（计算机应用技术专业论文）网格语义工作流关键技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的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的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：分j # 日期：圳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鼻导师签名： 日期： i 一 摘要 利用网格技术将异构及地理分布的自动化设施和研究人员聚集起来，成为 一个协同的研究环境，是目前科学研究和商业应用的主要模式。网格工作流可 以方便地构建、执行、管理和监控网格应用，使得网格应用自动实施并且效率 较高，能够很好地支持协同工作和资源共享的需要。网格范围的扩大和资源的 不断增加，给系统提出了智能化服务查找和服务组合的需求，传统的网格工作 流不再适用。本文将语义w e b 技术和工作流技术引入到网格中，提出了“网格 语义工作流”的概念，并给出了通用的网格语义工作流体系结构，对语义服务 的自动标注和语义服务分类、网格工作流本体建模、工作流自动组合和优化调 度进行了研究，主要内容包括： ( 1 ) 网格语义工作流体系结构 建立通用的网格语义工作流体系结构是本文研究的第一步。首先提出了网 格语义工作流体系结构的概念，针对工作流与底层资源关系的疏密程度，提出 了三层工作流抽象层次，分别是抽象工作流、具体工作流和可执行工作流。基 于现有的工作流技术、网格计算、语义w e b 的相关规范和技术基础之上，设计 了一个通用的网格语义工作流体系结构。研究了在本体库的支持下，进行各类 语义资源的管理，包括资源语义标注、语义资源的分类和语义服务的q o s 计算。 ( 2 ) 网格工作流本体建模 本体是实现知识表示的重要方法，是对网格资源进行语义化描述的基础。 本文针对协同应用的特定需要，通过研究工作流元模型，针对网格工作流涉及 的知识领域和相关的概念术语，研究支持对组织、资源和过程进行语义建模的 统一本体框架。基于特征知识建立应用领域的本体知识模型。并以此作为基于 语义的网格应用的基础；研究网格内组织、人员和安全控制等概念术语，建立 网格组织本体模型；研究o w l - s 本体模型，结合实际需要，对其进行扩展， 加上描述服务和资源q o s 的语义本体，建立网格服务本体模型。 ( 3 ) 基于q o s 感知的语义工作流自动生成 工作流的自动生成，是一个非常有挑战性的难题。语义化描述的网格服务， 为智能化的工作流自动生成，提供了基础；网格的分布性、异构性、自治性和 动态变化的特点，对工作流的正确性、安全性、可靠性等都有很大影响。网格 语义工作流自动组合必须同时考虑用户的i o p r 功能需求和o o s 性能约束。利用 语义服务的相关向量及在此之上定义的一组运算来描述服务组合，利用服务组 合匹配度来衡量服务组合满足用户需求的程度，将q o s 感知的网格语义工作流 自动组合问题转化为线性规划问题；对人工鱼群算法进行改进，加入遗传算法 北京工业人学工学博上学位论文 中的交叉算子和变异算子，研究适用于解决语义工作流自动组合问题的改进人 工鱼群算法i a f s s c m ( i m p r o v e da r t i f i c i a l f i s h - s c h 0 0 1 b a s e ds e r v i c ec o m p o s i t i o n m e t h o d ) ；用p e t r i 网来形式化描述服务组合方案，并研究支持控制结构的工作 流q o s 估算方法。与其他的a i 算法比较，改进人工鱼群算法能够很快地找到 满足服务组合匹配度的多个组合方案；利用p e t r i 网来计算工作流q o s ，能够体 现数据交换中隐含的控制结构。仿真实验证明，算法能够很好地支持q o s 感知 的网格语义工作流的自动生成，并能保证所生成的工作流的适应性和可靠性。 ( 4 ) 网格工作流调度 在网格应用中，时间费用优化问题是用户最为关心的问题。采用相对效费 比来描述调整服务对工作流完工期和总费用的影响，并以此为基础给出给定截 至期的工作流的时间费用优化算法r t c r 算法；对于复杂结构的工作流，分 析工作流的结构，考虑对工作流进行任务分段以降低问题复杂度，得到分段调 度算法s l 。s l 算法将全局优化问题转化为几个局部问题，对于段内采用r t c r 算法进行优化。通过理论分析和仿真试验，该算法可以得到较好的优化性能。 ( 5 ) 结构工程语义网格工作流管理系统原型 在以上研究的基础上，建立了一个应用于结构工程实验领域的语义网格工 作流管理系统原型，完成了一个模拟结构工程试验从定义、验证到运行的过程。 