吳華意，靳鳳營，梁健源，張顯源，邢華橋，桂志鵬，李 銳，向隆剛

1.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.山東建筑大學測繪地理信息學院，山東 濟南 250101

近20年來，大量的地理信息數(shù)據(jù)和服務在互聯(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)絡的地理信息服務[1-2]。地理信息服務具有共享性、復用性、不受地域限制等特點，這些特點降低了服務資源的使用門檻，促進了地理信息服務資源跨地域、跨領(lǐng)域的使用[3-4]。

互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)進一步推動地理信息科學領(lǐng)域的發(fā)展，用戶對地理信息服務的需求趨向個性化、多樣化，單個地理信息服務逐漸難以滿足更高層次的應用需求。為增強地理信息服務的服務能力，提高服務范圍，研究者將多個服務聯(lián)合使用，建立服務組合模型。但是，服務組合模型涉及多個服務的協(xié)同使用，甚至一個模型還會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，將其構(gòu)建成可高效協(xié)同的服務組合成為研究者重點關(guān)注的問題。鑒于此，開放地理信息聯(lián)盟(OGC)提出基于網(wǎng)絡服務的OWS(OGC web services)框架，提供WFS、WCS、WMS、WPS等規(guī)范，支持地理信息服務之間的互操作。然而，OWS只解決了服務組合中服務之間的信息交換問題，服務的表達與發(fā)現(xiàn)[8]、服務及其組合的質(zhì)量[9]、服務的替換和優(yōu)化等問題仍待解決。大量的地理信息服務仍以“個體”形式存在于互聯(lián)網(wǎng)中，需要研究者發(fā)現(xiàn)和使用。

為促進地理信息服務組合，需要有效的組織方式管理現(xiàn)有的地理信息服務。文獻[10]提出地理信息服務網(wǎng)絡(geospatial service web，GSW)的概念，認為地理數(shù)據(jù)、信息、知識，甚至服務提供者、用戶都是共享服務的一部分，應形成智能化、自動化的地理信息服務網(wǎng)絡體系。文獻[11—12]進一步指出建設地理信息空間信息服務網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)包括：地理空間資源的抽象和管理，互操作性和標準化，地理空間信息和知識的表示等方面。受限于地理信息服務表達語義多樣、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化格式混合、統(tǒng)一標準的覆蓋率低等特點，迄今為止，地理信息服務網(wǎng)絡仍難以形成。

近年來，面向互聯(lián)網(wǎng)的服務架構(gòu)[13]、服務計算[14]和服務協(xié)同[15-16]等技術(shù)日漸成熟。強調(diào)相關(guān)關(guān)系的網(wǎng)絡協(xié)作[17]已在天文發(fā)現(xiàn)、基因測序等復雜問題分析中發(fā)揮作用。另一方面，服務實體表達能力大幅度增強，基于語義的服務表達已商業(yè)化應用，這些成果為地理信息服務協(xié)同的研究帶來了新的機遇。

本文認為，眾多地理信息服務具有復雜多樣的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其本質(zhì)是一種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)?；诘乩硇畔⒎諏嶓w的表達，構(gòu)建動態(tài)可變、語義關(guān)聯(lián)的地理信息服務網(wǎng)絡，是組織眾多地理信息服務的可行方法，與其他方法，例如知識圖譜，復雜網(wǎng)絡方法等相結(jié)合，具有廣泛應用前景。本文總結(jié)地理信息服務網(wǎng)絡及協(xié)同的研究進展，并對未來的發(fā)展進行展望。

1 地理信息服務表達與獲取

地理信息服務旨在提供一個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內(nèi)容，解決服務互操作問題。從服務的構(gòu)建與使用的角度出發(fā)，需要關(guān)注地理信息服務的表達與獲取兩個方面。

