研究实验阶段，并没有成熟的真正用于应用系统中。主要研究点在组合的成功率、组合质量、组合效率和是否能解决实际问题等方面。已有的研究工作大多集中在提高组合成功率和组合效率上，也就是在更短的时间内更大可能的完成Web服务组合，然而，Web服务组合成功并不代表Web服务调用成功，研究实验的组合方法也并不一定适用于具体应用中，针对这些问题，如何研发出一种能够真正解决实际应用问题的语义Web服务自动组合方法势在必行。
此外，在Web服务自动组合的过程中，有可能会出现“死循环”，这会导致组合既不会成功，也不会失败，而是一直在那个“环”内循环，直至耗尽主机资源，内存溢出后报错，这种情况破坏了系统的稳定性和鲁棒性，但是，已有的研究工作中对此鲜有涉及。
为了让Web服务自动组合技术更具有实用性，中国人民大学的李曼等人提出了一种《基于领域本体的Web服务动态组合》。该Web服务动态组合在领域本体的支持下，以概念相似度为基础，计算Web服务之间的关联度，形成一个优化的服务组合图，然后从服务组合图中查找一条满足要求的路径。
该Web服务动态组合的技术要点在于：
(1)当两个概念在领域本体中存在关系“equivalentClass”或者“subClassOf”时，定义这两个概念为语义相等。(2)使用相似度计算公式计算两个概念的相似度。(3)使用最小服务组合满意度阈值来控制服务组合的质量和效率。
针对上述技术要点，该基于领域本体的Web服务动态组合至少存在如下问题：
(1)该Web服务动态组中Web服务的输入参数和输出参数的个数都是相等，这种情况太理想化了，在实际应用中可能输入参数的其中之一与输出参数匹配组合，或者其它各种情况。该缺点是由于该Web服务动态组在匹配组合时只考虑了输入参数和输出参数的个数相等这一种情况导致的，甚至该方法的例子中仅仅是一个输入参数和一个输出参数。
(2)该Web服务动态组完全依赖领域本体，如果有些参数在领域本体中没有，那么就无法组合，也就是对于Web服务参数处理的范围太窄。该缺点是由于该方法只考虑了使用领域本体增加参数的语义信息来提高组合的质量，却没有考虑领域本体中概念的数量很有限，对于领域本体外的概念力不能及。
(3)该Web服务动态组仅仅对Web服务的参数利用领域本体赋予语义信息，并没有对Web服务本身赋予语义信息，如果两个不同用途的Web服务很巧合的输入参数和输出参数完全相同，那么该方法就无法区别它们。该缺点是由于该方法只考虑了给Web服务的参数添加语义信息，忽视了Web服务自身的语义信息，导致组合的质量并没有那么高。
针对Web服务自动组合时可能出现的“死循环”问题，在单个输入参数和单个输出单数的情况下，中南大学汤益华在《基于OWL-S的语义Web服务自动组合研究》中的解决办法是：匹配组合过的Web服务不再被匹配组合。
该解决办法的关键点在于：前面被匹配组合过的Web服务，在之后的匹配组合过程中不会再被选用，这样就避免了循环的出现。
该办法最大的缺点是：仅仅考虑了单个输入参数和单个输出参数这一种情况，没有广泛的适用性。
因此，如何研发出一种具有广泛适用性的、前能够避免了循环出现的、组合质量和组合效率高的Web服务组合技术依然是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种基于本体的语义Web服务自动组合方法，使用了一种“从右向左”的匹配组合思路，同时使用了领域本体、类别本体和WordNet这三种本体来增强Web服务及其参数的语义信息；使用了基于WordNet的语义相似度计算，还使用了优先级从高到低的完全匹配、语义匹配、同义匹配、近义匹配这四种方式。解决了现有技术中Web服务组合受实际应用场景限制，组合质量低下的问题。
本发明提供一种组合路径标记方法，对每个组合的Web服务标记上路径，利用编程语言的对象继承思想，在组合分支处，后面的Web服务的路径继承前面的路径；规定本路径及其父路径为同一路径；同一路径下匹配组合过的Web服务不再被匹配组合。解决现有技术中避免循环出现的方法仅能应用于单个输入参数和单个输出参数的问题。
本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法，包括：获取一Web请求服务；从Web服务列表中查找到出口语义与Web请求服务的出口语义匹配的所有Web服务WS；使用“从右向左”匹配组合算法，从Web服务列表中查找出口语义与Web服务WS的入口语义匹配的所有Web服务WS’，并将Web服务WS’和Web服务WS的组合作为新的Web服务WS，直到Web请求服务的所有入口语义与Web服务WS匹配。
本发明提供一种基于本体的语义Web服务自动组合方法，使用了一种“从右向左”的匹配组合思路，能够适用于实际应用场景中的0个、1个或多个输入参数和1个输出参数的情况，实际应用的情况大多都包含在内，适用范围广；同时使用了领域本体、类别本体和WordNet这三种本体来增强Web服务及其参数的语义信息，使组合具有更高的质量，使用领域本体给Web服务的输入参数和输出参数赋予语义信息，使用类别本体给Web服务自身赋予语义信息，使用WordNet的同义词集替换参数，扩展参数语义匹配的范围；为了最大限度地扩展参数匹配的范围，使用了基于WordNet的语义相似度计算；为了保证组合质量的同时扩展匹配参数的范围，使用了优先级从高到低的完全匹配、语义匹配、同义匹配、近义匹配这四种方式。
本发明提供一种组合路径标记方法，能够保证在0个、1个或多个输入参数和一个输出参数的情况下，组合时“死循环”不会发生。该组合路径标记方法的关键技术点为：
