（计算机应用技术专业论文）基于petri网的工作流模型分析与性能评价方法的研究.pdf

摘要 世界经济全球化对企业的生存环境产生了深刻的影响，企业面临着新的全球 化的市场竞争环境，这对企业的工作流的应用提出了更高的要求，同时也促进了 工作流领域研究工作的开展。 本文以工作流模型的分析和性能评价作为主要研究内容。在归纳和总结了现 有工作流建模方法的基础上，给出了符合w f m c 规范的基本工作流过程模型的 p e t r i 网描述，提出了将活动图转化为p e t r i 网的方法，讨论了如何在工作流中 中引入时间参数。 工作流模型的正确性是工作流系统对业务过程进行高效处理的前提。论文对 工作流过程模型正确性的要求进行了归纳，讨论了模型正确性的形式化表述。在 p e t r i 网已有研究成果的基础上，提出了模型正确性验证的算法。 工作流时间管理是研究工作流执行过程中的时间控制问题，目的是提高工作 流管理的效率。在分析了已有方法的基础上，提出了工作流时间约束的概念和相 应的模型，研究了时间约束对工作流运行控制的影响，建立了一种基于事件的时 间约束描述方法，提出了在业务过程定义阶段和运行阶段进行时间约束一致性验 证的方法。 工作流的可调度性是工作流运行控制的主要依据之一。论文采用工作流的时 间约束p e t r i 网模型，提出了工作流可调度性的概念和可调度性分析的方法，并 针对约束模型提出了一套保持时间约束特性不变的网变换规则，进而利用这套规 则计算工作流系统响应时间。 工作流模型的性能评价是工作流研究的重要内容，论文提出了一种基于扩展 赋时p e t r i 网的工作流响应时间的计算和分析方法，通过应用保持响应时间和分 布概率不变的网变换技术，对工作流过程模型进行简化，以计算模型的性能参数。 论文采用随机p e t r i 网建立工作流的连续时间模型和离散时间模型并进行模 型的性能评价。对两种模型分别提出了等效性能参数的计算方法。结合网模型的 等效化简技术，可以有效地进行工作流随机模型的性能评价。 关键词：工作流，工作流管理 时间约束， 可调度性， p e t r i 网 模型化简 模型验证， 性能评价 a b s t r a c t t h eg l o b a l i z a t i o no fw o r l de c o n o m i c sh a d 血ep r o f o u n di n n u e n c et oe n t e r p r i s e s s u r v i v a le n v i r o n m e n t t h ee n t e r p r i s eh a sb e e nf a c i n g 也en e wg l o b a l i z a t i o nm a r k e t c o m p e t i t i o ne n v i r o m e m t h i ss e te v e nh j g h e rd e m a n d sf o r 血ew o r h l o wa p p l i c a t i o n o fe n t e r p r i s e ，a n da l s op r o m o t e dt h ed e v e l o p m e mo fr e s e a r c hi nt h ed o m a i no f 、v o r k n o wa t 廿l es a m et i m e t h i s 口a p e rt a k e sa 1 1 a 王y s i sa n dp e r f o h n a n c ee v a i u a t i o no ft h ew o r k n o wm o d e l sa s t h em a i nr e s e a r c hc o m e n t s o nm eb a s i so fc o n c l u s i o na n ds u m m a r j z e st h en o w a d a v s m o d e l 曲g 印p r o a c h e so fw o r k o ow ，m ep a p e rp r o p o s e st 1 1 ed e s c r i p t i o no fb a s i c w o r k n o wm o d e l sw h i c hs a t i s f yw f m cs t a n d a r d s ，p u t sf o r w a r da na p p r o a c ho f t r a n s f 0 砌n g 血ea c t i v i t i e sc h a r tt op e t dn e t ，a n dd i s c u s s e sh o wt oi n t r o d u c et i m et o w o r k f l o w t h ea c c u r a c vo fw o r k n o wm o d e l si st h e 口r e m i s eo fe f r e c t i v ee x e c u t i o no f w o r k n o ws v s t e m s