（机械设计及理论专业论文）产品设计过程的建模、仿真及优化研究.pdf

大连理一大学博士学位论文 摘要 2 1 世纪市场竞争日益激烈，企业为了生存和发展必须以最快的速度设计制造出高质 量的符合市场需要的产品。随着企业生存环境的改变和现代产品的复杂程度和多样化的 不断提高以及产品开发模式的改变，产品设计过程也越来越复杂。为了提高自己产品的 竞争力，现在大部分的企业都对产品设计过程进行建模从而实现对其产品设计过程的优 化。但是针对一些中小型的项目，很多企业考虑到周期和成本问题，仍然采用传统的设 计管理方法。本文针对这一问题，通过对产品设计过程中任务和过程之间关系的分析， 以分层有色时间p e t r i 网为建模工具对系统进行建模，并对建立的模型中的任务协调、 资源管理、模型复用等几个问题进行了详细的研究。 通过对产品设计过程的分析和研究，提出了以任务过程为任务分解方法，分层有色 p e t r i 网为建模工具对产品设计过程进行建模的方法。对产品设计过程的任务、过程及二 者之间的关系进行了分析和阐述，通过对任务过程的逐层分解从而描述出系统的结构； 将分层有色p e t r i 网中的库所、变迁、颜色集及层次等元素与分解后的系统中的任务、 过程、任务属性及层次性等相应元素相对应，构建出具有良好结构特性和较强分析能力 的产品设计过程系统模型。通过对模型的仿真，找出其中的关键路径和关键工序，优化 系统的资源配置，缩短工期，从而提高实际系统的效率。 以广义模糊时间p e t r i 网为理论基础，对系统中并行和串行环节中存在冲突和等待等 问题建立了相应的协调机制，并对这些协调机制进行封装，构建了协调组件与任务组件 相互作用实现系统的协调和管理。由于现代产品开发模式的采用，系统模型中许多的并 行和串行执行的环节存在冲突、等待甚至死锁等问题，我们以与布尔p e t r i 网有非常好 的兼容性而功能更加强大的广义模糊时间p e t r i 网为理论基础，对相应的问题环节构建 不同的协调机制，并通过对协调机制和任务打包形成协调组件和任务组件在系统中相互 作用实现相应的协调和管理功能。 通过对系统模型中文档和任务之间的关联的详细分析，构建了文档版本管理器，与 任务组件共同作用实现对系统中文档版本的管理。作为一种系统资源或产品的输出信 息，文档在产品设计系统中有着非常重要的地位和作用，其版本管理的问题也显得日益 突出。通过对并行和串行版本流的研究，及文档和任务的关联的建立，新建了版本管理 算法，构建了版本管理器与任务组件相互作用实现对文档版本的管理。同时应用资源管 理器对系统中的人力资源也进行了管理和调度。 引入组件的概念，构建了组件库管理系统和系统的整体架构，实现了产品设计过程 的复用。在提高复用效率方面，对以往成功的系统模型的继承和复用是非常有效的，强 周峰：产品设计过程的建模、仿真及优化研究 调在模型构建的过程中就考虑到日后的复用问题，有意识地构造出利于复用的系统架构 或系统部件，并在模型的使用过程中不断地分析和修改模型，使之日趋完善，方便以后 的复用。通过对产品设计模型及复用层次的分析，提出了模型中的系统组件管理组件及 结构组件的构建方法，并通过组件库管理系统对这些组件的存储、读取及检索等功能的 管理，实现产品设计过程模型的全生命周期管理。 关键词：产品设计过程建模；分层有色时间p e t ri 网；任务过程；协调组件；版本管 理；复用； 人连理：i 。：人! 学博士学位论文 a b s t r a c t t od e v e l o pi nt h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o no f21s tc e n t u r y ，e n t e r p r i s e sh a v et od e s i g n a n dm a n u f a c t u r ep r o d u c tw i t hh i g h e s tq u a l i t ya n da d a p t a b i l i t yi ns h o r t e s tl e a n - t i m e w i mt h e c h a n g eo fe n v i r o n m e n t ，t h ei n c r e a s eo fp r o d u c t sc o m p l e x i t ya n dm u l t i f o r m i t ya n da d o p t i o n o ft h en e wm o d e lf o rp r o d u c td e v e l o p m e n t ，t h ep r o c e s so fp r o d u c td e v e l o p m e n tb e c o m e s m o r ec o m p l e x i t y ，t oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h e i rp r o d u c t ，n o we n t e r p r i s e sh a v ee s t a b l i s h e dt h e m o