黃河清

(福建廣播電視大學(xué) 漳州分校，福建 漳州 363000)

1 學(xué)習(xí)流引擎概述

1.1 學(xué)習(xí)流引擎(Learning Flow Engine)的概念

學(xué)習(xí)流引擎(Learning Flow Engine)屬于軟件，它是為學(xué)習(xí)流實(shí)例的執(zhí)行提供運(yùn)行服務(wù)的環(huán)境[1]，稱為“引擎” 。學(xué)習(xí)流引擎負(fù)責(zé)在線學(xué)習(xí)(E-learning)過程的定義和控制、學(xué)習(xí)活動的組織及其執(zhí)行順序的安排、學(xué)習(xí)項(xiàng)目的添加、學(xué)習(xí)應(yīng)用工具的調(diào)用、在線學(xué)習(xí)內(nèi)部數(shù)據(jù)的維護(hù)等等。作為學(xué)習(xí)流(Learning Flow)執(zhí)行服務(wù)的實(shí)體，學(xué)習(xí)流執(zhí)行服務(wù)模塊驅(qū)動著整個(gè)學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，學(xué)習(xí)流引擎是E-learning系統(tǒng)的重要部分，它能為E-learning提供學(xué)習(xí)活動和學(xué)習(xí)過程的有效控制，是學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)的核心[2]。

1.2 學(xué)習(xí)流引擎研究的內(nèi)容

學(xué)習(xí)流引擎(Learning Flow Engine)作為學(xué)習(xí)流(Learning Flow)的核心軟件組元，它決定了整個(gè)學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)(LFMS)的功能和效率。應(yīng)用工作流技術(shù)的基本思想和方法，解決E-learning在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的學(xué)習(xí)流程控制問題，進(jìn)行面向大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)流引擎的模型構(gòu)建及技術(shù)實(shí)現(xiàn)研究，主要有以下幾個(gè)方面：

學(xué)習(xí)流引擎的功能和性能：學(xué)習(xí)流引擎的功能和性能是整個(gè)學(xué)習(xí)流引擎研究中的重點(diǎn)。這方面首先要研究學(xué)習(xí)流程的特點(diǎn)，從需求分析的角度，綜合遠(yuǎn)程教育及其項(xiàng)目要求[3]、教學(xué)支持系統(tǒng)架構(gòu)[4]、教育系統(tǒng)及考試系統(tǒng)功能[5]、參考學(xué)習(xí)型組織的特點(diǎn)[6-8]、及各種教育模式(例如：學(xué)歷教育、社區(qū)教育[7-8]、老年教育[9])的不同需求和共同特征，提取其特征和規(guī)律。研究學(xué)習(xí)情況的因素，總結(jié)在線學(xué)習(xí)的屬性和功能，如自主化、個(gè)性化、智能化等，并應(yīng)用建模技術(shù)和軟件方法構(gòu)建所需學(xué)習(xí)模型的功能[10]。性能方面要提高引擎的執(zhí)行效率、以及同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)的能力。

分布式學(xué)習(xí)流引擎：分布式學(xué)習(xí)流引擎使得學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)能夠支持大范圍、大數(shù)據(jù)、跨地域的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。目前在大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信的環(huán)境下，分布式技術(shù)的支持是E-learning發(fā)展的主流，無論是學(xué)校教育或社區(qū)教育，無論是什么年齡段的人群，都在海量信息中。全民的在線學(xué)習(xí)、智慧學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程教育等等，其核心方法都需要分布式技術(shù)的支持及應(yīng)用。尤其是當(dāng)學(xué)習(xí)流運(yùn)行在大規(guī)模分布式的大數(shù)據(jù)集上時(shí)，學(xué)習(xí)流中的數(shù)據(jù)管理需求更加復(fù)雜。

學(xué)習(xí)流數(shù)據(jù)管理：在大數(shù)據(jù)環(huán)境，學(xué)習(xí)流引擎需要對存儲在云中的學(xué)習(xí)資源大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)束并行運(yùn)算時(shí)，需要對云端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，還可能要對來自各種環(huán)境和各種學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)的相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。因此需要支持大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)流的數(shù)據(jù)管理方案，可行有效的是采用將數(shù)據(jù)存儲和學(xué)習(xí)流的定義和執(zhí)行分離的方法。

引擎的事務(wù)處理能力：指學(xué)習(xí)流引擎應(yīng)對運(yùn)行時(shí)異常和運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤的能力。在引擎的設(shè)計(jì)過程中[1]，必須提供恢復(fù)機(jī)制使得引擎能夠及時(shí)處理異常和錯(cuò)誤并從中恢復(fù)，提高引擎的健壯性和穩(wěn)定性。

