研发基于超级计算机的应用软件是继研发出新型超级计算机后的热点问题。研究基于CPN(Colored Petri Net,着色Petri网)与SOA(Service-Oriented Architecture,面向服务的架构)的服务组合技术,并将这项技术的研究成果应用于基于超级计算机的工业设计仿真云平台(以下简称“超算仿真云”)中,以服务方式向超级计算机用户提供服务,是研发应用软件解决超级计算机在工业设计领域的产业化应用问题的一种技术路线。本文循着这条技术路线,先是给出了“超算仿真云”总体设计方案,设计方案中大量地应用到基于CPN和SOA的服务组合技术;系统地研究了基于CPN和SOA的语义服务组合技术,包括服务需求本体的建模与匹配技术、服务组合的描述、服务组合的自动生成、服务组合的验证;最后,在前述理论研究基础和技术支撑的基础上,研发了“超算仿真云”原型。论文的主要研究工作如下:(1)给出了“超算仿真云”总体设计方案,提出了该平台的分层系统的功能架构和技术架构及工程技术实现方案。文中将“超算仿真云”构成分为前端系统、中间件系统、集群端系统3个重要组成部分。该平台的核心技术就是使用了基于CPN与SOA的服务组合技术。(2)讨论了服务需求本体的建模与匹配技术及其算法。从用户需求角度描述的服务需求本体出发,给出了与OWL-S服务描述的对比分析及映射关系,提出了服务需求本体与“超算仿真云”提供的服务匹配的判定规则。设计出了一种用相似度来量化衡量用户服务需求与“超算仿真云”提供的云服务匹配程度的方法,提出了计算相似度的算法。(3)提出了基于CPN的服务组合技术的描述语言及其算法。给出了用CPN加入OWL-S来形式化地定义Web Service及组合服务的描述方法,参考PNML提出了新的CPSWS(Colored Petri net markup language of Semantic for Web Services,Web服务语义着色Petri网标记语言)语言,CPSWS基于XML(e Xtensible Markup Language,可扩展的标记语言)来描述OWL-S服务的CPN Web Service及组合服务。设计出了将Tuscany容器中构件和组合构件描述文件向CPSWS描述文件的自动转换的算法,并用“超算仿真云”的作业计算过程作为案例进行了验证。(4)研究了服务组合的自动化生成技术及其算法。根据接口匹配、前置依赖、Qo S要求综合考虑形成服务之间的依赖关系,对各种依赖关系进行了分类和定义,用语义相似度来衡量服务匹配的程度,提出了语义阀值相似、语义阀值相等的定义。给出了Web Service的FRCPN(Fuzzy Reasoning Colored Petri Net,模糊推理的着色Petri网)的定义,讨论了各种产生式规则及其Petri网描述。提出了构建OWL-S服务的CPN Web Service依赖关系图的算法,并进行依赖关系图生成算法的应用和示例分析,在算法控制参数——语义相似度阀值的不同情况下,可生成不同的依赖关系图。(5)讨论了服务组合的验证技术,提出了一种验证的计算方法。侧重讨论在Web服务组合生成后使用FRCPN对Web服务组合进行验证时的可信度计算方法。为支持可信度的计算有针对性地提出了FRCPN、Web Service、变迁的形式化定义,分析了组成FRCPN的5种产生式规则及其中变迁、Web Service的可信度计算方法,提出了一种FRCPN的Web服务组合可信度计算方法并在“超算仿真云”原型中进行了应用。这种方法先计算FRCPN中的变迁可信度值,并生成SLLFRV(Sequential Linked List for Filling Rliability Value,填充可信度的顺序链表),再根据SLLFRV可依次计算得到FRCPN中Web Service的可信度,并以FRCPN的结束Web Service作为FRCPN的可信度,从而可检验FRCPN的活性,并可用于进一步筛选Web服务组合。实验表明,Web服务组合的可信度与Web Service的个数、变迁相似度区间存在一定的规律关系,需要适度控制Web服务组合的规模以达到Web服务组合的活性。(6)实现了基于CPN与SOA的“超算仿真云”的软件原型。给出了平台原型的实现效果,以火星着陆多室连通气囊ANSYS/LS-DYNA有限元分析计算的前处理、求解计算、后处理等过程为例说明了本文的研究工作在基于CPN与SOA的超算仿真云平台的应用。这是国家超级计算长沙中心第一次基于高性能计算平台搭建仿真云,也是国内第一次基于“天河1号”机型采用服务组合技术搭建工业设计仿真应用领域的云计算平台原型。