CN113949646B - 一种基于深度学习的Web服务QoS预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于深度学习的Web服务QoS预测方法,其步骤包括:1.获取Web服务数据集;2建立结合局部和全局位置信息的深度协同过滤模型DCLG;3.利用建立好的模型实现预测,以达到预测Web服务QoS值的目的。本发明能克服现有预测模型没有同时考虑用户和服务的局部和全局位置信息的缺陷,并且通过多层感知器获取用户和服务的高维非线性特征,同时结合用户和服务向量的点乘来补充学习低维线性特征,最后在六种不同的稀疏密度下均可取得较好的预测精度。
Description
技术领域
本发明属于服务质量预测领域,具体的说是一种基于深度学习的Web服务QoS预测方法。
背景技术
Web服务数量的不断增长使得了大量具有相似功能的Web服务出现,导致用户很难选择合适的服务,因此从大量具有相似功能的Web服务中选择最佳的Web服务便成为了一个极具挑战性的课题。服务质量(QoS)通常用于描述Web服务的非功能特征(例如响应时间、吞吐量等),但在实际中不太可能得到所有候选服务的QoS值,因此Web服务QoS预测问题便成为了服务推荐的首要挑战。
协同过滤(CF)作为Web服务QoS预测问题最常见的方法,大致可以分为基于记忆的和基于模型的两类。基于记忆的CF方法通常先对用户或服务进行相似度计算,再通过相似用户或服务的值来预测未知的QoS值。该类方法虽易于实现且高效,很好地利用了局部信息,却忽略了全局信息而且受数据稀疏性的影响很大。基于模型的CF方法可以通过用户-服务矩阵中的所有QoS值来构建用于预测QoS值的全局模型。该类方法利用机器学习、数据挖掘等算法,对用户和服务之间交互进行建模,可以获得用户和服务之间的低维线性关系,但却无法捕获高维非线性关系。
为了解决基于CF方法的不足,学者们便尝试将深度学习用于QoS预测。基于DL的方法主要是根据上下文信息的特征将不同的人工神经网络应用于QoS预测,通过学习用户和服务之间的高维非线性特征来提高预测精度。例如张等将MLP与自适应校正器(AC)结合来预测未知的QoS值,但只考虑了用户和服务的局部位置信息而忽略了全局位置信息。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处,提出一种基于深度学习的Web服务QoS预测方法,以期能融合用户和服务的局部和全局位置信息,获取用户和服务的低维线性特征和高维非线性特征,从而能在数据稀疏的条件下提高模型预测的精度。
本发明为达到上述发明目的,采用如下技术方案:
本发明一种基于深度学习的Web服务QoS预测方法的特点包括以下步骤:
步骤一:构建输入样本数据;
步骤1.1:获取真实的Web服务数据集,所述Web服务数据集包括:用户ID、用户位置信息、服务ID、服务位置信息;
步骤1.2:使用Python库中机器学习工具将用户位置信息和服务位置信息中的国家名称CN转为整数编码,并选取用户位置信息和服务位置信息中自治系统号ASN的数字部分;从而由用户ID、服务ID、转换后的用户位置信息、转换后的服务位置信息构成四个输入向量;
步骤二:构建结合局部和全局位置信息的深度协同过滤模型DCLG,包括:输入层、嵌入层、交互层、深度协同过滤层以及输出层;
步骤2.1:在输入层分别对四个输入向量使用one-hot进行编码,生成只有一个位置上的元素为“1”,其他元素均为“0”的向量,并相应记为用户u的标识符向量iu、服务s的标识符向量is、用户位置向量lu、服务位置向量ls;