关键词网格；语义工作流；本体；工作流自动生成；时间费用优化 a b s t r a c t i t st h eo r i e n t a t i o no fs c i e n c er e s e a r c ha n db u s i n e s st oc o n g r e g a t eg e o g r a p h i c a l l yd i s t r i b u t e d a n dh e t e r o g e n o u sf a c i l i t i e sa n dr e s e a r c h e r sa sav i r t u a le n v i r o n m e n tb yu s i n gg r i dt e c h n o l o g y c o o r d i n a t i o na n dr e s o u r c es h a r i n ga l et h em a i np u r p o s e so fb u i l d i n g 酣ds y s t e m s ，w h i c hc a nb e p a r t l yr e a l i z e d 、析t hg r i dw o r l d l o w aw o r k f l o wi sas e r i e so fa s s o c i a t e dt a s k sl i n k e dt o g e t h e r , w h i c hc a r lb ee a s i l yc o n s t r u c t e d ，m a n a g e d ，m o n i t o r e d ，a n dc a ne x e c u t ea u t o m a t i c a l l ya n d e f f i c i e n t l yi nc a s es u b m i t t e d e x p a n d i n gs c a l ea n di n c r e a s i n gr e s o u r c e si n d u c ei n t e l l i g e n t r e s o u r c ei n q u i r ya n ds e r v i c ec o m p o s i t i o na se s s e n t i a lr e q u i r e m e n t s ，w h i c ha r eo u to ft h ea b i l i t y o ft h ec o n v e n t i o n a l 鲥dw o r k f l o w t h et h e s i si n d u c t ss e m a n t i cw e ba n dw o r k f l o wt e c h n o l o g i e s i n t 0 g r i d ，g i v e so u tt h ec o m m o nc o n c e p to f 班ds e m a n t i cw o r k f l o w , c o n s t i t u t e s t h e o n t o l o g y - b a s e dw o r k f l o wa r c h i t e c t u r e ，a n ds t u d i e sa n n o t a t i o no fs e m a n t i cs e r v i c e s ，c l a s s i f i c a t i o n o fs e m a n t i cs e r v i c e s ，c o n s t r u c t i o no f g r i dw o r k f l o wo n t o l o g ym o d e l ，a u t o m a t i cw o r k f l o w c o m p o s i t i o n ，a n dt i m e - c o s to p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n g t h ed e t a i li sa sf o l l o w s ： g r i ds e m a n t i cw o r k f l o wa r c h i t e c t u r e b 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 fs e m a n t i c 面d a p p l i c a t i o n s ，t h ec o n c e p t “g r i ds e m a n t i cw o r k f l o w a n dac o m m o na r c h i t e c t u r e a r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n 诵也l o