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硕士论文 图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 摘要 工作流管理系统是支持企业经营过程高效执行并监控其执行过程的计算机软件系 统，然而实践证明，定义和模拟真实世界中的工作流是一个非常复杂且容易出错的过程。 工作流本身缺乏坚实的理论基础，许多模型的建立是基于直观理解，没有严格的形式化 定义与约束，在验证问题上也没有成熟的理论可以依据，且由于不同的工作流系统之间 可能存在很大差别，很难有一种统一的验证方法可以适用于所有类型的工作流模型。因 此，完善工作流模型设计、验证流程定义的正确性成为一个重要的发展方向。 本文首先综述了当前工作流管理技术的发展，介绍了工作流的相关概念，分析了基 于活动图、形式语言、p e t r i 网等技术进行建模的优缺点，提出了工作流模型设计的原 则与组成要素，以工作流管理联盟( 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 ) 的x m l 过 程定义语言( x m lp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ，x p d l ) 为基础，设计出在组织模型和工作 流柔性支持上表述能力更强的扩展的x m l 过程定义语言( e x t e n dx m lp r o c e s s d e f i n i t i o nl a n g u a g e ，e x p d l ) 其次，工作流正确性验证由语法验证、结构验证和语义验证组成。语法验证主要是 提出七条特性作为语法正确性的标准；结构验证主要是扩展了基于有向图的归约法则作 为工作流模型结构冲突的分析方法；语义验证主要是设计出基于时间约束的工作流数据 语义验证算法作为同一模型中并发控制流结构的验证算法。 最后，设计并实现了一个以e x p d l 作为基本建模语言的工作流建模工具。详细介 绍了该系统的功能、体系结构和实现技术。 关键词：工作流，x p d l ，模型验证，活动图，数据访问冲突 a b s t r a c t图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 a b s t r a c t w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ，ak i n do fc o m p u t e rs o f t w a r es y s t e m ，s u p p o r t sa n d m o n i t o r st h ei m p l e m e n t a t i o no fb u s i n e s sp r o c e s s ，h o w e v e r , p r a c t i c a le x p e r i e n c ei n d i c a t e st h a t t h ed e f i n i t i o no fr e a l w o r l dw o r k f l o wa p p l i c a t i o ni sac o m p l e xa n de r r o r - p r o n ep r o c e s s w o r k f l o wl a c k st h es o l i dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，m a n ym o d e l sa r eb a s e do ni n t u i t i v e u n d e r s t a n d i n gw i t h o u ts t r i c tr e s t r a i n t t h ev e r i f i c a t i o ni s s u e sl a c km a t u r et h e o r y , a n dd i f f e r e n t w o r k f l o ws y s t e m se x i s ts om a n yd i f f e r e n c e st h a tt h e r ei ss h o r to fu n i f i e dv e r i f i c a t i o nm e t h o d s a p p l i e di n a l lt y p e so fw o r k f l o wm o d e l s t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h em o d e ld e s i g na n d v e r i f y i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o c e s sh a v eb e c o m et h ei m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n s f i r s t l y , t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r