（机械设计及理论专业论文）基于工作流的协同设计系统研究.pdf

南京航空肮天大学填l 学位论史 摘要 本文首先研究了协同设计的基本概念，针对协同设计的任务分配的问题，提出了 一个基于工作流的解决方案。在此基础上，阐述了工作流系统的组成和结构，选择了 p e t r i 网为工作流建模手段，详细研究了利用p e t r i 网进行工作流建模的方法，并利用 时序p e t r i 网对基于工作流的协同设计模型进行了分析。针对协同设计的多样性，本 课题以机械设计为依托研究了在协同设计中必须解决的若干问题，并提出了相应的解 决方法。在实现机制方面，分析了c s c w 的系统结构，并在c s c w 的基础上，提出 了本系统的分布式组成原理，从而实现了利用工作流技术，在c s c w 框架内构建计 算机支持的协同设计( c s c d ) 系统的设想。 本课题的主要成果是开发了一个基于工作流的协同设计系统，利用该系统可以为 机械协同设计提供一个方便实用的平台，为多入协作完成一个设计目标提供了一个切 实可行的途径。 关键词：工作流、协同设计、p e t f i 网、c s c d 赫十工作漉的咖问设计系统研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s t l ys t u d i e st h ee l e m e n t a r yc o n c e p t so fc o d e s i g n ，t h e nar e s o l u t i o n b a s e do nw o r k f l o wi sp u tf o r w a r dt oi na l l u s i o nt ot h ep r o b l e mo f a s s i g n m e n to ft a s ki n c o d e s i g n o nt h eb a s eo f t h i sc i r c s ，w ee x p a t i a t et h eb u i l d u pa n ds t r u c t u r eo fw o r k f l o w a n ds e l e c tp e t r i n e ta si n s t r u m e n to fw o r k f l o wm o d e l i n g t h e nd e t a i l e d l ys t u d yh o wt os e t u p t h ew o r k f l o wb yp e t r i n e t ，a n da n a l y s em o d e l i n go f c o d e s i g nb a s e do fw o r k f l o ww i t h s c h e d u l i n gp e t r i n e t b e c a u s eo f t h ed i v e r s i t yo f c o d e s i g n ，t h i sp a p e rc h o o s e sm e c h a n i c a l d e s i g na sb r a c k e tt os t u d ys e v e r a lp r o b l e m sw h i c hm u s tb es o l v e d 适c o - d e s i g n 。t h e n b r i n g sf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s i nt h ef i e l do f r e a l i z a t i o nm e c h a n i s m ，w es t u d y t h e a r c h i t e c t u r eo fc s cw - t h e np u tf o r w a r dt ot h ed i s t r i b u t e dc o m p o s i n gp r i n c i p l eo ft h i s s y s t e m s ot h ec o n c e p t o f e s t a b l i s h i n gas y s t e mf o rc s c d i nt h ef l a m eo fc s c w u s i n g t h e t e c h n o l o g yo f w o r k f l o w i sr e a l i z e d t h em a i nf r u i to ft h i sr e s e a r c hi sas y s t e mf o rc o d e s i g nb a s e do nw o r k f l o w ni sa c o n 、e n i e n t p l a t f o r m f o rm e c h a n i c a l c o - d e s i g nw h i c hp r o v i d e s af e a s i b l er o u t ef o r m u l t i p e r s o n t oc o o p e r a t ea n df i n i s ha d e s i g n a i m k e yw o r d s ：w o r k f l o w 、c o - d e s i g n 、p e t r i n e t 、c s c d j i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章协同设计概论 “协同”是一个具有深刻哲学意义的概念，它强调整体的协调和协作，充分体现 了辩证法的观点。