張 富，周 進

(華北水利水電學院，河南鄭州 450011)

網(wǎng)格空間信息工作流研究

張 富，周 進

(華北水利水電學院，河南鄭州 450011)

在現(xiàn)有Grid，Workflow，Web Service和OpenGIS等技術(shù)的基礎上提出網(wǎng)格空間信息工作流的概念.給出了網(wǎng)格空間信息工作流的類型和技術(shù)特征.分析了網(wǎng)格空間信息工作流的體系結(jié)構(gòu)和支持技術(shù).

空間信息;網(wǎng)格;工作流;OpenGIS;Web Service

經(jīng)歷過WebGIS，ComGIS和 EmbedGIS等幾個階段的發(fā)展，GIS已經(jīng)完成了功能與用戶界面、功能與數(shù)據(jù)的分離，逐漸從一個大的混合體分離為若干個相互獨立又能有機集成的可復用功能組件(服務)，GIS的下一步進化將是功能和業(yè)務邏輯的分離，其重點是空間信息服務的建模問題［1］.Ahmed等研究了GIS的空間過程支持問題［2］.Argent等討論了協(xié)同的決策支持過程模型及其應用［3］.Coleman等開發(fā)了基于工作流的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)［4］.Visser等研究了地理空間過程的語義問題以及和專業(yè)模型的集成方法［5］.這些研究都是從某一個側(cè)面進行的，沒有一個統(tǒng)一的框架.

工作流是業(yè)務過程的一個計算機實現(xiàn)，是一種對工作進行優(yōu)化的方法:通過加強各個工作之間的通信和交流，形成協(xié)同，從而達到優(yōu)化.它反映業(yè)務過程的如下幾方面的問題:業(yè)務過程要做什么，怎么做，由誰來做，做得怎么樣［6］.工作流最大的優(yōu)點是實現(xiàn)了應用邏輯與過程邏輯的分離，可以在不修改具體功能的情況下，通過修改業(yè)務模型來改變系統(tǒng)功能.

因此，將工作流技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合，建立空間信息工作流管理系統(tǒng)，提供對空間業(yè)務的定義、管理、執(zhí)行和控制功能，可以使GIS發(fā)展中遇到的上述問題得到有效解決.而OpenGIS規(guī)范定義的分布式異構(gòu)空間數(shù)據(jù)訪問和互操作標準，為空間信息工作流的實現(xiàn)提供了互操作接口和協(xié)議方面的支持;Web Service技術(shù)的發(fā)展解決了分布式空間信息服務之間的通信和交互問題;網(wǎng)格為空間信息工作流的定義、執(zhí)行提供了計算環(huán)境.

1 工作流技術(shù)

工作流技術(shù)發(fā)端于20世紀70年代中期辦公自動化領域的研究工作，工作流思想最早出現(xiàn)在1968年Fritz Nordsieck利用信息技術(shù)實現(xiàn)工作流程自動化的想法［7］.早期的工作流技術(shù)主要應用于圖像處理領域和電子郵件領域.

1993年8月，工作流技術(shù)標準化的工業(yè)組織——工作流管理聯(lián)盟(Workflow Management Coalition，WfMC)成立［8］.1994 年，工作流管理聯(lián)盟發(fā)布了用于工作流管理系統(tǒng)之間互操作的工作流參考模型，并相繼制定了一系列工業(yè)標準.

目前對工作流沒有完全統(tǒng)一的定義，對工作流的不同理解形成了不同的定義.

WfMC給工作流下的定義是:工作流是一類能夠全部或者部分自動執(zhí)行的業(yè)務過程，它根據(jù)一系列過程規(guī)則，文檔、信息或任務能夠在不同的執(zhí)行者之間進行傳遞與執(zhí)行［9］.