t h ep a p e rc o n c l u d e st h er e q u e s t sf o rm ec o r r e c t n e s so fw o r k n o w p r o c e d u r em o d e l s ，d i s c u s s e sf o r m a l i z e dd e s c r i p t i o no fc o r r e c t n e s so fm o d e l s ，a n do n t h eb a s i so fr e s e a r c ha c h i e v e m e m so fp e t r in e t s ，p r o p o s e s 也ea l g o r i t h mt oc h e c kt h e c o n e c t 工1 e s so f m o d e l s t h et i m em a n a g e m e mi nw o r l ( n o w si st h er e s e a r c ho fh o wt oc o n t r d li nw o r k n o w e x e c u t i o na n d 也ea i mo ft i m em a n a 臣e m e n ti st oe 1 1 1 1 a n c et h ee m c i e n c vo ft h e m a i l a g e m e n ti nt h ef o u n d a t i o no fa 1 1 a l y z i n gm em e m o d sh a dp m v i d e d ，t 1 1 ep a p e r p r o p o s e sm ec o n c e p t sa n dc o r r e s p o n d i n gm o d e l so ft i m ec o n s t r a i n t so fw o r k f l o w s t u d i e st h ei n f l u e n c eo f t i m et ot h eo d e r a t i o na n dc o n t r o lo fw o r k n o w s e s t a b l i s h e sa m e t h o do fd e s c r i p t i o no ft i m ec o n s t r a i n t sb a s e do ne v e n t s ，p r o p o s e da na p p r o a c hf b r c h e c k i n gt h ec o n s i s t e n c yo f t i m ec o n s t r a i n t si nt 上1 ep h a s e so f d e f i n i t i o na n de x e c u t i o n o f t h em o d e l s t h es c h e d u a b m t vo fw o r k f l o w si so n eo fm em a i nb a s e so ft h eo d e r a t i o nc o n t m l o fw o r k n o w s t h ep a p e rp r o p o s e sc o n c 印t sa n dt 1 1 ea n a l y z i n gm e t h o d so ft h e w o r k n o ws c h e d u a b i l i t yb vu s i n gt i m ec o n s t r a i n tp e mn e tm o d e l s ，p r o p o s e sas e to f n e t 廿 m s f o r m i n gm l e st om a i n t a i nt i m ec o n s t r a i n tf o rm o d e l s ，a n dt h e nu s e st h i ss e to f r u l e st oc o m p u t er e s p o n s et i m eo fw o r k n o w s y 8 t e m s t h ed e d b r m a n c ee v a j u a t i o no fw o r k n o wi sa ni m 臼o r t a i 】tc o n t e n to fw o r k n o w r e s e a r c h t h ep a p e rp r o p o s e sa i la p p r o a c ht oc o m p u t ea n dm l a l y s i st h er e s p o n s et i m e o fw o r k n o wb a s e do ne x t e n d e dt i m e dp e mn e t s ，s i m p l i 母血em o d e l sb va p p l v i n gt h e n e t 仃a 工1 s f o 