（计算机应用技术专业论文）基于工作流的协同式钻具组合设计系统的研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于工作流的协同式钻具组合设计系统的研究 计算机应用技术 杨荫( 签名) 方明( 签名) 摘要 石油钻井投资大、风险高，其中钻具组合设计的好坏直接关系着施工的效益和成败。 传统单机版的钻具组合计算机辅助设计软件，不支持群体设计，信息难于共享；而目前 网络环境下的钻具组合计算机辅助设计软件，在支持整个设计过程以规范的流程统一管 理协调方面，在各阶段任务的分配管理方面，以及在设计过程中各方专家的临场感可视 化方面，缺乏有效的手段和软件支持环境。为适应和完善网络环境下钻具组合计算机辅 助设计软件系统的需要，论文结合工作流( w o r k f l o w ) 技术、计算机支持协同设计( c s c d ) 技术和三维可视化技术，研究提出基于工作流的协同式钻具组合设计系统的体系结构和 实现方法，主要内容包括： 提出基于工作流的协同式钻具组合设计软件系统的工作流模型，描述了其中的过程 模型、组织模型，分析了钴具组合计算机辅助设计工作流执行和监控方法，对其中的工 作流执行模式、任务列表、流程监控以及通讯模型进行了讨论。 针对系统运转过程中，用户多、角色多、权限关系复杂的特点，提出基于工作流和 角色的安全控制策略，达到权限按需分配、灵活管理，提高系统安全性的目的。 从协同感知的角度出发，利用三维可视化技术，建立钻具组合计算枫辅助设计的三 维可视化环境，为各方专家提供三维钻具模型可视化的协同设计平台，从而加强各方专 家的临场感，促进交流和协作。 采用w i n s o c k e t 技术和o p e n g l 技术，使用d e l p h i 语言编程，设计开发了基于工作 流的协同式钻具组合设计系统w b c h a d ( w o r k f l o w b a s e dc o o p e r a t i v eh o l ea s s e m b l y d e s i g n ) 。实现了总体目标协调、具体任务协作、你见即我见和三维可视化的钻具组合协 同设计目标。 关键词：钻具组合设计c s c d 工作流三维可视化 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo n t h ew o r k f l o w _ b a s e dc o o p e r a t i v eh o l ea s s e m b l y d e s i g ns y s t e m s p e c i a l i t y ：c o m p u t e r a p p i i c a t i o t e c h n i q u e n a m e ：y a g m e n g ( s i g n a t u r e ) 逝坐磐 h 咖咖r ih n g g b i g 砒u r e 血乎孕 a b s t r a c t t h ep e t r o l e u mw e l ld r i l l i n gi sg r e a ti n v e s t m e n ta n dh i g hr i s k ，t h er e s u l to f h o l ea s s e m b l y d e s i g nh a saf i n a ls a yo nt h ee f f i c i e n c ya n ds u c c e s so ft h ec o n s t r u c t i o n t h et r a d i t i o n a lh o l e a s s e m b l yd e s i g nw i t l ls i n g l ec o m p u t e rs o f w a ed o e sn o ts u p p o r tt h eg r o u pd e s i g n a n ds ot h e i n f o r m a t i o ni sd i 瓶c u l tt ob es h a r e d w h i l et h eu p - t o d a t ec o o p e r a t i v eh o l ea s s e m b l ya i d d e s i g ns o f t w a r eo ni n t e r a c t ，a l t h o u g hh a di m p r o v e m e n tal i t t l ei nc o o p e r a t i v ea n di n f o r m a t i o n s h a r e , i ts t i l ll a c kt h ev a l i dm e a n st os u p p o r tt h ee n v i r o n m e n tw i t ht h es o f t w a r ei ns o m ea s p e c t s , s u c ha sm a n a g e m e n ta n dm o d e r a t