（计算机应用技术专业论文）基于petri网工作流建模的研究与实现.pdf

硕上学位论文 摘要 上世纪9 0 年代以来，随着计算机网络在应用中的日益普及，出现了众多各具特色 的工作流产品。相对于工作流产品市场的繁荣，工作流的相关理论研究则显得有些滞后。 特别是工作流建模方面，目前没有一个统一的解决方案，各产品之间互不兼容；而且现 有的工作流模型普遍缺乏严密的定义，很难支持对流程正确性、有效性的分析验证。 针对现状，本文首先提出将工作流建模明确的划分成两个层次：流程逻辑层和描述 语言层，分析了不同层次的目标，主要内容以及如何利用层次的划分来保证不同工作流 产品在保持自我特色的情况下实现流程定义的互操作，并将目前主要的工作流建模技术 按照两层的标准进行了分类。 在分层的基础上，综合目前工作流建模的几种方法，本文提出了一种新的工作流模 型：x o p - w f m ( 0 b i e c tp e t r i n e tw o r k f l o wm o d e lb a s e do nx p d l ) 。该模型在描述语言 层采用了x p d l ( x 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 ) 标准，在流程逻辑层采用了对象建 模和p e t r i 网建模相结合的建模方式。在x o p w f m 中，我们通过p e t r i 网的相关理论来 保证流程模型的严密性，并完成对流程的有效性、正确性分析验证；通过对象技术以及 规则机制来保证流程的动态变化性和模型重用性；通过描述语言层的x p d l 标准来保证 模型的实用性。 为印证x o p w f m 模型的合理性和可行性，本文设计并实现了一套基于x o p - w f m 的工作流建模工具x o p f l o w 。通过实际建模以及与其它建模方法的比较分析发现， x o p w f m 除了具有严格的形式化定义，支持对流程的正确性分析，实现了流程互操作 以及具有较好可读性外还可降低流程建模的复杂度。 关键词：工作流；建模；p e t r i 网；x p d l 基于p e t r i 网工作流建模的研究与实现 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r ks i n c e1 9 9 0 s ，n u m e r o u so fv a r i o u sp r o d u c t s o fw o r k f l o wa p p e a r e d r e g a r dt ot h ep r o s p e r i t yo fw o r k f l o wp r o d u c t s ，t h ed e v e l o p m e n to f t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nw o r k f l o ws e e m sl a g g e db e h i n d ，e s p e c i a l l yi nw o r k f l o wm o d e l i n g t h e r ei sn oau n i f i e ds o l u t i o ni nw o r k f t o wm o d e l i n g ，w h i c hl e a d st ot h ei n c o m p a t i b i l i t y a m o n gw o r k f l o wp r o d u c t s m o s to fp r e s e n tw o r k f l o wm o d e l sl a c kf o r m a ld e f i n i t i o n s s oi ti s d i f f i c u l tt os u p p o r tt h ea n a l y s i so nc o r r e c t n e s sa n d v a l i d i t yo fp r o c e s s r e s p o n d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，t h i sp a p e rs u g g e s t san e ww a yw h i c hd i v i d e st h e w o r k f l o wm o d e l i n gi n t ot w od i f f e r e n tl a y e r s ：d e s c r i p t i v el a n g u a g el a y e ra n dp r o c e s sl o g i c l a y e r , a n dt h e ni ta n a l y s e st h eg o a l sa n dm a i ni d e a so ft h et w ol a y e r s f u r t h e r m o r e ，i te