柔性學(xué)習(xí)流引擎、動態(tài)學(xué)習(xí)流引擎、智能學(xué)習(xí)流引擎等：主要研究如何提高學(xué)習(xí)流引擎的自適應(yīng)能力。學(xué)習(xí)過程及內(nèi)容是復(fù)雜多變的，有時(shí)在學(xué)習(xí)之前并不能獲得完整的過程定義，而只能獲得部分定義；或者在學(xué)習(xí)流運(yùn)行過程中需要根據(jù)實(shí)際需求動態(tài)修改學(xué)習(xí)流過程定義。因此，學(xué)習(xí)流引擎須適應(yīng)流程的動態(tài)增加和修改，使得增加或修改后的流程能夠正常運(yùn)行。

引擎的安全：這方面主要研究如何提高引擎的安全性能，保證在使用學(xué)習(xí)流的過程中，用戶隱私和機(jī)密信息不會泄露，保證用戶數(shù)據(jù)不受到侵犯，還要防范使用大數(shù)據(jù)出現(xiàn)的安全隱患。

1.3 面向大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)流引擎研發(fā)路徑

在面向大數(shù)據(jù)的需求下，學(xué)習(xí)流中的數(shù)據(jù)管理更加復(fù)雜，需要靈活有效的數(shù)據(jù)管理，用對象存儲的方法構(gòu)建數(shù)據(jù)管理方案，將數(shù)據(jù)存儲與執(zhí)行分離，以支持大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)流，從而使應(yīng)用能在同一時(shí)間對多個(gè)分布式的資源進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)能將某個(gè)任務(wù)(TASK)從某個(gè)執(zhí)行點(diǎn)遷移至另一個(gè)執(zhí)行點(diǎn)，而不需要移動所有數(shù)據(jù)。

有不少流程應(yīng)用的文件管理系統(tǒng)是基于POSIX ( Portable Operating System Interface)，就是說流程中的每個(gè)任務(wù)可打開1個(gè)或多個(gè)輸入文件、進(jìn)行讀和寫等操作，之后關(guān)閉。在這樣的情況下，學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)需要提供可以訪問POSIX 文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運(yùn)行環(huán)境。云端在計(jì)算節(jié)點(diǎn)附近有對象存儲器，可為多個(gè)文件系統(tǒng)提供服務(wù)，如提供存儲、檢索和刪除數(shù)據(jù)對象( 或文件) 等有限的存儲操作。

為了完成學(xué)習(xí)流引擎的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，下面從學(xué)習(xí)流引擎的功能分析與設(shè)計(jì)開始，進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并以基于 JVM的技術(shù)為實(shí)例，將 JVM資源分配和任務(wù)調(diào)度處理的理論和方法用于學(xué)習(xí)流引擎的研發(fā)。采用流程管理以過程為中心，協(xié)同平臺以角色為中心的技術(shù)方法[11]。

2 學(xué)習(xí)流引擎的功能分析與設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)流引擎(Learning Flow Engine)的基本功能包括：控制學(xué)習(xí)過程定義及學(xué)習(xí)活動的導(dǎo)航、提供進(jìn)入學(xué)習(xí)活動或退出學(xué)習(xí)活動的觸發(fā)條件以完成狀態(tài)控制、提供流程并行執(zhí)行或者順序執(zhí)行的選項(xiàng)、提供學(xué)習(xí)流管理信息及數(shù)據(jù)的交換、還提供用戶要執(zhí)行的任務(wù)分配、設(shè)計(jì)用戶操作接口、提供有關(guān)的應(yīng)用程序、對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理等等。下面對這些基本功能進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2.1 學(xué)習(xí)過程定義及信息轉(zhuǎn)換功能設(shè)計(jì)

過程定義導(dǎo)入/導(dǎo)出接口，是過程建模和學(xué)習(xí)流執(zhí)行服務(wù)之間的接口，該接口具有API調(diào)用功能，能進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，因而它是支持過程定義和信息轉(zhuǎn)換的。學(xué)習(xí)流引擎必須在過程定義轉(zhuǎn)換接口中提供對過程定義進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能，學(xué)習(xí)流引擎的過程定義轉(zhuǎn)換功能有[1]：

第一，對過程及其運(yùn)行環(huán)境之間的一個(gè)分離點(diǎn)進(jìn)行定義，使得采用一種建模工具所產(chǎn)生的過程定義，還可以用于其他的學(xué)習(xí)流的輸入，使得用戶對建模的選擇獨(dú)立于對學(xué)習(xí)流管理軟件種類的選擇。

