（计算机应用技术专业论文）可视化工作流过程逻辑模型设计及合理性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，为了适应企业对业务过程自动化管理日益提高的要求，工作流 管理技术逐渐演变成了企业过程管理自动化技术的核心。在整个工作流管理 组织中，业务过程定义起着决定性的作用。因此在业务组织前，提供一个良 好的参考框架对工作流模型进行定义和对模型的正确性验证显得尤为必要。 本文首先介绍了工作流的概念并对工作流技术的起源、现状、发展和研 究趋势进行了阐述和分析，重点强调了合理的工作流业务过程模型定义在整 个工作流管理系统设计中的重要性。接下来分析并比较了两种工作流过程模 型设计方法一工作流网与工作流逻辑网的特点，通过结合两种方法的优势， 设计了一种可恰当描述工作流业务过程逻辑的模型参考框架。该框架使过程 的定义更容易被非专业人员理解，从而方便了设计者和用户问的沟通。基于 这个框架，本文利用j a v a 面向对象编程思想对参考框架中的各个工作流模 型元素进行构造，同时实现了基于层次扩展p e t r i 网技术的模型构造方法和 对模型柔性操作的若干方法。在工作流业务过程逻辑模型定义完毕后，本文 提出了一种严格遵守p e t r i 网合理性标准的验证方法。该方法将对模型进行 可达性、良构性及合理性方面的检验，以保证工作流业务过程模型在语义定 义前不存在逻辑结构冲突或不合理状态。最后，上述模型框架和验证方法将 被集成在一个提供可视化操作界面的工作流业务过程定义设计工具中。该工 具利用j a v a 技术的j g r a p h 图形包对工作流模型进行图元转换处理，使用户 对模型的设计过程更加直观和便捷。 关键词：工作流业务过程模型，p e a l 网，过程逻辑，合理性，j g r a p h 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w o r k f l o wm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yg r a d u a l l ye v o l v e di n t ot h e c o r eo fb u s i n e s sp r o c e s sa u t o m a t i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi no r d e rt om e e tt h e i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s o f p r o c e s s a u t o m a t i o n m a n a g e m e n t d u r i n g t h e o r g a n i z a t i o no fw o r k f l o wm a n a g e m e n t , t h ed e f i n i t i o no fb u s i n e s sp r o c e s s i n g m o d e lp l a y sad e c i s i v er o l e b e f o r et h eb u s i n e s so r g a n i z a t i o n s ，ag o o dr e f e r e n c e f r a m eo fm o d e lf o rd e f i n i n gw o r k f l o wm o d e la n dv e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h e m o d e li sp a r t i c u l a r l yn e c e s s a r y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fw o r k f l o wt e c h n o l o g y a n d a n a l y s i s e si t so r i g i n ，s t a t u s ，d e v e l o p m e n tt r e n d s t h ee m p h a s e so fr e a s e r c ha r et h e i m p o r t a n c eo fs o u n dd e f i n i t i o no fw o r k f l o wb u s i n e s sp r o c e s sm o d e li nt h e w o r k _ f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m s e c o n d l y , i ta n a l y s i s e sa n dc o m p a r e st h e b e h a v i o u ro ft w od e s i g nm e t h o d so fw o r k f l o wp r o c e s sm o d e l - - t h ew b r k f l o w n e t sa n dw r o r k f l o wl o g i