近年来，研究如何协同各种复杂系统中行为的问题，已经越来越引 起人们的兴趣，比较典型的有分布式计算机系统和人一机综合系统的协同问题。1 9 8 6 年，美国科学家m a l o n e 提出了协同理论的框架，该理论综合研究了诸如计算机科学、 组织理论、操作系统、经济学、语言学、心理学等各个学科内部或相关交叉学科中关 于协同方面的思想和方法，它的关键思想是将“协同”看作管理各种行为之间的相关 点的过程。该理论探讨了不同协同类型的相关特性，并且提出了用来管理这些相关点 的方法和技术。各种不同的协同过程包括：资源共享、生产和消费之间的过程关系、 同时性限制、任务与子任务之间的关系等【“。 协同理论的建立，使人们对“协同”的认识从感性上升到理性，形成了一门新兴 的科学一协同掣”。它把不同学科共同存在的协同现象抽取出来作为其研究对象，研 究协同的本质、协同的结构、协同的描述模型、协同的作用、协同的研究方法和支撑 工具及其应用等。 由于信息技术的进步，特别是计算机技术和通讯技术的突飞猛进，由两者的融合 而产生的计算机网络技术及其应用的发展，给协同科学的研究及应用提供了更强有力 的支持。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 dc o o p e r a t i v ew o r k - - c s c w ) 这 一新兴研究领域的出现可以说是协同科学在信息化时代的新发展【3 l 【4 l ，而协同设计则 是c s c w 在设计领域内一个重要的应用”j 。 1 1 协同设计的基本概念 1 1 1 协同设计的背景 进入2 1 世纪，经济竞争是世界各国竞争的焦点和世界发展的重要推动力量。对 制造业而言，每个企业都面临着持续多变的和完全不可预测的全球化市场竞争，竞争 的核心是以知识为核心的新产品的竞争，为了提高竞争力，企业必须以最快的速度设 计出理想的产品，于是采用先进的设计方法成为每一个企业必须考虑的问题。 计算机技术的出现促进了现代设计方法学的发展。总结前人在方法论上面的成 果，现代设计方法不外为设计集成化、智能化和网络化【6 】【7 1 。集成化要支持信息集成， 过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化建摸、产品数据管理、过程协调与管 理、产品数据交换、c a x 工具、d f x 工具等；智能化是指在设计过程中所采用的智 能技术，如人工智能、专家系统等；网络化是指设计所需的环境和设计技术。而协同 设计则是网络化设计发展到一定阶段的产物，它极大地推动了现代设计方法学的发 展。 设计，特别是对一些复杂产品的设计，是一个十分复杂的处理过程。为了实现一 f 基于工作流的协同设计系统研究 个产品的优化合理设计，通常需要引入多种设计方法和技术来达到设计的目的。而且， 一个设计问题往往含有多种不同的设计任务和多种设计数据类型。以机械产品的设计 为例，需要从产品的功能、外观、加工工艺、生产成本、市场需求、质量控制以及重 用性等几个方面来并行地、整体地、综合地考虑其设计过程。在产品的设计过程中， 涉及到与产品相关的各个领域的知识，还涉及到这些多领域知识、经验、数据的综合 处理和利用。设计过程的复杂性对协同式设计提出了最直接的需求。 设计还是一个知识密集的创新过程。在工程设计中，不仅需要丰富的专业知识和 设计基础数据，还需要专家的实践经验知识，更需要对上述知识进行加工处理，产生 设计新产品所需要的新概念和新知识。这是一个创新的过程，使得设计成为一个以知 识为基础的处理过程，不仅需要不同领域的知识和专家的经验，而且需要综合和协同 这些专家知识的有效机制，来耦合不同专家的设计任务。知识密集型的特点对协同式 设计提出了更迫切的要求。 设计也是一个通讯密集的过程。不同的设计任务和设计数据之间相互交换、相互 反馈、相互协调。这样的过程对计算机的支持提出了迫切要求，同时，也在设计方法 上提出了多人员的通讯和协调问题，这从设计支持环境的角度对协同式的设计提出了 明确的要求。 1 1 2 协同设计的概念和内涵 对于协同设计，至今没有一个权威的定义。但下述观点普遍被人们所接受，即协 同设计是指为了完成某一设计目标，由两个或两个以上的设计主体( 人员) ，通过一 定的信息交换和相互协调机制，分别以不同的设计任务共同完成这一设计目标。现代 复杂产品的设计大多需要许多人员共同参与，如汽车新车型的设计就需要功能设计 师、制造工艺师、安全设计师、电子工程师等多部门人员的参与。协同设计能支持多 部门人员的共同工作，从而大大提高工作效率，缩短设计周期，增强产品的市场竞争 能力。一般来说协同设计具有如下特点： ( 1 ) 多主体性：设计活动由两个或两个以上的设计人员参与，而这些设计人员通 常是相互独立的，并且各自具有领域知识、经验和一定的问题求解能力。 ( 2 ) 协同性：具有一种协同各个设计人员完成共同设计目标的机构，这一机构包 括各设计人员间的通讯协议、通讯结构、冲突检测和仲裁机制。 ( 3 ) 共同性：多设计人员要实现的设计目标是共同的，他们所在的设计环境和上 下游信息也是一致的。 ( 4 1 灵活性：参与设计的人员的数目可以动态增加或减少，协同设计的体系也是 灵活的、可变的。 协同设计的内涵十分丰富。在对协同设计的概念进行深入分析后，可以得出以下 结论： ( 1 ) 协同设计是一个协同工作的过程。如前所述，随着c s c w 的发展，人们将协 南京航空航天大学颂士学位论文 同设计纳入到c s c w 的计算框架之中，将协同设计视为c s c w 的应用，即各设计人 员共同协作的设计过程。 ( 2 ) 协同设计是一个通讯处理的过程。在这一过程中，通讯与协调是最重要的问 题。协同设计中需要遵守通讯规则，从而有利于整个设计过程的通讯和监控。 ( 3 ) 协同设计是一个知识共享和集成的过程。各个设计人员必须共享数据、信息 和知识。各设计小组内部能共享知识和设计经验，还能从其它设计小组共享信息，各 小组间能相互传递设计背景与目标的理解。各设计小组不单单是共享知识与信息，而 且能把它们集成起来而产生新的观点和方案。 f 4 1 协同设计是一个管理过程。它强调了在协同设计中的管理任务，如规划、监 控、协商、调度和决策支持。规划考虑执行任务的协同式，监控则考虑如何实现这些 目标的决策。 1 2 协同设计中需要解决的关键问题 ( 1 1 共享知识表达与语义的一致性 由于协同设计是由多个设计人员共同协调完成某一设计目标的过程，并且允许多 个设计人员采用各自领域的术语和表达结构。因此，如何为多个设计人员提供适宜的 表达机制和通讯语言，为各设计人员的知识共享、数据交换和知识集成提供有效的支 持，是协同设计要解决的问题之一。 ( 2 ) 冲突检测和解决 协同设计中，各个多设计小组之间的设计目标，设计方案和设计对象不可避免地 存在冲突，可以说，冲突是协同设计过程中一个本质现象，而冲突的解决过程正是各 设计小组之间相互协调，达到整体最优的过程。因此，冲突避免、冲突检测和冲突解 决是协同设计要解决的问题之二。 ( 3 1 协同式体系结构 设计一个支持各设计人员间合理有效的体系结构是任何一个分布式系统的必须 面临的问题。有效的体系结构和通讯协议，可以降低协同设计的复杂度，是真正实现 知识集成和交换的关键。协同设计的体系结构大致可以分为以下三类： 集中式。这是一种中央控制式的体系结构，有一个实际的或虚拟的中央控制 系统和信息知识交换系统。 分布式。这是一种无中央控制的体系结构，每一个参与的设计人员无主从之 分，而且每个设计主体之间都存在一个可能的直接通讯。数据和知识可以分布于各个 设计主体之内，无公共中央数据与知识库，也可以将数据和知识是集中于某一工作区 域之中，有利于分布控制的各设计人员间的交流。 联邦式。即采用分布式与集中式相结合的方式，由几个主设计主体组成一个 甚十工作流的协同设计系统研究 分布式设计的体系结构，而每一个主设计主体的下属设计人员则采用集中式设计的结 构，通过主设计主体的控制完成设计数据间的交换和交流。 一般大型的协同设计系统采用联邦式结构，而中小型系统则可采取集中式和分布 式两种。 1 3 协同设计与并行设计的联系与区别 协同设计与并行设计是一对很容易引起人们混淆的概念。，为了了解他们之问的 异同点，首先给出并行设计的定义：并行设计是对产品及其相关过程( 包括制造过程 和支持过程) 进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使 开发者从一开始就考虑到产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用 户需求【8 l 。 产品开发过程是指从产品需求分析到产品最终定型的全过程，包括产品的设计、 测试、制造和装配过程。过去人们主要采用串行设计方法。这是一种“抛过墙”式的 产品设计方法。 图1 1 “抛过墙”式产品开发弊端 开发人员按要求完成本职工作后将成果抛向下游，出现问题则抛向上游。由于各 部门间缺乏经常交流，且参与开发的人员往往对自己在整个过程中的角色缺乏清晰的 认识，上下游活动间可能存在不可调和的冲突。当最终产品的可制造性、可装配性或 可维护性较差，不能很好地满足用户的需求时，就需要重新回到产品设计阶段，重新 进行产品设计，见图1 1 。这使得产品开发过程变成设计、加工、试验、修改设计的 大循环，从而导致设计变动量大，产品开发周期长，产品成本高的结果。 并行设计是针对顺序工程的固有缺点而提出的。并行设计与传统串行产品设计的 根本区别在于并行设计把产品的各个活动作为一个整体集成的过程。并从全局优化的 角度出发，对集成过程进行管理和控制。并行设计的重要目标就是使产品设计一次性 成功，从而缩短产品开发周期【9 j 。串行设计与并行设计的流程如图1 2 所示： 并行设计是集成地、并行地设计产品及其相关过程的系统化方法。它要求产品开 发人员从设计一开始就考虑产品生命周期中的各种因素。其主要目的是缩短产品的开 发周期，提高产品质量，降低产品成本，从而增强企业的竞争能力。并行设计这种产 南京航窀航天大学硕l 学位论文 品开发模式是对传统开发模式的一次变革。 