1.1 地理信息服務表達

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

近年來，地理信息服務質(zhì)量被較多地關(guān)注。文獻[18]提出，地理信息服務質(zhì)量(quality of GIService，QoGIS)要同時關(guān)注服務的過程和結(jié)果的質(zhì)量，包括響應時間、吞吐量、數(shù)據(jù)的時效性、結(jié)果的完整性等要素。除了服務本身的質(zhì)量外，還可以考慮用戶的需求和偏好，用戶與服務的時空特征[19-20]。文獻[21]進一步歸納服務質(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的表達能力，在對服務的檢索、選擇、組合優(yōu)化等方面發(fā)揮了重要的作用[22]。例如，文獻[9]在OWS的基礎(chǔ)上增加了對地理信息服務質(zhì)量的描述，支持基于服務質(zhì)量的地理信息服務實體發(fā)布、發(fā)現(xiàn)與選擇；文獻[23]提出將語義信息嵌入服務描述文件中以提高地圖服務的質(zhì)量；文獻[24]對OGC服務標準進行了擴展，將地理信息服務質(zhì)量的評估用于服務鏈的選擇。此外，部分研究還通過網(wǎng)絡服務的本體語言，利用地理信息服務的元數(shù)據(jù)、配置文件、能力文檔、輸入輸出、實體特征，主題文本等表達地理信息服務[2,25-29]。

1.2 地理信息服務獲取

當前地理信息服務資源的特點是：資源眾多，分布廣泛[30-31]，可以大致分為數(shù)據(jù)服務和處理服務。如圖1所示，地理信息服務主要以服務實體存在于相關(guān)的信息門戶中，或注冊在基于SOA架構(gòu)的注冊中心[32-33]。

圖1 地理信息服務門戶

地理信息數(shù)據(jù)服務門戶成果眾多，例如全球地質(zhì)一體化服務門戶OneGeology[34]、美國政府的地理一站式網(wǎng)絡門戶Geospatial One Stop[35]、我國的國家地理信息公共服務平臺天地圖[36]。地理信息處理服務也在逐步發(fā)展，相關(guān)成果有52North[37]、GEOSS的Clearinghouse[38]、ArcGIS的處理服務[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的能力。例如基于Google Cloud的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)可視化計算和分析處理平臺Google Earth Engine[40-41]，以及一些地學應用模型[42-43]。

當前，地理信息服務的查找主要通過關(guān)鍵字搜索。基于通用搜索引擎(如Google、百度等)的地理信息服務檢索利用關(guān)鍵詞匹配，無法真正“理解”地理信息服務，搜索的結(jié)果需要二次甄別[8,44]。注冊中心整合了地理信息服務資源，注冊和發(fā)現(xiàn)機制能確保準確高效地發(fā)現(xiàn)已注冊的服務[45-46]。但是，目前還沒有一個權(quán)威、完整的注冊中心，且缺乏更新機制，存在查不全和服務失效問題[47]。此外，注冊中心依賴分類樹，數(shù)據(jù)之間是語義離散的，服務組合需要額外的專家知識。

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

2 地理信息服務網(wǎng)絡

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

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

2.1 地理信息服務網(wǎng)絡建模與表達

地理信息服務網(wǎng)絡的建模與表達是依據(jù)地理信息服務的語義關(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連接起來，并以一個語義關(guān)聯(lián)、屬性關(guān)聯(lián)、空間關(guān)聯(lián)的服務網(wǎng)絡形式進行表達。按照建模方法的不同，可分為3類：基于復雜網(wǎng)絡的方法，基于異構(gòu)網(wǎng)絡的方法，其他方法。

2.1.1 基于復雜網(wǎng)絡的方法

在Web服務網(wǎng)絡研究領(lǐng)域，文獻[49]基于服務語法和語義關(guān)系定義了Web服務組合的依賴網(wǎng)絡和交互網(wǎng)絡模型，通過對這兩個網(wǎng)絡的分析，證實了基于語義語法的網(wǎng)絡符合復雜網(wǎng)絡“小世界”和“冪律分布”的特點；文獻[50]提出了一種通過Web服務匹配算法將Web服務作為節(jié)點，將功能相似的服務連邊，構(gòu)建Web服務復雜網(wǎng)絡模型的方法并指出利用網(wǎng)絡服務節(jié)點的語義信息可以提高服務匹配的準確率；文獻[15]基于Web服務間的參數(shù)匹配關(guān)系，服務交互關(guān)系建立服務結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡和服務行為網(wǎng)絡，在此基礎(chǔ)上建立了服務執(zhí)行行為的演化模型，結(jié)果表明由Web服務構(gòu)成的系統(tǒng)具有更強的模塊性，需要重視服務結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡帶來的影響。

