網(wǎng)格空間信息工作流研究

張 富，周 進(jìn)

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

網(wǎng)格空間信息工作流研究

張 富，周 進(jìn)

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450011)

在現(xiàn)有Grid，Workflow，Web Service和OpenGIS等技術(shù)的基礎(chǔ)上提出網(wǎng)格空間信息工作流的概念.給出了網(wǎng)格空間信息工作流的類型和技術(shù)特征.分析了網(wǎng)格空間信息工作流的體系結(jié)構(gòu)和支持技術(shù).

空間信息;網(wǎng)格;工作流;OpenGIS;Web Service

經(jīng)歷過(guò)WebGIS，ComGIS和 EmbedGIS等幾個(gè)階段的發(fā)展，GIS已經(jīng)完成了功能與用戶界面、功能與數(shù)據(jù)的分離，逐漸從一個(gè)大的混合體分離為若干個(gè)相互獨(dú)立又能有機(jī)集成的可復(fù)用功能組件(服務(wù))，GIS的下一步進(jìn)化將是功能和業(yè)務(wù)邏輯的分離，其重點(diǎn)是空間信息服務(wù)的建模問(wèn)題［1］.Ahmed等研究了GIS的空間過(guò)程支持問(wèn)題［2］.Argent等討論了協(xié)同的決策支持過(guò)程模型及其應(yīng)用［3］.Coleman等開(kāi)發(fā)了基于工作流的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)［4］.Visser等研究了地理空間過(guò)程的語(yǔ)義問(wèn)題以及和專業(yè)模型的集成方法［5］.這些研究都是從某一個(gè)側(cè)面進(jìn)行的，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的框架.

工作流是業(yè)務(wù)過(guò)程的一個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，是一種對(duì)工作進(jìn)行優(yōu)化的方法:通過(guò)加強(qiáng)各個(gè)工作之間的通信和交流，形成協(xié)同，從而達(dá)到優(yōu)化.它反映業(yè)務(wù)過(guò)程的如下幾方面的問(wèn)題:業(yè)務(wù)過(guò)程要做什么，怎么做，由誰(shuí)來(lái)做，做得怎么樣［6］.工作流最大的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用邏輯與過(guò)程邏輯的分離，可以在不修改具體功能的情況下，通過(guò)修改業(yè)務(wù)模型來(lái)改變系統(tǒng)功能.

因此，將工作流技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合，建立空間信息工作流管理系統(tǒng)，提供對(duì)空間業(yè)務(wù)的定義、管理、執(zhí)行和控制功能，可以使GIS發(fā)展中遇到的上述問(wèn)題得到有效解決.而OpenGIS規(guī)范定義的分布式異構(gòu)空間數(shù)據(jù)訪問(wèn)和互操作標(biāo)準(zhǔn)，為空間信息工作流的實(shí)現(xiàn)提供了互操作接口和協(xié)議方面的支持;Web Service技術(shù)的發(fā)展解決了分布式空間信息服務(wù)之間的通信和交互問(wèn)題;網(wǎng)格為空間信息工作流的定義、執(zhí)行提供了計(jì)算環(huán)境.

1 工作流技術(shù)

工作流技術(shù)發(fā)端于20世紀(jì)70年代中期辦公自動(dòng)化領(lǐng)域的研究工作，工作流思想最早出現(xiàn)在1968年Fritz Nordsieck利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作流程自動(dòng)化的想法［7］.早期的工作流技術(shù)主要應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域和電子郵件領(lǐng)域.

1993年8月，工作流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)組織——工作流管理聯(lián)盟(Workflow Management Coalition，WfMC)成立［8］.1994 年，工作流管理聯(lián)盟發(fā)布了用于工作流管理系統(tǒng)之間互操作的工作流參考模型，并相繼制定了一系列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

目前對(duì)工作流沒(méi)有完全統(tǒng)一的定義，對(duì)工作流的不同理解形成了不同的定義.

WfMC給工作流下的定義是:工作流是一類能夠全部或者部分自動(dòng)執(zhí)行的業(yè)務(wù)過(guò)程，它根據(jù)一系列過(guò)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［9］.

清華大學(xué)的范玉順教授給工作流下的定義是:工作流是一種構(gòu)建業(yè)務(wù)過(guò)程的計(jì)算機(jī)化的模型，它是為了在計(jì)算機(jī)環(huán)境支持下實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)過(guò)程集成與業(yè)務(wù)過(guò)程自動(dòng)化而建立的可由工作流管理系統(tǒng)執(zhí)行的業(yè)務(wù)過(guò)程［10］.