i n go ft h ew h o l ed e s i g np r o c e s s ，a l l o t m e n ta n dm a n a g e m e n t o fe a c hs t a g em i s s i o n ，e x p e r t s t e l e p r e s e n c ei nd e s i g np r o c e s s f o rt h ed e m a n do f c o o p e r a t i v e h o l ea s s e m b l ya i dd e s i g ns o f t w a r e ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea r c h i t e c l u r ea n dm e t h o do f w o r k f l o w _ b a s e dc o o p e r a t i v eh o l ea s s e m b l yd e s i g ns y s t e mi sp u tf o r w a r d ，w h i c ha d o p t e d w o r k f l o w , c s c da n d3 dv i s u a l i z a t i o n ，i t sm a j o rc o n t e n t sa r e ： t h ew o r k f l o wm o d e lo fc o o p e r a t i v eh o l ea s s e m b l ya i dd e s i g ns f s t e mi sp r o v i d e d ，a n d t h ep r o c e s sm o d e la n do r g a n i z em o d e a r ed e s c r i b e di nd e t a i l e d t h e n t h er u na n dc o n t r o lo f w e r k f l o wa r ea n a l y s i s e d ，a n dt h er u nm o d e lo fw o r k f l o w , t a s k l i s t ，p r o c e s sm o n i t o r i n g c o m m u n i c a t i o nm o d e la r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e m sr u n n i n gi n v o l v i n ga l a r g en u m b e ro fu s e r s ，r o l e s ， c o m p l i c a t e dp r o p e r t yr e l a t i o n s h i p ，as e c u r i t ym o d e li sp r e s e n t e db a s e do nw o r k f l o wa n dr o l e i t c a r lr e a l i z ea s s i g n i n gt h ep r i v i l e g e sa c c o r d i n gt on e e d s ，v i v i dm a n a g e m e n t ，a n di m p r o v e st h e s e c u r i t yo f t h es y s t e m f r o mt h ev i e w p o i n to fc o l l a b o r a t i v ea w a r e n e s s ，b yu s i n g3 dv i s u a l i z a t i o n ，a3 dv r t u a l e n v i r o n m e n tf o rt h eh o l ea s s e m b l yd e s i g ni sb u i l d i tp r o v i d e sf o r e v e r ye x p e r tav i r t u a l c o o p e r a t i v ed e s i g np l a t f o r mo f t h e3 dh o l em o d e l ，a n de n h a n c ee x p e r t s t e l e p r e s e n c e ，p r o m o t e e x c h a n g e sw i t hc o o p e r a t e a w o r k f l o w b a s e dc o o p e r a t i v eh o l ea s s e m b l yd e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c h a d o p t e dw i n s o c k e ta n do p e n g l ，u s e dd e l p