科學工作流建模方法之計算機研究

來源: www.bnzqvc.live 作者:vicky 發布時間:2019-10-31 論文字數:34584字
論文編號: sb2019092814234428034 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇計算機論文,本文在對工作流技術深入學習與研究的基礎上,提出了基于時空拓撲的科學工作流模型,設計了模型組成的基本元素,從時間和空間兩個層次對活動建立連接。
本文是一篇計算機論文,本文主要針對科學工作流的建模方法展開研究,充分調研了科學計算領域工作流應具備的特點及需要解決的問題,提出了基于時空拓撲的科學工作流建模方法,設計了模型的過程定義語言,并結合實際應用項目,以開普勒為開發基礎,實現了科學工作流的可視化。

第 1 章   緒論

1.1   科學工作流的產生與發展
1.1.1   工作流技術的產生
工作流技術起源于辦公自動化領域[1],早期的企業管理基本是以書面文字的方式記錄各項業務流程,并以人工的方式進行傳遞。通常對于一項事務的處理,需要經過不同人員的傳送,有些還涉及到文件的簽字、修改、審批等工作,環節眾多,流程繁瑣,其中一項環節出錯,將影響整項工作。在這種模式中,人力是業務每一環節的必要參與條件,上級要想了解當前的進展,如文件在哪個人員手里,是否出現問題,則需要一級一級詢問每一位參與者,不僅費時費力,辦事效率低,且對于文件的保管存在很大的隱患。因此,人們并不希望過度依賴于紙張,而是需要一種通過計算機實現的自動化的辦公管理平臺。八十年代中期[2],一些公司開始將辦公流程中的某些功能結合起來,如圖像掃描、文檔管理、E-mail 應用以及關鍵詞索引等,形成了一種集成化軟件包,這就是工作流管理系統初期的表現形式。進入九十年代[3],信息資源增長速度加快,企業需要對不同地區的業務進行集中管理。針對這個現象,Client/Server 體系結構和分布式處理技術等應運而生。與此同時,工作流技術的應用場景也發生了轉變,由最初的無紙化辦公轉換成企業復雜業務的處理。
早期工作流技術并沒有統一的標準,1993 年,工作流管理聯盟(Workflow Management Coalition-WFMC)成立[4],對工作流中的一些名詞給出了基本的解釋和定義。自此,工作流技術的發展進入相對成熟的階段,越來越多的學者投入到工作流的研究中。到 1997 年[5][6],行業中已經有 70 多種工作流管理產品,根據其任務項所采用的機制不同,大致分為四種類型:基于 Web 的工作流系統,通過 WWW 來完成任務間的協作;基于文件的工作流系統,以共享文件的方式實現任務項的傳遞;基于消息的工作流系統,通過用戶的 e-mail 來完成任務項的傳遞;群件與套件系統[7],這類系統依賴于自己系統內部的應用程序基礎架構,構成一個完整的應用開發環境,集成消息傳遞、數據庫、日志管理與文檔管理等功能。
在實現辦公自動化的過程中,工作流技術是不可或缺的關鍵技術。各行各業應用工作流不僅可以有效簡化操作步驟,提升辦事效率,通過對業務流程的建模和深入分析,還能發現流程中不適用的環節,進而進行適當的優化或重組,為企業不斷完善流程體系。同時,根據不同行業的不同需求,工作流技術還可以和其他應用系統有效結合,形成新的背景環境下的管理系統。
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1.2   國內外科學工作流管理系統發展現狀
1.2.1   工作流管理系統結構模型
工作流管理系統是一個提供對工作流創建、執行、運行結果可視化的管理平臺,WFMC 對工作流管理系統給出的定義如下[24]:“工作流管理系統是一個軟件系統,它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”。不同的開發者針對企業的特定需求對工作流管理系統有不用的實現方式,從比較高的層次來抽象,工作流管理系統都提供以下三種功能[25]:
(1)模型建立階段:創建工作流模型,設計工作流的過程定義。
(2)模型運行階段:在系統中執行工作流,并且根據工作流的執行狀態和中間結果等信息對工作流進行調整。
(3)人機交互功能:用戶可以在工作流執行過程中完成對工作流監控、參數設置、資源配置等操作。
圖 1.2 所示是工作流管理系統三個主要功能之間的關系:

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第 2 章   相關技術理論基礎

2.1   工作流標準化參考模型
2.1.1   工作流參考模型
為了對工作流制定統一的技術規范,工作流管理聯盟提出了工作流參考模型[31],描述了工作流管理系統中的基本構成組件和組件間的交互接口,如圖 2.1 所示,各組件的功能描述如下:

工作流引擎:負責解析工作流過程定義文件并執行工作流。
流程定義工具:負責創建工作流,提供給用戶圖形組件,以圖形化的方式定義業務流程。
客戶端應用:與工作流管理系統交互的外部應用,檢查工作流當前的執行狀態,將作業提交到需要運行的工作流節點中。
被調用程序:被工作流執行服務調用的程序,以協作工作流引擎執行工作流實例,并將結果返回到工作流引擎。
工作流執行服務:主要完成對工作流的解析和執行,負責管理系統中的各個工作流實例。
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2.2   工作流建模方法
2.2.1   基于 UML 活動圖的建模方法
UML 是一種可視化的建模語言[34],它定義了一系列圖形符號以及相應的建模規則,可以滿足不同應用場景下的建模需求。
活動圖通過控制流表現活動間的傳遞關系,可描述活動的順序執行、并行執行及條件選擇執行,是工作流建模的強大工具。活動圖通過各個活動節點的狀態變化推動流程的前進方向,特別適合描述企業的業務流程。
(1)UML 活動圖中的建模元素
UML 活動圖提供了豐富的建模元素,用于工作流的建模,如圖 2.4 所示:

活動圖中有兩個特殊的節點,起始節點和終止節點,代表整個流程的觸發與結束,起始節點用一個實心圓表示,終止節點用實心圓外加一個圓圈表示;活動節點表達原子任務或事件;狀態節點表達原子任務或事件的某一狀態;或連接/分支表示條件選擇,選擇滿足條件的分支進行執行;與連接/分支表示同時執行所有分支。
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第 3 章   基于時空拓撲的科學工作流模型 ........................ 23
3.1   模型設計需求 ............................. 23
3.2   時空拓撲的概念 ............................. 24
第 4 章   科學工作流過程定義 ................................... 34
4.1   工作流描述語言 ................................ 34
4.2   工作流過程定義的基本元素 .............................. 34
第 5 章   科學工作流的可視化與項目應用 ...................... 44
5.1   可視化工作流系統的設計 ............................... 44
5.2   “神威·太湖之光”項目應用 ................................. 45

第 5 章   科學工作流的可視化與項目應用

5.1   可視化工作流系統的設計
上一章對科學工作流的描述語言進行了設計,工作流引擎通過讀取 xml 文件,解析文件中的節點定義和關系類型,以可視化的形式展示給用戶,可視化工作流系統包括用戶模塊、工作流引擎、應用模塊三個部分,如圖 5.1 所示:

(1)用戶模塊:用戶模塊負責把創建的工作流實例以圖形化的形式展示給用戶。用戶在界面中創建工作流模型,通過工作流引擎的執行,顯示科學工作流的執行結果。管理員管理用戶的操作權限,工作流服務器提供連接用戶和工作流引擎的接口服務。
(2)工作流引擎:工作流引擎是可視化工作流系統的核心組件,它首先對過程定義文件進行解析,從中提取實體間的關系,組織成工作流模型可視化給用戶,然后初始化工作流實例,最后對工作流的執行性能做出評估。
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第 6 章   總結與展望

6.1   本文工作總結
本文主要針對科學工作流的建模方法展開研究,充分調研了科學計算領域工作流應具備的特點及需要解決的問題,提出了基于時空拓撲的科學工作流建模方法,設計了模型的過程定義語言,并結合實際應用項目,以開普勒為開發基礎,實現了科學工作流的可視化。本文所做的主要工作如下:
(1)深入學習了工作流技術的起源與發展,從辦工作自動化領域邁向科學計算領域的轉化過程,了解了事務工作流和科學工作流的聯系與區別,著重研究了科學工作流應用場景的特點與需求。
(2)深入研究了幾種典型的工作流模型,介紹了各個模型的組成要素、模型間的映射規則和建模方法。通過具體的工作流例子對幾種模型進行了分析比較,說明了各個模型的優點與不足。
(3)針對傳統的建模方法應用于科學計算領域中的不足,提出了基于時空拓撲的科學工作流模型,加入時間關系、數據依賴關系和包含關系,用控制流和數據流傳遞節點間不同類型的信息,同時從時間和空間兩個層次對科學工作流進行建模,實現了工作流模型更立體、全面的表達。
(4)對于本文提出的科學工作流模型,詳細設計了工作流的過程定義語言 STTD,給出了 STTD 的基本構成元素,以及各個元素對應的 xml  schema 表示。并通過簡單的實例對 STTD 加以說明。
參考文獻(略)

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