（机械制造及其自动化专业论文）制造网格工作流研究与实现.pdf

摘要 摘要 制造网格是网格技术与制造业自组织特征相结合的产物。其目的是为跨地域、 跨企业分布的异构制造资源提供一种资源共享和协同工作的环境，使得用户提交的 任务，能够在动态组成的虚拟组织中完成。由于产品开发过程涉及到多个步骤，不 但需要有大量的资源，而且任务的过程也比较复杂，包含很多时间、空间和资源方 面的约束条件，为了使用户提交的任务能够在制造网格平台上有条不紊的自动或者 半自动执行，需要制造网格工作流对制造网格应用进行构建、执行调度、管理监控， 使得网格应用能够自动化而且效率更高。论文主要工作包括： 对制造网格和工作流的相关研究进行了综述，分析阐述了本文的研究背景，在 此基础上，提出了本文的研究内容。制造网格工作流不仅仅是传统工作流技术在制 造网格环境中的应用，在结构体系、模型描述和工作流执行过程都有许多问题需要 探索、解决。 研究了制造网格工作流的基本原理。明确在制造网格产品开发过程中制造网格 工作流与项目管理、产品数据管理三者有机集成和相互关联；分析了制造网格工作 流的组织复杂性、资源复杂性和过程复杂性，制造网格工作流的复杂性使得其必须 具有适应性，适应性是制造网格工作流中必须解决的问题；根据自组织理论，按照 目标优化方法，给出制造网格工作流的最优目标决策模型；定义了制造网格工作流 本体，使制造网格工作流能够建立在严格的理论基础之上以保证语法和语义的严格 性及完整性。 、 分析制造网格工作流特点，将网格技术与传统工作流技术结合，给出了制造网 格工作流定义，提出基于服务的工作流体系架构，基于服务的工作流系统不仅可以 用来管理业务流程，而且还具备了组合服务、进行企业问应用集成的功能。然后， 介绍了制造网格工作流中间件与其它模块的关系。 研究制造网格工作流模型及其形式化定义。制造网格工作流模型是工作流执行 的基础。它包括四个子模型：过程模型、组织模型、资源模型、服务模型。过程模 型中增加动态活动执行类型，使工作流的过程定义中( 业务逻辑) 能够充分考虑动态 特性，配合执行阶段( 应用) 的处理，可以从更基本的层次解决动态自适应性问题； 组织模型描述参与产品开发过程的工作组、成员及角色的组成结构和权限；资源模 型描述了制造资源的分类、制造资源的静态属性和动态属性；服务模型将制造资源 描述和封装为一个制造服务，初步形成了制造资源封装标准和规范，有效屏蔽了资 源的异构性、复杂性和多样性；为了有助于工作流执行过程中进行任务调度与计划， 给出了工作流过程模型时间参数和关键路径的计算方法。 研究如何在制造网格工作流执行阶段增强系统的适应性，我们采用三种动态调 整方法来提高工作流系统的适应性：针对资源的动态性和复杂性，在工作流执行过 程中根据活动需求，采用基于语义的资源发现和基于模糊层次法的资源选择，实现 活动和服务的动态结合；针对工作流任务执行过程中多任务竞争资源的情况，构造 上海大学博士学位论文一制造网格工作流研究与实现 了任务一资源约束模型，并从工作流整体执行要求( 任务重要程度、资源状态等) 上考虑，抽象出这类问题的数学模型，提出一种综合多种策略的调度模型和启发式 任务调度算法；针对工作流的可预测异常和不可预测异常，给出了相应的处理策略 和处理过程。 最后，对本文研究内容进行了开发和应用验证。以上海大学制造网格试验床的 一个具体任务蜗杆组件设计流程为例进行说明，验证了理论的正确性和方法的 可行性，获得了很多有价值的经验和数据，为制造网格工作流进一步完善和推广实 施奠定了坚实的基础。 关键词：制造网格工作流，工作流模型，活动需求，动态绑定，任务调度，异常处 理 摘要 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) e m e r g e sa st h er e s u l to fc o m b i n i n gt h eg r i dt e c h n o l o g y w i t hs e l f - o r g a n i z a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m m gp r o v i d e sap l a t f o r mo f r e s o u r c es h a r i n g a n dc o o p e r a t i v ew o r kf o rm ed i s t r i b u t e da n dh e t e r o g e n e o u sm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s t h e t a s k st h a tt h eu s e rs u b m i t st om g p o r t a la r ec a r r i e do u ti nad y n a m i cv i r t u a lo r g a n i z a t i o n t h eb u s i n e s sp r o c e s so ft a s ki sc o m p l i c a t e ds i n c ei ti n c l u d e sm a n yc o n s t r a i n t so nt i m e s p a c