k f l o ws y s t e ma n di n t r o d u c e s t h ei n t e r r e l a t e dc o n c e p t s ，a n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fw o r k f l o wm o d e l s b a s e do na c t i v i t yd i a g r a m ，f o r m a ll a n g u a g e ，p e t r i - n e ta n ds oo n ，p r o v i d e st h ed e s i g n p r i n c i p l e sa n de l e m e n t so fw o r k i n gm o d e l ，r e f e r sx m lp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g ea n do n t h i sb a s i sd e s i g n se x t e n dx m lp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g ew h i c hh a sm o r ee x p r e s s e d c a p a c i t yo no r g a n i z a t i o nm o d e l a n df l e x i b l es u p p o r to fw o r k f l o w s e c o n d l y , g r a m m a rv e r i f i c a t i o n ，s t r u c t u r a lv e r i f i c a t i o na n ds e m a n t i cv e r i f i c a t i o ne n s u r e t h ec o r r e c t n e s so fw o r k f l o wp r o c e s s g r a m m a rv e r i f i c a t i o ni n c l u d e ss e v e ns t a n d a r d s ， s t r u c t u r a lv e r i f i c a t i o np r o v i d e sa ne f f e c t i v ea l g o r i t h mt og r a d u a l l yr e d u c eg r a p ht h r o u g has e t o fr e d u c t i o nr u l e s ，s e m a n t i cv e r i f i c a t i o ni n t r o d u c e st h ec o n c e p to fd a t as e m a n t i ca n dd e s i g n a ne f f e c t i v ea p p r o a c hw i t h t i m ec o n s t r a i n t f i n a l l y , d e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gaw o r k f l o wm o d e l l i n gt o o lb a s e do ne x p d l ，a n d i n t r o d u c et h ef u n c t i o n s ，t h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u eo ft h i ss y s t e m k e yw o r d s ：w o r k f l o w , x p d l ，m o d e lv e r i f i c a t i o n ，a c t i v i t yd i a g r a m ，d a t aa c c e s sc o n f l i c t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： & p 脾媚胡 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： p ，喀年e b , 9 明 硕士论文 图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 1 绪论 1 1 本文的研究背景及意义 工作流最早起源于生产组织和办公自动化领域，它是针对日常工作中具有固定程序 的活动而提出的一个概念。目的是通过将工作分解成定义良好的任务、角色，按照一定 的规则和过程来执行这些任务并对它们进行监控，达到提高办事效率、降低生产成本、 提高企业生产经营管理水平和企业竞争力。工作流管理系统是利用软件来定义、创建和 管理工作流执行的计算机系统，该系统运行在一个或多个能理解流程定义并与流程参与 人相互协作的工作流引擎之上。 实际上，自从进入工业化时代以来，有关过程的组织管理和流程的优化工作就一直 在进行，这是企业管理的主要研究内容之一，只不过在没有引入计算机信息系统的支持 以前，这些工作都是由人工来完成的。