d e lo fp r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s ( p d p ) t om a n a g et h es y s t e m t ot h eq u e s t i o n sw h i c h h a v ef a c e sd u r i n gt h ep r o c e s so fm o d e l i n ga n dp r o b l e m so fm o d e lo fp d p ，b a s e do nh t c p n ， t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e san e wm o d e lo fp d pa n dm a d eac o m p r e h e n s i v es t u d yi nt h e a s p e c t so fc o o r d i n a t i o n ，r e s o u r c ed i s p a t c h ，v e r s i o nm a n a g e m e n ta n d r e u s e m e n t b a s e do nt h et h e o r yo ft a s k p r o c e s s ，am o d e lo fp d pw a se s t a b l i s h e do nh i e r a r c h i c a l c o l o r e dp e t r in e t sa f t e rat h o r o u g h l ya n a l y s i sa n dr e s e a r c ho np d p t h r o u g ht h ed e s c r i p t i o n a n da n a l y s i so nt a s k ，p r o c e s sa n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m ，ac o n e 印to ft a s k p r o c e s sw a s i n t r o d u c e di n t ot h es y s t e m ，f r o mt h ed e c o m p o s i t i o n so ft a s k p r o c e s sl e v e lb yl e v e lt h e s t r u c t u r eo fp d pw a se x p r e s s e dd e t a i l e d l y m a t c h i n gt h ep l a c e s ，t r a n s i t i o n s ，c o l o r e ds e t sa n d l e v e l so fh i e r a r c h i c a lc o l o r e dp e t r in e t st ot h ec o r r e s p o n d i n ge l e m e n t so fp d ps y s t e m ，t h e m o d e lo fp d pw i t hw e l ls t r u c t u r ea n ds t r o n gc a p a b i l i t yw a ss t r u c t u r e d c o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m sb a s e do ng e n e r a l i z e df u z z yt i m ep e t r in e tw a se s t a b l i s h e dt o c o o r d i n a t et h ec o n f l i c t si np a r a l l e la n ds e r i a le x e c u t i o no fs y s t e m ，a n dc o o r d i n a t i o n c o m p o n e n tw h i c ha l lc o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m sw a se n c a p s u l a t e di na l s ow a sp r o p o s e dt o m a n a g et h es y s t e mw i t ht a s kc o m p o n e n tt o g e t h e r f o rt h ea d o p t i o no fn e wm o d ef o rp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，t h e r ea r eal o to fp r o b l e m sd u r i n gt h ee x e c u t i o no fs y s t e ms u c ha s ，c o n f l i c t s ， w a i t i n g ，e v e nd e a d l o c k c o m p a r e dw i t hb o o l e a np e t r in e t ，g e n e r a l i z e df u z z yt i m ep e t r in e t h a ss t r o n gc a p a b i l i t ya n dw e l ls t r u c t u r e b a s e do n ( 订t p n d i f f e r e n tc o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m s w e r ee s t a b l i s h e dt od i f f e r e n tp r o b l e m so fs y s t e m ，a n di tw a sc o o r d i n a t i o nc o m p o n e n ta n dt a s k c o m p o n e n tt h a ti m p l e m e n tt h ef u n c t i o no fm a n a g e m e n ti nt h es y s t e mm o d e l b a s e do nt h er e s e a r c ho fm a n n e r so ft a s k se x e c u t i o na n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e no ft a s ka n d d o c u m e n t s ，ad o c u m e n tv e r s i o nm a n a g e rw a se s t a b l i s h e dt om a n a g et h ev e r s i o no fd o c u m e n t s i nt h es y s t e m a sar e s o u r c ea n do u t p u ti n f o r m a t i o no fp r o d u c t ，d o c u m e n th a si m p o r t a n t f u n c t i o ni nt h es y s t e mo fp r o d u c td e v e l o p m e n t ，a n dv e r s i o nm a n a g e m e n to fd o c u m e n t b e c o m e sm o r ec r u c ia 1 t h r o u g hat h o r o u g ha n a l y s i so np a r a l l e la n ds e r i a lv e r s i o nf l o w ， i n t e r d e p e n d e n tb e t w e e nd o c u m e n tm a dt a s kw a se s t a b l i s h e da n da r i t h m e t i ca b o u tv e r s i o n 周峰：产品设计过程的建模、仿真及优化研究 m a n a g e m e n tw a sp r o p o s e d ，v e r s i o nm a n a g e r a n dt a s k c o m p o n e n tc o m p l e m e n t t h e c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o ni ns y s t e m t h ec o n c e p to fc o m p o n e n tw a si n t r o d u c e df r o ms o t t w a r ee n g i n e e r i n g ，a r c h i t e c t u r eo f s y s t e ma n dm a n a g e m e n ts y s t e mo fc o m p o n e n tl i b r a r yw e r ee s t a b l i s h e dt or e u s et h eu s e d m o d e lo fp d p i ti sv e r ye f f i c i e n tt oi m p r o v et h el e v e lo fm o d e l i n gt h a tr e u s ea n di n h e r i tt h e u s e dm o d e lo fp d p ba s e do nt h ea n a l y s i so nm o d e lo fp d pa n dl e v e l so fr e u s e ，m e t h o d so f c o n s t r u c ts y s t e mc o m p o n e n t s ，m a n a g e m e n tc o m p o