ea n dr e s o u r c e s i no r d e rt of i n i s ht h et a s ka u t o m a t i c a l l yo rs e m i a u t o m a t i c a l l y , i ti s i m p o r t a n ta n du r g e n tt oa d o p tt h ew o r k f l o wt e c h n o l o g yt ob u i l d ，s c h e d u l e ，m o n i t o r , a n d m a n a g et h eb u s i n e s sp r o c e s s e s + t h eb u s i n e s sp r o c e s s e sc a l lb ea u t o m a ta n de x e c u t e dw i t h h i 曲e f f i c i e n c yu n d e rm a n a g e m e n to f t h em a n u f a c t u r i n gg r i dw o r k f l o w ( m g f l o w ) s u b s e q u e n tt oi n t r o d u c i n gm ga n dt h ew o r k f l o wt e c h n o l o g y , a n da n a l y z i n gt h e r e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h em g f l o w 。t h ec o r t t e n t so ft h er e s e a r c ha r ep r e s e n t e d t h e r e s e a r c ho ft h em g f l o wi n c l u d e sn o to n l ya p p l y i n gt h et r a d i t i o n a lw o r k f l o wt e c h n o l o g y t om ge n v i r o n m e n t ，b u ta l s ot h ea r c h i t e c t u r e ，t h em o d e la n de x e c u t i v ep r o c e s s e so ft h e m g f l o w t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fm g f i o wa r es t u d i e d + w h r o u g hi n t e g r a t i n gt h ep r o j e c t m a n a g e m e n t ， w o r k f l o wm a n a g e m e n ta n d p r o d u c t d a t am a n a g e m e n t ，t h ep r o c e s s m a n a g e m e n tf o rt h ep r o d u c td e v e l o p m e n ti sr e a l i z e d b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yo f v i r t u a l o r g a n i z a t i o n ，r e s o u r c e sa n dp r o c e s s e su n d e rm ge n v i r o n m e n t i ti si m p o r t a n tt oe n h a n c e t h ea d a p t a b i l i t yo fm g f l o w s o l i n gt h ea d a p t a b i l i t yo ft h em g f l o ws y s t e r ni st h e e m p h a s i so ft h i sr e s e a r c h t h et a r g e ts t r a t e g ym o d e lo fm g f l o wi sp r e s e n t e db a s i c e do n s e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r y i no r d e rt or e a l i z et h er e s o u r c em a t c h i n g ，t h em g f l o wo n t o l o g y i sd e f i n e dt ob u i l dt h ei n t e g r a la n ds t r i c ts e m a n t i c t h ec o n c e p to f m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) a n dan e wm g f l o ws y s t e ma r c h i t e c t u r