开放云环境下基于本体的资源与服务一体化描述模型研究

开放云环境下基于本体的资源与服务一体化描述模型研究1.研究背景现代信息技术的迅速发展和应用，不仅深刻地改变了人们购物、旅游与生活方式，也造就了一大批基于信息化和网络化的应用与服务，从而衍生出了许多新的生活、学习以及休闲方式，比如电子商务、数字化文化资源和电子地图等等。与此同时，云计算的出现使得人们可以直接通过网络应用获取计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源及知识资源等资源，并获得高质量的相应服务，这一模式已经给传统的IT业带来一场变革，也使得云计算正在成为IT业和其它相关行业的一种发展趋势。由于开放式的云计算实现了互联网上所有资源的全面共享和调配，不仅消除了信息孤岛和资源孤岛，冲破了电子商务、电子地图以及文化资源展示的防线，也为实现全国范围内资源和服务的全面共享与调配提供了契机。基于开放云平台的信息化基架，不仅能以前所未有的方式获取各种各样的地理、文化信息，得到各种图形化展示的文化资源，而且还可以参与到各种电子商务活动中，完成信息化的生活、休闲需求。开放云环境下的资源与服务一体化系统，实际上是电子商务、数字文化资源、电子地图中所需软硬件资源以及体统的各种服务二者之间的一种高度集成，代表了社会、经济信息化在未来一段时间内发展的新趋势。在现代生活、经济、休闲渐渐步入云计算时代的背景下，开放云环境下的资源与服务的成功与可持续发展取决于电子商务、电子地图以及文化资源展示等各服务系统的融合与整体效益的发挥，而上述各种资源和服务在传统方式下，以松散分布的服务系统融合在一起。因此，在此过程中，必须解决资源以及服务系统的异构问题。举例来说，包括：系统异构（操作系统以及硬件的异构）、语法异构（不同的语言和数据表示产生的异构）、结构异构(不同的数据模型产生的异构)、语义异构（词语和概念在不同的上下文，不同应用中有不同的含义）。其中，针对开放云环境，不同服务、应用系统间的语义失配问题尤其突出，从而造成开放云中各种资源和不同服务难于实现语义层次的融合与互操作。由于开放云环境中涉及内容丰富、所需资源繁杂、提供服务类型多样等方面的特点，针对其资源和服务的同一描述就变得尤为重要。然而开放云环境所支持的内容，区别很大，在各自领域具有较强的专业性，一般人从服务名称中很难看出服务的具体功能和内容，严重影响了开放云服务的价值发挥和电子商务、电子地图、旅游文化展示等活动的交互。开放云环境的资源和服务内容的描述与组织技术是实现上述内容高效管理与应用的基础。只有釆用有效的、可靠的、统一的开放云环境中资源与服务的描述和组织标准，才能实现云资源、服务的共享与交流，最终才能实现相关领域数字化、统一化和智能化地处理。对于开放云环境下资源与服务的同一语义化描述与管理的问题，可以借助基于本体概念和技术完成统一的描述建模和分析。通过创建基于本体的资源与服务描述，使得开放云环境下各种系统能够透明的彼此理解，并进一步通过计算机和网络完成具有高度融合特征与整体特性的云系统。同时遵守这种描述模型，能够使得后续各种资源与服务被主体智能、自动发现、处理、添加和整合，增强了消费者、企业与云资源、服务之间的可交互性，充分实现云的开放特性，为我国社会、经济、休闲等个方面的信息化提供了一个可共享的框架。本体具有良好的概念层次结构和对逻辑推理的支持，通过对概念的严格定义和概念之间的关系来确定概念精确含义，表示共同认可的、可共享的知识，其木质就是领域知识的共享和复用。本体作为一种能在语义和知识层次上描述信息系统的类模型建模工具，可以在相对独立构建和管理的服务与资源之间提供可重用性和互操作性。因此，基于本体技术的一体化描述模型，天然适用于解决开放云环境下资源与服务在语义层次的融合与互操作问题。本课题拟以构建开放云环境下的资源与服务一体化描述模型的角度出发,利用本体建模的理论构建了云环境下各种资源与服务的本体框架，为实现各种社会、经济、休闲等方面的信息化服务提供语义层次的融合与互操作解决方案，使的开放云环境下各种服务具有更好的集中管理和动态整合能力，满足不同领域个性化的资源、服务需求。