基于Petri网的语义Web服务组合建模研究

杨　　波，李颖芳，傅锦伟

（红河学院，云南蒙自 661199）



基于Petri网的语义Web服务组合建模研究

杨波，李颖芳，傅锦伟

（红河学院，云南蒙自 661199）

摘 要：近年来，随着Internet上的Web服务数量激增，单个Web服务已不能满足用户需求，开展语义Web服务的组合问题研究具有重要的现实意义。文章在前期Ontology的语义Web服务组合框架研究基础上，围绕Petri网在Web服务的应用展开工作，提出一种Petri网的服务组合建模方法，并通过实例仿真对其有效性、可行性进行了验证。

关键词：Petri网；OWL-S；Web服务；服务组合

1　语义Web服务

OWL-S是以OWL语言为基础的Web服务描述框架。用OWL-S创建Web服务语义本体能够增强Web服务语义信息，利用本体描述相关领域的知识，形式化定义领域内共同认可的知识，使计算机可以理解Web服务，使得服务带有语义信息，从而实现服务的自动发现调用和组合[1]。

定义1 将S= 定义为语义Web服务功能信息描述模型，其中，概念矢量为语义描述的输入参数(一个Web服务的n 个输入参数)，表示服务S 的n 个输入参数在领域本体库中对应的语义概念；概念矢量为语义描述的m 个输出参数(一个Web服务的m 个输出参数)，’ 表示服务S的m 个输出参数在领域本体库中相对应的语义概念。

2　基于Ontology的语义Web服务组合框架

定义2将SWSC=<π，SWS>二元组定义为语义Web服务组合，其中π表示包括串行、选择、并列等方式的服务组合操作方法，SWS为服务候选集。

语义Web服务组合框架，主要基于Ontology环境，在注册中心（UDDI）进行语义匹配，确定服务组合，实现组合服务的发布与部署，进而完成整个语义Web服务的组合过程，图1为基于Ontology的语义Web服务组合框架。

图1　基于Ontology的语义Web服务组合框架

整个过程如下：

1）服务提供商对发布服务进行含有语义信息的描述；

2）请求服务方根据实际要求提出具有语义信息描述的服务请求；

3）UDDI中心通过Ontology对服务发布和服务请求进行功能服务描述匹配；

4）通过调用匹配机制，进行语义相似度计算；

5）将满足匹配的结果进行服务结果集排序，形成候选服务集；

6）基于服务候选集的服务组合操作，将获取的服务结果集部署与发布；

7）服务请求被接受后，服务请求者与服务提供者协商，绑定目标服务，并调用组合服务；

8）组合服务调用操作。

3　基于Petri 网的语义Web 服务

为提高Web服务组合匹配的准确性，针对第2节提出的基于Ontology的语义Web服务组合框架，利用对语义Web服务自动组合方法进行研究，本文提出一种基于Petri网的语义Web服务组合建模方法，以提高Web服务组合的效率和成功率。

3.1 Petri 网

Petri 网[4]( Petri Net) 是一种利用网状图形表示系统模型的方法，它以描述系统中各元件之间的关系为基础，以图形化的方式来表示Web 服务组合过程中的同步、并发或顺序等各种活动。Petri 网的结构包括以下元素：

位置：用以表示系统可能出现（如队列、缓冲、资源等）的状态、状况。

变迁：用以表示系统状态经历的动作、事件。

弧：用以表示事件与状态（局部）之间的关系，理解为状态（局部）之间的转换。

图2　Petri 网

3.2 基于Petri 网的语义Web 服务

定义3 用PN= ( P,T,F,I,O)的元组（五元）定义Petri 网，其中：P代表位置（操作）集合，T表述状态变迁、转移；F代表有向弧的一个集合，F⊆(S×T)∪(T×S) ；I（输入库所）={x∈S×T |( X，I)∈F} =φ ；O（输出库所）= { x∈S×T |(OX) ∈F}=φ 。

定义4 用WS= ( Sname,Coms,Spn)的元组（三元）定义Web服务，其中：服务名(Sname)；基本服务集合Coms：当集合元素与Sname相同，其本身即为基本服务，反之当集合元素与Sname不相同，本身即为组合服务。Spn= ( P,T,F,I,O)，表示加入 Web 服务元素的 Petri 网。

基于以上的定义，可以将OWL-S 的8种结构利用Petri 网进行描述，如图3所示。

图3　Petri 网对OWL- S 的8 种结构

4　基于Petri 网的语义Web 服务组合建模

建模工作是在本文提出的Ontology的语义Web服务组合框架研究基础上，将 Web 服务组合和Petri 网进行联系，实现了从 Web 服务组合过程到 Petri 网的转换，最终达到服务组合的目的。

