地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與協(xié)同研究進(jìn)展

吳華意，靳鳳營(yíng)，梁健源，張顯源，邢華橋，桂志鵬，李 銳，向隆剛

1.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101

近20年來，大量的地理信息數(shù)據(jù)和服務(wù)在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布與傳播，傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)為基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息服務(wù)[1-2]。地理信息服務(wù)具有共享性、復(fù)用性、不受地域限制等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)降低了服務(wù)資源的使用門檻，促進(jìn)了地理信息服務(wù)資源跨地域、跨領(lǐng)域的使用[3-4]。

互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)進(jìn)一步推動(dòng)地理信息科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，用戶對(duì)地理信息服務(wù)的需求趨向個(gè)性化、多樣化，單個(gè)地理信息服務(wù)逐漸難以滿足更高層次的應(yīng)用需求。為增強(qiáng)地理信息服務(wù)的服務(wù)能力，提高服務(wù)范圍，研究者將多個(gè)服務(wù)聯(lián)合使用，建立服務(wù)組合模型。但是，服務(wù)組合模型涉及多個(gè)服務(wù)的協(xié)同使用，甚至一個(gè)模型還會(huì)依賴其他模型的過程或結(jié)果[5-7]。如何有效發(fā)現(xiàn)需要的地理信息服務(wù)，將其構(gòu)建成可高效協(xié)同的服務(wù)組合成為研究者重點(diǎn)關(guān)注的問題。鑒于此，開放地理信息聯(lián)盟(OGC)提出基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的OWS(OGC web services)框架，提供WFS、WCS、WMS、WPS等規(guī)范，支持地理信息服務(wù)之間的互操作。然而，OWS只解決了服務(wù)組合中服務(wù)之間的信息交換問題，服務(wù)的表達(dá)與發(fā)現(xiàn)[8]、服務(wù)及其組合的質(zhì)量[9]、服務(wù)的替換和優(yōu)化等問題仍待解決。大量的地理信息服務(wù)仍以“個(gè)體”形式存在于互聯(lián)網(wǎng)中，需要研究者發(fā)現(xiàn)和使用。

為促進(jìn)地理信息服務(wù)組合，需要有效的組織方式管理現(xiàn)有的地理信息服務(wù)。文獻(xiàn)[10]提出地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(geospatial service web，GSW)的概念，認(rèn)為地理數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)，甚至服務(wù)提供者、用戶都是共享服務(wù)的一部分，應(yīng)形成智能化、自動(dòng)化的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)體系。文獻(xiàn)[11—12]進(jìn)一步指出建設(shè)地理信息空間信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)包括：地理空間資源的抽象和管理，互操作性和標(biāo)準(zhǔn)化，地理空間信息和知識(shí)的表示等方面。受限于地理信息服務(wù)表達(dá)語義多樣、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化格式混合、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋率低等特點(diǎn)，迄今為止，地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)仍難以形成。

近年來，面向互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)架構(gòu)[13]、服務(wù)計(jì)算[14]和服務(wù)協(xié)同[15-16]等技術(shù)日漸成熟。強(qiáng)調(diào)相關(guān)關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作[17]已在天文發(fā)現(xiàn)、基因測(cè)序等復(fù)雜問題分析中發(fā)揮作用。另一方面，服務(wù)實(shí)體表達(dá)能力大幅度增強(qiáng)，基于語義的服務(wù)表達(dá)已商業(yè)化應(yīng)用，這些成果為地理信息服務(wù)協(xié)同的研究帶來了新的機(jī)遇。

本文認(rèn)為，眾多地理信息服務(wù)具有復(fù)雜多樣的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其本質(zhì)是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?；诘乩硇畔⒎?wù)實(shí)體的表達(dá)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)可變、語義關(guān)聯(lián)的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，是組織眾多地理信息服務(wù)的可行方法，與其他方法，例如知識(shí)圖譜，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法等相結(jié)合，具有廣泛應(yīng)用前景。本文總結(jié)地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及協(xié)同的研究進(jìn)展，并對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 地理信息服務(wù)表達(dá)與獲取

地理信息服務(wù)旨在提供一個(gè)理解與訪問地理信息數(shù)據(jù)與處理的接口，傳遞和共享具體的服務(wù)內(nèi)容，解決服務(wù)互操作問題。從服務(wù)的構(gòu)建與使用的角度出發(fā)，需要關(guān)注地理信息服務(wù)的表達(dá)與獲取兩個(gè)方面。