耐魄 尚 t b j 图1 2 ( a ) 串行设计( b ) 并行设计 可以看出，协同设计与并行设计在概念上有很大的区别。协同设计的目的是使多 个设计人员合作高效率顺利地完成某一特定任务，而并行设计的目的是通过产品开发 过程的重组与改进来实现产品开发流程的合理化与优化，保证在产品开发过程中做出 正确决策，有效减少设计修改，缩短开发周期。然而，不管是协同设计还是并行设计， 都需要在协同工作的环境下具体实施，从原始的小组会议、设计人员面对面交流等具 体协同工作方式，发展到现在的计算机支持下的协同工作( c s c w ) 方式，在实际的 设计过程中两者都要用到，相互交织在一起。 1 4 多人协同设计的不相容性 在协同设计系统中存在着多种不相容性。其一是表达的不相容性。例如在 c a d c a p p 的集成系统中，通常用特征语言作为c a d 系统到c a p p 系统间知识、信 息与数据间交流与集成的知识表达语言。特征是在一定的抽象层次上描述设计与加工 过程的一簇信息或知识。对于同一个设计对象，c a d 功能设计人员将从功能的角度， 运用功能设计特征来描述工件的设计构造过程，而c a p p 工艺人员将从工艺加工的角 度，运用工艺加工特征来描述工件的加工工艺知识。一般来说，对于一些基本特征， 两者是相同的或可以相互转换的；对于一些高层的特征，由于与各个设计人员的经验 关联密切，所用的概念与特征可能不相同，为协同设计带来了困难。其二是多知识的 渗透性。在产品设计中，必须充分考虑各个领域的需求，如功能要求、可加工性、可 重用性等等。而且这些不同领域的需求必须在设计的各个阶段均被充分考虑以达到最 优设计。但是任何一个设计专家都不可能同时具有所有应用领域的一些深层次的知 基于工作流的坍司啦计系统研究 识，为了实现优化设计，必须同时考虑不同领域的知识，只有相互渗透的知识，才能 满足共同的需求，实现优化设计。但是目前在计算机模拟和实现上述各领域的知识渗 透方面，还没有非常成熟的技术机制，这也是协同设计必须面临的一个问题。其三是 协同设计中的协调问题。协同设计是由多人共同完成的，冲突是不可避免的，如何减 少、避免冲突是一个很重要的问题。 1 5 计算机支持的协同设计( c s c d ) 的进展及协作工具 计算机支持的协同设计是计算机支持的协同工作( c s c w ) 的一个重要研究领域和 应用方向。 国外在协同设计系统的研究和实践中处于领先地位的是欧美等国，这得益于他们 在包括c s c d 在内的c s c w 领域进行了较广泛的研究。例如德国f r a u n h o f e r 图形研 究所的d i s t r i b u t e ds k e t c h p a d 系鲥“1 、美国普渡大学的s h a s t r a 系统【1 2 1 、美国麻省理工 学院智能工程系统实验室的d i c e 系绀1 3 】、美国麻省理工学院c a d 实验室的d m e 项目 h 】、美国斯坦福大学的大型智能化分布式协同设计系统p a c t 项目 1 5 1 、美国国 防高级研究项目署( d a r p a ) 资助下的m a d e 【l ”、美国c a t i a 公司的c a d 系统协作 支持工具 1 7 】、美国s p e c t r a 图形公( s p e c t r a g r a p h i c s ) 的t e a m s o l u t i o n s 系统【1 8 l 、美国 惠普公司的c o c a d 系统【1 9 1 、美国w e b s c o p e 公司基于w e b 的c a d 协同设计支持工 具等 2 0 l 。 国内在计算机支持的协同设计及其相关议题的研究中处于领先地位的是中科院 计算所c a d 开放实验室【2 1 j 和浙江大学c a d & c g 国家重点实验室 2 2 】 2 3 j 2 “，其他一些 高校也正在进行这方面的研究。武汉理工大学港口机械c a d c a e 研究中心自1 9 9 6 年起跟踪国内外发展动态，从事了相应的研究b 5 】1 2 “。 目前协作支持工具有两类：通用协同设计工具和专用协同设计工具。 f 1 ) 通用协同设计工具 主要有以微软公司的n e e t m e e t i n g 和创通公司的s h a r v s i o n 为代表的应用共享工 具，以及清华大学的通用c s c w 支持平台。 例如南京理工大学c i m s 研究所利用m i c r o s o f t 的n e t m e e t i n g 对p c 机上的 a u t o c a d 及其基于特征的机械设计增值模块m d t 进行共享的方法，对面向并行工程 协同设计系统和c s c w 环境下的c a d c a m 系统模型进行了初步研究【2 8 】。 通用协同设计工具利用应用共享工具软件对单用户应用系统( 当然包括单用户 c a d 系统) 进行共享，截取个体系统输入输出界面，优点是技术路线简单，系统几 乎可以直接利用个体工作软件现有的全部静态功能和资源。缺点是只能支持发言权协 作模式，每一时刻只能严格地按照”w y s i w i s ”方式允许一个协作者进行操作，缺乏 并行性，只能提供显示级的界面共享，因此，协作性能差。这种方式只能作为个体工 作系统向c s c w c s c d 系统过渡的权宜之计。 ( 2 ) 专用协同设计工具 南京航空航天大学硕匕学位论文 这类工具还比较少见。美国c a t i a 公司是美国i b m 和法国d a s s a u l t 合作下的 c a d c a m 软件系统国际公司。它所推出的c s c d 系统提供了三种商品化协作支持工 具：会议管理工具，支持活动开始、邀请、参加和退出；聊天工具，支持文本、音频 和视频通讯；自扳工具，只能支持多用户对c a t i a 模型所转换的2 d 图像进行同步 观察和注解( v i e 、 i n ga n da n n o t a t i n g ) 。 美国w e b s c o p e 公司最近推出了一个基于w e b 的c a d 协作支持工具，具备无线 因特网连接能力。但是它需要把c a d 对象( 3 d 实体模型，或者2 d 工程图形) 转换 成j a v a 对象，以便远程多用户通过注解、查询和搜索工具来进行协作。 美国a u t o d e s k 公司为适应w w w 的快速发展所推出的d w ff d r a w i n gw e b f o r m a t ) 数据格式及其配套的浏览工具w h i p ! ，仅能支持在w e b 浏览器上进行单向的 c a d 图形发布、浏览和打印，不能进行交互编辑修改操作处理，因此难以支持实时 协同图形设计。 1 6 本课题的主要研究工作 协同设计涉及的研究层面很广，本课题无法面面俱到，主要将研究的重点放在协 同设计的任务分配机制上。任务分配有很多方法，目前比较成熟的方法有有向无环图 法、任务矩阵法和事件驱动过程链法等。本课题将工作流概念引入到协同设计中，并 尝试用工作流方式来解决协同设计中出现的问题。 本文对基于工作流的协同设计若干技术进行了深入研究，自主研究开发了一个基 于工作流的协作支持工具软件m c d s y s t e m ( m e c h a n i c a lc o o p e r a t i v ed e s i g ns y s t e m ) ， 将当前c s c d 系统在协作性能方匠的长处和工作流系统在系统建模和冲突处理方面 的优势有机地统一起来，形成一个开放性的协作框架，具有广泛的工程应用前景。本 课题进行的研究工作有： ( 1 ) 工作流及其在协同设计中的应用； ( 2 ) p e t r i 网系统建模： ( 3 ) 开发一个基于工作流的协同设计环境； ( 4 ) 分布环境下系统的运行。 本课题的主要研究成果为，开发了个基于工作流的协同设计系统，整个系统分 为控制端和用户端：控制端的作用是工作流建模、系统监控和人员分配等；用户端的 作用是提供个用户协同设计环境。控制端和用户端都采用c s 结构，通过同一数据 库进行相互通讯。 基于_ 作流的协同设计系统研究 第二章工作流技术 协同设计是多人协作完成同一个目标的活动，所以任务分配是个非常关键的问 题。如何使任务分配更加合理，充分调动参与者的积极性和创造性，关系到协同设计 的成败。任务之间的协调是任务分配的一个重要方面，冲突是不可避免的，但处理冲 突的解决过程正是各设计人员相互协调的过程，达到整体最优化的过程。在任务分配 上，国内外众多学者进行了深入的研究，提出了许多可行的方法。本课题将采用工作 流方法作为任务分配的基本方法。本章着重研究面向协同设计的工作流系统。 2 1 工作流及相关的概念和定义 工作流管理联盟( w f m c ) 对工作流定义如下：工作流是一类能够完全或者部分 自动执行的过程，它使一系列过程规则、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1 2 。工作流技术通常是实施过程组织的一个较好的方法，因为工作流 提供了过程与它的信息支持系统的分离，从而实现了应用与过程的分离，这种方式在 实际应用中有显著的优点：它可以在不修改具体功能模块实现方式f 硬件环境和软件 环境) 的情况下，通过修改任务模型来改进系统性能，实现对协同工作过程部分或全 部集成管理，有效地把人、信息和应用工具合理地组织在一起。 描述一个协同工作的过程，主要应说明以下几个问题： f 1 1 这个协同过程要做什么? ( 2 ) 这个协同过程如何完成? f 3 ) 这个协同过程有谁参与? ( 4 1 这个协同过程用了哪些方式或手段来完成? 为了能够说明以上四个问题，必须以计算机可以识别的方式建立起协同设计的模 型。工作流活动中最基本的元素是活动和活动之间的连接关系。活动对应于协同过程 中的任务，主要反映执行动作或操作；活动间的连接关系代表了规则和流程。一个工 作流模型就是用一组连接关系组合起来的一组活动。 w f m c 给出的工作流管理系统定义为：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。 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，它和工作流的执行者交互，推进工作流实例 的执行，并监控工作流的运行状态。在工作流管理系统的支持下，通过集成具体的应 用软件和操作人员的界面操作，可以良好得完成对协同工作的支持。 工作流管理系统可以定义与执行不同覆盖范围，不同时间跨度的协作过程。这完 全取决于实际应用背景的需求。按照协作过程以及组成活动的复杂程度不同，工作流 南京航空航天夫学顺t ：学位论文 管理系统可以采用多种实施方式。