（计算机应用技术专业论文）基于agent的网格工作流技术研究.pdf

申请上海交通大学博士学位论文 摘要 随着网格研究的深入和网格基础设施的发展，在网格上开发了越来越多的功能强 大、需要大量资源的科学计算和协同应用，很多网格应用也越来越复杂，具有时间、 空间和资源等多种约束。网格工作流可以方便地构建、执行、管理和监控网格应用， 使得网格应用能够自动实施并且效率较高。由于网格的动态性、分布性、异构性和 自治性导致传统工作流的一些方法和技术不能有效地处理网格环境中的有关问题。 基于“上海信息网格”这一应用背景，本文结合a g e n t 技术对网格工作流的体系结 构、模型构建、优化处理和映射机制进行了研究，主要内容如下： 1 网格工作流的体系结构。给出了四层架构：用户层、引擎层、a g e n t 层和应用代 理层，其中包含了分布式工作流执行系统、组件化建模环境、工作流控制台、多 a g e n t 系统支撑平台和外部应用代理中间件等功能组件。在传统工作流体系结构 中融入了多a g e n t 系统支撑平台，整个系统框架符合w f m c ( 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 ) 和g c c 规范，具有开放性和可扩展性。重点讨论了外部 应用代理中间件和多a g e n t 系统支撑平台，前者便于系统对各种异构的外部应用 的调用，而后者则为系统运行提供了强健支持。还简单介绍了现有系统对容错问 题的考虑。 2 网格工作流的模型构建。基于系统中的多a g e n t 支撑平台，采用人工智能的规划 技术( p l a n n i n gt e c h n o l o g y ) ，提出了p l a n 生成算法和p l a n 合并算法，帮助解决 了复杂工作流模型的自动构建问题。通过对示例“国内会议的在线会务安排”的 分析，进一步说明了基于规划技术的网格工作流模型自动构建方法的可行性和优 越性。 3 网格工作流的优化处理。基于系统中的多a g e n t 支撑平台，采用遗传算法，解决 了网格工作流中的服务选择问题，从而实现网格工作流的优化。给出了遗传算法 模块的详细说明，并针对示例“旅行安排”的优化要求进行了仿真分析，实验结 果表明了采用遗传算法可以快速有效地得到全局近似最优解，同时也证明了遗传 算法在服务选择领域中的可用性和有效性。本文讨论的是基于代价驱动的w e b 服务选择，实际上只需对其进行简单地扩展就可以实现多目标驱动的网格工作流 优化。 4 网格工作流的映射机制。网格环境的动态本质决定了用户更适于采用抽象模型来 定义工作流应用。基于系统中的多a g e n t 支撑平台，给出了抽象工作流、具体工 作流和可执行工作流的定义，并说明了这样定义的合理性，三种类型的采用可以 申请上海交通大学博士学位论文 将建模者从复杂的系统实现细节中解放出来，而且还将提高领域相关模型的重用 率并增强系统的容错性能。基于系统中各a g e n t 的b d i ( b e l i e f - d e s i r e i n t e n t i o n ) 定义，并使用合同网协议( c o n t r a c t n e tp r o t o c o l ，c n p ) 来实现a g e n t 间的协商， 提出了a w 2 c w 映射算法和c w 2 e w 映射算法，有效地完成了抽象工作流到具 体工作流以及具体工作流到可执行工作流的映射。通过对示例“国际会议的在线 会务安排 的分析，进一步说明了采用基于c n p 协商的方法来实现网格工作流 映射的可行性和有效性。 5 网格工作流原型系统和相关应用。结合上述研究的内容和方法，针对“上海信息 网格工作流系统”的设计要求，开发了原型系统。鉴于完整性考虑，还介绍了系 统中已完成或正在进行中的其它研究内容，如e c a ( e v e m c o n d i t i o n a c t i o n ) 规 则应用于网格工作流，以及基于j i n i 技术的分布式工作流执行系统等。最后借助 一个医学图像处理流程的示例，对实现系统中的建模工具、简单工作流控制台和 引擎服务等进行了联合说明。 关键字：网格工作流，a g e n t ，规划技术，遗传算法，合同网协议，工作流映射 申请上海交通大学博士学位论文 r e s e a r c ho na g e n t b a s e dg r i dw o r k f l o wt e c h n o l o g y a b s t r a c t m o r ea n dm o r ep o w e r f u lc o m p u t i n ga n dc o l l a b o r a t i v eg r i da p p l i c a t i o n s t h a tr e q u i r et r e m e n d o u sr e s o u r c e sa r ec o n s t r u c t e da st h eg r i dr e s e a r c h e sa n d g r i di n f r a s t r u c t u r eg r e a t l ya d v a n c e m a