第二，針對能協(xié)同工作的學(xué)習(xí)流引擎及系統(tǒng)，做好提供輸出過程定義的功能，提供分布的運(yùn)行服務(wù)。

使用了過程定義作為接口，并在學(xué)習(xí)流引擎中提供對過程定義進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能。同時(shí)還必須提供一套接口或者API，以實(shí)現(xiàn)各種學(xué)習(xí)過程(例如自主學(xué)習(xí)、培訓(xùn)項(xiàng)目、學(xué)習(xí)型組織等等)的過程定義的解釋和修改等功能[3-5]。

2.2 學(xué)習(xí)過程及活動狀態(tài)控制功能設(shè)計(jì)

控制過程和活動狀態(tài)是學(xué)習(xí)流引擎最重要的功能。學(xué)習(xí)流的工作過程可用狀態(tài)變遷機(jī)器來表達(dá)，在響應(yīng)外部事件，或?qū)W習(xí)流引擎的控制判斷之后，過程或者活動實(shí)例的狀態(tài)隨即發(fā)生變化。

對于過程實(shí)例的基本狀態(tài)變遷[11]如圖1所示，過程定義時(shí)，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)移的前提條件成立，就發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(狀態(tài)轉(zhuǎn)移用箭頭表示)。

圖1 學(xué)習(xí)過程基本狀態(tài)變遷圖

圖1所示的學(xué)習(xí)過程里，其基本狀態(tài)變遷共有五個(gè)狀態(tài)，首先是"初始化"狀態(tài)，此時(shí), 創(chuàng)建過程實(shí)例，創(chuàng)建與過程狀態(tài)相關(guān)的時(shí)間、日期、及各相關(guān)數(shù)據(jù)；處于"初始化"時(shí)，流程尚未被執(zhí)行，因?yàn)閳?zhí)行的條件尚未滿足。啟動后，當(dāng)條件滿足時(shí)，才可以執(zhí)行過程中的活動進(jìn)入“運(yùn)行中”狀態(tài)。例如，過程當(dāng)中的一個(gè)或多個(gè)活動已經(jīng)被執(zhí)行，如果過程里的活動已處于運(yùn)行中，則處于“激活”狀態(tài)。而在過程活動不能執(zhí)行的情況下，則處于“掛起”狀態(tài)。如果過程實(shí)例的結(jié)束條件成立，那么就可以轉(zhuǎn)到“完成”狀態(tài)。如果過程實(shí)例非正常結(jié)束，即中途被停止運(yùn)行，則進(jìn)入“終止”狀態(tài)。

特別注意的是，在此是不允許中斷活動的，學(xué)習(xí)流服務(wù)器開始了某個(gè)活動后，就不允許中途掛起或終止了，如果要中斷，就要等待全部處于運(yùn)行狀態(tài)的活動都結(jié)束以后，過程返回到了正在運(yùn)行中的狀態(tài)，才允許中斷、終止、掛起或重啟等等。在具體處理時(shí)，可建立 “原子單元”， 一個(gè)單元內(nèi)包括幾個(gè)互為相關(guān)的活動，一個(gè)原子單元內(nèi)的各個(gè)活動，必須全部執(zhí)行完，萬一執(zhí)行出現(xiàn)了意外情況，那么就會返回到始點(diǎn)，各個(gè)活動都重新再執(zhí)行。圖2描述了活動實(shí)例的基本狀態(tài)轉(zhuǎn)移[12]。

圖2 活動實(shí)例的基本狀態(tài)轉(zhuǎn)移

圖2所示的活動實(shí)例的基本狀態(tài)有：未激活狀態(tài)，此時(shí)活動早就被創(chuàng)建，但活動的進(jìn)入條件尚未滿足，同時(shí)也沒有需要處理的任務(wù)。激活狀態(tài)：創(chuàng)建好的任務(wù)，分配這個(gè)活動來進(jìn)行任務(wù)的處理。掛起狀態(tài)：此時(shí)活動實(shí)例被暫時(shí)調(diào)離，當(dāng)條件允許時(shí)，才再被調(diào)回。完成狀態(tài)：此時(shí)活動實(shí)例執(zhí)行完成。

所述的基本狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移是每個(gè)學(xué)習(xí)流引擎必備的。當(dāng)然不同類型的學(xué)習(xí)流引擎其實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移的類型可以不盡相同。

2.3 學(xué)習(xí)流的數(shù)據(jù)交換功能設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)流的內(nèi)部控制數(shù)據(jù)支持其內(nèi)部狀態(tài)信息，這種控制數(shù)據(jù)是禁止被訪問和轉(zhuǎn)換的。不過為了響應(yīng)某方面的特殊操作，也需要對外部提供一些相關(guān)內(nèi)容及信息。同種的學(xué)習(xí)流執(zhí)行服務(wù)器，可以通過使用內(nèi)部對話在學(xué)習(xí)流機(jī)之間進(jìn)行信息交換。這些數(shù)據(jù)主要有如學(xué)習(xí)流控制數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)流應(yīng)用數(shù)據(jù)等等[1]；對于這些數(shù)據(jù)的交換和維護(hù)，可以在不同的活動實(shí)例之間、學(xué)習(xí)流引擎與外部應(yīng)用程序之間、學(xué)習(xí)流引擎與學(xué)習(xí)流引擎之間等等，進(jìn)行交互。