肌i n gt e c h n i q u e sw i mm a i n t a i n i n gt h er e s p o n s et i m ea n dt h ed i s t r i b u t i o n p r o b a b i l i t v a n dc a l c u l a t e st h ep e b r m a n c ep a r 啪e t e r so ft h em o d e l s t h e p a 口e rc r e a t e st h ec o n t i r m o u st i m ea n dd i s c r e t et i m em o d e l sa n de v a l u a t e st h e p e r f o h j l a n c eo fw o r k f l o wb yu s i n gs t o c h a s t i cp e t r in e t ，a n dp r o p o s e ss e p a r a t e l yt w o a p p r o a c h e sf o rc a l c u l a t i n gp e r f o n a n c ep a r a m e t e r se q u i v a l e m l y s o ，t h ep e r f o m l a n c e o fs t o c h a s t i cw o r k n o wm o d e l sc a nb ee n 、e c t i v e l ve v a l u a t e dc o m b i n i n 叠w i t hn e t s i m d l m c a c i o n k e v w o r d w o r k f l ow ，w o r k f l o wm a l l a g e m e 毗，p e t r in e t s ， c o n s t r a i n t ，s c h e d u l a b i l i t y m o d e ls i m p l m c a i i o n ， m o d e lv 色r i f i c a d o n t i i n e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：复丝日期：丛! 生，7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：三! 兰 导师签名：日期：叮h ，7 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 引言 随着世界经济一体化进程的加快，企业面临着持续多变和充满不确定因素的 全球化市场竞争的环境，其竞争的核心是以知识为基础的新产品的竞争。为了提 高竞争力，赢得市场，满足不同顾客对产品的需求和社会可持续发展的要求，现 代企业的产品必须满足最快的上市速度( t t i m et om a r k e t ) 、最好的质量( o q u a l i t y ) 、最低的成本( c c o s t ) 、最优的服务( s s e r v i c e ) 和最清洁的环境 ( e e n v i m m e m ) 的要求。面对激烈的竞争，近十年来，人们将制造技术与飞 速发展着的计算机技术、自动化技术、现代管理技术以及系统工程技术有机地结 合起来，逐渐形成了新一代的“先进制造技术”( a d v a n c e dm 删f 配t 嘣n g t e c h n o l o g y ，a m t ) 。今天，它已经成为改善企业产品的t 、q 、c 、s 、e ，提高 企业的柔性、敏捷性的关键手段，使制造业进入了信息化、集成化、自动化、智 能化、敏捷化的新历史时期。 在现代制造技术中，无论是新的哲理、观念，还是新的制造模式，大都显式 或隐式地体现了过程的概念。事实上，正确、高效、经济的企业过程是企业最宝 贵的财富之一。企业要想在有限的开销内( 或最低的花费条件下) 及时和高效地 开发出高质量、高性能的产品( 或提供优质的服务) ，在很大程度上取决于开发 产品( 或提供服务) 的企业过程和对企业过程的管理，企业过程常常成为企业取 得成功的决定性因素。因此，为了在竞争中持续地保持优势地位，企业必须始终 关注企业过程的改进和集成。1 。采用工作流技术，正是达到这一目标的有效途 径。 工作流技术是9 0 年代以后计算机应用领域的一个新的研究热点。随着分布 式计算技术和高速网络技术的发展，现代企业的信息资源越来越表现出种异 构、分布、松散耦合的特点，企业经营及其决策过程的分散性、对日常业务活动 详尽信息的需求以及汁算机b s 体系结构、分布式处理技术( c o r b a ，w w w ， o l e ，j a 、，a ) 的日益成熟，使得在大规模的异构分布式执行环境下高效运转并 密切监控相互关联的一组任务成为一种应用趋势。在这样的技术背景下，工作流 管理系统也由最初的创建无纸化办公环境转而成为适应企业复杂信息环境、实现 业务流程自动执行的必要工具。这样的个转变，把工作流技术带入了一个崭新 的发展阶段，使得人们从更深的层次、更广的领域上对工作流技术展开研究o ”。 