復雜網(wǎng)絡同時可作為服務鏈的推薦和智能組合的基礎(chǔ)。例如，文獻[51]提出基于復雜網(wǎng)絡的服務能利用服務集合信息逆向查找關(guān)聯(lián)的服務進行服務推薦；文獻[52]利用關(guān)鍵路徑算法構(gòu)建信任網(wǎng)絡模型，提出了貝葉斯網(wǎng)絡和小世界網(wǎng)絡的混合模型，并利用節(jié)點之間的最佳連接來推薦最佳的合作伙伴；文獻[53]研究了業(yè)務流程復雜網(wǎng)絡的劃分機制和算法，用于提升復雜云制造環(huán)境下制造服務組合的動態(tài)自適應能力。

因此，復雜網(wǎng)絡是應用于地理信息服務網(wǎng)絡的構(gòu)建的潛在方法，通過分析地理信息服務網(wǎng)絡的特性，挖掘關(guān)鍵服務節(jié)點，可以更好地應用于服務組合與服務推薦。

2.1.2 基于異構(gòu)網(wǎng)絡的方法

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

2.1.3 其他方法

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

在地理信息領(lǐng)域，文獻[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、處理服務，地理工作流等關(guān)聯(lián)，以促進異構(gòu)地理空間資源的發(fā)現(xiàn)和使用；文獻[61]提出一個從異構(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)設施SDI和語義網(wǎng)，有利于多種異構(gòu)地理空間信息的復用和關(guān)聯(lián)；此外，文獻[62]構(gòu)建了基于語義描述的地理信息服務網(wǎng)絡模型，并將處理服務的輸入輸出參數(shù)、服務名稱和服務描述并用于服務推薦，然而該研究規(guī)模較小，涉及數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)服務和處理服務較為單一，可靠性需要在更大規(guī)模的數(shù)據(jù)集中驗證。

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

2.2 地理信息服務網(wǎng)絡更新與優(yōu)化

當發(fā)現(xiàn)新的地理信息服務或者已有的地理信息服務發(fā)生變化或者失效時，地理信息服務網(wǎng)絡需要進行更新與優(yōu)化。根據(jù)服務網(wǎng)絡建模方式，服務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，服務網(wǎng)絡的更新與優(yōu)化確保網(wǎng)絡的動態(tài)性，文獻[53]在云制造業(yè)務流程復雜網(wǎng)絡的研究中，提出了一種“制造任務-制造服務動態(tài)匹配”的復雜網(wǎng)絡動態(tài)更新方法，優(yōu)化了復雜網(wǎng)絡的性能；文獻[63]設計了基于語義信息篩選和基于類別新篩選的方法對服務網(wǎng)絡進行增量更新的方法，使服務網(wǎng)絡擁有實時更新，快速拓展的能力；類似地，文獻[64]提出了服務網(wǎng)絡的動態(tài)持續(xù)生長方法，包括多需求同時抵達的服務網(wǎng)絡生長優(yōu)化算法、基于需求特征的服務網(wǎng)絡定制與生長算法，同時生成服務網(wǎng)絡生長方案和優(yōu)化的需求定制方案。

另一方面，服務網(wǎng)絡的更新與優(yōu)化是構(gòu)建具體應用的基礎(chǔ)，更新優(yōu)化的好壞影響后續(xù)應用的使用。文獻[65]在利用用戶功能、QoS構(gòu)建服務網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上，采用關(guān)鍵節(jié)點排序方法優(yōu)化服務網(wǎng)絡的節(jié)點，降低服務網(wǎng)絡的構(gòu)造成本和使用成本；文獻[66]通過對服務關(guān)系圖存在的孤立節(jié)點和不合理鏈路問題的分析，預測網(wǎng)絡中具有重要價值的服務，為服務組合網(wǎng)絡的生長及服務發(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組合網(wǎng)絡優(yōu)化機制。