(1)对每个组合的Web服务标记上路径，利用编程语言的对象继承思想，在组合分支处，后面的Web服务的路径继承前面的路径；规定本路径及其父路径为同一路径。
(2)对现有技术进行改进，该组合路径标记方法为：同一路径下匹配组合过的Web服务不再被匹配组合。
附图说明
下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
图1为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式一的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式二的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式三的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式四的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式五的流程图；
图6为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式六的流程图；
图7为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式七的流程图；
图8为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式八的流程图；
图9为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的流程图；
图10为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的流程图；
图11为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的类别本体示意图；
图12为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的领域本体示意图；
图13为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的组合示意图一；
图14为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的组合示意图二；
图15为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的组合示意图三；
图16为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的组合示意图四；
图17为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的组合示意图五；
图18为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的组合示意图六；
图19为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的组合示意图七；
图20为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的组合示意图一；
图21为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的组合示意图二；
图22为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的组合示意图三；
图23为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的组合示意图四；
图24为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的组合示意图五；
图25为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的组合示意图六；
图26为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的组合示意图七。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
图1为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式一的流程图，如图1所示，所述基于本体的语义Web服务自动组合方法包括：
S1：获取一Web请求服务；
S2：从Web服务列表中查找到出口语义与Web请求服务的出口语义匹配的所有Web服务WS；
S3：使用“从右向左”匹配组合算法，从Web服务列表中查找出口语义与Web服务WS的入口语义匹配的所有Web服务WS’，并将Web服务WS’和Web服务WS的组合作为新的Web服务WS；以及
S4：重复执行步骤S3，直到Web请求服务的所有入口语义与Web服务WS匹配。