1.1 地理信息服務(wù)表達(dá)

地理信息服務(wù)的表達(dá)是從服務(wù)的數(shù)據(jù)、參數(shù)、操作、質(zhì)量等方面建立一種計(jì)算機(jī)能夠理解的語義描述，服務(wù)表達(dá)的健壯性和準(zhǔn)確度決定了其在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)的可能性。其中，服務(wù)的數(shù)據(jù)、參數(shù)、操作提供了服務(wù)的功能語義信息，包括具體的服務(wù)內(nèi)容，服務(wù)范圍接口，輸入輸出等，而服務(wù)質(zhì)量提供了非功能的語義信息，能額外描述服務(wù)的健壯性和可用性。

近年來，地理信息服務(wù)質(zhì)量被較多地關(guān)注。文獻(xiàn)[18]提出，地理信息服務(wù)質(zhì)量(quality of GIService，QoGIS)要同時(shí)關(guān)注服務(wù)的過程和結(jié)果的質(zhì)量，包括響應(yīng)時(shí)間、吞吐量、數(shù)據(jù)的時(shí)效性、結(jié)果的完整性等要素。除了服務(wù)本身的質(zhì)量外，還可以考慮用戶的需求和偏好，用戶與服務(wù)的時(shí)空特征[19-20]。文獻(xiàn)[21]進(jìn)一步歸納服務(wù)質(zhì)量要素為功能可用性要素、成果要素和過程要素3大模塊。

將地理信息服務(wù)質(zhì)量的描述整合到OWS或其他協(xié)議中，能有效提高地理信息服務(wù)的表達(dá)能力，在對(duì)服務(wù)的檢索、選擇、組合優(yōu)化等方面發(fā)揮了重要的作用[22]。例如，文獻(xiàn)[9]在OWS的基礎(chǔ)上增加了對(duì)地理信息服務(wù)質(zhì)量的描述，支持基于服務(wù)質(zhì)量的地理信息服務(wù)實(shí)體發(fā)布、發(fā)現(xiàn)與選擇；文獻(xiàn)[23]提出將語義信息嵌入服務(wù)描述文件中以提高地圖服務(wù)的質(zhì)量；文獻(xiàn)[24]對(duì)OGC服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了擴(kuò)展，將地理信息服務(wù)質(zhì)量的評(píng)估用于服務(wù)鏈的選擇。此外，部分研究還通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的本體語言，利用地理信息服務(wù)的元數(shù)據(jù)、配置文件、能力文檔、輸入輸出、實(shí)體特征，主題文本等表達(dá)地理信息服務(wù)[2,25-29]。

1.2 地理信息服務(wù)獲取

當(dāng)前地理信息服務(wù)資源的特點(diǎn)是：資源眾多，分布廣泛[30-31]，可以大致分為數(shù)據(jù)服務(wù)和處理服務(wù)。如圖1所示，地理信息服務(wù)主要以服務(wù)實(shí)體存在于相關(guān)的信息門戶中，或注冊(cè)在基于SOA架構(gòu)的注冊(cè)中心[32-33]。

圖1 地理信息服務(wù)門戶

地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)門戶成果眾多，例如全球地質(zhì)一體化服務(wù)門戶OneGeology[34]、美國(guó)政府的地理一站式網(wǎng)絡(luò)門戶Geospatial One Stop[35]、我國(guó)的國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)天地圖[36]。地理信息處理服務(wù)也在逐步發(fā)展，相關(guān)成果有52North[37]、GEOSS的Clearinghouse[38]、ArcGIS的處理服務(wù)[39]、GeoSquare[10]等。此外還有一些非Webservice的軟件接口或模型，也提供了地理信息處理服務(wù)的能力。例如基于Google Cloud的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)可視化計(jì)算和分析處理平臺(tái)Google Earth Engine[40-41]，以及一些地學(xué)應(yīng)用模型[42-43]。