h ia sp r o g r a ml a n g u a g e i tr e a l i z e st h et a r g e to f c o o p e r a t i v eh o l ea s s e m b l yd e s i g n , w h i c hi n c l u d e sd e s i g nt h et a r g e tt h et o t a lt a r g e tm o d e r a t e s ， t h ec o n c r e t em i s s i o nc o l l a b o r a t i o n ，w h a ty o us e ei sw h a tis e ea n d3 dv i s u a l i z a t i o n k e y w o r d s ：h o l ea s s e m b l yd e s i g n ，c s c d ，w o r k t l o w , 3 dv i s u a l i z a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 、 论文作者签名：拯鞫日期：塑! 篁= 篁= 压 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名擅盎目期：型= ：! f 导师签名：叠疆日期：碰支兰三 第一章绪论 第章绪论 面对石油工业的网络化、协作化、数字化、全球化趋势，运用现代计算机科学与网 络通信的最新技术，结合c s c w 、c s c d 等技术开发面向钻井工程设计的远程协同设计 平台，以消除以往因地域、技术、人员及信息等方面所存在的屏障和影响造成的时空局 限，通过网络来实现网上协同设计，有着广泛的应用前景和深远的实际意义。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 石油工业是我国的支柱产业之一，也是西部大开发和我省经济发展的主要方面。进 入2 l 世纪以来，全球石油资源的可持续利用问题更加突出。被誉为“石油工业火车头” 的石油钻井，在技术、成本和环保等方面要求更加严格和更加科学，需要钻井科技工作 者认真规划、研究和解决。 石油钻井工程是资金和技术密集型行业，投资大、风险高，钻前和钻井过程中的剖 面设计、井身结构设计和钻具组合设计等钻井设计，直接关系着钻井施工的效益和成败。 对于钻具组合设计来说，技术人员和管理人员制定的钻具组合设计方案，将直接影 响钻井过程。一旦钻具失效引发钻井事故，必然造成巨大损失。为了减少钻井事故，必 须不断研究和提高钻井工程的整体技术水平和装备水平。尤其是信息化、智能化及自动 化钻井技术的研究和发展，需要不断加强。 自中国加入w t o 后，在市场全球化、石油数字化的潮流推动下，钻井公司和设计院 开始引入一系列先进的产品开发技术和开发工具进行设计，力求实现现场监控、信息共 享，达到缩短钻井工程设计开发周期、提高设计质量、降低成本和风险、减少重复工作， 从而赢得瞬息万变的市场以及用i 的青睐。在这样的大环境下，钻具组合设计技术，也 由早期的设计人员使用手工进行设计，转变为借助计算机作为辅助工具进行设计，并进 一步转变为目前的利用计算机网络环境进行钻具组合设计。 钻具组合设计涉及多学科、多领域的知识，需要进行广泛的多学科交叉研究和协作。 目前钻井作业地区从陆地到海洋，从戈壁到沙漠，地域辽阔，复杂多变。有的自然条件 极其恶劣，远离人烟，偏远荒芜。例如，西部地区以及我省的一些油田就是这样。 在条件有限，人才较为缺乏的情况下，要改进钻具组合设计现有的工作方式，必须 加强各学科和部门的联系和协作，充分利用各油田、钻井公司、设计院在长期的实践中 积累的丰富的钻井设计经验、方法和知识。而要达到这样的目标，必须让各方面的专家 在计算机网络环境支持下，协同进行钻具组合设计。 1 1 2 研究意义 计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 技术的发 西安石油大学硕十学位论文 展，对很多领域产生了巨大而深远的影响。计算机支持的协同设计( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ed e s i g n ，c s c d ) ，作为c s c w 的主要形态之一，给设计领域注入了新的活 力。将c s c d 技术引入石油钻井领域，可实现远程钻井设计的网络化、数字化、流程化、 自动化、智能化，并可实现实时协同工作与科学决策指挥。从而取代以往单个设计者独 立设计的传统工作方式，跨越时空局限，带来整个石油天然气行业工作模式的重大改变。 c s c d 技术还可以进一步向地质、采矿以及能源的其它相关部门移植和推广。尤其 对于那些野外工作、自然条件恶劣、偏远荒芜的行业和领域，将有着广泛的应用前景。 此外，开发钻具组合协同设计软件，可以提供科学、方便、有效的设计工作模式和灵活 的审核方法，实现优化设计，缩短设计周期，提高设计质量，从而达到降低钻井开发成 本，提高油气田开发效率的目标。