参照图1，使用“从右向左”的匹配组合思路，即首先根据Web请求服务的出口语义查找匹配的Web服务WS，如果存在一个Web服务WS的出口语义与Web请求服务的出口语义匹配，可以将Web请求服务的出口语义与Web服务WS的出口语义组合生成组合服务WSC，如果没有找到这样的Web服务WS，组合失败；组合服务WSC也有入口语义和出口语义，入口语义与Web服务WS的入口语义相同，出口语义与Web请求服务的出口语义相同。然后，判断组合服务WSC的入口语义是否与Web请求服务的入口语义全部匹配或者部分匹配或者全部不匹配，若全部匹配，组合成功，部分匹配，标记匹配的Web请求服务的入口语义，若部分匹配或者全部不匹配，需要再查找一个出口语义与组合服务WSC的未标记的入口语义匹配的Web服务WS’，并将将Web服务WS’的出口语义和组合服务WSC入口语义组合，从而形成新的组合服务WSC，判断组合服务WSC的入口语义是否与Web请求服务的入口语义全部匹配或者部分匹配或者全部不匹配，直到Web请求服务的入口语义全部标记，即组合成功，或者没有找到满足条件的Web服务WS或/和Web服务WS’而导致组合失败。
图2为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式二的流程图，如图2所示，在步骤S2之后，所述基于本体的语义Web服务自动组合方法还包括：
S4：判断Web服务WS的入口语义是否与Web请求服务的入口语义匹配；
S5：如果全部匹配，组合成功；以及
S6：如果部分匹配或者全部不匹配，进入步骤S3。
参见图2，如果在Web服务数据库(即Web服务列表)中查找到出口语义与Web请求服务的出口语义相匹配的Web服务WS，判断Web服务WS的入口语义是否与Web请求服务的入口语义匹配；如果全部匹配，组合成功；如果部分匹配或者全部不匹配，进入步骤S3；继续寻找语义出口与Web服务WS的语义入口匹配的Web服务WS’。
图3为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式三的流程图，如图3所示，在步骤S2之后，所述基于本体的语义Web服务自动组合方法还包括：
S7：如果没有找到满足条件的Web服务WS或Web服务WS’，组合失败。
参照图3，如果在Web服务数据库中没有查找到满足条件的Web服务WS或/和Web服务WS’，Web服务组合失败。
本发明的一具体实施例中，语义匹配包括：语义相同和语义相似。语义相似包括：语义为同义词和语义相似度大于等于相似度阈值。语义相同是指语义完全相同。同义语语义，例如，使用WordNet同义词集将Web请求服务的出口语义替换为其同义词，再次查找满足条件的Web服务WS，如果查找到，将Web请求服务的出口语义与Web服务WS的出口语义组合生成组合服务WSC。语义相似度，例如，分别计算Web请求服务的出口语义与每个Web服务WS的出口语义的语义相似度，选择语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务作为满足条件的Web服务WS，再将Web请求服务的出口语义与Web服务WS的出口语义组合生成组合服务WSC，如果此时依然没有找到满足条件的Web服务WS，才认为Web组合失败。本发明的一具体实施例中，相似度阈值可以取0.8、0.85、0.875等数值。
又如，使用WordNet同义词集将组合服务WSC的入口语义替换为其同义词，并再次查找出口语义与Web服务WS的入口语义匹配的所有Web服务WS’，如果查找到，将Web服务WS的入口语义和Web服务WS’的出口语义组合；如果没有查收到，分别Web服务WS的入口语义与每个Web服务WS’的出口语义的语义相似度，选择所有语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务WS’，再将Web服务WS的入口语义与Web服务WS’的出口语义组合生成新的Web服务WS，如果依然没有找到满足条件的Web服务WS’，这时才认为Web组合失败，这样保证Web服务组合不会轻易失败，提高了用户的体验度。本发明的一具体实施例中，相似度阈值可以取0.8、0.85、0.875等数值。
本发明使用了一种“从右向左”的匹配组合思路，能够适用于实际应用场景中的0个、1个或多个入口语义和1个出口语义的情况，实际应用的情况大多都包含在内，适用范围广；同时使用了领域本体(由某个特定领域的概念构成的本体)、类别本体(由多个领域类别构成的本体)和WordNet(普林斯顿大学设计的一种基于认知语言学的英语词典)这三种本体来增强Web服务及其参数的语义信息，使组合具有更高的质量，使用领域本体给Web服务的入口语义和出口语义赋予语义信息，使用类别本体给Web服务自身赋予语义信息，使用WordNet的同义词集替换参数，扩展参数语义匹配的范围；为了最大限度地扩展参数匹配的范围，使用了基于WordNet的语义相似度计算；为了保证组合质量的同时扩展匹配参数的范围，使用了优先级从高到低的完全匹配、语义匹配、同义匹配、近义匹配这四种方式。
图4为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式四的流程图，如图4所示，步骤S2具体包括：
S21：在Web服务列表中查找出口语义与Web请求服务的出口语义匹配的所有Web服务WS；
S22：如果查找到满足条件的Web服务WS，进行下一步，否则，组合失败；
S23：判断满足条件的Web服务WS的入口语义是否与Web请求服务的入口语义全部匹配或者部分匹配或者全部不匹配；
S24：如果全部匹配，组合成功；以及
S25：如果部分匹配或者全部不匹配，标记匹配的Web请求服务的入口语义和匹配的Web服务WS的入口语义。