當(dāng)前，地理信息服務(wù)的查找主要通過關(guān)鍵字搜索?；谕ㄓ盟阉饕?如Google、百度等)的地理信息服務(wù)檢索利用關(guān)鍵詞匹配，無法真正“理解”地理信息服務(wù)，搜索的結(jié)果需要二次甄別[8,44]。注冊(cè)中心整合了地理信息服務(wù)資源，注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)機(jī)制能確保準(zhǔn)確高效地發(fā)現(xiàn)已注冊(cè)的服務(wù)[45-46]。但是，目前還沒有一個(gè)權(quán)威、完整的注冊(cè)中心，且缺乏更新機(jī)制，存在查不全和服務(wù)失效問題[47]。此外，注冊(cè)中心依賴分類樹，數(shù)據(jù)之間是語義離散的，服務(wù)組合需要額外的專家知識(shí)。

地理信息服務(wù)的獲取建立在服務(wù)表達(dá)的基礎(chǔ)上，研究者就如何有效感知服務(wù)表達(dá)的內(nèi)涵以促進(jìn)服務(wù)獲取提出了不同方案[32,48]。其中，基于服務(wù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)引起了廣泛關(guān)注。

2 地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)

地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是所有地理信息服務(wù)及其關(guān)系組成的總和。建立高性能，智能化的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，將終端用戶、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、服務(wù)，傳感器設(shè)備等建立智能鏈接，是支撐復(fù)雜地理空間決策的可靠舉措[10]。地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)通過預(yù)先構(gòu)建服務(wù)之間的關(guān)系，作為服務(wù)組合的基礎(chǔ)，可以有效支撐地理信息服務(wù)協(xié)同。

目前，在服務(wù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已有很多研究成果可作為地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的參考。本節(jié)將服務(wù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究成果，應(yīng)用于地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建模與表達(dá)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)更新與優(yōu)化方面，探討構(gòu)建地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的可行性和潛在方法。

2.1 地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建模與表達(dá)

地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建模與表達(dá)是依據(jù)地理信息服務(wù)的語義關(guān)系、屬性關(guān)系、空間關(guān)系構(gòu)建模型，利用該模型將地理信息服務(wù)連接起來，并以一個(gè)語義關(guān)聯(lián)、屬性關(guān)聯(lián)、空間關(guān)聯(lián)的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行表達(dá)。按照建模方法的不同，可分為3類：基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方法，基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的方法，其他方法。

2.1.1 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方法

在Web服務(wù)網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，文獻(xiàn)[49]基于服務(wù)語法和語義關(guān)系定義了Web服務(wù)組合的依賴網(wǎng)絡(luò)和交互網(wǎng)絡(luò)模型，通過對(duì)這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的分析，證實(shí)了基于語義語法的網(wǎng)絡(luò)符合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)“小世界”和“冪律分布”的特點(diǎn)；文獻(xiàn)[50]提出了一種通過Web服務(wù)匹配算法將Web服務(wù)作為節(jié)點(diǎn)，將功能相似的服務(wù)連邊，構(gòu)建Web服務(wù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的方法并指出利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)節(jié)點(diǎn)的語義信息可以提高服務(wù)匹配的準(zhǔn)確率；文獻(xiàn)[15]基于Web服務(wù)間的參數(shù)匹配關(guān)系，服務(wù)交互關(guān)系建立服務(wù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)行為網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上建立了服務(wù)執(zhí)行行為的演化模型，結(jié)果表明由Web服務(wù)構(gòu)成的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的模塊性，需要重視服務(wù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶來的影響。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同時(shí)可作為服務(wù)鏈的推薦和智能組合的基礎(chǔ)。例如，文獻(xiàn)[51]提出基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能利用服務(wù)集合信息逆向查找關(guān)聯(lián)的服務(wù)進(jìn)行服務(wù)推薦；文獻(xiàn)[52]利用關(guān)鍵路徑算法構(gòu)建信任網(wǎng)絡(luò)模型，提出了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和小世界網(wǎng)絡(luò)的混合模型，并利用節(jié)點(diǎn)之間的最佳連接來推薦最佳的合作伙伴；文獻(xiàn)[53]研究了業(yè)務(wù)流程復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的劃分機(jī)制和算法，用于提升復(fù)雜云制造環(huán)境下制造服務(wù)組合的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)能力。

因此，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用于地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建的潛在方法，通過分析地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的特性，挖掘關(guān)鍵服務(wù)節(jié)點(diǎn)，可以更好地應(yīng)用于服務(wù)組合與服務(wù)推薦。