ei s g i v e nb ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em g f l o w , e x t e n d i n gt h et r a d i t i o n a lw o r k f l o w m o d e la n dc o m b i n i n gt h eg r i dt e c h n o l o g y t h em g f l o ws y s t e mb a s e dg r i ds e r v i c e p r o v i d e st h ef u n d i o n st om a n a g et h eb u s i n e s sp r o c e s s e s ，c o m b i n es e r v i c e s ，a n di n t e g r a t e a p p l i c a t i o n sa m o n ge n t e r p r i s e s t h e n t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ew o r k f l o wm o d u l ea n do t h e rm gm o d u l e s t h em g f l o wm o d e la n dt h ef o r m a l i z e dd e f t n i t i o no ft l l em o d e la r ep r e s e n t e d t h e m g f l o wr o o d e lp r o v i d e st h e f o u n d a t i o nt ot h ei m 【p l e m e n t a t i o no ft h em a n u f a c t u r i n gg r i d w e r k f l o w t h er o o d e li n c l u d e sp r o c e s sm o d e l s ，o r g a n i z a t i o nm o d e l s ，r e s o u r c em o d e l s ， a n ds e r v i c em o d e s w ei n c r e a s et h ed y n a m i ce x e c u t i o nt y p eo fa c t i v i t yi np r o c e s sm o d e l a n di n t r o d u c et h es y n c h r o n i z a t i o nc o o p e r a t i o na c t i v i t yd e f i n i t i o nw h i c hm a k e st h e p r o c e s sm o d e lm e e tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fm a n u f a c t u r i n gg r i d b u s i n e s s p r o c e s s e s t h eo r g a n i z a t i o i lr o o d e ld e f m e st h er e l a t i o na m o n gt h ew o r k g r o u p ，r o l e ，a c t o r a n da u t h o r i t yi nv i r t u a lo r g a n i z a t i o n t h er e s o u r c em o d e ld e f i n e st h et y p e t h es t a t i c p r o p e r t i e sa n dd y n a m i cp r o p e r t i e so fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s t h em a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ei se n c a p s u l a t e dt ot h em a n u f a c t u r i n gs e r v i c eb yt h es e r v i c em o d e l t h es e r v i c e v 圭兰查兰堡圭兰竺兰兰：! ! 