参照图4，如果在Web服务数据库(Web服务列表)中没有查找到满足条件的Web服务WS，组合失败；如果查找到，判断满足条件的Web服务WS的入口语义是否与Web请求服务的入口语义全部匹配或者部分匹配或者全部不匹配；如果全部匹配，说明组合成功；如果仅部分匹配标记匹配的Web请求服务的入口语义和匹配的Web服务WS的入口语义；如果全部不匹配，不做处理，需要继续组合其它的Web服务WS。
图5为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式五的流程图，如图5所示，否则，组合失败，具体包括：
S221：使用WordNet同义词集将Web请求服务的出口语义替换为其同义词，按照步骤S21的方式再次查找，若找到，跳转步骤S23，否则，进行下一步；
S222：分别计算Web请求服务的出口语义与Web服务列表中每个Web服务的出口语义的语义相似度；以及
S223：判断是否至少存在一个语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务，如果是，将所有语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务作为Web服务WS，跳转步骤S23，如果否，组合失败。
参见图5，如果在Web服务数据库(Web服务列表)中没有查找到出口语义与Web请求服务的出口语义匹配的Web服务WS，此时使用WordNet同义词集将Web请求服务的出口语义替换为其同义词，再次查找，如果查找到，跳转到步骤S23；如果没有查收到，需要分别计算Web请求服务的出口语义与每个Web服务WS的出口语义的语义相似度，选择语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务作为满足条件的Web服务WS，如果依然没有找到满足条件的Web服务WS时，才认为Web组合失败。本发明的一具体实施例中，相似度阈值可以取0.8、0.85、0.875等数值。
图6为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式六的流程图，如图6所示，步骤S3具体包括：
S31：使用“从右向左”匹配组合算法，在Web服务列表中查找出口语义与Web服务WS的未标记的入口语义匹配的所有Web服务WS’；
S32：如果查找到满足条件的Web服务WS’，进行下一步，否则，组合失败；
S33：判断满足条件的Web服务WS’的入口语义是否与Web请求服务的未标记的入口语义全部匹配或者部分匹配；
S34：如果全部匹配，组合成功；以及
S35：如果部分匹配或者全部不匹配，标记匹配的Web请求服务的入口语义和匹配的Web服务WS’的入口语义，将具有未标记入口语义的Web服务WS’的出口语义与对应Web服务WS的未标记的入口语义组合，产生入口语义与Web服务WS’的入口语义相同，出口语义与Web请求服务的出口语义相同的组合Web服务WSC，利用组合Web服务WSC替代Web服务WS，从而形成新的Web服务WS，重新执行步骤S3。
如图6所示，使用“从右向左”匹配组合算法，如果在Web服务列表中没有查找到出口语义与Web服务WS的未标记的入口语义匹配的所有Web服务WS’，组合失败，如果查找到，首先判断满足条件的Web服务WS’的入口语义是否与Web请求服务的未标记的入口语义全部匹配或者部分匹配，如果全部匹配，匹配成功；如果仅部分匹配标记匹配的Web请求服务的入口语义和匹配的Web服务WS的入口语义；如果全部不匹配或仅部分匹配，将具有未标记入口语义的Web服务WS’的出口语义与对应Web服务WS的未标记的入口语义组合，产生入口语义与Web服务WS’的入口语义相同，出口语义与Web请求服务的出口语义相同的组合Web服务WSC，利用组合Web服务WSC替代Web服务WS，继续查找组合Web服务WS’，直到匹配成功或者匹配失败。
图7为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式七的流程图，如图7所示，在步骤S32中，否则，组合失败，具体包括：
S321：使用WordNet同义词集将Web服务WS的未标记的入口语义替换为其同义词，按照步骤S31的方式再次查找，如果找到，跳转步骤S33，否则，进行下一步；
S322：分别计算Web服务WS的未标记的入口语义与Web服务列表中每个Web服务的出口语义的语义相似度；以及
S323：判断是否至少存在一个语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务，如果是，将所有语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务作为Web服务WS’，跳转步骤S33，如果否，组合失败。
参照图7，如果在Web服务数据库(Web服务列表)中没有查找到出口语义与Web服务WS的未标记的入口语义匹配的Web服务WS’，此时使用WordNet同义词集将Web服务WS的未标记的入口语义替换为其同义词，再次查找，如果查找到，跳转到步骤S33；如果没有查收到，需要分别计算Web服务WS的未标记的入口语义与每个Web服务的出口语义的语义相似度，并选择语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务作为满足条件的Web服务WS’，如果依然没有找到满足条件的Web服务WS’时，才认为Web组合失败。本发明的一具体实施例中，相似度阈值可以取0.8、0.85、0.875等数值。