计算机支持的协同工作技术的研究，必将为促进西部 地区经济的发展，为我国石油工业整体技术水平的提高，为提高全行业的经济效益，为 赶上和超过发达国家的技术发展水平做出贡献。 1 2c s c d 的研究现状 c s c w 这一概念最早是由美国m i t 的i r e n eg r i e f 和d e c 公司的p a u lc a s h m a n 两位 研究人员在1 9 8 4 年提出来的1 2 , 3 j ，用于描述他们所组织安排的如何用计算机支持来自 不同领域与学科的人们共同工作的课题。从它出现之初，c s c w 就被认为是一个全新的 研究领域。 c s c w 的基本含义是在计算机技术支持的环境中，一个群体协同地完成一项共同的 任务。它是由计算机科学、系统工程、心理学和社会学等多个学科综合而成的新的交叉 学科。c s c w 为在时空上分散的人们提供了一个“面对面”( f a c et of a c e ) 和“你见即 我见”w y s l w i s ( w h a ty o us e ei sw h a tis e e ) 的协同工作环境，支持多个时问上分离、 空间上分布、而工作又相互依赖的协作成员的协同工作，使计算机系统从传统的只能提 高个体工作效率变为能提高群体工作效率1 3 , 4 , 5 j 。 c s c d 是c s c w 的概念和技术在产品开发过程中的有效应用“1 。从目前国内外资料 来看，c s c d 还没有一个统一定义，可以理解为：为完成某一设计目标，由两个或两个 以上设计主体( 或称专家) 通过一定的信息交换和互相协调机制，分别以不同的设计任 务共同完成这一设计目标”。也可以理解为：在计算机支持下，各个成员围绕一个设计 项目，各自承担部分设计任务，并行交互地进行设计工作，最终得到符合要求的设计结 果的设计方法”1 。它的研究涉及计算机技术、人工智能、认知科学、行为科学、设计方 法论等诸多领域。 国外在c s c d 的研究和实践中处于领先地位的是欧美等国，这得益于他们在包括 c s c d 在内的c s c w 领域进行了较广泛的研究。c s c d 研究和应用的例子有： ( 1 ) 波音公司研制的波音7 7 7 客机，就是以网络技术来协调分散在世界各地的分支机 构和日本三菱重工等进行协同设计与制造的”1 。世界各地的波音公司同时可在计算机屏 2 第一章绪论 幕上对3 0 0 多万个零件的三维模型观察、修改。 f 2 ) u l t e ac o m m 是生产电子产品的虚拟公司，它依靠网络技术组织设计、生产，动 态地适应不同产品开发、改进、制造及销售的需要，c s c d 与现代制造技术相结合，可 保证接到订单后2 4 小时内供货”1 。 ( 3 ) s t a n f o r d 与l o c k h e e d 、e i t 、h p 合作研究的p a c t 项目着重研究大规模、分布式 并行工程系统，此项目较为系统地研究了分布式c s c d 的问题1 8 1 。 ( 4 ) i o w a 大学工业工程系建立了一个i n t e m e t 实验室，其主要研究项目包含如何利用 w w w 技术建立基于客户一服务器形式的c s c d 模型”1 ( 5 ) 德国f r a u n h o f e r 图形研究所的d i s t r i b u t e ds k e t c h p a d 系统 9 1 美国普渡大学的 s h a s t m 系统 1 0 1 美国麻省理工学院智能工程系统实验室的d i c e 系统 i l l 美国麻省理 工学院c a d 实验室的d m e 项目1 1 2 1 美国国防高级研究项目署( d a r p a ) 资助下的 m a d e “”、美国c a t i a 公司的c a d 系统协作支持工具“”、美国s p e c t r a 图形公司( s p e c t r a g r a p h i c s ) 的t e a ms o l u t i o n 系统 1 5 1 美国惠普公司的c o c a d 系统 1 6 1 美国w e b s c o p e 公司基于w e b 的c a d 协同设计支持工具1 、英国b r u n e l 大学交互设计研究中心开发 了三维原型系统c o l l i d e “”等。 ( 6 ) 新加坡国立大学的q i a n g l 等开发了一个w p d s s 系统，它支持基于c a d 的网络 协同设计，服务器提供c a d 几何和工程信息，客户端共享这些信息，为了利用商用c a d 软件进行实时协同设计，设计了一个j a v a c o d e d 软件界面，并提出了一个新的方法以减 少信息传输时间，对操作过程实时监控，保持协同修改过程中数据的一致性等 1 9 1 0 国内在计算机支持的协同设计及其相关议题的研究中处于领先地位的是中科院计算 所c a d 开放实验室 2 0 1 浙江大学c a d & c g 国家重点实验室 2 1 , 2 2 , 2 3 1 。