步骤2.2:在嵌入层分别将用户u的标识符向量iu、服务s的标识符向量is、用户位置向量lu、服务位置向量ls分别通过全连接层进行嵌入,相应得到高维的用户u的标识符嵌入向量Iu、服务s的标识符嵌入向量Is、用户位置的嵌入向量Lu、服务位置的嵌入向量Ls;
步骤2.3:在交互层首先通过构造一个函数f用于计算用户位置的嵌入向量Lu和服务位置的嵌入向量Ls之间的耦合关系,得到用户-服务位置信息的耦合矩阵X,再对所述耦合矩阵X进行flatten操作,得到位置信息耦合向量Gl;然后将位置信息耦合向量Gl作为注意力机制的输入,并输出全局位置信息向量Gl′;
步骤2.4:利用向量的合并对用户u的标识符嵌入向量Iu、用户位置的嵌入向量Lu和全局位置信息向量Gl′进行拼接操作得到用户特征向量U;同理,利用向量的合并将服务s的标识符嵌入向量Is、服务位置的嵌入向量Ls和全局位置信息向量Gl′进行拼接操作得到服务特征向量S;
步骤2.5:采用自适应修正器AC,对用户位置的嵌入向量Lu和服务位置的嵌入向量Ls进行相似度计算,得到相似度向量OAC;
步骤2.6:在深度协同过滤层中,先利用向量的数量乘积对用户特征向量U与服务特征向量S的点乘操作,生成用户和服务的交互向量Ointer;再利用向量的合并对用户特征向量U和服务特征向量S进行拼接,得到用户-服务特征向量x1,并作为多层感知机MLP的输入向量,从而输出感知向量Omlp;
步骤三:对深度协同过滤模型DCLG进行训练,并利用式(1)计算Huber损失函数
本发明所述的基于深度学习的Web服务QoS预测方法的特点也在于:
所述步骤2.3中的注意力机制是通过softmax函数对位置信息耦合向量Gl进行计算,得到全局位置信息输出的概率分布,然后通过元素乘积将概率分布与位置信息耦合向量Gl结合,从而利用式(2)得到注意力机制的最终输出全局位置信息向量Gl′:
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、本发明通过构建Web服务QoS模型预测模型,融合了用户和服务的局部和全局位置信息,通过多层感知器获取用户和服务的高维非线性特征,并结合用户和服务向量的点乘来补充学习低维线性特征,有效提高了模型在数据稀疏条件下的预测精度。
2、本发明通过向量的外积和注意力机制有效捕获了用户位置信息和服务位置信息之间的各种耦合关系,从而大大提高了模型的预测精度。
3、本发明通过多层感知机学习用户和服务的高维非线性特征的同时,结合了点乘操作有效补充学习了用户和服务的低维线性特征,从而进一步提高了模型的预测精度。
附图说明
图1为本发明中的DCLG模型图;
图2为本发明中注意力机制示意图。
具体实施方式
本实施例中,一种基于深度学习的Web服务QoS预测方法包括以下步骤:
步骤一:构建输入样本数据;
步骤1.1:获取真实的Web服务数据集,Web服务数据集包括:用户ID、用户位置
信息、服务ID、服务位置信息;
步骤1.2:使用Python库中机器学习工具将用户位置信息和服务位置信息中的国家名称CN转为整数编码,并选取用户位置信息和服务位置信息中自治系统号ASN的数字部分;从而由用户ID、服务ID、转换后的用户位置信息、转换后的服务位置信息构成四个输入向量;
步骤二:构建结合局部和全局位置信息的深度协同过滤模型DCLG,如图1所示,包括:输入层、嵌入层、交互层、深度协同过滤层以及输出层;
步骤2.1:在输入层分别对四个输入向量使用one-hot进行编码,生成只有一个位置上的元素为“1”,其他元素均为“0”的向量,并相应记为用户u的标识符向量iu、服务s的标识符向量is、用户位置向量lu、服务位置向量ls;