雖然不同組織或個(gè)人給出的定義不同，但本質(zhì)上差別并不大.工作流技術(shù)也可以看成是一種大粒度的編程模式，它們都是為了達(dá)到用戶的某個(gè)目的對(duì)所用資源進(jìn)行抽象并按照一定的邏輯關(guān)系協(xié)調(diào)執(zhí)行，且都提供系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)和一定的建模工具與設(shè)計(jì)方法等.工作流可以成為應(yīng)用程序之間的“黏合劑”.

2 網(wǎng)格空間信息工作流

如圖1所示，網(wǎng)格空間信息工作流(Grid Spatial Information Workflow，GSIW)是空間信息工作流和網(wǎng)格相結(jié)合的產(chǎn)物，它處于科學(xué)工作流、網(wǎng)格工作流以及Web Service工作流的交叉部，它是建立在網(wǎng)格這一平臺(tái)基礎(chǔ)之上的一種新的空間信息應(yīng)用形式.GSIW關(guān)注的是如何將網(wǎng)格環(huán)境下的空間信息業(yè)務(wù)過(guò)程用計(jì)算機(jī)能理解和執(zhí)行的形式表達(dá)出來(lái)，進(jìn)一步說(shuō)，它關(guān)注如何準(zhǔn)確表達(dá)用戶的空間信息業(yè)務(wù)邏輯，如何對(duì)多個(gè)由網(wǎng)格資源來(lái)實(shí)現(xiàn)的活動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，如何對(duì)運(yùn)行在網(wǎng)格環(huán)境下的流程進(jìn)行監(jiān)控等一系列問(wèn)題.

圖1 GSIW工作流、Grid工作流、科學(xué)工作流以及Web Service工作流之間的關(guān)系

從整體上來(lái)講，GSIW的研究還沒(méi)有被正式提出，現(xiàn)有的研究主要集中在網(wǎng)格和空間信息服務(wù)的集成框架方面［11－12］.筆者嘗試以現(xiàn)有文獻(xiàn)為基礎(chǔ)給出網(wǎng)格空間信息工作流的定義并分析其體系結(jié)構(gòu).

目前國(guó)內(nèi)合成材料市場(chǎng)消費(fèi)保持較快增長(zhǎng)，進(jìn)口持續(xù)放緩，市場(chǎng)壓力緩解，供需平穩(wěn)。根據(jù)當(dāng)前原油、煤炭等原材料價(jià)格趨勢(shì)分析，后市合成材料市場(chǎng)價(jià)格將保持高位運(yùn)行態(tài)勢(shì)，漲勢(shì)趨緩。

定義1 空間信息工作流(Spatial Information Workflow，SIW)是空間信息業(yè)務(wù)過(guò)程的一種計(jì)算機(jī)化的表示模型.它把一個(gè)完整的空間信息業(yè)務(wù)過(guò)程分解成定義良好的任務(wù)、角色、規(guī)則、活動(dòng)、數(shù)據(jù)流和過(guò)程等元素來(lái)進(jìn)行描述、建摸、執(zhí)行和監(jiān)控.這些元素包括完整的業(yè)務(wù)過(guò)程中每一個(gè)步驟的定義、步驟間的執(zhí)行順序、執(zhí)行條件、數(shù)據(jù)流的路徑、每一步驟由誰(shuí)負(fù)責(zé)以及每個(gè)活動(dòng)所需的應(yīng)用程序和資源等，其目的是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的集成、功能的增值(集成單一功能以形成新的、功能更強(qiáng)大的功能)、協(xié)同合作以及流程的自動(dòng)化.

SIW是涉及多任務(wù)協(xié)調(diào)執(zhí)行的活動(dòng)，這些任務(wù)分別由不同的處理實(shí)體來(lái)完成.用來(lái)執(zhí)行任務(wù)的處理實(shí)體可以是人，也可以是一個(gè)應(yīng)用程序.

定義2 網(wǎng)格空間信息工作流(Grid Spatial Information Workflow，GSIW)是在網(wǎng)格環(huán)境下，利用網(wǎng)格來(lái)連接分布式的空間信息資源和服務(wù)，通過(guò)構(gòu)建空間信息工作流來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式空間信息資源的共享和協(xié)同合作.

