基于遗传算法的Web Services自动组合技术研究
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I
摘 要
SOA
（Service-Oriented Architecture，面向服务的体系架构）是以服务为主体，
通过调用单个服务或把多个服务组合起来以实现特定功能的一种软件系统架构。
SOA 的核心思想是以服务为主体，通过服务共享和服务组合构建随用户需求变化
的松耦合分布式应用系统。目前，Web 服务技术在理论上不断的成熟和在应用上
不断的深入正在为部署 SOA 提供了最佳的技术支持。其中，Web 服务组合技术
被看作是 SOA 的核心技术，它将是促使 SOA 部署的关键所在。
Web 服务组合的研究涉及很多方面，如 Web 服务匹配和发现、
Web 服务自动
组合、Web 服务组合验证、Web 服务组合执行、Web 服务执行监控等内容。这些
内容共同构成了 Web 服务组合的研究框架。由于 Web 服务提供的功能实质上是
由其包含的若干操作单元提供，操作单元 Web 是服务基本的功能实体，因此 Web
服务的组合最终是体现在服务操作的组合上面。所以本文主要围绕 Web 服务建立
时的两大问题：Web 服务的匹配和发现以及 Web 服务内部操作的自动组合技术进
行研究。
本文主要完成如下工作：
1、在标准的 Web 服务描述模型的基础上，对 Web 服务进行语义扩展。具体
的语义扩展内容为：增加服务内部操作的输入和输出的定义；增加操作的输入和
输出之间的依赖关系；使用 WSDL-R 描述语言对 Web 服务进行语义扩展的形式
化定义。根据对 Web 服务扩展的语义定义，实现基于操作的输入和输出匹配的
Web 服务发现。
2、在第一步工作的基础上，提出了基于遗传算法的 Web 服务内部操作组合
的方法，从而为用户提供功能更强的 Web 服务。具体内容包括：操作的编码设计、
选择算子的设计、交叉算子的设计、变异算子的设计以及算法的实现。
3、最后给出了基于语义的 Web 服务发现和基于遗传算法的操作组合的模拟
试验，并进行试验结果的分析。
关键词： Web 服务 语义 Web 遗传算法 语义相似度 服务操作
操作组合
II
ABSTRACT
SOA (Service-Oriented Architecture) is a software system architecture that is
based on service. SOA achieved a specific function by calling a single service or the
combination of multiple services. The essence of SOA is service. To meet the different
demand, it is built up distributed application system that is loosely coupled by service
sharing and combination of services. As the development of the web services, it
provides the best technical support to the deployment of SOA. The technology of the
web services’ combination is regard as the core technology of SOA; it will be the key
to promote the deployment of SOA.
The research of the web services’ combination is address many aspects, such as
the matching and discovery, the automatic combination , the verification of web
services combination, the execution of web services’ combination and the monitoring
of the execution, these elements constitute the research framework of web services'
combination. The function that served by web services is essentially provided by
operations in the web services. The operation is the basis functionally entity. The
combination of web services is finally manifestation of the combination of the service
operation. Therefore, the main context of the paper focuses on the two main issues:
web service matching and discovery, automatic combination of the internal operation
in the web services.
This article mainly completes the following tasks:
It extends the semantic web service and enhances the semantic definition of the
internal operations in the web service, such as increasing the semantic definition of
input and output interface of the operations in the web service. WSDL-R is used by to
extend the formal definition on the extending of semantic web services. According to
the semantic definition of the extending in the web services, it achieves the goal that is
the discovery of the web services; the discovery is based on interface-matching.
Basing on the foundation of the first step, it is proposed the solution that is based
on genetic algorithm to solve the issue about automatic combination of the internal
operation in the web services. The solution will provide users with more powerful web
services. The details include: the design in coding of the operation, the design of the
selection operator, the design of crossover operator, the design and the implement of
the mutation operator.
III
Finally, the simulation experiment that about the discovery of the semantic web
service and the combination of the web services that based on genetic algorithm is
given. Then we analysis the result of the experiment.