工作流管理系统最大的优点是将应用逻辑和过程逻辑分离，在不修改具体 功能的情况下，通过修改过程模型改变系统功能，完成对生产经营部分或全过程 的控制和管理，可有效地把人、信息和应用工具有机地组织起来，发挥系统的最 大效能。 工作流技术是一种新兴的技术，办公自动化技术和批处理技术是它的雏形。 8 0 年代中期，f i l e n e t 和v i e w s t a r 等公司率先开拓了工作流产品市场，成为最早 的一批工作流产品供应商。这类集成化软件系统支持企业简化与重组自己的关键 业务流程，工作流从它的诞生之日起就是作为一种面向过程的系统集成技术出现 的，只是由于受当时计算机技术的限制，它所集成的功能较为简单“。 纵观工作流软件产品由8 0 年代萌芽至今可分成4 个阶段： 1 、主要服务于某些特定领域的、相对独立的应用系统，比如文档管理系统； 东南大学博士学位论文 2 、主要表现为具有底层通信基础结构支持、能实现任务协作的应用系统， 例如具有消息传递功能的工作流系统； 3 、具有图形用户界面的过程定义工具、任务及其流程的定义与任务的执行 完全分离的工作流系统，其体系结构基本上符合工作流管理联盟所提出的标准结 构； 4 、有一定理论支持的基于群体协作的集成系统。 进入九十年代，越来越多的企业开始认识到需要有支持设计和执行业务处理 过程的高级工具，业务过程问题成为目前企业信息系统开发中的突出问题。要求 信息系统包含工作流管理系统来支持各种业务过程，其理由主要有四个： l 、新的管理哲学激发了企业对业务处理过程的兴趣，如经营过程重组 ( b u s i n e s sp r o c e s sr e e n g i n e e r i n g b p r ) 和持续过程改进( c o n t i n u o u s p r o c e s si m p r o v e m e n t c p i )。 2 、为了提供更多的产品和服务，企业组织机构内部的业务过程种类比以前 大为增加，并且产品和服务的生命周期也比以前大大缩短了，从而使得业务过程 的数量急剧增加。 3 、为了适应激烈的竞争，组织机构需要经常改变业务处理过程。 4 、业务处理过程变得更加复杂。， 在工作流技术的发展历程中，具有里程碑意义的是工作流技术的标准化组织 工作流管理联盟( w o r k n o wm a l l a g e m e n tc o a l i t i o n ，w f m c ) 的成立。1 9 9 3 年 w f m c 的成立反映了工作流技术得到了企业界和学术界的重视，标志着工作流技 术开始进入相对成熟的阶段。为了规范工作流产品的技术标准，实现不同工作流 产品之间的互操作，w f m c 在工作流管理系统的相关术语、体系结构及应用编程 接口等方面制定了一系列标准”“。在全球范围内，对工作流的技术研究以及相 关的产品开发进入了更为繁荣的阶段，更多、更新的技术被容纳到工作流管理系 统之中。 最初的企业管理信息化工作是解决企业业务处理过程中的计算机支持问题， 即无纸化办公。接下来解决的是“信息孤岛”问题，即信息集成。目前的研究工 作更多地着眼于业务处理过程的计算机支持，即功能和过程集成。到目前为止， 企业的业务过程中的基本活动一般己经采用计算机应用系统支持了，但要把这些 活动组织成一个协调的工作流程，多数情况下是由人工完成的，或至多是在人工 参与下由应用系统之间被动地交互完成的( 例如数据库管理系统) 。要实现企业 信息管理的功能和过程集成，自动地协调业务过程中的活动，需要工作流管理系 统的支持。工作流管理系统的任务就是根据工作流模型自动控制业务过程的执 行，以确保恰当的活动在恰当的时间由恰当的人( 或计算机软件) 来执行。 w f m c 对工作流和工作流管理系统的定义是： 工作流是指整个或部分业务过程的自动化执行。在业务过程执行期问，按照 一个规则集中的相应规则，信息或任务被从业务过程的一个参与者传递到下一个 参与者，以便过程的参与者实施相应的操作。 工作流管理系统是运行在一个或多个工作流引擎上的计算机应用系统，它定 义、创建工作流，并管理着工作流的执行。工作流引擎能够解释过程定义，与执 行工作流的参与者进行交互，并在需要的时候调用相应的信息技术工具及应用程 序。 文献。1 对工作流作了进步的解释，认为工作流应能描述业务过程的以下几 个方面：业务过程是什么( 由哪些活动或任务组成，也就是结构上的定义) ：业 2 第一章绪论 务过程怎样处理( 活动间的执行条件、规则以及交换信息，也就是控制流和信息 流的定义) ；由谁来做( 人或者计算机应用程序，也就是参与者的定义) 。它可自 动或半自动地按预先设计好的流程执行、自动分配资源、协调参与者，达到自动 调度和电子化管理等目标。 工作流管理的主要目标是：通过调度和分配有关的人力资源与信息资源来协 调业务过程中的各个环节，保证业务目标的高效实现。由于它是从全局的角度来 进行管理、完成企业的业务目标，因而有可能较大地提高企业的运营效率，及时 发现和解决企业业务流程执行过程中出现的问题。企业的决策层和管理层可以及 时监控企业的运营情况，了解各项任务的执行过程和进度。