在计算机网络技术和分布式数据库技术迅速发展， 多机协同工作技术日益成熟的基础上，于2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的工作流技术为 企业更好地实现经营目标提供了先进的手段。进入2 0 世纪9 0 年代，随着计算机与网络 技术的迅速发展，特别是在因特网应用日益普及的情况下，现代企业的信息系统的分布 性、异构性和自治性的特征越来越显著，相应的企业信息资源也分布在异构的计算机环 境中，信息源之间的连接表现出松散藕合的特点，这样的信息系统环境简称为h a d 环 境( 异构、自治、分布) 。企业物理位置的分散性和决策制定过程的分散性特征日益明 显，对日常业务活动的信息需求日益提高，c l i e n t s e r v e r 体系结构和分布式处理技术 ( c o r b a ，w w w ，o l e ，j a v a 等) 的广泛应用，都说明了这样的事实：集中式信息处 理的已不能满足因特网环境下的应用需求，取而代之的将是大规模的异构分布式信息处 理与应用执行环境。在这种大规模的分布式环境下高效运转相互关联的任务，并且对执 行的任务进行密切监控己成为一种发展趋势。在这种技术背景下，作为支持过程建模、 优化分析、经营过程自动化的有效支持工具，工作流管理技术与工作流管理系统软件近 几年来得到广泛的重视并迅速发展。而1 9 9 3 年工作流技术的标准化组织工作流管理联 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 ) 的成立标志着工作流技术在计算机应用研究 领域之中不可替代的重要作用，相应的概念和术语也得到了人们的承认。目前，在全球 范围内，对工作流的技术研究以及相关产品的开发已经进入了更为繁荣的阶段，更多更 新的技术被集成进来了，文件管理系统、数据库、电子邮件、移动计算、因特网服务等 都已经被容纳到工作流管理系统之中，工作流产品的市场也以每年两位数字的速度迅猛 增长。 然而，工作流系统更为重要的一点是作为支持业务经营过程重组和经营过程自动化 的一种手段，以及全面使用产品数据管理进行产品开发的关键环节之一，工作流技术的 1 1 绪论硕士论文 研究应用日益受到学术界和企业界的重视。许多大学和研究机构也致力于工作流技术的 进一步发展，开展了一系列的研究项目，取得了显著的成果。【4 3 7 1 本课题源于南京市高新技术及产业化专项项目“支持产品协同设计的组件集”。主 要目标是开发一组通用的支持产品协同设计的软件组件，包含支持协同合作的工作流管 理系统。在项目进展过程中对过程模型进行了深入分析，并结合实际情况为建模结构设 计各种高效的验证算法，因而，本论文在理论研究和实际应用上都有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 在工作流技术应用日益得到重视的今天，对工作流技术的研究也在向更深层次进 行。在国际上，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 列的分布式工作流管理系统e x o t i c a f m q m ，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 和基于状态与活动图的工作流管理系统m e n t o r 等。在 国内，工作流管理技术的研究和应用实施是国家8 6 3 c i m s 主题下的一个十分重要的领 域，该主题领域下以清华大学自动化系与上海交通大学计算机系为代表的相关课题组结 合制造领域的应用情况开展了深入的应用研究。在产品方面，如杭州信雅达公司开发的 采用基于域的联邦系统架构，对分布式管理、运行支持较好的s u n f l o w ，西安协同数码 开发的基本上非常严格遵循了w f m c 的规范，完全实现了参考模型中的五大接口的 s y n c h r o f l o w 等。这些成果都推动了工作流管理技术的进一步研究、发展、应用与产品 化。 相对工作流产品市场的繁荣，工作流相关理论研究则显得有些滞后。在过去很长一 段时间里，有关工作流方面的研究主要由商品化的工作流管理系统的开发商所领导，这 些开发商大多把注意力放在工作流管理系统的开发实施方面。目前，在工作流设计方法 学、工作流概念模型等方面还有待进一步研究。下面对工作流技术研究的一些理论课题 进行论述： 1 ) 过程模型理论与建模方法：研究如何清晰、准确地表示实际应用中的过程，特 别是研究如何以形式化的方法表示过程模型。如基于p e t r i 网的过程模型，基 于活动网络的过程模型，基于事件驱动过程链的过程模型。 2 ) 模型验证和模型仿真方法：研究从理论上如何验证所建立过程模型不存在结构 及语义等各种错误，研究如何评价所建立的模型的性能和优化模型的方法。 3 1 分布式环境下资源协调和任务优化调度策略：研究在大范围的分布式环境下， 在资源有限和任务完成时间约束的情况下，如何优化系统中任务执行的顺序和 资源的分配，对于工作流技术在大规模生产和调度过程中有非常重要的意义。 