學(xué)習(xí)流應(yīng)用程序要實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)交換，可通過學(xué)習(xí)流引擎的下面三個(gè)接口來處理：一個(gè)是客戶端應(yīng)用程序的接口、二是應(yīng)用程序調(diào)用接口、三是學(xué)習(xí)流機(jī)的協(xié)作接口。

2.4 任務(wù)分配和系統(tǒng)接口的功能及其設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)流引擎能分派任務(wù)和信息給參與者，這個(gè)分派的能力是學(xué)習(xí)流引擎的重要區(qū)分特征。在不同的級別上執(zhí)行分派功能(如：學(xué)習(xí)小組、班級、年級、學(xué)校等)，這取決于學(xué)習(xí)流的范圍；還可以使用各種消息傳遞、分布式對象技術(shù)等多種不同的消息機(jī)制。

學(xué)習(xí)流的制定服務(wù)(任務(wù)分配)是核心功能組件，通過引擎的任務(wù)分配接口將任務(wù)提供給用戶、以及分布在學(xué)習(xí)流的范圍內(nèi)的應(yīng)用程序。每一個(gè)這樣的接口都是一個(gè)潛在的、可以與其他學(xué)習(xí)流服務(wù)、其他基礎(chǔ)組件或應(yīng)用程序組件進(jìn)行集成的點(diǎn)[13]。

2.5 用戶操作接口功能和設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)系統(tǒng)里，學(xué)習(xí)流的用戶交互是通過已定義的、客戶端應(yīng)用程序和學(xué)習(xí)流引擎之間的接口進(jìn)行的，最終完成各項(xiàng)自主學(xué)習(xí)及規(guī)定考試任務(wù)[3，6]。

學(xué)習(xí)流引擎客戶端應(yīng)用接口應(yīng)提供的功能有[12]：學(xué)習(xí)流定義操作，即對學(xué)習(xí)流過程、對學(xué)習(xí)流屬性的恢復(fù)或者查詢等等給予定義。建立會話，連接或者斷開客戶與學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)之間的會話。過程控制，對過程實(shí)例進(jìn)行創(chuàng)建/開始/結(jié)束、掛起/喚醒等。還有查詢過程狀態(tài)、任務(wù)表/任務(wù)項(xiàng)處理、過程管理、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用程序調(diào)用等。

2.6 應(yīng)用程序調(diào)用接口功能及設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí)流執(zhí)行的過程中，不可避免地需要調(diào)用外部的應(yīng)用程序，需要對不同平臺及各種環(huán)境下執(zhí)行調(diào)用的邏輯進(jìn)行處理，在大數(shù)據(jù)共享大環(huán)境里，常常要使用公共格式，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)或參數(shù)的傳遞。

學(xué)習(xí)流引擎可在本地使用過程定義中的信息來確定活動的性質(zhì)以及要調(diào)用的程序類型及參數(shù)。供調(diào)用的子程序或者存于學(xué)習(xí)流引擎相同的平臺里，也可能存放在諸如各種云中或其他平臺；為了方便調(diào)用，過程定義應(yīng)有具體的尋址信息和應(yīng)用程序類型的數(shù)據(jù)。

其中，學(xué)習(xí)流引擎的應(yīng)用程序調(diào)用接口的主要功能有[12]：首先是能連接/斷開應(yīng)用程序會話，即能夠創(chuàng)建會話；再者是能開始或掛起以及恢復(fù)或放棄活動，能查詢活動的屬性，這是活動管理；還有重要的功能就是數(shù)據(jù)處理，能提供學(xué)習(xí)流的數(shù)據(jù)或者應(yīng)用程序數(shù)據(jù)或者相關(guān)數(shù)據(jù)地址。

2.7 系統(tǒng)管理功能與設(shè)計(jì)

作為一個(gè)完整的學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)，學(xué)習(xí)流執(zhí)行服務(wù)必須對外界提供一個(gè)用來進(jìn)行系統(tǒng)管理的接口。如果這一接口符合標(biāo)準(zhǔn)，則可以開發(fā)統(tǒng)一的管理工具，對不同的學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)進(jìn)行管理[4-5]。

學(xué)習(xí)流引擎的系統(tǒng)接口的基本功能有[2]：用戶及角色的管理、資源與過程的控制、審查管理、查詢過程狀態(tài)。打開及關(guān)閉過程(或者活動)實(shí)例查詢，提取過程(或者活動)實(shí)例的相關(guān)信息。