2研究现状本体一词首先起源于哲学中的“本体论”，原意为哲学中的“事物存在（being）”的意思,可理解为客观存在并形成表象的根本实体。后来随着人工智能与知识工程研究的发展，计算机科学中引入了“知识木体”的概念，本体论(Ontology)和知识本体（Ontologies或Ontology）可分别采用不同的书写形式或表达习惯。前者注重理论探讨，后者强调实践操作。计算机科学中知识本体的研究是建立在上述哲学本体论研究基础之上并有了很大的发展，知识本体不再是一种理论而是事物及其范畴的形式分类系统，是掌控概念体系的规范。因此，在计算机系统描述、统一建模等领域，大量的国内外研究围绕本体理论和技术展开。目前已有众多的国外专家和学者对本体进行了相关研究。比如，Marie-HeleneAbel(2005)探讨了基于Ontology的e-leaming组织空间，PermanandMohan(2005)探讨了教育本体的架构，JianQin等(2005)研究建立互操作词汇表和结构来表达系统中对象本体。Boyce,S.,&Pahl,C.(2007)研究不同内容的领域本体，Lin,F.O.(2008)总结了语义Web等方面的研究情况。国内也存不少专家和学者对教育领域相关木体进行研究。杨建学(2006)在文献[1]中将领域本体应用于学习资源管理；段瑞安(2007)在文献[2]中用OWL绑定学习对象元数据；普玲、丁新、邱崇光(2008)等人在文献[3]屮给出基于本体的适应性系统的系统模型，论述了学习资源本体结构，给出了学习资源本体的定义。黄S勤、吴永和等(2006)在文献[4]屮给出e-leaming资源网格中利用属性和本体构建统一访问控制架构，吴永和(2009)构建了学习资源服务生态环境本体和学习资源本体，胡海明(2010)构建了学习活动服务本体。以上可见云计算技术和语义本体技术相互结合逐步应用于统一化的描述和建模过程中。然而，上述研究大多是针对Web服务和资源的描述与组织标准框架，在面对开放云环境下大量异构资源与不同类型的服务等方面进行描述的时候，还存在完整性、扩展性、一致性等诸多不足，尤其是针对开放云中其资源和服务差别巨大且动态变化，因此它们并不适合于直接作为开放云资源与服务一体化描述和建模。3研究内容针对电子商务、电子地图以及文化资源展示等方面面临的问题，以及人们对其高度集成、相互联系的迫切需求，本课题拟研究的内容主要包括：（1）提出并讨论适合于开放云环境下资源与服务一体化描述的本体建模方法和理论，建立一体化的描述模型。在领域本体的定义和描述语言的基础之上，研究如何构建一个开放云领域本体的知识工程学方法。通过构建开放云系统的领域本体,描述其中资源与服务的领域知识框架，将描述统一到一个语义空间，为真正实现开放云系统中语义层的共享和互操作奠定基础。（2）提出开放云环境下资源与服务的概念模型，解决相应资源与服务描述的有效性、完整性、一致性以及开放性等问题，构建资源与服务的应用本体。本部分的研究内容可以进一步分为连个部分:第一部分是构建开放云环境下资源与服务的本体。通过分析云中资源与服务的特征,提炼并定义相关的概念模型，具体设计并构建开放云环境下资源与服务的本体；第二部分是应用并评价所构建的本体。首先，拟研究基于应用的本体评价方法，通过本体支持下的资源与服务分析和设计，验证开放云系统本体的正确性，以及本体在资源与服务结构化和互操作中的作用。（3）为了推动本体的实践与应用，构建基于开放云环境的本体实例及其技术规范，探讨了本体支持下的不同领域、不同内容资源与服务描述及其建模的相关问题。从开放云环境中资源与服务一体化的现实诉求出发,结合资源、服务本体的知识以及云系统描述方面的标准,制定面向开放云环境的资源与服务一体化描述技术规范，指出了技术规范的具体应用模式,为将来系统的设计、实现做好准备。4．