Key Word：Web Services, Semantic Web Services, Genetic algorithm,
Similarity of the semantics, Operation of the semantics, Operation of
web services
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题研究的背景 ..............................................................................................1
§1.2 国内外的发展现状 ..........................................................................................3
§1.3 论文的主要工作和内容 ..................................................................................4
§1.4 论文的主要工作和内容 ..................................................................................5
第二章 Web 服务及其组合技术概述 ............................................................................ 6
§2.1 Web 服务及其相关技术 .................................................................................. 6
§2.1.1 Web 服务的定义及标准 ....................................................................... 6
§2.1.2 语义 Web 服务 ................................................................................... 12
§2.2 Web 服务发现策略 ........................................................................................ 13
§2.2.1 Web 服务发现的定义及策略 ............................................................. 13
§2.2.2 基于语法的 Web 服务发现策略 ....................................................... 14
§2.2.3 基于语义的 Web 服务发现策略 ....................................................... 17
§2.3 Web 服务组合方法 ........................................................................................ 18
§2.3.1 Web 服务组合的定义及目的 ............................................................. 18
§2.3.2 基于工作流思想 .................................................................................19
§2.3.3 基于 AI Planning 思想 ....................................................................... 20
§2.4 本章小结 .........................................................................................................22
第三章 基于语义的 Web 服务发现 ............................................................................. 23
§3.1 Web 服务的语义扩展模型 ............................................................................ 24
§3.1.1 扩展模型的内容 .................................................................................24
§3.1.2 扩展模型的形式化定义 .....................................................................25
§3.2 语义 Web 服务发现方法 .............................................................................. 27
§3.2.1 概念的语义相似度 .............................................................................28
§3.2.2 基于接口匹配的服务发现算法 .........................................................29
§3.2.3 基于操作组合的服务发现 .................................................................32
§3.3 本章小结 .........................................................................................................33
第四章 基于遗传算法的 Web 服务操作组合方法 ..................................................... 34
§4.1 遗传算法概述 ................................................................................................34
§4.2 遗传算子及相关参数 ....................................................................................35
§4.3 Web 服务的操作编码及适应度函数 ............................................................ 37
§4.4 三种基本遗传算子的实现 ............................................................................38
§4.4.1 选择算子的设计 .................................................................................38
§4.4.2 交叉算子的设计 .................................................................................39
§4.4.3 变异算子的设计 .................................................................................40
§4.5 操作组合算法的实现 .....................................................................................41
§4.6 本章小结 .........................................................................................................44
第五章 Web 服务自动组合实现 .................................................................................. 45