cn e t s b yc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so ft w oa p p r o a c h e s ， ar e f e r e n c cf r a m ew h i c hc a na p p r o p r i a t et od e s c r i b et h el o g i co fb u s i n e s sp r o c e s s w o r k f l o wm o d e li sd e s i g n e d t l l i sf r a m em a k et h ed e f i n i t i o no fp r o c e s sm o r e e a s i l yu n d e r s t o o db yn o n - p r o f e s s i o n a l si no r d e rt o m a k ei t e a s i e rf o r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e s i g n e r sa n du s e i s b a s e do nt h i sf r a m e w o r k , t h i sp a p e r m a k eu s eo fj a v ao b i e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt h i n k i n gt os t r u c t u r et h ev a r i o u s e l e m e n t so fw o r k f l o wm o d e l a tt h es a m et i m ei ta c h i e v et h em e t h o d so fm o d e l s t m c t n r e l e v e lw h i c hb a s e do ne x p a n s i o np e t r in e tt e c h n o l o g ya n dt h em e t h o do f f l e x i b l eo p e r a t i o no ft h em o d e l a f t e rt h ed e f i n i t i o no fw o r k f l o wb u s i n e s sp r o c e s s l o g i cm o d e l a a u t h e n t i c a t i o nm e t h o d sw h i c hi s s t r i c t l y o b s e r v a n c eo ft h e r a t i o n a l i t ys t a n d a r do fp e t r in e ti sb r i n go u t t h i sm e t h o dw i l lc h e c ka c c e s s i b i l i t y , w e l l s t r u c t u r ea n dr e a s o n a b l ea s p e c t so fm o d e l ，i no r d e rt oe n s u r et h a tt h e r ei sn o t s t a t eo fc o n f l i c to ru n r e a s o n a b l ei nw o r k f l o wb u s i n e s sp r o c e s sm o d e ib e f o r et h e s e m a n t i cd e f i n i t i o no fl o g i c a ls t r u c t u r e f i n a l l y , t h em o d e lf r a m e w o r ka n d v e r i f i c a t i o nm e t h o d sw i l lb ei n t e g r a t e di nab u s i n e s sp r o c e s sw o r k f l o wd e s i g n t o o lw h i c hp r o v i d e sav i s u a lu s e ri n t e r f a c e t h et o o l d e a lp i x e lc o n v e r s i o no f w o r k f l o wm o d e lw i t hj g r a p hw h i c hi sap a c k a g eo fj a v a k e y w o r d s ：w o r k f l o wp r o c e s sm o d e l ，p e t r in e t ，p r o c e s sl o g i c ，s o u n d , j g r a p h 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“一) 学位论文作者签名 日期： 指导老师签名： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人 和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 提出了一种基于p e t r i 网技术的工作流结构过程定义的参考框架。 