x p l a i n s h o wt os u p p o r tt h ec o m p a t i b i l i t ya m o n gd i f f e r e n tp r o d u c t s a tl a s t ，t h i sp a p e rm a k e sa c l a s s i f i c a t i o nf o rt h em a i nw o r k f l o wm o d e l i n gt e c h n o l o g i c sb a s e do nt h et w ol a y e r s b a s e do nt h e t w o - l a y e r sa n dp r e s e n tw o r k f l o wm o d e l i f l gt e c h n o l o g i e s t h i sp a p e r p r o v i d e san e ww o r k f l o wm o d e l x o p - w f m ( o b j e c tp e t r i - n e tw o r k f l o wm o d e lb a s e do n x p d l ) t h em o d e la d o p t st h ex p d l s t a n d a r da td e s c r i p t i v el a n g u a g el a y e r , a n dc o m b i n e s o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n gt e c h n o l o g ya n dp e t r i - n e tt h e o r ya tp r o c e s sl o g i cl a y e r w i t ht h e t h e o r yo fp e t r i - n e tt h ex o p w f mc o n f i r m st h ee x a c t n e s so fp r o c e s sm o d e lt os u p p o r tt h e a n a l y s e so nc o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo fp r o c e s s ；w i t ht h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n dr u l e m e c h a n i s mi tc o n f i r m sf l e x i b i l i t ya n dr e u s eo fm o d e l ；i ta l s oc o n f i r m st h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h e m o d e lb ym e a n so fx p d ls t a n d a r d i no r d e rt os e c u r et h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ex o p w f mm o d e l ，t h i sp a p e r d e s i g n sa n dr e a l i z e saw o r k f l o w m o d e l i n gt o o l 一一一- x o p - f l o w a f t e rc o m p a r i n gi tw i t ho t h e r w o r k f l o wm o d e l s ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ex o p - w f mn o to n l yh a sar i g i df o r m a l i z e d d e f i n i t i o n ，c o m p a t i b i l i t ya sw e l la sr e a d a b i l i t y , b u ta l s oi ts u p p o r t st h ea n a l y s e so nc o r r e c t n e s s o fp r o c e s s ，a n dr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo fw o r k f l o wm o d e l i n g k e yw o r d s ：w o r k f l o w ；m o d e l i n g ；p e t r i n e t ；x p d l i i 插图索引 图1 1 过程定义元模型3 图1 2 工作流管理系统特性4 图1 3 工作流参考模型4 团1 4 工作流模型层次图7 图1 5e p c 元模型1 0 图1 , 6 基于语言行为的一个工作流环1 1 图2 1x p d l 元模型一1 5 图2 2 包定义元模型1 6 图31x o p w f m 结构示意图2 3 图3 2 示例中x o p w f m 网的可达树。