其他一些高校也 正在进行这方面的研究，例如武汉理工大学港口机械c a d c a e 研究中心自1 9 9 6 年起 跟踪国内外发展动态，从事了相应的研究 2 42 5 1 ；四川大学建立了一种基于多a g e n t 技术 的c s c d 模型，通过a g e n t 之间信息交换，以达到协同工作的目的 2 6 1 ；华南理工大学提 出了基于v r m l 和j a 、，a 的虚拟现实协同系统，可以在网上建立虚拟环境，增强c s c d 的交互性和客户端的平台无关性1 2 7 1 0 1 3c s c d 在石油行业的应用和存在的问题 1 3 1 应用现状 随着c s c d 的研究和强劲发展势头，c s c d 技术越来越受国内石油行业的重视。如 何利用c s c d 技术来加快石油行业的信息化进程，提高群体工作效率方面的研究和应用 越来越广泛，概括起来，可分类如下： ( 1 ) 根据应用领域的不同可分为：应用于钻井、应用于油气藏的协同设计系统的研 究。如文献 2 8 】提出的“远程网络化钻井工程技术与管理智能化应用系统”就是应用 西安石油大学硕士学位论文 于钻井领域的协同工作系统，它基于w e b 模型的面向a g e n t 应用软件平台以及数据库技 术，把多方专家群体求解过程作为c s c w 运行机制的一部分，实施网上多方协同工作， 实时指导钻井作业和形成技术网络化。文献【2 9 】提出的基于网络的油气藏协同研究环 境o g p c s 就是应用于油气藏的协同系统，它为油气藏研究的广大科技工作者提供一个 计算机网络支持下的合作研究、联合攻关的集成环境。它以油田计算机网络为基础，使 得分布在不同地区、不同单位的各学科的科技工作者，能够在自己的办公室通过计算机 网络共同研究某一课题，随时交流各种资料及研究结果。 ( 2 ) 根据应用技术的不同可分为：基于多智能体( m u l a g e n t ) 、基于w e b 、基于 c s c w 、基于x m l 等技术的协同设计系统的研究。如文献【3 0 1 提出的石油开放软件 集成框架( p o s i f ) 原型，就是对m u l - a g e n t 系统协同问题求解环境理论的研究，对于 促进石油工业软件的标准化和产业化具有深远意义。文献【3 4 中提出“基于x m l 的 钻井液协同设计数据处理方法”，利用x m l 技术处理钻井液协同设计中的异构数据集成 与传输问题。 ( 3 ) 根据应用范围的不同可分为：跨地区地域、局域网内的协同设计系统的研究。 如文献【3 2 】中提出的“远程钻井网上会战智能应用系统”，就是运用c s c w 技术和数 据仓库技术，结合现代钻井技术，研究和开发一套面向石油钻井工程，计算机支持的多 方协同工作平台，能够实现远程钻井的网络化、数字化、智能化的多方协同工作与实时 科学决策的智能应用系统。 ( 4 ) 根据协同设计系统开发方式不同可分为两大类研究方向：一种是在通用协同工 具，如微软公司的n e t m e e t i n g 、创通公司的s h a r v s i o n 、清华大学的通用c s c w 协作平 台基础上进行的二次开发；另种则是针对使用对象重新开发专用的协同设计工具。如 文献1 3 5 】中提出“协同式钻具组合辅助设计软件”，是运用c s c w 技术，结合钻具组 合技术，研究开发的一套面向水平井钻具组合设计的专用系统设计软件，它能够实现实 时的协同设计。 1 3 2 存在的闯题 虽然c s c d 技术在国内石油钻井方面的研究与应用已经展开，但还不成熟。首先是 面对石油企业多在边远地区，网络资源严重缺乏的状况，没有很好的网络环境和应用平 台：其次是面向石油钻井的软件比较多，如井身结构设计软件、剖面设计软件、钻具组 合设计软件等，但如何把这些软件集成到一个由c s c d 技术构建的远程钻井协同工作应 用平台上是相当困难的：第三，现有的协同设计软件虽然不少，但是这些产品要么只能 严格按照“w y s i w i s ”方式提供显示级的界面共享，仅支持发言权协作模式，协作性能 差，要么不能进行交互编辑修改操作处理，难以支持实时协同图形设计；最后，文献 3 2 】 中提出的“远程钻井网上会战智能应用系统”和文献【3 5 】中提出的“协同式钻具组合 辅助设计软件”，虽然基本实现了对协同设计方面的支持，但未能解决协同设计本身引发 4 第一章绪论 的诸多技术与管理问题。主要表现为：由于协同设计涉及到产品开发的整个生命周期， 因此强调过程管理与控制，但现有软件未涉及到设计过程或协同活动的管理控制问题， 在设计工作流程管理，加强设计参与者之间的理解，调动参与者的积极性和创造性，设 计任务分配，协调和控制方面还存在不足。 钻具组合设计过程是一个非常复杂的过程，不同于一般的文本编辑、绘图和c a d 系统。钻具组合设计过程具有如下特点：设计过程中需要用到多个学科的大量数据参数； 设计过程需要多个相关学科的专家参与协作；设计过程需要采用一种多方专家易于理解 和协作的方式( 如二维和三维的图形方式) ；设计过程是一个以一定顺序和规则进行流转 的过程；是一个需要不断反馈修正的过程；设计过程或活动需要某种技术进行控制或管 理。 