CN111629053B

CN111629053B - 一种可信的地理信息服务自适应组合方法及系统

Info

Publication number: CN111629053B
Application number: CN202010459948.9A
Authority: CN
Inventors: 刘江涛
Original assignee: Shenzhen Planning Land And Real Estate Information Center Shenzhen Spatial Geographic Information Center
Current assignee: Shenzhen Planning Land And Real Estate Information Center Shenzhen Spatial Geographic Information Center
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2040-05-27
Also published as: CN111629053A

Abstract

本发明属于地理信息处理技术领域，涉及一种可信的地理信息服务自适应组合方法及系统。所述可信的地理信息服务自适应组合方法包括步骤：生成候选服务集：将服务请求与服务语义进行语义匹配，对服务请求进行域层次结构的深度递归遍历，生成候选服务集；计算最优服务链：根据各候选服务链的QoS度量参数和误差传播模型计算各候选服务链的可信度，可信度最大的为最优服务链。本发明根据服务QoS度量的反馈信息可对候选服务集进行动态更新，以使服务链更好的满足各类QoS度量的约束，同时，通过对服务进行语义匹配和可信度的量化评估，实现对于地理信息服务的自适应组合。

Description

一种可信的地理信息服务自适应组合方法及系统

技术领域

本发明属于地理信息处理技术领域，涉及一种可信的地理信息服务自适应组合方法及系统。

背景技术

随着地理信息服务的不断发展，可动态组合的服务链为用户提供了一种实现服务、产品或者解决方案的新模型。但由于网络环境的开放性、动态性以及数据质量和计算模型的差异性，导致地理信息服务的QoS具有很强的不确定性，从而影响了服务的可信性。如何提供可靠地理信息服务是地理信息服务领域研究的难点。

在传统的Web服务领域，可信服务组合包括动态组合、基于规则的组合、流程自适应、监控和恢复等多种优化方法。然而可信地理信息服务组合仍处在研究的初级阶段，尽管相关国际标准提供了一种基于语法的服务组合框架，其缺乏对于QoS的支持。目前单纯基于语义和语法的服务组合方法，不能满足运行环境和用户需求的动态变化。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可信的地理信息服务自适应组合方法，以实现对地理信息服务的自适应组合，使地理信息服务链能更好的满足用户对于服务语义和QoS的约束的需求。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可信的地理信息服务自适应组合方法，包括如下步骤：

生成候选服务集：将服务请求与服务语义进行语义匹配，对服务请求进行域层次结构的深度递归遍历，生成候选服务集；

计算最优服务链：根据各候选服务链的QoS度量参数和误差传播模型计算各候选服务链的可信度，可信度最大的为最优服务链。

进一步的，所述语义匹配包括服务分类和服务关系的语义匹配。

进一步的，所述生成候选服务集的步骤包括候选服务集更新步骤，根据对QoS度量的反馈，对候选服务集进行动态更新。

进一步的，所述QoS度量参数包括服务链响应时间、服务链匹配度和服务链可靠性。

进一步的，所述服务链响应时间包括串行结构的响应时间和并行结构的响应时间。

进一步的，所述服务链匹配度根据服务概念与服务语义的概念之间的曼哈顿距离确定。

进一步的，所述服务链的可靠性为候选服务链中各服务的可靠性总和的平均值。

进一步的，所述误差传播模型的误差传播函数：

进一步的，所述可信度由概率密度函数的参数元素确定，所述概率密度函数：

式中0≤ρ≤1，a≥0，β≥0，

其中a表示正指标，β表示负指标；

则可信度：式中r＝a+1，f＝β+1，

其中r表示正指标样本，f表示负指标样本。

此外，本发明还提供了一种可信的地理信息服务自适应组合系统，包括存储器、服务器和多个服务客户端，所述存储器中包括可信的地理信息服务自适应组合程序，该可信的地理信息服务自适应组合程序被所述处理器执行时实现如下步骤：

本发明的有益效果：

本发明根据服务QoS度量的反馈信息可对候选服务集进行动态更新，以使服务链更好的满足各类QoS度量的约束；同时，通过对服务进行语义匹配和可信度的量化评估，实现对于地理信息服务的自适应组合，使地理信息服务链能更好的满足用户对于服务语义和QoS度量的约束需求。