n ya p p l i c a t i o n sa r em o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d ，a n dt h e ya r ec o n s t r a i n e db yt e m p o r a l ，s p a t i a la n dr e s o u r c e r e l a t i o n s h i p g r i dw o r k f l o wc a nc o n v e n i e n t l yc o n s t r u c t ，e x e c u t e ，m a n a g ea n d m o n i t o r g r i da p p l i c a t i o n s ，a n d a u t o m a t eg r i d a p p l i c a t i o n s w i t h g r e a t e f f i c i e n c y d u et ot h ed y n a m i s m , d i s t r i b u t i o n ，h e t e r o g e n e i t ya n da u t o n o m yo f g r i da p p l i c a t i o n s ，c o n v e n t i o n a lw o r k f l o wt e c h n , o l o g yc a f f te f f e c t i v e l ys o l v e t h er e l a t i v ep r o b l e m so fg r i de n v i r o n m e n t t h et h e s i si sb a s e do nt h e a p p l i c a t i o np r o j e c t ：“s h a n g h a i g r i d ”i n t e g r a t e dw i t ha g e n tt e c h n o l o g y , t h e t h e s i s m a i n l y s t u d i e s g r i d w o r k f l o wa r c h i t e c t u r e ，m o d e l c o n s t r u c t i o n ， w o r k f l o wo p t i m i z a t i o na n dm a p p i n gm e c h a n i s m t h ed e t a i li sa sf o l l o w i n g ： 1 g r i dw o r k f l o wa r c h i t e c t u r e t h ef o u r - l a y e ra r c h i t e c t u r ec o n t a i n s u s e r l a y e r , e n g i n el a y e r , a g e n tl a y e ra n da p p l i c a t i o nb r o k e rl a y e r b a s e do nt h e a r c h i t e c t u r e ，t h es y s t e mi sc o m p o s e do fs o m ef u n c t i o n a lc o m p o n e n t s ， s u c ha st h ed i s t r i b u t e dw o r k f l o we n a c t m e n ts y s t e m , t h ec o m p o n e n t b a s e d m o d e l i n ge n v i r o n m e n t ，t h ew o r k f l o wc o n s o l e ，t h em u l t i a g e n ts u p p o r t i n g p l a t f o r m a n dt h em i d d l e w a r eo fe x t e r n a la p p l i c a t i o nb r o k e r s t h e i v 申请上海交通大学博士学位论文 a r c h i t e c t u r ec o m p l y i n gw i t ht h es t a n d a r do fw f m ca n dg c ci so p e na n d e x t e n s i b l e i nt h et h e s i s ，w el a ye m p h a s i so nt h em i d d l e w a r eo fe x t e r n a l a p p l i c a t i o nb r o k e r sa n dt h em u l t i a g e n ts u p p o r t i n gp l a t f o r m t h ef o r m e r c o m p o n e n ti s u s e db yt h es y s t e mt