CN103065221A

CN103065221A - 基于bpel的多学科协同优化流程建模与调度的方法和***

Info

Publication number: CN103065221A
Application number: CN201210579817XA
Authority: CN
Inventors: 周军华
Original assignee: Beijing Simulation Center
Current assignee: Beijing Simulation Center
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度方法和***，方法包括创建基于BPEL的多学科优化流程；对所述流程建模文件进行解析；生成多学科优化设计流程实例；执行所述多学科优化设计流程实例；记录所述多学科优化流程在迭代过程中的日志文件并提供对所述日志文件的查看服务。***包括流程创建模块、流程解析模块、流程运行实例创建模块、流程实例执行模块和流程执行日志记录模块。本发明在运行调度方面，面向服务，支持网络间服务调用，与当前的云计算能有很好的结合；在建模方面，能够屏蔽不同学科的建模原理、模型形式、输入输出的不一致性，快速构建单级和多级的多学科优化流程。

Description

基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度的方法和***

技术领域

本发明涉及一种多学科协同优化流程建模与调度方法，特别是一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度的方法和***。

背景技术

复杂工程***的设计往往涉及多门学科，多学科设计优化MDO（Multidisciplinary Design Optimization），是解决复杂工程***的设计优化的一种有效方法和工具。MDO的目的可概括为：（1）通过充分利用各个学科之间的相互作用所产生的协同效应获得***的整体最优解；（2）通过实现并行计算和设计缩短设计周期；（3）采用高精度的分析模型提高设计结果的可信度。MDO方法的任务是将各学科或各子***分析模型集成一体，以实现上述三个目标。

这些分析模型可以通过多种仿真应用软件（包括计算结构力学、计算流体力学、计算声学、多体动力学、计算电磁学等多种常用商业软件）的集成调用来实现。

随着云计算技术的发展，这些仿真应用软件及其他提供开放接口的各类软件应用可以很方便的集成到云平台下（如已有的SimCloud仿真云计算平台）。但是如何提供灵活的方式来编排仿真云计算平台下的各个仿真服务实现更大功能的优化设计任务，是需要迫切解决的问题。

从本质上，这类服务和普通的Web服务有相同之处，那么这个问题就转化为如何定义一类Web服务编排语言这个共性问题。

在Web服务组合编排方面，主要的研究集中于以工作流的思路来构建Web服务流程，只不过它和传统的工作流不同之处在于传统工作流的活动节点是由任务来完成的，但是支持Web服务组合流程编排语言支持的活动是Web服务完成的，当然目前两者的思想互有渗透。考虑到现有多学科协同优化设计平台转向云计算平台，则该面向多学科协同设计的流程建模也借鉴服务流程编排语言来实现，这方面最有影响力也最权威的非可执行的业务流程语言BPEL(Business Process Execution Language)莫属了。

BPEL与基于状态的工作流管理***（简称WFMS）的区别在于：

（1）基于状态(stated based)VS面向消息(message oriented)：基于状态的WMFS***主要对图元(Activity)状态的变迁管理，工作流引擎维护和计算活动之间的转移条件。而BPEL则是由一个消息激发流程的创建和运行，BPEL流程内部每个Service都会被一个onMessage消息上配置的event handler触发，等到执行了event handler事件后会产生下一个活动执行的onMessage消息源，同时触发下一个活动执行。

（2）流程实例IDVS消息相关性：基于状态的WFMS***会在创建流程实例时为每个实例产生一个唯一ID标示。客户端可以通过引擎提供的相关API调用这个流程实例执行、停止、挂起。BPEL则是用一组唯一标示的消息来确定要创建的流程实例是哪个，这个唯一标示的消息用correlation(相关性)包装起来，其中定义了消息的名称，消息个数，消息的类型。BPEL引擎会自定的匹配这组消息到一个流程定义的receive活动上，最后创建一个新的流程实例。

（3）工作流引擎API VS抽象服务端口：要执行一个XPDL的工作流文件必须要用工作流引擎提供的一组API去调用，以便管理控制、执行和访问流程实例。例如：启动一个流程实例必须要告诉流程定义的名称。而BPEL则是作为一个服务暴露给外部调用，用的是面向服务(service oriented)的概念，例如调用一个bpel需要告诉激发bpel的消息相关性和业务伙伴是谁。相关性和业务伙伴分别是用WSDL描述的消息和服务，BPEL内部调用的最终是一个WebService。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度方法和***，实现对服务进行调度，完成相关任务，解决基于流程的多学科优化设计中的模型/工具等资源的自动组合、求解与优化等问题。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度方法，包括以下步骤：