3 1 图4 1x o p f l o w 体系结构图3 8 图4 2x o p w f m 工程文件层次结构图3 9 图4 3p e t r i 网相关类”4 0 图4 4x p d l 相关类。”4 0 图45 系统主界面r - 4 3 图4 6 流程设计器主界面4 4 图4 7 包含p a g e 的属性设置窗口r 。4 4 图5 1 个体工商户登记注册审批组织机构4 6 图5 2 个体工商户登记注册流程4 8 图5 3 基于某工作流产品的个体工商户登记注册审批流程模型4 9 l t i 基于p e t r i 网工作流建模的研究与实现 附表索引 表1 1 两种过程建模语言的比较一8 表3 1x o p w f m 流程逻辑实体与x p d l 映射表2 8 表5 1 某政府的个体工商户登记注册审批流程4 7 表5 2x o p w f m 与其它建模技术比较5 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本 人承担。 作者签名：日期：五够年名月文7 日 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。本人授权湖南大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 拟躲萼 错 日期：) 矿矿夕年厶月j 。日 日期：二勿疗年孕月卫f 日 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它根据一系列规则， 使文档、信息或任务能够在不同的执行者之间进行传递与执行。工作流管理系统 则是一个软件系统，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1 1 】。它提供的是一个软件支撑环境，非常类 似于单机上的操作系统，不同的是工作流管理系统支撑的范围比较大、环境比较 复杂，故工作流管理系统也被称为业务操作系统( b o s b u s i n e s so p e r a t i n g s y s t e m ) 2 1 。正如数据库管理系统是将应用系统中的数据模式抽取出来统一管理一 样，工作流管理系统的主要目的是将业务过程从应用程序中抽取出来统一管理， 实现了应用逻辑与过程逻辑分离，这种方式在进行实际应用时具有显著的优点。 它可以在不修改具体功能模块实现方式的情况下，通过修改过程模型来改进系统 性能，满足业务过程变化的需要，实现对业务过程部分或全部的集成管理，克服 了传统软件在业务需求稍有变动时就必须重构或修改系统的弱点，提高了软件的 可重用性。 工作流技术诞生于2 0 世纪7 0 年代，自上世纪9 0 年代以来，随着计算机网络 在应用中的日益普及，越来越多的研究机构与软件厂商纷纷在工作流管理系统的 研究与开发方面投入了大量的人力与物力，由此形成众多的各具特色的工作流产 品【3 】。在工作流发展的初期阶段主要是由工作流产品开发商推动着其发展，相对 于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。直到1 9 9 3 年， 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 ) 的成立才使工作流的理 论研究进入到一个比较快速的发展时期。总的来说，工作流技术还处于技术发展 曲线( t e c h n o l o g yh y p ec u r v e ) a 2 的初级阶段，而且相对于有着众多的应用系统， 工作流理论研究还不够。比如在工作流建模方面就还没有形成一套比较成熟的理 论和方法【4 1 。 工作流建模，也称流程建模或过程建模，是使用一定的分析、建模和定义技 术，将现实世界中的业务流程翻译成可用计算机处理的流程定义( 流程模型) 。流 程定义是整个工作流管理系统的核心之一，其表达方式和存储形式决定了工作流 管理系统的处理形式。为了实现流程定义在不同工作流管理系统之间的互操作性， 工作流管理联盟w f m c 在2 0 0 2 年发布了基于x m l 的流程定义语言x p d l l 5 1 标准。 然而，x p d l 标准的重点放在语法而不是语义上，它定义的是流程模型的存储形 式。在语义层面1 6 】，目前的状况非常类似于7 0 年代初，关系数据模型和e r 模 型出现以前的数据库管理系统，大家各持己见，没有一个统一的解决方案，所开 发的产品大部分相互之间也不兼容【7 1 。 针对现状，本文首先明确提出将工作流建模划分成两个层次：描述语言层和 流程逻辑层，分析了不同层次的目标，主要内容以及如何利用层次的划分来保证 不同工作流产品在保持自我特色的情况下实现流程定义的互操作，并对当前主要 的工作流建模技术按照两层进行了分类。