兰望坚三竺鎏竺空兰查翌 m o d e lm a s k se f f e c t i v e l yt h ei s o m e r i s mo ft h er e s o u r c e s t h ea l g o r i s mo ft i m ep a r a m e t e r a n dc r i t i c a lp a t hi nt h ep r o c e s sm o d e li sg i v e nf o rr e a l i z i n gt h et a s ks c h e d u l ei nr u n n i n g t h ep r o c e s s i no r d e rt oi n c r e a s et h ea d a p t a b i l i t yi nr u n n i n gt h ep r o c e s so f m g f i o ws y s t e m ，t h r e e d y n a m i ca d j u s t m e n tm e t h o d s a r ea d o p t e d t os o l v et h ed y n a m i ca n dc o m p l e x i t yo t r e s o u r c e s ，a c c o r d i n gt ot h ea c t i v i t yr e q u i r e m e n t ，t h er e s o u r c e sa r eb o u n dd y n a m i c a l l yb y s e m a n t i cm a t c h i n ga n ds e l e c t i n gb a s e do nt h ef u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s i n r u n n i n gp r o c e s s ；t os o l v et h es c h e d u l i n gp r o b l e mo fm a n y t a s k st h a ta r ec o m p e t i n gw i t h e a c ho t h e rf o rr e s o u r c e s ，w ec o n s t r u c tt h et a s k - r e s o u r c ec o n s t r a i n tm o d e la n dg a v et h e s c h e d u l i n gp o l i c ya n dh e u r i s t i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m t os o l v et h ee x p e c t a b l ee x c e p t i o n a n du n e x p e e t a b l ee x c e p t i o ni nt h er u n n i n gp r o c e s s ，t h ee x c e p t i o nh a n d l es t r a t e g ya n d m e t h o di sp r e s e n t e d f i n a l l v - w ed e v e l o pa n di m p l e m e n tt h em g f l o ws y s t e m i t sf e a s i b i l i t y a n d r a t i o n a l i t yi sv a l i d a t e db yt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s so fe n d l e s ss c r e wc o m p o n e n t , a n dt h ee x p e r i e n c e so b t a i n e df r o mw h i c ha r eq u i t eu s e f u lf o rf u r t h e r r e s e a r c h e s k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gg r i dw o r k f l o w ，w o r k f l o wm o d e l ，a c t i v i t y r e q u i r e m e n t ， d y n a m i cb i n d ，t a s ks c h e d u l i n g ，e x c e p t i o nh a n d l e v i 上海大学博士学位论文用纸 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名槛日 本论文使用授权说明 期出鲤4 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保留论文及送交论 文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守 签导师签名吼堑兰2 笪 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 网络化制造 随着信息时代的来临、知识经济的挑战、全球化浪潮的冲击、网络经济的影响、 高速发展的高科技的推动、新思想和新技术的不断涌现，现代制造业已不再局限于 区域性经济，而是面临全球性的市场、资源、技术和人员的竞争，市场需求更具个 性化和多样化，制造已不再是传统意义上的制造，而是一个跨国界、全球性大制造 的概念。在这种经济和信息全球化，以及我国加入世界贸易组织( w t o ) 的新形势 下，利用信息技术与计算机网络技术，特别是突飞猛进发展的 i n t e m e v e x t r a n e v i n t r a n e t 技术，改造现有的制造模式，制造业信息化势在必行。