清華大學的范玉順教授給工作流下的定義是:工作流是一種構(gòu)建業(yè)務過程的計算機化的模型，它是為了在計算機環(huán)境支持下實現(xiàn)業(yè)務過程集成與業(yè)務過程自動化而建立的可由工作流管理系統(tǒng)執(zhí)行的業(yè)務過程［10］.

雖然不同組織或個人給出的定義不同，但本質(zhì)上差別并不大.工作流技術(shù)也可以看成是一種大粒度的編程模式，它們都是為了達到用戶的某個目的對所用資源進行抽象并按照一定的邏輯關系協(xié)調(diào)執(zhí)行，且都提供系統(tǒng)運行平臺、開發(fā)平臺和一定的建模工具與設計方法等.工作流可以成為應用程序之間的“黏合劑”.

2 網(wǎng)格空間信息工作流

如圖1所示，網(wǎng)格空間信息工作流(Grid Spatial Information Workflow，GSIW)是空間信息工作流和網(wǎng)格相結(jié)合的產(chǎn)物，它處于科學工作流、網(wǎng)格工作流以及Web Service工作流的交叉部，它是建立在網(wǎng)格這一平臺基礎之上的一種新的空間信息應用形式.GSIW關注的是如何將網(wǎng)格環(huán)境下的空間信息業(yè)務過程用計算機能理解和執(zhí)行的形式表達出來，進一步說，它關注如何準確表達用戶的空間信息業(yè)務邏輯，如何對多個由網(wǎng)格資源來實現(xiàn)的活動進行協(xié)調(diào)，如何對運行在網(wǎng)格環(huán)境下的流程進行監(jiān)控等一系列問題.

圖1 GSIW工作流、Grid工作流、科學工作流以及Web Service工作流之間的關系

從整體上來講，GSIW的研究還沒有被正式提出，現(xiàn)有的研究主要集中在網(wǎng)格和空間信息服務的集成框架方面［11－12］.筆者嘗試以現(xiàn)有文獻為基礎給出網(wǎng)格空間信息工作流的定義并分析其體系結(jié)構(gòu).

目前國內(nèi)合成材料市場消費保持較快增長，進口持續(xù)放緩，市場壓力緩解，供需平穩(wěn)。根據(jù)當前原油、煤炭等原材料價格趨勢分析，后市合成材料市場價格將保持高位運行態(tài)勢，漲勢趨緩。

定義1 空間信息工作流(Spatial Information Workflow，SIW)是空間信息業(yè)務過程的一種計算機化的表示模型.它把一個完整的空間信息業(yè)務過程分解成定義良好的任務、角色、規(guī)則、活動、數(shù)據(jù)流和過程等元素來進行描述、建摸、執(zhí)行和監(jiān)控.這些元素包括完整的業(yè)務過程中每一個步驟的定義、步驟間的執(zhí)行順序、執(zhí)行條件、數(shù)據(jù)流的路徑、每一步驟由誰負責以及每個活動所需的應用程序和資源等，其目的是實現(xiàn)業(yè)務的集成、功能的增值(集成單一功能以形成新的、功能更強大的功能)、協(xié)同合作以及流程的自動化.

SIW是涉及多任務協(xié)調(diào)執(zhí)行的活動，這些任務分別由不同的處理實體來完成.用來執(zhí)行任務的處理實體可以是人，也可以是一個應用程序.

定義2 網(wǎng)格空間信息工作流(Grid Spatial Information Workflow，GSIW)是在網(wǎng)格環(huán)境下，利用網(wǎng)格來連接分布式的空間信息資源和服務，通過構(gòu)建空間信息工作流來實現(xiàn)分布式空間信息資源的共享和協(xié)同合作.

GSIW與商業(yè)工作流的區(qū)別表現(xiàn)在:①GSIW以數(shù)據(jù)為中心，商業(yè)工作流是以指令和消息為中心;②GSIW的各個部分都是空間相關的，并受到空間語義的約束;③GSIW中的活動與子流程是以特定的空間操作或空間分析模型為主的，處理對象類型繁多、算法復雜［13］.