进一步的，企业还可 以通过分析工作流系统的日志信息，发现任务流程中的关键步骤和瓶颈，进行流 程的优化以提高整个流程的运行效率，缩短业务流程的执行时间，提高企业的劳 动生产率和市场竞争力。 按照工作流系统所采用的任务项传递机制的不同来划分，工作流系统的产品 基本上可以分为4 类”“： 1 、基于文件和数据库的工作流系统 以共享文件的方式来完成任务。这种类型的产品是产生最早、发展最成熟、 最具多样性的，通常包含有c l i e n t s e r v e r 模式的图像、文档与数据库管理系 统。代表产品有f 订e t 的v i s u a lw o r kf l o ，i b m 的f l o w m a r k ，x a i t 的i n c o n c e r t 等。 2 、基于消息的工作流系统 通过各种消息机制( 如电子邮件系统、永久消息队列、事件传送机制等) 来 传递任务项信息。这种类型的产品通常都与一种或多种电子邮件系统实现了集 成。代表产品有n o v e l l 与f i l en e t 合作开发的e n s e m b l e ，j e tf o r m 的i nt e m p o ，k e y f i l e 的k e y f l o w 等。i b ma l m a d e n 的e c o t i c a f m q m 使用m qs e r i e s 提供 的消息机制，瑞士的苏黎世大学研制的e v e 则是利用事件机制来耦合各个分布式 功能组件的。 3 、基于w e b 的工作流系统 通过w w w 技术来实现任务的通信与协作。这一类产品是随着i n t e r n e t 的发 展而出现的，目前发展迅速，已形成一种市场流行趋势。许多供应商纷纷开发新 产品或者在原有产品的基础上增加对w e b 的支持。代表产品有a c t i o n t e c h n 0 1 0 9 i e s 的a c t i o nw o r k sm e t r o ，u l t i m u s 的u l t i m u s 等。 4 、群件与套件系统 。 这一类产品在分类标准上与前面的3 种有一定程度的重叠，但却具有自己独 特的特征：需要依赖自己系统所包含的应用基础结构，包括消息传递、目录服务、 安全管理、数据库与文档管理服务等，产品本身就构成了一个完整的应用开发环 境。代表产品有i b m l o t u s 的l o t u sn o t e s ，m i c r o s o f t 的o f f i c e 与e x c h a n g e ， n o v e l l 的g r o u dw i s e 。 现代企业强调以过程为中心的管理模式，过程集成日益受到企业和研究单位 的重视。工作流技术作为实现过程集成的有效途径之一，在企业先进制造技术的 应用上具有广阔的应用前景。目前，在并行工程、企业经营过程重组、供应链管 理、敏捷制造、企业建模和系统集成等领域都广泛地开展了工作流应用的研究”。 l 、并行工程工作流技术可以很好地应用于产品开发过程的建模和管理， 也可以作为产品协同设计、产品设计中的冲突协调、产品数据管理与流程控制的 3 东南大学博士学位论文 支撑系统。在这一应用中，需要增强工作流对产品数据及其相关集成文档的描述 能力，并且需要在工作流技术中融入先进制造的其它技术和方法。 2 、敏捷制造工作流管理可以作为企业间信息集成的使能工具，基于w e b 和基于邮件方式的工作流管理系统可以为企业灵活地组建动态联盟和实现信息 交换发挥重要作用。在这一应用中，要充分考虑广域网环境下系统之间信息传递 的可靠性问题，以及不同工作流系统之间的互操作和重构问题。 3 、供应链管理工作流管理技术可以较好地应用于实现制造行业供应链建 模和管理功能，为实现企业的动态联盟服务。结合工作流仿真和优化技术，还可 以用于企业分销体系和供应体系的优化。 4 、企业经营过程重组这是工作流技术应用的主要领域。虽然工作流管理 为系统的重构提供了必要的手段，但要真正实现企业经营过程的快速重组，企业 的应用系统需要按照组件方式进行构建或改造，对应用组件的粒度要求也应该与 过程重组所需的灵活性相匹配。即灵活性要求越高，应用组件的粒度应该越小。 5 、企业建模与系统集成以工作流模型为核心，以功能、信息、组织与资 源视图为辅助手段，研究集成化企业建模方法，开发相应的集成化企业建模工具。 在进行这方面的研究时，重点解决不同视图模型之间的集成和模型的一致性问 题，在此基础上，建立以工作流管理系统为基础的集成平台和集成框架软件，实 现方便、快捷、灵活的应用系统集成。 企业对过程建模、b p r 工具、敏捷制造、并行工程的需求，为工作流技术的 应用提供了一个广阔的市场，使工作流产品得以迅速发展。同时，工作流产品供 应商不断将计算机技术、通信技术等研究中的最新研究成果应用于自己的产品开 发中，也促进了它的普及与应用。从技术发展来看，随着工作流这一集成框架下 所容纳技术的不断拓展与成熟，更多、更新的技术被引入到工作流管理系统之中， 工作流系统将成为企业信息处理环境中不可缺少的软件平台，有专家预言，工作 流系统将最终成为覆盖于各类台式机与网络操作系统( 如w i n d o w s ，u n i x ， w i n d o w sn t ) 之上的业务操作系统b 0 s ( b u s i n e s so p e r a t i n gs y s t e m ) “0 3 ，它将 成为企业信息系统的软件支撑平台，在为企业更好地适应市场变化等方面起到举 足轻重的作用。 