在此基础上，本文改进和扩展单一的建 模方法，从已有的语法层面的x p d l 标准出发，将面向对象建模与p e t r i 网建模结 合在一起【8 】，综合两种建模技术的优势，克服彼此问存在的主要缺陷，提出了一 种分层的工作流建模方法：x o p w f m 。x o p w f m 在描述语言层采用了目前己 被众多工作流厂商接受的x p d l 标准，在流程逻辑层采用对象建模和p e t r i 网建模 相结合的建模方式。基于x o p w f m ，本文以组件的方式完成了工作流建模工具 x o p f l o w 的设计及原型的实现。 1 2 工作流及工作流管理系统 1 2 1 工作流定义及元模型 w f m c 给出的工作流定义是：一类能够完全或者部分自动执行的经营过程， 它根据一系列规则，使文档、信息或任务能够在不同的执行者之间进行传递与执 行。一个工作流就是用一组通过一定规则联合起来的活动组成的一个反映业务过 程的模型。工作流中两个最基本的元素是活动和活动之间的连接关系。活动对应 于经营过程中的任务，主要是反映经营过程中的执行动作或操作。活动之间的连 接关系代表了经营过程的规则或业务流程。除此之外，一个企业的经营过程中还 要涉及参与操作的人员、组织、所操作的数据、使用了那些计算机应用程序等。 在工作流模型中通过定义活动的角色来描述企业的经营过程是由谁来完成的、通 过定义工作流应用程序来说明采用了什么手段来完成经营过程、通过定义工作流 相关数据( w o r k f l o wr e l e v a n td a t a ) 来描述与应用相关的操作对象。 为了方便互操作，w f m c 定义了过程元模型。图1 1 为工作流管理联盟定义 的过程元模型。在该模型中包含了以下几个基本实体： 1 ) 流程定义( 流程模型) ：包含流程模型名称、版本号、流程启动和终止的条件、 系统安全、监控和控制信息等一系列基本属性。这个过程模型反映了企业中 一个经营过程的目的，即这个过程要实现的目的和最终达到的目标是什么。 2 ) 活动：主要属性有活动名称、活动类型( 原子级活动、子流程等) 、活动的前、 后条件、调度约束参数( 如最长处理时间、排队等待时问等) 等。 2 硕士学位论文 m 乜k 塑 拥钉 f 1 ：漉述义 拥f f | j i l 啦 h 些! !活动b ! ：! ： 转羧条件 需坚激洒的 心j | j 张膊 仕刚 扎体流榭 足数据 r _ | l 图1 1 过程定义元模型 3 ) 转换条件：主要负责为过程实例的推进提供导航依据，主要参数包括工作流 过程条件( f l o wc o n d i t i o n ，过程实例向前推进的条件，可以认为是前后条件 的同义词) 、执行条件( e x e c u t i o n c o n d i t i o n 执行某个活动的条件) 和通知条 件( n o t i f i c a t i o nc o n d i t i o n ，通知不同用户的条件) 。 4 ) 工作流相关数据：工作流引擎根据工作流相关数据和转换条件进行推进，工 作流相关数据的属性包括数据名称、数据类型和数据值等。它是工作流引擎 执行任务推进的依据。 5 ) 角色：角色属性主要包括角色的名称、组织实体( o r g a n i z a t i o n a le n t i t y ) 、角 色的能力等。角色或组织实体决定了参与某个活动的人员或组织单元。 6 ) 需要激活的应用程序：主要属性包括应用程序的类型、名称、路径及运行参 数等。应用程序主要描述了用于完成企业经营过程所采用的工具或手段。 在元模型中，流程定义与活动、工作流相关数据之间是一对多的关系，即一 个工作流定义由多个活动与多个工作流相关数据组成。活动、角色、工作流相关 数据、需要激活的应用程序、转换条件之间都是多对多的对应关系。如一个活动 可以引用多个角色、使用多个工作流相关数据，同样一个角色可以被多个活动引 用，一个工作流相关数据可以被多个活动使用。 1 2 2 工作流管理系统 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，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，并负责和工作流执行者 f 人、应用程序) 交互，监控工作流的运行状态。从不同阶段工作流管理系统所完 成的任务来看，可以将工作流管理系统的功能分成三类：1 ) 建立阶段功能：主要 完成流程建模；2 ) 运行阶段的控制功能：在一定的运行环境f ，执行工作流过程， 并完成每个过程中活动的排序和调度功能；3 ) 运行阶段的人机交巧：功能：实现各 ： 一= ：董耋尘堡璺型些堑篓；茎翌釜= ：一：一：一= 种活动执行过程中用户与i t 应用工具之间的交互。图1 2 给出了工作流管理系统 三个主要功能之间的关系。 图1 2 工作流管理系统特性 为了实现工作流技术的标准化和开放性，w f m s 于1 9 9 4 年1 1 月发布了工作 流系统参考模( w o r k f l o wr e f e r e n c em o d e l ) 。