显然，现有的各种协同系统无法有效地支持协同环境下的钻具组合设计的特定要求， 为此需要针对钻具组合设计的特点，采用c s c d 技术、工作流技术、图形可视化技术等 技术相结合的方法，开发易于管理和控制的协同式钻具组合设计专用软件和工具。 1 4 论文的主要研究工作 针对现有的钻具组合计算机辅助设计软件，在实现任务划分、任务管理、专家对设 计问题的理解等方面存在的问题，论文在深入研究c s c d 、工作流技术以及三维可视化 技术等技术的基础上，针对钻具组合计算机辅助设计的特点，自主研究开发了一个基于 工作流的协同式钻具组合设计系统( w o r k f l o w - b a s e d c o o p e r a t i v e h o l e a s s e m b l y d e s i g n ， 简称w b c h a d ) ，将当前c s c d 系统在协作性能方面的长处和工作流技术在任务分配、 全局流程管理和冲突处理方面的优势以及三维可视化技术在增强多方专家相互理解方面 的优势有机地统一起来，来解决以往钻具组合计算机辅助设计过程中存在的问题。 论文的主要研究工作及创新点如下： 1 在研究分析协同式钻具设计过程特点、原理和运行环境的基础上，提出了基于工 作流的钻具组合设计系统的体系结构。该体系结构利用一【作流这种过程技术来管理整个 设计流程，使得设计参与者间的协作更加合理、协调，使得分布在复杂网络环境中的各 个设计端站点更易于管理，并能同时保证设计过程从开始到结束都能持续、顺利地进行。 2 将工作流这种异步协同和多个参与者合作完成菜一任务这种同步实时协同结合 起来，使得协作更加充分。 3 从协同感知的角度出发，引入三维可视化技术，为各方专家提供一个更易相互理 解、相互协作的三维可视化协同设计平台，使设计过程更加自然，为三维可视化技术在 钻井工程中的应用提供了可靠的支持。 4 提出了双重认证授权的用户权限控制策略以及基于工作流和角色的系统安全策 略，保证系统的正常运转。 论文共分六章，各章的内容概述如下： 西安石油大学硕士学位论文 第一章：绪论。阐述论文的研究背景和意义，通过分析计算机支持的协同设计的研 究现状和其在石油行业的应用，以及现有的用于钻具组合设计的c s c d 软件存在的问题， 给出本论文的研究目标。 第二章：w b c h a d 系统体系结构的建立。首先介绍了钻具组合设计的一般工作流 程和协同式钻具组合设计流程，讨论了基于协同式钻具组合设计过程与传统的钻具组合 设计过程的不同之处，在此基础上，提出了引入工作流技术的理论依据。其次，在分析 和讨论了工作流基本概念和工作流系统参考模型的基础上，给出了基于工作流的协同式 钻具组合设计系统( w b c h a d ) 的体系结构，并简要说明了主要平台的功能。 第三章：w b c h a d 系统的工作流管理平台。w b c h a d 系统的工作流管理平台是整 个系统的核心。首先分析并描述了w b c h a d 系统的工作流模型。其次简单介绍 w b c h a d 系统工作流管理平台的运行和监控机制，并提出工作流管理的安全控制机制。 第四章：w b c h a d 系统的设计。首先分别从服务器端和客户端角度，介绍系统的 总体结构设计。其次描述系统的功能目标和功能设计。最后说明系统数据库和界面的设 计。 第五章：w b c h a d 系统的实现。根据系统的设计，编程实现基于工作流的协同式 钻具组合计算机辅助设计软件。简单介绍系统的开发平台、运行环境，系统的功能结构、 主要实现技术，并分别介绍服务器端和客户端软件的实现。 第六章：总结和展望。对论文所做的工作进行归纳总结，并对基于工作流的协同式 钻具组合设计系统今后的研究工作提出自己的建议和看法。 第二章w b c h a d 系统的体系结构 第二章w b c h a d 系统的体系结构 体系结构是一个系统的基础，体系结构的选择对一个系统的设计起着关键的作用。 通过对协同式钻具组合设计流程特点的分析，建立了基于e 1 i e n t s e r v e r 的、以工作流 管理平台为核心的w b c h a d 的体系结构。w b c h a d 的基本设计目标是：达到钻具组 合设计过程的“总体设计目标协调、具体设计任务协作”。 2 1 钻具组合设计及其一般流程 2 1 1 钻具组合设计 钻井工程设计包括井身结构设计、套管强度设计、井口装置设计、钻具组合设计、 钻头选型设计、钻进参数设计、井眼轨迹剖面设计、钻井液设计和水利参数设计等。其 中钻具组合设计是快速优质钻井的重要条件，其设计的合理性直接影响着一口井钻井工 程的成败和效益。 钻具习惯上是钻头、钻铤、钻杆、方钻杆和各种接头等的总称 3 6 1 0 钻具组合就是将 不同尺寸和扣型的钻具连接起来。钻具尺寸的选择应根据井深、钻机提升能力、钻头尺 寸等条件来进行选择。 钻具组合设计就是根据钻井现场的地质条件、钻井工程的要求，设计出多种下部结 构优化组合方案及其结构图，并对其模拟计算和仿真，经过反馈修正，从中得到最优方 案，最终将其编制为相应的设计方案书。 2 1 2 钻具组合设计的一般流程 钻井工程设计是一个按一定流程流转的过程，由地质、开发、工程、泥浆、财务、 劳资及经营管理专家门共同参与，密切合作完成 3 7 1 0 其一般流程如图2 1 所示。 