图8为本发明实施例提供的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实施方式八的流程图，如图8所示，在步骤S35中，标记匹配的Web请求服务的入口语义和匹配的Web服务WS’的入口语义之后，还包括：
S351：判断具有未标记入口语义的Web服务WS’的入口语义是否与Web请求服务的出口语义是否匹配；
S352：如果匹配，将Web服务WS’的该入口语义标记为不可用。
参照图8，判断具有未标记入口语义的Web服务WS’的入口语义是否与Web请求服务的出口语义是否匹配，如果匹配，说明如果将Web服务WS’的出口语义与Web请求服务的出口语义组合，这样的Web服务组合是一个死循环，这样的组合过程永远不会结束，直至耗尽资源报错，这时需要将Web服务WS’的该入口语义标记为不可用，后继继续组合中将不再考虑Web服务WS’的该入口语义，这样，Web服务组合时“死循环”不会发生，提高了用户的体验度。
图9为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的流程图，如图9所示，首先给出基于本体的语义Web服务自动组合方法中用到的一些定义和规则：
定义1，本体：一个本体模型，可以用一个三元组表示：
ON＝(C,P,R)
其中，C表示概念的集合，P表示属性的集合，R表示关系的集合。具体的，领域本体用OND表示，类别本体用ONT表示。
定义2，原子服务：一个原子服务是未被组合的简单的Web服务，可以用一个三元组表示：
WS＝(I,O,D)
其中，I表示该服务的输入参数的集合，O表示该服务的输出参数，D表示该服务所属的领域类型，并且I∈OND，O∈OND，D∈ONT。如果有多个输入参数，则I＝(I1，I2，…，In)，WS为Web Service，即是Web服务的缩写。
定义3，服务请求：一个Web服务请求，是服务请求者希望获得的服务或组合服务，用一个三元组表示：
WSR＝(I，O，D)
其中，I表示该服务请求的输入参数的集合，即给出的条件参数，O表示该服务请求的输出参数，即想要获得的结果，D表示该服务所属的领域类型，并且I∈OND，O∈OND，D∈ONT。如果有多个输入参数，则I＝(I1，I2，…，In)，n为正整数。
定义4，服务组合：一个Web服务组合，表示的是两个Web服务接口匹配的信息，可以用一个四元组表示：
WSC＝(WSi，Pm，WSj，Pn)
其中，WSi和WSj表示接口匹配的两个Web服务，Pm和Pn表示这两个Web服务相匹配的参数。并且Pm∈WSi.I或者Pm∈WSi.O,Pn∈WSj.I或者Pn∈WSj.O，i，j，m，n均为正整数。
规则1，对于服务WSi和服务请求WSRk，若满足且那么服务WSi与服务请求WSRk出口语义匹配，k为正整数。
规则2，对于服务请求WSRk和服务WSi，若WSRk.I和WSi.I都有n个输入参数，且满足(x＝1，…，n)和那么服务请求WSRk与服务WSi入口语义匹配，x为正整数。
规则3，对于服务请求WSRk和服务WSi，若它们既满足入口语义匹配，又满足出口语义匹配，那么服务请求WSRk与服务WSi语义匹配。
规则4，对于服务请求WSRk和服务WSi，其中WSRk.I有m个输入参数，WSi.I有n个输入参数，且m>n，若满足若∈n，使得且那么服务请求WSRk与服务WSi部分入口语义匹配。
规则5，对于服务WSi、服务WSj和服务请求WSRk，若满足 且那么服务WSi与服务WSj接口语义匹配。
规则6，对于服务WSi、服务WSj和服务请求WSRk，其中WSi.O有一个输出参数，WSj有n个输入参数，且n>1，若满足若满∈n使得且那么服务WSi与服务WSj部分接口语义匹配。
下面，描述本发明的这种改进的基于本体的语义Web服务自动组合方法的步骤流程：
第一步：查找第一个与服务请求WSR出口语义匹配的服务WSi，若未找到，继续下一步，否则，跳到第四步；
第二步：使用WordNet同义词集把WSR.O替换为其同义词，按照第一步再次查找，若未找到，继续下一步，否则，跳到第四步；
第三步：分别计算WSR.O与每个WS.O的语义相似度，选择第一个相似度大于等于相似度阈值的服务WSi，继续下一步，否则，服务组合失败；
第四步：将WSR.O与WSi.O组合，并生成服务组合WSCi，继续下一步；
第五步：判断WSR.I是否与WSi.I入口语义匹配或者部分入口语义匹配，若匹配，则将WSR.I中匹配的参数做标记；判断WSR.I的所有输入参数是否都已被匹配，若都已被匹配，则跳到第十一步，否则，继续下一步；
第六步：如果WSi.I只有一个输入参数，则查找第一个与服务WSi接口语义匹配的服务WSj，若未找到，继续下一步，否则，跳到第九步；如果WSi.I有多个输入参数，则查找第一个与服务WSi部分接口语义匹配的服务WSj，若未找到，继续下一步，否则，跳到第九步；
第七步：使用WordNet同义词集把WSi.I替换为其同义词，按照第六步再次查找，若未找到，继续下一步，否则，跳到第九步；
第八步：分别计算WSi.I与每个WS.O的语义相似度，选择第一个相似度大于等于相似度阈值的服务WSj，继续下一步，否则，服务组合失败；
第九步：将WSj.O与WSi.I组合，并生成服务组合WSCj，继续下一步；