党的 十五届五中全会以及十六大明确提出：“以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现 社会生产力的跨越式发展”战略，同时，科技部提出了“制造业信息化工程”项目， 围绕制造业和经济发展的需求，整合科技资源，加快信息技术向传统产业的渗透， 大力提高我国企业的核心竞争力。 在这种时代背景下，网络化制造以其独特的生命力吸引了国内外大量研究人员 的重视，他们纷纷提出自己的网络化制造解决方案，网络化制造方面的研究正在全 球迅速兴起。如近年来出现了以下众所周知的著名研究计划：美国里海大学美国 2 1 世纪制造企业战略，美国国防部和科学基金会资助的“下一代制造”，欧洲联盟 “第五框架计划”，日本“智能制造技术计划( i m s 计划) ”和“网络化韩国2 1 世纪 计划”等均包含了大量有关网络化制造的内容。还有各方面有关网络化制造的研究 也在迅速发展，如1 9 9 7 年美国国际制造企业研究所的美国俄罗斯虚拟企业网 ( r u s s i a n a m e r i c a nv i r t u a le n t e r p r i s en e t w o r k ，r a v e n ) ，该项目是美国国家科学 基金研究项目，目的是开发一个跨国虚拟企业网的原型，使美国制造厂商能够利用 俄罗斯制造业的能力。2 0 0 1 年美国标准技术研究院通过“先进技术计划( a t p ) ”资 助5 0 0 万美元用以建立网络化制造的安全框架，旨在建立一个柔性防火墙，防火墙 采用一种分布式体系结构，可以防护任何网络化制造体系所涉及的设备，大至一个 企业的服务器，小至个内嵌的传感器。“虚拟企业信息交换项目( v f i i p ) ”是美国 国家电子制造协会( n e m i ) 领导的工厂信息系统的一个研究项目，它涵盖原始设备 制造商( o r i 昏n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ，o e m ) 和电子管理系统( e l e c t r o n i c m a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 供货商之间从板卡生产到最终组装过程的双向信息交流， 其重点是工程技术与制造数据的交流。 国内在网络化制造方面也作了大量研究工作，国家自然科学基会、国家8 6 3 计 划、国家“九五”科技攻关计划确立了不少研究课题。围绕网络化制造模式的研究， 或者在与网络化制造有关的研究中，出现了一系列新概念、新观点和新思想，如敏 上海大学博士学位论文一制造网格工作流研究与实现 捷制造、并行工程、虚拟制造、虚拟企业和动态联盟等。这些新概念、新观点、新 思想无不体现了企业基于网络的制造理念，同时以此为基础的网络化制造的研究和 应用也在迅速发展。在网络化制造模式研究方面，比较典型的有华中科技大学杨叔 子院士提出的“分布式网络化制造系统( d i s t r i b u t e dn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， d n m s ) ”，同济大学张曙教授和香港理工大学李荣彬教授提出了“分散网络化制 造系统( d i s p e r s e n e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) ”【2 【3 1 4 】1 5 】重庆大学刘飞教授“网 络化集成制造系统( n e t w o r k e di n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，n i m ) ”【6 】口】。上海大学俞 涛教授提出了“基于s m v p n 的公共技术及服务平台系统建立及其在快速制造中的 应用”1 8 。 综上所述，网络化制造方面的研究集中在网络化制造平台、制造信息交换标准、 网络化产品协同开发等方面。由于网络化制造涉及到多种高技术的集成，涉及企业 内部与外部、产品生命周期全过程、大量高层次人才、大量硬件和软件以及技术和 管理的集成，因此能集成多方面资源，具有多功能的网络化制造平台将成为网络化 制造的技术支持工具，能有效地支持企业、区域和行业实施网络化制造。在世界经 济的发展大潮中，网络化制造越来越多地担负起制造任务，其发展深刻的影响着制 造领域的技术革新。然而，目前网络化制造领域并没有一套标准的平台标准。每个 网络化制造平台都是根据自己的需要开发私有专业的制造平台。这些制造平台开发 方式有着不可克服的缺点： 没有通用的模式( 范式) 和体系结构作支撑可扩展性差； 没有公认的标准和规范做基础； 采用专用技术实现； 缺乏必要的柔性和开放性； 难于集成和推广应用等。 在全球化经济飞速发展的今天，企业要生存，就必须参与国际化竞争和国际化 合作。为了节约成本，缩短产品的设计、生产时间，各个网络化制造平台越来越需 要能够互联互通。要实现互联互通，网络化制造平台必须开发统一的平台标准。 1 1 2 制造网格 网格化产品开发要求企业能高效地使用所有网络资源，这与网格技术的初衷不 谋而合。网格技术的概念诞生于2 0 世纪9 0 年代中期1 0 【l l l 。