2.1.2 基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的方法

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可將系統(tǒng)、功能、協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)資源連接使用，滿足業(yè)務(wù)多樣性的需求?；诋悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[54]建模了基于服務(wù)的軟件系統(tǒng)(SBS)、服務(wù)(service)、相關(guān)屬性，以及SBS-Service的組合關(guān)系的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，在對(duì)服務(wù)聚類的基礎(chǔ)上，采用基于元路徑和網(wǎng)絡(luò)表示學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行服務(wù)推薦；文獻(xiàn)[55]依據(jù)Web服務(wù)、服務(wù)屬性、服務(wù)提供商、用戶以及相互之間的關(guān)系構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，提出了一種異構(gòu)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)聚類的算法；有文獻(xiàn)[56]構(gòu)建了服務(wù)、服務(wù)提供者和消費(fèi)者的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行服務(wù)聚類和排序。成果表明，利用異構(gòu)信息網(wǎng)對(duì)服務(wù)資源建模，能解決異構(gòu)的服務(wù)資源組織的問題，這正好符合多源異構(gòu)的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)組合的內(nèi)在需求。

2.1.3 其他方法

整體來看，服務(wù)實(shí)體要素之間的關(guān)系是構(gòu)建和使用網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。例如，文獻(xiàn)[25,57]分別根據(jù)服務(wù)之間的輸入輸出參數(shù)關(guān)系，操作級(jí)語義關(guān)系等，利用語義匹配方法挖掘Web服務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立了服務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型；文獻(xiàn)[58]使用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來表示服務(wù)之間不同的語義關(guān)系，并分析了服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)、服務(wù)之間相關(guān)性，指出多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在Web服務(wù)研究中的重要意義；文獻(xiàn)[59]提出了一種利用社交網(wǎng)絡(luò)和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)方法構(gòu)建服務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型的方法，形式化地表達(dá)了服務(wù)關(guān)系和屬性，并定義了服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)社區(qū)，有效解決了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)利用率低和服務(wù)關(guān)系復(fù)雜性的問題；類似地，文獻(xiàn)[60]提出了一種支持大規(guī)模定制需求的持久化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型，基于該模型構(gòu)建了持久化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用戶定制服務(wù)時(shí)，利用服務(wù)間關(guān)系，尋找任務(wù)目標(biāo)和初始狀態(tài)之間的最優(yōu)子網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)行服務(wù)組合，降低了服務(wù)定制的成本。

在地理信息領(lǐng)域，文獻(xiàn)[48]使用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型，基于語義關(guān)系將地理空間數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)服務(wù)、處理服務(wù)，地理工作流等關(guān)聯(lián)，以促進(jìn)異構(gòu)地理空間資源的發(fā)現(xiàn)和使用；文獻(xiàn)[61]提出一個(gè)從異構(gòu)地理空間數(shù)據(jù)源生成、拓展和使用地理空間關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的框架，連接了空間基礎(chǔ)設(shè)施SDI和語義網(wǎng)，有利于多種異構(gòu)地理空間信息的復(fù)用和關(guān)聯(lián)；此外，文獻(xiàn)[62]構(gòu)建了基于語義描述的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型，并將處理服務(wù)的輸入輸出參數(shù)、服務(wù)名稱和服務(wù)描述并用于服務(wù)推薦，然而該研究規(guī)模較小，涉及數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)服務(wù)和處理服務(wù)較為單一，可靠性需要在更大規(guī)模的數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證。

總體而言，可以借鑒服務(wù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的相關(guān)方法，構(gòu)建地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，作為服務(wù)組合的基礎(chǔ)，挖掘地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及特性，提高服務(wù)組合效率。

2.2 地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)更新與優(yōu)化

當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的地理信息服務(wù)或者已有的地理信息服務(wù)發(fā)生變化或者失效時(shí)，地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行更新與優(yōu)化。根據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建模方式，服務(wù)主題的不同需要指定不同的優(yōu)化方法，即“具體問題，具體分析”。

一方面，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的更新與優(yōu)化確保網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性，文獻(xiàn)[53]在云制造業(yè)務(wù)流程復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究中，提出了一種“制造任務(wù)-制造服務(wù)動(dòng)態(tài)匹配”的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)更新方法，優(yōu)化了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能；文獻(xiàn)[63]設(shè)計(jì)了基于語義信息篩選和基于類別新篩選的方法對(duì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增量更新的方法，使服務(wù)網(wǎng)絡(luò)擁有實(shí)時(shí)更新，快速拓展的能力；類似地，文獻(xiàn)[64]提出了服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)持續(xù)生長(zhǎng)方法，包括多需求同時(shí)抵達(dá)的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)優(yōu)化算法、基于需求特征的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)定制與生長(zhǎng)算法，同時(shí)生成服務(wù)網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)方案和優(yōu)化的需求定制方案。