w e rr e s o u r c e s g r i ds e m a n t i cw o r k f l o wc a nb ef i a c t i o n i z e da s a b s t r a c tw o r k _ f l o w , c o n c r e t ew o r k _ f l o wa n de x e c u t a b l ew o r k f l o w b a s e do ne x s i t i n gt e c h n o l o g i e s a n ds p e c i f i c a t i o n so fw o r k f l o w , g r i d ，s e m a n t i cw e be t c ，t h ea r c h i t e c t u r ei sc o n s t i t u t e da saf i v e l a y e r ss t r u c t u r ec o m p o s i n go fu s e rl a y e r , s e m a n t i cw o r k f l o we n g i n el a y e r , s e m a n t i cl a y e r , w e b s e r v i c el a y e ra n dp h y s i c a lr e s o u r c el a y e r n et h e s i sl a ye m p h a s i so ng r i ds e m a n t i cl e s o u r c 宅 m a n a g e m e n t ，i n c l u d i n gt h ea n n o t a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o nm e c h a n i c so f s e m a n t i cs e r v i c e s ，a n dt h e w e i g h i n go f0 0 sp a r a m e t e r sf o rs e m a n t i cs e r v i c e s g r i dw o r k f l o wo n t o l o g ym o d e l o n t o l o g yi sa ni m p o r t a n te x p r e s s i o no fd o m a i nk n o w l e d g e ， a n di st h eb a s et o s e m a n t i c a l l yd e s c r i b er e s o u r c e s a i m i n g t ot h es p e c i a ld e m a n d so f c o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o no fg r i da p p l i c a t i o n , t h eo n t o l o g yf r a m e w o r ki sp r e s e n t e d ，w h i c h c o m p o s e so fd o m a i no n t o l o g y , o r g a n i z a t i o no n t o l o g ya n ds e r v i c eo n t o l o g y , a n do w l i su s e dt o d e f i n eo n t o l o g yc o n c e p t s a u t o m a t i cc r e a t i o no fq o s - a w a r e d g r i d s e m a n t i cw o r k f l o w u n d e rd y n a m i cg n d e n v i r o n m e n t , m a n yu n c e r t a i nf a c t o r sa f f e c tt h ec o r r e c t n e s s ，s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i 哆o fg r i d w o r k f l o ws t r o n g l y as e r v i c ec o m p o s i t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hc o n s i d e r su s e r si o p r r e q u i r e m e n t sa n dq o sc o n s t r a i n t sj o i n t l y c o r r e l a t i