計算機化制造網格的工作流管理研究

謝 蕾，謝 華

（1. 信陽師范學院 網絡信息與計算中心，信陽 464000；2. 信陽職業技術學院 數學與計算機系，信陽 464000）

0 引言

網格技術的概念誕生于20世紀90年代中期。網格概念是從電力網（Power Grid）借鑒過來的，其目的是用互聯網將分散的計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源等計算資源聯合起來實現網絡虛擬環境上的資源共享和協同計算。網格是為了實現對等的資源共享和解決動態的、分布式的虛擬組織所遇到的問題而誕生并發展的，其核心是動態形成虛擬組織（Virtual Organization，VO），實現高度可控的資源共享。其中，虛擬組織的概念與網絡化制造中的虛擬企業（Virtual Enterprise，VE）在本質上是相同的，都是為了完成一項工作而由一些人或團體動態形成的集合體。制造網格(Manufacturing Grid)的概念就是在這種時代背景下提出的。制造網格是在分析制造業行業特點的基礎上為解決制造業的實際需求提出的，是網格技術在制造業中的具體應用。對于制造網格研究和應用，不僅要充分利用網格技術來實現資源共享，而且要在這些資源的基礎上開展協同工作，使得用戶提交的作業能夠在平臺上有條不紊地自動或者半自動執行。因此制造網格工作流的作業管理也就隨著制造網格研究的深入和應用的發展而得到了重視。

1 工作流概述

工作流的概念起源于人們日常的生產、學習和生活領域、工作流是針對日常工作中具有結構化或非結構化流程而提出的，目的是通過將工作分解為定義良好的活動、角色和參與者等，按照一定的規則和過程來執行這些活動，并且對它們進行監控。

近十多年來，不同的研究者從不同角度對工作流管理技術進行研究，分別提出了不同的工作流概念，比較有影響的包括工作流管理聯盟（Workflow Management Coalition，WfMC）。工作流管理聯盟錯誤！未找到引用源泉。認為，工作流是一類能夠完全或者部分自動執行的經營過程，它根據一系列過程規則、文檔、信息或任務能夠在不同的執行者之間進行傳遞與執行。它是一種反映業務流程的計算機化的模型，它是為了在先進計算機環境支持下實現經營過程集成與經營過程自動化而建立的可由工作流系統執行的業務模型。

將工作流的作業管理用計算機來實現就形成了工作流管理系統，它是支持企業經營過程高效執行并監控其執行過程的計算機軟件系統，可以完成工作流的定義和管理，并按照在計算機中預先定義好的工作流邏輯推進工作流實例的執行。工作流管理系統主要由三類構件組成，如圖1所示。這三類構件分別是：

1）軟件構件：完成工作流系統中不同組成部分功能的實現；

2）系統控制數據：工作流系統中的一個或多個軟件構件使用的數據；

3）應用與應用數據：對于工作流系統來說，它們不是工作流系統的組成部分，而是屬于外部系統和數據，它們被工作流調用來完成整個和部分工作流管理的功能。

圖1 工作流管理系統體系結構

2 計算機化制造網格工作流體系架構設計

在制造網格環境下，業務過程非常復雜，涉及到多個步驟、資源和過程，而且任務的過程也比較復雜，包含很多時間、空間和資源方面的約束條件。為了順利地完成各項協作任務， 及時主動地掌握業務流程中各環節的進度、質量狀況等過程信息，進行過程信息通知和反饋，調整產品開發的業務流程。迫切需要由工作流技術來對制造網格應用進行構建、執行調度、管理監控，使得制造網格應用能夠自動化而且效率更高。

工作流技術是過程建模和過程管理的核心技術。而制造領域中工作流技術與計算領域中工作流技術在過程建模機理、過程管理技術等方面有顯著差別。

通過在WfMC支持的工作流參考模型上進行擴展，本文給出圖2所示的制造網格工作流系統的框架，主要包括工作流定義服務、工作流引擎服務和制造網格信息系統。該框架為服務的實現和交互機制提供了開放、可擴展的標準和基礎。通過將各種制造資源封裝成服務，使得資源、信息和數據等統一起來，有利于靈活、一致、動態的共享機制的實現。