创建基于BPEL的多学科优化流程，并将该多学科优化流程保存为流程建模文件，所述流程建模文件包括节点和节点属性；所述节点用于描述处理具体事件的操作和流程流转条件，所述节点属性表征所述节点的属性参数；

对所述流程建模文件进行解析获得所述处理具体事件的操作和流程流转条件，以及属性参数；

根据所述处理具体事件的操作和流程流转条件以及所述属性参数将流程定义模板实例化，生成多学科优化设计流程实例；将该实例置于消息队列并处于“就绪”状态；

执行所述多学科优化设计流程实例；

记录所述多学科优化流程在迭代过程中的日志文件并提供对所述日志文件的查看服务。

进一步地，所述执行所述多学科优化设计流程实例进一步包括以下步骤：

调用BPEL引擎，驱动所述多学科优化流程运行；

所述BPEL引擎监听请求或返回的消息是否被触发，该消息包括所述多学科优化设计流程运行过程中获得的具体数值；

当所述请求或返回的消息被触发后，将对所述消息与所述消息队列中的业务流程实例进行匹配操作；

如果该消息与所述多学科优化设计流程实例匹配成功，则将该流程实例转换为“执行”状态；

所述BPEL引擎比较所述具体数值与所述流程流转条件；

如所述具体数值满足所述流程流转条件，则执行下一步的Web服务调用操作，该流程实例重新转换为“就绪”状态，进入消息等待队列；如不满足，则直接将该实例的状态转换为“就绪”，并进入所述消息队列。

当收到消息后已经完成了调用请求-响应操作指定的方法服务，则将该流程实例的状态转换为“结束”，在向所述BPEL引擎及所述流程实例执行模块返回包含该状态转换的结果信息后，该流程实例将被所述BPEL引擎注销。

相应地，本发明的一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度***，包括：流程创建模块、流程解析模块、流程运行实例创建模块、流程实例执行模块和流程执行日志记录模块；

所述流程创建模块，用于创建基于BPEL的多学科优化流程，并将该多学科优化流程保存为流程建模文件，所述流程建模文件包括节点和节点属性；所述节点用于描述处理具体事件的操作和流程流转条件，所述节点属性表征所述节点的属性参数；

所述流程解析模块，用于对所述流程建模文件进行解析获得所述处理具体事件的操作和流程流转条件，以及属性参数，并启动所述流程运行实例创建模块；

所述流程运行实例创建模块，用于根据所述处理具体事件的操作和流程流转条件以及所述属性参数将流程定义模板实例化，生成多学科优化设计流程实例；将该实例置于消息队列并处于“就绪”状态；

所述流程实例执行模块，用于执行所述多学科优化设计流程实例；

所述流程执行日志记录模块，用于记录所述多学科优化流程在迭代过程中的日志文件并提供对所述日志文件的查看服务。

进一步地，所述流程实例执行模块，进一步用于调用BPEL引擎，驱动所述多学科优化流程运行；

用于所述BPEL引擎监听请求或返回的消息是否被触发，该消息包括所述多学科优化设计流程运行过程中获得的具体数值；

用于当所述请求或返回的消息被触发后，将对所述消息与所述消息队列中的业务流程实例进行匹配操作；

用于如果该消息与所述多学科优化设计流程实例匹配成功，则将该流程实例转换为“执行”状态；

用于所述BPEL引擎比较所述具体数值与所述流程流转条件；以及，

用于如所述具体数值满足所述流程流转条件，则执行下一步的Web服务调用操作，该流程实例重新转换为“就绪”状态，进入消息等待队列；如不满足，则直接将该实例的状态转换为“就绪”，并进入所述消息队列。

进一步地，所述流程实例执行模块，进一步用于在收到消息后已经完成了调用请求-响应操作指定的方法服务，则该流程实例的状态将变为“结束”，在向所述BPEL引擎及所述流程实例执行模块返回包含该状态转换的的结果信息后，该流程实例将被所述BPEL引擎注销。

本发明的有益效果是：

(1)基于BPEL的工作流将Web服务作为企业业务和应用的实现形式，可以解决原有不同平台应用***之间的整合问题，使原有IT投资的效益最大化，并为企业业务流程的自动化提供了技术基础。

(2)在竞争日益激烈的今天，基于BPEL的工作流可以实现不同企业间业务的快速关联，企业只需关注自己的核心业务，而非核心业务由其他业务伙伴来完成，从而形成企业之间的强强联合。