n e n t sa n ds t r u c t u r ec o m p o n e n t sw e r e p r o p o s e d t h ew h o l el i f ec y c l em a n a g e m e n to fp d p m o d e li si m p l e m e n t e db ym a n a g e m e n t s y s t e mo fc o m p o n e n tl i b r a r yw h i c hm a n a g et h eo p e r a t i o n so fc o m p o n e n t ss u c ha s ，d e p o s i t ， t a k ea n ds e a r c h k e yw o r d s ：m o d e lo fp r o d u c td e s i g n i n gp r o c e s s ；h i e r a r c h i c a lc o l o r e dt i m e dp e t r in e t s ； t a s k p r o c e s s ；c o o r d i n a t i o nc o m p o n e n t ；v e r s i o nm a n a g e m e n t ；r e u s e 一i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 n ；在m 下是 使能的变迁t 可以引发，引发后得到后续标识m ，则 l 膨( p ) + 1 ，p t - t m ( p ) = m ( p ) 一1 ，p e t t im ( p ) ，其他 记作m t m 。 定义2 5 ( 并发和冲突) ：设p e t r i 网p = ( p ，t ；f ，眠) ，m 是刚的一个标识，若 j f l ，岛t ，使得 m am 乞 则当 ( 1 ) m m i _ m 1 f 2 a m e t 2 m 2 一m 2 t l 时称，乞在m 下并发； ( 2 ) m 【 m l 专1 膨 乞 m t 2 m 2 岭1 m 2 i t i 时称，如在m 下冲突。 定义2 6 ( 可达性) ：设p e t r i 网p = ( p ，t ；f ，m o ) ，若3 m ，鸩，鸩，使得： v 1si k ，3 t , t ：m ， m “l 则称变迁序列仃= t , t 2 t k 在m 下是使能的，m 到m 1 是可达的，记作m ， o r m k + i 。 可达性为p e t r i 网的一个重要特性，给定一个p e t r i 网，我们期望知道从初始标识膨。 是否可以到达那些标识，或者给定一个标识，是否可以激发一系列变迁从初始标识到达 该标识。在使用p e t r i 网表示流程的时候，有时要根据某些输入产生某些输出，因此设 计好业务流程之后，一般会检查放在起始库所中的托肯会导致终态时有一个托肯在结束 库所中，某些任务同时被授权的可能性也可以通过这种分析来检验。 另外设计者有时也想知道哪些序列将会出现，这样可以分析存在于业务流程中的因 果关系。因此给定业务流程的标识m ，某一特定的标识m ”是否可达可以通过可达性检 验，这种分析可以帮助设计者找出因果关系，并且在后续阶段中可以帮助用户查询自己 的业务流程。 周峰：产品设计过程的建模、仿真及优化研究 定义2 7 ( 可达集合) ：设p e t f i 网刚= ( p ，t ；f ，m 。) ，令r ( m 。) 为满足下列条件的 最小集合： ( 1 ) 眠r ( m o ) ； ( 2 ) 若m r ( m o ) ，且t t ，使得m t m ，m r ( m o ) ； 则称r ( m 。) 为p e t r i 网尸的可达标识集合，p e t r i 网的状态空间可以用可达树和可达图 的形式来表示，可达标识集合是p e t r i 网分析技术的基础。可达树和可达图的定义在这 里就不做详细描述，具体的可以参阅相关文献。 p e t r i 网有很多的分析方法，如化简分析法。化简分析法可以对p e t r i 网模型进行简 化而不影响该模型的性质，在这里不作介绍。 2 2 2p e t r i 网的基本性质 在简要了解了p e t r i 网的基本概念及分析方法后，我们再来介绍一下p e t r i 网的基本 性质【1 1 4 , 1 1 9 】。 定义2 8 ( 活性) ：称p e t f i 网刚= ( p ，t ；f ，帆) 是活的当且仅当 v t t ，v m r ( a ) ，3 m 尺( m ) 使得m i t 。 死变迁( d e a dt r a n s i t i o n ) 与死锁( d e a d l o c k ) 从反面描述p n 的活性。p e t r i 网还有 些基本性质如回归性、有界性( 安全性) 等，它们详细描述了p e t r i 网的基本特性。 定义2 9 ( p t 系统) ：一个六元组= ( p ，t ；f ，k ，w ，眠) 称为p t 系统，当且仅当： ( 1 ) ( p ，r ；f ) 是一个网，p 元素是库所的集合，? 