设计了一种严格遵守p e t r i 结构合理性的验证算法以及一种将工作流业 务过程模型转变成可视化图元组成的视图模型的方法。随后将上述模型框 架和验证方法集成在一个提供可视化操作界面的工作流业务过程定义工 具中。最后通过对一个具体实例的建模过程，详细说明了工作流过程模型 定义工具的定义流程和使用方法。 、乒万 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 工作流的起源与概念 工作流( w o r kf l o w ) 起源于7 0 年代末、8 0 年代初的办公自动化运动。 它是工作流程的计算模型，即将工作流程中的工作如何前后组织在一起的逻 辑和规则在计算机中以恰当的模型进行表示并对其实施计算。工作流需要解 决的主要问题是：为实现某个业务目标，在多个参与者之间，利用计算机， 按某种预定规则自动传递文档、信息或者任务。工作流将以往企业中独立、 分散的企业业务流程互相联系，从而极大的提高了过程管理的效率，实现企 业业务过程重组、并行工程、敏捷制造等先进企业管理理念。为了使不同性 质的工作流产品互联起来，以便实现机构或企业之间的大型工作流管理。工 作流管理联盟( w o r k f l o wm a n a g e m e n tc o a l i t i o n ，w f m c ，) 提出了有关工作流 管理系统的一些规范，定义了工作流管理系统的结构及其应用编程接口，从 而实现了工作流技术的标准化和开放性。 工作流技术属于计算机支持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 的一部分。而工作流管理系统是工作流技术的一 个具体实现。它通过一套集成化、可互操作的软件工具为这个框架提供了全 过程的支持。 8 0 年代初期，在p c 机尚未作为信息处理工具而出现的时候，表单、文 件、信函、技术资料等各类与企业密切相关的文档都是以纸张的形式在各个 部门之间进行传递，这种载体在信息的处理、组织、存储以及查询检索方面 都是低效的。基于这些问题产生的无纸化的、计算机使能的、用于实现日常 表单处理的电子化与自动化表单传递应用系统( f o r m s r o u t i n g a p p li c a t i o n s ) ，成为现代工作流管理系统的一个雏形。 8 0 年代中期，f i l en e t 和v i e ws t a r 等公司尝试将图像扫描、复合文 档、结构化路由、实例跟踪、关键字索引以及光盘存储等功能结合在一起， 形成了一种全过程支持某些业务流程的集成化的软件( 包) ，这便是早期的 工作流管理系统。比较典型的有f i l en e t 于1 9 8 4 年推出的w o r k f l o w b u s i n e s ss y s t e m ，v i e ws t a r 于1 9 8 8 年推出的v i e ws t a r 。很显然，这种 增值性质的集成化软件系统为企业简化与重组自己的关键业务流程提供了 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一种非常合适的方案。 进入9 0 年代，随着计算机的普及以及网络的延伸，现代企业的信息资 源越来越表现出一种异构、分布、松散耦合的特点，企业的分散性、决策制 定的分散性、对日常业务活动详尽信息的需求以及c 1 i e n t s e r v e r 体系结构、 分布式处理技术( c o r b a ，w w w ，o l e ，j a v a ) 的日益成熟，使得相互关联的任 务在大规模异构分布式执行环境下高效运转并接受密切监督已成为一种趋 势。工作流管理系统也由最初的创建无纸办公环境转而成为同化企业复杂信 息环境、实现业务流程自动执行的必要工具。 不同的研究者和工作流产品供应商从不同的角度给出了工作流的定义， 以下给出几个具有代表性的定义n 幻： ( 1 ) 工作流管理联盟( w o r k f l o wm a n a g e m e n tc o a lit i o n ，w f m c ) 为工作 流提供了一个标准定义： 工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列过 程规则、文档、信息或任务能够在不同的执行者之间进行传递与执行。 ( 2 ) a m i ts h e t h 的定义为：工作流是涉及到多任务协调执行的活动， 这些任务分别由不同的处理实体来完成。一项任务定义了需要做的某些工 作，它可用各种形式来进行定义，包括在文件或电子邮件中的文本描述、一 张表格、一条消息以及一个计算机程序。用来执行任务的处理实体可以是人， 也可以是计算机系统。比如个应用程序、一个数据库管理系统。 ( 3 ) i b ma l m a d e nr e s e a r c hc e n t e r 的定义：工作流是业务过程的一种 计算机化的表示模型，定义了完成整个过程所需要用到的各种参数。这些参 数包括对过程中每一单独步骤的定义、步骤的执行者、步骤间执行的顺序和 条件、数据流的建立以及每个活动所涉及的应用程序等。 