4 1 过程模型与其它模型的集成方法：在描述一个企业和个应用领域的问题时， 仅有过程模型是不够的，还需要有功能模型、信息模型、资源模型、组织模型 2 硕士论文 图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 等，如何实现过程模型和信息、功能模型的集成对于促进集成化的企业建模和 信息系统实施有重要的意义。 针对工作流模型验证这一方面，国内外学者进行了探讨，同时也取得了一些显著的 成果。在所有的工作流模型验证理论中，用p e t r i 网对工作流系统进行建模、分析和验 证是历史最悠久同时也是应用最广泛的一种。其中w m pv a nd e r a a l s t 5 】提出的一种基 于p e t r i 网的的工作流建模和验证理论是其中最有代表性也最具有主导地位的。w s a d i q a n dm e o r l o w s k a 6 j 在1 9 9 9 年的c a i s e 会议上提出一种图形化简的算法验证工作流图 是否存在结构冲突和缺乏同步，并归纳了几种化简规则和应用方法。其主要贡献是对过 程模型的正确性提出了结构上的要求，并给出了一种判定的方法。而后h a o l i n t 7 1 等人 证明了该算法是不完备的，并提出了最小完备归约集以完善图形化简规则。清华大学的 罗海滨【8 i 等从事件平衡的角度推导了合理工作流所具备的必要条件，把事件平衡的计算 引入工作流模型，提出了工作流执行历史的事件平衡定理，用以分析模型中是否存在可 能破坏工作流合理性的结构。复旦大学的赵磊 9 1 将工作流建模为u m l 活动图，然后用 有限状态进程对它进行形式化表示，接着使用标记转换系统分析器的工具包，对工作流 模型进行自动验证。复旦大学的胡乃静f 3 1 1 在探讨工作流网中缺乏语义逻辑关系的基础 上，扩充了工作流网的控制流结构的描述能力，提出了语义逻辑工作流网的概念，并给 出了语义逻辑工作流网的控制流结构和语义逻辑结构。语义逻辑工作流网的提出为研究 ，网中控制流结构的正确性验证和并发控制调度及其进化打下了理论基础。虽然验证算法 多种多样，但没有一种算法能彻底解决模型合理性问题，并且各种算法之间并没有本质 的联系，从而说明模型验证方面仍有很多问题亟待解决。1 4 , 2 9 , 3 0 , 3 4 1 3 研究目标及内容 工作流模型是对工作流的抽象表示，也就是对经营过程的抽象表示。工作流管理系 统建立阶段的功能主要是完成经营过程的计算机化的定义，也就是完成过程建模的任 务。在工作流中，一个模型的好坏是工作流成败的关键，因此工作流建模在工作流技术 的应用中具有举足轻重的地位。本文在分析了现有的各种建模方法的优缺点，在基于 w f m c 提出的x m l 过程定义语言1 o ( x m lp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ，x p d l ) 的基础上， 借鉴x p d l 2 0 标准的新元素，设计满足灵活的组织模型和实际业务需求的扩展的x m l 过程定义语言( e x t e n dx m l p r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ，e x p d l ) 模型，并对e x p d l 和 ，。, x p d l 的描述能力进行比较。e x p d l 作为工作流建模的描述语言，并以图形方式显示 ，工作流模型，不仅实现工作流技术的标准化和开放性，从而支持异构工作流管理系统与 产品之间的操作，也方便用户利用直观的图形为企业进行业务建模。 其次，定义和模拟真实世界中的工作流是一个非常复杂且容易出错的过程，工作流 本身缺乏坚实的理论基础，许多模型的建立是基于直观理解，没有严格的形式化定义与 = l 1 绪论硕士论文 约束，因此，工作流模型的正确性验证是工作流建模环境的一个核心功能。本文研究了 工作流过程模型验证问题，根据工作流过程模型验证的必要性，对过程模型验证中的关 键问题进行了研究，分析了过程模型的错误类型，并分为以下三部分对过程模型进行验 证： 1 ) 语法验证：该部分是检验过程定义是否符合e x p d l 的规范要求，如活动节点 的各项属性定义是否标准、是否有起始和终止节点的设置等。 2 1 结构验证：该部分是检验过程模型的结构正确性，也就是说过程模型是无结构 冲突的，在没有错误发生时工作流是能够正常终止的。主要研究的内容是改进 图形化工作流的归约算法，在原来归约集算法的判断步骤上，增加循环替代的 算法，并提出新的本质子图算法对文献【7 】的最小完备归约集进行总结，强化了 归约算法的适用性。 3 ) 数据语义验证：在工作流实例的执行过程中，如果多个在逻辑上可以同时执行 的活动共享同一数据，则有可能造成数据访问冲突，该部分结合时间约束提出 模型数据语义的一致性检验算法。 最后，本文展示了基于上述各种技术所设计实现的工作流图形化定义工具，介绍了 系统所用到的相关技术及系统的设计模式，并给出模型实例与其相关的e x p d l 文件。 1 4 论文的组织结构 本文分为七章，各章节安排如下： 第一章绪论。介绍课题的研究背景和意义，国内外研究现状，并对本文研究的主 要内容和论文组织结构进行了简要阐述。 第二章工作流管理系统综述。简单介绍工作流相关的概念，包括工作流、工作流 管理系统、工作流过程定义等。并着重介绍了w f m c 提出的工作流系统参考模型，介 绍现有几种有代表性的工作流模型，对其优缺点进行评述。 