在不同的实施方式中，所应用的信息技术、通讯技 术和支撑系统会有很大的差别，但他们会有很多共同的特性。从比较高的层次来抽象 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以下三种功能： f 1 ) 建立建模阶段的功能：通过某种分析、建模及系统定义手段将现实世界的协 作过程转化成某种能够被计算机处理的形式化表示。 ( ) 运行阶段的控制功能：在一定的运行环境下，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。主要进行在某个环境中工作流过程的管理及各活动步 骤之间的状态转换。 ( 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工具之间的 交互。主要完成对工作流实例执行过程中各种活动的处理。 图2 1 给出了工作流管理系统三个主要功能之间的关系。 图2 1 工作流管理系统的功能 2 2 工作流参考模型 工作流参考模型定义了工作流系统的基本结构和与其他系统的接口。图2 2 是 w f m c 提出的参考模型。 工作流参考模型中涉及到以下三类数据： f 1 1 工作流控制数据。工作流执行服务工作流机通过内部的控制数据来辨别每个 过程或活动实例的状态。这些数据由工作流执行服务工作流机进行控制。用户、应 用程序或其他的工作流机执行服务不能对其直接进行读写操作，他们可以通过向工作 流机执行服务工作流机发消息来获得工作流控制数据的内容。 ( 2 ) 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 转换条件，并选择下一个将执行的活动，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。 日 批十t 作流的协问设计系统研究 啡流悭 管理工具r 一 过程定义l 具 广 l | 接口1 工作流a p i 与交换格式 接口2接口3 工作流客户应用 接口4 工作流机直接 调用的应用 其他：作流执行 服 图2 2 工作流参考模型 ( 3 ) 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。他们是针对应 用程序的，是完成具体协作功能需要的数据。工作流管理系统无法也不需要对它们进 行访问。 工组流参考模型中涉及到以下的五类接口： 接口l ：工作流服务与工作流建模工具之间的接口，包括工作流模型的解释和读写； 接口2 ：工作流服务与客户应用程序之间的接口，这是最主要的接口规范，它约定 了所有客户方应用与工作流服务之间的功能操作方式： 接口3 ：工作流机与直接调用的应用程序之间的直接接口； 接口4 ：工作流管理系统时间的互操作接口： 接口5 ：工作流服务与工作流管理工具之间的接口。 2 3 工作流执行服务与工作流机 工作流执行服务是工作流管理系统的核心。实际上它是协作过程的任务调度器， 也是资源分配器。因此，工作流执行服务系统的性能和可靠性就直接决定了系统的运 行效率和安全性。工作流执行服务是由一个或多个工作流机组成，它提供了过程实例 执行的运行环境。它主要完成以下功能： ( 1 ) 实例化及执行过程模型：解释过程定义，根据过程执行需要的初始条件和执 行参数生成过程实例，运行过程实例并管理其运行过程。 ( 2 ) 为过程和活动进行导航：根据过程定义和工作流相关数据，为过程实例的运 行进行导航，如根据过程的进入和退出的条件启动和终止一个过程实例；根据活动之 间的关联和活动执行条件，决定是并行或还是串行执行其后续活动；给用户提供需要 o 南京航空航天大学颂上学位论文 操作的工作流任务项；或者根据所要激活的应用程序信息启动相应的应用程序。 ( 3 ) 与外部资源相互完成各项活动：工作流执行服务通过两种途径完成与外部资 源和用户的交互：客户应用接口和直接调用应用接口方式。本课题采用客户应用接口， 工作流机通过任务项列表管理器对应用的执行进行管理。 任务项列表管理器提供了任务项列表供用户进行选择，并记录监督工作项的完成 情况。用户从任务项列表管理器提供的任务项列表中选择相应的任务项，并在需要的 时候调用应用工具完成相应任务的执行，在任务执行完后，用户需要修改相关任务项 的状态，置完成标志。 ( 4 ) 维护工作流控制数据和工作流相关数据：工作流在执行过程中要维护不同过 程和活动实例的内部状态信息，用于协调和恢复的各种检查数据、恢复重起信息， 和用户传送的相关数据。 工作流机是一个为工作流实例的执行提供运行服务环境的软件，它是工作流执行 服务的核心。从提供的功能上看，它主要完成以下任务： ( 1 ) 对过程定义进行解释： ( 2 ) 控制过程实例的创建、激活、挂起、终止等； ( 3 ) 控制活动实例间的转换，包括串行或并行的操作等、工作流相关数据的解释 等： ( 4 ) 提供支持用户操作的接口； ( 5 ) 维护工作流控制数据和工作流相关数据，在应用或用户间传递工作流相关数 据； ( 6 ) 提供用于激活外部应用程序和访问工作流相关数据的接口； ( 7 ) 提供控制、管理和监督工作流过程实例执行情况的功能。 工作流机的一个重要功能就是控制过程实例和活动实例的状态转换。