通过对以上三种工作流定义的分析和比较可知：工作流技术是企业业 务过程的计算机辅助实现，而工作流管理系统则是这一实现的具体计算机化 执行h 1 。工作流管理系统确保将正确的信息在正确的时间传递给正确的执行 资源( 人员或软件工具) ，而系统本身不参与过程任务的执行口1 。 1 2 工作流技术的研究现状 目前工作流技术的研究正日益受到人们的重视，许多大学和研究机构都 开展了很多研究项目，取得了众多的研究成果。在国外的研究成果中，比较 著名的有i b m 公司a l m a d e n 研究中心研究开发的基于持久消息队列的分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 式工作流管理系统e x o t i c a f m q m ( f l o w m a r k o nm e s s a g eq u e u em a n a g e r ) ， 佐治亚大学计算机系研究开发的具有自适应能力的工作流管理系统m e t e o r ( m a n a g i n ge n dt oe n do p e r a t i o n s ) ，基于分布式主动数据库技术的工作 流管理系统w i d e ( w o r k f l o wo ni n t e l1i g e n ta n dd i s t r i b u t e dd a t a b a s e e n v i r o n m e n t ) ，以及基于状态与活动图的工作流管理系统m e n t o r ( m i d d l e w a r ef o re n t e r p r i s ew i d ew o r k f l o wm a n a g e m e n t ) 。 尽管经过工作流产品供应商与工作流研究人员十几年的不懈努力，使 得工作流技术由最初的萌芽逐步发展起来，并取得了相当的成果，但工作流 技术还有许多不成熟的地方，主要表现在以下3 个方面删： ( 1 ) 在工作流的模型描述方面，缺乏一种支持过程定义、过程演进以 及过程分析的形式化的、准确的数学模型。 ( 2 ) 在工作流的执行方面，缺乏一个标准化的集成框架来支持对企业 常用的分布式应用的集成。 ( 3 ) 在工作流的仿真评价方面尚处于一种几近空白的状态。 1 3 工作流技术的研究发展趋势 自2 0 世纪8 0 年代工作流技术被提出以来，就在不断地演化和改进以适 应越来越复杂的应用。随着生产分工精细化，原始的静态工作流概念已经不 能适应于竞争越来越激烈的市场。在工作流的模型定义阶段，存在许多未确 定因素如用户业务重组或更改，用户个性化等问题，这些都是静态工作流所 不能解决的。 为了更好地解决这一问题，柔性工作流的概念被提出并被广泛地研究。 工作流管理联盟( w o r k f l o wm a n a g e m e n tc o a l i t i o n ) 在对工作流( w o r k f l o w ) 的定义中并未包含其柔性定义以及动态修改规则。 商业、法律和科技等环境变化造成的外因以及工作流过程本身需求和执 行中的意外造成的内因都可能使过程的执行与原过程定义偏离。这通常称为 工作流的变更和异常。灵活动态地处理变更和异常的能力体现为工作流系统 的柔性1 。如图1 - 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜1 柔性工作流中的问题集和方法集 正如之前所述，工作流管理系统具有许多应用潜能，其产品开发也迅猛 发展。但工作流管理联盟所期待的功能还没有完全实现，现存的各种产品功 能也不能充分满足用户的需求，甚至已经提出的观点和方法也没有统一的标 准。可以肯定，工作流技术仍然将不断地充实和扩充自身的功能。针对日前 工作流产品存在的不足和信急技术、分布对象技术、i n t e r n e t i n t r a n e t 技 术的发展趋势，从技术与应用角度看，在今后一段时间内，工作流管理技术 的主要发展方向和研究热点集中在以下几个方面n 司： 工作流过程建模：包括工作流过程模型和过程描述语言方面的研究。 分布式工作流：主要提供一个支持企业异构计算环境下的开放系统，使 用户能透明的应用由不同机型、不同平台组成的异构计算资源，借助信息共 享的分布技术完成一个业务流程，以突破现有的单工作流引擎效率低、伸缩 性不足的局限。 基于w e b 的工作流：所谓基于w e b 的工作流管理系统是指整套系统只使 用w e b 作为支持技术，也就是说，不仅提供w e b 界面，还提供底层的通信和 系统分布支持。这样的工作流管理系统称之为“基于w e b 的工作流管理系统 。 工作流互操作性：互操作的研究主要包括工作流模型的互操作和w f i s 的互操作两方面的研究。它是工作流管理技术目前研究中的一大难点。 工作流中的移动计算：目前w f m s 体系结构大都集中于c l i e n t s e r v e r 模式，客户与服务器间的实时连接、频繁交互势必造成网络拥塞和资源瓶颈， 支持移动计算的分布式环境就是在这种背景下提出。移动客户只需周期性地 与工作流服务器建立连接，接受工作任务或提交工作结果，从而减轻系统 和网络的负荷，极大地提高远程办公的效率。 