GSIW與商業(yè)工作流的區(qū)別表現(xiàn)在:①GSIW以數(shù)據(jù)為中心，商業(yè)工作流是以指令和消息為中心;②GSIW的各個(gè)部分都是空間相關(guān)的，并受到空間語(yǔ)義的約束;③GSIW中的活動(dòng)與子流程是以特定的空間操作或空間分析模型為主的，處理對(duì)象類型繁多、算法復(fù)雜［13］.

GSIW的提出就是要打破傳統(tǒng)GIS封閉性的體系結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖2所示.GSIW試圖充分利用Grid這個(gè)開(kāi)放的、分布的、共享和協(xié)作性的信息基礎(chǔ)設(shè)施，虛擬化分布式的空間數(shù)據(jù)集、服務(wù)、模型和文檔等數(shù)據(jù)和資源，使之能夠在OGSA/WSRF框架內(nèi)注冊(cè)和發(fā)現(xiàn);其實(shí)施途徑是:擴(kuò)展空間信息服務(wù)(GI Services)使之能夠和OGSA/WSRF無(wú)縫集成;引入工作流的思想和方法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格空間信息服務(wù)(Grid GI Services)的綜合利用和知識(shí)發(fā)現(xiàn)，提供高級(jí)的空間信息經(jīng)驗(yàn)服務(wù)(GI Experience Services)和空間信息知識(shí)服務(wù)(GI Knowledge Services);采用門戶的方式作為應(yīng)用的總?cè)肟?，自下而上的?gòu)建空間信息應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)空間信息資源和服務(wù)的分布式管理、動(dòng)態(tài)組合和按需集成.其最終目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)服務(wù)集成、功能增值、協(xié)同合作以及流程的自動(dòng)化.

圖2 網(wǎng)格空間信息工作流

按照應(yīng)用類型的不同，GSIW可分為3種類型:

1)事務(wù)型.事務(wù)型GSIW是指數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、備份等事務(wù)性的空間信息過(guò)程.它按照預(yù)先定義好的流程，程序性地組合空間分析功能、命令或者服務(wù)，以達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理的目的，通常不需要專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí).

2)決策型.決策型GSIW是指與空間操作和空間分析模型相關(guān)的輔助決策型應(yīng)用(如區(qū)域規(guī)劃、資源配置等).它通常是一個(gè)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化知識(shí)的混合體，往往涉及多目標(biāo)優(yōu)化和多約束條件，必須綜合運(yùn)用業(yè)務(wù)知識(shí)、空間信息處理技術(shù)和有效的交互手段.

3)服務(wù)型.服務(wù)型工作流往往是以位置查詢、地圖瀏覽為主的服務(wù)型應(yīng)用.其重點(diǎn)是地圖服務(wù)、描繪服務(wù)、地址編碼和匹配服務(wù)以及這些服務(wù)的組合.

3 網(wǎng)格空間信息工作流的體系結(jié)構(gòu)

GSIW試圖利用網(wǎng)格技術(shù)來(lái)連接和訪問(wèn)分散在不同地方的海量空間數(shù)據(jù)、模型、功能等資源，并能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)組合和按需集成.筆者提出了圖3所示的GSIW體系架構(gòu).它包括4個(gè)層次，6個(gè)主要部分:空間信息資源、空間信息門戶，網(wǎng)格空間信息工作流，WSRF，GSDAI和OGC Web Service.

圖3 網(wǎng)格空間信息工作流的體系結(jié)構(gòu)

3.1 空間信息資源

空間信息資源包括:空間數(shù)據(jù)資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、處理工具和軟件以及用戶.其特點(diǎn)是種類繁多、數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜、共享困難.網(wǎng)格環(huán)境下，空間信息資源應(yīng)用的需求可以概括為［14］:①一體化的空間信息資源組織;②海量空間信息共享;③高性能的協(xié)同分析處理;④分布式的空間數(shù)據(jù)服務(wù)與功能服務(wù)集成;⑤統(tǒng)一、高效、按需服務(wù)的應(yīng)用環(huán)境.

3.2 空間信息語(yǔ)義

由于空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容和來(lái)源的差異，空間數(shù)據(jù)可能存儲(chǔ)在分布且異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，如何根據(jù)用戶請(qǐng)求返回符合需求的空間數(shù)據(jù)是GSIW重點(diǎn)要解決的問(wèn)題.在網(wǎng)格環(huán)境中，空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有自身的復(fù)雜性，存在異源、異構(gòu)等多種情況，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)方法很難滿足網(wǎng)格用戶的要求.GSDAI的目標(biāo)是通過(guò)網(wǎng)格為空間數(shù)據(jù)訪問(wèn)和集成提供統(tǒng)一的服務(wù)接口.