另一方面，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的更新與優(yōu)化是構(gòu)建具體應(yīng)用的基礎(chǔ)，更新優(yōu)化的好壞影響后續(xù)應(yīng)用的使用。文獻(xiàn)[65]在利用用戶功能、QoS構(gòu)建服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)排序方法優(yōu)化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，降低服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造成本和使用成本；文獻(xiàn)[66]通過對(duì)服務(wù)關(guān)系圖存在的孤立節(jié)點(diǎn)和不合理鏈路問題的分析，預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中具有重要價(jià)值的服務(wù)，為服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)的生長(zhǎng)及服務(wù)發(fā)布者提供建議，并提出了一種基于用戶歷史組合案例的服務(wù)組合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化機(jī)制。

當(dāng)?shù)乩硇畔⒎?wù)網(wǎng)絡(luò)作為服務(wù)組合的基礎(chǔ)時(shí)，隨著新的地理信息服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、已有服務(wù)的變化或失效，地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)也需要進(jìn)行改變，需要借鑒服務(wù)計(jì)算領(lǐng)域的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)更新與優(yōu)化的研究成果，對(duì)構(gòu)建的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新與優(yōu)化。地理信息服務(wù)數(shù)量和類別的增加，其質(zhì)量特征(服務(wù)接口、數(shù)據(jù)吞吐和執(zhí)行時(shí)間等)的變化，為地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的更新與優(yōu)化帶來新的挑戰(zhàn)。因而引入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究成果，構(gòu)建地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同具有實(shí)踐意義。

3 地理信息服務(wù)協(xié)同

地理信息服務(wù)協(xié)同是將發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)量巨大但功能粒度較小的地理信息服務(wù)根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行邏輯組合，形成地理信息服務(wù)鏈，對(duì)各研究領(lǐng)域的地理信息數(shù)據(jù)和處理服務(wù)實(shí)現(xiàn)分布式共享與協(xié)同互操作，以滿足更高層次的應(yīng)用需求，避免地理信息服務(wù)的重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)等問題[67-69]。地理信息服務(wù)協(xié)同本質(zhì)是服務(wù)鏈的構(gòu)建、部署、執(zhí)行和優(yōu)化。與地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)類似，地理信息服務(wù)的協(xié)同也參考了大量其他領(lǐng)域的協(xié)同的相關(guān)研究。除了基于已生成的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建服務(wù)鏈實(shí)現(xiàn)服務(wù)協(xié)同外，還有基于工作流編排，人工智能規(guī)劃等方法的服務(wù)協(xié)同。

3.1 地理信息服務(wù)協(xié)同的構(gòu)建方法

服務(wù)協(xié)同的構(gòu)建目的是將地理信息服務(wù)連接成為地理信息服務(wù)鏈。地理信息服務(wù)鏈?zhǔn)堑乩硇畔⒎?wù)的序列，對(duì)于序列中相鄰的服務(wù)對(duì)，前一個(gè)服務(wù)行為的產(chǎn)生是后一個(gè)服務(wù)行為產(chǎn)生的必要條件[70]。根據(jù)設(shè)計(jì)過程中用戶對(duì)服務(wù)鏈的控制程度，可以將服務(wù)鏈分為用戶自定義(透明)服務(wù)鏈、工作流管理(半透明)服務(wù)鏈和集聚服務(wù)(不透明)鏈3種類型。

服務(wù)鏈構(gòu)建的重點(diǎn)是服務(wù)的組合，強(qiáng)調(diào)基于服務(wù)之間邏輯順序的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問題的求解[71]。基于服務(wù)組合的理論基礎(chǔ)和構(gòu)建方式，服務(wù)的組合方法分類標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，但從服務(wù)組合的解決方案來看，廣義上可以分為靜態(tài)服務(wù)組合與動(dòng)態(tài)服務(wù)組合[72-73]，見表1。

表1 服務(wù)組合的類型，方法和特點(diǎn)