o nv e c t o ro fs e m a n t i cs e r v i c e sa n das e to f o p e r a t i o n sa b o v ei ta r eu s e dt or e p r e s e n ts e r v i c ec o m p o s i t i o n , a n ds e r v i c ec o m p o s i t i o ni s t r a n s f e r r e da sl i n e a r p r o g r a m m i n gp r o b l e m a na l g o r i t h m c a l l e d i a f s s c m ( i m p r o v e d a r t i f i c i a l - f i s h - s c h o o l - b a s e ds e r v i c ec o m p o s i t i o nm e t h o d ) i sp r e s e n t e dt os o l v es e r v i c e c o m p o s i t i o n aq o sw e i g h i n ga l g o r i t h mi s i n t r o d u c e dt oe v a l u a t eu s e r sq o s r e q u i r e m e n t s w h i c hu s e s p e t r in e ta sf o r m a l i z a t i o nt 0 0 1 s i m u l a t i o nr e s u l t d e m o n s t r a t e st h em e t h o d sa f f e c t i v i t y s e m a n t i cw o r k f l o ws c h e d u l i n g a i m i n ga tt h es e m a n t i cw o r k f l o ws c h e d u l i n gw i t ht h e o b j e c t i v eo ft i m e - c o s to p t i m i z a t i o n ，w o r k f l o wi sd i v i d e di n t os e g m e n t sa c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r e , m 一 北京t 业大学t 学博士学位论文 a n dt h ed e a d l i n ei sp a r t i t i o n e dt od i f f e r e n ts e g m e n t s f o rt a s k si ne a c hs e g m e n t , t h e i rt a s k sa r e s c h e d u l e dw i t hr e l a t i v et i m e - c o s tr a t e a l g o r i t h m s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t ss h o wi t s p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tc o m p a r e dw i t ho t h e ra im e t h o d g r i dw o r k f l o w p r o t o t y p e a n de x p e r i m e n t s t h ep r o t o t y p ed e v e l o p m e n ti sf o l l o w e dt h e a r c h i t e c t u r ea n dr e s e a r c hw o r ki n t r o d u c e da b o v e as i m p l es i m u l a t e ds 仃1 l c t i l m le n g i n e e r i n g e x p e r i m e n ti sd e m o n s t r a t e d k e y w o r d sg r i d ：s e m a n t i cw o r k f l o w ；o n t o l o g y ；a u t o m a t i cw o r k f l o wc r e a t i o n ；t i m e c o s t o p t i m i z a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 网格1 1 2 研究背景2 1 2 1 网格应用对语义工作流技术的需要2 1 2 2 工作流技术3 1 2 3 语义网格环境需要对工作流重新研究5 1 2 4 研究网格语义工作流的意义5 1 3 相关技术6 1 3 1s e r v i c e s 和s e r v i c e - o r i e n t e da r c h i t e c t u r e 6 1 3 2 网格服务9 1 3 3 本体论与语义w e b ? 