附图说明

附图1是可信的地理信息服务自适应组合系统的结构示意图；

附图2是可信的地理信息服务自适应组合方法的流程示意图；

附图3是仿真实验的结果示意图。

具体实施方式

应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在分布式的网络环境中，地理信息服务需要关注网络延迟、数据丢包和传输序列等网络传输因素，也需要关注精度、完整性、现势性和数据类型等数据固有质量因素，地理信息计算模型的误差也会导致服务质量的下降，此外若用户对于QoS进行反馈，用户需求也可以作为QoS评估因素。因此需要从网络QoS、数据质量、误差模型、用户需求等多个方面对地理信息服务QoS本体建模予以考虑。同时，为了服务的自动组合，需要对于服务、数据、领域概念进行语义描述和本体定义。领域本体包含对服务分类和关系的语义描述，以便支持服务的动态选择和组合。

本发明涉及的本体描述主要包括质量度量、质量范围、度量单位、域和用户需求几个方面。域本体在特定领域定义所使用的概念，是上层本体的特例化；与域本体相关的是服务本体、数据质量本体和QoS本体。服务本体定义了各种服务的分类；数据质量本体定义了地理信息数据质量的常见概念，包括数据质量元素、数据质量度量、误差传播模型和质量计算模型。QoS本体定义了描述QoS的概念，其核心概念包括QoS范围、QoS度量和QoS组合模型。

本发明提供了一种可信的地理信息服务自适应组合系统，参照附图1所示，是本发明可信的地理信息服务自适应组合系统一实施例的示意图。

所述可信的地理信息服务自适应组合系统，包括服务状态缓存模块、处理器模块、网络接口以及服务客户端集群；所述处理器模块包括服务状态观察器、QoS管理器和服务匹配器。

所述服务客户端集群发起服务请求，形成候选服务链，并对各服务结果进行评估后，对QoS度量反馈。

所述服务状态观测器，用于记录服务的服务执行时间、数据的传输时间以及服务负载情况等与服务运行状态相关的QoS度量参数，并将观测结果记录在服务状态缓存中。

所述QoS管理器，根据候选服务链中服务的各类QoS度量参数计算服务的可信度，并根据服务客户端的反馈和历史状态对候选服务链的QoS度量进行动态更新。

所述QoS管理器包括直接QoS管理和间接QoS管理。其中直接QoS管理包括对数据质量、计算误差模型和误差传播模型的控制，QoS管理器通过服务客户端集群提供的QoS度量语义中获取相关的QoS度量参数，匹配对应的模型并进行组合，形成候选服务链。实施例中，所述语义匹配包括服务分类和服务关系的语义匹配。

所述间接QoS管理对服务的通信数据进行监测，对每次服务运行期相关的QoS度量参数信息进行记录，同时监测组合服务的用户反馈，并将检测结果记录在服务状态缓存中。

实施例中，所述QoS管理器中还包括服务链构造器，用于生成服务语义；同时，所述服务链构造器根据服务客户端反馈和历史状态动态对服务语义进行更新。

所述服务匹配器，根据服务链构造器提供的服务语义，对候选服务链中的服务QoS度量语义进行服务语义匹配，选择合适的服务由服务链构造器组成最优服务链，进行最终计算。

在一些实施例中，所述个体服务的QoS度量包括服务响应时间、服务匹配度和服务可靠性。

所述服务匹配度指服务语义匹配度，服务语义匹配度两个概念的相似度，当两个概念的相似度越大，则语义的匹配度越大，语义匹配度由两个概念之间的曼哈顿距离决定。所述服务匹配度为用户需求和QoS本体各个度量参数之间曼哈顿距离均值；服务匹配度为相似度的单调函数，当服务语义和用户需求完全一致时，语义距离为0，相似度为1，

所述服务响应时间，指提交服务请求到得到服务响应结果所花费的时间；响应时间包括服务执行时间、往返消息延时、获取数据资源的等待时间和数据处理时间。

所述服务可靠性，指服务保持正常响应的频率，当服务的平均失效时间越短，则服务可靠性越低。

具体实施中，所述服务响应时间和服务可靠性受硬件环境、网络环境、数据量等多种因素的影响，因此其参数在分布上表现为随机变量；但由于其参数分布未知，本发明采取日志样本的性质对于参数总体进行评估，距估计所得的一、二阶估计值都是总体的数据期望和方差的无偏估计。对于服务gs最近n次的日志：P₁，P₂...P_i...P_n(1≤i≤n)，其参数的期望为：