3.1.1 靜態(tài)服務(wù)組合

靜態(tài)服務(wù)組合模式通常以工作流技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建工作流管理(半透明)服務(wù)鏈，在服務(wù)組合模型的設(shè)計(jì)階段確定服務(wù)的組合流程。文獻(xiàn)[74]在工作流的參考模型和空間信息服務(wù)的架構(gòu)與互操作模型的基礎(chǔ)上提出基于工作流的空間信息服務(wù)模型、空間信息服務(wù)組合引擎的體系結(jié)構(gòu)，并在礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了組合案例；文獻(xiàn)[67]采用BPEL語言描述工作流業(yè)務(wù)流程，以暴雨洪災(zāi)模型開展建模實(shí)例分析，驗(yàn)證了基于工作流技術(shù)的地理信息服務(wù)鏈構(gòu)建地學(xué)模型的可行性。在此基礎(chǔ)上，基于本體思想的補(bǔ)償服務(wù)[75]、基于Petri網(wǎng)的理論[76]、基于策略的多Agent服務(wù)容錯(cuò)模型[77]等研究進(jìn)一步提升了基于工作流構(gòu)建服務(wù)組合的準(zhǔn)確性和容錯(cuò)性。盡管基于工作流技術(shù)靜態(tài)構(gòu)建的服務(wù)鏈具有業(yè)務(wù)邏輯與應(yīng)用邏輯分離，處理效率較高的優(yōu)點(diǎn)，但其擴(kuò)展性較弱，也無法根據(jù)實(shí)際變化動(dòng)態(tài)調(diào)整服務(wù)鏈，異常處理能力差。

3.1.2 動(dòng)態(tài)服務(wù)組合

動(dòng)態(tài)服務(wù)組合模式主要以聚集服務(wù)的形式，通過服務(wù)語義來使計(jì)算機(jī)代替專業(yè)人員，根據(jù)用戶的操作需求及相鄰服務(wù)的語義關(guān)系[78]，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)和調(diào)用服務(wù)。動(dòng)態(tài)服務(wù)組合的方法大致可分為基于領(lǐng)域本體的服務(wù)組合、基于人工智能規(guī)劃的服務(wù)組合和基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的服務(wù)組合。

基于領(lǐng)域本體的服務(wù)組合通過對(duì)領(lǐng)域內(nèi)的概念及概念間的關(guān)系進(jìn)行精確定義，構(gòu)建用戶與系統(tǒng)之間相互理解的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)領(lǐng)域本體之間的服務(wù)的關(guān)系的推理，達(dá)到構(gòu)建服務(wù)鏈的目的[79]。例如，文獻(xiàn)[80]引入地理領(lǐng)域本體，基于語義接口匹配構(gòu)建地理信息Web服務(wù)動(dòng)態(tài)組合框架，以服務(wù)之間接口描述的語義相似度作為服務(wù)之間接口的匹配度，實(shí)現(xiàn)了以用戶任務(wù)需求為目標(biāo)的空間信息服務(wù)鏈自動(dòng)生成算法。基于領(lǐng)域本體的服務(wù)組合方法能夠提高服務(wù)組合的智能化和準(zhǔn)確度，但要求用戶具備較全面的領(lǐng)域知識(shí)。同時(shí)，基于語義推理的服務(wù)搜索效率不高，跨領(lǐng)域、通用性的本體缺失，降低了該方法的實(shí)用性[71]。

基于智能規(guī)劃的服務(wù)組合是將服務(wù)組合看作一個(gè)AI規(guī)劃的行為，利用AI規(guī)劃中的模型和公理，基于服務(wù)的輸入/輸出參數(shù)與狀態(tài)信息，動(dòng)態(tài)生成符合需求的服務(wù)組合?；谥悄芤?guī)劃方法具有良好的動(dòng)態(tài)性和智能性，文獻(xiàn)[81]認(rèn)為基于智能規(guī)劃的服務(wù)組合能有效地將異質(zhì)異構(gòu)數(shù)據(jù)與服務(wù)的語義集成和共享，實(shí)現(xiàn)服務(wù)動(dòng)態(tài)組合與運(yùn)行；此外，文獻(xiàn)[32]基于云計(jì)算和Agent智能體的方法顯著提高了分布式云環(huán)境中地理信息服務(wù)鏈的構(gòu)建效率；文獻(xiàn)[2]等提出了一種多智能體人工智能規(guī)劃方案，將服務(wù)組合任務(wù)委托給CSW服務(wù)，通過添加新的CSW服務(wù)，服務(wù)組合執(zhí)行時(shí)間顯著減少。但是，這種模型的開發(fā)難度較大，服務(wù)搜索效率較低，因此當(dāng)前此類組合的范圍和規(guī)模都較小[2,32]。

