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基于本体的语义网格原型框架研究
2021-05-15 11:34:30 来源: 访问:
摘  要:语义网格作为目前互联网应用环境来满足人类社会对网格资源(信息、知识和服务)的有效共享和管理的需求。鉴于当前的网格环境将名字作为关键字对服务信息进行查找,缺乏机器可理解的语义信息,难以提供有效的智能服务,本文在介绍了语义网格和本体等的一些基本概念后,提出一种新的语义网格框架——基于本体的语义网格原型框架OSGSA,对此框架进行了详细分析,并且提出服务本体匹配方法。将本体应用于语义网格中,能够有效地组织和管理语义,进而帮助用户准确查询所需要的信息,即提高了查准率和查全率。
关键词:本体;语义网格;语义网格框架;服务本体

引言
随着互联网的飞速发展,先后出现了网格[1,2]、语义Web[3,4]、随后又结合语义Web、网格和Web服务的优点以弥补各自的不足,提出了语义网格。语义网格(Semantic Grid)是结合语义Web和网格技术而提出的新概念[5],对其的研究逐渐开展起来并取得了阶段性进展[6],其目的是充分利用语义Web中计算机可以理解的语义,并结合网格强大的计算能力,进一步提高人们在使用网络过程中的易用性和有效性,通过让计算机搜索、读取、理解和使用网络上文档的内容来实现自动代理和基于Web的服务等等,换句话说,语义网格
就是为克服传统网络中信息格式异构、信息语义多重性以及信息关系匮乏和非统一性等问题,融合语义Web及网格的技术优势,通过形式化描述,使计算机可以像人一样充分理解信息的语义,从而进行自动化的信息处理。

然而,在计算机处理过程中,由于两个或多个系统可能采用不同的标识符表示同一概念,也可能用一个标识符表示不同的含义,程序若要在两个数据库之间进行信息的比较和合并,就必须了解某些标识符表示的是否是同一事物,但是当前的语义网格环境将名字作为关键字对服务信息进行查找,存在“要求相同服务有相同的服务名称”和“要求服务请求者知道服务名称”的缺陷。
本文在语义网格的基础上引入本体论,提出基于本体的语义网格模型框架,其创新之处也即其最大优点在于模型框架中加入了服务本体库,利用本体组织语义。这样在进行服务查找时,不再是服务的关键字的不精确的匹配,而是通过服务匹配算法调用服务本体库,实现服务的语义上的匹配,使网格服务的查找能够按照它所提供的功能来进行,从而使语义网格应用能够自动定位,寻找满足要求的语义网格服务来实现需要的功能,实现自动语义网格服务,使语义网格成为真正意义上的语义网格。这种基于本体的语义网格模型框架能进一步提高计算机网络的易用性和有效性以及用户查询信息的查全率和查准率。
1  基于本体的语义网格框架
1.1  本体
本体的定义现在还没有统一的看法,第一个被广泛认定的定义是由Gruber等人提出的:“本体是概念模型的明确的规范说明[7]”。后来,Borst又在此基础上对本体作了进一步阐述:“本体是共享概念模型的明确形式化规范说明”。为什么会提出“本体(Ontology)”这个概念呢?这是由于两个或多个系统可能采用不同的标识符表示同一概念,也可能用一个标识符表示不同的含义,程序若要在两个或多个数据库之间进行信息的比较和合并,就必须了解某些标识符表示的是否是同一事物,对该问题的一个解决方法就是本体论(Ontology)。本体是概念化的显式说明,包括分类和一套推理规则。分类定义对象的类别及其之间的关系,使我们能够表达实体之间的大量关系,而根据推理规则,程序可以进行自动推理。简单地说,就是在不同的系统间定义一本字典或者度量表,使它们对实体及其之间的关系达成共识,以便交流和共享。
本体这个定义包括四层含义:概念模型、明确、形式化和共享,具体的描述如下:
(1)概念模型,指通过抽象客观世界中一些事物的相关概念而得到的模型,其表现的含义独立于具体的环境状态。
(2)明确性,指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义。
(3)形式化,指本体是计算机可处理的。
(4)共享,指本体中体现的是共同认可的知识,反映的是相关领域中公认的概念集。
本体为语义Web提供了相关领域的共同理解,通过描述领域中概念的严格定义和概念之间的关系来确定其精确的含义,并表示共同认可的、可共享的知识。即由本体提供明确定义的词汇表,描述概念、概念特征的属性、概念之间的关系以及属性之间的约束来表示领域知识。本体的用途包括交流、共享、互操作、重用等,是解决语义层次上Web信息共享和交换的基础。
1.2  语义网格框架
本文提出的基于本体的语义网格模型是与开放网格服务结构OGSA标准兼容的网格模型,它遵循了规定的标准接口,并且针对该标准不支持语义的缺陷,加入了本体、元数据、本体-数据库映射等相关机制,成为了一个真正意义上的语义网格。
基于本体的语义网格框架的基本结构如图1所示:

图1  基于本体语义网格原型框架
由上图,此语义网格框架可以划分为客户端(client)、核心组件(architecture)以及构成核心组件的资源(resource)。
使用基于本体语义网格原型框架,用户通过用户界面实现与网格之间的信息交互,实现诸如用户作业提交、结果返回等输入输出功能。交互信息主要通过客户端(client)展现给用户,用户可以通过Grid Portal(网格门户,我们简称GP)的图形化界面方便地使用网格。在GP中用户可以浏览领域本体,并且按照本体词汇描述自己的需求,GP会把用户的要求发送到网格中,网格调用一系列相应服务,最后把产生的结果在GP中显示给用户。在客户端还可以有其他的应用程序运行,为此此语义网格框架还提供了网格应用程序接口。另外,网格管理员可以通过Monitor Management Tool(监控和管理工具)来维护此模型的正常运行。
网格在提供服务之前要知道哪个资源当前可以向用户提供服务,这就需要网格中信息管理模块提供相应的信息。选定合适的资源后,网格需要把该资源分配给用户使用,并对使用的过程中的资源进行管理,这些是资源管理的功能。网格在提供服务的过程中需要网格数据管理功能模块将远程数据传输到所需节点,作业运行过程中由作业管理模块提供作业的运行情况汇报。使用网格的用户及其使用时间和费用等的管理则由用户和记账管理模块实现,用户使用网格的整个过程中都需要QoS(Quality of Service,服务质量)保证、通信和安全保障,以提供安全可靠、高性能的服务。当然,以上仅仅是对网格系统中基本功能模块的简单描述。
在此框架中,网格的基础和关键部分就是核心组件了。核心组件主要用于支撑网格服务的开发、部署、运行、调试、通信和安全,集中解决各类资源的共享和协作等问题。核心组件主要有:
(1)Semantic Register Service(语义注册服务,以下简称SRS),实现网格使用中语义的注册、查询和注销。当此语义网格使用者准备创建一个服务的时候,它需要用本体(Ontology)中的概念对自己的服务进行描述,在查询某个服务时,利用语义匹配原则进行准确查找。另外,和SRS同时存在的,保存在核心组件中的还有本体-数据库映射表,该表用于实现分布式异构数据库资源的整合,从而消除了分布式数据库之间的语义分歧、信息孤岛等问题。
(2)为了更好的支持语义,此网格模型引入了本体(Ontology),一个本体是一个共享概念模型的形式化和显式说明,也就是说本体准确地描述了一个领域内的概念。用户可以使用本体中的概念从语义角度描述服务,这就是服务元数据,服务元数据可以提供基于语义的服务匹配。另外,在分布式异构数据库之间,利用从数据库中的表及其字段名到本体中概念节点及其属性的映射去实现从语义角度有效地整合分布式异构数据资源。
(3)QoS and Performance Monitoring(任务监控和网格服务质量机制)负责监控,调度和监控此模型中运行的程序,以保证网格系统可以正确、高效地运行,并且跟踪网格服务的运行,以记录服务质量。
(4)Correspondence and Security(通信与安全机制)负责监控网格的顺利通信与安全运行,并且保障其不受外界恶意侵害的影响。
2  本体服务
本体服务(Ontology Service)对外提供用户对本体的建立、查询、修改、删除和维护等服务。其中最主要的就是服务匹配模块了,服务匹配模块的主要功能就是使服务信息的匹配不再是关键字的简单匹配,而是语义信息的匹配。此模块是通过服务匹配方法访问语义网格服务本体库来互相通信的。
2.1  语义网格服务本体库
本体库是为客观地解释对象语义及它们之间的关系而建立的。本体可以从不同层次的形式化模式上明确各术语间的相互关系及定义,从而准确地反映人们对语义的共识。网格服务本体库(Grid Service Ontology Daterbase,简称GSOD)是虚拟组织中已经注册过的服务本体库,表现为一个树形结构,用OWL-S 进行描述。例如,电信大客户管理系统中,中国电信管理的‘大客户’是指使用通信业务种类多样、通信业务量大、电信使用费高并具有发展潜力的客户群体。目前主要包括重要客户、高值客户、集团客户和战略客户四类,同时四类客户可能存在交集。要针对不同类型的大客户采用不同策略的管理。大客户管理的服务本体库中服务组织结构可用图2表示。