第三章工作流建模技术研究与实现。分析模型设计的原则与各必要元素；介绍 w f m c 所制定的工作流过程定义元模型、过程定义经常用到的一些实体、以及为了描述 该实体所提出的x p d l ，比较x p d l 2 0 规范和x p d l l 0 规范之间的差别；为实现灵活 的组织架构和实际的业务需求设计符合实际情况的e x p d l ，通过比较指出e x p d l 比 x p d l 具有更强的描述能力。 第四章工作流结构j 下确性验证技术。阐述了国内外关于模型正确性研究的方法及 成果，研究了过程模型的图形化定义和过程模型中的常见的结构冲突，改进图归约算法， 使归约算法能对包含合理循环结构的工作流模型进行正确性验证，并分析文献【7 】最小 完备归约集的本质原因，提出编程可行性更高的本质子图归约算法。 第五章基于时间约束的工作流数据语义验证技术。分析工作流并发性中存取数据 4 硕十论文 图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 的不合理交错导致工作流定义的数据语义冲突，列举造成数据语义冲突的情况，指出工 作流并发调度机制必须考虑的几个方面，实现在活动节点的粒度上，基于时间约束的工 作流数据语义验证技术。 第六章基于e x p d l 的工作流模型的设计与实现。设计并实现了工作流图形化定 义工具，叙述了实际应用开发过程中所用到的各种技术，展示了系统设计模式的u m l 图和实例图。 第七章总结与展望。对本文工作进行总结和展望，综述了研究界和工业界对工作 流建模及过程验证问题的一些看法、所做出的努力和所取得的成果，以及未来的研究方 向。 2 工作流管理系统综述硕士论文 2 工作流管理系统综述 2 1 工作流管理系统基本概念 企业的经营过程是为了实现企业某个经营目标的一个过程，它在部分或者全部组织 机构和人员参与下，利用企业资源( 包括计算机软、硬件) ，按照预先确定的规则，在 参与者和组织机构之间进行文档、信息、任务的传递和处理，从而实现预定的经营目标。 工作流主要是用来描述经营过程的，因此其可以看成是企业一个具体的经营过程的描述 和图形化的表示。为了描述清楚一个企业的经营过程，并以计算机可以识别的方式建立 企业的经营过程模型，在工作流中必须定义一系列基本的概念和术语来描述模型的组 成。 首先是工作流的定义。根据工作流管理联盟的定义，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 者之间传递、执行。 2 1 其次，在明确了工作流定义基本概念的基础上，介绍工作流管理系统的定义。w f m c 给出的关于工作流管理系统的定义是：工作流管理系统是一个软件系统，它完成工作流 的定义和管理，并按照在计算机中预先定义好的工作流逻辑推进工作流实例的执行。 2 1 通常，工作流管理系统指运行在一个或多个称为工作流机的软件上的，用于定义、 实现和管理工作流运行的一套软件系统，它和工作流执行者( 人、应用) 交互，推进工 作流实例的执行，并监控工作流的运行状态。工作流管理系统可以用来定义与执行不同 覆盖范围( 单个工作者、部门、全企业、企业间) 、不同时间跨度的经营过程。按照经 营过程以及组成活动的复杂程度的不同，工作流管理系统可以采取许多种实施方式。在 不同的实施方式中，所应用的信息技术、通信技术和支撑系统结构会有很大的不同，但 是他们还是具有很多共同的特点，从较高层次上来抽象地考察工作流管理系统，可以发 现所有工作流管理系统都提供了三种功能： 1 ) 建立阶段功能：主要考虑工作流过程和相关活动的定义和建模功能。在这个阶 段，利用一个或多个建模技术与工具，完成实际的经营过程到计算机可处理的 形式化定义的转化，所得到的定义通常可称为过程模型、过程模板、过程元数 据或过程定义。 2 ) 运行阶段的控制功能：在完成了过程模型的定义后，工作流执行服务对模型描 述的过程进行初始化、调度和监控过程中每个活动的执行，在需要人工介入的 场合完成计算机应用软件与操作人员的交互。过程控制实际上由称为工作流引 擎的软件模块来完成。 3 ) 运行阶段的人机交互功能：实现各种活动执行过程中用户与应用程序之间的交 6 硕士论文图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 互。企业各个业务部门的人员按照工作流任务管理器提供的任务项，完成具体 的业务，对于具有较高职务的系统管理员还要进行流程的检查、监视对意外情 况进行紧急处理等。 过程实例化 图2 1 1 工作流管理系统特性 “2 2 工作流管理系统参考模型 为了能够更好地支持企业经营过程建模、分析和实施，适应市场的多元化趋势， 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与应 用管理工具和其他工作流管理系统之间的应用编程接口，其主要目的是为了实现工作流 技术的标准化和开放性，从而支持异构工作流管理系统与产品之间的操作，并且使得其 它的应用可以使用该结构和定义好的通用a p i 访问不同的工作流管理系统提供的服务， 实现与其他应用的快速有效集成。