方差为：

实施例中，所述可信度

在另外一些实施例中，所述个体服务的QoS度量还可包括其他度量指标。

对于选择一个独立的服务个体，概念需要包含输入参数规则以便明确请求的输入参数，同时需要包含输出参数规则来确定输出参数。对于服务链的组合，候选的前驱服务和后继服务，其参数需要与目标服务相匹配。服务请求概念中的需要包含输入参数规则来确定输入参数在服务链中的后继服务；需要包含输出参数规则来明确服务链中的后继服务。

若进行动态的路径规划，QoS约束可以根据服务转移概率最大的进行，实现组合时的动态组合，但是因为转移概率比较难估计，本发明根据语义匹配出所有候选的服务链，并根据服务链的总体可信度选择服务组合的实际构造路径，服务组合策略实际是上自适应组合过程中的多路径选择策略，把服务链的路径规划问题，简化为对服务链可信度大小的比较问题。

在一些实施例中，所述服务链的路径串行、并行、选择和循环四种结构，可以将四种结构分解成不同的执行路径。本实施例中，简化所得执行路径为一个只包括串行和并行结构的有向无环图。因此，本实施例中，服务链路径选择只考虑并行和串行两种结构。

对于串行结构，前驱服务的输出数据为后继服务的输入数据，其误差表现为单参数误差；对于并行结构，多个前驱服务输出的数据为后继服务的多个输入参数，其误差表现为多参数误差。无论何种结构，个体服务的输出误差实际取决于自身的误差传播模型。因此，根据误差传播方式的不同，地理信息服务涉及无误差、数据误差和传播误差三种情况。因此，采用误差传播函数E(s)，用于估算一个候选服务链的误差值，可以表示为以下递归函数，

其中σ(d)表示数据固有误差，σ(S，P_s)表示为因服务计算而产生的误差值。

实施例中，对于串行结构，服务链的响应时间为各服务响应时间数学期望之和；对于并行结构，服务链中存在n个服务，存在m组并行服务，每组包含个服务，则服务链响应时间为：

个体服务可靠性取双值0、1，当服务响应时为1、当服务部响应时为0，则个体服务可靠性取值为[0，1]之间，候选服务链中任意服务失效，则会导致候选服务链失效；因此对于候选服务链可靠性的总和取决于所有服务可靠性总和的平均值。日志记录存在m条记录，服务链可靠性的数据期望为：

在计算出候选服务链的各QoS度量参数的分项值后，在将其带入候选服务链的计算公式，候选服务链的可信度期望公式。

实施例中，所述可信度反映其服务质量及可信程度，服务可信度越高，即服务实际执行的结果与用户的期望越接近。由于Web环境的动态性和开放，以及地理信息的不确定性，不同用户对于同一执行结果的满意度也可能不同；因此，实施例中可信度评估综合考虑以上QoS参数指标。根据QoS度量参数对于可信度的不同影响，分为正指标和负指标，正指标取值越大则服务可信度越高，例如服务匹配度、可靠性；负指标取值越大则服务可信度越低，例如响应时间，服务误差等。实施例中，根据贝叶斯系统中的概率密度函数推导可信函数，可信度表示为概率密度函数的参数元素a、β，其中a、β分别表示正指标和负指标。概率密度函数表示为：

式中0≤ρ≤1，a≥0，β≥0；

可信度期望：

式中r＝a+1，f＝β+1，其中r表示正指标样本，f表示负指标样本。

实施例中，所述可信度最大的候选服务链为服务链构造器最终生成的最优服务链。

本发明中还提供了一种可信的地理信息服务自适应组合方法。参考附图2所示，为可信的地理信息服务自适应组合方法的实施例的流程示意图。可信的地理信息服务自适应组合系统的处理器模块在运行过程中，实现如下步骤：

S100：输入服务请求，将服务请求和域本体概念进行语义匹配，组成候选服务链，形成候选服务集；

S110：判断候选服务集中是否还存在候选服务，当存在候选服务时，获取候选服务的参数，初始化服务子链，并执行步骤三；当不存在候选服务时，得出可信度最大的服务链作为最优服务链，任务结束；