3.3 空間信息語(yǔ)法

空間信息服務(wù)的應(yīng)用貫穿空間信息獲取、共享、分析、處理和應(yīng)用的全流程，各種空間信息服務(wù)實(shí)現(xiàn)了各種空間信息分析和處理功能，通過(guò)將各種空間信息服務(wù)進(jìn)行組合和集成，來(lái)動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建空間信息應(yīng)用［14］.

OpenGIS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(OWS)是一個(gè)基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的在線空間信息服務(wù)框架，這個(gè)框架允許無(wú)縫集成在線地理處理和位置服務(wù).OWS的目的是提供一個(gè)與廠商無(wú)關(guān)的互操作框架，該框架可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種地理數(shù)據(jù)、位置信息和分析處理功能的發(fā)現(xiàn)、存取、集成、分析、利用和可視化.

OWS定義了清晰的空間信息服務(wù)接口和交互規(guī)范，是從空間信息語(yǔ)法的角度來(lái)解決空間信息的共享和互操作問(wèn)題.

3.4 空間信息語(yǔ)用

GSIW以一種新的結(jié)構(gòu)、方法和技術(shù)來(lái)管理、訪問(wèn)、分析、整合分布的空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間信息的有效共享與互操作.

網(wǎng)格空間信息工作流在WS－Resource的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的服務(wù)化、服務(wù)編排以及業(yè)務(wù)的建模.GSIW中，工作流管理是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它實(shí)現(xiàn)了流程的解釋和執(zhí)行、任務(wù)的分配和調(diào)度.空間信息工作流試圖從語(yǔ)用的角度來(lái)解決空間信息的共享和互操作問(wèn)題.

3.5 空間信息門戶

如圖4所示，空間信息門戶是整個(gè)系統(tǒng)功能的入口，提供空間數(shù)據(jù)和功能服務(wù)的發(fā)布、查詢和訪問(wèn)功能以及元數(shù)據(jù)的收集更新和建立目錄服務(wù)等.

圖4 空間信息門戶

利用空間信息門戶，各種資源和服務(wù)就可以讓任何用戶在任何時(shí)間基于任何平臺(tái)進(jìn)行調(diào)用.

4 結(jié)語(yǔ)

Grid，OpenGIS和Workflow是GSIW的3個(gè)主要支撐技術(shù)，它們分別從資源連通、空間信息互操作接口標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)建模等方面為GSIW提供了構(gòu)建思路.

網(wǎng)格空間信息工作流是面向空間信息領(lǐng)域的新的空間信息應(yīng)用模式，其目標(biāo)是業(yè)務(wù)集成、功能增值、協(xié)同合作以及流程的自動(dòng)化.它代表著空間信息應(yīng)用的發(fā)展方向.它能夠?qū)⒒诓煌Z(yǔ)言的，在不同平臺(tái)上運(yùn)行的各種空間信息分析處理程序集成起來(lái).通過(guò)GSIW應(yīng)用程序可以用標(biāo)準(zhǔn)的方式把應(yīng)用程序功能和數(shù)據(jù)“暴露”出來(lái)，形成標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互操作和應(yīng)用服務(wù)的集成.

GSIW作為一種新形式的空間信息應(yīng)用主要用于以下幾個(gè)方面:

1)需要跨機(jī)構(gòu)、跨地域共享各類分布異構(gòu)空間信息資源的應(yīng)用.

2)需要對(duì)各種分布式空間信息資源進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用、協(xié)同處理和任務(wù)建模的應(yīng)用.

3)需要大量空間數(shù)據(jù)操作和分析計(jì)算的應(yīng)用.

4)需要將空間信息和領(lǐng)域模型進(jìn)行深度集成的應(yīng)用.

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Research of Grid Spatial Information Workflow

ZHANG Fu，ZHOU Jin
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

Based on the existing technologies of Grid，Workflow，Web Services and OpenGIS etc.，the concept of Grid Spatial Information Workflow(GSIW)was put forward.The types and technical characteristics of GSIW were presented as well as its structure and supporting technologies were analyzed.

spatial information;grid;workflow;OpenGIS;Web Service

1002－5634(2011)05－0027－04

2011－06－28

華北水利水電學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(001321).

張 富(1977—)，男，河南駐馬店人，講師，高級(jí)程序員，博士，主要從事規(guī)劃GIS、圖文工作流、信息安全方面的研究.

(責(zé)任編輯:蔡洪濤)