网格概念是从电力网 ( p o w e rg r i d ) 借鉴过来的，其目的是用互联网将分散的计算资源、存储资源、通信 资源、软件资源、信息资源、知识资源等计算资源联合起来实现网络虚拟环境上的 资源共享和协同计算。希望用户能够象使用电力一样方便的使用分布在网络上强大 而丰富的计算能力。第一代因特网实现了计算机硬件的连通，第二代万维网实现了 网页的连通，网格则试图实现互联网上所有的资源的全面连通。 网格是为了实现对等的资源共享和解决动态的、分布式的虚拟组织所遇到的问 题而诞生并发展的，其核心是动态形成虚拟组织( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，v o ) ，实现 高度可控的资源共享。其中，虚拟组织的概念与网络化制造中的虚拟企业( v i r t u a l ， 第一章绪论 e n t e r p r i s e ，v e ) 在本质上是相同的，都是为了完成一项工作而由一些人或团体动态 形成的集合体。 网络化制造环境中的资源具有异构性、分布式的特点，虚拟企业是为赢得某一 机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，而动态集成不同组织或企业间的优势资源， 综合成单一的靠网络通讯联系的阶段性经营实体。由此可见，网络化制造是典型的 网格问题，网格平台可以为网络化制造提供一个高效率的通用协作平台。 制造网格的概念就是在这种时代背景下提出的。制造网格是在分析制造业行业 特点的基础上为解决制造业的实际需求提出的，是网格技术在制造业中的具体应用。 对于网格技术在制造业应用的研究，上海大学在制造网格研究方面起步较早， 上海大学俞涛教授于2 0 0 2 年6 月提出了“制造网格”的概念，清华大学吴澄院士也 提出“网络化制造网格”，随后，其它高校纷纷提出“网格在制造业的应用”。目前 已有一定的研究成果，例如上海大学c i m s 中心承担的上海市教委网格e 研究院 2 0 0 3 年的“上海高校网格制造网格应用及其相关中间件的研制”项目，清华大学 c i m s 研究中心承担的国家8 6 3 课题网络化制造资源网格( n e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c eg r i d ，n e t m a g r i d ) 系统开发项目等。同时也出现一些学术论 文1 2 ” 1 4 1 1 15 】【1 6 【1 ”，其中上海大学刘丽兰在文献 1 2 中给出制造网格的定义：制造 网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) 以通用网络为基础，以各种制造资源为节点，以网格 平台中间件为桥梁，以市场为机遇，由分布、异构制造资源动态组成虚拟组织，实 现资源共享、协同设计和协同制造，达到降低制造成本、提高资源利用率、加快产 品上市时间的目的，文献 1 3 1 说明了网格在电子制造背景下的应用需求以及在制造 业中的应用契机，文献 1 4 】中提出一种以网格技术为基础，建立在多代理协调控制 框架与支持工具基础上的的制造网格的功能体系结构，文献 1 5 分析制造网格、计 算网格和网络化制造之间差异的基础上，探讨了面向制造网格的应用平台及虚拟企 业建模等问题，文献 1 6 】提出基于网格的跨企业协同制造平台，采用a g e n t 及领域知 识模型支持平台的制造资源管理、制造任务建模、资源调度、任务分配和制造任务 过程管理。 综上所述，作为网格技术在制造业的应用，制造网格的主要目的是充分利用网 格技术开放的体系框架、通用的标准和规范、统一的开发平台和工具，致力于为制 造业建立一种通用的、标准的和规范的网络化制造模式。浚模式的实现不仅能够达 到资源共享、协同工作、降低制造成本、提高资源利用率、加快产品上市时间的目 的，同时又具有极大的柔性和开放性，可以扩展到世界的每一个角落，覆盖所有的 现代制造资源和制造系统，并最终形成全球制造网格。 对于制造网格而言，其可以看作是网络化制造、虚拟制造、敏捷制造等先进制 造模式在网格技术环境下的变异和发展，制造网格继承了先进制造模式的优势，同 时又结合网格技术的特点，弥补了现存的缺陷和不足。经过归纳总结和分析，我们 将制造网格与网络化制造之间的关系描述如下： 制造网格以网络化制造为基础，是网络化制造的一种方式； 制造网格是网络化制造的标准模式和范式； 上海大学博士学位论文一制造网格工作流研究与实现 两者最大的区别在于： 是否采用通用的标准和规范； 资源是否具有动态可扩展性。 同时，网络化制造与制造网格之间的比较如表l 一1 所示。 表1 1 网络化制造与制造网格的比较 比较内容网络化制造制造网格 实现资源共享和协同工作，促进实现资源共享和协同工作，促进制造系 目的 制造系统自组织进化进程统自组织进化进程 途径 加强管理，重视协调 制定规则或规范，自愿遵守 组成成员 企业 资源( 包括企业) 成员关系竞争与合作并存。成员基本固定竞争与合作并存。