1 2 研究背景 工作流系统主要涉及的内容有业务处理的整体处理过程、协作成员间依据已 定义的规则及已制定的共同目标交换各种数据信息。工作流系统将异步协同工作 的完成过程变成“流水线”，在明确工作流程后，任务的执行是受约束的、可预见 的。可以预先定义每项任务在其业务处理过程中经过的环节和路径以及做怎样的 处理。因此，工作流管理需要事先对业务的处理及其过程进行分析，把完成任务 目标的业务处理过程分解为一系列有规定状态、条件的任务处理单元的集合，从 而便于业务流程按照设定的条件和规则自动执行。 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，工作流技 术由最初的萌芽逐步发展并取得了相当的成果，但是从工作流系统的实际应用状 况来看，还远未达到人们所期待的效果。从企业用户应用的角度来分析产生这种 状况的原因，主要有以下四点“”“： ( 1 ) 工作流的运行需要底层的通信基础结构的支持，但就目前能够实现分 布计算环境的产品来看，它们在实际应用中仍然显得不够成熟，安全、容错、可 4 第一章绪论 靠性等方面均不能有效满足企业的需求，而且在价格上也给企业造成一定的负 担： ( 2 ) 统一标准的路还很长。不同厂商的工作流产品具有自己独立的一套工 作流标准。用户选定某种产品后，就很难过渡到其它的同类产品之上了，而且不 同的系统之间缺乏互操作的接口； ( 3 ) 应用的复杂性。工作流系统的应用开发除了过程定义等之外，还需要 与应用系统有机结合才能最终完成业务目标。目前的工作流产品很少提供这方面 的支持。另外，工作流系统的实施会在一定程度上改变企业原有的管理理念和管 理制度，这也是对企业的一种冲击； ( 4 ) 工作流技术的不成熟性。目前己有的工作流技术还难以达到与关系型 数据库技术相当的水平，这影响了企业采用工作流技术的信心。 工作流技术存在不成熟性，主要表现在： 1 、在工作流模型描述方面，缺乏种全面支持过程定义、过程演进以及过 程分析的形式化的数学模型。目前的各种工作流模型，大部分都是从直观感觉出 发，以图形或文本语言来定义工作流过程。这种定义的方法实际上仅仅是处在用 户层上，即对用户而言是比较理想的方式，不利于系统的实际实现，也无法对工 作流的本质特征进行描述，更谈不上对工作流进行分析与评价。出于缺乏理论层 的模型支持，使得工作流在应用的许多关键特性上无法得到保证，包括柔性定义、 过程重用、事务处理等，这些都大大限制了工作流在企业应用中的推广。 i i 在工作流的应用方面，缺乏一个标准化的集成框架来支持企业常用的分 布式应用系统间的集成。目前，工作流应用中的瓶颈就是工作流管理系统所支持 的企业应用太少，在集成的模式和方法上还没有统一的标准，这在很大程度上使 得工作流系统的应用受到外部环境的限制。因此，需要建立与企业应用无关的标 准化的集成框架，这将极大地提高工作流系统对企业应用的适应性。 i i i 缺乏对工作流系统模型的评价和仿真方法。产生这个问题的原因在于 工作流本身的复杂性、缺乏辅助的方法和相应的支持工具等。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。 i v 缺乏对工作流服务质量保证方面的支持“。工作流技术应用的普及也提 高了用户对工作流系统的功能要求，即在解决了能不能做之后，新的问题是如何 做的更好。只有在流程的设计和执行的不同阶段都能对过程模型进行有效的分析 和控制，才能保证系统的服务质量。 工作流管理系统需要高度的灵活性、可用性、可伸缩性、可靠性以互操作性， 以适应大规模工作流管理的需要。基于这种要求，从技术和应用的角度看，在工 作流技术这一范畴内，目前主要的研究内容包括以下几个方面： 1 、工作流管理系统体系结构 这方面的专门研究目前还不是很多。尽管工作流管理联盟提出了一个参考模 型，其中对整个工作流系统中的相关部分及各部分之间的接口都做了研究和说 明，但这仅仅是一个可供参考的框架。特别是在分布式环境下，如何构建结合分 布对象技术和代理技术的工作流管理系统体系结构，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、智能性等方面的优势，这是一 个迫切需要解决的问题。目前，各种工作流管理系统在具体实现时都提出了各自 的体系结构：文献“中对一个工作流系统设计过程中所应考虑的因素进行了探 5 东南大学博士学位论文 讨，文献“”叭”“”1 分别提出了各自工作流系统的体系结构。 2 、工作流模型与工作流定义语言 由于工作流系统涉及从应用领域到具体时间的整个过程，因此，如何理解和 表达工作流应用、如何理解和表达工作流的执行过程以及如何将应用转换为相应 的实现，寻找灵活的工作流过程形式化表示方法及过程的执行策略，以便使得定 义的过程模型既能够很好地反映企业实际的业务流程，又可以灵活的适应企业 内、外部环境的变化等等，这都是关于工作流建模方面的问题。