計(jì)算機(jī)化制造網(wǎng)格的工作流管理研究

謝 蕾，謝 華

（1. 信陽師范學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)信息與計(jì)算中心，信陽 464000；2. 信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)系，信陽 464000）

0 引言

網(wǎng)格技術(shù)的概念誕生于20世紀(jì)90年代中期。網(wǎng)格概念是從電力網(wǎng)（Power Grid）借鑒過來的，其目的是用互聯(lián)網(wǎng)將分散的計(jì)算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源等計(jì)算資源聯(lián)合起來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境上的資源共享和協(xié)同計(jì)算。網(wǎng)格是為了實(shí)現(xiàn)對等的資源共享和解決動態(tài)的、分布式的虛擬組織所遇到的問題而誕生并發(fā)展的，其核心是動態(tài)形成虛擬組織（Virtual Organization，VO），實(shí)現(xiàn)高度可控的資源共享。其中，虛擬組織的概念與網(wǎng)絡(luò)化制造中的虛擬企業(yè)（Virtual Enterprise，VE）在本質(zhì)上是相同的，都是為了完成一項(xiàng)工作而由一些人或團(tuán)體動態(tài)形成的集合體。制造網(wǎng)格(Manufacturing Grid)的概念就是在這種時(shí)代背景下提出的。制造網(wǎng)格是在分析制造業(yè)行業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上為解決制造業(yè)的實(shí)際需求提出的，是網(wǎng)格技術(shù)在制造業(yè)中的具體應(yīng)用。對于制造網(wǎng)格研究和應(yīng)用，不僅要充分利用網(wǎng)格技術(shù)來實(shí)現(xiàn)資源共享，而且要在這些資源的基礎(chǔ)上開展協(xié)同工作，使得用戶提交的作業(yè)能夠在平臺上有條不紊地自動或者半自動執(zhí)行。因此制造網(wǎng)格工作流的作業(yè)管理也就隨著制造網(wǎng)格研究的深入和應(yīng)用的發(fā)展而得到了重視。

1 工作流概述

工作流的概念起源于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)、學(xué)習(xí)和生活領(lǐng)域、工作流是針對日常工作中具有結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化流程而提出的，目的是通過將工作分解為定義良好的活動、角色和參與者等，按照一定的規(guī)則和過程來執(zhí)行這些活動，并且對它們進(jìn)行監(jiān)控。

近十多年來，不同的研究者從不同角度對工作流管理技術(shù)進(jìn)行研究，分別提出了不同的工作流概念，比較有影響的包括工作流管理聯(lián)盟（Workflow Management Coalition，WfMC）。工作流管理聯(lián)盟錯(cuò)誤！未找到引用源泉。認(rèn)為，工作流是一類能夠完全或者部分自動執(zhí)行的經(jīng)營過程，它根據(jù)一系列過程規(guī)則、文檔、信息或任務(wù)能夠在不同的執(zhí)行者之間進(jìn)行傳遞與執(zhí)行。它是一種反映業(yè)務(wù)流程的計(jì)算機(jī)化的模型，它是為了在先進(jìn)計(jì)算機(jī)環(huán)境支持下實(shí)現(xiàn)經(jīng)營過程集成與經(jīng)營過程自動化而建立的可由工作流系統(tǒng)執(zhí)行的業(yè)務(wù)模型。

將工作流的作業(yè)管理用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)就形成了工作流管理系統(tǒng)，它是支持企業(yè)經(jīng)營過程高效執(zhí)行并監(jiān)控其執(zhí)行過程的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，可以完成工作流的定義和管理，并按照在計(jì)算機(jī)中預(yù)先定義好的工作流邏輯推進(jìn)工作流實(shí)例的執(zhí)行。工作流管理系統(tǒng)主要由三類構(gòu)件組成，如圖1所示。這三類構(gòu)件分別是：

1）軟件構(gòu)件：完成工作流系統(tǒng)中不同組成部分功能的實(shí)現(xiàn)；

2）系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)：工作流系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)軟件構(gòu)件使用的數(shù)據(jù)；

3）應(yīng)用與應(yīng)用數(shù)據(jù)：對于工作流系統(tǒng)來說，它們不是工作流系統(tǒng)的組成部分，而是屬于外部系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，它們被工作流調(diào)用來完成整個(gè)和部分工作流管理的功能。