學(xué)習(xí)流引擎在實(shí)現(xiàn)上述功能的時(shí)候，并不是將所有的功能都實(shí)現(xiàn)，一般是根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)某幾個(gè)需要的功能，不同的系統(tǒng)往往在功能上相差甚遠(yuǎn)。雖然是面向不同的學(xué)習(xí)用戶及滿足不同的學(xué)習(xí)需求，但是最重要的原因是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尚缺乏。因此，這些功能只作為參考，對于某個(gè)具體的學(xué)習(xí)流，通常不用全部實(shí)現(xiàn)這些功能。但是，對于模型的解釋和對過程和活動的控制是所有的引擎都必須要實(shí)現(xiàn)的功能，這是學(xué)習(xí)流引擎的核心，不具備這種功能就不能稱為學(xué)習(xí)流引擎。

3 學(xué)習(xí)流引擎系統(tǒng)及構(gòu)建

3.1 學(xué)習(xí)流引擎系統(tǒng)方案的構(gòu)建

對于學(xué)習(xí)流參考模型和學(xué)習(xí)流引擎的具體功能，在實(shí)現(xiàn)時(shí)還要考慮很多具體的設(shè)計(jì)問題，需要考慮實(shí)際應(yīng)用中的效率，實(shí)現(xiàn)成本等各種問題。不同的實(shí)現(xiàn)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，一般來說，提出一套學(xué)習(xí)流的實(shí)現(xiàn)方案要考慮3個(gè)方面：

首先要確定學(xué)習(xí)流模型，構(gòu)建學(xué)習(xí)流過程描述及其實(shí)現(xiàn)方案。雖然學(xué)習(xí)流模型和實(shí)現(xiàn)方案之間有一定的關(guān)系，但是他們不能相互確定。就是說，一種方案可以執(zhí)行不同的模型，同一種學(xué)習(xí)流模型可以有不同的實(shí)現(xiàn)方案。學(xué)習(xí)流模型所構(gòu)建的是系統(tǒng)對過程的描述，而學(xué)習(xí)流的實(shí)現(xiàn)方案是學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)自身的運(yùn)行機(jī)制。模型與實(shí)現(xiàn)之間無特定的對應(yīng)關(guān)系。

其次是選擇實(shí)現(xiàn)方案采用的技術(shù)，主要指底層通信基礎(chǔ)。例如：CORBA， DCOM， MQSERIES，WEB服務(wù)器等等。

再次是確定系統(tǒng)的模塊劃分，確定各個(gè)模塊之間的協(xié)作關(guān)系，以完成學(xué)習(xí)流的運(yùn)轉(zhuǎn)。對于不同的設(shè)計(jì)模式，其模塊和協(xié)作的設(shè)計(jì)都可能不相同。

針對學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)的不同要求，其實(shí)現(xiàn)的軟件體系結(jié)構(gòu)也是不同的。設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)流引擎時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)存儲和運(yùn)行環(huán)境的不同要求，構(gòu)建的體系結(jié)構(gòu)相應(yīng)也不同，它們除了具備學(xué)習(xí)流的基本功能外，還可以進(jìn)行應(yīng)用集成，進(jìn)行嵌入式應(yīng)用[13]?；痉椒ㄊ腔诠ぷ髁饕娴膶?shí)現(xiàn)技術(shù)，設(shè)計(jì)所需的學(xué)習(xí)流引擎[3]。

3.2 常見學(xué)習(xí)流引擎及體系結(jié)構(gòu)

從實(shí)現(xiàn)技術(shù)的角度，常見的學(xué)習(xí)流引擎有以下幾種類型：基于Domino的、基于消息中間件的、基于微軟平臺的、基于J2EE的學(xué)習(xí)流引擎。

其中，J2EE采用B/S多層結(jié)構(gòu)的，J2EE技術(shù)架構(gòu)保證了系統(tǒng)能夠進(jìn)行長期穩(wěn)定的功能擴(kuò)展[14]，基于J2EE的學(xué)習(xí)流引擎具有實(shí)現(xiàn)簡單、性能優(yōu)良、系統(tǒng)柔性、擴(kuò)展便捷、配置簡化的優(yōu)點(diǎn)?？梢允箤W(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)具有分布式與跨平臺的特性[15]。因此，基于J2EE的學(xué)習(xí)流引擎是討論的重點(diǎn)，下面詳細(xì)討論基于J2EE的學(xué)習(xí)流。