图2 1 钻井工程设计流程 7 西安石油大学硕士学位论文 论文研究钻井工程设计中的钻具组合设计，如图2 2 所示，钻具组合设计包括钻头 设计、钻柱设计两部分，其中钻柱设计又分为钻柱组合设计和下部防斜钻具组合设计。 圭了二 图2 2 钻具组合设计流程 2 1 3 协同式钻具组合设计 协同式钻具组合设计是协同设计技术在钻具组合设计中的应用。在企业网环境下， 分布在不同地区的专家、设计人员聚集在一起，按照钻具组合设计流程和设计规范，针 对具体的钻具组合设计任务进行协同设计。协同式钻具组合设计过程大体上遵循钻具组 合设计的一般流程，此外，它还具有如下一些特点： l ，涉及多个部门领域的专业人员。需要地质、油藏、钻井、设计等不同学科的专家 一起参与合作完成； 2 有一定的设计顺序和工作流程。整个设计过程按照钻具组合设计的一般流程完 成，例如钻头设计完成后，才能进行钻柱的设计； 3 设计过程具有时空分布性； 4 设计过程是面向任务的，且随特定任务的完成而结束。 分析协同式钻具组合设计应具有的特点，目前用于钻具组合计算机辅助设计的协同 设计系统存在以下几个问题： 1 设计流程管理还仅仅停留在人为管理的基础上，协作不够。在协同设计这种复杂 的网络环境下，已有的系统缺乏有效的计算机辅助管理能力，这影响了设计过程中参与 者相互协同工作的效率，如项目负责人无法获取最新的任务执行状态，设计人员也无法 及时得到各类通知。 2 缺乏设计流程中的全局协作。已有的系统只强调了某一设计任务中多个参与者之 间的协作，忽略了任务之间的协作，造成任务的参与者只关心自己的任务，不知上一步 任务的执行情况，以及下一步任务的计划情况，这样造成某一设计任务频繁的更改。沟 通的迟滞，使出现的问题可能要到整个设计流程结束才能被发现，由此导致设计周期拉 长、成本高、质量低等问题。 3 流程的重构能力不够。设计本身是一个不断发展、不断创新的过程，要在现在这 样一个竞争和变化的外部环境下生存，设计流程本身必须随需应变，不断调整优化，并 能快捷地进行重构。 第二章w b c h a d 系统的体系结构 这些问题归结起来，就是现有的用于钻具组合设计的协同设计系统，缺乏对设计过 程进行优化管理的能力，需要引入过程技术来解决这些问题。近年来快速发展的工作流 技术就是一种过程管理技术，利用工作流技术可以加速设计流程重构，实现有效、有序 的流程管理，达到流程管理高度的灵活性。 2 2 工作流及其相关概念 2 2 1 工作流的定义 不同的研究者和工作流产品供应商从不同的角度给出了工作流的定义。 工作流管理联盟( w o 讧c ) 对工作流定义如下：工作流( w o r k f l o w ) 是一类能够完 全或者部分自动执行的过程，它使一系列过程规则、文档、信息或任务能够在不同的执 行者之间进行传递与执行1 3 8 1 0 g e o r g a k o p o u l o s 给出的工作流定义是：工作流是将一组任务( t a s k ) 组织起来完成某 个经营过程3 9 1 。在工作流中定义了任务的触发顺序和触发条件。每个任务可以由一个或 多个软件完成，也可以由一个或一组人完成，还可以由一个或多个人与软件系统协作完 成。任务的触发顺序和触发条件用来定义并实现任务的触发、任务的同步和信息流( 数 据流) 的传递。 i b ma l m a d e n 研究中心的定义：工作流是经营过程的一种计算机化的表示模型，定 义了完成整个过程所需要的各种参数。这些参数包括对过程中每一个步骤的定义、步骤 问的执行顺序、条件以及数据流的建立、每一步骤由谁负责以及每个活动所需要的应用 程序。 综上所述，工作流可以看作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管理系统 执行的业务模型。 正是由于工作流管理功能在许多重要的应用领域都有着很高的潜在价值，进入9 0 年代以来，随着计算机网络在应用中的日益普及，越来越多的研究机构与软件厂商纷纷 在工作流管理系统的研究与开发方面投入了大量的人力与物力，由此形成几百种各具特 色的工作流产品。从功能上讲，我们可以将这些产品分成两大类：一类是基于工作流的 产品，是在已有的、用以完成某种特定任务的系统巾加上所需的工作流管理功能，使得 原有的系统能够更加方便地支持信息的共享、任务的分配与调度；另外一类面向的则是 通用的工作流管理，其主要目标是给企业或组织机构提供一种具有集成性质的信息基础 设施，使得各种已有的应用系统能够被一致地协调起来，为业务目标的高效实现服务。 根据w f m c 的定义，：f 作流管理系统( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ，w f i v i s ) 是 “一种在工作流形式化表示的驱动下，通过软件的执行而完成工作流定义、管理及执行 的系统”，其主要日标是对业务过程中各步骤( 或称活动、任务) 发生的先后次序及同步 西安石油大学硕士学位论文 各步骤相关的相应人力或信息资源的调用等，进行管理面实现业务过程的自动化。 