它定义了一个工作流基本框架，详 细描述了工作流系统的有关概念，并在此基础上给出了w f m s 的各主要组成部分、 各部分的功能及相互之间的接口。如图1 3 所示。 接十 图1 ，3 工作流参考模型 由图1 3 可知，工作流系统参考模型所定义的基本框架由以下几部分组成： ) 过程定义工具主要功能是给用户提供，一种埘实际业务过程进行分析、建模 - 4 一 硕上学位论文 的手段，并生成业务过程的可被计算机处理的形式化描述( 过程定义) 。这也 就是建立时功能的主要内容。过程定义工具与工作流执行服务之间的交互是 通过接口1 ( 工作流过程定义接口) 完成的，它为工作流过程定义信息的交换提 供了标准的互换格式【9 l 。本文的工作就是集中在这部分。 2 ) 工作流执行服务它借助于一个或多个工作流引擎，来激活并解释过程定义 的全部或部分，并同外部的应用程序进行交互来完成工作流过程实例的创建、 执行与管理，为工作流程的进行提供一个运行时环境。当工作流执行服务由 多个工作流引擎提供时，工作流引擎之间的关系就构成接口4 ( 互操作接口) 的内容。 3 ) 客户应用程序它的作用是给用户提供一种手段，以处理过程实例运行过程 中需要人工干预的任务。客户与工作流执行服务之间的接口为接口2 ( 客户应 用程序a p i ) 。 4 ) 被调应用程序指工作流执行服务在过程实例的运行过程中调用的、用以对 应用数据进行处理的应用程序。接口3 的目标就是提供一些标准的服务供应用 代理使用。 5 ) 管理及监控工具其功能是对工作流管理系统中过程实例的状态进行监控与 管理。它与工作流执行服务之间的交互是通过接口5 ( 管理及监控接口) 完成 的。 工作流参考模型中给出了五个接口，目的是制定工作流管理系统各种功能的 公共标准，从而实现不同产品间的集成与协同工作，其中接口1 是实现工作流定 义与工作流运行阶段的分离。因此只要工作流建模工具符合接口1 的要求，那么 就可以与其它符合该规范的工作流系统集成，实现建模工具的通用性。本文的主 要目的也就是建立一种符合接口1 规范的工作流模型和基于该模型的一套建模工 具。 1 3 工作流建模 1 3 。1m 作流模型 工作流模型是对工作流的抽象表示，它不仅仅要让人读懂，而且要让计算机 能够理解所定义的工作流过程。工作流模型必须包含工作流执行时所需的所有信 息，这些信息包括过程的开始和结束条件、构成过程的活动以及进行活动间导航 的规则、用户所需要完成的任务、可能被调用的应用、工作流引擎的引用关系、 以及所有与工作流相关数据的定义 1 0 】。过程定义可能引用组织角色模型中关于组 织结构、角色等信息。这样在进行过程中活动或信息对象的定义时，不仅可以指 定某个特定的人是这个活动或信息对象的参与者，而且可以将活动或信息对象与 组织实体或角色功能进行关连。工作流建模则是利用一定的建模方法及其相应的 倾上学位浩文 的手段，并生成业务过程的可被计算机处理的形式化描述( 过程定义) 。这也 就是建立时功能的主要内容。过程定义工具与a l 作流执行服务之间的交互是 通过接口1 ( 工作流过程定义接口) 完成的，它为工作流过程定义信息的交换提 供了标准的互换格式 9 1 。本文的工作就是集中在这部分。 2 ) 工作流执行服务它借助于一个或多个工作流引擎，来激活并解释过程定义 的全部或部分，并同外部的应用程序进行交互来完成工作流过程实例的创建、 执行与管理，为工作流程的进行提供个运行时环境。当工作流执行服务由 多个工作流引擎提供时，工作流引擎之间的关系就构成接口4 ( 互操作接口) 的内容。 3 ) 客户应用程序它的作用是给用户提供一种手段，以处理过程实例运行过程 中需要人工干预的任务。客户与工作流执行服务之间的接口为接口2 ( 客户应 用程序a p i ) 。 4 ) 被调应用程序指工作流执行服务在过程实例的运行过程中调用的、用以对 应用数据进行处理的应用程序。接口3 的目标就是提供一些标准的服务供应用 代理使用。 5 ) 管理及监控工具其功能是对工作流管理系统中过程实例的状态进行监控与 管理。它与工作流执行服务之间的交互是通过接口5 ( 管理及监控接口) 完成 的。 ， 工作流参考模型中给出了五个接口，目的是制定工作流管理系统各种功能的 公共标准，从而实现不同产品间的集成与协同工作，其中接口1 是实现工作流定 义与工作流运行阶段的分离。因此只要工作流建模工具符合接r i 的要求，那么 就可以与其它符台该规范的工作流系统集成，实现建模工具的通用性。本文的主 要目的也就是建立一种符台接口1 规范的工作流模型和基于该模型的一套建模工 具。 1 3 工作流建模 1 3 1 工作流模型 工作流模型是对工作流的抽象表示，它不仅仅要让人读懂，而且要让计算机 能够理解所定义的工作流过程。工作流模型必须包含工作流执行时所需的所自_ 信 息，这些信息包括过程的开始和结束条件、构成过程的活动以及进行活动间导航 的规则、用户所需要完成的任务、可能被调用的应片j 、工作流引擎的引用关系、 以及所有与工作流相关数据的定义l l 。