面向对象的工作流：面向对象( o o ) 的思想反映了人类思维的一般特征 ( 从特殊到一般以及从一般到特殊) 。进入2 0 世纪9 0 年代，基于这一思想而 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 发展起来的各种技术，如o o a ，o o d 和o o p 等在计算机领域得到广泛的应 用。 代理技术与工作流管理技术的结合：代理技术与工作流技术都是近年来 受到广泛重视并得到长期发展的计算机软件技术。在分布对象技术的基础 上，充分发挥工作流技术在灵活性方面的优势和代理技术在知识表达、事务 处理、智能性能方面的优势，将这两种技术进行有机结合。以工作流管理 为基础，以代理技术为核心，将开发出具有良好前景的应用软件产品。 工作流模型的分析和仿真工具：目前，越来越多的用户要求能够对模型 进行评估和性能测试，仿真和性能监控工具的引入，将不可避免地成为新一 代工作流产品的发展趋势。 工作流事物管理：事务管理是数据库技术中的一个重要概念。每个事务 具有a c i d 特性，即原子性、一致性、独立性和持续性。畸1 1 4 本文研究内容及文章结构 1 4 1 本文研究内容 根据1 2 节与1 3 节所提出的工作流技术目前存在的问题和发展方向， 本文拟从如下几个角度入手解决其中的若干方面： ( 1 ) 针对目前工作流模型描述方面缺乏一种支持过程定义、过程演进 以及过程分析的模型的问题，本文首先通过分析和比较两种最常用的工作流 过程模型设计方法( 工作流网w f与工作流逻辑网 一) ，综合二者_ n e t w ln e t 的优势，得到一种能够以形式化方式准确描述工作流业务过程的模型参考框 架。该框架以w f _ n e t 为基础，融合了w l _ n e t 的逻辑与语义明确分离的思想， 尽量全面地将工作流路由结构完整的映射到参考框架中。 ( 2 ) 提出并实现了参考框架下的模型设计方法以及基于层次扩展p e t r i 网的工作流模型构建方法。上述两种方法的实现以j a v a 语言为工具，以面 向对象的编程思想处理工作流过程模型中的各种元素。 ( 3 ) 提出并实现了模型构造过程中或构造完成后对其进行柔性操作的 若干方法。这使模型可更加灵活和便捷地处理自身的变更或异常。 ( 4 ) 针对目前工作流模型仿真评价方面的不足，提出并实现了对参考 框架下定义完成的模型的可达性、良构性及合理性检验方法。上述检验方法 通过计算机支持的方式对模型进行定性分析，增强了工作流引擎执行规范前 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 对模型的结构性质和动态性质的分析。 ( 5 ) 通过对j a v a 图形包j g r a p h 的扩展，使其能够更加准确、直观地 以可视化的方式描述工作流模型中各个元素。该部分工作还包括将模型元素 的视图与数据模型关联等工作。 ( 6 ) 最后，通过j a v a 技术的g u i 编程方法将上述模型框架下模型的定 义、柔性操作和验证方法集成在一个提供可视化操作界面的工作流业务过程 定义设计工具中。该工具利用扩展的j g r a p h 图形包对工作流模型进行图元 转换处理，使用户对模型的设计过程更加直观和便捷。 1 4 2 文章结构 本文一共由七部分组成。 第一章对工作流的概念并对工作流技术的起源、现状、发展和研究趋势 进行了阐述和分析。明确了本文需解决的问题及研究内容。 第二章介绍了工作流业务过程模型的相关概念、模型分类和定义方法。 随后介绍了p e t r i 网技术的主要概念。 第三章分析并比较了两种工作流过程模型定义方法，综合二者的优势提 出了一种基于p e t r i 网的工作流过程模型设计方法。 第四章以j a v a 技术为工具，实现了模型定义、模型层次化构造方法及 对其进行柔性操作的若干方法。 第五章分析了工作流过程模型的定性分析方法，实现了对模型可达性、 良构性及合理性的验证算法。 第六章详细论述了如何实现扩展的j g r a p h 开发包对工作流进行可视化 开发。 第七章对可视化工作流模型定义及合理性分析系统做出了一个综述。结 束语总结了上述方法的优缺点和不足之处，提出了需要改进的方面和改进的 方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章工作流业务过程模型 2 1 工作流模型的相关概念 2 1 1 案例 工作流管理系统的基本目的就是处理案例( c a s e ) 。比如：保险索赔、 抵押申请、税收申报、下订单、就诊等都被称为案例。相似的案例属于同一 种案例类型，原则上这些案例能够使用同一种方式来处理。 每个案例都拥有自身唯一的标识( t o k e n ) 。每一个案例都有有限的生命 周期，即一个案例在系统开始处理时开始它的生命周期，在处理结束后结束 它的生命周期。在案例出现和消失的过程中，它总是处于某个特定的状态。 该状态由如下部分组成： 案例属性值：是一系列同案例相关的变量，能够用来管理案例。通过这 些变量，系统可以指出在特定情况下某些任务可被省略。案例属性值可能随 着案例的执行而发生变化。 条件：是案例在执行过程中某个环节已满足的条件。它用来被确定哪些 任务已经被执行，哪些将要被执行。条件在工作流模型中被视为任务执行的 前提。只有当某个任务满足了所有条件后，才能被执行。 