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服务型制造模式下网格工作流的特殊网
结构模型#
高新勤，李言，杨明顺，徐二宝，袁启龙*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20096118120003）；国家自然科学基金资助项目
（60903124）；中国博士后科学基金资助项目（20100480080）；陕西省教育厅科研计划资助项目（09JK614）
作者简介：高新勤，（1976-），男，博士，副教授，在站博士后，主要研究方向：制造系统和制造过程的
信息建模、分析与优化
（西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安 710048） 5
摘要：制造与服务的高度融合增强了服务型制造模式下业务过程的复杂性。为了支持制造企
业构建跨组织的协同业务过程，实现资源共享与协同工作，将网格工作流技术引入服务型制
造领域，构建了服务型制造模式的体系框架。针对服务型制造模式下协同业务过程的构建要
求，建立了基于特殊网结构的网格工作流模型，采用多色集合理论和哈希表对该网格工作流
模型的逻辑结构（形式化描述）和物理结构（存储方法）进行了研究。结合应用实例验证了10
所提方法的正确性和有效性。
关键词：服务型制造；协同业务过程；网格工作流；多色集合；特殊网结构
中图分类号：TP311；TH166
SNS model of grid workflow under service-oriented 15
manufacturing
GAO Xinqin, LI Yan, YANG Mingshun, XU Erbao, YUAN Qilong
(School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi'an University of Technology,
Xi'an 710048)
Abstract: The high fusion of manufacturing and service increases the complexity of business 20
process under service-oriented manufacturing. In order to establish cross-organizational
collaboration business process and realize resource sharing and collaborative work for
manufacturing enterprises, the grid workflow technology was introduced into service-oriented
manufacturing and the systematic framework of service-oriented manufacturing mode was
constructed. Aiming at the modeling requirement of collaborative business process under 25
service-oriented manufacturing, the grid workflow model based on special net structure (SNS) was
structured. The polychromatic sets (PS) theory and hash table were used to research the logic
structure (formal description) and physical structure (storage method) of the grid workflow SNS
model. An application case was provided to illustrate the correctness and feasibility of the
proposed approach. 30
Keywords: service-oriented manufacturing; collaborative business process; grid workflow;
polychromatic sets (PS); special net structure (SNS)
0 引言
在全球经济从产品经济向服务经济过渡的背景下，一种新的产业形态---服务型制造孕育35