过程定义可能引用组织角色模型中关于组 织结构、角色等信息。这样在进行过程中活动或信息对象的定义时，4 i 仅n ，以指 定某个特定的人是这个活动或信息对象的参与者，而且可以将活动或信息对象与 纽纵实体或角色功能进行关连。工作流建模则是利用一定的建模方法及其相席的 纽钞：实体或角色功能进行关连。工作流建模则是利用一定的建模方法及其相应的 硕上学位论文 的手段，并生成业务过程的可被计算机处理的形式化描述( 过程定义) 。这也 就是建立时功能的主要内容。过程定义工具与工作流执行服务之间的交互是 通过接口1 ( 工作流过程定义接口) 完成的，它为工作流过程定义信息的交换提 供了标准的互换格式【9 l 。本文的工作就是集中在这部分。 2 ) 工作流执行服务它借助于一个或多个工作流引擎，来激活并解释过程定义 的全部或部分，并同外部的应用程序进行交互来完成工作流过程实例的创建、 执行与管理，为工作流程的进行提供一个运行时环境。当工作流执行服务由 多个工作流引擎提供时，工作流引擎之间的关系就构成接口4 ( 互操作接口) 的内容。 3 ) 客户应用程序它的作用是给用户提供一种手段，以处理过程实例运行过程 中需要人工干预的任务。客户与工作流执行服务之间的接口为接口2 ( 客户应 用程序a p i ) 。 4 ) 被调应用程序指工作流执行服务在过程实例的运行过程中调用的、用以对 应用数据进行处理的应用程序。接口3 的目标就是提供一些标准的服务供应用 代理使用。 5 ) 管理及监控工具其功能是对工作流管理系统中过程实例的状态进行监控与 管理。它与工作流执行服务之间的交互是通过接口5 ( 管理及监控接口) 完成 的。 工作流参考模型中给出了五个接口，目的是制定工作流管理系统各种功能的 公共标准，从而实现不同产品间的集成与协同工作，其中接口1 是实现工作流定 义与工作流运行阶段的分离。因此只要工作流建模工具符合接口1 的要求，那么 就可以与其它符合该规范的工作流系统集成，实现建模工具的通用性。本文的主 要目的也就是建立一种符合接口1 规范的工作流模型和基于该模型的一套建模工 具。 1 3 工作流建模 1 3 。1m 作流模型 工作流模型是对工作流的抽象表示，它不仅仅要让人读懂，而且要让计算机 能够理解所定义的工作流过程。工作流模型必须包含工作流执行时所需的所有信 息，这些信息包括过程的开始和结束条件、构成过程的活动以及进行活动间导航 的规则、用户所需要完成的任务、可能被调用的应用、工作流引擎的引用关系、 以及所有与工作流相关数据的定义 1 0 】。过程定义可能引用组织角色模型中关于组 织结构、角色等信息。这样在进行过程中活动或信息对象的定义时，不仅可以指 定某个特定的人是这个活动或信息对象的参与者，而且可以将活动或信息对象与 组织实体或角色功能进行关连。工作流建模则是利用一定的建模方法及其相应的 ： ：一：董垂：些尘坠堂墼塑堡塑些= 一= ：一：一一 = 建模工具，完成实际的经营过程到工作流模型的转化过程【儿 。研究工作流建模的 主要目的是为过程建模提供l 套完整有效的描述过程的建模语言。对流程的描述 需要提供对逻辑结构，如顺序、分支、汇合、条件、循环、并行等的描述。 理想的工作流模型能够清楚地定义任意情况下的工作流，能够适应用户在建 模过程中所提出的各种要求【1 2 1 。到目前为止，人们虽然提出了不少有意义、有见 解的工作流模型，但从模型的能力上看，距这一理想情况尚有定的距离。由于 工作流必须首先描述清楚一个经营过程是怎样进行的，因此，目前的工作流模型 大部分都是从需求出发，以图形语言( 比如活动网络【”】，活动与状态图 1 4 1 ) 或者文 本语言来定义工作流过程，这种定义的方法本质上还停留在用户层上，即对用户 而言是比较理想的方式，优点是比较直观，容易理解。不少工作流产品正是采用 了此种模型，但其缺点是比较简单，不能处理复杂的过程逻辑，不支持动态流程 或异常情况 1 5 。1 ”，也无法对工作流的本质特征进行描述，因而也更谈不上对过程 的分析与评价。虽然有的模型具有形式化的数学描述，如w f n e t ，但从其模型所 具有的描述能力上距离对工作流过程本质的描述上仍有差距，具体表现在模型元 素不丰富、建模过程过于复杂、动态性能不理想。 工作流模型中的另外一个问题是缺乏互操作性。到目前为止，几乎是每个软 件产品开发商都依赖于一种特有格式的工作流过程建模规范语言。类似于7 0 年代 初的关系数据模型和e _ 一r 模型出现以前的数据库管理系统，大家各持己见，没 有一个统一的标准，所开发的产品相互之间大部分也不兼容。 那么，什么样的工作流模型才是理想的工作流模型呢? 对于流程模型的评价， 文献【1 8 】中给出了四条标准： 1 ) 表达能力丰富：模型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精确的形式化描述，支持对模型的分 析验证。 除以上四条外，本文认为工作流模型还应该满足不同工作流产品之间的互操 作性要求。