案例内容：即为标识案例具体内容的部分。案例的内容包括在文档文件 档案和或数据库中，一般不被工作流系统所保存。 2 1 2 任务 任务( t a s k ) 是一个工作的基本逻辑单元，它不可分割且必须被完整执 行。如果在执行期间发生任何错误，那么必须返回任务执行前的状态，这被 称为任务的“回滚 ( r o l l b a c k ) 。任务的不可分割性是相对的，它依赖于任 务的执行环境。不同级别的部门或人员所对应的任务集也有所不同。一般来 说等级越低的部门或人员可以将任务集分割的更小。任务泛指一般的工作单 元并非案例活动的一次具体执行。任务分为手动的( m a n u a l ) 自动的 ( a u t o m a t i c ) 和半自动的( s e m i a u t o m a t i c ) ，分别对应执行的人员和或 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 资源。 2 1 3 过程 某种类型案例的执行方式由相关的过程( p r o c e s s ) 来描述。过程指出 了哪些任务需要被执行，通过何种方式和次序执行。也可以把过程看做某种 案例类型的程序。一般来说，一个过程可以用来处理许多个不同的案例，根 据这些案例的属性采用不同的实施方法。比如过程中的某些任务只能在某些 特定的案例上执行。由于案例的属性不同，任务的执行方式也会有所不同。 而任务中的条件决定了任务的执行次序和方式。因此可以说，过程在本质上 是由任务和条件构成的。 除了任务和条件外，过程也可能由( 零个或多个) 子过程组成。每个子 过程又由它的任务和条件甚至更加细致的子过程组成。因此，一个复杂的过 程可以被分为多层次构造。 过程决定了一个案例的生命周期。由于一个案例的生命周期是有限的， 具有清晰的开始和完结，过程也要与此相符合。因此每个过程也具有自己的 开始和完结，用来标识案例的出现和完成。 2 1 4 路由 过程决定了案例的生命周期，这被称为案例的“路由 ( r o u t e ) 。根据 特定的路由决定的业务过程决定了哪些任务需要被执行以及以何种方式和 次序执行。路由分为如下的四种基本结构： ( 1 ) 顺序：它是最简单的路由结构。在这种结构下，任务按照顺序被依 次执行。通常每个任务之间都存在着清晰的依赖关系。即前向任务的结果作 为后向任务的输入。 ( 2 ) 并行：任务可以被同时或以任意次序来执行。在这种路由结构下， 两个( 或多个) 任务都需要( 或可以) 被执行且相互不会产生影响。 ( 3 ) 选择：在两个或多个任务间选择某一个执行。该选择可能会依赖于 案例的特定属性值。它也被称为条件路由结构。 ( 4 ) 循环：在理想情况下，每一个任务的执行都不会超过一次。但是有 时候会存在某些需要多次执行的任务( 如某些任务需要被反复执行直至其满 足特定的“检查条件 ) 。这被称为循环或迭代路由结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 工作流过程模型 工作流管理系统( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ，w f m s ) 的主要目的 是完成业务流程的定义和管理，并且按照预先定义好的工作流逻辑进行 工作流案例的执行。工作流管理系统功能关系如图2 - i 所示n 7 1 。 过程设计和定义 l 业务流程分析、建模和定义 f 建模阶段b = = ：= = = = = 司尹= d 建模阶段 v 运行阶段 儿气产过程改变 图2 一l 工作流管理系统功能关系图 工作流管理系统过程设计和定义以及模型建立阶段的主要任务是完成 业务过程的计算机化定义，也就是完成过程建模的任务。工作流模型是对整 个工作流业务流程的抽象表示。在这个阶段，利用某种建模方法及其相应的 建模工具，将实际的业务过程转化为计算机可处理的形式化定义。这样得到 的定义通常称为过程模型或过程定义。而在实际处理过程中因运行阶段发生 流程异常，或因业务需求进行业务过程变更，都需要返回过程定义阶段对模 型进行重定义以适应这些需求。 工作流模型首先必须准确地描述一个案例是怎样进行的，即明确地表达 业务过程中的活动以及活动间的关系，其次还要对活动间所传递的信息、活 动的执行实体、活动所需要的资源等方面进行定义，这样才能构成一个完整 的业务过程模型。因此，一个完整的工作流模型通常包括过程模型、组织模 型和信息模型三个部分。 过程模型直接描述了整个业务过程的执行方式，是工作流模型的基础和 核心部分，其它模型均为其提供支持。因此在通常情况下，工作流模型指的 就是过程模型。由于过程模型的重要性及其复杂性，当前关于工作流建模技 术的研究大多是围绕过程模型进行的。n 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 过程不涉及活动如何被执行的具体细节而只关心活动间协调的必要逻 辑约束信息。过程模型决定了整个工作流模型的正确与否。一个正确的过程 模型将确保整个工作流模型中不会存在非正常结构。这保证了工作流管理系 统投入运行后不会出现各种逻辑上的错误。馏1 本文所进行的工作即图2 - 1 中所示的过程设计定义及建模部分。该部分 工作可看做整个工作流管理系统的初始化阶段，该工作是否具有合理性及正 确性决定了整个系统后续工作能否顺利进行。 