步骤2.2:在嵌入层分别将用户u的标识符向量iu、服务s的标识符向量is、用户位置向量lu、服务位置向量ls分别通过全连接层进行嵌入,相应得到高维的用户u的标识符嵌入向量Iu、服务s的标识符嵌入向量Is、用户位置的嵌入向量Lu、服务位置的嵌入向量Ls;
步骤2.3:在交互层首先通过构造一个函数f用于计算用户位置的嵌入向量Lu和服务位置的嵌入向量Ls之间的耦合关系,其具体做法就是将用户位置的嵌入向量Lu和服务位置的嵌入向量Ls进行向量的外积,从而得到用户-服务位置信息的耦合矩阵X,再对耦合矩阵X进行flatten操作,得到位置信息耦合向量Gl;然后将位置信息耦合向量Gl作为注意力机制的输入,通过softmax函数对位置信息耦合向量Gl进行计算,得到全局位置信息输出的概率分布,然后通过元素乘积将概率分布与位置信息耦合向量Gl结合,从而利用式(1)得到注意力机制的最终输出全局位置信息向量Gl′,其过程如图2所示。
步骤2.4:对用户u的标识符嵌入向量Iu、用户位置的嵌入向量Lu和全局位置信息向量Gl′利用向量的合并进行拼接操作得到用户特征向量U,其过程如式(2)所示;同理,将服务s的标识符嵌入向量Is、服务位置的嵌入向量Ls和全局位置信息向量Gl′利用向量的合并进行拼接操作得到服务特征向量S,其过程如式(3)所示,
式(2)和式(3)中,Φ表示拼接操作;
步骤2.5:采用自适应修正器AC,对用户位置的嵌入向量Lu和服务位置的嵌入向量Ls进行相似度计算,得到相似度向量OAC,其过程如式(4)所示:
步骤2.6:在深度协同过滤层中,先利用向量的数量乘积对用户特征向量U与服务特征向量S的点乘操作,生成用户和服务的交互向量Ointer;再利用向量的合并对用户特征向量U和服务特征向量S进行拼接,得到用户-服务特征向量x1,如式(5)所示;
将用户-服务特征向量x1作为多层感知机MLP的输入向量,选择修正线性单元ReLU作为激活函数,使用L2正则化以减缓过拟合现象,经过层数为4层的MLP后从而输出感知向量Omlp,其过程如式(6)-式(9)所示:
步骤三:对深度协同过滤模型DCLG进行训练,并利用式(10)计算Huber损失函数当训练迭代次数达到设定的次数或损失误差达小于所设定的阈值时,训练停止,从而得到最优的深度协同过滤模型DCLG,用于实现QoS预测;
实施例:
为了验证本发明方法的有效性,本实施例选用了WS-Dream公共数据集进行模型验证,QoS值分别为响应时间RT和吞吐量TP,并采用MAE和RMSE作为评估指标。
本实施例选用六种方法和本发明方法进行效果对比,所选方法分别是:UPCC、IPCC、UIPCC、LACF、NCF和LCDF,其中,UPCC、IPCC和UIPCC是传统的协同过滤方法,LACF是基于位置信息的方法,NCF和LCDF基于深度学习的方法。
本实施例测量了六个不同矩阵密度下响应时间RT和吞吐量TP的MAE值和RMSE值。实验结果如表1和表2所示。
表1.RT的实验结果
表2.TP的实验结果
从表1和表2中可以看出,本方法的模型在任何密度下都得到最小的MAE和RMSE值,表明本方法明显优于其他几种方法,特别是在稀疏性较大时,本方法的模型在Web服务QoS预测上具有明显的优势。
另外为了检验步骤2.3全局位置信息对模型预测结果的影响,将模型中全局位置信息模块删除,测量了六个不同矩阵密度下响应时间RT和吞吐量TP的MAE值和RMSE值,消融实验结果如表3和表4所示。
表3.有无全局位置信息的RT实验结果对比
表4.有无全局位置信息的TP实验结果对比
从表3和表4中可以看出,在加入全局位置信息后模型在各个密度下的MAE和RMSE值都较小,即引入全局位置信息可以大大提高模型的预测精度,有效验证了在交互层中模型充分捕获了用户位置信息和服务位置信息的耦合关系。