oi n v o k e h e t e r o g e n e o u se x t e r n a l a p p l i c a t i o n st r a n s p a r e n t l y t h el a t e rc o m p o n e n tp r o v i d e sr o b u s ts u p p o r t s f o rt h es y s t e mt ow o r kp r o p e r l y w ea l s os i m p l yp r e s e mc o n s i d e r a t i o n s a b o u tf a u l tt o l e r a n c ei nt h es y s t e m 2 g r i dw o r k f l o wm o d e lc o n s t r u c t i o n b a s e do nt h em u l t i - a g e n ts u p p o r t i n g p l a t f o r m a n da i p l a n n i n gt e c h n o l o g y , w ep r o p o s ep l a ng e n e r a t i n g a l g o r i t h ma n dp l a nm e r g i n ga l g o r i t h mt os o l v et h ea m o m m i cc o n s t r u c t i o n p r o b l e mf o rc o m p l i c a t e dw o r k f l o wm o d e l s b yg i v i n gad e m o n s t r a t i o n “o n l i n ec o n f e r e n c ea r r a n g e m e n tf o rt h ed o m e s t i cc o n f e r e n c e s ”，w es h o w f u r t h e rt h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h ea u t o m a t i cc o n s t r u c t i o no f w o r k f l o wm o d e lb a s e do na ip l a n n i n gt e c h n o l o g y 3 o p t i m i z a t i o no fg r i dw o r k f l o w b a s e do nt h em u l t i a g e n ts u p p o r t i n g p l a t f o r m , w ea d o p tg e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) t os o l v et h es e r v i c es e l e c t i o n p r o b l e mo fg r i dw o r k f l o w , t h e r e b yr e a l i z i n gg r i dw o r k f l o wo p t i m i z a t i o n w ep r e s e n to u rg am o d u l ei nd e t a i l ，a n da n a l y z et h es i m u l a t i o np r o c e s s b yg i v i n gad e m o n s t r a t i o n “t r a v e la r r a n g e m e n tc o m p o s i t es e r v i c e ”t h e f i n a l r e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h eg l o b a lo p t i m i z a t i o ns o l u t i o nc a nb e g o t t e nq u i c k l ya n de f f i ci e n t l yb yu s eo fg e n e t i ca l g o r i t h m s i ta l s os h o w s v 申请上海交通大学博士学位论文 t h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo fg am e t h o du s e di ns e r v i c es e l e c t i o n d o m a i n a l t h o u g ht h et h e s i sf o c u s e so nt h ec o s t - d r i v e ns e r v i c es e l e c t i o n , w ec a ne x p a n di te a s i l yt or e a l i z em u l t i g o a ld r i v e no p