目前的工作流产 品一般都具有各自独立的套工作流模型、工作流描述语言以及集成其它应用的 a p i 函数等，从概念到语义都不统一，一旦使用一种产品后，很难过渡到其它产 品或与其它产品集成使用。同时，目前许多工作流模型是从直观感觉出发，以图 形和文本语言相结合的方式来定义工作流过程，这对最终用户而言是比较常用的 建模方法，但不利于系统的实现，也不利于对工作流的本质特征进行描述，更谈 不上对模型进行验证、分析和评价。面向对象( 0 0 ) 的思想反映了人类思维从特 殊到一般和从一般到特殊的内在规律性。在工作流研究中，探讨使用面向对象的 方法来完成业务流程的分析建模，将w f m s 的各个构成要素以对象的形式加以描 述，并在计算机环境下加以实现。现有的工作流系统模型在企业应用中的描述能 力不足，主要反映在工作流模型的语义在描述复杂过程时的能力不足和活动属性 的定义不够丰富，需要在进一步深入分析的基础上，丰富工作流模型的语义和活 动属性的定义。以适当模型构建来表达过程以便能将其转换为可理解和执行的工 作流语言，这可以说是工作流技术满足复杂企业需求首先需要解决的主要问题之 一。 3 、工作流的事务管理 由于工作流管理系统要负责整个工作流过程的执行和监控，因此需保证其执 行结果的完整性、可靠性和正确性，这就是工作流的事务特性。事务的概念来自 于数据库研究领域，用以解决数据的并发访问和出错恢复问题。目前大部分工作 流产品不支持事务的概念，甚至不能保证活动的执行是一个a c i d ( a t o m i c ， c o n s i s t e n c y ，i s o l a t i o n ，d u r a b i l i t y ) 的事务，这意味着系统不能保证工作流 实例的正常运行，也无法保证系统能够正常运转。与传统的数据库事务管理类似， 工作流管理系统也必须提供相应的工作流事务管理，而且是分布、长时间事务管 理。工作流系统的事务管理要比数据库复杂的多，数据库管理系统中的事务管理 是以a c i d 为基础的，其事务模型并不适合于大多数工作流应用，例如：由于a c i d 事务模型强调分离性，所以不允许任务之间的协作，这对于任务之间需要大量交 互和协作的工作流应用来说显然是难以接受的，所以需要对a c i d 事务模型进行 扩充和改进，以符合工作流应用的需要。由于有传统数据库事务管理的基础，因 此，这方面开展的研究也比较多“”“。”“，其目的在于将高级事务处理技术与工 作流技术相结合，以提高工作流系统的可靠性和实用性。 4 、工作流的意外错误处理和恢复 由于各种原因，业务流程在执行过程中常常会发生许多意外情况，如：不合 适的流程定义、流程的执行时间超过了限定的截至时间、任务无法按规定的路线 传递( 系统配置发生了改变或任务处理人员不在岗位) 等等。这方面的主要研究 工作包括意外处理过程的建模o ”。“、处理机制和框架”及具体的实现技术o 。工 作流恢复主要包含两方面的内容：一是如何撤消一项已经完成或因失效而导致无 法全部完成但已经部分完成的任务，二是如何撤消一项被取消的任务。这就要求 工作流管理系统必须具备维护各项任务工作状态的能力，并据此能够使那些因失 6 第一章绪论 效而中断的工作流恢复到某个一致的状态。目前的工作流管理系统极少能够提供 有效的恢复机制。 5 、工作流的实现技术 将先进、可用的各种计算机和通信技术应用到工作流系统的实现中，主要包 括面向对象技术、异构分布式计算、图形用户界面、消息通信机制、w 唧等在内 的与工作流有关的各项技术和方法。特别是随着w 曲技术的普及，基于w e b 的 工作流实现技术得到了充分的发展。在过去，把数据库技术用于支持处理过程管 理，例如使用触发器和存储过程，但是这种工作流环境是均匀的( h o m o 罾e n e o u n 。7 2 “。但是，当前越来越追切需要把工作流管理系统构筑在分布的、基于对象 的支撑结构上，以支持大规模的企业应用。好在目前有许多中间件和技术标准 用于支持分布式对象计算，诸如c o r b a 、d c e 、o p e nd o c 、d c 0 m 、w 曲和j a v a r m i 等，工作流可以通过各种中间件技术和w e b 扩展到多个企业，并实现多个 基于w e b 的工作流服务器之间的协同工作。 6 、工作流系统的仿真与测试 正像一般的软件系统样，工作流系统在开发和定义完毕后，在正式投入运 行之前，也应该进行严格的测试，以确保系统的可靠性。如果在系统运行之前能 够根据工作流需求说明来收集有关数据，并对其进行分析和评估，从而发现潜在 的问题或提供可能的改进方案，如分析系统执行效率等；类似地，在系统的运行 期间还要提供执行过程的监控手段，以帮助掌握各项活动的进展情况，从而有助 于发现可能的问题，如瓶颈环节等。目前关于这方面的研究工作还比较少，相应 的辅助工具就更少了。关于工作流的测试研究，目前还难以找到相关文献。 7 、工作流系统的集成与互操作技术 一方面，面对企业众多的计算机应用系统，需要解决以工作流为基础架构的 异构应用系统的集成问题以及不同应用系统之问的互操作问题。