圖1 工作流管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 計(jì)算機(jī)化制造網(wǎng)格工作流體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

在制造網(wǎng)格環(huán)境下，業(yè)務(wù)過程非常復(fù)雜，涉及到多個(gè)步驟、資源和過程，而且任務(wù)的過程也比較復(fù)雜，包含很多時(shí)間、空間和資源方面的約束條件。為了順利地完成各項(xiàng)協(xié)作任務(wù)， 及時(shí)主動地掌握業(yè)務(wù)流程中各環(huán)節(jié)的進(jìn)度、質(zhì)量狀況等過程信息，進(jìn)行過程信息通知和反饋，調(diào)整產(chǎn)品開發(fā)的業(yè)務(wù)流程。迫切需要由工作流技術(shù)來對制造網(wǎng)格應(yīng)用進(jìn)行構(gòu)建、執(zhí)行調(diào)度、管理監(jiān)控，使得制造網(wǎng)格應(yīng)用能夠自動化而且效率更高。

工作流技術(shù)是過程建模和過程管理的核心技術(shù)。而制造領(lǐng)域中工作流技術(shù)與計(jì)算領(lǐng)域中工作流技術(shù)在過程建模機(jī)理、過程管理技術(shù)等方面有顯著差別。

通過在WfMC支持的工作流參考模型上進(jìn)行擴(kuò)展，本文給出圖2所示的制造網(wǎng)格工作流系統(tǒng)的框架，主要包括工作流定義服務(wù)、工作流引擎服務(wù)和制造網(wǎng)格信息系統(tǒng)。該框架為服務(wù)的實(shí)現(xiàn)和交互機(jī)制提供了開放、可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)。通過將各種制造資源封裝成服務(wù)，使得資源、信息和數(shù)據(jù)等統(tǒng)一起來，有利于靈活、一致、動態(tài)的共享機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。

圖2 計(jì)算機(jī)化制造網(wǎng)格工作流體系架構(gòu)

2.1 工作流定義服務(wù)

工作流定義的功能是以活動的類型、時(shí)序關(guān)系和約束值為邊界條件，通過工作流建模工具定義工作流模型。

用戶通過制造網(wǎng)格Portal提交的任務(wù)被分解成若干個(gè)活動，用戶對產(chǎn)品的服務(wù)質(zhì)量（QoS）需求也根據(jù)一定規(guī)則被分解和轉(zhuǎn)換為對活動的QoS約束，活動的QoS約束是工作流實(shí)例化時(shí)查找資源的依據(jù)，如果工作流實(shí)例化時(shí)不能發(fā)現(xiàn)滿足活動QoS約束的資源，可以與用戶進(jìn)行QoS協(xié)商，請求降低用戶的QoS需求。

2.2 工作流引擎服務(wù)

工作流引擎一個(gè)重要的任務(wù)是制造網(wǎng)格工作流實(shí)例的創(chuàng)建，根據(jù)工作流定義階段創(chuàng)建的業(yè)務(wù)過程中的參數(shù)，對工作流模型生成相應(yīng)的工作流實(shí)例。工作流引擎服務(wù)是整個(gè)流程實(shí)例成功執(zhí)行的核心部分，它包括流程解析、資源查找接口、任務(wù)調(diào)度、異常處理等功能。

工作流建立時(shí)期和工作流運(yùn)行時(shí)期都可以通過信息服務(wù)接口查詢當(dāng)前網(wǎng)格環(huán)境中資源的狀態(tài)和性能。

2.3 制造網(wǎng)格信息系統(tǒng)

制造網(wǎng)格信息系統(tǒng)(MGIS)負(fù)責(zé)在制造網(wǎng)格中獲取、發(fā)送、索引、存檔和其它有關(guān)制造網(wǎng)格資源的屬性以及狀態(tài)信息的處理。