元素是变迁的集合，尸元素是弧的 集合： ( 2 ) k ：p n + u o o ) 是库所容量函数： ( 3 ) w ：f 一+ 是弧权函数； ( 4 ) m o 是初始标识，满足：v s s ：m o ( s ) k ( s ) 。 在p t 系统的图形标识中，对于弧f f ，当w ( f ) 1 时，将w ( f ) 标注在弧上。 当一个库所的容量有限时，通常将k ( s ) 写在库所s 的圆圈旁。当k ( s ) = 0 0 时，通常省略 k ( s ) 的标注。有界p t 系统的k 函数仅为k ：s _ n + ，k ( s ) = 1 时，通常省略k ( s ) 的标 注。托肯仍由库所中的黑点来表示。 大连理j r 大学博十学位论文 2 2 3 关联矩阵和状态方程法 定义2 1 0 ( 关联矩阵和不变量) ：令= ( p ，t ；f ，k ，w ，m 。) 是一个有限的p t 系统， 且p = p 1 ，p 2 ，p 。) ，t = t i , t 2 ，气) 。 ( 1 ) 矩阵c 一 c i j 】( 1 f ，z ，1 m ) 是的关联矩阵i f fc u = r v ( t j ，s f ) 一w ( s i ，t j ) 。 ( 2 ) 一个n 元整数列向量x 叫做的一个s 一不变量i f fc r x = 0 ，其中c7 为c 的 转置矩阵。 ( 3 ) 一个刀元整数列向量y 叫做的一个r 一不变量i f fc y = 0 。 定义2 1 1 ( 状态方程) ：令= ( p ，t ；f ，k ，w ，心) 是一个有限的p t 系统，若 m a m ，m ，m7 r ( m o ) ，仃t + ，则称m = m + c x 为p e t r i 网的状态方程。 通过引发数向量，关联矩阵和一个状态的标识，就可以很好地计算出任意状态的标 识，同样可以计算出从一个标识到另外一个标识所需要的步骤。 2 3 有色p e t r i 网( c o l o r e dp e t r in e t s ) 溉1 2 订 图2 2 简单的有色p e t r i 网模型 f i g 2 2as i m p l ec o l o r e dp e t r in e t sm o d e l p e t r i 网对简单的系统进行建模和分析已经足够了，但对复杂的设计过程建模时，它 的表达方法就显得有些不足，建立的模型将非常庞大，系统结构缺乏柔性，从而给模型 的构造和分析带来很大的困难。有色p e t r i 网( c p n ) 可以很好地解决这个问题。有色 周峰：产黼设计过程的建模、仿真及优化研究 p e t f i 网是k u r tj e n s e n 在p e t r i 网的基础上提出的一种扩展p e t r i 网模型【1 20 1 ，图2 2 是一 个简单的有色p e t r i 网模型。 2 3 1 有色p e t r i 网的定义 对于有色p e t r i 网的定义有很多种提法，我们一直沿用的是j e n s e n 教授所给的定义。 定义2 1 2 ( 有色p e t r i 网) ：一个有色时间p e t r i 网是一个9 元组c p n = ( z ，p ，z a ， c ，g ，e ，d ，其中： ( 1 ) 是非空的类的有限集合，即颜色集合( c o l o rs e t s ) ； ( 2 ) p 是库所( p l a c e s ) 的集合； ( 3 ) 丁是变迁( t r a n s i t i o n s ) 的有限集； ( 4 ) 彳是弧( a r c s ) 的有限集，其中pr 、t = p na = t 厂、a = g ； ( 5 ) 是节点函数( n o d ef u n c t i o n ) ，是定义4 到p xt ut p 的函数； ( 6 ) c 是颜色函数( c o l o rf u n c t i o n ) ，是定义p 到的函数； ( 7 ) g 是守卫函数( g u a r df u n c t i o n ) ，是定义在7 上的表达式： v t t ot y p e ( g ( t ) ) = b t y p e ( v a r ( g ( t ) ) ； ( 8 ) e 是弧表达式( a r ce x p r e s s i o nf u n c t i o n ) ，是定义在4 上的表达式： v a a ： t y p e ( e ( a ) ) = c ( 尸( 口) ) m s t y p e ( v a r ( e ( a ) ) 式中，p ( 以) 是0 ) 的库所。 ( 9 ) ，是初始化函数( i n i t i a l i z a t i o nf u n c t i o n ) ，是定义在尸上的表达式： 跏p ： t y p e ( i ( p ) ) = c ( p ) m s c p n 与基本p e t r i 网的区别的第一点是有色p e t r i 网具有与库所和变迁关联的色彩c ； 第二点就是输入x ( p ，t ) 和输出o ( p ，t ) 均为矩阵，而且基本p e t r i 网中它们均为标量。