计算机化制造网格的工作流管理研究

谢 蕾，谢 华

（1. 信阳师范学院 网络信息与计算中心，信阳 464000；2. 信阳职业技术学院 数学与计算机系，信阳 464000）

0 引言

网格技术的概念诞生于20世纪90年代中期。网格概念是从电力网（Power Grid）借鉴过来的，其目的是用互联网将分散的计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等计算资源联合起来实现网络虚拟环境上的资源共享和协同计算。网格是为了实现对等的资源共享和解决动态的、分布式的虚拟组织所遇到的问题而诞生并发展的，其核心是动态形成虚拟组织（Virtual Organization，VO），实现高度可控的资源共享。其中，虚拟组织的概念与网络化制造中的虚拟企业（Virtual Enterprise，VE）在本质上是相同的，都是为了完成一项工作而由一些人或团体动态形成的集合体。制造网格(Manufacturing Grid)的概念就是在这种时代背景下提出的。制造网格是在分析制造业行业特点的基础上为解决制造业的实际需求提出的，是网格技术在制造业中的具体应用。对于制造网格研究和应用，不仅要充分利用网格技术来实现资源共享，而且要在这些资源的基础上开展协同工作，使得用户提交的作业能够在平台上有条不紊地自动或者半自动执行。因此制造网格工作流的作业管理也就随着制造网格研究的深入和应用的发展而得到了重视。

1 工作流概述

工作流的概念起源于人们日常的生产、学习和生活领域、工作流是针对日常工作中具有结构化或非结构化流程而提出的，目的是通过将工作分解为定义良好的活动、角色和参与者等，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。

近十多年来，不同的研究者从不同角度对工作流管理技术进行研究，分别提出了不同的工作流概念，比较有影响的包括工作流管理联盟（Workflow Management Coalition，WfMC）。工作流管理联盟错误！未找到引用源泉。认为，工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列过程规则、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。它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系统执行的业务模型。

将工作流的作业管理用计算机来实现就形成了工作流管理系统，它是支持企业经营过程高效执行并监控其执行过程的计算机软件系统，可以完成工作流的定义和管理，并按照在计算机中预先定义好的工作流逻辑推进工作流实例的执行。工作流管理系统主要由三类构件组成，如图1所示。这三类构件分别是：

1）软件构件：完成工作流系统中不同组成部分功能的实现；

2）系统控制数据：工作流系统中的一个或多个软件构件使用的数据；

3）应用与应用数据：对于工作流系统来说，它们不是工作流系统的组成部分，而是属于外部系统和数据，它们被工作流调用来完成整个和部分工作流管理的功能。

图1 工作流管理系统体系结构

2 计算机化制造网格工作流体系架构设计

在制造网格环境下，业务过程非常复杂，涉及到多个步骤、资源和过程，而且任务的过程也比较复杂，包含很多时间、空间和资源方面的约束条件。为了顺利地完成各项协作任务， 及时主动地掌握业务流程中各环节的进度、质量状况等过程信息，进行过程信息通知和反馈，调整产品开发的业务流程。迫切需要由工作流技术来对制造网格应用进行构建、执行调度、管理监控，使得制造网格应用能够自动化而且效率更高。

工作流技术是过程建模和过程管理的核心技术。而制造领域中工作流技术与计算领域中工作流技术在过程建模机理、过程管理技术等方面有显著差别。

通过在WfMC支持的工作流参考模型上进行扩展，本文给出图2所示的制造网格工作流系统的框架，主要包括工作流定义服务、工作流引擎服务和制造网格信息系统。该框架为服务的实现和交互机制提供了开放、可扩展的标准和基础。通过将各种制造资源封装成服务，使得资源、信息和数据等统一起来，有利于灵活、一致、动态的共享机制的实现。

图2 计算机化制造网格工作流体系架构

2.1 工作流定义服务

工作流定义的功能是以活动的类型、时序关系和约束值为边界条件，通过工作流建模工具定义工作流模型。

用户通过制造网格Portal提交的任务被分解成若干个活动，用户对产品的服务质量（QoS）需求也根据一定规则被分解和转换为对活动的QoS约束，活动的QoS约束是工作流实例化时查找资源的依据，如果工作流实例化时不能发现满足活动QoS约束的资源，可以与用户进行QoS协商，请求降低用户的QoS需求。