GSIW的提出就是要打破傳統(tǒng)GIS封閉性的體系結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖2所示.GSIW試圖充分利用Grid這個開放的、分布的、共享和協(xié)作性的信息基礎設施，虛擬化分布式的空間數(shù)據(jù)集、服務、模型和文檔等數(shù)據(jù)和資源，使之能夠在OGSA/WSRF框架內(nèi)注冊和發(fā)現(xiàn);其實施途徑是:擴展空間信息服務(GI Services)使之能夠和OGSA/WSRF無縫集成;引入工作流的思想和方法，實現(xiàn)網(wǎng)格空間信息服務(Grid GI Services)的綜合利用和知識發(fā)現(xiàn)，提供高級的空間信息經(jīng)驗服務(GI Experience Services)和空間信息知識服務(GI Knowledge Services);采用門戶的方式作為應用的總?cè)肟?，自下而上的?gòu)建空間信息應用，實現(xiàn)空間信息資源和服務的分布式管理、動態(tài)組合和按需集成.其最終目標就是要實現(xiàn)服務集成、功能增值、協(xié)同合作以及流程的自動化.

圖2 網(wǎng)格空間信息工作流

按照應用類型的不同，GSIW可分為3種類型:

1)事務型.事務型GSIW是指數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、備份等事務性的空間信息過程.它按照預先定義好的流程，程序性地組合空間分析功能、命令或者服務，以達到對結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)進行加工和處理的目的，通常不需要專業(yè)領域的知識.

2)決策型.決策型GSIW是指與空間操作和空間分析模型相關的輔助決策型應用(如區(qū)域規(guī)劃、資源配置等).它通常是一個結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化知識的混合體，往往涉及多目標優(yōu)化和多約束條件，必須綜合運用業(yè)務知識、空間信息處理技術(shù)和有效的交互手段.

3)服務型.服務型工作流往往是以位置查詢、地圖瀏覽為主的服務型應用.其重點是地圖服務、描繪服務、地址編碼和匹配服務以及這些服務的組合.

3 網(wǎng)格空間信息工作流的體系結(jié)構(gòu)

GSIW試圖利用網(wǎng)格技術(shù)來連接和訪問分散在不同地方的海量空間數(shù)據(jù)、模型、功能等資源，并能夠根據(jù)不同的應用需求，實現(xiàn)資源的動態(tài)組合和按需集成.筆者提出了圖3所示的GSIW體系架構(gòu).它包括4個層次，6個主要部分:空間信息資源、空間信息門戶，網(wǎng)格空間信息工作流，WSRF，GSDAI和OGC Web Service.

圖3 網(wǎng)格空間信息工作流的體系結(jié)構(gòu)

3.1 空間信息資源

空間信息資源包括:空間數(shù)據(jù)資源、計算資源、存儲資源、處理工具和軟件以及用戶.其特點是種類繁多、數(shù)據(jù)量大、處理復雜、共享困難.網(wǎng)格環(huán)境下，空間信息資源應用的需求可以概括為［14］:①一體化的空間信息資源組織;②海量空間信息共享;③高性能的協(xié)同分析處理;④分布式的空間數(shù)據(jù)服務與功能服務集成;⑤統(tǒng)一、高效、按需服務的應用環(huán)境.

3.2 空間信息語義

由于空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容和來源的差異，空間數(shù)據(jù)可能存儲在分布且異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，如何根據(jù)用戶請求返回符合需求的空間數(shù)據(jù)是GSIW重點要解決的問題.在網(wǎng)格環(huán)境中，空間數(shù)據(jù)的存儲有自身的復雜性，存在異源、異構(gòu)等多種情況，采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫訪問方法很難滿足網(wǎng)格用戶的要求.GSDAI的目標是通過網(wǎng)格為空間數(shù)據(jù)訪問和集成提供統(tǒng)一的服務接口.