所 以说，c p n 的建模能力大大增加是以增加分析和确定系统性能的难度为代价的。 定义2 1 3 ( c p n 的标识) 有色p e t r i 网的标识是定义在库所上的矢量函数m ，即 对于所有p ，m ( p ) ：c ( p ) 一n 。 m 的第i 行是库所p ，的标识m ( p i ) ，它是一个( u ，x 1 ) 矢量。库所所中的托肯m ( p ，) 可 表示为其色彩c ( p ，) - - - a f - 1 ，n “。， 的累加，即m ( p 1 ) = 拍盘汹，h - - - 1 9 “，。这里咒蹦是 颜色为a 的托肯数量，表示为，z = g ( a ) 。 2 3 2 有色p e t r i 网的分析方法随 接下来我们简单地介绍有色p e t r i 网的分析方法，可：迭图( 或者称之为发生图，状 态空间) 是由一些结点和弧线构成的图形。其中每一个结点表示可达标识，而弧线则表 火连理_ r 大学博七学位论文 示p e t r i 网的一次并发，如m 1 b m ，其中m ，m ，是可达标识，b 是使m ，使能的绑 定元素。 定义2 1 4 ( 有向图) ：一个有向图( d i r e c t e dg r a p h ) d g = ( v ，a ，n ) 是一个多元组， 其中： ( 1 ) y 是结点( 或顶点) 的集合； ( 2 ) 么是弧( 或边) 的集合，且yr 、a = o ； ( 3 ) 是由彳定义到v x v 的结点函数。 d g 是有限的，当且仅当和么也是有限的。 随着有色p e t r i 网应用的日益广泛，对它的研究也日益增多，因而其分析方法也不 断增多。除了传统的可达图分析方法外，还有库所不变量分析( p l a c ei n v a r i a n t s ) 法、 状态空间分析法( s t a t es p a c em e t h o d s ) 、对称分析法( s y m m e t r ym e t h o d ) 等【4 1 。具 体内容可参阅有关文献。 随着计算机技术的发展，目前有色p e t r i 网的分析方法都已经融入到了软件里面。 只要在计算机软件中构造有色p e t r i 网模型，即可运用有色p e t r i 网的分析方法计算出其 性能，如有界性、回归性、活性、公平性等，也可以绘出其可达图等，k u r tj e n s e n 开发 的c p nt o o l s 也得到了广泛的应用【8 2 】。 2 3 3 分层有色p e t ri 网 尽管有色p e t r i 网已经具有非常强的建模能力，但是在实际应用中，有许多有色p e t r i 网模型也会有几百个库所和变迁，这时用有色p e t r i 网表达的模型也非常复杂，显得混 乱，难以理解。分层有色p e t r i 网是有色p e t r i 网中融入层次化表达过程系统的思想，可 以分层表达复杂系统模型，这符合人们考察问题、解决问题的规律。分层有色p e t r i 网 中，变迁可以由另外一个有色p e t r i 网来代替，描述更具体详细的活动，这个有色p e t r i 网我们称之为子网( s u p e r n e t ) 【8 1 】。这种分层的思想类似于模块化设计的思想，首先， 由于母网表示系统的总体思路，比较简单，这样我们就可以得到活动的总体的简单描述， 而不用考虑具体细节是怎样执行的；另外，由于子网中详细描述了母网中所没有表述的 具体细节，我们可以得到详细的行为说明。图2 3 所示为一个简单的分层有色p e t r i 网的 模型，它包括一个有色p e t r i 网，一个子网( s u p e rn e t ) ，做了s 标记的变迁为替换变 迁。当系统实施到图中标注s 的替换变迁时，托肯进入该变迁所表示的子网中，在子网 中顺序执行，子网中的任务顺序执行完后，托肯由子网的输出库所输入给替换变迁，继 续母网中的实施。下面给出具体的分层有色p e t r i 网的定义。 周峰：产品设计过程的建模、仿真及优化研究 图2 3 分层有色p e t r i 网中的变迁替换 f i g 2 3 t h er e p l a c i n go ft r a n s i t i o ni nh i e r a r c h yc p n 定义( 分层有色p e t r i 网) 【8 l 】：一个层次有色p e t r i 网是一个多元组，h c p n = ( 墨s n , s a ，p n ，p t ，p a ，f s ，f t ，p n 。其中： ( i ) s 是页( p a g e s ) 的有限集合，其中： 对于每一页s s 是一个非层次的有色p e t r i 网： ( e 。，只，正，彳。，m ，c s ，g s ，最，厶) ( b ) 每一页的网的元素是两两互不相交，即： v s l ，j 2 s ：ls l 屯j ( 只。u 只u4 。) n ( 只：u 只：u4 ：) = 矽i ( i i ) s 丁是可替代变迁( s u b s t i t u t i o nn o d e s ) 的集合。 ( i i i ) 肌是页分配函数( p a g ea s s i g n m e n tf u n c t i o n ) 。