强调动态性和临时性 重视信息的对称性和公开性，尽重视信息的对称性和公开性，尽量提高 信息流通 量提高信息的流通速度 信息的流通速度 防范措施 重视程度不高，措施单一 更注重防范，确保平台环境的公平性 管理方式 集中管理，需要管理中心 分布式管理 系统平台没有统一平台统一的网格平台( g l o b u st o o l k i t ) 实现技术没有统一技术 w e bs e r v i c e 技术 标准规范没有统一的标准和规范o g s a 、w s r f 规范 适用范围分布式集团或公司全球带0 造 扩展和开需要大量的客户化工作，很难扩 只要遵循一定的规范将资源封装为服 放性展务，即可加入 通过以上对比，我们看出网络化制造与制造网格即有联系又有区别，制造网格 能够为网络化制造提供一个通用平台，将形成网络化制造过程的标准或方法论。 1 1 3 工作流技术 1 1 - 3 1 工作流概念 工作流概念起源于人们日常的生产、学习和生活领域、工作流是针对日常工作 中具有结构化或非结构化流程而提出的，目的是通过将工作分解为定义良好的活动、 角色和参与者等，按照一定的规则和过程来执行这些活动，并且对它们进行监控。 近十多年来，不同的研究者从不同角度对工作流管理技术进行研究，分别提出 了不同的工作流概念，比较有影响的包括工作流管理联盟( w o r k f l o wm a n a g e m e n t c o a l i t i o n ，w f m c ) 、i b ma l m a d e nr e s e a r c hc e n t e r 、k i m 和v a nd e ra a l s t 等。 工作流管理联盟 1 8 1 认为，工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程， 它根据一系列过程规则、文档、信息或任务能够在不同的执行者之问进行传递与执 4 第一章并f 论 行。它是一种反映业务流程的计算机化的模型，它是为了在先进计算机环境支持下 实现经营过程集成与经营过程自动化而建立的可由工作流系统执行的业务模型。 i b ma l m a d e nr e s e a r c hc e n t e r j 9 1 认为，工作流是经营过程中流程的计算机化模 型，它定义了完成整个过程所需的各种参数，这些参数包括组成流程的各个步骤， 各步骤必须执行的顺序及条件。 k i m 20 】认为，工作流是可被计算机系统自动执行和管理的商业流程，通常包括 相关的所有任务、工具、过程和组织。 v a nd e r a a l s t 2 l 】认为，工作流是一系列工作的偏序集，工作的序列可以有多种方 式，比如工作x 与y 满足x 软件构件：完成工作流系统中不同组成部分功能的实现； 系统控制数据：工作流系统中的一个或多个软件构件使用的数据： 应用与应用数据：对于工作流系统来说，它们不是工作流系统的组成部分，而 是属于外部系统和数据，它们被工作流调用来完成整个和部分工作流管理的功 能。 _ 赣捧构件 口泵鲢扮删段帮 口井琊，一：鼎，破j i | 图1 - 1 工作流管理系统体系结构 上海大学博士学位论文一制造网格工作流研究与实现 1 1 3 2 工作流技术发展 工作流技术发端于1 9 7 0 年代中期办公自动化领域的研究工作，但工作流思想的 出现还应该更早，1 9 6 8 年f r i t zn o r d s i e e k 就已经清楚地表达了利用信息技术实现工 作流程自动化的想法。1 9 7 0 年代与工作流有关的研究工作包括；宾夕法尼亚大学沃 顿学院的m i e h a e ld z i s m a n 开发的原型系统s c o o p ，施乐帕洛阿尔托研究中心的 c l a r e n c ea e l l i s 和g a r yj n u t t 等人开发的o 黼c e t a l k 系列试验系统，还有a n a t o lh o l t 和p a u lc a s h m a n 开发的a r p a n e t 上的“监控软件故障报告”程序。s c o o p 、 o f f i c e t a l k 和a n a t o lh o l t 开发的系统都采用p e t r i 网的某种变体进行流程建模。其中 s c o o p 和o 伍c e t a l k 系统，不但标志着工作流技术的开始，而且也是最早的办公自 动化系统。 1 9 7 0 年代人们对工作流技术充满着强烈乐观情绪，研究者普遍相信新技术可以 带来办公效率的巨大改善，然而这种期望最终还是落空了。人们观察到这样一种现 象，个成功的组织往往会在适当的时候创造性的打破标准的办公流程，而工作流 技术的引入使得人们只能死板的遵守固定的流程，晟终导致办公效率低和人们对技 术的反感。1 9 7 0 年代工作流技术失败的技术原因则包括：在办公室使用个人计算机 尚未被社会接受，网络技术还不普遍，开发者还不了解群件技术的需求与缺陷。 含有工作流特征的商用系统的开发始于1 9 8 3 年至1 9 8 5 年间，早期的商用系统 主要来自于图像处理领域和电子邮件领域。图像处理许多时候需要流转和跟踪图像， 工作流恰好迎合这种需求，增强的电子邮件系统也采用了工作流的思想，把原来点 对点的邮件流转改进为依照某种流程来流转。在这些早期的工作流系统中只有少数 获得了成功。 进入1 9 9 0 年代以后，相关的技术条件逐渐成熟，工作流系统的开发与研究进入 了一个新的热潮。据调查，截至1 9 9 5 年共有2 0 0 多种软件声称支持工作流管理或者 拥有工作流特征。