另一方面，为满 足企业对动态联盟和敏捷供应链管理的需求，需要研究如何支持跨企业的异构计 算环境下大规模工作流管理问题，包括分布式的体系结构研究和分布式数据管理 研究、两个或多个w f m s 之间的互操作问题及其传递工作项和执行控制的方法等， 以便能将异构的w f m s 互连起来，以适应跨企业大型工作流应用的需要。 8 、工作流系统的分析及性能评估 随着产品上市周期的缩短，企业经营的效率、特别是时间上的效率将显得越 来越重要。目前，越来越多的用户要求能够对模型进行性能分析和评估，性能仿 真与监控工具的引入，将不可避免地成为新一代工作流产品的发展趋势。 9 、工作流与经营过程重组 经营过程重组是对组织经营过程中的核心流程进行根本的重思考和重设计， 以期实现组织的各项关键性能( 如成本、质量、服务和时间等) 获得改善。要想 对经营过程进行重新设计，就必须首先要能理解组织现有过程并将其表达出来， 然后再进行规划和改进。这实际上就是对组织经营过程的建模问题。只有建模还 不够，还要有相应的评价、分析和改进设计的方法和支撑技术。而工作流技术正 是支持经营过程重组的主要技术。因此需要研究相应的方法和策略，通过工作流 技术的应用来有效地实现组织的经营过程重组。 综上所述，目前工作流技术的研究不论在理论分析还是在实现技术上都与以 往有了很大的不同。为了能够使工作流管理计算机化，工作流模型应该具有形式 化和可执行的特点，在工作流建模方面已越来越多地倾向于采用p e t r i 网方法。 目前大部分研究倾向于以经典p e 埘网为基网，引入有色、层次、时问、对象、 7 东南大学博士学位论文 触发器和资源管理等机制，建立适合于工作流建模的各种扩展的高级p e t r i 网。 在以往的工作流模型的研究中，出于简化问题的考虑，常常忽略了时间因素。 然而，对于像工作流系统这样的一类离散事件动态系统( d i s c r e t ee v e n td y n a m i c s y s t e m s d e d s ) ，在其整个生命周期过程中，从规划、设计，到运行、操作， 再到分析、优化，都需要考虑时间因素。为了提高工作流管理的效率，适应企业 敏捷化和快速响应市场的要求，支持企业经营过程重组和持续过程改进，在工作 流模型中必须能够表达和处理时间参数。同时，时间参数的引入使得工作流模型 更趋复杂，这也对工作流的模型能力提出了更高的要求。 ， 1 3 研究的主要范围和主要成果 、 应用工作流技术对企业的经营过程进行全面管理及重组企业过程，首先必须 解决工作流过程的建模、分析及评价问题。同时，工作流过程的建模、分析及评 价所采用的方法和技术也是工作流技术研究的核心问题。考虑了时间因素的工作 流模型，从分析的角度看，需要解决的主要问题是模型的验证和性能评价。本论 文的工作主要是围绕对工作流模型中引入时间参数后，研究如何解决模型的分 析、验证和性能评价问题。在工作流系统建模过程中，由于业务领域、业务需求 及系统所要达到的目标的不同，使得引入的时间参数也具有不同的形式。论文根 据不同形式的时间参数，建立相应的扩展p e t r i 网模型，并对模型进行有效性验 证方法和时间性能评价方法进行研究。 论文研究主要范围和取得的主要成果体现在以下几个方面： 1 、基于p e t r i 网的工作流建模以及模型的验证与分析 基于p e t r i 网的工作流建模方法的研究始终是工作流研究的重要和活跃的领 域之一，论文对这方面的已有研究成果进行了总结与分析。在此基础上，介绍了 工作流的基本p e t r i 定义以及工作流网的概念，讨论了符合工作流管理联盟规范 的工作流过程基本结构的p e t r i 网表示，研究如何从活动图向p e t r i 网转化并给 出具体的算法。同时，讨论了工作流模型时间扩展的不同方式，给出了引入时间 参数的工作流模型的形式化描述。 针对工作流管理的业务流程普遍具有自由选择语义这一特点，论文讨论了满 足自由选择语义的工作流网的结构特点，研究了工作流过程模型正确性的表现形 式，归纳出工作流过程模型的正确性等价于工作流网的有效性。从验证扩展工作 流网的活性和安全性角度出发，提出了工作流网有效性的验证算法。 2 、工作流管理的时间建模、时间约束的表达以及时间约束一致性的验证 工作流系统中的时间管理是工作流建模和分析的重要组成部分，对时间管理 的支持已成为当前工作流技术研究的主要课题之一。工作流时问管理中的首要问 题是如何对时间约束建模以及模型正确性的检验。论文对此问题进行了深入地分 析和研究，重点讨论工作流的时间约束模型，提出了基于事件的时间约束机制及 时间约束一致性的概念，研究在工作流过程的设计和运行两个阶段如何进行时间 约束一致性验证的方法。 3 、时间约束下工作流的可调度性分析 在时问约束下，工作流引擎对工作流任务的调度不仅要考虑如何提高过程执 行的效率，还必须考虑调度的结果对过程后续执行的影响。活动过程的可调度 性分析是工作流时间管理及过程模型研究的项重要内容。论文提出了工作流活 动和工作流过程的可调度性概念，提出了一种结合变迁实施的局部和全局时间信 息进行可调度性分析的方法，并设计了相应的算法。论文还对工作流时间约束模 8 第一章绪论 型下的系统响应时间的估计进行了研究，提出了一套对时间约束p e t r i 网进行保 持时间约束特性不变的网变换