第十步：循环进行第五步至第九步过程，直到组合失败或者跳到第十一步；
第十一步：按照生成的所有服务组合WSC将Web服务组合起来，生成服务组合方案。
图10为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例二的流程图，如图10所示，避免死循环的路径标记方法的步骤流程：
第一步：如果Web服务有一个输入参数，后面与之匹配的服务的新路径与其路径相同；如果有多个输入参数，后面与之匹配的服务的路径继承该服务的路径，并且，新路径＝该服务路径+分支号，继续下一步。
第二步：寻找与前面的服务相匹配的Web服务，如果找到这样的Web服务，根据第一步获取的新路径判断在该新路径的同一路径下是否已存在该Web服务。如果存在，候选Web服务中去掉该服务，重新执行第二步；如果不存在，继续下一步。
第三步：将匹配的Web服务与前面的服务进行组合，并且保存该匹配的Web服务的组合路径。针对该匹配的Web服务，执行第一步。
由于该组合路径标记方法是基于自动组合方法的，为了便于描述，这里不再介绍服务组合的内容，仅介绍在查找匹配Web服务时如何避免死循环。
参见图10，下面为本发明提供的一种改进的基于本体的语义Web服务自动组合方法的实例分析：
实例：一个用户想要得到一个剧目演出当天的天气情况，服务请求WSR＝((play，date_time)，weather_condition，show)，以演出剧目play和演出时间date_time作为输入，以天气情况weaher_condition作为输出，这个WSR属于演出领域show。这里，语义相似度的最小阈值为0.85。该实例用到的所有Web服务如表1所示。
表1 Web服务列表
该实例用到词语的同义词列表如表2所示，表2为词语的同义词列表：
表2 词语的同义词列表
词语 WordNet中的同义词 描述
play Drama，dramatic_play 演出剧目名称
construction building 建筑物
weather_condition weather，conditions，atmospheric_condition 天气情况
图11为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的类别本体示意图，图12为本发明的一种基于本体的语义Web服务自动组合方法的实际应用示例一的领域本体示意图。如图11、图12所示，该实例的组合步骤如下：
1)“从右向左”开始Web服务的查找、匹配和组合。先查找与WSR出口语义匹配的Web服务，即查找满足且的WSi，已知WSR.O＝“weather_condition”，WSR.D＝“show”，从表1中没有找到满足条件的WSi。然后，根据WordNet同义词集，将“weather_condition”替换为其同义词，由表2可知，它的同义词集为{weather,conditions,atmospheric_condition}，先选第一个“weather”替换“weather_condition”，继续查找与WSR出口语义匹配的Web服务。此时，发现WS5＝((city,date),weather,thing)满足和因此，WS5.O与WSR.O匹配，将WS5与WSR组合，如图13所示。
2)先判断WSR.I是否都已被匹配，这里WSR.I都未被匹配。然后判断WSR与WS5是否入口语义匹配或部分入口语义匹配，WS5.I＝(city,date)，这里它们不匹配。接下来，查找与WS5部分接口语义匹配的Web服务，由于WS5有两个输入参数，因此需要找两个WSi和WSj分别与WS5的两个输入参数匹配。这里，先找与WS5.I2＝“date”部分接口语义匹配的服务，从表1中可以找到WS2＝(date_time,date,thing)满足和因此，WS2与WS5匹配，将WS2与WS5组合，如图14所示。
3)先判断WSR.I是否都已被匹配，这里WSR.I都未被匹配。然后判断WSR与WS2是否入口语义匹配或部分入口语义匹配，WS2.I＝(date_time)，这里WSR与WS2部分入口语义匹配，满足因此，WSR与WS2匹配，将WSR与WS2组合，如图15所示。
4)此时，WS5.I2这条组合线路已经递归结束，现在开始处理WS5.I1这条组合线路。查找与WS5.I1＝“city”部分接口语义匹配的服务，从表1中可以找到WS4＝(place,city)满足和因此，WS4与WS5匹配，将WS4与WS5组合，如图16所示。
5)先判断WSR.I是否都已被匹配，这里WSR.I的“play”未被匹配。然后判断WSR与WS4是否入口语义匹配或部分入口语义匹配，WS4.I＝(place)，这里它们不匹配。然后，查找与WS4接口语义匹配的Web服务，参照图12中“place”是“address”的父节点，从表4-4中可以找到WS3＝(construction,address)满足 和因此，WS3与WS4匹配，将WS3与WS4组合，如图17所示。