是从s n 定义到s 的函数，而且任 何页不是自身页的子页，即： j o ，s l ，一，s 。s + i 船n + a s o = s 。av k 1 刀：& 删( 蹦。) - ( i v ) p n c _ p 是端口结点( p o r tn o d e ) 的集合。 ( v ) p 丁是端口类型( p o r tt y p e ) 函数，是从尸定义至l j i n ，o u t ，i o ，g e n e r a l ) 的函数。 ( v i ) 剐端口分配函数( p o r ta s s i g r m a e n tf u n c t i o n ) ，是从s n 定义的如下二元关系： 插座结点和端口结点对应： v t s n ：p a ( t ) 互x ( t ) 聊 人连理： 大学博+ 学位论文 插座结点具有对应的类型： v t s n v ( p l ，p 2 ) p a ( t ) ：【p t ( p 2 ) g e n e r a ljs t ( p 1 ，t ) = p t ( p 2 ) 对应的结点具有相同的颜色和初始表达式： v t s n v ( p l ，p 2 ) p a ( t ) ：【c ( p i ) = c ( p 2 ) 八，( a ) = z ( p 2 ) 】 ( v i i ) f s g s 是一个有限的联合集( f u s i o ns e t s ) ，联合集里的元素具有相同的颜色和 初始表达式： 啪f s v p l ，p 2 声：lc ( p 1 ) = c ( p 2 ) i ( p 】) = i ( p 2 ) 】 ( v i i i ) 刀是联合类型函数( f u s i o nt y p ef u n c t i o n ) ，是从联合集定义至_ l j g l o b a l ，p a g e ， i n s t a n c e 的函数。页联合结点集合和局部联合结点集合同属于一个页： v f s f s ：l 刀( 声) g l o b a l 3 s s ：声只l ( i ) 【) 即是首页( p r i m ep a g e ) 的多元集合。 2 4 工作流 工作流( w o r k f l o w ) 是2 0 世纪八九十年代发展起来的一项新兴技术，它的概念起源 于办公自动化( o a ，o f f i c ea u t o m a t i o n ) 领域，是在现代信息系统的建设中逐步形成的， 它为实现企业经营过程重组、经营过程自动化以及过程优化和管理提供了方法和软件支 持 8 , 1 2 1 , 1 2 2 】。 2 4 1 工作流定义 8 , 1 2 1 , 1 2 3 , 1 2 4 】 关于工作流的概念目前还没有完全统一的定义，国际工作流联盟以及许多大公司和 院校研究所都对工作流进行了不同的定义。总的看来，达成的一个基本共识是：工作流 是业务过程的计算机实现。工作流从字面意思来看是一个流转过程，所谓“流”就必须 有一个动态的过程。工作流是个过程概念，“w h o 、“w h a t ”、“w h e n ”贯穿整个 经营过程，组成了工作流管理系统的基本要素。 工作流管理简单地说就是要把有人或相关角色参与的复杂的业务过程，通过相应软 件系统，使得文档资料、数据信息、人力资源、包括经营管理都按一定的流程实现信息 化和规范化的操作。 2 4 2 工作流技术研究的关键问题哺7 1 2 3 坦钔 工作流技术主要包括工作流建模技术，工作流实现技术，以及工作流执行和管理。 工作流是个过程行为，对工作流进行过程建模是工作流管理系统的基础，也是难点。工 周峰：产品发计过程的建模、仿真及优化研究 作流过程建模是把一个具体、复杂、完整的业务过程( 包括“w h o ”、“w h a t ”、“w h e n ” 三要素) 用抽象模型表示出来，并通过计算机实现操作。 工作流过程模型描述方法有形式化描述和非形式化描述，前者通过建模语言描述业 务流程，如面向对象技术中的u m l 、w f m c 定义的工作流描述语言等；后者是通过可 视化较强的图形符号来描述业务流程，这一类过程建模的工具很多，比较成熟的主要有 我们前面已经介绍的i d e f 、p e t r i 网等方法。 工作流管理系统( w f m s ) 是个计算机软件系统，根据工作流管理联盟( w f m c ) 对工作流管理系统的定义，工作流管理系统应提供建立阶段功能、运行阶段控制功能和 运行阶段人机交互功能。工作流管理系统的实现涉及计算机应用技术，包括网络通信技 术、服务器管理技术、数据库技术、a g e n t 技术、接口与集成技术、可视化技术、软件 编程技术等多个方面。工作流管理系统是个计算机技术的集成体，是计算机技术用于信 息化产品的典型代表。 工作流的执行是个人和计算机共同工作的过程，工作流管理系统的实际操作是放在 具体业务过程中的，需要人的参与和管理，一个工作流管理系统的成功执行，离不开协 调和管理的科学运用。 由于工作流过程的复杂性，对于过程描述，建立可读性强，又可以被计算机接受的 模型变得尤为重要。基于p e t r i 网的工作流建模是研究的热点，p e t r i 网被认为是目前具 有较好基础的、适合描述工作流过程的建模方法。 