基于網(wǎng)格的分形工作流系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：討論了分形工作流管理系統(tǒng)的自仿射分形集合，并用分形迭代系統(tǒng)對其進行描述；結(jié)合網(wǎng)格組件，進行了系統(tǒng)規(guī)劃，提出了網(wǎng)格平臺下的分形工作流系統(tǒng)模型。基于網(wǎng)格的分形工作流系統(tǒng)有助于簡化復雜的工作流程，充分整合系統(tǒng)資源，有效執(zhí)行并監(jiān)視工作流程，銜接不同類型工作流系統(tǒng)的接口。本技術(shù)初步在第三方物流系統(tǒng)中實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格；自仿射；分形；工作流引擎；迭代函數(shù)系統(tǒng)(IFS)

0 引言

隨著全球化的市場競爭和信息技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)的快速發(fā)展，很多企業(yè)都采用網(wǎng)格來滿足自己關(guān)鍵的業(yè)務(wù)需求，如自動化制造業(yè)使用網(wǎng)格方案來加速產(chǎn)品的開發(fā)和協(xié)作。本文提出的分形工作流網(wǎng)格，可將分布式環(huán)境下的閑散資源和優(yōu)勢資源集成共享，分布式環(huán)境下協(xié)同工作的群體能夠直接提交作業(yè)、實現(xiàn)信息共享，協(xié)同完成作業(yè)并解決執(zhí)行工作流機的分解問題。

網(wǎng)格的一個特性就是自相似性，這也是分形模型的一個重要特征。網(wǎng)格的局部和整體之間有著一定的自相似性，這種特性在大自然中普遍存在。工作流管理系統(tǒng)作為非線性的大系統(tǒng)，也可以簡化為一種有自相似性系統(tǒng)的集合。工作流管理系統(tǒng)實現(xiàn)的難點在于對資源動態(tài)重構(gòu)和對復雜協(xié)作的支持。

1 工作流系統(tǒng)的分形特性

1．1 基本概念

根據(jù)工作流管理聯(lián)盟(WFMC)的定義：工作流是一類能夠完全或者部分自動執(zhí)行的經(jīng)營過程，它根據(jù)一系列過程規(guī)則、文檔、信息或任務(wù)能夠在不同的執(zhí)行者之間進行傳遞與執(zhí)行。而工作流管理系統(tǒng)的作用就是將現(xiàn)實社會中的業(yè)務(wù)過程轉(zhuǎn)化成某種計算機化的形式表示，并在此形式的驅(qū)動下完成工作流的執(zhí)行和管理。

分形集合具有精細的結(jié)構(gòu)，在任意尺度下它都有復雜的細節(jié)。利用網(wǎng)格和分形理論，可以將復雜的工作流管理系統(tǒng)的工作流程予以簡化。分形理論是研究非線性問題的新興學科，這門學科無論在其數(shù)學基礎(chǔ)還是在其他學科的應(yīng)用方面都得了迅速發(fā)展。

分形的自相似原理：假設(shè)集合s由，n個不相重疊的子集S_i(i=1，2，3……，n)組成，若S_i放大(縮小)S_i倍后與S重合，則S是一個分形集。當R_i＝R(i=1，2，3……，n)時，S為均勻自相似分形集。當放大(或縮小)倍數(shù)不全相等時，即每個子集都各有一個相似比R_i(i=1，2，3……，n)時，稱集合S為自仿射集合，是一種非均勻自相似分形集。各種工作流管理系統(tǒng)，及工作流的流程和組織結(jié)構(gòu)也可以被認為是一種自仿射集合。

自仿射原理：設(shè)在d維歐幾里德空間，分形集S由n個互不重疊的分形子集S_i(i=1，2，3……，n)組成，若S_i通過仿射變換R_k(k=1，2，3……，d)后與s重合，則稱s為自仿射分形集。仿射變換的涵義是某點X=(X₁，X₂，X₃，……，X_D)變換成另一點，X_′=(R₁X₁，R₂X₂，R₃X₃，……R_dX_d，這里R₁，R₂，R₃……，R_d不全相等，R_k=(R₁，R₂，R₃，……，R_d)為比率矢量。自仿射分形的分維不是惟一的，根據(jù)需要，可以引入不同的分維來表征系統(tǒng)的分形特性。

1．2 自仿射分形集合

根據(jù)所實現(xiàn)的業(yè)務(wù)過程，我們用分形集合的方法對工作流管理系統(tǒng)進行描述，生成為元數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的自仿射分形集合。