1 0 1 3 4 语义网格1 1 1 4 国内外研究现状1 3 1 4 1 网格工作流管理系统结构1 3 1 4 2 工作流建模1 5 1 4 3 工作流自动构建1 9 1 4 4 任务调度2 0 1 5 主要研究内容与创新点2 2 1 6 本文的章节组织2 3 第2 章网格语义工作流体系结构和语义资源管理2 5 2 1 语义工作流定义2 5 2 2 网格语义工作流体系结构2 8 2 3 网格语义资源的管理3 2 2 3 1 网格服务的语义自动标注3 2 2 3 2 网格服务的语义信息扩展3 7 2 3 3 语义服务的q o s 计算4 0 2 4 本章小结4 2 第3 章网格工作流本体模型构建4 3 3 1 相关工作4 3 3 2 本体建模技术4 4 3 2 1 本体形式化定义4 4 3 2 2 本体语言的选择：4 5 3 2 3 本体构造方法4 6 3 2 4 建模流程4 7 3 3 网格工作流本体模型架构4 9 3 4 网格工作流本体构建5 0 3 4 1 领域本体的构建5 0 3 4 2 组织本体的构建5 4 3 4 3 网格服务本体的构建5 6 3 5 本章小结5 8 第4 章o o s 感知的网格语义工作流自动生成5 9 4 1 相关工作5 9 4 2 服务组合问题建模6 1 4 3 基于p e t r i 网的语义工作流过程建模6 4 4 3 1p e t r i 网模型概述6 4 4 3 2 构造语义w e b 服务组合数据流的p e t r i 网6 5 4 3 3 服务质量估算6 8 4 4 基于改进人工鱼群算法的工作流自动生成6 9 4 4 1 人工鱼群算法概述6 9 4 4 2 基于改进人工鱼群算法的工作流自动生成7 0 4 4 3 仿真实验和相关对比分析7 2 4 5 本章小结7 5 第5 章语义工作流调度7 7 5 1 相关工作7 7 5 2 问题描述7 8 5 3 相对效费比算法r t c r 7 9 5 3 1 相关定义与性质7 9 5 3 2r t c r 算法描述8 4 5 3 3 实例说明8 6 5 3 4 实验结果与分析8 9 5 4 分段算法s l 9 2 5 4 1 相关定义与性质9 2 5 4 2s l 算法描述9 4 5 5 仿真实验与结果评估9 5 目录 5 6 本章小结9 7 第6 章结构工程网格语义工作流管理系统原型9 9 6 1 原型系统总体设计。：9 9 6 1 1 总体结构9 9 6 1 2 数据库设计1 0 1 6 2 历史应用的w e b 服务封装1 0 3 6 2 1 数采代理接口的设计1 0 3 6 2 2 数采代理的实现1 0 4 6 3 语义工作流原型系统在网格环境下的部署1 0 5 6 3 1 服务在结构工程网格下的部署1 0 5 6 3 2 语义服务的封装与发布1 0 6 6 4 结构工程网格语义工作流管理系统原型运行实例1 0 7 6 4 1 语义工作流原型系统1 0 7 6 4 2 工作流建模1 0 8 6 4 3 语法和语义验证1 1 0 6 4 4 工作流调度与执行1 1 2 6 5 本章小结1 1 3 结论1 1 4 主要研究成果1 1 4 下一步工作1 1 5 参考文献1 1 7 攻读博士学位期间取得的研究成果1 2 5 致谢1 2 6 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 现代科学研究的计算需求触发并促进了网格技术的出现和发展，网格范围的 扩大和资源的不断增加，使得人们进一步考虑用语义技术来提高网格资源的智能 化搜索、提高网格柔性和应用的易用性。本论文的研究目的在于利用工作流技术 实现应用的语义资源连接，构建以语义资源为基础的智能化协同工作模型，实现 i n t e m e t 上各种资源的有效聚合和广泛共享，建设以网格为基础的科学活动或商 业运营环境。 本章首先介绍网格的概念、融合了语义技术的网格应用特点及其对工作流技 术的需求，指出研究网格语义工作流的必要性和采用的有关技术，为本文后续的 网格语义工作流理论、模型和关键技术的研究作铺垫。 1 1 网格 随着信息技术、传感器技术和网络技术的发展，互联网上形成了大量以计算 机系统为主导的计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源和仪器设 备资源【1 1 。将这些设施通过网络连在一起以实现各种仪器设施、软件系统和数据 的共享，而且能够灵活构建虚拟研究社区，是2 l 世纪科学研究模式的基本要求。 