工作流技术被应用于电讯业、软件工程、制造业、金融业、银行 业、科学试验、卫生保健领域、航运业和办公自动化领域。 1 9 9 3 年8 月，工作流技术标准化的工业组织工作流管理联盟( w o r k f l o w m a n a g e m e n tc o a l i t i o n ，w f m c ) 成立。1 9 9 4 年，工作流管理联盟发布了用于工作流 系统之间互操作的工作流参考模型，并相继制定了一系列工业标准【1 ”。 关于工作流技术的学术研究也十分活跃，许多原型系统在实验室里开发出来， 人们从工作流模型、体系结构、事务、适应性、异常、安全、语言、形式化、正确 性验证、资源管理、开发过程等各方面对工作流技术进行探讨，大量论文被撰写出 来。尽管工作流技术取得了进步，但理论基础的研究还很不够。现有的工作流系统 从功能、可靠性、健壮性上与数据库管理系统无法楣提并论。 进入2 0 0 0 年以后，随着w e b 服务技术的兴起，多个标准化组织制定了各自和 工作流技术相关的w e b 服务标准，如x l a n g 2 4 ，w s f l ( i b mw e bs e r v i c ef l o w l a n g u a g e ) 2 5 】等。2 0 0 2 年8 月，i b m 和m i c r o s o f t 为等企业联合提交并发布了 b p e l ( b u s i n e s sp r o c e s se x c u f i o nl a n g u a g e ) 规范“。 第一章绪论 1 1 4 制造网格对工作流技术的需求 在制造网格环境下，业务过程非常复杂，涉及到多个步骤、资源和过程，而且 任务的过程也比较复杂，包含很多时间、空间和资源方面的约束条件。为了顺利地 完成各项协作任务，及时主动地掌握业务流程中各环节的进度、质量状况等过程信 息，进行过程信息通知和反馈，调整产品开发的业务流程。迫切需要由工作流技术 来对制造网格应用进行构建、执行调度、管理监控，使得制造网格应用能够自动化 而且效率更高。制造网格系统采用工作流技术的必要性如下： 1 实现业务过程的自动化。制造网格工作流系统能够根据一系列的业务流程和规 则，实现虚拟组织中各个资源之间的实时交互、数据传递等工作，确保用户在 制造网格平台提交的任务按照一定的顺序依次进行，从而实现业务过程的自动 化。 2 有效地过程管理和监控。制造网格工作流系统对每一个过程进行管理和监控， 及时主动地掌握业务流程中各活动的执行情况，进行过程信息通知和反馈，保 证了任务执行过程的可靠性。 3 任务调度。制造网格是一个复杂的应用系统，随着环境中参与任务的资源数目 的增加，任务与资源间匹配的难度更大，要求有更为强有力的调度机制。通过 工作流执行过程中的任务动态调度和资源分配算法，能够在正确的时间把任务 分配给满足要求的资源。 4 灵活的异常处理和错误恢复。制造网格环境下业务流程的复杂性和资源的动态 性使得任务执行过程中遇到许多不确定因素，系统出错的概率也随之增加。当 业务流程在运行过程中出现错误时，制造网格工作流系统能够根据当前流程的 实际进展情况或流程所处的状态对错误进行有效地处理。 因此我们在研究制造网格体系结构及其实现技术的同时，开展了制造网格工作 流的研究。它在制造网格系统中的位置如图1 2 所示： 图1 2 制造网格体系结构 上海大学博士学位论文一制造网格工作流研究与实现 1 1 5 课题来源及其研究意义 1 1 _ 5 1 课题来源 本课题来源于上海市科委2 0 0 2 年重点攻关项目“基于s m v p n 的公共技术和服 务平台系统建立及其在快速制造中的应用”，以及上海市教委网格e 研究院2 0 0 3 年 的“上海高校网格制造网格应用及其相关中间件的研制”项目。 1 1 5 2 研究目的和意义 制造网格是网络化制造领域新的研究热点，课题研究立足于制造网格平台对工 作流管理的需求，开发一套通用于各种科研以及企业级网格计算的工作流中间件。 研究制造网格工作流的目的和意义在以下几个方面： 1 制造网格工作流作为制造网格的核心中间件，它的研究对于制造网格平台研究 和应用具有重要意义。制造网格平台中产品开发往往由分布、异构的多个资源 共同完成的，各资源分担各自的任务，任务间传递着数据流与控制流，这些数 据流与控制流的顺畅传递及各任务的有序执行，必须依赖于制造网格工作流管 理( 参见1 1 4 节) 。制造网格工作流能够为制造网格平台提供了良好的运行和 管理机制，是制造网格研究和应用不可缺少的重要组成部分。 2 在制造领域中，将网格技术与传统工作流相结合，对于跨企业动态过程集成具 有重要意义。工作流管理技术是实现企业业务过程重组、过程管理与过程自动 化的核心技术，把工作流管理技术应用于跨企业动态过程集成是一个自然的选 择。传统工作流系统的应用集成依赖于应用的内部实现，实现起来比较复杂， 是工作流系统开发中的难题。利用网格技术的工作流系统将所有资源( 包括应 用系统e r p ，c r m ，c a d 等) 封装成制造服务形式提供给工作流系统，工作流 系统只需要获得制造服务接口，便可直接调用之，而不需要对其内部实现有丝 毫了解，使得制造网格工作流不仅可以用来管理业务流程，而且还具备了组合 服务、进行企业间应用集成的功能。 3 工作流系统的适应性是工作流技术研究的热点，本文在工