學(xué)習(xí)流引擎用J2EE架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合JSP、XML與EJB技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其核心用EJB和 JSP編寫，使學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)的柔性提高。如圖3所示是一個(gè)基于J2EE的學(xué)習(xí)流引擎的體系架構(gòu)[16]。該引擎主要包括6個(gè)部件：處在頂端的“解析器”、與“解析器”相連的“流程管理”、接著是處于中心的“執(zhí)行器”、以及“任務(wù)分派”部件、“事件服務(wù)器”部件、“時(shí)間服務(wù)器”部件以及“客戶端接口”[2]。

圖3 基于J2EE的學(xué)習(xí)流引擎體系結(jié)構(gòu)

學(xué)習(xí)流引擎的流程管理模塊主要負(fù)責(zé)流程的執(zhí)行控制，包括啟動、掛起、恢復(fù)和終止。作為引擎的核心，執(zhí)行器負(fù)責(zé)流程中節(jié)點(diǎn)實(shí)例的具體執(zhí)行。為了支持有關(guān)事務(wù)，執(zhí)行器用EJB定義其相應(yīng)J2EE事務(wù)屬性節(jié)點(diǎn)的方法。引擎通過事件服務(wù)器JMS實(shí)現(xiàn)向外部系統(tǒng)發(fā)送及接收事件。

J2EE通過提供計(jì)算環(huán)境所需的服務(wù)，支持多層體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用開發(fā)，從而使部署在J2EE上的多層應(yīng)用具有可擴(kuò)展、安全、可靠、易用的特性[16]。用這種方式可以實(shí)現(xiàn)基于Web的管理，能夠把EJB Server集群，還能夠把EJB分發(fā)到不同的Server上，Server還提供連接池和事務(wù)處理，如：外部USER可通過形如get Connection的方法獲取連接，使用完成后再通過形如release Connection的方法將連接返回，返回后連接沒有關(guān)閉，緊接著由連接池管理器進(jìn)行回收，準(zhǔn)備下一次使用。從而使相應(yīng)的學(xué)習(xí)流引擎具有一定的事務(wù)處理功能，提高了系統(tǒng)的處理性能及效率[15]。

4 基于JVM WF的學(xué)習(xí)流引擎的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)流引擎時(shí)，將工作流技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合，采用JVM WF的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，進(jìn)行解決方案的構(gòu)思及引擎的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。采用將JVM實(shí)現(xiàn)原理中對資源的分配和任務(wù)的調(diào)度處理等理論和方法，構(gòu)建以過程為中心的流程管理和以角色為中心的協(xié)同工作相結(jié)合的學(xué)習(xí)流引擎，充分考慮了學(xué)習(xí)流中的學(xué)習(xí)情況因素，從而保證學(xué)習(xí)流引擎調(diào)度的高效率、高性能以及穩(wěn)定性[12]。

4.1 引擎總體架構(gòu)

學(xué)習(xí)流引擎的組成包括三大核心模塊：一是過程解釋器、二是引擎控制器，第三是協(xié)同中心。學(xué)習(xí)流引擎的總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 學(xué)習(xí)流引擎的總體架構(gòu)圖

過程解釋器：它是學(xué)習(xí)流引擎的一個(gè)對外接口，引擎通過過程解釋器獲取模型。對學(xué)習(xí)流模型和其他流程模型進(jìn)行解釋，并向引擎控制器和協(xié)同中心傳遞學(xué)習(xí)流模型。

引擎控制器：它是學(xué)習(xí)流引擎的核心部分，位于學(xué)習(xí)流實(shí)例的運(yùn)行中心，各個(gè)重要模塊，包括創(chuàng)建功能、激活功能、掛起功能、終止功能，以及過程實(shí)例的運(yùn)行狀態(tài)間的切換也是由引擎控制器完成的。

協(xié)同中心：處理用戶的協(xié)同、任務(wù)的執(zhí)行，完成引擎控制器所生成的任務(wù)以及資源的協(xié)調(diào)工作。

4.2 過程解釋器設(shè)計(jì)

作為接口工具的過程解釋器，它位于學(xué)習(xí)流建模工具與學(xué)習(xí)流引擎之間，過程解釋器解釋學(xué)習(xí)流模型并傳遞給學(xué)習(xí)流引擎。使用直觀、友好的學(xué)習(xí)流建模工具進(jìn)行學(xué)習(xí)流程建模時(shí)，建模工具會自動地將學(xué)習(xí)模型翻譯為學(xué)習(xí)流引擎能夠識別的語言(如APDL)。

如何對一維模型語言進(jìn)行解釋、獲取模型的信息是過程解釋器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?？墒褂肵ML語言進(jìn)行模型描述，因此需要使用對XML格式文檔進(jìn)行解釋的技術(shù)。在系統(tǒng)建模中使用XML語言描述學(xué)習(xí)過程模型，對XML的解析有兩種比較常用的方法：SAX(Simple API for XML)和DOM(Document Object Model)[12]。