关键技术为实现开放云环境下基于本体的资源与服务一体化描述模型，研究拟解决的关键技术主要包括以下几个方面：1.开放云领域的本体建模技术通过对开放云领域本体的定义和以及描述语言的设定,研究如何构建一个领域本体的知识工程学方法，并遵循该方法方法描述开放云领域本体库建立的过程。其中主要包括：基于开放云领域的特征分析和领域的建模方法，研究如何抽象出了开放云的领域模型，并分析领域的重要概念和概念之间的关系,最后用本体语言表示以上概念和关系，从而构建出开放云本身的的领域本体。其关键技术主要体现在：如何通过构建开放云的领域本体，实现对开放云领域知识框架的描述，并将开放云的描述统一到一个语义空间，为真正实现语义层的共享和互操作奠定基础。2.开放云环境下资源与服务的一体化本体建模技术为了实现云系统中资源与服务复杂、异构、规模的庞大的特点，一体化建模技术需要首先分析开放云资源与服务的特征，提炼并定义开放云资源与服务的概念模型，具体设计云系统中资源与服务的用例和服务流程，并最终构建开放云资源与服务的本体以及基于相应应用的本体评价方法。3.电子地图、文化资源的空间数据模型和建模技术由于开放云环境下的电子地图和文化资源产生了大量的空间数据，因此一体化模型除了基于本体进行统一的语义描述之外，尚需要针对空间数据的特征进行数据建模。因此，针对空间数据的特点，研究如何把现实世界的对象抽象为计算机可识别、可操作的数据集合，完成空间数据模型和建模就成为关键技术之一。5.创新点1.构建了开放云的领域本体。拟通过自底向上的基于领域特征分析的服务工程方法论，通过分析典型开放云系统，抽象出领域模型，进而提出开放云的概念模型与概念词汇表，构建了开放云的领域本体。2.具有继承特性的资源与服务一体化描述模型。提出面向对象的本体建模方法论，实现资源与服务描述的继承与多态，提出开放云中资源与服务概念模型,有效地解决了云资源、服务描述的一致性和可扩展性问题,并建立开放云资源与服务的应用本体,促进了开放云中不同资源与服务的共享与交互。3.构建了开放云资源与服务的一体化描述规范(草案),设计了规范的框架结构、数据规范和原子服务接口等，并针对规范做了适用性评价。6.技术路线本研究借鉴软件工程学中的基于领域特征分析的领域建模方法论，用于构建领域本体和资源、服务本体。通过基于领域特征分析的领域本体建模方法和基于资源、服务特征的本体建模，能够充分体现开放云领域本体和开放云环境下资源与服务本体的基本建模要领和过程。针对开放云领域建模，采用本体理论研究与云领域具体建模技术相结合的技术路线，从而保证建模过程的正确性和高效性。开放云领域的建模元语可以通过一个五元组本体来概括：0=(C,R,F,A,I),其巾C、R、F、A和I分别是本体巾概念(Concept)、关系(Relation)、函数(Function)、公理(Axiom)和实例(Instance)的集合，这五点也可以被称为领域知识表示的五个基本的建模元语。概念或类(Classes)，是一类对象的集合的抽象描述，可表示为C={O1,O2...On},其中Oi是领域中的对象。概念的含义很广，指任何事务，如工作描述、功能、行为、策略和推理过程。从语义上讲,它表示的是对象的集合,其定义一般采用框架结构,包括概念的名称，与其它概念之间的关系的集合，以及用自然语言对概念的描述。关系，描述n个概念所含对象之间的联系，关系描述领域概念间的相互作用,基本的二元关系有四种：part-of，表示概念之间部分与整体的关系、kind-of,表示概念之间的继承关系、instance-of表示概念的实例与概念之间的关系、attribute-of表示示某个概念是另一个概念的属性。在实际建模中,概念之间的关系不限于这四种,可以根据领域的具体情况定义相应的关系,例如connect-to，在具体应用过程中,本体中的关系往往可以和性质(Property)、属性(Attribute)、角色(Role),槽(Slot)通用。函数是一类特殊的关系，可记为:F:ClXC2X...XCn-lXCn，其前n-1个元素可以唯