w f m c 提出 的参考模型中对过程实例运行状态和活动实例运行状态进行了定义，并给出了状态转 换的条件，如图2 3 所示： 过程实例包括以下几种运行状态： ( 1 ) 起始：个过程实例已经成生，但该过程实例目前还没有满足开始执行的条 件； ( 2 ) 准备运行：该过程实例已经可以执行，但是还不满足开始执行第一个活动并 生成一个任务项的条件； ( 3 ) 运行中：一个或多个活动已经开始运行： ( 4 ) 挂起：该过程实例正在运行，但处于静止状态，除非有一个“重启”命令或 者外部事件促使该实例回到准备运行状态，否则所有的活动都不会执行； ( 5 ) 结束：该过程实例执行已经完成，并且满足了结束该实例的条件，工作流管 理系统将执行过程实例结束后的操作，并删除该过程实例。 活动实例的运行状态： 1 1 基于工作流的协同设计系统研究 ( b ) 图2 3 ( a ) 过程实例转换图( b ) 活动实例状态转换 ( 1 ) 未开始：一个活动实例已经生成，但还没有被激活； f 2 1 运行中：该活动实例已经被激活，正在运行； f 3 1 挂起：由于出现异常情况或者错误，该活动实例被暂时挂起，活动处于静止 状态； ( 4 ) 结束：该活动已经执行完毕，工作流管理系统将激活下一个符合激活条件的 活动实例。 2 4 过程模型定义 前面研究了工作流系统的一些基本原理和组织结构，在工作流系统中运行的是过 程实例，而过程实例的描述是通过过程模型定义来实现的。 2 4 1 过程定义元模型 过程模型定义的规则和方法是通过过程定义元模型来界定的，图24 为w f m c 定 义的过程元模型： 该模型包括以下几个基本实体： ( 1 、工作流定义：它一般包括诸如工作流模型名称、版本号、过程启动和终止的 南京航空航天大学硕士学位论文 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一个协同 过程的目的，即这个过程要实现的目的和最终要达到的目标。 图2 4 过程定义元模型 ( 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( 如晟长处理时间、等待时间等) 。活动相当于协同过程中的任务， 主要反映完成整个协同过程需要哪些功能操作。 ( 3 1 转换条件：主要为过程实例的推进提供依据，主要参数包括工作流过程条件 ( 协同过程向前推进的条件，可以认为是前后条件的同义词) 、执行条件( 执行某个活 动的条件) 和通知条件f 通知不同用户的条件) 。转换条件对应用于协同过程的规则和操 作顺序。 ( 4 ) 工作流相关数据：工作流机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、处理实体、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。 图2 4 的过程定义元模型的组成核心是活动。工作流定义与活动、工作流相关数 据之间的是一对多的关系，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被多个活动使用。 在定义模型的交互格式方面，还需要有一套完整的命名机制，来保证工作流执行 服务在运行期间所执行的所有过程与活动的名称可以准确地对应到实际地名称和地 l 基于工作流的协同设计系统研究 址。这个对应可以使用动态的地址解析机制( 如使用目录服务) 或其他机制来实现。 2 4 2 过程定义语言 在2 4 1 节中介绍了w r d c 定义的一个工作流过程的元模型，它给出了一般模型 实体及相应的属性。w p d l ( w o r k f l o wp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 就是基于这一元 模型而定义的文本描述语言。作为一个标准、通用的工作流定义语言，w p d l 定义了 一个最小集合的工作流建模实体与属性，提供了一般意义下的公共交换格式。基于这 一模型，不同的建模工具可以方便地交换信息。 w p d l 的语法是采用类似巴科斯一诺尔范式( b a c k u s n a u r f o r m ，b n f ) 的格式，以 一个产生式规则集合的形式进行定义的。语法的组成包括以下几个部分： 标识符 关键字e x a m p l e k e y w o r d 产生式标志 ：= 特殊字符 1 + 在w p d l 中，每一条语法规则都是一个产生式，规则的左边( 标识符) 和右边( 表 达式) 用“：= ”进行连接，其意思是左边可以由右边代替或由右边产生。右边的表 达式可以是标识符、关键字以及特殊字符的组合。关键字是语言的核心部分，用来刻 画w p d l 过程模型中的各种组成部分以及相应属性，由空格符分隔，并且是区分大 小写的；出现在方括号“ ”中的关键字或标识符表示是可选的，可以使用一次或者 不用；特殊字符“i ”的含义是“或”、“二者选一”；特殊字符组合“”、“”以及 “”用来作为注释的标注，其用法与c + + 语言的注释完全相同，位于它们之间的文 字属于注释，而非有效语言内容。 