事件驅(qū)動方法SAX是用于處理 XML 的接口和軟件包，它提供對XML文檔的低級訪問，內(nèi)存消耗小。DOM是以面向?qū)ο?OO)方式描述的文檔模型，其邏輯結(jié)構(gòu)是節(jié)點(diǎn)樹。經(jīng)解析XML文件，其元素經(jīng)過轉(zhuǎn)化成為DOM文檔節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的類型例子有如Document、Element、Type、Comment等，其中每一個(gè)DOM有一個(gè)Document根節(jié)點(diǎn)。它可以有子節(jié)點(diǎn)，或者葉子節(jié)點(diǎn)如Text節(jié)點(diǎn)、Comment節(jié)點(diǎn)等。DOM 和 SAX 的主要差異是它們的 API 結(jié)構(gòu)。SAX 不提供修改 XML 文檔的功能。而 DOM 提供修改XML文檔的功能[12]。

4.3 引擎控制器設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí)流中，引擎控制器完成過程實(shí)例的創(chuàng)建與激活、掛起及終止，并完成過程實(shí)例的運(yùn)行狀態(tài)間的切換，是學(xué)習(xí)流實(shí)例運(yùn)行的中心。在學(xué)習(xí)流引擎中，流程由節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)有兩類節(jié)點(diǎn)：原子節(jié)點(diǎn)和流程節(jié)點(diǎn)。所謂原子節(jié)點(diǎn)是不可再細(xì)分的學(xué)習(xí)任務(wù)或?qū)W習(xí)活動；流程節(jié)點(diǎn)可以再細(xì)分成由多個(gè)節(jié)點(diǎn)或流程節(jié)點(diǎn)組成的子流程。

學(xué)習(xí)流引擎控制器包括學(xué)習(xí)流調(diào)度控制、及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制和節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制三個(gè)控制，學(xué)習(xí)流引擎的核心引擎控制器工作由這三方共同完成。在學(xué)習(xí)流引擎運(yùn)行時(shí)，學(xué)習(xí)流調(diào)度對學(xué)習(xí)流節(jié)點(diǎn)實(shí)例進(jìn)行調(diào)度，包括運(yùn)行調(diào)度和資源調(diào)度，需要維護(hù)兩個(gè)隊(duì)列：等待隊(duì)列、流程節(jié)點(diǎn)隊(duì)列。

4.4 引擎實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

1. Java容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對象管理。基于WF的學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)的邏輯相當(dāng)復(fù)雜和多變，采用基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)流的核心邏輯。研究中充分利用Java容器管理系統(tǒng)的實(shí)例對象，而容器間嵌套使用的方式更容易實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)流元素之間的關(guān)系，圖5表現(xiàn)了這種關(guān)系。

Java提供了豐富的容器API，使用這些容器非常方便簡單，例如過程模型類LfcProcessModel[12]中的數(shù)據(jù)成員關(guān)系可以參看圖6的代碼節(jié)選。

圖5 系統(tǒng)使用的Java容器

Java的對象管理有兩種：克隆及按引用訪問方式，使用克隆，也就是深度復(fù)制，可以產(chǎn)生一個(gè)同原對象完全一樣的副本，方便快捷。而按引用訪問方式，使系統(tǒng)在執(zhí)行對象實(shí)例的操作時(shí)，保證對象的訪問不會產(chǎn)生另外的臨時(shí)副本，確保為對象本體的唯一修改版本，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)一致性的保證；使用Java容器技術(shù)時(shí)，默認(rèn)情況是按引用管理，以確保數(shù)據(jù)的一致性[12，13]。

圖6 使用容器的代碼示例

2.多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)流實(shí)例管理。學(xué)習(xí)流管理系統(tǒng)應(yīng)該是支持多任務(wù)的管理系統(tǒng)，因此作為學(xué)習(xí)流的核心管理層，過程控制模塊必須提供對多任務(wù)管理的支持。JVM提供了多線程管理機(jī)制，能滿足多任務(wù)的需求[17]。例如已經(jīng)封裝的調(diào)度策略、資源分派策略等等，因?yàn)橐呀?jīng)對外提供了接口，應(yīng)用時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)API對接口操作就可以了，如圖7所示。

圖7 JVM中的多線程管理

多線程能同步完成多項(xiàng)任務(wù)，學(xué)習(xí)流在進(jìn)行多線程處理時(shí)，需要解決共享公共數(shù)據(jù)區(qū)產(chǎn)生的執(zhí)行同步問題。在Java中，有相應(yīng)的接口和處理策略，采用Java提供的簡單易用的synchronized，對線程之間的協(xié)作關(guān)系進(jìn)行控制。從而達(dá)到提高資源使用效率的目的。