3.3 空間信息語法

空間信息服務的應用貫穿空間信息獲取、共享、分析、處理和應用的全流程，各種空間信息服務實現(xiàn)了各種空間信息分析和處理功能，通過將各種空間信息服務進行組合和集成，來動態(tài)地創(chuàng)建空間信息應用［14］.

OpenGIS網(wǎng)絡服務(OWS)是一個基于開放標準的在線空間信息服務框架，這個框架允許無縫集成在線地理處理和位置服務.OWS的目的是提供一個與廠商無關的互操作框架，該框架可以實現(xiàn)對各種地理數(shù)據(jù)、位置信息和分析處理功能的發(fā)現(xiàn)、存取、集成、分析、利用和可視化.

OWS定義了清晰的空間信息服務接口和交互規(guī)范，是從空間信息語法的角度來解決空間信息的共享和互操作問題.

3.4 空間信息語用

GSIW以一種新的結(jié)構(gòu)、方法和技術(shù)來管理、訪問、分析、整合分布的空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間信息的有效共享與互操作.

網(wǎng)格空間信息工作流在WS－Resource的基礎上實現(xiàn)對資源的服務化、服務編排以及業(yè)務的建模.GSIW中，工作流管理是整個系統(tǒng)的核心，它實現(xiàn)了流程的解釋和執(zhí)行、任務的分配和調(diào)度.空間信息工作流試圖從語用的角度來解決空間信息的共享和互操作問題.

3.5 空間信息門戶

如圖4所示，空間信息門戶是整個系統(tǒng)功能的入口，提供空間數(shù)據(jù)和功能服務的發(fā)布、查詢和訪問功能以及元數(shù)據(jù)的收集更新和建立目錄服務等.

圖4 空間信息門戶

利用空間信息門戶，各種資源和服務就可以讓任何用戶在任何時間基于任何平臺進行調(diào)用.

4 結(jié)語

Grid，OpenGIS和Workflow是GSIW的3個主要支撐技術(shù)，它們分別從資源連通、空間信息互操作接口標準和業(yè)務建模等方面為GSIW提供了構(gòu)建思路.

網(wǎng)格空間信息工作流是面向空間信息領域的新的空間信息應用模式，其目標是業(yè)務集成、功能增值、協(xié)同合作以及流程的自動化.它代表著空間信息應用的發(fā)展方向.它能夠?qū)⒒诓煌Z言的，在不同平臺上運行的各種空間信息分析處理程序集成起來.通過GSIW應用程序可以用標準的方式把應用程序功能和數(shù)據(jù)“暴露”出來，形成標準的應用接口，進而實現(xiàn)系統(tǒng)互操作和應用服務的集成.

GSIW作為一種新形式的空間信息應用主要用于以下幾個方面:

1)需要跨機構(gòu)、跨地域共享各類分布異構(gòu)空間信息資源的應用.

2)需要對各種分布式空間信息資源進行遠程調(diào)用、協(xié)同處理和任務建模的應用.

3)需要大量空間數(shù)據(jù)操作和分析計算的應用.

4)需要將空間信息和領域模型進行深度集成的應用.

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Research of Grid Spatial Information Workflow

ZHANG Fu，ZHOU Jin
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

Based on the existing technologies of Grid，Workflow，Web Services and OpenGIS etc.，the concept of Grid Spatial Information Workflow(GSIW)was put forward.The types and technical characteristics of GSIW were presented as well as its structure and supporting technologies were analyzed.

spatial information;grid;workflow;OpenGIS;Web Service

1002－5634(2011)05－0027－04

2011－06－28

華北水利水電學院高層次人才科研啟動項目(001321).

張 富(1977—)，男，河南駐馬店人，講師，高級程序員，博士，主要從事規(guī)劃GIS、圖文工作流、信息安全方面的研究.

(責任編輯:蔡洪濤)