同样为了验证步骤2.6中用户特征向量U与服务特征向量S的点乘操作对模型预测结果的影响,将模型中点乘操作删除之后测量了六个不同矩阵密度下响应时间RT和吞吐量TP的MAE值和RMSE值,消融实验结果如表5和表6所示。
表5.有无点乘操作的RT实验结果对比
表6.有无点乘操作的TP实验结果对比
从表5和表6中可以看出,点乘操作对模型预测能力有所提升。这说明模型在利用多层感知机MLP来获取用户和服务的高维非线性特征的同时,点乘操作可以补充获取用户和服务的低维和线性特征,从而提高了模型预测的精度。
综上所述,本方法能克服现有预测模型没有同时考虑用户和服务的局部和全局位置信息的缺陷,并且通过多层感知器获取用户和服务的高维非线性特征,同时结合用户和服务向量的点乘来补充学习低维线性特征,最后在六种不同的稀疏密度下均可取得较好的预测精度。
Claims (2)
1.一种基于深度学习的Web服务QoS预测方法,其特征包括以下步骤:
步骤一:构建输入样本数据;
步骤1.1:获取真实的Web服务数据集,所述Web服务数据集包括:用户ID、用户位置信息、服务ID、服务位置信息;
步骤1.2:使用Python库中机器学习工具将用户位置信息和服务位置信息中的国家名称CN转为整数编码,并选取用户位置信息和服务位置信息中自治系统号ASN的数字部分;从而由用户ID、服务ID、转换后的用户位置信息、转换后的服务位置信息构成四个输入向量;
步骤二:构建结合局部和全局位置信息的深度协同过滤模型DCLG,包括:输入层、嵌入层、交互层、深度协同过滤层以及输出层;
步骤2.1:在输入层分别对四个输入向量使用one-hot进行编码,生成只有一个位置上的元素为“1”,其他元素均为“0”的向量,并相应记为用户u的标识符向量iu、服务s的标识符向量is、用户位置向量lu、服务位置向量ls;
步骤2.2:在嵌入层分别将用户u的标识符向量iu、服务s的标识符向量is、用户位置向量lu、服务位置向量ls分别通过全连接层进行嵌入,相应得到高维的用户u的标识符嵌入向量Iu、服务s的标识符嵌入向量Is、用户位置的嵌入向量Lu、服务位置的嵌入向量Ls;
步骤2.3:在交互层首先通过构造一个函数f用于计算用户位置的嵌入向量Lu和服务位置的嵌入向量Ls之间的耦合关系,得到用户-服务位置信息的耦合矩阵X,再对所述耦合矩阵X进行flatten操作,得到位置信息耦合向量Gl;然后将位置信息耦合向量Gl作为注意力机制的输入,并输出全局位置信息向量G′l;
步骤2.4:利用向量的合并对用户u的标识符嵌入向量Iu、用户位置的嵌入向量Lu和全局位置信息向量G′l进行拼接操作得到用户特征向量U;同理,利用向量的合并将服务s的标识符嵌入向量Is、服务位置的嵌入向量Ls和全局位置信息向量G′l进行拼接操作得到服务特征向量S;
步骤2.5:采用自适应修正器AC,对用户位置的嵌入向量Lu和服务位置的嵌入向量Ls进行相似度计算,得到相似度向量OAC;
步骤2.6:在深度协同过滤层中,先利用向量的数量乘积对用户特征向量U与服务特征向量S的点乘操作,生成用户和服务的交互向量Ointer;再利用向量的合并对用户特征向量U和服务特征向量S进行拼接,得到用户-服务特征向量x1,并作为多层感知机MLP的输入向量,从而输出感知向量Omlp;
步骤三:对深度协同过滤模型DCLG进行训练,并利用式(1)计算Huber损失函数当训练迭代次数达到设定的次数或损失误差达小于所设定的阈值时,训练停止,从而得到最优的深度协同过滤模型DCLG,用于实现QoS预测;/>
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