现有的工作流管理系统主要有以下几种分类方法： 根据所实现的业务过程，工作流管理系统可分为四类；管理型工作流( a d m i n i s t r a t i v e w o r k f l o w ) 、设定型工作流( a dh o cw o r k f l o w ) 、协作型工作流( c o l l a b o r a t i v ew o r k f l o w ) 、 生产型工作流( p r o d u c t i o nw o r k f l o w ) 。 根据底层实现技术，可将工作流产品分为三类：以通讯为中心的工作流系统、以文 档为中心的工作流系统、以过程为中心的工作流系统。 根据采用的任务项传递机制的不同，可以划分为四类：基于文件的工作流系统、基 于消息的工作流系统、基于w e b 的工作流系统、群件与套件系统。 虽然工作流管理系统采用多种实施方式，在不同的实旌方式中，所应用的信息技术、 通讯技术和支撑系统会有很大的差别，但所有工作流管理系统都提供了以下三种功能： 1 建立阶段功能：通过某种分析、建模及系统定义手段，将现实世界的业务过程转 化成某种能够被计算机处理的形式化表示。这种形式化表示，称为过程模型。 2 运行阶段的控制功能：在一定的运行环境下，执行工作流过程，并完成每个过程 中活动的排序和调度功能。主要进行在某个环境中工作流过程的管理及各活动步骤之问 的状态转换。 3 运行阶段的人机交互功能：实现各种活动执行过程中用户与应用工具之间的交 互。主要完成对工作流实例执行过程中各种活动的处理。 图2 3 给出了工作流管理系统三个主要功能之间的关系3 1 。根据这三个功能，工 作流管理系统可以分为三个主要的层次：工作流建模、工作流执行服务、工作流客户应 用。 过程设计与定义 建立阶段 运行阶段 人机交互 图2 - - 3l ：作流管理系统的特性 2 2 2 工作流管理系统的参考模型 为了便于不同性质的工作流产品互连，以便能够实现机构或企业之间的大型工作流 管理，w f m c 发布了工作流系统参考模型( w o r k f l o wr e f e r e n c em o d e l ) t 4 0 1 详细描述了 1 0 第二章w b c h a d 系统的体系结构 工作流系统的有关概念，并在此基础上给出了w f m s 的各主要组成部分、各部分的功能 及相互之间的接口。w f m c 的工作流管理系统参考模型如图2 4 所示。 图2 4w f m c 工作流管理系统参考模型 工作流管理系统参考模型中涉及到以下三类数据： 1 工作流控制数据。工作流执行服务工作流机通过内部的控制数据来辨别每个过 程或活动实例的状态。这些数据由工作流执行服务工作流机进行控制。用户、应用程 序或其他的工作流机执行服务不能对其直接进行读写操作，他们可以通过向工作流机执 行服务工作流机发消息来获得工作流控制数据的内容。 2 工作流相关数据。工作流管理系统通过工作流相关数据来确定过程实例状态转换 条件，并选择下一个将执行的活动，这些数据可以被工作流应用程序访问并修改。因此， 工作流管理软件需要在活动实例之间传递工作流相关数据。 3 工作流应用数据。这种数据是指那些由应用程序操作的数据。他们是针对应用程 序的，是完成具体协作功能需要的数据。工作流管理系统无法也不需要对它们进行访问。 工作流管理系统参考模型中涉及到以下的五类接口： 接口l ：工作流服务与工作流建模工具之间的接口，包括工作流模型的解释和读写； 接口2 ：工作流服务与客户应用程序之间的接口，这是最主要的接口规范，它约定 了所有客户方应用与工作流服务之间的功能操作方式； 接口3 ：工作流机与直接调用的应用程序之间的直接接口； 接口4 ：工作流管理系统时间的互操作接口； 接口5 ：工作流服务与工作流管理工具之问的接口。 工作流管理系统参考模型为协同式钻具组合系统引入工作流，为建立基于工作流的 协同式钻具组合系统提供了理论依据。 西安石油大学硕士学位论文 2 2 3 工作流管理系统的特点 目前借助工作流来设计、管理应用系统的工作流程的方法已得到了普遍应用，基于 工作流技术的系统具有以下优势： 1 对于异构、自治、分布环境下的系统，工作流技术保证了它们在地域上分布异构 的要求，从而了避免系统中的瓶颈问题，因为每一节点的崩溃不会导致整个系统过程的 停止，所以最终的结构对于系统推广具有更大弹性和可伸缩性。 2 流程的灵活定义增加了系统灵活性，同时采用流程的工作方式，增加了协同设计 系统中各工作环节之间的交互和协调，另外也便于实现规范的控制。 3 工作流技术支持系统自动半自动流转提高了系统运作的效率。 4 工作流技术使系统任务分配、任务协调更加合理、充分，达到整体最优化的过程。 5 工作流技术帮助设计者掌握整个业务流程的进展可及时获得待处理的任务信息， 也能协助系统对于已处理任务和后续任务的执行情况进行必要的监控和干预。 6 采用工作流技术可以在设计人员之间更好地均衡负荷，在设计人员缺勤或出错的 情况下，自动地柔性地分配替代人员。 7 工作流技术可以有效地解决“信息孤岛”问题。 8 ，工作流技术可以实现设计流程的调整和重组，满足设计过程的动态变化