互操作性并不意味着消除个性，让所有的工作流产品采用同一建模方 式。事实上，在不同领域，不同应用场合下工作流管理系统必须采用特定的模型。 参考分层模型的思想，我们可以采用分层的技术来实现个性与共性的统一。因此， 本文提出将工作流建模划分成两个层次：描述语言层和流程逻辑层。如图1 4 所 不。 描述语言层建模的目标是建立计算机能够理解的工作流模型，它是建模工具 和工作流引擎之间的接口。建模方法一般是采用某种计算机能理解的流程描述语 言来定义流程模型。建模所得的结果是一个用特定语言描述的流程定义，如利用 x m l 语言对请假流程描述的一个x m l 文件。 硕士学位论文 图1 4 工作流模型屡次图 流程逻辑层建模的目标是建立人能理解的抽象逻辑模型。流程逻辑层模型是 建模工具和人之间的接口。，一般是基于某种图形建模方法建立的流程图，如基于 有向活动图描述的流程图或一张p e t r i 网。 工作流建模的最终结果是描述语言层模型，对于简单的工作流，可以直接建 立描述语言层模型。对于难度比较大，比较复杂的流程是很难直接建模的，必须 通过人机交互的方式先建立流程逻辑层模型，然后再由建模工具翻译成某种描述 语言层模型。流程逻辑层模型和描述语言层模型之间是多对多的关系，即同一流 程逻辑层模型可以用不同的描述语言层模型来描述。同一描述语言层模型也可以 用多个不同的流程逻辑层模型表达。 在描述语言层和流程逻辑层之间采用一个转换器来完成它们之间的实体映 射，对于不同的描述语言层或流程逻辑层需要使用不同的转换器。 采用分层的建模思想，我们可以很好的解决具有不同特色的工作流管理系统 之间的流程定义互操作问题。在流程逻辑层，工作管理系统可以利用自己的建模 技术，如有向活动图，p e t r i 网，u m l 等方式建立模型。在描述语言层，工作流 管理系统可以采用通用的流程描述标准，也可以采用自定义的流程描述格式，但 必须提供一个导入导出工具，该工具能把自定义的流程格式转换成满足交换要求 的标准格式或反之。当不同工作流产品需要交换流程定义时，只需按照约定的交 换格式提供描述语言层模型。 基于以上分层思想，下文将目前主要的工作流建模技术按照两层来分类并做 简单介绍。 1 3 2 描述语言层模型 描述语言层模型的核心是流程元模型和流程描述语言。元模型约定流程模型 必须定义的元素以及元素之间的关系，流程描述语言则约定了流程定义以什么样 的语法格式来组织。描述语言层模型方面比较有代表意义的技术有w f m c 推出的 x p d l 和美国n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 提出的 p s l ( p r o c e s ss p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ) 。这两种语言都为规范化工作流过程模型的描 述作出了重要的贡献。 l 、x p d l x p d l 是工作流管理联盟w f m c 于2 0 0 2 年提出的一种基于x m l 的工作流过 程定义语言，目的是为了方便工作流过程定义在不同工作流产品之间的交换，客 观上也促进了第三方工作流过程定义工具的出现。x p d l 的提出是有历史根源的。 在x p d l 之前，工作流管理联盟提出过w p d l f w o r k f l o wp r o c e s sd e f i n i t i o n l a n g u a g e ) , 采用类似巴科斯一诺尔范式( b a c k u sn a u rf r o m ，b n f ) 的格式，以一 个产生式规则集合的形式进行过程定义。当x m l 的应用成为信息技术的主流时， 工作流管理联盟在w p d l 基础上经过发展，并采用x m l 语言描述格式，形成了 现在的x p d l 。 到目前为止x p d l 已被众多的开发商所接受。因此本r 文所提出来的工作流模 型在描述语言层就直接采用了x p d l 标谁。在2 2 节会进一步介绍和分析x p d l 标准，解释本文为什么采用该标准。 2 、p s l 1 9 9 5 年美国n i s t 为了解决异构系统之间过程信息集成问题，实施了过程规 范语言( p r o c e s ss p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ，p s l ) 项目，即制定一种通用规范性过程描 述语言。与w f m c 提出的通用性的工作流过程定义语言相比，p s l 旨在统一各种 与制造业相关的过程定义语言，当然也包括对工作流过程的定义。它是一种面向 制造业基于本体论( o n t o l o g y b a s e d ) 的实现异构应用系统之间过程信息自动交互 的标准语言格式。p s l 的描述语言是由词汇( 一个符号集) 和语法( 词汇组成公式的 规范1 两部分构成的一种语言。其词汇由逻辑符号和非逻辑符号组成：逻辑符号包 括布尔运算符、量词等；非逻辑符号包括一阶谓词( a c t i v i t y ，o b j e c t 等) 和二阶谓 词( 如o c c u r r i n g a t ，e x i s t s a t 。