圖2 計算機化制造網格工作流體系架構

2.1 工作流定義服務

工作流定義的功能是以活動的類型、時序關系和約束值為邊界條件，通過工作流建模工具定義工作流模型。

用戶通過制造網格Portal提交的任務被分解成若干個活動，用戶對產品的服務質量（QoS）需求也根據一定規則被分解和轉換為對活動的QoS約束，活動的QoS約束是工作流實例化時查找資源的依據，如果工作流實例化時不能發現滿足活動QoS約束的資源，可以與用戶進行QoS協商，請求降低用戶的QoS需求。

2.2 工作流引擎服務

工作流引擎一個重要的任務是制造網格工作流實例的創建，根據工作流定義階段創建的業務過程中的參數，對工作流模型生成相應的工作流實例。工作流引擎服務是整個流程實例成功執行的核心部分，它包括流程解析、資源查找接口、任務調度、異常處理等功能。

工作流建立時期和工作流運行時期都可以通過信息服務接口查詢當前網格環境中資源的狀態和性能。

2.3 制造網格信息系統

制造網格信息系統(MGIS)負責在制造網格中獲取、發送、索引、存檔和其它有關制造網格資源的屬性以及狀態信息的處理。

MGIS與傳統的靜態注冊服務的不同之處在于：在MGIS上注冊的制造網格資源是動態的，有一定的生命周期并且儲存在MGIS上的狀態信息是動態更新的。在這種動態的工作機制下，資源使用者不僅能夠根據資源的類型搜索制造資源，還能夠根據資源最新的狀態信息以及其它資源使用者對其的評價等信息選擇合適的制造資源，從而使制造網格中的資源搜索與發現更有效。

3 工作流模型設計

工作流模型是工作流系統的執行對象。一種通用的工作流定義模型能帶來兩方面的好處：由某種工作流建模工具產生的工作流定義可以在多種工作流運行系統中執行；通過輸出一種通用的工作流定義到其它工作流系統可以使工作流之間實現協作。WfMC提出圖3所示的工作流的元模型來描述工作流定義中的對象、對象關系和屬性，以此形成一個工作流信息交換的格式集合的基礎。

圖3 工作流元模型

WfMC 定義的元模型只是給出了一個相對簡單的工作流模型表示基礎，以便不同工作流產品間的互換。一個實際的工作流模型還需要在其上做相應的擴展，本文對現有工作流的模型進行了補充，建立了一種多維子模型的制造網格工作流模型框架，如圖4所示，過程模型、組織模型、資源模型、數據模型、服務模型和服務質量模型描述了制造網格中產品開發過程的不同側面，它們的集成可以完成對制造網格中業務流程的全部描述。

計算機化制造網格工作流模型表示為七元組，MGFlowM＝＜Pro, Org, Res, Dat, MS, QoS,Rs＞，其中，Pro表示過程模型、Org表示組織模型、Res表示資源模型、Dat表示數據模型、MS表示服務模型、QoS表示服務質量模型、Rs表示這些模型之間的所有關系。

圖4 計算機化制造網格工作流模型

1）過程模型是工作流模型的核心，它描述過程及過程中各個活動的內部運作機制和活動間的聯系。它直接映像了產品全生命周期的各個階段，它是產品開發過程建模的核心模型，過程模型不僅從其它模型中提取信息，反過來也將自身建立過程中所產生的新信息反饋給其它模型，驅動它們的修改完善。

2）組織模型是用于描述流程參與人員組成關系的模型，組織模型為過程模型提供執行和決策者信息，為信息模型提供組織數據關系，為資源模型提供資源管理者信息。

3）資源模型描述了資源的分類、資源構成、資源屬性、資源之間的聯系。

4）數據模型表示過程定義中涉及到的工作流相關數據。它包括輸入/輸出參數、內部變量、全局變量、可被所有的工作流實例訪問應用程序中的數據外部對象，以及系統與環境數據等。

5）服務模型是制造資源封裝為制造服務的模板，它定義了資源封裝的屬性和接口。

6）服務質量模型定義了資源的服務質量標準，每個質量標準都反映資源非功能屬性的某些方面性質，是工作流實例化時查找和選擇資源的約束條件

4 結論

計算機化制造網格工作流技術對制造網格的發展有重大意義，是制造網格平臺必不可少的組成部分。雖然本文針對制造網格的特點，已建立起適應于制造網格工作流體系架構和模型，但在理論和實踐方面尚有許多工作要做，仍有待于進一步研究。

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