2 3p e t ri 网的相关概念 p e t r i 网起源于1 9 6 2 年c a r l d a mp e t r i ( 德国) 的博士论文。p e t r i 网是一种可用图形表示的组合模型。具有直观、易懂和易用的优点。p e t r i 网有精确的定义，同其他的非形式化框图技术相比，避免了模糊性、不确定 性和矛盾性等问题的出现。这种形式化的体系还可以用来反思过程。 一般的形式化模型均由两类元素组成：表示状态的元素和表示变化的元 素。p e t r i 网中的状态元素和变化元素分别称为s _ 元素和r - 元素。简称s _ 元s 一元。p e t r i 网将s - 元和t _ 元同等对待，二者是分体的。元由t - 元改 变，而t 丘由s 互描述，二者互相依赖。由于p e t r i 网起源于对信号( s i g n a l ) 传输的描述，所以它适合于描述以资源流动为特征的系统。t - 元引起s 互中 资源的流动。联系t - 元与s 丘的流关系，用f 表示。【2 1 2 3 1 传统p e t ri 网 s e n d 1 e t t e r 图2 - 2 传统的p e t r i 网实例 p e t r i 网由库所( p l a c e ) 和变迁( t r a n s i t i o n ) 组成。分别对应了本章 开篇所提出的s 互和t 元。在形式化的图形表示中，用圆圈表示库所，用 矩形表示变迁。图2 - 2 为一个简单的p e t r i 网模型实例。在这个实例中，三 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 个库所( c l a i m ，r e a d y ，u n d e r c o n s i d e r a t i o n ) 和三个变迁( r e c o r d ，p a y ， s e n d 1 e t t e r ) 以及它们之间的有向弧构成了一个描述保险索赔业务过程的 p e t r i 网模型。 p e t r i 网中的库所和变迁可以用有向弧连接。p e t r i 网中存在两种类型 的有向弧，即库所到变迁的，变迁到库所的。库所之间和变迁之间不允许存 在有向弧。基于有向弧的连接，可以确定变迁的输入库所和输出库所。库所 p 是变迁t 的输入库所，当且仅当从p 到t 存在一条有向弧。同理可确定变 迁的输出库所。 库所中可以容纳标记( t o k e n ) 。如图2 - 2 中c l a i m 库所中的黑点。一个 t o k e n 表示一个具体案例。p e t r i 网中库所所含的t o k e n 分布是可变的。变 迁r e c o r d 从输入库所c l a i m 中获取t o k e n ，随后将其输出至库所 u n d e r _ c o n s i d e r a t i o n 中，这个过程称为对变迁r e c o r d 的实施( f i r i n g ) 。 p e t r i 网的状态可以用t o k e n 的分布状态来表示。设m ( m 。，m ，m 2 ) 为 p e t r i 网模型中t o k e n 的分布状态向量。其中m 。，m ，m ，分别代表库所c l a i m ， r e a d y ，u n d e r _ c o n s i d e r a t i o n 中所含t o k e n 的数量。由图2 - 2 状态可知当前 的m = ( 3 ，o ，0 ) 。变迁只有在所有输入库所都至少有一个标记时才能获得实 施。因此，此时只有变迁r e c o r d 获得了发生权，称为变迁r e c o r d 是就绪的 ( e n a b l e ) 。 变迁一旦就绪即可被实施。当一个变迁被实施之后，它将从自身的每一 个输入库所取出一个t o k e n ，并对每一个输出库所输出一个t o k e n 。对应于 图2 2 的实例，r e c o r d 实施后，c l a i m 中t o k e n 减少一个而 u n d e r c o n s i d e r a t i o n 中增加一个t o k e n 。此时有m n = ( 2 ，1 ，0 ) 。 若u n d e r c o n s i d e r a t i o n 获得t o k e n ，则模型中三个变迁均获得了发生 权。随后的变迁实施状态是未知的，但m 的范围是有限的。其后可能的状态 为m 1 ( 1 ，2 ，o ) ，m2 ( 0 ，3 ，0 ) ，m3 ( o ，2 ，1 ) ，m 4 ( 0 ，1 ，2 ) ，m ，( 2 ，0 ，1 ) ，m 6 ( 1 ，l ，1 ) ， m 7 ( 1 ，0 ，2 ) ，m 8 ( 0 ，0 ，3 ) 。当t o k e n 状态为m 。时，表示r e a d y 中t o k e n 数 为3 ，此时流程结束。 变迁是p e t r i 网中的主动元素，通过变迁的实施，过程不断改变状态。 因此，变迁一般用来表示事件、操作、转换或者传输。库所是p e t r i 网中的 被动元素，它不能改变网的状态。库所一般用来表示媒介、缓冲器、地理位 置、( 子) 状态、阶段或者条件。 p e t r i 网还可以描述重复性的过程，这为工作流模型中的循环路由结构 提供了一个适合的表示方法。 