图2 2 1 为w f m c 提出的工作流参考模型1 3 】，本小节 主要对参考模型的五类接口和模型涉及到的相关数据进行描述： 1 ) 接口l ：工作流服务和工作流建模工具间的接口，包括工作流模型的解释和读 写操作。 2 ) 接i = 12 ：工作流服务和客户应用之间的接i = 1 ，它约定所有客户方应用和工作流 服务之间的功能访问方式。 3 ) 接口3 ：工作流机和直接调用的应用程序之间的接口。 4 1 接口4 ：工作流管理系统之间的互操作接口。 5 ) 接口5 ：工作流服务和工作流管理工具之间的接口。 7 2 工作流管理系统综述 硕士论文 6 ) 工作流控制数据：工作流执行服务工作流引擎通过内部的工作流控制数据来辨 别每个过程实例或活动实例的状态。这些数据由工作流执行服务i 作流引擎进 行控制。用户、应用程序或其他的工作流执行服务t _ 作流引擎不能对其直接进 行读写操作，它们可以通过向工作流执行服务i 作流引擎发送消息请求来获得 工作流控制数据的内容。 7 ) 工作流相关数据：工作流管理系统通过工作流相关数据来确定过程实例状态转 换的条件，并选择下一个将要执行的活动。这些数据可以被工作流应用程序访 问并修改。因此，工作流管理软件需要在活动实例之间传递工作流相关数据。 8 ) 工作流应用数据：这种数据是指那些由应用程序操作的数据。它们是针对应用 程序的，是企业完成具体的业务功能所需要的数据，如产品结构数据、定单数 据等。工作流管理系统无法也不需要对它们进行访问。 管理 监控 工具 口 i 过程定义工具 口 一 i 客户应用程序 口 i触发程序 图2 2 1 工作流参考模型 本文的主要目的是研究工作流模型并实现工作流建模工具及模型验证功能，也就是 上图过程定义工具及接口1 考虑的问题。在工作流模型方面，w f l c 定义了一个元模型， 它用于描述工作流模型内部包含的各个对象、对象之间的关系及对象的属性，本文第三 章对此进行详细介绍。而接口l 为在不同的物理或电子介质之间传递过程定义的信息提 供了交互的形式和a p i 调用函数。使用标准定义接口具有很多的好处。首先，它实现了 建模环境和运行环境的分离，使用某种建模工具创建的模型可以运行在不同的工作流产 品上。其次，它使得多个工作流产品可以协同工作，构成一个工作流执行服务，并运行 根据同一过程模型所生成的过程实例。 8 硕士论文图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 2 3 现有的工作流模型 理想的工作流模型除了应该支持完整的工作流概念定义，为建模用户提供定义工作 流所需要的组件或元素等主要特征外，还应该能够清楚地描述任意业务情况下的工作 流，适应用户在建模过程中所提出的各种要求，即工作流描述能力要强，可以描述清楚 几乎所有的业务流程类型。 文献【4 】中给出了对概念模型进行评价的四条标准： 1 ) 表达能力丰富：模型要提供丰富的建模概念，使得由大量约束集合而成的元素 能够在模型中被直接表达出来。 2 ) 容易理解：不论是领域专家还是普通用户，都能够比较容易地理解模型含义。 3 ) 最小化：模型中的概念不重叠，每一个基本概念都有它特定的意义。 4 _ ) 形式化：模型定义能够作为现实对象的形式化描述。 由于工作流首先必须描述清楚一个经营过程是怎么进行的，因此许多工作流模型都 是从过程的描述入手，比如，流程图、状态图、活动网络图以及k e l l e r 等人提出的事件 过程链模型等。这类基于有向图模型的优点是比较直观，容易理解。一般情况下，图中 的节点表示过程中的活动或者状态，而有向弧则表示节点间的时序依赖关系。不少工作 流产品采用了此种类型的模型，但其缺点是比较简单，不能处理复杂的逻辑问题，而且 可能导致语义的模糊不清楚，对时间、执行的约束条件、复杂的关系描述以及过程对象 和参与者之间的管理也难于表述。 w i n o g r a d 与f l o r e 在语言行为理论的基础上提出了一种协作过程的工作流模型。这 种工作流模型的基本组成单元是一个闭合环，并从闭合环所连接的客户方与服务方之间 的语言行为交互上对要完成的活动达成协议，多个闭合环相互连接而成的网络即为一个 工作流过程。a c t i o n 技术公司的工作流产品a c t i o n f l o w 就采用这种工作流模式。这种 建模方法在某些方面也遭到了批评，比如，支持层次化建模的能力不足、不适合于比较 固定的企业经营过程、建模人员很难完整明确的列出双方所有可能的语言行为等。 p e t r i 网也被用来建立工作了流模型，e l l i 和n u t t 在p e t r i 网的基础上提出信息控制 网模型，它实际上是高级p e t r i 网的延伸。v a nd e r a a l s t 则在p e t r i 网的基础上提出了工 作流网 1 0 1 。在工作流网中，变迁被用来表示活动，而库所则表示活动的使能条件，库 所中的托肯代表一个过程实例的状态。工作流网具有以下几个优点：兼顾了严格语义 与图形语言两方面；基于状态的建模方法，其严格区分了活动的使能和活动的执行， 明确二者之间的差别，增加了过程定义的表达能力和柔性；具有较强的分析能力。经 过几十年的研究，p e t r i 网拥有了多种可以利用的分析技术，如安全性、无死锁、响应 时间等。但是p e t r i 网同样具有其不可避免的缺点：工作流网系统节点太多，而状态 空间的状态数又随着节点的增加呈指数关系增长，使得对复杂系统的分析非常困难。 