(3)BPEL工作流可以使企业针对市场的变化对业务流程做出快速调整，这种灵活应对市场的能力，同样将给企业带来更大的竞争力。

附图说明

下面将参照附图并结合实施例对本发明进行具体说明。

图1为本发明具体实施例中两个学科***之间的关系图；

图2为本发明具体实施例中CO框架示意图；

图3为采用流程创建模块建模的流程图界面；

图4为优化算法节点属性设置界面示意图示意图；

图5为if条件节点的属性设置界面示意图；

图6为流程解析模块的界面示意图；

图7为流程运行实例创建模块界面示意图；

图8为流程实例执行模块界面示意图；

图9为流程执行日志记录模块界面示意图；

图10为本发明***结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图并借助本发明的实施例，对本发明的技术方案做详细描述。

本发明提供一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度方法和***，面向服务的架构SOA（Service-Oriented Architecture），采用Web服务组合来实现对流程的定义。

一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度方法实现是通过五个模块来完成的，包括：流程创建模块、流程解析模块、流程运行实例创建模块、流程实例执行模块和流程执行日志记录模块。流程创建模块负责基于BPEL的多学科优化流程的创建，创建的流程信息保存为符合BPEL规范的XML描述文件。流程解析模块主要负责对流程建模文件的解析。运行实例创建模块根据解析得到的相关信息，生成多学科优化设计流程实例。流程实例执行模块负责Web服务请求的调度、消息列队、状态转换的管理。执行日志记录模块记录了多学科优化流程迭代过程中的相关信息，查看日志文件，可以辅助对优化问题进行分析。流程运行实例创建模块在流程解析模块启动后自动启动，而流程执行日志记录模块在流程实例执行模块启动后自动启动。

第一步：启动多学科优化流程创建模块

创建基于BPEL的多学科优化流程，并将该多学科优化流程保存为流程建模文件，所述流程建模文件包括节点和节点属性；所述节点用于描述处理具体事件的操作和流程流转条件，所述节点属性表征所述节点的属性参数。

通过可视化建模界面可进行所需业务流程的设计与模型的建立，通过图形化节点工具的选择绘制与拖拽以及节点属性对话框的设置，完成特定业务流程的流程模型。

业务流程的主体由各种类型的节点构成，节点类型可归纳为两个大类：处理具体事件的类型和体现流转条件的类型。处理具体事件的活动节点有：invoke、receive、reply、assign、throw、wait、extensionActivity、exit和rethrow。其中，invoke用于调用请求-响应操作；receive用于等待一个匹配的消息到达；reply用于发送消息回答接收的消息；assign用于更新数据；throw用于发送内部故障信号；wait用于等待给定的时间段或者直到某个时刻到来；empty不做任何事情，提供同步点；extensionActivity用于扩展活动；exit用于立即结束流程；rethrow用于抛出故障。

体现流转条件的节点有：sequence、if、while、repeatUntil、pick、flow和forEach。其中，sequence表示顺序处理；if表示条件行为；while和repeatUntil表示重复执行；pick用于选择性事件处理；flow用来指定并发执行的一个或多个活动；forEach用于处理多分支。

节点属性指的是用来表征节点的参数。例如对于优化算法节点如图4所示，则需要指定算法库、算法名称，以及选择算法输入参数、算法输出参数等属性。

而对于if条件判断节点，则需要对分支表达式进行描述，如图5所示，需要填写if条件表达式、else if表达式列表、else if表达式等属性信息。

流程创建模块根据节点、节点属性生成符合BPEL规范的流程建模文件，该流程建模文件通常是XML描述文件。

第二步：启动流程解析模块

流程解析模块启动后，将读取流程建模模块生成的符合BPEL规范的XML描述文件，并对文件进行解析，获取流程的节点以及节点属性等相关信息，进而获得所述处理具体事件的操作和流程流转条件，以及属性参数。

第三步：运行实例创建模块

流程解析完成后，在引擎的管理控制之下，根据所述处理具体事件的操作和流程流转条件以及所述属性参数将流程定义模板实例化，生成多学科优化设计流程实例；将该实例置于消息队列并处于“就绪”状态。

第四步：启动流程实例执行模块

在流程实例化之后，就可以启动流程实例执行模块，流程实例执行模块负责Web服务请求的调度、消息列队、状态转换的管理。流程实例执行模块里面封装了BPEL引擎的相关方法。在流程运行过程中，流程实例执行模块会调用引擎提供的接口，从而驱动多学科优化流程的运行。流程实例执行模块的执行过程如下：

流程实例执行模块调用BPEL引擎（以下简称引擎），驱动所述多学科优化流程运行。在引擎监听到用户发出的运行流程实例的请求或返回的消息被触发后，将对收到的该请求或返回的消息进行匹配操作。。

