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面向情境的科学工作流建模及其定量分析研究

作　者: 范晓亮
导　师: 李廉
学　校: 兰州大学
专　业: 计算数学
关键词: 科学工作流建模情境建模情境图虚拟筛选决策支持模型定量分析
分类号: TP311.52
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

由于缺乏灵活性和共享支持,长期以来科学工作流建模过程面临着如何将科学家的假说演进为科学发现的挑战。为了解决灵活性和共享难题,国内外相关研究工作已经进行了诸多尝试。然而现有方法的显著缺点之一是普遍缺乏一种统一的表达形式来建模科学工作流的灵活性。因而无法有效地封装科学工作流组件来辅助科学家进行实时决策。此外,已有科学工作流模型往往过分依赖于流程和数据本身,却忽视了在特定情况下获取用户需求的重要性。总之,现有方法普遍缺乏一种“以用户为中心”的决策支持建模方法,以便在给定形势下满足用户的特殊需求。本文重点研究如何为科学工作流建立一种统一的表达形式,使得科学家的知识,推理过程以及实验过程中产生的情境信息得以统一地表达。首先,本文提出了科学工作流建模亟需引入情境(Context)概念及其相关理论。其次,提出了面向情境的科学工作流框架(简称CoF4SWF)——称之为“概念框架”,以便在科学工作流生命周期内通过“面向情境SWF元模型,,和“情境图,,(简称CxGs)等情境建模工具,统一、明晰地表达情境模型、为科学家提供决策支持,并增量地获取科学家的新知识。第三,通过应用AHP多层分析模型来构建“明晰表达情境的决策支持模型”,其核心是三种方法：(1)用户从系统中获得决策支持；(2)系统自动地生成所有可能的科学工作流模型；(3)用户和系统通过交互来共同设计模型。该决策支持模型为科学工作流建模的定量分析奠定了基础。第四,“实现框架”方面,我们将CoF4SWF概念框架实现为面向情境的科学工作流原型系统(简称CxSWF)。第五,通过“抗禽流感病毒H5N1虚拟筛选研究”示范应用来验证和评价CxSWF原型系统。最后,经过调查问卷的定量分析以及内部和外部的双重评估,CoF4SWF方法论以及示范应用的假说从整体上得到了验证。本文主要的贡献有：第一,提出了研究科学工作流建模的面向情境方法论,通过示范应用开展定量分析研究,并对方法论进行了综合验证和评估；第二,识别了面向情境SWF决策支持模型中的明晰表达情境的三种方法；第三,探索了情境图在科学工作流情境建模中所发挥的作用。本文的原创性表现在：首先,引入“情境”概念对科学工作流的灵活性和共享特征进行表达,进而支持科学家的动态决策过程；其次,将情境表达为知识的状态,为建立通过实践学习而增量扩充的科学工作流知识库创造条件；最后,充分共享科学工作流中的情境信息,使科学工作流模型逐渐成为科学发现中必不可少的补充成果之一。