这样基于互联网之上的一种新型分布式计算模式网格计算( g r i dt e c h n o l o g y ) 【l 捌也就随之产生了。 网格概念在上世纪9 0 年代中期刚提出时，人们期望像使用电力一样，只要 通过简单的接入，就可以获取自己所需要的资源，而不必关心资源的来源、实现 细节和调度过程。网格计算技术的创始人i a nf o s t e r 认为：网格是一种包含硬件 和软件的基础设施，为用户在个人、团体和资源组成的动态可变环境中提供柔性、 安全和协调一致的资源共享能力【2 a 2 。由于遵循了统一的技术标准和规范，采用 通用的平台和实现技术，网格可以很好地保证在分布、异构、自治的网络资源环 境上动态构建虚拟组织并实现跨自治域的资源共享与协同工作。 网格实现了互联网各种资源的有效聚合和广泛共享，为高能物理、大气、天 文、生物信息和石油地质等领域的科学研究活动提供服务。网格的商业化应用也 流行起来，比如银行、保险业需要通过对大量的数据进行分析处理来提高其价值， 利用网格，投资银行对市场的风险分析和期货价格的预测分析、保险公司对险种 赔率等的精算分析对计算速度的需求可以得到满足；在制造企业，复杂的设计工 作，如飞机的设计，需要企业内诸多部门的分工协作，网格将分布式资源，如软 北京工业大学- t 学博十学位论文 件、硬件、网络和人类资源整合在一起，实现资源的共享；另一个方面就是支持 企业内的协作，提供一个企业内的设计平台，还要实现对设计过程的共享。 网格资源的相关信息是面向用户的，即根据用户输入的关键字来检索、查找 资源，由人来理解和阅读。随着网格的范围不断扩大，加入网格的各种资源和设 施越来越多，这种传统的网格资源信息管理方法和基于关键字匹配的资源检索方 法，正在显现出越来越多的弊端。缺乏机器可理解的语义信息决定了现有的网格 系统不可能为人们提供智能化的资源查找，导致不能保证有效的资源共享和智能 服务，也影响了协同工作的质量。 针对现有网格系统缺乏语义理解的缺陷，英国的e - s c i e n c e 项目首先于2 0 0 2 年提出将语义w e b 为代表的语义技术和以网格计算为代表的体系架构技术结合 起来【l0 2 | ，目标就是通过利用知识工程、人工智能等相关领域取得的研究成果， 扩展传统的网格基础设施，通过语义表达和知识表示等方式描述网格环境内的各 类资源，实现网格内各种异构资源的统一、规范和有效地管理，从而在更高的层 次上满足网格环境内的资源共享和协同工作等要求，构建更具智能化的分布式协 同工作环境。 1 2 研究背景 资源的汇聚和共享是网格最重要的特征，共享与协作是网格的基本理念。在 融合了语义技术的网格系统中，封装为服务的资源都要进行语义化描述。把网格 上的语义资源按照一定的规则和次序串接起来，构成网格上的语义复杂应用。为 了使这些复杂应用能够在无须用户干预的情况下实现半自动化或自动化的执行， 达到业务的预定目标，必须提供相应的技术来管理这些应用，实现虚拟组织内的 动态变化资源的共享和协同工作。 1 2 1 网格应用对语义工作流技术的需要 目前网格应用已经广泛扩展到商业、服务业和其他社会经济生活中。现在网 格应用模式主要有：大规模分布式计算：用高速网络将地理上分布的超级计算 机连接起来，在统一的中间件支持下，成为更强大的计算平台。分布式仪器系 统：将地理上分布的贵重仪器系统用网格连接在一起，目的是支持仪器设备的远 程访问，以方便用户、提高仪器的利用率。数据密集型计算：主要利用网格中 的高速网络来传输数据、利用大规模存储设备来存储数据、利用高性能计算机来 处理数据。远程沉浸：对于大规模存储设备上的大容量数据、数据计算结果或 者虚构的空间，构建一种虚拟的现实环境。信息集成：将分布的应用和数据进 2 行无缝融合，通过统一的信息交换架构和中间件向用户提供需要的服务，从而创 建新的商业机会。 这些典型的网格应用具有以下特点：应用规模都比较大，需要花费大量的 人力、物力和时间，有大量的计算资源和其它资源的参与。这些资源具有多样性、 分布性、动态性、自治性和管理多重性等特征，应用往往需要多个组织或个人协 同完成。应用过程比较复杂，往往包含多个相互关联的任务，模式的任务之间 往往有很强的协同、互操作要求，有时需要传输大量数据。任务的过程包含很多 时间、空间、资源、质量或其他方面的约束条件。资源的调度与控制方式复杂， 要求能够尽量避免用户的人工干预，能够半自动或自动地完成，具有较高的执行 效率。随着网格范围的不断扩大、参与网格资源的不断增加，基于语义服务的 网格计算将是未来趋势。它要求以服务技术统一、规范和有效地封装各种异构的 网格资源，以本体概念对资源进行语义化描述，以支持智能化的资源检索和服务 查找。 为了满足网格应用的需求，很多研究者通过对传统工作流技术进行改进，以 支持异构、动态的网格环境。在融合了语义技术的网格系统中，复杂应用的建模、 过程仿真分析、过程优化、过程管理与集成都必须基于语义本体和语义资源。