上式“s－”前綴表示工作流管理系統(tǒng)的分類，“C－”前綴表示協(xié)作行工作流管理系統(tǒng)的組成，“D-”部門級組織單位。根據(jù)所實現(xiàn)的業(yè)務(wù)過程，工作流管理系統(tǒng)包括了協(xié)作型(Collaboration)，管理型(Administration)，設(shè)定型(adhoc)，生產(chǎn)型(Production)。協(xié)作型工作流管理中也會包括處理異常時間(adhoc)，管理等相同性質(zhì)的組織，工作流程的相似性可以簡化流程的操作，降低操作的復雜度。上述組織都是具有一定獨立性的獨立單位，在結(jié)構(gòu)、功能上有相對的內(nèi)部完整性。

2 分形工作流協(xié)作的描述

2.1 迭代函數(shù)系統(tǒng)

迭代函數(shù)系統(tǒng)(Iterated Function System，簡稱IFS)由M.F.Bamsley于1985年提出，是分形的重要分支。迭代函數(shù)系統(tǒng)通過自身部分與整體之間的相似關(guān)系，定義了一個由多個部分組成的復雜的自相似分形集。

設(shè)(X，d)是完備度量空間，其中x∈R²，是非空閑集，d是x中的度量，在這里我們?nèi)為歐氏距離。則(x，d)和n個壓縮映射W_i:X→X(其壓縮因子分別為S₁，S₂，……S_n)一起組成一個迭代函數(shù)系統(tǒng)，簡稱IFS，記作{x；w₁，W₂……，w_n}，s=max(s₁，s₂，……，s_n)稱為IFS的壓縮因子。

迭代函數(shù)系統(tǒng)的基本思想是認為幾何對象的整體和局部在仿射變換下具有自相似結(jié)構(gòu)。在迭代函數(shù)系統(tǒng){X；W₁，W₂，……W_n}中，要求映射w_i(i=1，2，……，n)是仿射壓縮變換。將迭代函數(shù)系統(tǒng)重復作用于工作流系統(tǒng)的部門，最終可得到分形的工作流系統(tǒng)。基于分形的工作流的作業(yè)協(xié)作是面向流程的協(xié)作，其每次業(yè)務(wù)流程都有相似之處，是一個對協(xié)作流程的信息壓縮的過程，它真實地描述協(xié)作工作流系統(tǒng)。

2．2 迭代函數(shù)系統(tǒng)描述分形工作流系統(tǒng)

對于給定的分形工作流系統(tǒng)，我們可以用一個迭代函數(shù)系統(tǒng)IFS{x：w₁，w₁，……w_n}描述。具體算法如下：

圖1所示，就是用迭代函數(shù)系統(tǒng)描述的分形工作流協(xié)作模型。其各個子結(jié)構(gòu)都存在相似性。如生產(chǎn)部和市場部之間存在相似性，需要動態(tài)調(diào)用資源以及相互協(xié)作；不同的業(yè)務(wù)之間，最終分解成元數(shù)據(jù)(metadata)的操作，作業(yè)與作業(yè)之間也有不同程度的協(xié)作，也涉及到元數(shù)據(jù)(metadata)的共享、安全性的操作；部門、業(yè)務(wù)和metadata都具有自相似和自仿射特性，利用分形協(xié)作過程的迭代函數(shù)系統(tǒng)的信息膨脹來描述協(xié)同作業(yè)。最終工作流管理系統(tǒng)在仿射變換下，可以分解成為多個部門、多個業(yè)務(wù)和metadata，執(zhí)行相應(yīng)的工作流作業(yè)，這樣有助于提高系統(tǒng)效率，使部門之間消除“孤島”，使部門之間的信息能夠順暢地流通，達到資源的最大化的優(yōu)化。由分形的自相似原理，整個工作流管理系統(tǒng)是一個自仿射集合，可以動態(tài)地增加和減少資源。