而生[1,2]。在服务型制造模式下，制造企业之间通过提供生产性服务和服务性生产，在更加
紧密的专业化分工和业务协作中为顾客提供符合其个性化需要的广义产品（产品+服务）。
因此，如何支持制造企业构建跨组织的协同业务过程，实现分散化制造资源的整合和各自核
心竞争力业务的高度协同，成为服务型制造模式运行中一个至关重要的问题[3]。
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40
并发展的，其核心是动态形成虚拟组织，实现资源共享与协同工作[4,5]。服务型制造环境中
的资源具有异构性、分布式的特点，制造企业通过非核心业务的外化，将自身聚焦在最有效
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的环节，相互之间通过提供服务（包括生产性服务和服务性生产），动态集成不同组织或企
业间的优势资源，最终为顾客提供满足其需要的产品服务系统。由此可见，服务型制造是典
型的网格问题，网格平台可以为服务型制造提供一个敏捷、柔性、高效、低成本的通用协作45
平台。
在服务型制造模式下，除了制造过程本身所具有的业务逻辑复杂、业务种类繁多、数据
量大等特点外，协同业务过程还涉及多个步骤、资源和过程，而且任务的执行也比较复杂，
包含很多时间、空间和资源方面的约束条件[3,4]。为了高效自动地完成协同业务过程的各项
制造活动，及时主动地掌握业务过程中各个关键环节的执行情况，迫切需要由网格工作流技50
术对服务型制造模式的协同业务过程进行构建、调度和监控[6]。本文将网格工作流技术引入
服务型制造领域，构建了服务型制造模式的体系框架，针对服务型制造模式下协同业务过程
的建模问题，提出了基于特殊网结构的网格工作流建模方法。
1 服务型制造模式的体系框架
在服务型制造模式下，相互提供“服务”的各个企业处于不同地域，这使服务型制造模55
式下的协同业务过程运行在异构和分布的环境中。另外，顾客的全程参与也使服务型制造模
式下的协同业务过程变得更加动态和复杂[7,8]。因此，需要建立一个多层次的服务型制造模
式的体系框架，为服务型制造模式下协同业务过程的实施提供技术支持[9]。
在服务型制造模式的体系框架中，服务提供企业需要集成自身的优势资源，将其以服务
的形式进行设计、描述和封装，并通过 Intranet/Extranet/Internet，由统一的平台发布。处于60
盟主地位的服务请求企业需要收集和分析市场机遇，根据产品全生命周期内各个环节的服务
需求，对服务提供企业提供的服务进行服务搜索、匹配、组合和优化，完成产品全生命周期
的业务过程，最终为顾客提供满足其需求的产品服务系统。在这个过程中，网格工作流作为
核心支持技术，对服务型制造模式下协同业务过程进行建模、实例化和监控执行。此外，服
务型制造模式的整个框架还需要以操作系统、基础数据库、知识库等作为支撑。 65
基于上述分析，构建服务型制造模式的体系框架如图 1所示。
（1）用户应用层
用户应用层置于体系框架的最顶层。在该层，服务请求企业基于网格工作流技术，采用
工作流建模工具，建立协同业务过程模型。然后通过制造服务搜索匹配机制，找到协同业务
过程模型中每个制造活动需要的候选制造服务；通过制造服务组合优化机制，创建最优的制70
造服务配置方案，完成业务过程的实例化。在此基础上，通过制造服务向制造资源的映射，
调用各个企业的制造资源来协同执行业务过程。
（2）制造业务层
该层以产品全生命周期中的各个制造环节为对象，根据制造领域知识和经验，将制造任
务分解为粒度合适的制造活动，同时要理清各个制造活动之间的逻辑顺序关系，并定义每个75
制造活动的制造服务需求。
（3）制造服务层
在制造服务层，主要完成优势资源的服务虚拟化。制造资源经过服务设计、服务描述后，
被封装成可识别的数据化信息，允许其他企业通过制造服务的搜索来实现对底层制造资源的
调用，解决了制造资源的分布性和异构性问题。 80
（4）制造资源层
该层表示各个企业通过 Intranet/Extranet/Internet所共享的优势制造资源，不仅包括物理
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的生产要素，如汽车制造企业的生产设备，还包括服务于产品制造过程中的所有信息和技术
要素，如金融服务等。
（5）基础数据层 85
基础数据层处于整个体系框架的最底层，通过操作系统、数据库和知识库等各种方式为
参与服务型制造模式运行的制造资源提供数据和信息，支持服务型制造模式下协同业务过程
的自动执行。
在服务型制造模式的体系框架中，网格工作流技术、服务的搜索匹配和组合优化都是重
要的关键技术。 90