我们通过主体的语义Web 服务自动组合研究，服务需求者希望通过相关旅游资讯网，完成上海到昆明的旅游。具体有如下要求：服务需求者根据自身需要决定旅游时间，并具体说明旅游所需的交通工具和旅游驻地酒店基本要求。初始条件：由出行天气，判定并选择出行工具；确认条件：由到达时间，决定酒店房间预订。

服务需求者共涉及包括天气、机票预订、火车票预定、酒店房间预订的4各Web 服务，分别记为W1、W2、W3、W4。就单个服务的部署情况看，不能满足服务需求者要求，将分布于不同服务器中的单个服务进行组合才能达到需求者的目的。

这个预定服务过程包括顺序结构、选择结构、循环结构等组合结构。利用Petri 网描述其服务组合过程如图4所示。

图4　Petri 网服务组合建模

本文的Petri 网的建模与仿真工作是在前期基于Ontology的语义Web服务组合基础上进行的，Petri 网的库所和变迁如下所示：

Start：开始状态；p1：执行成功状态；p2：天气晴朗状态；p3：天气不晴朗状态；p4：预定机票状态；p5：未设置；p6：预定火车票状态；p7：预定机票成功状态；p8：预定火车票成功状态；p9：到达时间确认状态；p10：预定酒店成功状态；End：服务结束状态。

t1：开始执行；t2：天气晴朗查询；t3：天气不晴朗查询；t4：查询结果不满足预定要求；t5：预定机票操作；t6：预定火车票操作；t7：查询结果满足飞机票预定要求；t8：查询结果不满足预定要求；t9：查询结果满足火车票预定要求；t10：到达时间确认执行；t11：酒店订单预定执行；t12：预定不满足要求；t13：预定成功执行。

5　结语

单个服务组合的多个服务，在目前Web服务资源激增的情况下，才能到达服务增值效果，同时也是服务提供层面获取最大利益的保障。本文提出的Petri 网的语义Web 服务组合建模方法，将Petri网作为处理模型、系统建模的工具，对单个Web 服务的组合服务生成具有推进作用，也能提高Ontology的环境下服务组合的有效性问题。下一步，将展开面向语义Web 服务组合的Petri 网知识推理研究工作。

参考文献：

[1]杨波.基于服务Ontology的语义Web服务匹配问题研究[D].昆明:云南师范大学,2008.

[2]马洪江,周相兵,杨兴江.一种面向本体的语义Web服务组合框架研究[J].科学技术与工程,2010.

[3]BoYANG1,Ying Fang LI,Xiang YANG1,Ying Jiang LI.The Research of Semantic Web Service composition framework Based on Ontology.Advanced Materials Research,2014,912-914:1473-1476.

[4]梁磊,董瑞洪.基于Petri网的语义Web 服务组合模型[J].甘肃科技,2012,28(09):26-27.

[5]邱莉榕,史忠植,林芬,常亮.基于主体的语义Web 服务自动组合研究[J].计算机研究与发展,2007,44(4): 643-650.

[6]HAMADI R,BENATALLAH B.A Petri net- based model for Web service composition[C].In Proceedings of the Fourteenth Australasian Database Conference on Database Technologies,2003,17:191-200.

[7]邹金安.Petri 网在语义Web 服务组合中的应用研究[J].河北工程大学学报(自然科学版),2009,26(13):73-77.

[8]Ying Fang LI,Kun LIU ,Bo YANG.Researching the Model of Semantic Web Service composition based on Qos.Applied Mechanics and Materials,2014,556-562,5215-5218.

[责任编辑 张灿邦]

Research on Semantic Web Service Composition Modeling Based on Petri Net

YANG Bo,LI Ying-fang,FU Jin-wei
(Engineering College of HongHe University,Mengzi 661199,China)

Abstract:In recent years,with the surge in the number of Web services on the Internet,a single Web service can not meet the needs of users,to carry out the study of the combination of semantic Web services has important practical significance.In this paper,a semantic Web service composition modeling method based on Petri net is proposed,and the validity and feasibility of the method are verified by modeling and simulation.

Key words:Petri net; OWL-S; Web service; Service composition

基金项目：云南省教育厅科学研究基金资助项目（2013C016)

收稿日期：2016-01-14

DOI:10.13963/j.cnki.hhuxb.2016.02.010

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1008-9128（2016）02-0037-02

第一作者：杨波（1977-），男，云南建水人，副教授，硕士，研究方向：语义Web、数据挖掘。