S120：存在待循环参数p，判断参数p的概念是否存在子概念，当存在子概念时，以参数p为参数，递归调用本函数，计算服务链节点各QoS度量参数，并回溯到步骤二；当不存在子概念时，则回溯至本步骤开始状态继续进行相应操作。

为了验证方法的有效性，本发明构造了一个DEM和影像的叠加服务链，如表1所示，服务由采用不同采样方法的DEM晕渲服务、不同分辨率的正射影像服务、图层叠加服务、图片输出服务等候选服务组成。其中，S1采用最邻近采样，输出精度最低，但速度最快；S2采用双线性采样，输出精度较高，但速度较慢。

表1候选服务

为了验证上面提出的自适应服务组合方法的有效性和对组合成功率的影响，本发明实现了基于可信的地理信息服务自适应组合方法的系统原型，并在此基础上设计了仿真实验，通过对一系列QoS度量参数对服务链的可信性自适应效果进行评估。基于GeoServer发布地理信息服务，内部推理算法通过Protégé，Racer等工具完成。

为了提高仿真度，实验环境采用Sun T2000，IBM X3650和Pentium Duo 1.8G CPU三类主机上依据表1分别部署并发布了3组相同的候选地理信息服务，并将本文提出的自适应服务组合算法与无QoS的服务组合和单纯基于网络QoS的服务组合的方法进行比较。

参考附图3所示，实验结果表明，同时考虑GIS相关的QoS度量和网络QoS时，服务链的服务质量随着候选服务的波动最小。高精度空间数据处理带来的波动，极大程度上影响了服务链的整体Qos表现。本文的算法自适应维护服务的QoS度量，使用户可以获取到响应速度更快，数据精度更高的服务。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，使得可信的地理信息服务自适应组合系统执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述的实施例，只是本发明的较优选的具体方式之一，本领域的技术员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种可信的地理信息服务自适应组合方法，其特征在于，包括如下步骤：

生成候选服务集：将服务请求与服务语义进行语义匹配，生成候选服务集；

计算最优服务链：根据各候选服务链的QoS度量参数和误差传播模型计算各候选服务链的可信度，可信度最大的为最优服务链；

所述QoS度量参数包括服务链响应时间、服务链匹配度和服务链可靠性；

其中，所述服务匹配度为用户需求和QoS本体各个度量参数之间曼哈顿距离均值；服务匹配度为相似度的单调函数，当服务语义和用户需求完全一致时，语义距离为0，相似度为1；

所述服务响应时间和服务可靠性受硬件环境、网络环境、数据量多种因素的影响，因此其参数在分布上表现为随机变量；但由于其参数分布未知，采取日志样本的性质对于参数总体进行评估，即估计所得的一、二阶估计值都是总体的数据期望和方差的无偏估计。

2.根据权利要求1所述的可信的地理信息服务自适应组合方法，其特征在于，所述语义匹配包括服务分类和服务关系的语义匹配。

3.根据权利要求1或2所述的可信的地理信息服务自适应组合方法，其特征在于，所述生成候选服务集的步骤包括候选服务集更新步骤，根据对QoS度量的反馈，对候选服务集进行动态更新。

4.根据权利要求1所述的可信的地理信息服务自适应组合方法，其特征在于，所述误差传播模型的误差传播函数：

5.根据权利要求1或4所述的可信的地理信息服务自适应组合方法，其特征在于，所述可信度由概率密度函数的参数元素确定，所述概率密度函数：

式中0≤ρ≤1，α≥0，β≥0，

其中α表示正指标，β表示负指标；

则可信度：式中r＝α+1，f＝β+1，

其中r表示正指标样本，f表示负指标样本。

6.一种可信的地理信息服务自适应组合系统，包括服务状态观察器、QoS管理器、服务匹配器和服务客户端集群，其特征在于，所述服务状态观察器、QoS管理器、服务匹配器和服务客户端集群之间执行如下步骤：

7.根据权利要求6所述的可信的地理信息服务自适应组合系统，其特征在于，所述语义匹配包括服务分类和服务关系的语义匹配。

8.根据权利要求6或7所述的可信的地理信息服务自适应组合系统，其特征在于，所述生成候选服务集的步骤包括候选服务集更新步骤，根据对QoS度量的反馈，对候选服务集进行动态更新。