如果该消息与正处于消息队列的多学科优化设计流程实例匹配成功，则该流程实例进入“执行”状态。此时，引擎将通过调用所述流程解析模块解析出的包括流程流转条件的信息。根据多学科流程运行过程中获得的所述具体数值与该流程流转条件进行比较，决定是否进行下一流程环节。当引擎收到流程最后一个节点的返回消息后，表示已经完成了业务流程所定义的所有操作即调用请求-响应操作invoke指定的方法服务和其它节点指定的操作，则该流程实例的状态将变为“结束”，在向BPEL引擎和流程实例执行模块返回该状态转换的结果信息后，该流程实例将被引擎注销。

如果该消息与正处于消息队列的多学科优化设计流程实例匹配失败，则该流程实例重新变为“就绪”状态，进入消息队列。

本发明利用一个多学科优化案例来对本发明的实施方式进行说明。

以一个包含两个学科***的例子来说明，两个学科***之间的关系如图1所示。问题的描述形式为：

子***1：

y_{1} = T_{1} (x {, y}_{2}) = x_{1}^{2} + x_{2} + x_{3} - 0.2 y_{2}

子***2：

y_{2} = T_{2} (x, y_{1}) = x_{1} + x_{3} - \sqrt{y_{1}}

优化目标函数：

Min : F = x_{2}^{2} + x_{3} + y_{1} + \exp (- y_{2})

s.t.:g₁=8-y₁≤0

g₂=y₂-10≤0

-10≤x₁≤10

0≤x₂≤10

0≤x₃≤10

在解决此多学科优化问题过程中，我们采用较为典型的协同优化方法CO来解决。采用CO方法后，多学科优化问题转化为如图2所示问题。

图2中，CO框架的运行过程如下：

（1）***级优化层将设计变量X₀的初值传给子***层；

（2）子***优化层根据X₀，在学科内部开展优化设计，计算出学科局部设计变量的最优值X₁和X₂。在这一步中，存在多次循环迭代，需要反复在子***优化层和学科层进行计算；

（3）子***优化层将最优设计的J₁和J₂反馈给***层，***层根据J₁和J₂的值来判断运行过程是否结束。如果J₁和J₂在某个可允许的范围内，则迭代结束，得到最终的结果，反之，***层进行优化，给出下次迭代的设计变量值，并跳至第（2）步。

1、利用流程创建模块进行建模

采用流程建模模块建模的流程图如图3所示：

在流程图中，调用服务1指的是调用学科模型进行计算，由于学科模型较为简单，采用的是C代码编写。调用优化算法1指的是调用学科优化器进行迭代求解，优化算法较为复杂，采用matlab语言编写。学科模型和matlab优化模型均以服务形式提供。服务化的matlab模型接口部分代码如下所示：

2、流程解析模块

在BPEL进程管理界面中，可以上传流程建模产生的XML描述文件，然后，流程解析模块将自动对XML文件进行解析，如图6所示。

XML文件部分描述如下：

4、流程运行实例创建模块

在BPEL进程管理界面中，可以发布流程。流程经发布后，流程运行实例创建模块将创建一个运行实例，如图7所示。

5、流程实例执行模块

在BPEL进程管理界面中，可以启动流程。流程实例执行模块将调用BPEL引擎驱动流程运行，如图8所示。

6、流程执行日志记录模块

流程运行结束后，可以查看流程运行过程和结果，如图9所示。

基于BPEL的多学科优化建模与调度方法与现有的一些多学科优化建模与调度方法相比主要优点如下：

（1）在运行调度方面，面向服务，支持网络间服务调用。与当前的云计算能有很好的结合。

（2）在建模方面，能够屏蔽不同学科的建模原理、模型形式、输入输出的不一致性，快速构建单级和多级的多学科优化流程。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明的保护范围仅由随附权利要求书限定。

Claims

1.一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度方法，包括以下步骤：

执行所述多学科优化设计流程实例；

2.根据权利要求1所述的基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度方法，其特征在于：

所述执行所述多学科优化设计流程实例进一步包括以下步骤：

调用BPEL引擎，驱动所述多学科优化流程运行；

所述BPEL引擎比较所述具体数值与所述流程流转条件；

3.根据权利要求1所述的基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度方法，其特征在于：

4.一种基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度***，其特征在于，包括：

流程创建模块、流程解析模块、流程运行实例创建模块、流程实例执行模块和流程执行日志记录模块；

5.根据权利要求4所述的基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度***，其特征在于：

所述流程实例执行模块，进一步用于调用BPEL引擎，驱动所述多学科优化流程运行；

6.根据权利要求4所述的基于BPEL的多学科协同优化流程建模与调度***，其特征在于：

所述流程实例执行模块，进一步用于在收到消息后已经完成了调用请求-响应操作指定的方法服务，则该流程实例的状态将变为“结束”，在向所述BPEL引擎及所述流程实例执行模块返回包含该状态转换的的结果信息后，该流程实例将被所述BPEL引擎注销。