9 2 工作流管理系统综述 硕士论文 工作流网的理论性太强，对于用户而言不容易掌握：工作流网模型在描述能力上还有 待进一步提高和改善，其中有一点就是不能支持动态性，而动态性是应用中不可避免的， 如组织结构的改组，引进新的应用系统，员工的招聘和解雇等。这种不足是由于网结构、 变迁的谓词( 前置条件和后置条件) 以及和变迁关联的工作都是在工作流建模的时候确 定而造成的。 4 , 1 0 l 为了实现交互和在不同格式之间实现转换，有的模型还提出了规范的描述语言，称 之为“过程描述语言 。比较典型的有w f m c 最早推出的w p d l ( x p d l 的前身) 、i b m 的f d l ( f l o w m a r kd e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 、m e t e o r 2 项目定义的w l l ( w o r k n o wi n t e r m e d i a t e l a n g u a g e ) 等。这些工作流定义语言都有自己的特定的语法规范和特点，包括标识符、 关键字、文法规则等，有的还开发了相应的编译器，用于生成工作流运行的可执行代码， 但实施的效果普遍不好。主要原因是这些工作流过程定义语言难以表达业务过程的复杂 逻辑结构，如并行以及业务过程的动态变化等情况；也很难表达上下文的含义，只有那 些精通这些文本描述定义的人才能对整个工作流过程有完全的认识。1 4 1 2 4 本章小结 本节介绍了工作流、工作流管理系统的基本概念，通过图例分析工作流管理系统的 功能，并详细介绍w f m c 提出的工作流参考模型中的五类接口和该模型所涉及到的几 种数据，最后着重介绍几种有代表性的工作流模型，它们都具有比较突出的特点，并代 表了一种较为普遍的观点，通过对比分析各种模型的优缺点，对于今后开展工作流建模 问题有一定的参考价值。 1 0 硕士论文图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 3 工作流建模技术研究与实现 模型是用文字、图表、符号、关系式以及实体模样等描述所认识的客观对象的一种 简化表现形式。它是人们为了研究和解决客观世界中存在的各种问题而对客观现实经过 思维抽象后得到的。简单的说，模型就是所描述客观对象的抽象表示。一般来讲，模型 都包含一个完整的概念集合、一套相应的表示方法以及必要的规则约束，它们为人们抽 象地表达客观对象提供了一个参考性地框架环境。 因此，在实现建模工具之前，必须根据实际的业务需求制定模型设计原则和研究模 型的组成要素，并参考目前符合标准设计要求的模型表述方式。 3 1 工作流模型设计 3 1 1 工作流模型设计原则 工作流模型是整个工作流管理系统的基础，在进行工作流模型设计之前，我们首先 制定了如下几个模型设计原则。 1 1 界面友好性：对于一个面向用户的系统，应该以简单、直观、易于操作为前提。 在对现有工作流模型进行比较后( 2 3 节) ，基于活动图模型虽然缺乏p e t r i 的 逻辑严密性，但却是可读性最好的一种，对于非专业人员用是最直观、最自然 的表达方式，所以选择基于活动图的建模方法。 2 ) 描述能力强：过程定义应该能够表示各种可能发生的逻辑结构。文献【1 1 】将过 程控制模式分为基本控制模式、高级的分支和合并模式、结构化模式、多实例 模式、基于状态的模式和取消模式六大类，共2 0 种。通过对过程模式的分析， 可以判定该模型设计的描述能力。 3 ) 通用性与标准性：目前市场上存在多种工作流管理系统，为了使不同的工作流 产品能够实现协作运行，从而为工作流定义的执行提供良好的运行环境，描述 应符合w f m c 的x p d l 标准。 4 1 组织结构和数据表达的完整性：工作流定义除了描述模型“是什么 的问题以 外，还要清晰地表述“由谁做 、“怎么做”等方面的问题。因此，在模型设计 的时候应该加入描述企业人员的组织模型、提供工作流定义的相关数据等。 3 1 2 模型各组成元素介绍 工作流模型定义在过程运行中会涉及到的各种参数，一个好的模型应该具有比较强 的描述能力、易于使用、易于修改以便能够适应不断变化的工作环境的要求。而企业是 一个非常复杂的社会、经济、物理的系统，必须从多个层次、多个角度来考察才能全面 3 工作流建模技术研究与实现 硕士论文 地描述生产经营过程。因此，我们从过程模型、组织模型、工作流相关数据这三个方面 来考察企业的生产经营过程。 3 1 2 1 过程模型 过程模型的结构采用基于活动图的建模方式，一个工作流过程可以看成是一个由节 点与连接弧所组成的有向图。其中，节点代表活动，连接弧代表活动间的顺序关系。 根据节点的功能，我们把它分为五类节点：工作节点、应用节点、子流程节点、抄 送节点和虚节点。 1 ) 工作节点：工作节点对应一个具体的工作单元，代表了组成一个实际经营过程 所需的各种类型的活动与任务。为了方便用户和工作流引擎正确分辨流程的开 始和结束节点，采用工作流图形化建模工具时，新建文档中默认创建“开始节 点”和“结束节点 。“开始节点”是一个过程的唯一入口点，它无前趋节点； “结束节点”是一个过程的唯一出口点，它无后继节点。一旦“结束节点”被 激活，则标志着整个流程的结束。 