图2 服务本题库中的服务组织形式
2.2  服务匹配方法
一个请求服务和一个回应服务之间的匹配包括它们之间的所有输入和输出之间的语义匹配。它们之间的匹配遵循一定的算法。匹配算法可描述如下:
输入:用户代理形式化的 OWL-S 描述的服务请求;
输出:按匹配度从高到低排好序的匹配服务序列。
过程:
match(request){
recordMatch = empty list;
FOR all subtreesOfGSOR
IF match(request,treeNode)
if match(request,leafNode){
recordMatch.append(request,leafNode)
}//end if
}//end if
}//END FOR
RETURN sort(recordMatch);
}
这个算法的主要过程为:由于服务本体库中的服务按照“领域”进行树形组织,算法首先找到合适的“服务分类”,服务本体库中叶节点才是真正发布的服务,因此,找到合适的“服务分类”之后,再在叶节点中匹配合适的服务。此时的匹配是输入输出参数上的语义匹配。其匹配过程主要根据输入输出参数和语义密切度来进行匹配[8]。
3  结论
语义网格是一门新兴技术,它使互联网知识和信息的共享和搜索更加方便,对其研究具有深刻的意义,然而其仍然存在许多有待解决的问题。本文创新性的提出将本体应用于语义网格,利用本体组织语义,并结合OGSA和语义网格技术,提出了基于本体的语义网格模型框架。该框架结构中包括客户端、核心组件和资源,运用此框架可以整合各地的异构信息,实现资源的共享,消除资源孤岛,以解决语义网格存在的语义混乱导致搜索结果的查全率和查准率不高的问题,并进一步提高计算机网络的易用性和有效性。
 
参考文献
[1] Foster I, Kesselman C, Tuecke S. The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations[J]. The International Journal of High Performance Computing Applications, 2001, 15(3): 200-222.
[2]  Foster I, Kesselman C. The Grid: Buleprint for a New Computing Infrastruture[M]. San Francisco, USA: Morgan Kaufmann, 1998.
[3] T Berners-Lee , J Hendler , O Lassila. The Semantic Web. Scientific American,2001,279(5):34-43.
[4] Semantic Interoperability Community of Practice (SICoP),Introducing Semantic Technologies and the Vision of the Semantic Web ,White Paper Series Module 1 Version 5.4,Feb.2005.
[5] Mario Cannataro , Domenico Talia. Semantics and Knowledge Grids: Buiding yhe Next-Generation Grid. IEEE INTELLIGENT SYSTEMS ,2004, 19(1): 56-63.
[6]http: //www. semanticgrid. org/links. html, 2006-04-10.
[7] 邓志鸿,唐世渭,张铭等.Ontology研究综述.北京大学学报(自然科学版),2002,38(5):730-738.
[8] 张燕,王锋,张睿.基于本体的网格服务语义匹配方法.计算机工程,2007.