t i m i z a t i o no fg r i d w o r k f l o w 4 m a p p i n gm e c h a n i s mo fg r i dw o r k f l o w g i v e nt h ed y n a m i cn a t u r eo ft h e g r i de n v i r o n m e n t ，i ti sm o r es u i t a b l ef o ru s e r st od e f i n ew o r k f l o w a p p l i c a t i o n si nt h ea b s t r a c tm o d e l b a s e do nt h em u l t i - a g e n ts u p p o r t i n g p l a t f o r m , w eg i v ed e f i n i t i o n so ft h r e et y p e so fg r i dw o r k f l o w ：a b s t r a c t w o r k f l o w ( a w ) ，c o n c r e t ew o r k f l o w ( c w ) a n de x e c u t a b l ew o r k f l o w ( e w ) w ep r o v et h er a t i o n a l i t yo fs u c hd e f i n i t i o n s u t i l i z a t i o no ft h r e e w o r k f l o wt y p e sf u r t h e rl i b e r a t e sm o d e ld e s i g n e r sf r o ms o p h i s t i c a t e d s y s t e md e t a i l s i ta l s oi n c r e a s e st h er e u s a b i l i t yo fd o m a i n s p e c i f i cm o d e l s a n di m p r o v e st h ef a u l tt o l e r a n c eo ft h e s y s t e m b a s e d o nt h eb d i d e f i n i t i o n so fa l la g e n t si nt h es y s t e ma n dc o n t r a c tn e tp r o t o c o l ( c n p ) a s n e g o t i a t i o np r o t o c o la m o n gt h o s ea g e n t s ，w ep r o p o s ea w 2 c wm a p p i n g a l g o r i t h ma n dc w 2 e wm a p p i n ga l g o r i t h mt oi m p l e m e n ts e r v i c e o r i e n t e d w o r k f l o wm a p p i n ge f f i c i e n t l y b y g i v i n g ad e m o n s t r a t i o n o n l i n e c o n f e r e n c ea r r a n g e m e n tf o rt h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e s ”，w es h o w f u r t h e rt h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h ec n pm e t h o du s e di ng r i d w o r k f l o wm a p p i n g p r o c e s s 5 g r i dw o r k f l o w p r o t o t y p ea n dr e l a t e da p p l i c a t i o n b a s e do nt h er e s e a r c h e s v i 申请上海交通大学博士学位论文 t h a tw eh a v ed o n ea n dt h ed e m a n d so f “s h a n g h a i g r i dw o r k f l o ws y s t e m ， w eh a v ed e v e l o p e da p r o t o t y p e i nc o n s i d e r a t i o no fi n t e g r a l i t y , w ea l s o p r e s e n to t h e rr e s e a r c h e s ，w h i c hh a v eb e e ni m p l e m e n t e do rb e i n go ni nt h e s y s t e m ，i e e c a - b a s e