與前兩者方法不同，基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的服務(wù)組合是通過已構(gòu)建的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，提取符合用戶需求的可執(zhí)行路徑生成服務(wù)鏈。文獻(xiàn)[82]將Web服務(wù)及其關(guān)系建模為一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用圖搜索算法來實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)自動(dòng)化組合，展現(xiàn)出該方法的高效和靈活性；文獻(xiàn)[51]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)大規(guī)模的Web服務(wù)構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型和推薦服務(wù)鏈方法的可行性，同時(shí)通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中不同結(jié)構(gòu)下Web服務(wù)組合的QoS值，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)屬性值推薦服務(wù)鏈。在地學(xué)領(lǐng)域中，文獻(xiàn)[83]借鑒超圖模型在多元關(guān)系表達(dá)中的優(yōu)勢(shì)，定義了地表變化檢測(cè)服務(wù)關(guān)系超圖，有效表達(dá)了服務(wù)間的多元關(guān)系，基于推理規(guī)則實(shí)現(xiàn)了服務(wù)鏈的按需生成。此類服務(wù)組合的優(yōu)勢(shì)是，只需要在已有的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中查詢服務(wù)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，有助于提高服務(wù)鏈按需生成的效率。

3.2 地理信息服務(wù)協(xié)同的優(yōu)化

地理信息服務(wù)協(xié)同的優(yōu)化是從服務(wù)集合中選擇最合適的服務(wù)組合，使組合后服務(wù)鏈整體性能最優(yōu)。服務(wù)鏈的優(yōu)化策略包括構(gòu)建過程中的靜態(tài)優(yōu)化和執(zhí)行過程中的動(dòng)態(tài)優(yōu)化[84]。

服務(wù)鏈的靜態(tài)優(yōu)化是服務(wù)鏈執(zhí)行的重要基礎(chǔ)，可分為局部?jī)?yōu)化和全局優(yōu)化[85]，優(yōu)化方法如圖2所示。局部?jī)?yōu)化對(duì)服務(wù)鏈中每個(gè)抽象原子服務(wù)依次從各自候選服務(wù)集中選擇QoS最優(yōu)的服務(wù)組件[71]，局部?jī)?yōu)化僅針對(duì)每一個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)選擇該節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)服務(wù)，無法保證在全局上滿足執(zhí)行要求。全局優(yōu)化通過計(jì)算服務(wù)組件組合整體的QoS值，選擇候選服務(wù)組合中QoS最高的組合，以確保服務(wù)鏈整體性能最優(yōu)。由于服務(wù)鏈全局優(yōu)化考慮多個(gè)QoS目標(biāo)(例如響應(yīng)時(shí)間、可靠性、數(shù)據(jù)質(zhì)量等)，是一個(gè)典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題，難以在可接受時(shí)間內(nèi)得到最優(yōu)解，因此一般使用啟發(fā)式算法尋找近似最優(yōu)解。常用的全局優(yōu)化算法有遺傳算法[86-87]、粒子群優(yōu)化算法[88-89]和蟻群算法[90-91]等。在服務(wù)數(shù)量較大時(shí)，近似全局優(yōu)化的時(shí)間復(fù)雜度、不同領(lǐng)域間的通用性以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等方面還需進(jìn)一步研究[92]。服務(wù)鏈靜態(tài)優(yōu)化基于歷史量測(cè)信息，還不能準(zhǔn)確反映服務(wù)鏈執(zhí)行時(shí)的服務(wù)狀態(tài)[93]。

圖2 服務(wù)鏈的靜態(tài)優(yōu)化

動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略是通過動(dòng)態(tài)監(jiān)控服務(wù)鏈運(yùn)行過程中QoS異常變化情況進(jìn)行重新規(guī)劃，確保服務(wù)鏈能在滿足QoS約束的狀態(tài)下順利執(zhí)行，如圖3所示。

圖3 服務(wù)鏈的動(dòng)態(tài)優(yōu)化

針對(duì)服務(wù)組合運(yùn)行階段的性能分析與優(yōu)化問題，文獻(xiàn)[94]提出了一種基于數(shù)學(xué)分析的組合服務(wù)性能模型、性能分析及優(yōu)化方法，介紹了遺傳算法優(yōu)化服務(wù)選擇的優(yōu)越性；文獻(xiàn)[95]提出了一種結(jié)合隨機(jī)逼近和策略迭代的在線優(yōu)化算法增強(qiáng)服務(wù)組合的環(huán)境自適應(yīng)性。