6)先判断WSR.I是否都已被匹配，这里WSR.I的“play”未被匹配。然后判断WSR与WS3是否入口语义匹配或部分入口语义匹配，WS3.I＝(construction)，这里它们不匹配。接着查找与WS3接口语义匹配的Web服务，从表1中未找到匹配的服务。下面，根据WordNet同义词集，将“construction”替换为其同义词，由表2可知，“weather_condition”的同义词集为{building}，用“building”替换“construction”，继续查找与WS3接口语义匹配的Web服务，结果还是未找到。最后，使用语义相似度算法分别计算WS3.I与每个WS.O的语义相似度，选取第一个语义相似度大于等于0.85的服务WS1，这里，通过计算，WS3.I＝“construction”与WS1.O＝“theater”的语义相似度为0.875。因此，WS1与WS3匹配，将WS1与WS3组合，如图18所示。
7)先判断WSR.I是否都已被匹配，这里WSR.I的“play”未被匹配。然后判断WSR与WS1是否入口语义匹配或部分入口语义匹配，WS1.I＝(drama,date_time)，这里WSR与WS1入口语义匹配。因为根据表2，将WSR.I中的“play”替换同义词“drama”后，参照图12，发现WSR与WS1满足和因此，WSR与WS1匹配，将WSR与WS1组合，而此时WSR.I都已经被匹配，Web服务组合就此结束，如图19所示。
通过上述七个步骤完成Web服务组合，就满足了通过剧目和时间获得该剧目演出当天天气情况的需求。
如图10所示，一种组合路径标记方法的实例分析。
实例：WSR的输入参数为a和b，输出参数为f。该实例的候选Web服务如表3所示，表3为候选Web服务列表。
表3 候选Web服务列表
服务名称 输入参数 输出参数
A f c
B b d
C a c
D c e
E d，e f
该实例的组合步骤如下：
1)“从右向左”开始Web服务的查找、匹配和组合。先查找与WSR出口语义匹配的Web服务，WSR的输出参数为f，从表3中发现服务E与之匹配，将服务E的组合路径标记为1，并将服务E与WSR组合。如图20所示。
2)检查服务E，发现服务E有两个输入参数，那么查找与服务E相匹配的服务时，有两条分支。第一条分支继承服务E的路径，并加上分支号1后，新路径为11；第二条分支继承服务E的路径，并加上分支号2后，新路径为12。如图21所示。
3)从表3中分别查找与服务E两个输入参数d和e相匹配的Web服务。与服务E的参数d相匹配的为服务D，其路径标记为11，在路径11的同一路径(服务E)下，未发现其它服务D，将服务D与服务E组合；与服务E的参数e相匹配的为服务B，其路径标记为12，在路径12的同一路径(服务E)下，未发现其它服务B，将服务B与服务E组合。如图22所示。
4)检查服务D，发现服务D只有一个输入参数，那么与服务D相匹配的服务的路径也标记为11，从表3中发现服务A与其相匹配，其路径标记为11，在路径11的同一路径(服务D、服务E)下，未发现其它服务A，将服务A与服务D组合；检查服务B，发现服务B与WSR有相同的输入参数b，将WSR与服务B组合。如图23所示。
5)检查服务A，发现服务A只有一个输入参数，那么与服务A相匹配的服务的路径也为11，从表3中发现服务E与其匹配，其路径标记为11，在路径11的同一路径(服务A、服务D、服务E)下，发现已有服务A，那么舍弃此次与服务A的组合，否则会出现图24所示的死循环。继续查找，发现没有其它的服务与A相匹配，那么舍弃已组合的服务A，继续查找与服务D相匹配的Web服务(服务A除外)，发现服务C与服务D相匹配，并且按照前面的条件不会形成死循环，将服务C与服务D组合，如图25所示。
6)发现服务C与WSR有相同的输入参数a，直接将WSR与服务C组合，至此，整个服务组合结束，如图26所示。
通过上述六个步骤，完成了该实例的需求。本实例的关键点在于通过组合路径标记算法避免了图24所示的死循环的发生，如果不采用该算法，将会出现服务A、服务D和服务E三个服务首尾相接的情况，那么这个组合过程永远不会结束，直至耗尽资源报错。
本发明提供一种基于本体的语义Web服务自动组合方法及装置，使用了一种“从右向左”的匹配组合思路，能够适用于实际应用场景中的0个、1个或多个输入参数和1个输出参数的情况，实际应用的情况大多都包含在内，适用范围广；同时使用了领域本体、类别本体和WordNet这三种本体来增强Web服务及其参数的语义信息，使组合具有更高的质量，使用领域本体给Web服务的输入参数和输出参数赋予语义信息，使用类别本体给Web服务自身赋予语义信息，使用WordNet的同义词集替换参数，扩展参数语义匹配的范围；为了最大限度地扩展参数匹配的范围，使用了基于WordNet的语义相似度计算；为了保证组合质量的同时扩展匹配参数的范围，使用了优先级从高到低的完全匹配、语义匹配、同义匹配、近义匹配这四种方式。
本发明至少还具有以下有益效果：
(1)本发明同时采用类别本体和领域本体来增加Web服务及其输入参数和输出参数的语义信息，提高了服务组合的质量。
(2)本发明采用“从右向左”的组合思想，支持0个、1个或多个输入参数和一个输出参数的情况，这些情况基本涵盖了实际应用中的所有Web服务。
(3)本发明采用WordNet的同义词集和语义相似度计算来扩展Web服务参数匹配时的范围，提高组合的成功率。
(4)本发明避免死循环的组合路径标记方法能够解决本组合方法的死循环问题，在组合时避免死循环的发生。
(5)使用了一种“从右向左”的匹配组合思路，能够适用于实际应用场景中的0个、1个或多个输入参数和1个输出参数的情况，实际应用的情况大多都包含在内，适用范围广。
(6)同时使用了领域本体、类别本体和WordNet这三种本体来增强Web服务及其参数的语义信息，使组合具有更高的质量；还使用类别本体给Web服务自身赋予语义信息；还使用WordNet的同义词集替换参数，扩展参数语义匹配的范围。