2 4 3 工作流技术的主要研究方向 虽然工作流技术研究取得了一定的成果，但是还存在不少问题亟待解决，今后研究 工作主要是从理论和技术两大方面来进行。 ( 1 ) 理论研究方面： a 工作流相关术语的定义和统一。由于工作流技术的商业应用早于理论研究， 对于工作流技术中相关的概念还需要不断完善，国际工作流联盟在这方面 做了很多工作。 b 工作流建模。包括建模过程描述、建模仿真方法、模型优化、模型验证( 如 防死锁) 、不同功能模型的集成等。对于工作流模型的研究目前是理论研 究领域的热点，w m p v a nd e ra a l s t 在工作流建模，特别是基于p e t r i 网的 建模方法研究上有不少成果。 c 新环境下的工作流。随着业务规模和跨度的变化，传统的工作流已不适应 工作要求，需要考虑其他方法来解决新环境下的工作流系统。主要包括大 火连理j l ：大学博士学位论文 规模应用环境中事务模型( t r a n s a c t i o n a lm o d e l i n g ) 研究；分布式环境下工 作流的资源协调和任务优化；动态环境中，工作流的任务调度和管理方法。 网络环境下，工作流协同工作能力和效率问题研究。 ( 2 ) 技术实现方面： a 安全性技术。工作流系统贯穿整个业务过程，需要提高工作流系统的可靠 性，保证工作流实施的顺利进行。另外，对于涉及商业合作和银行保险的 工作流系统来说，对工作流系统进行有效的权限控制，也是增加工作流执 行安全性的一条必要保证。 b 信息处理技术。由于实际操作中存在很多不确定性因素和动态变化，需要 加强工作流系统的异常事件( 冲突、死锁) 处理能力，提高工作流的实时 控制( c o n c u r r e n tc o n t r o l l i n g ) 和补偿( c o m p e n s a t i o n ) 能力，一旦出错，要 有可修复性，提高系统的柔性和鲁棒性。 c 网络通信技术。现代业务合作从空间跨度上越来越大，分布式环境下的工 作流系统需要网络和通信的支持，开发基于w e b 的工作流管理系统正在日 益受到重视，它将使得工作流系统的使用更加便捷和灵活。 d 集成化技术。现在工作流产品的种类很多，应用于异构环境中，开发符合 w f m c 标准的工作流产品变得十分重要，这样才能扩大工作流的应用范围， 提高工作流系统的通用性和兼容性。 2 4 4 工作流模型 工作流参考模型及其接口是对工作流管理系统结构的通用描述，总结了主要部件和 相关组件的接1 ：3 ，是工作流管理联盟所使用的一条重要准则1 8 】。图2 3 表示了该工作流 参考模型。通过该图我们可以看出工作流系统的核心是工作流执行服务( w o r k f l o w e n a c t m e n ts e r v i c e ) ，这部分推动着任务在组织中执行和流动。 图2 3 中也给出了五个接口，工作量联盟也正在努力使之标准化。因为广泛接受的 标准将会提高工作流管理系统f 白j 的数据交换，可以使不同的制造商生产的执行服务器中 简单的方式进行链接成为可能，最后，统一的标准将促进完全独立于特定工作流管理系 统的各种应用的开发。下面我们简单介绍图中5 个接口的主要内容。 1 接口1 ( 过程定义工具，p r o c e s sd e f i n i t i o nt o o l s ) ：提供了创建和修改工作流定 义的工具与工作流执行服务之间的关系。 2 接口2 ( 工作流客户端应用程序，w o r k f l o wc l i e n ta p p l i c a t i o n s ) ：该接口用于 工作列表处理器和执行任务之间的交互。当标准的工作列表处理器功能不足而 周峰：产品设计过程的建模、仿真及优化研究 需要开发集成的应用程序的时候，此接口就会发挥作用。 3 接口3 ( 被调用的应用程序，i n v o k e da p p l i c a t i o n s ) ：工作流管理系统通过接口 3 打开相应的应用程序。对于那些参与工作流管理系统的人员来说，该接口最 为重要。 4 接口4 ( 其他工作流执行服务，o t h e rw o r k f l o we n a c t m e n ts e r v i c e s ) ：若干个自 治工作流系统之间的工作交互由接口4 来完成，提高了工作流系统之间的互操 作性。需要把多个工作流系统链接在一起的时候，此接口意义重大。 5 。接口5 ( 管理和监测工具，a d m i n i s t r a t i o n & m o n i t o r i n g t o o l s ) ：接口5 侧重于 管理和监控工具与工作流执行服务之间的链接。一方面其负责人员的增减、权 限及过程定义等工作流管理功能，另一方面负责工作流日志文件的记录、追踪 等工作流追踪功能。要从执行服务所记录的事件中搜索管理信息的时候就必须 通过该接口的服务。 接口5 管理和监控工具- 过程定义工具 f接口1 工作瀛a p i 和界蟊形式“。 接口2 接口3，、 工作流童皇端应用 被调用的应用程序 程序 “”7 ”“”1 ”“ 图2 3 工作流参考模型及其接口【】j 8 】 f i g 2 3