如果出現(xiàn)服務(wù)組合異常，則需要在動(dòng)態(tài)優(yōu)化的過程中進(jìn)行服務(wù)替換。文獻(xiàn)[96]提出了一種基于改進(jìn)模擬退火算法的QoS動(dòng)態(tài)服務(wù)組合方法，實(shí)現(xiàn)了QoS達(dá)到臨界值時(shí)的局部替換和環(huán)境變更時(shí)的動(dòng)態(tài)重組；文獻(xiàn)[97]基于ECA規(guī)則對(duì)BPEL語法進(jìn)行擴(kuò)充，設(shè)計(jì)多種GIS服務(wù)鏈異常處理與恢復(fù)策略；文獻(xiàn)[72]提出一種時(shí)空優(yōu)化的空間信息服務(wù)組合重規(guī)劃方法，滿足了動(dòng)態(tài)變化的云環(huán)境中空間信息服務(wù)的準(zhǔn)確替換和失效服務(wù)組合的快速修復(fù)。

針對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的服務(wù)鏈，文獻(xiàn)[53]設(shè)計(jì)了基于動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)的云制造服務(wù)組合自適應(yīng)機(jī)制，將對(duì)最優(yōu)服務(wù)組合的構(gòu)建轉(zhuǎn)化為對(duì)服務(wù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)組合的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)。這表明，通過感知服務(wù)網(wǎng)絡(luò)上下文結(jié)構(gòu)進(jìn)行路徑替換處理異常，能夠滿足服務(wù)鏈的動(dòng)態(tài)優(yōu)化需求，具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 總結(jié)與展望

大量在線的地理信息服務(wù)降低了用戶獲取和處理空間數(shù)據(jù)的門檻。地理信息服務(wù)的一個(gè)重要發(fā)展方向是構(gòu)建多層次、面向語義關(guān)聯(lián)關(guān)系的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，支持上下文動(dòng)態(tài)感知的地理信息服務(wù)協(xié)同，將功能簡(jiǎn)單、部署分散、難以理解的單個(gè)地理信息服務(wù)，構(gòu)建成復(fù)雜且易用、耦合但不固化的智能協(xié)同服務(wù)。相關(guān)理論與技術(shù)仍亟待深入，面臨的難題與挑戰(zhàn)有：

(1)完善的地理信息服務(wù)表達(dá)體系結(jié)構(gòu)，建立全面的地理信息服務(wù)語義描述及形式化表達(dá)。大量的地理信息服務(wù)以局部自治的孤島存在，結(jié)構(gòu)形式特征各異，且規(guī)模龐大，需要一個(gè)全面的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同的地理信息服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的語義描述，使不同或相同的服務(wù)之間能夠進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，增?qiáng)對(duì)服務(wù)實(shí)體本身的選擇能力。

(2)通過語義關(guān)聯(lián)形成多層次，動(dòng)態(tài)的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建立能將服務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性利用起來，為服務(wù)智能組合與協(xié)同提供基礎(chǔ)。當(dāng)前地理信息領(lǐng)域還沒有將多源異構(gòu)的地理信息服務(wù)組合成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，大多的關(guān)注點(diǎn)仍集中在服務(wù)鏈的構(gòu)建與優(yōu)化。如何通過地理信息服務(wù)之間的關(guān)系推理，支持服務(wù)網(wǎng)絡(luò)分析、監(jiān)測(cè)、與更新等保持服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性也缺乏相應(yīng)成果。如何構(gòu)建多層次、動(dòng)態(tài)的地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，需進(jìn)一步探討。

(3)如何實(shí)現(xiàn)地理信息服務(wù)協(xié)同？通過組合地理信息服務(wù)，將簡(jiǎn)單的服務(wù)組合成復(fù)雜的應(yīng)用模型是推動(dòng)地理信息服務(wù)發(fā)展的需求。研究如何基于地理信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建智能化，自動(dòng)化的地理信息服務(wù)協(xié)同，既需要服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的可靠性作為基礎(chǔ)，也需要借鑒其他服務(wù)協(xié)同的技術(shù)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。