2 ) 应用节点：应用节点指明该节点的执行需要包含的外部应用，这个外部应用可 以是进行文档打印的接口，也可以是发送e m a i l 的接口等等。 3 ) 子流程节点：子流程节点丰富流程定义的描述能力使得流程定义支持层次化建 模，子流程可以出现在模型的任何层次，即容许子流程内部再次嵌入子流程。 子流程的实现有两个选择项：同步和异步。同步指的是在工作流引擎在触发此 子流程节点时，将创建该子流程，并且要到子流程运行结束后，引擎才将流出 任务发送到该子流程节点的后续节点上。异步指的是在工作流引擎在触发此子 流程节点时，将创建该子流程，同时引擎将流出任务直接发送到该子流程节点 的后续节点上，而不等子流程是否运行结束。 4 ) 抄送节点：同工作节点不同的是，该节点的任务无需参与者完成和提交，参与 者只需浏览任务内容，因此该节点没有输出转移。 5 ) 虚节点：没有任何参与者的节点，该节点通常作为任务同步流入的中间过渡节 点。 此外，工作流活动存在一定的业务逻辑关系，可以通过节点的同步属性进行设置。 一般情况下存在了以下6 种控制结构：顺序( s e q u e n c e ) 、与分支( a n d s p l i t ) 、与合并 ( a n d - j o i n ) 、或分支( x o r - s p l i t ) 、或合并( x o r - j o i n ) 以及循环( i t e r a t i o n ) 。无论实际业务过程结 构多复杂，这6 种的符号可以清晰完整地定义业务过程的规则和约束关系，建立工作流 的过程模型。 1 2 硕士论文 图形化工作流建模及其正确性验证方法研究与实现 ( a ) 顺序 ( b ) 与分支( c ) 或分支 ( d ) 与台井( e ) 或合并( f ) 循环 图3 1 2 1 1 六种逻辑结构 1 ) 顺序：最重要最基本的模型结构，它定义了任务执行的顺序。 2 ) 与分支：表示“活动l ”结束后触发“活动2 和“活动3 执行，并且二者都 要执行，但执行顺序无关。 3 ) 或分支：表示“活动1 ”结束后，仅仅触发“活动2 或“活动3 中的一个执 行，但具体执行哪一个则要看具体的转移条件。 4 ) 与合并：表示只有当“活动2 ”和“活动3 都完成时，工作流引擎才会触发 “活动1 ”的执行。 5 ) 或合并：表示“活动2 或“活动3 ”中只有一个活动被触发，当这个被触发 的活动完成后，工作流引擎就会触发“活动l 的执行。 6 ) 循环：用来定义需要重复执行多次的活动。在循环结构中，若某节点的前驱节 点集包含本循环以外的节点，则该节点为入口节点；同理，若某节点的后继节 点集包含本循环以外的节点，则该节点为出口节点。 连接弧是位于节点之间的有向线段，它从前趋节点指向后继节点。根据连接弧转移 条件的特点，可以把连接弧分为两类：无条件连接弧和有条件连接弧。无条件连接弧体 现的是一种顺序关系，不需要经过任何条件的判断，只要前驱节点执行完毕，即可激发 后续节点。有条件连接弧的转移条件实际上体现了一种选择关系，即转移函数的取值需 要在具体的工作执行过程中由工作流引擎加以判断，实现对某一节点的多个后继节点的 选择性激活。1 3 5 , 4 9 3 1 2 2 组织模型 组织模型用来定义企业中人的组织形式的模型。它应该提供灵活的结构以适应不同 1 3 3 工作流建模技术研究与实现 硕士论文 的企业或企业中不同的组织结构。考虑到大部分企业的所共有的组织特点，提供四种实 体：系统管理员、用户、角色和部f - i 。1 3 6 1 1 ) 系统管理员：系统管理员可以进行用户、角色添加的设置。并且可以设置每一 个用户、角色的权限。 2 ) 用户：对应企业每一个雇员，是一个独立的、具有一定行为能力和一定技术能 力的个人。 3 ) 角色：角色是用来制定用户在工作中承担的责任。不同的用户具备不同的角色， 也可以具备相同的角色，甚至一个用户可以具备几个不同的角色。如经理，设 计员等。 4 ) 部门：对应于企业静态的结构划分，由企业的实际部门设置情况来决定的，可 以是传统的面向职能的，也可以是现在流行的面向过程和客户的。 3 1 2 3 工作流相关数据 工作流相关数据主要包括两类：简单变量和复杂变量。 简单变量是指一个单独的变量，用户可以直接在工作流建模工具中进行简单变量的 赋值，比如时间、简单转移的逻辑表达式等。 复杂变量是指由于工作流为了支持二次开发的特性引入脚本文件、特定信息实体 ( 表单文件、w o r d 文档) 等。在这些对象内部隐藏了与具体的脚本引擎、文件系统、 数据库系统相交互的细节，用户只需了解对象属性和方法的含义，即可在过程模型中对 其进行引用。 3 2 基于x p d l 过程模型研究 x m l 是下一代的因特网语言，具有极大灵活性。使用x m l 可以定义一种基于文 本的不同应用间的数据结构，而不是基于二进制的、只能由程序去读取的代码。x m l 的这一特性使得不同应用、不同平台甚至同一应用的不同模块之间的数据交换变得非常 容易。 3 2 1x p d l 是工作流管理联盟应用x m l 对工作流过程进行定义的种符合x m l 规范的语言，x p d l 是一个通用的框架，无论开发者如何实现，采用什么图形描述( 状 态图，活动图等) ，只要应用x p d l 规范，就可以在不同的工作流产品间进行数据交换， 并被不同的、符合