§5.1 实验运行环境 ................................................................................................45
§5.2 基于语义的服务发现实验结果与分析 ........................................................45
§5.3 基于遗传算法的操作组合实验结果与分析 ................................................49
§5.4 本章小结 ........................................................................................................52
第六章 总结与展望 .......................................................................................................53
§6.1 论文总结 ........................................................................................................53
§6.2 工作展望 ........................................................................................................54
参考文献 .........................................................................................................................55
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................57
致 谢 .............................................................................................................................58
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
面向服务的体系架构（Service-Oriented Architecture，SOA）正在给软件和网
络带来革命性的变化。共享已有 Web 服务，并在已有 Web 服务的基础上进行组
合以形成新的松耦合分布式软件系统是 SOA 的核心思想。而随着 Web 服务标准
与技术的不断成熟与发展，Web 服务已经成为互联网上一种最为重要的共享资源，
并且极大的推动了 SOA 的发展与应用。Web 服务组合技术已经成为 SOA 的核心
技术，它将是促使 SOA 从概念走向应用的关键。
§1.1 课题研究的背景
SOA 是伴随着人们对软件复用的不断需求而出现的。20 世纪 80 年代以来，
面向对象的方法获得了巨大成功。当面向对象的方法应用于大规模工业化软件生
产环境时，出现了基于构件的软件开发方法（Component Based Software
Development，CBSD）。
CBSD 通过组装预先定制好的软件构件来构造应用系统，
从而有效地支持软件复用，体现了“购买而不是从新构造”的哲学。在构件技术逐
步成熟的基础上，人们对更大粒度的软件复用和更加灵活的软件互操作所带来的
业务敏捷性给予了高度关注，并提出了新的要求，由此产生了一种新的 IT 架构组
织模式—SOA。
之后，SOA 伴随着 Internet 以及分布式计算技术的飞速发展而兴起。如今基
于SOA 的架构理念正在改变着软件的开发模式，实现了企业间高效、灵活、可信、
协同的服务资源共享和利用。
然而,SOA 的快速发展在很大程度上要归功于 Web 服务标准的成熟和应用的
普及。
20 世纪 90 年代以来，随着计算机网络技术的发展和 Internet 的普及，如何
实现企业内部和企业之间的应用集成，提高应用程序的互操作性，成为当前急需
解决的一大问题。传统的分布式处理技术虽然在一定程度上解决了同构环境下应
用系统之间的集成问题，但是对于异构环境下应用系统之间的集成却显得力不从
心。
Web 服务技术的出现在一定程度上解决了异构环境下应用系统的集成问题。
总体来说，Web 服务有以下几个方面的优势[1]：
(1) Web服务使企业之间和企业内部的人、信息和流程之间的整合更加容易，
不仅缩短了业务流程周期，而且提高了企业反应速度。同时，它也能够为更多的
用户和应用提供实时的关键数据，从而促使企业更加具有灵活性和敏捷性。
基于遗传算法的 Web Services 自动组合技术研究
2
(2) Web 服务可以使客户的自助服务体系更加简单明了，让企业内部的各个职
能部门不仅可以通过一个“窗口”了解客户，而且也可以让客户通过一个“窗口”来
了解整个企业，体验企业的新服务和接触企业的新产品，最终这些都将有利于企
业建立忠诚的、持久的客户关系。
(3) Web服务有助于节约企业的管理费用和提高企业的管理效率。就目前情况
而言，能够将分散在各种系统、信息孤岛中的数据进行整合、集成，并让管理者
们能够实时地、正确地访问这些分散的数据的方法只有Web服务才能够做到；同时
也可以让供应商、服务商和合作伙伴直接访问与该企业相关的服务和信息。
随着 Web 服务技术理论的不断成熟和应用的不断深入，越来越多的性能稳
定、功能强大且易用的 Web 服务被发布在 Internet 上。但是人们需要的往往不是
简单的、单一的 Web 服务，而是 Web 服务组合起来的功能更加强大的组合服务。
因此，如何把分散在网络上的各种不同功能的 Web 服务通过一定的组合方法组合
起来，以实现 Web 服务之间的整合和集成；如何通过 Web 服务的组合形成能够
实现企业商业目标的功能强大的企业级流程服务。这些问题已经成为 Web 服务发
展过程中的一个重要内容。
从Web 服务的组合过程的角度来看，Web 服务可以分为基本单元服务和组合
单元服务。基本单元服务是指最初由服务提供商发布到网络上的原始服务。它们
对于其他用户或者服务来说是透明的；而组合单元服务则是利用网络上的现有的
基本单元服务，通过某种算法或人工的方法自动生成或手工合成满足用户需求的
服务。从技术发展的角度来看，Web 服务的组合方法可以分为静态的人工合成方
法和动态的自动合成方法。静态的人工合成方法是指：在 Web 服务组合设计过程
中，由技术人员决定如何进行 Web 服务之间控制流和数据流的交互；而动态的自
动合成方法是指：在系统执行过程中根据某种算法自动产生 Web 服务之间的控制
流和数据流的交互。我们可以根据 Web 服务的功能特点、安全性能、执行代价和
用户的需求来决定是采用动态的自动合成方法还是静态的人工合成方法。如果
Web 服务之间存在某种固定的内在逻辑关系，则可以采用静态的人工合成方法；
如果 Web 服务之间的关系不固定，需要根据用户的需求环境进行动态调整，则采
用动态的自动合成方法。到目前为止，已经有很多领域的专家和学者从自身研究
领域的角度出发对 Web 服务组合技术进行了研究，并提出了不同的 Web 服务组
合方法。例如，基于 AI Planning 方法、基于工作流方法、基于软件工程的方法等。
但是这些方法均存在着一定的局限性。例如，基于工作流的方法无法满足柔性多
变的业务需求；基于 AI Planning 方法对于庞大的 Web 服务集合，搜索过程和推
理过程将变得极其困难。
摘要：
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I摘要SOA（Service-OrientedArchitecture，面向服务的体系架构）是以服务为主体，通过调用单个服务或把多个服务组合起来以实现特定功能的一种软件系统架构。SOA的核心思想是以服务为主体，通过服务共享和服务组合构建随用户需求变化的松耦合分布式应用系统。目前，Web服务技术在理论上不断的成熟和在应用上不断的深入正在为部署SOA提供了最佳的技术支持。其中，Web服务组合技术被看作是SOA的核心技术，它将是促使SOA部署的关键所在。Web服务组合的研究涉及很多方面，如Web服务匹配和发现、Web服务自动组合、Web服务组合验证、Web服务组合执行、Web服务执行监控等内容。这些...
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