3.序列化機(jī)制為學(xué)習(xí)流執(zhí)行環(huán)境的持久化提供保證。運(yùn)行環(huán)境的保存和恢復(fù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)要提供的功能之一。研究采用Java的容器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)的對象實(shí)例的管理和控制，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境是由這些存在于容器中的實(shí)例構(gòu)成的，如何實(shí)現(xiàn)對這些對象的持久性管理，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)持久性的關(guān)鍵，本研究在程序設(shè)計(jì)中，使用序列化機(jī)制來實(shí)現(xiàn)所需的管理[17]。

序列化機(jī)制包含兩個(gè)過程：第一是把內(nèi)存中的對象永久保存，也就是保存在持久性介質(zhì)中的序列化過程，第二是將持久性介質(zhì)環(huán)境恢復(fù)到內(nèi)存中的反序列化的過程。序列化機(jī)制支持自動嵌套調(diào)用。這適用于本系統(tǒng)內(nèi)部容器之間的嵌套關(guān)系，而且程序上利用Java的接口，容易實(shí)現(xiàn)。序列化與平臺無關(guān)、不需要額外成本。序列化存儲可存于本地環(huán)境、遠(yuǎn)程環(huán)境、異地網(wǎng)絡(luò)、也可以是云存儲，或者其他存儲方式，與平臺無關(guān)。在系統(tǒng)實(shí)施中，零成本，而且序列化保密性能好，速度和效率較高，維護(hù)容易，用戶歡迎[9，18]。

4.標(biāo)準(zhǔn)接口JDBC技術(shù)。JDBC是Java數(shù)據(jù)庫連接(Java Data Base Connectivity)的簡稱，JDBC為各種常用數(shù)據(jù)庫提供無縫聯(lián)接，從而提高了軟件系統(tǒng)的通用性，用戶要訪問什么類型的數(shù)據(jù)庫在網(wǎng)絡(luò)及開放系統(tǒng)是很難預(yù)料的。為了使用方便，有正確的驅(qū)動器組，JDBC就可以訪問其相關(guān)的數(shù)據(jù)庫資源。從而更加體現(xiàn)了平臺無關(guān)的特性，具有可操作性、靈活性和易擴(kuò)展性[15]。

5 結(jié)語

以工作流為基礎(chǔ)，進(jìn)行的學(xué)習(xí)流引擎的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，解決好引擎的控制調(diào)度問題是關(guān)鍵一環(huán)，引擎控制和調(diào)度解決的好壞直接影響到引擎的性能和穩(wěn)定性。學(xué)習(xí)流引擎可以借鑒處理線程的機(jī)制來解決實(shí)例調(diào)度、狀態(tài)控制、多實(shí)例同步和實(shí)例間通信等問題。但它和學(xué)習(xí)流引擎在運(yùn)行機(jī)制和處理問題對象上是不同的，處理的具體問題也不同，此時(shí)需要認(rèn)真考慮以下問題[12]：

第一，管理的對象。學(xué)習(xí)流引擎所管理的資源是作為教學(xué)者的人和作為教學(xué)資源的更為復(fù)雜的資源[4，9]，這些資源是很難進(jìn)行精確預(yù)計(jì)的，并且這些資源(如人)的性能是不穩(wěn)定的(如不同的人個(gè)性不同，人在學(xué)習(xí)過程中會受外界、情緒等諸多因素影響)。在學(xué)習(xí)流引擎運(yùn)行過程中無法提供精確的資源情況，因此在需要運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)時(shí)必須依靠原有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约巴ㄟ^多次運(yùn)行后得出的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷修正，才有可能使學(xué)習(xí)流引擎具有更高的性能。

第二，解決問題的復(fù)雜度。例如，JVM所執(zhí)行的線程是由代碼段所組成的計(jì)算機(jī)程序，程序是結(jié)構(gòu)化的事物，在執(zhí)行程序代碼時(shí)是嚴(yán)格按照編程者已經(jīng)編寫的代碼去執(zhí)行的，這些代碼段在不修改代碼和運(yùn)行環(huán)境時(shí)，可以保證程序每次執(zhí)行的一致性[17]。對于學(xué)習(xí)流引擎，處理的是學(xué)習(xí)過程流程，其中有結(jié)構(gòu)化的流程同時(shí)也要處理非結(jié)構(gòu)化流程。在引擎執(zhí)行的過程中參與者的執(zhí)行以及參與者執(zhí)行的結(jié)果對引擎的運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生很大的差異，因此引擎對同一個(gè)流程的運(yùn)行由于外界的因素是具有差異性的。為了能控制和管理這種差異性，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)習(xí)流引擎對于非結(jié)構(gòu)化流程的處理能力，應(yīng)進(jìn)一步研究學(xué)習(xí)流的仿真和智能化。

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