當?shù)乩硇畔⒎站W(wǎng)絡作為服務組合的基礎(chǔ)時，隨著新的地理信息服務的發(fā)現(xiàn)、已有服務的變化或失效，地理信息服務網(wǎng)絡也需要進行改變，需要借鑒服務計算領(lǐng)域的服務網(wǎng)絡更新與優(yōu)化的研究成果，對構(gòu)建的地理信息服務網(wǎng)絡進行更新與優(yōu)化。地理信息服務數(shù)量和類別的增加，其質(zhì)量特征(服務接口、數(shù)據(jù)吞吐和執(zhí)行時間等)的變化，為地理信息服務網(wǎng)絡的更新與優(yōu)化帶來新的挑戰(zhàn)。因而引入服務網(wǎng)絡領(lǐng)域的研究成果，構(gòu)建地理信息服務網(wǎng)絡，并實現(xiàn)基于網(wǎng)絡的協(xié)同具有實踐意義。

3 地理信息服務協(xié)同

地理信息服務協(xié)同是將發(fā)布在網(wǎng)絡上的數(shù)量巨大但功能粒度較小的地理信息服務根據(jù)任務需求進行邏輯組合，形成地理信息服務鏈，對各研究領(lǐng)域的地理信息數(shù)據(jù)和處理服務實現(xiàn)分布式共享與協(xié)同互操作，以滿足更高層次的應用需求，避免地理信息服務的重復建設和資源浪費等問題[67-69]。地理信息服務協(xié)同本質(zhì)是服務鏈的構(gòu)建、部署、執(zhí)行和優(yōu)化。與地理信息服務網(wǎng)絡類似，地理信息服務的協(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網(wǎng)絡構(gòu)建服務鏈實現(xiàn)服務協(xié)同外，還有基于工作流編排，人工智能規(guī)劃等方法的服務協(xié)同。

3.1 地理信息服務協(xié)同的構(gòu)建方法

服務協(xié)同的構(gòu)建目的是將地理信息服務連接成為地理信息服務鏈。地理信息服務鏈是地理信息服務的序列，對于序列中相鄰的服務對，前一個服務行為的產(chǎn)生是后一個服務行為產(chǎn)生的必要條件[70]。根據(jù)設計過程中用戶對服務鏈的控制程度，可以將服務鏈分為用戶自定義(透明)服務鏈、工作流管理(半透明)服務鏈和集聚服務(不透明)鏈3種類型。

服務鏈構(gòu)建的重點是服務的組合，強調(diào)基于服務之間邏輯順序的協(xié)同工作，實現(xiàn)對復雜問題的求解[71]。基于服務組合的理論基礎(chǔ)和構(gòu)建方式，服務的組合方法分類標準不盡相同，但從服務組合的解決方案來看，廣義上可以分為靜態(tài)服務組合與動態(tài)服務組合[72-73]，見表1。

表1 服務組合的類型，方法和特點

3.1.1 靜態(tài)服務組合

靜態(tài)服務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)服務鏈，在服務組合模型的設計階段確定服務的組合流程。文獻[74]在工作流的參考模型和空間信息服務的架構(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模型、空間信息服務組合引擎的體系結(jié)構(gòu)，并在礦產(chǎn)資源評價應用中實現(xiàn)了組合案例；文獻[67]采用BPEL語言描述工作流業(yè)務流程，以暴雨洪災模型開展建模實例分析，驗證了基于工作流技術(shù)的地理信息服務鏈構(gòu)建地學模型的可行性。在此基礎(chǔ)上，基于本體思想的補償服務[75]、基于Petri網(wǎng)的理論[76]、基于策略的多Agent服務容錯模型[77]等研究進一步提升了基于工作流構(gòu)建服務組合的準確性和容錯性。盡管基于工作流技術(shù)靜態(tài)構(gòu)建的服務鏈具有業(yè)務邏輯與應用邏輯分離，處理效率較高的優(yōu)點，但其擴展性較弱，也無法根據(jù)實際變化動態(tài)調(diào)整服務鏈，異常處理能力差。