上文所描述的p e t r i 网所表示的系统被称为库所变迁系统( p t 一系统) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 这是一类以物质资源流动为特征的p e t r i 网系统。定义一个六元组表示 p t _ 系统，= ( s ，t ，f ，k ，w ，m o ) ，其中( s ，t ，f ) 为的基网，k ，w ， m 。分别表示的容量函数( 即库所中可容纳的最大t o k e n 数) 、权函数( 有 向弧的权值，即一次可传输的t o k e n 数) 和初始标识。 2 3 2p e t ri 网的层次扩展 p e t r i 网是图形化的模型表示工具，它基于坚实的数学基础。然而在某 些情况下，传统的p e t r i 网也暴露出了一些不足和缺点。因此，对p e t r i 网 的扩展是十分必要的。通过这些扩展，可以在复杂的情况下以一种易于理解 的方式对系统进行模型的建立。文献中给出了三种应用比较广泛的高级 p e t r i 网扩展方法，即：时间扩展，着色扩展和层次扩展。本文对前两种扩 展的高级p e t r i 网不做过多的讨论，而将重点放在层次扩展的p e t r i 网上。 在很多情况下，p e t r i 网对系统进行模型的建立是一个十分复杂的过程， 大多数模型以一种庞大的、无所不包的状态出现在设计人员或用户面前。一 方面，这种方式淹没了它的具体细节结构；另一方面，用户无法准确直观地 了解模型建立的过程，无法对模型的层次结构进行观察。 通过对传统p e t r i 网的层次扩展，建立模型的过程可以以一种层次化的 方式执行。在形式化表述中，一个新的构造块被引入，它由一个双边矩形表 示，称为父过程。父过程由若干库所、变迁、有向弧甚至子过程构成。其中 的子过程允许有自身的、更深层次子过程。下图反映了一个具有层次扩展性 质的p e t r i 网模型，它将对一个具体的问题产品返厂维修的业务过程进行模 型的设计。 受理修理解决 修理部件 图2 - 3 产品维修过程的层次分解 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 在图2 3 中，作为第一级的厂家，产品维修工作由受理到解决只需要实 施一个修理任务。作为第二级的维修部门可以将修理任务细分为检查故障， 维修和测试三个子任务。那么二级部门的三个任务构成了一级部门修理任务 的一个子过程。同理对于具体的每一个维修技术人员，对于一件产品的故障 部分可通过使用新部件替换或者维修原有部件两种方式处理。这就构成了二 级部门修理任务的一个子过程。 由上可知，过程通过两种形式存在于p e t r i 网模型中。即：( 1 ) 作为上 级层次过程的子过程；( 2 ) 作为代表单独任务的过程定义。图2 - 3 所示的p e t r i 网模型实际由5 个变迁和6 个库所定义的。 通过( 子) 过程的应用，可以自顶向下的构造p e t r i 网模型。从最高层 开始，过程按照需求被不断地分解为子过程，直到整个p e t r i 网中只包含库 所和变迁以及连接它们的有向弧。对于实际生产中复杂的业务过程模型，层 次化的构造方法是必要的。这样可以简化过程的复杂性。 子过程的另一个优势在于，若某一个子过程在全局定义中将多次出现， 那么设计者可以重用之前定义的子过程模型，使建立复杂模型的工作速度加 快。 2 4 本章小结 本章介绍了工作流业务过程模型的相关概念、p e t r i 网的基本概念及一 类扩展的p e t r i 网模型、工作流过程模型到p e t r i 网的映射。该章作为之后 章节的理论和技术基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章工作流过程模型设计方法 本章首先将对两种最常用的以p e t r i 网为基础的工作流建模方法进行分 析和比较，得到二者对工作流过程模型描述过程中各自的不足。随后将以其 中一种方法为基础，同时对其进行约束扩展而得到一种新的工作流建模方 法。 3 1 工作流网( w o r k f io wn e t ) 工作流网( w o r k f l o wn e t ，w f _ n e t ) 是由荷兰学者a a l s t 提出，w f n e t 以p e t r i 网为基础并对其进行扩展，可描述单个具体案例动态过程特性。n 3 1 3 1 1 过程 工作流管理系统的过程定义被用来说明某种类型的案例采用何种方式 处理。过程除了定义将被执行的任务信息外，还包括了条件信息，即决定的 任务被执行的次序。在工作流模型设计中表述过程的p e t r i 网模型应该有且 仅有一个“入口 ( 没有输入弧的库所，代表着过程的开始) ，有且仅有一个 “出口”( 没有输出弧的库所，代表着过程的完结) 。库所作为被动元素表示 任务实施的条件，变迁作为主动任务表示任务。 案例在模型中由t o k e n 代表。在某一个工作流网模型中，一个案例的执 行过程中可能会导致t o k e n 的数量发生变化。案例的t o k e n 个数等于已经被 满足的条件个数。如果某个状态下代表过程完结的结束库所中出现t o k e n ， 这表示整个业务过程已经结束。本质上说，业务过程模型必须符合如下的两 个要求，即：( 1 ) 任何时候，模型状态通过一系