b e f o r e 等) 。p s l 语法基本是基于k i f ( k n o w l e d g e i n t e r c h a n g ef o r m a t ) 的语法。p s l 元语包括4 个基本类：o b j e c t ( 对象) 、a c t i v i t y ( 活 动) 、a c t i v i t y o c c u r r e n c e ( 当前活动) 和t i m e p o i n t ( 时间点) ；3 个基本关系： p a r t i c i p a t e s i n ，b e f o r e 和o c c u r r e n c e o f ；和两个基本函数：b e g i n o f 和e n d o f 。对 p s l 的进一步了解可以参考文献【1 9 。 在表1 1 中，我们对x p d l 和p s l 的主要方面进行了对比。 一8 一 硕士学位论文 表1 1 两种过程建模语言的比较 名称 ? 一 曩一蓉1 1 n t ：；j l ? 。p 谴 起源由开发销售商参与的标准化组政府研究机构代表的标准化组织 织 目标建立一种通用的工作流过程建统一各种与制造业过程定义有关 模语言的语言，其中包括对工作流的定义 语法 x m lk i f 可扩通过用户定义的属性进行扩展通过继承和用户定义的属性进行 展性扩展 作用交换语言 交换语言 1 3 3 流程逻辑层模型 流程逻辑层建模是建模工具和用户之间的接口。一般是基于某种图形建模方 法建立的流程图。x p d l 标准在描述语言层得到了广大厂商的认可和支持，相对 而言，在流程逻辑层有着更多的解决方案，但是大家各持己见，没有一种为大家 所接受的主流的解决方案。该层次的许多解决方案来自不同的工作流产品，还有 些来自某些专门的研究项目或者由某位学者直接提出。这一层次的主要的建模方 法从大的类别来分有以下几种【2 0 j 【2 1 】： 1 、基于活动网络的过程模型。 在基于活动网络的过程模型这一大类中比较有代表意义的是i b m 在 f 1 0 w m a r k 中采用的建模方法【2 2 】【2 3 】。在f l o w m a r k 中，一个完整的经营过程( 7 - 作 流过程) 由一个无自环的有向图构成。有向图中的节点元素表示可执行的步骤或任 务，节点间的连接弧代表了过程中的控制流与数据流。组成模型的元素包括过程 ( p r o c e s s ) 、活动( a c t i v i t y ) 、模块( b l o c k ) 、控制连接弧( c o n t r o lc o n n e c t o r ) 、数据连 接弧( d a t ac o n n e c t o r ) 并n 条件( c o n d i t i o n s ) 。f l o w m a r k 的工作流模型其实是一种典 型的基于活动的i p o ( 输入一处理一输出) 模型，以活动作为构成过程的基本单元， 以连接弧体现过程逻辑，活动的输入数据箱与输出数据箱成为活动输入输出的接 口，再辅以条件的设置，就能够比较简便、灵活地实现企业经营过程的建模。从 模型的语义上，f l o w m a r k 明确地将控制流与数据流进行了分离，这样，一个工作 流过程可以被看成是由控制流图与数据流图叠加而成的。 除了i b m 的f l o w m a r k 所提出的这种基于活动网络的工作流模型以外，还有 其他的工作流产品( 如i n c o n c e r t ) 、原型系统( 如m e t e o r 2 ) 以及s e a m 等提出的 状态一实体一活动模型( s t a t e e n t i t y a c t i v i t y m o d e l ) f 2 4 也采用了类似的模型。这些 模型在宏观含义上是一致的，都明确的反映出基于活动网络的过程模型所应该具 有的特点，而仅仅在细微之处有所不同。总的来泌，这一类模型所共有的特点是 = ：一：一：垄圭! ! 丝璺墼堡塞塑塑墼皇塞坠：一：一一一一一一 简单、直观、便于理解，适合于流程较为固定、异常情况较少的生产型工作流的 建立，有利于企业规范自身的内部流程；但这类模型往往缺乏精确的定义，无法 完成对流程模型的分析验证等功能，缺乏柔性，对紧急情况的应变能力不足。 2 、基于事件驱动的过程链模型( e p c ) e p c ( e v e n t d r i v e n p r o c e s sc h a i n ) 是由k e l l e r 提出的，一种应用比较广泛、用 来描述企业事件与经营过程的传统方法。e p c 的主要元素就是功能和事件：功能 被事件触发，功能也能产生相应的事件。经营过程的控制流就这样由交替出现的 功能和事件彼此连接而构成，控制流的分支选择、汇合连接以及并发进行则通过 逻辑操作符( 比如与、或、异或) 或者更复杂的表达式来完成。图1 5 给出了一个一 般形式的e