3.1.2 動態(tài)服務組合

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

基于領(lǐng)域本體的服務組合通過對領(lǐng)域內(nèi)的概念及概念間的關(guān)系進行精確定義，構(gòu)建用戶與系統(tǒng)之間相互理解的基礎(chǔ)，實現(xiàn)對領(lǐng)域本體之間的服務的關(guān)系的推理，達到構(gòu)建服務鏈的目的[79]。例如，文獻[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服務動態(tài)組合框架，以服務之間接口描述的語義相似度作為服務之間接口的匹配度，實現(xiàn)了以用戶任務需求為目標的空間信息服務鏈自動生成算法?；陬I(lǐng)域本體的服務組合方法能夠提高服務組合的智能化和準確度，但要求用戶具備較全面的領(lǐng)域知識。同時，基于語義推理的服務搜索效率不高，跨領(lǐng)域、通用性的本體缺失，降低了該方法的實用性[71]。

基于智能規(guī)劃的服務組合是將服務組合看作一個AI規(guī)劃的行為，利用AI規(guī)劃中的模型和公理，基于服務的輸入/輸出參數(shù)與狀態(tài)信息，動態(tài)生成符合需求的服務組合。基于智能規(guī)劃方法具有良好的動態(tài)性和智能性，文獻[81]認為基于智能規(guī)劃的服務組合能有效地將異質(zhì)異構(gòu)數(shù)據(jù)與服務的語義集成和共享，實現(xiàn)服務動態(tài)組合與運行；此外，文獻[32]基于云計算和Agent智能體的方法顯著提高了分布式云環(huán)境中地理信息服務鏈的構(gòu)建效率；文獻[2]等提出了一種多智能體人工智能規(guī)劃方案，將服務組合任務委托給CSW服務，通過添加新的CSW服務，服務組合執(zhí)行時間顯著減少。但是，這種模型的開發(fā)難度較大，服務搜索效率較低，因此當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)絡結(jié)構(gòu)的服務組合是通過已構(gòu)建的服務網(wǎng)絡，提取符合用戶需求的可執(zhí)行路徑生成服務鏈。文獻[82]將Web服務及其關(guān)系建模為一個復雜的網(wǎng)絡，應用圖搜索算法來實現(xiàn)Web服務自動化組合，展現(xiàn)出該方法的高效和靈活性；文獻[51]通過試驗驗證了對大規(guī)模的Web服務構(gòu)建復雜網(wǎng)絡模型和推薦服務鏈方法的可行性，同時通過計算網(wǎng)絡中不同結(jié)構(gòu)下Web服務組合的QoS值，實現(xiàn)了根據(jù)屬性值推薦服務鏈。在地學領(lǐng)域中，文獻[83]借鑒超圖模型在多元關(guān)系表達中的優(yōu)勢，定義了地表變化檢測服務關(guān)系超圖，有效表達了服務間的多元關(guān)系，基于推理規(guī)則實現(xiàn)了服務鏈的按需生成。此類服務組合的優(yōu)勢是，只需要在已有的服務網(wǎng)絡中查詢服務節(jié)點和服務間關(guān)聯(lián)關(guān)系，有助于提高服務鏈按需生成的效率。