dg r i dw o r k f l o w , d i s t r i b u t e dw o r k f l o we n a c t m e n t s y s t e m f i n a l l y , b yg i v i n ga na p p l i c a t i o no fam e d i c a li m a g ep r o c e s s i n g w o r k f l o w , w ei l l u s t r a t et h ec o l l a b o r a t i o n sa m o n gt h em o d e l i n gt o o l ，t h e s i m p l ew o r k f l o wc o n s o l ea n dt h ew o r k f l o we n g i n es e r v i c e k e y w o r d s ：g r i d w o r k f l o w , a g e n t , p l a n n i n gt e c h n o l o g y , g e n e t i c a l g o r i t h u m s ，c o n t r a c tn e t w o r kp r o t o c o l ，w o r k f l o wm a p p i n g i 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密g o ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位敝储躲菇移 指导刻嗽：毋明碗一 日期：肿石月厂日 日期溯年多月日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 是咤 日期：叼年6 月日 申请上海交通大学博士学位论文 第一章序论 信息服务网格( i n f o r m a t i o ns e r v i c eg r i d ) i l l ，共享各种i n t e m e t 中在地理和组织 机制上天然分布的、且经常动态更新的数据、知识、软件等信息，通过协同这些信 息为虚拟组织( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ，v o ) 提供当前分布计算技术无法提供的那些自 治的、服务质量保证的、易扩展的动态信息服务，如企业信息系统、制造业信息化、 电子政务、数字图书馆、金融证券等方面的应用。提供一体化的服务是信息服务网 格的核心内容，对其而言，提供一个无缝的、易于使用的、多种多样的服务环境是 最为重要的。信息服务网格又简称为信息网格，它是针对普通用户而设计，用户访 问信息网格是为了获取信息，它不同于计算网格，因为后者的用户主要是针对科学 研究人员，他们访问网格系统是为了获取强大的计算能力和对分布在网络之上的异 构资源进行访问。上海信息网格作为中国第一个城市网格，是国内很有影响的“五 大网格项目 之一。它的主要建设目标是在两年内，研究符合国际标准的信息网格 体系结构和关键技术，开发具有自主知识产权和推广价值的信息网格系统软件、应 用开发环境和虚拟研究平台，通过对v o 中的计算、数据、软件等各种信息的共享 和协同，建立具有上海特色的信息网格，初步支持交通信息网格典型应用的研究。 由很多v o 构成的网格环境是高度异构、分散、复杂和动态的。在面向服务架构 的上海信息网格中存在有成千上万的驻留在不同平台和不同地域的服务，这些服务 是根据不同标准被构建并存在于不同服务容器内，如何协作它们为用户提供复杂多 样的信息服务则是我们需要认真考虑的问题。 为解决这个问题，本论文给出了一个基于工作流管理的方法，它可以帮助开发者 在网格环境下构建、监控、管理并执行由这些个体服务和应用集成所得的流程，最 终为终端用户提供一个无缝的一体化服务。目前工作流管理技术针对信息网格进行 的研究还很少。基于这样的考虑，我们研究开发一个基于a g e n t 技术的上海网格工 作流管理系统( s h g w m s ) 。它可以帮助应用开发者流程化日常问题的求解过程， 并对执行过程进行管理和监控，而且无需了解v o 复杂结构和动态特性等细节。针 对开发s h g w m s 过程中会出现的问题，需要进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 网格工作流管理系统和多a g e n t 支撑平台的结合。 ( 2 ) 网格环境下的工作流建模语言及图形化建模工具。该建模语言能够有效地表达服 务或应用的执行逻辑顺序和数据交互关系。 ( 3 ) 针对网格环境的特殊性质，提出层次化的工作流定义，并实现不同层次工作流之 间的映射和优化。 申清上海交通大学博士学位论文 ( 4 ) 网格工作流模型的自动构建方法。 ( 5 ) 由分布式工作流引擎构成的工作流执行服务应该能够对模型进行解析，创建运行 实例并根据需要发出对服务和资源的调用请求。 ( 6 ) 实时准确地监控网格工作流的执行。 ( 7 ) 如何采用服务本体映射技术来支持工作流模型中各个服务之间的互操作。 