产品全生命周期
服务设计 服务维护服务发布服务封装服务描述
生产性服务与服务性生产
服务需求 服务配置、优化服务搜索、匹配
市场
调查
产品
装配
产品
制造
产品
设计
市场
分析
产品
销售
产品
使用
产品
维护
产品
回收
建立业务过程 执行业务过程实例化业务过程
网格工作流
知识库基础数据库操作系统 方法库
制造资源层
制造服务层
制造业务层
用户应用层
基础数据层
Intranet / Extranet / Internet
……
……
图 1 服务型制造模式的体系框架
Fig. 1 Systematic framework of service-oriented manufacturing mode
2 基于网格工作流的协同业务过程 95
在服务型制造模式的体系框架中，基于网格工作流的协同业务过程具有完整的生命周
期，主要包括三个阶段：协同业务过程的建立阶段、协同业务过程的实例化阶段和协同业务
过程的执行阶段，如图 2所示。
在协同业务过程的建立阶段，服务请求企业针对产品全生命周期中的各个环节，采用形
式化和图形化相结合的建模工具，建立协同业务过程的网格工作流模型。该模型的各个节点，100
即为制造活动，节点之间的连线表示各个制造活动之间的顺序逻辑关系。
根据顾客的特定需求，系统进入协同业务过程的实例化阶段。在该阶段，系统分析网格
工作流模型中各个节点所定义的制造活动的服务需求，通过服务搜索匹配机制，从所有的制
造服务（制造服务池）中找到逻辑上能够完成制造活动的制造服务或服务组合，实现制造活
动与制造服务的逻辑关联[10]。当候选制造服务或服务组合只有一种时，该候选服务或服务105
组合将被确定为实际分配的服务。图 2中制造活动 a2和 a5就属于这种情况。但是在更多情
况下，可能获得多个满足制造活动服务需求而具有不同服务质量（Quality of Service, QoS）
参数的候选服务，如图 2 中制造活动 a3和 a4。此时，就需要采用数理统计或智能算法，从
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数量层面给制造活动动态优选单个确定的制造服务或服务组合，完成制造服务的优化配置。
110
图 2 服务型制造模式下协同业务过程的生命周期
Fig. 2 Life cycle of collaborative business process under service-oriented manufacturing
由于制造服务与底层的制造资源之间存在映射关系，所以经过实例化获得的由制造服务
连接而成的协同业务过程很容易映射为由制造资源连接而成的协同业务过程。最终的协同业115
务过程由服务请求企业和各个服务提供企业的制造资源协同完成。
综上所述，在服务型制造模式下，协同业务过程的整个生命周期经历了从网格工作流模
型到模型实例化，再到模型执行三个阶段，实现了从制造活动到制造服务，再到制造资源的
动态逐级映射。整个生命周期以制造资源的服务化封装和共享为前提，以制造活动的业务逻
辑为依据，以制造活动与制造服务的自动匹配和动态绑定为目标，最终获得了一个由多个制120
造服务的配合和编排连接而成的、可由跨组织的制造资源共同执行的协同业务过程。从服务
型制造模式下协同业务过程的生命周期可以看出，网格工作流的建模过程最为关键，它是协
同业务过程运行和控制的基础和依据，下面先引出特殊网结构，然后研究基于特殊网结构的
网格工作流建模方法。
3 特殊网结构及其形式化描述与存储 125
特殊网结构及其特点
在工程实践中经常用到这样一种特殊的网结构（或叫特殊图结构），它和传统的网结构
一样，也主要包含两种类型的元素：节点和边（关系），但却还具有一些不同于传统网结构
的特点：
（1）只存在一个起始节点和一个终止节点。在传统的网结构中，各个节点是等价的，130
任意两个节点仅仅是名字上的不同，它们的任何其他性质在形式上并没有表示出来。然而，
特殊网结构具有两个特殊的节点：一个起始节点和一个终止节点，前者只有后继节点而无前
驱节点，后者只有前驱节点而无后继节点。
（2）从起始节点到终止节点有多条路径，任何节点都必须处于从起始节点到终止节点
的一条路径上。在传统的网结构中，允许存在孤立节点，即不与任何节点相连的节点。然而，135
特殊网结构不允许包含没有前驱节点的节点（唯一的起始节点除外）、没有后继节点的节点
（唯一的终止节点除外）和既无前驱节点又无后继节点的孤立节点。
（3）节点之间关系复杂但关系类型却是确定的，要符合某几种规则。在传统的网结构
中，任何节点之间都可以存在关系（边），但这些关系没有类型之分。然而，在特殊网结构
中，节点之间的关系可以任意存在，但关系的类型是确定的。也就是说，特殊网结构不仅表140