必 须基于网格环境中丰富的、异构的和分布的语义资源，进一步对网格工作流技术 进行改进，创建一种不同的协同管理机制，实现在多个虚拟组织之间的语义资源 共享和协同工作。其中有大量的基本问题需要解决，比如网格语义工作流的体系 结构问题、语义资源管理问题、工作流监控管理、建模与验证、模拟分析、自动 生成、执行调度、互操作、适应性、容错机制以及安全访问控制等问题都需要重 新研究和考虑。如何圆满解决这些问题不仅是构建一个有效的网格语义工作流系 统的关键，而且对工作流技术本身的研究也具有较强的借鉴意义。 1 2 2 工作流技术 工作流( w o r k f l o w ) 1 3 , 1 4 】是指工作过程的计算机化或者自动化。工作流的思 想起源于生产组织和办公自动化领域，是针对日常工作中具有结构化或非结构化 流程的活动而提出的。目的是通过将工作分解为定义良好的任务、角色等，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。工作流必须在一个称 为工作流管理系统( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ，w 肌s ) 的计算机软件系统中实 例化、激活并执行，工作流管理系统负责推进工作流实例按照预先定义好的工作 流逻辑在计算机中执行，此外它还提供定义、管理与监控工作流的工具。工作流 概念的提出和工作流管理系统的开发与应用，有利于企业充分利用组织资源，有 效提高办事效率，降低生产成本，提高生产经营管理水平和企业竞争力。 3 北京工业人学工学博j ：学位论文 近十多年来，不同的研究者从体系结构、资源管理、工作流模型与定义语言、 形式化、正确性验证、事务、安全、适应性、开发过程等各方面对工作流技术作 了大量研究，各种拥有工作流特征或者支持工作流管理的软件层出不穷，工作流 技术已经被广泛应用于制造、商业及服务业等经济生活的各个领域。 为了规范工作流管理系统的开发并支持不同系统之间的互操作，1 9 9 4 年工作 流管理联盟( w o r k f l o wm a n a g e m e n tc o a l i f i o n ，w f l v l c ) 发布了工作流管理系统的 参考模型【1 5 】和其他的一系列工业标准，该参考模型详细描述了工作流产品体系结 构的主要部件及相互之间的接口，为工作流产品在不同层次上的互操作奠定了良 好基础，目前w 伽c 工作流参考模型已被绝大多数研究者和软件厂商所遵循。 工作流参考模型如图1 1 所示。 漉程定义接口 口薹嚣r 工作流斯骼 匡户l 面 客户端应用接口il 自动应用程序接口 工作漉 客户亏i 擎 工作流引擎 直接诚用的鹰用 图1 1w f l v i c 工作流参考模型 f i g u r e1 - 1w f m cr e f e 啪c ew o r k f l o wm o d e l 工作流参考模型的基本模块包括：工作流执行服务、工作流引擎、工作流建 模工具、工作流管理工具、工作流客户应用、工作流外部调用。工作流执行服务 是工作流管理系统的核心，它提供了一个工作流实例化和激活的运行环境，通常 由一个或多个工作流引擎组成，用来创建、管理和执行工作流实例。工作流执行 服务与工作流建模工具、管理工具、客户应用、被调用应用、其它工作流管理系 统的交互构成了w f m c 参考模型的五个接口： ( 1 ) 工作流建模工具为用户提供定义工作流的界面和相应功能模块，流程定义 接口( 接口1 ) 用于在工作流建模工具与执行服务之间传递工作流定义。 ( 2 ) 客户应用是指用户向工作流管理系统分配任务。通过客户端应用接口( 接 口2 ) ，用户可以访问工作流引擎和工作流工作列表。 ( 3 ) 自动应用程序接口( 接口3 ) 支持工作流引擎对其他应用程序的调用。 ( 4 ) 工作流管理系统互操作接口( 接口4 ) 用于实现不同工作流执行服务之间 4 第1 章绪论 的互操作支持和互操作模型的定义。 ( 5 ) 工作流管理工具负责监控和管理工作流的执行。管理监控接口( 接口5 ) 为工作流执行服务和工作流管理工具的交互提供标准。 1 2 3 语义网格环境需要对工作流重新研究 围绕着工作流的过程建模、组织建模、资源建模、执行调度、监控管理、模 拟分析、互操作、柔性适应性，很多研究者都进行了深入的研究，取得了丰硕的 研究成果。语义化描述的服务资源是网格语义工作流构建的基础，由此带来的智 能化信息检索和服务查找，对工作流技术的各个方面都有很大影响。传统的工作 流技术或网格工作流不能很好地工作，甚至根本不适用。需要重新考虑、研究的 主要问题包括： ( 1 ) 基于语义资源的网格工作流系统结构。 目前的网格工作流体系结构，主要基于w e b 技术和标准。资源的语义化描述， 是实现语义工作流的基础。这也决定了其工作流体系架构设计和资源管理都会与 传统工作流不相同，与网格工作流也有一定差异，必须结合语义技术和网格环境， 从资源管理和工作流管理两个角度进行考虑。 ( 2 ) 网格工作流的本体模型。 网格工作流概念术语的本体构建，是实现对网格资源的语义化封装、资源智 能化检索的前提。以往工作流的建模，其资源、过程的建模都往往是分离的，采 用不同的语言。必须考虑用统一的本体架构实现对资源、工作流的描述，对网格 工作流概念术语进行研究，构建其本体模型。 ( 3 ) 工作流的自动生成。 工作流的自动生成，能够给用户提供多个可选的工作流方案。目前大多数的 工作流自动构建的方案，主要是基于服务输入输出参数类型进行的，往往只能保 证单输入单输出服务之间的组合，服务的查找和匹配都是对基于关键字实现的； 工作流的服务质量要求考虑通常很简单，在工作流q o s 质量计算方面，侧重考虑 任务之间数据交换，对数据交换中隐含的工作流的控制结构对q o s 质量的影响较 少考虑。服务资源的语义化描述，为资源的智能化查找和工作流的自动生成提供 了基础。有必要将语义资源的i o p r 匹配和服务质量q o s 约束结合起来，研究 q o s 感知的语义工作流的自动构建。 ( 4 ) 网格工作流调度。 时间费用问题是网格应用调度中最关心的最重要问题，目前的调度算法通常 不考虑工作流模型结构对最终调度结果的影响。必须研究工作流任务节点服务池 和工作流结构对整体调度效果的影响，研究合适的工作流调度策略。 5 北京t 业大学工学博士学位论文 1 2 4 研究网格语义工作流的意义 研究网格语义工作流的意义体现在以下几个方面： ( 1 ) 工作流管理系统是网格的核心中间件，是保证网格应用能够实现分布式协 同的必要组成部分。复杂的网格应用往往需要由分布、异构的多个资源共同完成， 各资源分担各自的任务，任务间传递着数据流与控制流，如果用户只能采用手工 交互的方式、一步一步地执行，不但效率低下，而且导致某些任务之间具有密切 关联的应用无法完成。工作流技术为网格平台提供了良好的运行和管理机制，保 证工作流内部各任务之间数据流与控制流的顺畅传递及各任务的有序执行。 ( 2 ) 将网格技术、语义技术与传统工作流相结合，对于跨组织的动态过程集成 具有重要意义。松散耦合、可复用的面向网格服务技术，为网格环境下跨操作系 统、硬件平台和编程语言的应用互联提供了支持；语义技术将网格中的所有资源 封装成语义形式，为资源的智能发现、业务流程的合并提供了可能；把工作流管 理技术应用于跨组织动态过程集成，实现业务过程重组、过程管理与过程自动化 是一个自然的选择。网格语义工作流管理系统能够自动发现和组合出需要的业务 流程，根据获得的语义服务接口，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 跨组织间应用集成的功能。 ( 3 ) 工作流系统的适应性是工作流技术研究的热点，本文在资源管理、语义工 作流自动生成和工作流调度几方面研究了提高工作流系统适应动态、异构、分布 式网格环境的方法，基于语义的资源发现、基于相关向量运算的服务组合、基于 分段和相对效费比的调度方法，为工作流技术在适应性研究方面提供了新思路。 ( 4 ) 网格语义工作流系统研究目前还比较少见，其研究和实施的成果具有广泛 的推广应用价值，宜于推广到其它应用领域科学研究、电子商务等领域。 1 3 相关技术 1 3 1s e r v i c e s 和s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e “s e r v i c e s ”的概念来源于公共经济领域，它代表了某种面向用户的功能集 合。w 3 c 将服务定义为：“服务提供者完成一组工作，为服务使用者交付所需的 最终结果。最终结果通常会使使用者的状态发生变化，但也可能使提供者的状态 改变，或者双方都产生变化 。服务用“服务描述 对自身的功能，服务的接口 ( 即如何使用服务) ，以及其它的诸如收费、时效等基本信息进行介绍，用户也 6 第1 章绪论 是通过“服务描述 了解并使用服务功能，服务的编程语言、实现方式、发布方 式、发布平台等对用户都是透明的。 服务作为一种开放的业务提供方式，得到了工业界和学术界的广泛认可。随 着网络技术的发展和用户对业务需求的增加，越来越多的业务提供商把服务以服 务的方式提供给客户使用。服务有以下几个显著的特点： ( 1 ) 良好的封装性。对于消费者而言，用户仅能看到该服务提供的功能列表。 ( 2 ) 标准协议性。服务使用标准的开放协议描述、发布查询服务基本信息并进 行服务间通信。服务功能的描述使用w s d l 语言；服务间通信采用s o a p 协议， s o a p 消息通过x m l 串行化方法进行处理并依靠h r r p 协议传递；服务的发布 查询采用u d d i 协议。 ( 3 ) 松散藕合性。服务具有良好的平台无关性和语言无关性，对于调用者来说， 只要服务接口不变，服务变化对使用者没有影响。 ( 4 )