(7)为了最大限度地扩展参数匹配的范围，使用了基于WordNet的语义相似度计算。
(8)结合上面三点，为了保证组合质量的同时扩展匹配参数的范围，使用了优先级从高到低的完全匹配、语义匹配、同义匹配、近义匹配这四种方式。
(9)对每个组合的Web服务标记上路径，利用编程语言的对象继承思想，在组合分支处，后面的Web服务的路径继承前面的路径；规定本路径及其父路径为同一路径，同一路径下匹配组合过的Web服务不再被匹配组合。
(10)服务组合时完全匹配、语义匹配、同一匹配、近义匹配这种四级匹配的方式。
(11)服务组合避免死循环时，组合路径标记方法中对象继承思想的使用。
上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)中执行的执行上述程序的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)执行的多种功能。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于本体的语义Web服务自动组合方法，其特征在于，所述基于本体的语义Web服务自动组合方法包括：
S1：获取一Web请求服务；
S2：从Web服务列表中查找到出口语义与Web请求服务的出口语义匹配的所有Web服务WS；
S3：从Web服务列表中查找出口语义与Web服务WS的入口语义匹配的所有Web服务WS’，并将Web服务WS’和Web服务WS的组合作为新的Web服务WS；以及
S4：重复步骤S3，直到Web请求服务的所有入口语义与Web服务WS的入口语义匹配；
步骤S2具体包括：
S21：在Web服务列表中查找出口语义与Web请求服务的出口语义匹配的所有Web服务WS；
S22：如果查找到满足条件的Web服务WS，进行下一步，否则，组合失败；
S23：判断满足条件的Web服务WS的入口语义是否与Web请求服务的入口语义全部匹配或者部分匹配或者全部不匹配；
S24：如果全部匹配，组合成功；以及
S25：如果部分匹配或者全部不匹配，标记匹配的Web请求服务的入口语义和匹配的Web服务WS的入口语义；
步骤S3具体包括：
S31：使用“从右向左”匹配组合算法，在Web服务列表中查找出口语义与Web服务WS的未标记的入口语义匹配的所有Web服务WS’；
S32：如果查找到满足条件的Web服务WS’，进行下一步，否则，组合失败；
S33：判断满足条件的Web服务WS’的入口语义是否与Web请求服务的未标记的入口语义全部匹配或者部分匹配；
S34：如果全部匹配，组合成功；以及
S35：如果部分匹配或者全部不匹配，标记匹配的Web请求服务的入口语义和匹配的Web服务WS’的入口语义，将具有未标记入口语义的Web服务WS’的出口语义与对应Web服务WS的未标记的入口语义组合，产生入口语义与Web服务WS’的入口语义相同，出口语义与Web请求服务的出口语义相同的组合Web服务WSC，利用组合Web服务WSC替代Web服务WS，从而形成新的Web服务WS。
2.如权利要求1所述的基于本体的语义Web服务自动组合方法，其特征在于，语义匹配包括：语义相同和语义相似。
3.如权利要求2所述的基于本体的语义Web服务自动组合方法，其特征在于，语义相似包括：语义为同义词和语义相似度大于等于相似度阈值。
4.如权利要求1所述的基于本体的语义Web服务自动组合方法，其特征在于，在步骤S22中，否则，组合失败，具体包括：
S221：使用WordNet同义词集将Web请求服务的出口语义替换为其同义词，按照步骤S21的方式再次查找，若找到，跳转步骤S23，否则，进行下一步；
S222：分别计算Web请求服务的出口语义与Web服务列表中每个Web服务的出口语义的语义相似度；以及
S223：判断是否至少存在一个语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务，如果是，将所有语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务作为Web服务WS，跳转步骤S23，如果否，组合失败。
5.如权利要求1所述的基于本体的语义Web服务自动组合方法，其特征在于，在步骤S32中，否则，组合失败，具体包括：
S321：使用WordNet同义词集将Web服务WS的未标记的入口语义替换为其同义词，按照步骤S31的方式再次查找，如果找到，跳转步骤S33，否则，进行下一步；
S322：分别计算Web服务WS的未标记的入口语义与Web服务列表中每个Web服务的出口语义的语义相似度；以及
S323：判断是否至少存在一个语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务，如果是，将所有语义相似度大于等于相似度阈值的Web服务作为Web服务WS’，跳转步骤S33，如果否，组合失败。
6.如权利要求1所述的基于本体的语义Web服务自动组合方法，其特征在于，在步骤S35中，标记匹配的Web请求服务的入口语义和匹配的Web服务WS’的入口语义之后，还包括：
S351：判断具有未标记入口语义的Web服务WS’的入口语义是否与Web请求服务的出口语义是否匹配；
S352：如果匹配，将Web服务WS’的该入口语义标记为不可用。
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