在本论文中，我们集中解决( 1 ) 、( 3 ) 和( 4 ) 方面的问题，因为现有的网格 工作流系统针对它们进行的研究还不是很多，而且它们也是极富挑战性的研究方向。 1 1 研究问题概述 工作流管理技术可以提供一种有效的建模方式，并能控制组织内部或组织之间的 复杂业务过程。虽然工作流管理技术己出现多年，但还是最近几年才在业务领域和 研究领域中流行起来的。工作流管理技术包括：清楚的过程定义，应对环境变化的 快速反应能力，以及对操作的方便跟踪。目前工作流管理技术由于它的建模、执行 及过程监控等方面的能力而吸引了众多的注意力。这些过程不光是业务过程，还有 其它需要被表示和管理的过程，不过工作流管理技术的快速发展还是缘于它在管理 业务过程中的卓越表现。目前，来自于工作流管理联盟( 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 ) 的工作流定义被业界所广泛接受：“不论从整体或部分来讲，工 作流都是一个业务过程的计算机简单化或自动化，遵照一系列过程规则，文档、信 息或任务能够在不同的执行者之间传递与执行”口j 。 网格计算方便了那些异构并且分散的资源的共享和聚合。如计算、数据、仪器和 应用等资源i 湖。目前，在网格研究领域，将面向服务的思想引入到网格中来已逐渐成 为人们的一种共识。在开放网格服务体系结构( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ， o g s a ) 1 4 1 的框架下，网格资源用服务的形式包装，一切都抽象为服务，它实现的是 对网格服务的共享。网格服务是o g s a 的核心概念，它是一种特殊的w r e b 服务。而 w e b 服务资源框架( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ，w s r f ) 定义一个通用和开放 的框架来使用w r c b 服务建模并访问有状态资源i 引，并且已经得到了来自w 曲服务领域 和网格领域的广泛支持。一方面，采用网格服务对网格中提供共享的各种资源进行 封装能极大地减少资源使用的复杂性，促进网格的广泛应用。在另一个方面，采用 s o a ( 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 ) 1 6 1 的w e b 服务无论是在实现技术、开发工具还是 在标准化进程方面都己做了大量的工作，在商业领域中也有着广泛的应用。出于这 两方面的考虑，学术界及工业界都在大力促进网格服务和w e b 服务二者的融合。 对于网格工作流( g r i d w o r k f l o w ) 这一概念，目前尚未形成一个统一的定义。我们 2 申请上海交通大学博士学位论文 倾向于余波在1 7 i 中仿照w f m c 的方式给出的定义，并将其扩充为：“网格工作流是 指发生在高度异构的、分布的、复杂的和动态的由多个虚拟组织( v o ) 组成的网格 环境下的应用，其全部或部分是由计算机支持或自动处理的业务过程，而业务过程 中各活动的执行则是利用网格中资源也即网格服务来完成的”。 显然，对v o 的工作流管理比对业务过程的工作流管理需要有更特别的要求，这 是因为v o 场景下的执行环境和目标不同于业务领域中的那些。在一个v o 内部或跨 多个v o 的网格工作过程主要被定义为作业链，而该作业链又会基于作业间的控制依 赖性和数据依赖性；也就是说，作业执行的顺序会依据单个作业退出的状态和其输 出的数据发生改变的。那些基于v o 结构和状态，如何将作业链映射到底层不同v o 资源的细节就留给了网格工作流管理系统去完成。正确的映射说明了管理系统能够 代表用户去管理额外的与v o 相关的活动，如资源发现、资源代理、远端数据访问、 错误检测等。总的说来，现有的商业化或研究类型的工作流管理系统并没有满足工 作流执行服务( e n a c t m e n ts e r v i c e s ) 针对广域、多组织、动态的v o 计算环境下提出 的相关要求，而这些要求在网格环境下又是必需的，包括高性能、异构性、容错性、 适应性等。 网格工作流管理系统应该能够在运行时刻实现概念层的活动( 如“运行代码 ) ，将其动态绑定到实际的服务或资源上( 如“在特定位置的一台特定用途的计 算机上运行代码r ) 。工作流管理的目标和v o 的复杂动态本质产生了一些对网格 工作流管理的关键需求： ( 1 ) 服务组合的描述1 8 1 1 9 i 描述方法允许建模者指定如何组合那些可获得的服务。最终的组合会是这样的描 述t 它反映了建模者对问题解决过程、策略、算法或可能的失效考虑。工作流过 程定义语言( w p d l ) i t o l 作为组合的一种描述方法，指定了由v o 中的服务提供 商提供的服务执行顺序。w p d l 能够指定服务问的数据流和控制流。 ( 2 ) 服务发现、发布和资源监控l n - z s i 通过提供一种发布、识别和定位可获得服务的机制使得服务组合( 如基于工作流 的应用) 成为可能。为了帮助服务消费者访问到服务，要求有这么一种服务发布 机制，通过它服务提供商来发布关于访问该服务的必需服务信息，其中包括服务 的位置、服务的调用方法和服务的性能。