MGIS與傳統(tǒng)的靜態(tài)注冊服務(wù)的不同之處在于：在MGIS上注冊的制造網(wǎng)格資源是動態(tài)的，有一定的生命周期并且儲存在MGIS上的狀態(tài)信息是動態(tài)更新的。在這種動態(tài)的工作機(jī)制下，資源使用者不僅能夠根據(jù)資源的類型搜索制造資源，還能夠根據(jù)資源最新的狀態(tài)信息以及其它資源使用者對其的評價(jià)等信息選擇合適的制造資源，從而使制造網(wǎng)格中的資源搜索與發(fā)現(xiàn)更有效。

3 工作流模型設(shè)計(jì)

工作流模型是工作流系統(tǒng)的執(zhí)行對象。一種通用的工作流定義模型能帶來兩方面的好處：由某種工作流建模工具產(chǎn)生的工作流定義可以在多種工作流運(yùn)行系統(tǒng)中執(zhí)行；通過輸出一種通用的工作流定義到其它工作流系統(tǒng)可以使工作流之間實(shí)現(xiàn)協(xié)作。WfMC提出圖3所示的工作流的元模型來描述工作流定義中的對象、對象關(guān)系和屬性，以此形成一個(gè)工作流信息交換的格式集合的基礎(chǔ)。

圖3 工作流元模型

WfMC 定義的元模型只是給出了一個(gè)相對簡單的工作流模型表示基礎(chǔ)，以便不同工作流產(chǎn)品間的互換。一個(gè)實(shí)際的工作流模型還需要在其上做相應(yīng)的擴(kuò)展，本文對現(xiàn)有工作流的模型進(jìn)行了補(bǔ)充，建立了一種多維子模型的制造網(wǎng)格工作流模型框架，如圖4所示，過程模型、組織模型、資源模型、數(shù)據(jù)模型、服務(wù)模型和服務(wù)質(zhì)量模型描述了制造網(wǎng)格中產(chǎn)品開發(fā)過程的不同側(cè)面，它們的集成可以完成對制造網(wǎng)格中業(yè)務(wù)流程的全部描述。

計(jì)算機(jī)化制造網(wǎng)格工作流模型表示為七元組，MGFlowM＝＜Pro, Org, Res, Dat, MS, QoS,Rs＞，其中，Pro表示過程模型、Org表示組織模型、Res表示資源模型、Dat表示數(shù)據(jù)模型、MS表示服務(wù)模型、QoS表示服務(wù)質(zhì)量模型、Rs表示這些模型之間的所有關(guān)系。

圖4 計(jì)算機(jī)化制造網(wǎng)格工作流模型

1）過程模型是工作流模型的核心，它描述過程及過程中各個(gè)活動的內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制和活動間的聯(lián)系。它直接映像了產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段，它是產(chǎn)品開發(fā)過程建模的核心模型，過程模型不僅從其它模型中提取信息，反過來也將自身建立過程中所產(chǎn)生的新信息反饋給其它模型，驅(qū)動它們的修改完善。

2）組織模型是用于描述流程參與人員組成關(guān)系的模型，組織模型為過程模型提供執(zhí)行和決策者信息，為信息模型提供組織數(shù)據(jù)關(guān)系，為資源模型提供資源管理者信息。

3）資源模型描述了資源的分類、資源構(gòu)成、資源屬性、資源之間的聯(lián)系。

4）數(shù)據(jù)模型表示過程定義中涉及到的工作流相關(guān)數(shù)據(jù)。它包括輸入/輸出參數(shù)、內(nèi)部變量、全局變量、可被所有的工作流實(shí)例訪問應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)外部對象，以及系統(tǒng)與環(huán)境數(shù)據(jù)等。

5）服務(wù)模型是制造資源封裝為制造服務(wù)的模板，它定義了資源封裝的屬性和接口。

6）服務(wù)質(zhì)量模型定義了資源的服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都反映資源非功能屬性的某些方面性質(zhì)，是工作流實(shí)例化時(shí)查找和選擇資源的約束條件

4 結(jié)論

計(jì)算機(jī)化制造網(wǎng)格工作流技術(shù)對制造網(wǎng)格的發(fā)展有重大意義，是制造網(wǎng)格平臺必不可少的組成部分。雖然本文針對制造網(wǎng)格的特點(diǎn)，已建立起適應(yīng)于制造網(wǎng)格工作流體系架構(gòu)和模型，但在理論和實(shí)踐方面尚有許多工作要做，仍有待于進(jìn)一步研究。

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