明了任意两个节点之间是否存在连接关系，而且也表明了相互连接着的节点之间具体的连接
关系类型。
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（4）几个节点可以通过某些规则构成一个基本结构，几个基本结构之间又可以相互嵌
套形成更加复杂的特殊网结构。这样形成的特殊网结构易于进行形式化的逻辑结构验证，也
是特殊网结构不同于传统的网结构的地方。 145
特殊网结构的形式化描述
通过前驱节点和后继节点，特殊网结构的节点可以分为起始节点、终止节点和普通节点。
从特殊网结构的组成来看，每个节点本身并不需要着色。但是特殊网结构的边不仅需要表明
任意两个节点之间是否存在连接关系，而且还需要表明相互连接着的节点之间具体的连接关
系类型。所以特殊网结构的边是需要着色的。从本质上讲，特殊网结构是一个具有无色节点150
和有色边的图，是一种特殊的多色图，可以通过多色集合理论进行形式化的描述。
特殊网结构的统一着色、节点的多色集合和边的多色集合可以分别描述如下
F(G) = F(C) (1)
PSA = A (2)
PSC = ( C, F(C), [C×F(C)] ) (3) 155
因此，特殊网结构可以用多色图形式化描述为
PGSNS = ( A, C, F(C), [C×F(C)] ) (4)
其中，A为特殊网结构的节点集合，表示为
A = {ai | 1≤ i ≤ n} (5)
C为特殊网结构的边的集合，表示为 160
C = {ci,j, | 1≤ i, j ≤ n} (6)
在实际的应用中，特殊网结构的边通过节点集合 A的自相关矩阵[A×A]得到。在该矩阵
中，所有满足条件 ci,j = 1的元素构成的集合即为特殊网结构的边的集合 C。
F(C)为特殊网结构的边的统一着色，是由任意两个相互连接着的节点之间具体的连接关
系类型构成的集合，可表示为 165
F(C) = {Fk | 1≤ k ≤ m} (7)
[C×F(C)]为特殊网结构的边与统一着色之间的关系，在该布尔矩阵中，如果特殊网结
构的边 ci,j被涂上“颜色”Fk来表示节点之间连接关系的类型，那么对应的布尔元素 rik即为
1。
综上所述，特殊网结构能够进一步用多色图描述为 170
PGSNS = [(A×A)×F(C)] (8)
其中，(A×A)是节点集合 A与自身的笛卡尔积。F(C) = {Fk | 1≤ k ≤ m} 是特殊网结构
的边的统一着色，表示两两节点之间所有可能的连接关系类型集合。Fk为 Fk (ai, aj)的缩写。
这样，特殊网结构可以用多色集合形式化描述为一个二维表，如图 3所示。
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(a1,a2)
F1 ... Fk ... Fm
...
(a1,an)
...
(ai,ai+1)
...
(ai,aj)
...
(ai,an)
...
(an-1,an)
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
175
图 3 特殊网结构的多色集合形式化描述
Formal description of special net structure in PS
特殊网结构模型的物理存储方法
特殊网结构是一个随着变量 n（节点的数量）和 m（连接关系类型的数量）的增大而无180
限扩展的二维表，可形式化组成复杂的网结构，然而它在计算机中的存储方式却是一个重要
的问题。最简单的办法就是将该二维表以二维数组的方式进行存储，在问题规模不大的情况
下这样做是可以的，也是能够被工程界接受的。但是随着问题规模的扩大，节点的数量和节
点之间连接关系类型的数量会迅猛增加，如果继续采用二维数组存储该特殊网结构，势必会
导致两个问题：第一，存储空间占用量大；第二，在后续进行结构验证时搜索空间大。事实185
上，在超大的二维表中，只有一部分信息是有用的，大量的信息是没有用的。我们只需要存
储有用信息即可。基于这种考虑，采用 Hashtable是一种更为经济的存储方式。
Hashtable通常称为哈希表，用于表示键/值对的集合，这些键/值对根据键的哈希代码进
行组织，每个元素都是一个存储于 DictionaryEntry 对象中的键/值对。键不能为空引用，但
值可以。在 C#中，Hashtable最常用的构造函数有两种： 190
public Hashtable ();
public Hashtable (int capacity);
其中，capacity是指 Hashtable对象最初可包含的元素的近似数目。
将 Hashtable作为特殊网结构在计算机中的存储方式，只存储有用信息，解决了存储空