服务发现机制是去发现可获得的服务( 如 被工作流设计者用于设计阶段的代码开发) ，并去获得服务描述( 如被工作流执 行服务用来绑定或调用实际的运行时服务) 。因为v o 可扩展的资源共享本质决 定了v o 环境是经常改变的，所以我们还要求一种监控底层v o 架构和状态的机 制( 如网格服务提供商的当前负载、网络带宽等) 。资源监控和服务发现机制都 3 申请 ：海交通大学博士学位论文 能被其它高层服务如代理服务所使用。 ( 3 ) 服务和资源代理1 2 1 i 随着网格技术和v o 概念的发展，我们期望看到越来越多的v o 资源和服务对于 服务消费者是可用的。除了服务发现机制去发现可用的v o 资源和服务外，网格 工作流管理系统还被要求提供一种能从可用的服务或资源列表中选出最佳结果 的代理机制。使用服务发现和资源监控机制提供的信息，通过去匹配活动要求及 网格服务提供商的性能与当前状态，资源代理机制能够动态地绑定活动到网格服 务提供商提供的服务。 ( 4 ) 模型自动构建机制0 3 2 1 1 3 3 i 网格环境下的复杂任务可能是由数十上百个服务和应用模块组成的，如果使用图 形化建模工具以手工方式来构建模型，将会对建模者提出很高的技能要求并带来 很大的工作量，同时整个建模过程会很费时。我们提出一种网格工作流模型的自 动构建机制，在建模者给定目标和要求后，系统可以帮助他们快速准确地建立所 需的工作流模型。 ( 5 ) 容错机制l 弭3 6 i ， 通常说来，基于工作流的v o 应用是通过对存在于v o 内或跨v o 的不同网络可 获得资源或服务进行组合来构建。在诸如v o 这样的分布式环境里，单个资源或 服务很容易失效。我们要求工作流执行服务能在容错方式下执行基于工作流的 v o 应用，也就是说即使在一些v o 服务和资源临时失效的情况下基于工作流的 v o 应用也能继续执行。我们知道错误语义( 如错误定义和错误恢复过程) 应该 是特定于应用的，换句话说，每个应用有它自己的错误语义。因此我们需要应用 层的错误管理机制，这种机制实现了每个v o 应用能灵活地定义它们自己指定域 的错误逻辑。 1 2 研究目标和内容 a g e n t 技术提供了针对业务过程管理问题的扩展和另外一种选择。在许多软件所 具有的属性中，自主性、协作性和智能性等都是分布式业务过程管理系统所感兴趣 的。基于a g e n t 的工作流管理系统是由多个a g e n t 组成的分布式系统，这些a g e n t 相互 独立而且都负责过程的执行。整个业务过程是由这些a g e n t l 为部的子网络片段( 在本 文中被称为p l a n ) 组成，过程逻辑也被嵌a a g e n t 内部。在这样的环境中a g e n t 主要的 特性包括：自主性、通信能力、自我一致性、面向目标和对环境的反应能力，而像 学 - j 和协商等其它高层能力也会对工作流管理系统做出贡献。使用a g e n t 技术会给网 4 申请上海交通大学博士学位论文 格工作流领域带来如下好处： ( 1 ) 提供分布式的系统架构。在多a g e n t 系统中已有几个系统架构1 3 7 1 ，它们能被用 于分布式系统中来实现工作流管理系统。 ( 2 ) 自动性能。软件a g e n t 的内在自主性使得它能代替人来完成活动，而且a g e n t 还可以基于事件触发或通过更复杂的对系统改变产生反应来启动一个工作 流。 ( 3 ) 提供通信方法。关于a g e n t 通信语言的研究已经很多了，有几种基于语义消息 的通信语言，如k q m l ，a c l 。这些语言能实现工作流管理系统之间的互操 作，对于那些异构系统更是如此，它们使得互操作e i a p i 的调用更加可行。 ( 4 ) 对环境的反应。a g e n t 能适时地调整自身，比如形成新的活动和新的路径安排。 ( 5 ) 资源管理。a g e n t f l 皂代表资源，任务分配和资源分配都是通过这些a g e n t 之间 的协商来完成。 面对网格环境的特殊性，基于a g e n t 技术的网格工作流管理系统还需利用a g e n t 高层特性，并采用人工智能( a r t i f i c a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 领域的方法，主要包括： ( 1 ) 基于协商的资源调度机制。包括a g e n t 之间、a g e n t 与资源间的分布式协商， 通过协商机制来保证网格工作流中各活动的协调高效执行，以提高网格资源 的使用效率和可靠性。 ( 2 ) 自学习。a g e n t 会根据网格工作流执行的历史记录，结合给定的学习算法，来 提高自身的推理能力，并增强工作流执行过程中的意外处理能力，从而保证 a g e n t 执行工作流任务时的q o s 。 ( 3 ) 规划方法( p l a n n i n g ) 。各a g e n t 在实现各自目标的前提下，合作达到整个网 格工作流过程的共同目标。 a ) 根据网格用户给定的结果和约束：希望的结果( 高层的元数据描述) 、一套 在网格中描述的组件、网格中的资源集合( 动态的，分布的) 、约束集合以 及对解的质量偏好。 