2.2 工作流引擎服务

工作流引擎一个重要的任务是制造网格工作流实例的创建，根据工作流定义阶段创建的业务过程中的参数，对工作流模型生成相应的工作流实例。工作流引擎服务是整个流程实例成功执行的核心部分，它包括流程解析、资源查找接口、任务调度、异常处理等功能。

工作流建立时期和工作流运行时期都可以通过信息服务接口查询当前网格环境中资源的状态和性能。

2.3 制造网格信息系统

制造网格信息系统(MGIS)负责在制造网格中获取、发送、索引、存档和其它有关制造网格资源的属性以及状态信息的处理。

MGIS与传统的静态注册服务的不同之处在于：在MGIS上注册的制造网格资源是动态的，有一定的生命周期并且储存在MGIS上的状态信息是动态更新的。在这种动态的工作机制下，资源使用者不仅能够根据资源的类型搜索制造资源，还能够根据资源最新的状态信息以及其它资源使用者对其的评价等信息选择合适的制造资源，从而使制造网格中的资源搜索与发现更有效。

3 工作流模型设计

工作流模型是工作流系统的执行对象。一种通用的工作流定义模型能带来两方面的好处：由某种工作流建模工具产生的工作流定义可以在多种工作流运行系统中执行；通过输出一种通用的工作流定义到其它工作流系统可以使工作流之间实现协作。WfMC提出图3所示的工作流的元模型来描述工作流定义中的对象、对象关系和属性，以此形成一个工作流信息交换的格式集合的基础。

图3 工作流元模型

WfMC 定义的元模型只是给出了一个相对简单的工作流模型表示基础，以便不同工作流产品间的互换。一个实际的工作流模型还需要在其上做相应的扩展，本文对现有工作流的模型进行了补充，建立了一种多维子模型的制造网格工作流模型框架，如图4所示，过程模型、组织模型、资源模型、数据模型、服务模型和服务质量模型描述了制造网格中产品开发过程的不同侧面，它们的集成可以完成对制造网格中业务流程的全部描述。

计算机化制造网格工作流模型表示为七元组，MGFlowM＝＜Pro, Org, Res, Dat, MS, QoS,Rs＞，其中，Pro表示过程模型、Org表示组织模型、Res表示资源模型、Dat表示数据模型、MS表示服务模型、QoS表示服务质量模型、Rs表示这些模型之间的所有关系。

图4 计算机化制造网格工作流模型

1）过程模型是工作流模型的核心，它描述过程及过程中各个活动的内部运作机制和活动间的联系。它直接映像了产品全生命周期的各个阶段，它是产品开发过程建模的核心模型，过程模型不仅从其它模型中提取信息，反过来也将自身建立过程中所产生的新信息反馈给其它模型，驱动它们的修改完善。

2）组织模型是用于描述流程参与人员组成关系的模型，组织模型为过程模型提供执行和决策者信息，为信息模型提供组织数据关系，为资源模型提供资源管理者信息。

3）资源模型描述了资源的分类、资源构成、资源属性、资源之间的联系。

4）数据模型表示过程定义中涉及到的工作流相关数据。它包括输入/输出参数、内部变量、全局变量、可被所有的工作流实例访问应用程序中的数据外部对象，以及系统与环境数据等。

5）服务模型是制造资源封装为制造服务的模板，它定义了资源封装的属性和接口。

6）服务质量模型定义了资源的服务质量标准，每个质量标准都反映资源非功能属性的某些方面性质，是工作流实例化时查找和选择资源的约束条件

4 结论

计算机化制造网格工作流技术对制造网格的发展有重大意义，是制造网格平台必不可少的组成部分。虽然本文针对制造网格的特点，已建立起适应于制造网格工作流体系架构和模型，但在理论和实践方面尚有许多工作要做，仍有待于进一步研究。

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