间占用量大的问题，而且 Hashtable具有许多属性（如 Count、Keys、Values等）和方法（如195
Add、Clear、Remove、Contains等），非常适合于特殊网结构的简化与验证。有关 Hashtable
在编程过程中的具体使用方法可参见相关文献[11]。
4 服务型制造模式下网格工作流的特殊网结构建模方法
特殊网结构的组成
特殊网结构具有广泛的工程应用，下面采用特殊网结构建立服务型制造模式下网格工作200
流模型。此时，特殊网结构的节点 ai 主要包括起始节点、终止节点和普通节点。起始节点
和终止节点分别表示协同业务过程的开始和结束，其他普通节点表示协同业务过程中的各个
制造活动，它们共同组成服务型制造模式下网格工作流模型的节点集合 A。同时，特殊网结
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构的边 ci,j表示协同业务过程中各个制造活动节点之间的连接关系，它们共同组成服务型制
造模式下网格工作流模型的边的集合 C。特殊网结构是一个具有无色节点和有色边的多色205
图，在网格工作流的特殊网结构模型中，边的“颜色”Fk 表示协同业务过程中各个制造活
动之间连接关系的类型，主要有连接弧、与分、与合、或分和或合等，它们共同组成服务型
制造模式下网格工作流模型中制造活动之间连接关系类型的集合 F(C)，简称为关系集，表
示为 F(C) = {F1, F2, F3, F4, F5}。其中，五种连接关系类型的图形符号依次为“ ”、“ ”、
“ ”、“ ”和“ ”。 210
基于特殊网结构的网格工作流模型
在服务型制造模式下，锅炉生产企业作为服务请求企业，在提高自身核心竞争力的同时，
更加关注与其他服务提供企业的协同生产，采用扩散、外委、外协、外购等多种协作形式，
最终为客户提高完整的锅炉产品和整体解决方案。
集箱制造是锅炉生产企业的核心业务过程，它由筒身、端盖或封头、管接头、钢板、弧215
板、耳板、支座等零件装焊而成。集箱制造的各个工序（即制造活动）可能构成四种基本结
构：顺序结构、并行结构、选择结构和迭代结构，如图 4所示。
（a）顺序结构 （b）并行结构
220
（c）选择结构 （d）迭代结构
图 4 集箱制造活动构成的四种结构
Four constructs of heater manufacturing activities
采用已开发的工作流建模软件，基于特殊网结构，建立集箱协同制造工艺过程的网格工225
作流模型如图 5所示。在图 5中，制造活动 a1与 a2之间的关系为“或分”F4（符号为“ ”），
则可以用多色集合将其形式化描述为 F4 (a1, a2)=1。在哈希表中的存储方法如下：
Hashtable hashtable = new Hashtable();//定义一个哈希表
("a1,a2", "或分");//初始化哈希表，其中“键”为制造活动节点对（中
间用逗号隔开），“值”为制造活动节点对之间的关系类型 230
其他制造活动及其连接关系类型的形式化描述和物理存储方法与此类似。
以网格工作流的特殊网结构模型为基础，可以对集箱协同制造工艺过程进行结构分析、
时间验证、路径求取和整体性能分析。基于网格工作流的特殊网结构模型，还可以对制造服
务进行搜索与匹配，找到集箱协同制造工艺模型中每个制造活动需要的候选制造服务；还可
以对候选制造服务进行组合与优化，创建最优的制造服务配置方案，完成制造工艺过程的实235
例化。在此基础上，通过制造服务向制造资源的映射，调用各个企业的制造资源来协同执行
集箱制造工艺过程。
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图 5 集箱制造工艺的网格工作流模型
Grid workflow SNS model of heater manufacturing process 240
5 结论
制造与服务的高度融合，极大地增强了服务型制造模式下协同业务过程的复杂性。本文
基于网格工作流技术，建立了服务型制造模式的体系框架，提出了服务型制造模式下网格工
作流的特殊网结构建模方法。基于多色集合理论，对服务型制造模式下网格工作流的特殊网245
结构模型进行了形式化描述。采用哈希表作为该特殊网结构模型在计算机中的物理存储方
式，节省了存储空间，缩小了结构验证时的搜索范围。由于服务型制造模式下协同业务过程
的跨组织等特点，所以有关网格工作流特殊网结构模型中制造活动与制造服务的匹配、优化
等问题还需要做更深入研究。
250
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