3.2 地理信息服務協(xié)同的優(yōu)化

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

服務鏈的靜態(tài)優(yōu)化是服務鏈執(zhí)行的重要基礎(chǔ)，可分為局部優(yōu)化和全局優(yōu)化[85]，優(yōu)化方法如圖2所示。局部優(yōu)化對服務鏈中每個抽象原子服務依次從各自候選服務集中選擇QoS最優(yōu)的服務組件[71]，局部優(yōu)化僅針對每一個服務節(jié)點選擇該節(jié)點的最優(yōu)服務，無法保證在全局上滿足執(zhí)行要求。全局優(yōu)化通過計算服務組件組合整體的QoS值，選擇候選服務組合中QoS最高的組合，以確保服務鏈整體性能最優(yōu)。由于服務鏈全局優(yōu)化考慮多個QoS目標(例如響應時間、可靠性、數(shù)據(jù)質(zhì)量等)，是一個典型的多目標優(yōu)化問題，難以在可接受時間內(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。在服務數(shù)量較大時，近似全局優(yōu)化的時間復雜度、不同領(lǐng)域間的通用性以及對環(huán)境的適應性等方面還需進一步研究[92]。服務鏈靜態(tài)優(yōu)化基于歷史量測信息，還不能準確反映服務鏈執(zhí)行時的服務狀態(tài)[93]。

圖2 服務鏈的靜態(tài)優(yōu)化

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

圖3 服務鏈的動態(tài)優(yōu)化

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

如果出現(xiàn)服務組合異常，則需要在動態(tài)優(yōu)化的過程中進行服務替換。文獻[96]提出了一種基于改進模擬退火算法的QoS動態(tài)服務組合方法，實現(xiàn)了QoS達到臨界值時的局部替換和環(huán)境變更時的動態(tài)重組；文獻[97]基于ECA規(guī)則對BPEL語法進行擴充，設計多種GIS服務鏈異常處理與恢復策略；文獻[72]提出一種時空優(yōu)化的空間信息服務組合重規(guī)劃方法，滿足了動態(tài)變化的云環(huán)境中空間信息服務的準確替換和失效服務組合的快速修復。

針對基于網(wǎng)絡構(gòu)建的服務鏈，文獻[53]設計了基于動態(tài)匹配網(wǎng)絡的云制造服務組合自適應機制，將對最優(yōu)服務組合的構(gòu)建轉(zhuǎn)化為對服務復雜網(wǎng)絡性能的優(yōu)化，實現(xiàn)了服務組合的動態(tài)自適應。這表明，通過感知服務網(wǎng)絡上下文結(jié)構(gòu)進行路徑替換處理異常，能夠滿足服務鏈的動態(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。地理信息服務的一個重要發(fā)展方向是構(gòu)建多層次、面向語義關(guān)聯(lián)關(guān)系的地理信息服務網(wǎng)絡，支持上下文動態(tài)感知的地理信息服務協(xié)同，將功能簡單、部署分散、難以理解的單個地理信息服務，構(gòu)建成復雜且易用、耦合但不固化的智能協(xié)同服務。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表達體系結(jié)構(gòu)，建立全面的地理信息服務語義描述及形式化表達。大量的地理信息服務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，需要一個全面的標準，對不同的地理信息服務進行統(tǒng)一的語義描述，使不同或相同的服務之間能夠進行橫向?qū)Ρ龋鰪妼Ψ諏嶓w本身的選擇能力。

(2)通過語義關(guān)聯(lián)形成多層次，動態(tài)的地理信息服務網(wǎng)絡。地理信息服務網(wǎng)絡的建立能將服務之間的關(guān)聯(lián)性利用起來，為服務智能組合與協(xié)同提供基礎(chǔ)。當前地理信息領(lǐng)域還沒有將多源異構(gòu)的地理信息服務組合成復雜網(wǎng)絡，大多的關(guān)注點仍集中在服務鏈的構(gòu)建與優(yōu)化。如何通過地理信息服務之間的關(guān)系推理，支持服務網(wǎng)絡分析、監(jiān)測、與更新等保持服務網(wǎng)絡的動態(tài)性也缺乏相應成果。如何構(gòu)建多層次、動態(tài)的地理信息服務網(wǎng)絡，需進一步探討。

(3)如何實現(xiàn)地理信息服務協(xié)同？通過組合地理信息服務，將簡單的服務組合成復雜的應用模型是推動地理信息服務發(fā)展的需求。研究如何基于地理信息服務網(wǎng)絡構(gòu)建智能化，自動化的地理信息服務協(xié)同，既需要服務網(wǎng)絡的可靠性作為基礎(chǔ)，也需要借鑒其他服務協(xié)同的技術(shù)，取長補短。