以下是w p d l 语法中对一些特殊字符的约定： 操作符以字母o p 结尾，l t , 如 表示“非”操作； 常量以大写字母c 结尾，比如 表示布尔型常量； 括号以大写字母“b ”结尾，比如 表示数组定义中的一个括号； 类型字符用大写字母书写，而且以大写字母“t ”结尾，比如 表示整数类型； 其它结束符号均以大写字母书写，l 匕血i 。 w p d l 分别定义了以下数据结构： f 1 ) 数据类型、表达式和操作符：在w p d l 语法中，有些符号是最基本的，是用 来定义其它符号的，这主要是指基本的数据类型、表达式以及操作符的定义。 ( 2 ) 属性、扩展属性和参数：用w p d l 定义工作流模型，实际上就是对一系列模 型实体进行描述，每一个元模型实体都以相应的关键字作为开始，接下来依次为标识 符、属性表、实体描述的结束关键字。 f 3 1 工作流模型：在一个工作流模型中可以定义多个过程，它们共享相同的工具 南京航空航天大学硕士学位论文 与参与者，w f m c 要求使用者为每一个协同过程建立一个包括所有必要过程、相关工 具以及工作流参与者在内的工作流模型。 ( 4 ) 工作流过程定义：它构成了工作流模型的主体部分，因为它包含了组成模型 的所有活动和转移信息。 ( 5 ) 工作流活动：模型的基本元素。 ( 6 ) 转移条件：定义了过程中连接所有活动的转移弧的信息以及弧上所定义的转 移条件，体现了过程的控制逻辑。 ( 7 ) 工作流应用定义：工作流应用定义是一个应用及工具的列表，他们将在工作 流的执行过程中被激活或调用。 ( 8 ) 工作流相关数据：定义了所有工作流相关过程或者工作流模型中用到的变量。 ( 9 ) 工作流参与者：模型中的元素，他们或者执行工作流过程中的某部分，或 者对其负责。工作流参与者的定义可能需要引入外部的组织模型，而且定义可以是多 种不同的形式。 基于工作流的协同设计系统研究 第三章协同设计的过程建模 第二章研究了工作流系统的基本概念和体系结构，本章将对协同设计工作流模型 的建立作深入的研究，并探讨了用p e t r i 网来进行建模及进行时序分析的方法。协同 设计的过程建模是本课题研究的重点。 3 1 工作流模型定义标准 工作流模型是用文字、图标、符号、关系式以及实体模型等描述所认识到的客观 对象的一种简化表示方式。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。工作流模型是对工作流的抽象表示，也就是对过程 的抽象表示i j 。 工作流管理建立阶段的功能主要是完成过程的计算机化定义，也就是完成过程建 模任务。在这个阶段，利用一个或多个建模方法及其相应的建模工具，完成实际处理 过程向计算机可以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。描 述协同工作过程的工作流模型需要建立相应的工作流模型，才能实现对协同过程的工 作流管理，尤其是对那些实现许多复杂的并行执行流程的协作过程，只有建立他们的 计算机化模型才能实现对协同过程的有效监控。 工作流模型应遵循以下四个原则口i j ： ( 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的含 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。 从目前来看，人们虽然提出了不少有见解的工作流模型，但从模型的能力上看， 每一个都有自己的侧重点，由于p e t r i 网的模型描述能力较强，本课题采用p e t r i 网作 为协同过程的主要描述手段。 3 。2 p e t r i 网简介m j p e t r i 网是2 0 世纪6 0 年代由德国学者c a p e t r i 提出的，经过3 0 多年的发展，已被 应用于各个领域进行系统建模、分析和控制。p e t r i 网是一种多系统的图形化、数学 化建模工具，为描述和研究具有并行、异步、分布式和随机等特征的复杂系统提供了 强有力的手段。作为一种图形化工具，可以把p e t r i 网看作是与数据流图和网络相似 的通讯辅助方法；作为一种数学化方法，它可以用来建立状态方程、代数方程和其它 描述系统行为的数学模型。p e t r i 网建模有很多优点： 首先，p e t r i 网兼顾了严格语义与图形语言的两个方面。由于p e t r i 网的所有元素 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 都是经过严格定义的，具有规范的模型语义。因此，基于p e t r i 网表示的工作流模型 也具有十分清晰与严格的定义。其次，p e t r i 网具有足够丰富的表达能力，完全支持 w f m c 所定义的六种工作流原语。这些原语包括与连接、与分支、或连接、或分支、 循环和因果关系。这些语义被无歧义地映射成p e t r i 网的表达形式，本文将在后面的 内容中进行详细阐述。同时p e t r i 网又是一神图形化语言，具有直观易懂的特点，使 得建模人员能够比较方便地针对模型的含义与最终用户进行交流，以便准确描述用户 环境及改进模型。与其他的建模工具不同，p e t r i 网是一种基于状态的建模方法，它 明确定义了模型元素的状态，而且它的演化过程也是受状态驱动的。经过三十多年的 发展，p e t r i 网拥有了多种可以利用的分析技术，可以用来分析模型的各种特性。这些 分析技术同样也为基于