全文目录

中文摘要  5-6
Abstract  6-11
图例  11-13
表例  13-14
縮略语  14-16
第一章引言  16-28
  1.1 论文概述  16-18
  1.2 研究领域概述  18-21
    1.2.1 科学工作流模型  18-19
    1.2.2 科学工作流的决策支持模型  19-20
    1.2.3 科学工作流的情境建模  20-21
  1.3 问题陈述概述  21-22
  1.4 方法论概述  22-24
  1.5 论文贡献概述  24
  1.6 论文组织结构  24-28
第二章国内外研究现状  28-66
  2.1 科学工作流及其数学模型  28-46
    2.1.1 工作流  28-31
    2.1.2 科学工作流及其数学模型  31-32
    2.1.3 科学工作流模型的应用和BPEL语言  32-37
    2.1.4 科学工作流模型的生命周期  37-40
    2.1.5 科学工作流模型的视图  40-41
    2.1.6 科学工作流模型的灵活性  41-44
    2.1.7 科学工作流模型的共享  44-45
    2.1.8 工作流模型和科学工作流模型的对比  45-46
  2.2 科学工作流的决策支持模型  46-48
    2.2.1 决策支持模型概述  46-47
    2.2.2 决策支持模型在科学工作流中的表达  47-48
  2.3 情境模型与科学工作流  48-57
    2.3.1 情境模型及其概念框架  48-51
    2.3.2 情境模型的实现框架  51-54
    2.3.3 过程和实践  54-55
    2.3.4 情境模型考虑用户的需求  55-56
    2.3.5 情境感知工作流模型  56-57
    2.3.6 其它的情境模型和方法  57
  2.4 科学工作流模型、决策支持模型与情境模型  57-58
  2.5 AHP层次分析模型  58-61
  2.6 虚拟筛选示范应用概述  61-64
  2.7 本章小结  64-66
第三章问题陈述  66-84
  3.1 问题概述  66-68
  3.2 “对接准备”场景  68-70
  3.3 问题陈述一：不明晰的情境模型表达  70-74
    3.3.1 区分过程与实践  70-71
    3.3.2 明晰表达情境模型的必要性  71-74
  3.4 问题陈述二：不完善的动态决策模型  74-77
    3.4.1 科学工作流对决策支持模型的需求  74-76
    3.4.2 用户缺少决策支持模型  76-77
  3.5 问题陈述三：不完整的SWF模型共享机制  77-83
    3.5.1 myExperiment项目面临的共享挑战  77-81
    3.5.2 语义注释的局限性  81-82
    3.5.3 科学工作流生命周期中的共享难题  82-83
  3.6 本章小结  83-84
第四章面向情境的科学工作流方法论  84-120
  4.1 本文所使用的“情境”定义  85-87
  4.2 概念框架  87-96
    4.2.1 元模型概述  87-89
    4.2.2 概念框架的需求  89-90
    4.2.3 CoF4SWF概述  90-93
    4.2.4 面向情境SWF元模型  93-96
  4.3 明晰表达情境的决策支持模型  96-109
    4.3.1 传统科学工作流的生命周期  96-98
    4.3.2 去情境化、情境化和重情境化  98-101
    4.3.3 明晰表达情境的三种方法  101-107
    4.3.4 明晰表达情境的决策支持模型研究  107-108
    4.3.5 科学工作流灵活性和共享的解决方案  108-109
  4.4 实现框架  109-117
    4.4.1 实现框架概述  109-110
    4.4.2 系统架构  110-111
    4.4.3 实现方案  111-113
    4.4.4 情境图和BPEL  113-117
    4.4.5 讨论  117
  4.5 示范应用准备  117-118
    4.5.1 定量分析方案  117-118
    4.5.2 评价方案  118
  4.6 本章小结  118-120
第五章示范应用  120-160
  5.1 示范应用介绍  120-124
  5.2 调查问卷和结果分析  124-133
    5.2.1 问卷概述  124
    5.2.2 问卷的设计方案  124-125
    5.2.3 第一个问卷  125-128
    5.2.4 第二个问卷  128-131
    5.2.5 第三个问卷  131-133
    5.2.7 问卷的综合评价  133
  5.3 CxSWF原型系统  133-142
    5.3.1 系统需求  134-135
    5.3.2 面向情境SWF元模型的实现  135-137
    5.3.3 明晰表达情境的决策支持模型的实现  137-142
  5.4 实验结果分析  142-151
  5.5 定量分析结果  151-154
  5.6. 示范应用评价  154-158
    5.6.1 内部评价  154-156
    5.6.2 外部评价  156-158
  5.7 本章小结  158-160
第六章结论和展望  160-166
  6.1 研究挑战的应对  160-162
  6.2 本文贡献的讨论  162-165
    6.2.1 两方面的方法论  162-163
    6.2.2 明晰表达情境的三种方法  163-164
    6.2.3 情境图在科学工作流建模中的作用  164
    6.2.4 其它贡献  164-165
  6.3 未来工作  165-166
参考文献  166-178
在学期间的研究成果  178-182
致谢  182-186
附录  186-194
  附录1：第一个调查问卷  186-188
  附录2：第二个调查问卷  188-190
  附录3：第三个调查问卷  190-193
  附录4：第四个调查问卷  193-194

面向情境的科学工作流建模及其定量分析研究

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