3 建立基于網(wǎng)格的分形工作流系統(tǒng)模型

工作流管理系統(tǒng)的核心是工作流的執(zhí)行引擎(WorkflowEngine)，它負責把復雜的工作流映射到網(wǎng)格環(huán)境中的具體資源，集成特定的服務(wù)，網(wǎng)格為工作流實例的執(zhí)行提供良好的環(huán)境，確定開始作業(yè)的必要約束，查詢MDS(Globus Monitoringand Discovery Service)查詢資源和收集必要信息，按照分形規(guī)則為用戶作業(yè)選取執(zhí)行角色、創(chuàng)建服務(wù)、執(zhí)行作業(yè)，并可以在執(zhí)行過程中監(jiān)視作業(yè)的執(zhí)行情況。這樣，基于網(wǎng)格環(huán)境的工作流引擎不僅是企業(yè)經(jīng)營過程的任務(wù)調(diào)度器，還對企業(yè)資源重新整合，充分利用空閑資源，及時完成作業(yè)，處理緊急事務(wù)。基于網(wǎng)格的分形工作流技術(shù)具有在異構(gòu)環(huán)境中處理復雜事務(wù)的能力。基于網(wǎng)格的分形工作流除了具備可視化設(shè)計，支持各種復雜流程，執(zhí)行過程可監(jiān)控、管理等特點外，最重要的特點是：

(1)分布性

在集成的網(wǎng)格環(huán)境中，各種硬件、軟件資源是廣域地分布在不同的虛擬組織中，而且是動態(tài)創(chuàng)建和刪除的。

將抽象的分形工作流作業(yè)映射到網(wǎng)格環(huán)境下的具體資源，分形工作流可分布在計算能力不同的機構(gòu)中執(zhí)行，能充分利用不同機構(gòu)的各種虛擬資源。將網(wǎng)格和分形相結(jié)合，利用網(wǎng)格的平臺無關(guān)性等各種優(yōu)勢構(gòu)架分形工作流系統(tǒng)，能夠消除一些其它分形工作流系統(tǒng)的性能瓶頸，極大地融合各個子系統(tǒng)。

如圖2，根據(jù)功能需求，系統(tǒng)為不同的服務(wù)請求，如文件審批、存儲及執(zhí)行，分配相應(yīng)的匹配角色，充分利用不同機構(gòu)的各種虛擬資源，發(fā)揮網(wǎng)格和分形系統(tǒng)構(gòu)架結(jié)合的優(yōu)勢。

(2)動態(tài)性

由于運行環(huán)境和資源的變化，分形工作流可動態(tài)地增加其它任務(wù)以成功地完成整個執(zhí)行過程，自動修復分形工作流執(zhí)行中的錯誤，動態(tài)優(yōu)化分形工作流執(zhí)行，自動監(jiān)視作業(yè)的完成及分配調(diào)度作業(yè)的完成如圖3。

(3)服務(wù)交互性

在網(wǎng)格的安全構(gòu)架下，基于網(wǎng)格的分形工作流引擎使得網(wǎng)格服務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換和通信更安全，能夠整合不同工作流管理系統(tǒng)之間的接口，和企業(yè)原有的各個應(yīng)用系統(tǒng)更好地集成起來。利用網(wǎng)格的平臺無關(guān)性等各種優(yōu)勢構(gòu)架分形工作流管理系統(tǒng)，就能夠消除一些其它分形工作流管理系統(tǒng)的性能瓶頸，極大地融合各個子系統(tǒng)，發(fā)揮系統(tǒng)的性能。

當從客戶端提交一個作業(yè)時，網(wǎng)格對客戶進行身份驗證，并為此次調(diào)用生成一個實例。分形工作流引擎將作業(yè)放入任務(wù)表中，作業(yè)所有需要具備的輸入文件都可以通過GridFrP(GridFileTransfer Protoc01)來傳輸、定位給必要的角色。網(wǎng)格的資源管理器可以動態(tài)地發(fā)現(xiàn)空閑的存儲空間、CPU資源，執(zhí)行作業(yè)的調(diào)度、分配任務(wù)，將作業(yè)分解成若分形metadat。由網(wǎng)格調(diào)度器調(diào)度分形資源，可以并行執(zhí)行任務(wù)，并由分形工作流的監(jiān)視工具監(jiān)視、報告作業(yè)的執(zhí)行情況，必要時可以調(diào)度網(wǎng)格分配的虛擬空間和計算能力，因此也適合大流量的分形工作流的執(zhí)行，并發(fā)控制。

4 結(jié)束語

本文提出了基于網(wǎng)格的分形工作流管理系統(tǒng)，對其流程、體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)點進行了研究，所述技術(shù)已經(jīng)在第三方物流系統(tǒng)中初步實現(xiàn)，取得了更好的效果。