b ) 完成求解：一个可执行的任务工作流( 产生期望结果的组件配置、组件能够 执行、数据能够存储的资源的描述) 。 c ) 采用的方法：使用人工智能规划技术在问题解空间中搜索并进行各种权衡， 采用启发方法来引导对解的搜索过程。 针对网格环境的动态性、分布性、异构性和自治性，我们结合a g e n t 技术，提出 了分布式的网格工作流管理系统架构，来消除工作流执行时的性能瓶颈：对网格工 作流采用动态与静态并存的建模方法，实现工作流对资源的动态绑定，降低对建模 者了解底层系统细节的要求；实现应用代理中间件，方便工作流对外部异构应用的 申请卜海交通大学博士学位论文 调用。 目前己完成的研究工作有： ( 1 ) 提出了一个多层次的网格工作流管理系统架构，给出应用适配器( a p p l i c a t i o n a d a p t e r ) 的概念并设计实现了多种a d a p t e r ； ( 2 ) 构建了基于b d i 的多a g e n t 支撑平台并定义了多种a g e n t ，由它们协作完成工 作流模型的构建，并协同执行工作流； ( 3 ) 结合人工智能知识，给出了p l a n 生成算法和p l a n 合并算法，以实现规划a g e n t 内部p l a n 的自动生成和具体工作流的自动生成； ( 4 ) 结合遗传算法( g a ) ，解决面向服务的网格工作流优化问题，即将g a 应用 于多服务的选择问题领域； ( 5 ) 基于合同网协议( c n p ) 将a w 到c w 的工作流映射问题转换为多a g e n t 之 间的协商问题，并提出了a w 2 c w 映射算法和c w 2 e w 映射算法，分别实现 抽象工作流( a w ) 到具体工作流( c w ) 的映射和具体工作流( c w ) 到可执 行工作流( e w ) 的映射。 基于以上研究内容，结合“上海信息网格工作流管理系统”的需求，我们设计实 现了基于a g e n t 的网格工作流管理系统( s h g w m s ) ，其中包括：e c a 规则实现对 网格工作流的描述，基于j i n i 技术的分布式工作流引擎，两种图形化的工作流建模 工具，网格工作流控制台，外部应用适配器中间件，基于b d i 的多a g e n t 支撑平台 以及相关的算法实现模块等功能组件。 1 3 本文的章节组织 本文的剩余章节安排如下： 第二章首先对a g e n t 技术给出概括性的介绍，包括a g e n t 和多a g e n t 系统的相关 定义、目前a g e n t 领域进行的研究主题等，还给出a g e n t 技术在工作流和业务过程 领域中的应用现状。然后较详细地介绍了传统工作流和w e b 服务组合方面的研究现 状，接着介绍了网格工作流规范，最后介绍了网格工作流规范，并简单描述了目前 国际上影响较大的十二种网格工作流管理系统。 第三章首先给出了上海网格工作流管理系统( s h g w m s ) 的系统架构描述，并 针对外部应用适配器中间件给出详细的说明，最后介绍了s h g w m s 中b d i 多a g e n t 平台的组成。 第四章介绍了人工智能中规划技术在网格工作流自动生成领域上的应用。我们首 先给出规划问题的描述，并提出该领域下的规划框架，重点介绍了两个算法：p l a n 6 申请上海交通大学博士学位论文 生成算法和p l a n 合并算法。最后结合示例“国内会议的在线会务安排”说明了规划 过程。 第五章介绍了遗传算法在网格工作流优化领域中的应用。我们首先针对该问题领 域给出目标函数，然后详细介绍了我们的遗传算法模块，其中包括编码方案、适应 度函数、种群初始化和遗传算子等内容，结合示例“旅行安排说明了优化问题的 求解过程。最后通过相关的试验分析证明了遗传算法在网格工作流优化领域中的可 行性和有效性。 第六章介绍了s h g w m s 中不同层次工作流之间的映射机制。首先我们给出基本 概念和相关定义，然后介绍了示例“国际会议的在线会务安排”的概括。重点提出 了基于c n p 的招投标过程以此来说明从抽象工作流( a w ) 到具体工作流( c w ) 的 映射机理，并给出a w 2 c w 映射算法。接着，给出了用于实现从具体工作流( c w ) 到可执行工作流( e w ) 的c w 2 e w 映射算法。最后结合示例说明了不同层次工作流 之间映射的过程。 第七章给出了s h g w m s 中其它方面的研究内容。重点介绍了基于e c a 规则的 工作流描述语言，以及分布式工作流执行系统。 第八章给出了s h g w m s 的系统实现。重点介绍了基于e c a 规则的组件化建模 环境，并针对“医学图像处理工作流”示例，说明了系统中各组件的协作运行过程。 第九章是结论和展望。对全文进行了总结，并结合目前的研究情况和网格的发展 趋势，提出了下一步的研究工作和方向。 最后是参考文献，附录，致谢，发表的论文和参与的项目。 7 申请上海交通大学博士学位论文 第二章相关工作 基于a g e n t 的工作流管理系统是由多个a g e n t 组成的分布式系统，这些a g e n t 相 互独立而且都负责过程的执行，过程逻辑也被嵌入a g e n t 内部，整个业务过程是由 这些a g e n t 内部的p