（计算机应用技术专业论文）基于petri网的工作流模型研究.pdf

摘要 随着信息技术和管理理论的发展以及计算机和网络的广泛应用，工作流技术正在 成为计算机应用领域的研究热点。对工作流技术进行深入的研究对于提高企业的信息 化程度、运行效率以及竞争能力都有着重要的意义。 工作流管理系统的最重要的功能之一就是工作流建模。一个好的工作流模型是实 现一个具有高度的灵活性、可靠性、可用性、可伸缩性和互操作性的工作流管理系统 的关键和基础。工作流建模主要是研究如何清晰、准确地表示实际应用中的业务过程， 特别是研究如何以形式化的方法表示工作流模型。由于p e t r i 网具有形式化的语义定义、 直观的图形表达、严格的数学基础以及基于状态的描述等优点，被越来越广泛应用于 工作流过程建模。 本文在扩展p e t r i 网的基础上，研究了一个新的工作流模型一基于着色工作流网的 工作流模型。它对业务过程的描述有很强的表达能力，在运行过程中，可以运行多个 实例。本文对该模型进行了过程模型方面的详细设计。模型的正确性验证一直是工作 流过程定义阶段的难点问题。本文在图规约法算法的研究基础上，分析了针对基于着 色p e t r i 网的工作流网的图规约验证算法，图规约验证算法的基本思想是对图进行逐步 化简，该算法避免了可达状态节点过多的问题，该算法先给出基本结构及一些复合结 构的规约规则，随后对网中的各种结构按规则进行规约，若网能规约为一特定结构， 则模型建立正确。 在此模型的基础上，本文实现了一个可视化的工作流建模工具，设计人员通过该 工具建立业务过程，支持可视化操作，支持业务流程模型重现。最后对本文的研究工 作进行了总结，对不足之处提出了改进的措施，并展望了系统下一阶段的发展方向， 为后续工作奠定了基础。 关键词：工作流，模型，建模工具，p n m l ，p e t r i 网，着色工作流网 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tt h e o r y , w o r k f l o w t e c h n o l o g yb e c o m e s an e wh o tt o p i ci nt h ea r e ao fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n t h es t u d yo nt h i s t e c h n o l o g yc a nc o n t r i b u t eal o tt oa ne n t e r p r i s e sp r o g r e s si ni n f o r m a t i o ns t a n d a r da n d o p e r a t i o ne f f i c i e n c y w o r k f l o wm o d e li so n eo f t h em o s tf u n c t i o n a lp a r t si naw 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 ) i ti sak e yt ot h er e a l i z a t i o no f aw f m s t h es t u d yo fw o r k f l o wm o d e l i n gm a i n l y c o n c e r n st h ew a yt oe x p r e s sc l e a r l ya n da c c u r a t e l yb u s i n e s sp r o c e s sw i t h i na c t u a la p p l i c a t i o n a n de s p e c i a l l yt h ew a yt of o r m a l i z i n g w i t ht h ea d v a n t a g e so ff o r m a ls e m a n t i cd e f i n i t i o n ， v i s u a l l yg r a p h i c a le x p r e s s i o n , f i r mm a t h e m a t i c a lf o u n d a t i o na n dd e s c r i p t i o nb a s e do ns t a t e ， t h ep e t r in e ti sa p p l i e dt 0m o d e la n do p t i m i z et h ew o r k f l o wp r o c e s sm o r ea n dm o r e b ea i m e da tc u r r e n ts i t u a t i o n , b a s e do np e t r in e t ，t h i st h e s i sp r e s e n t san e ww o r k f l o w m o d e l ，w h i c hi sc o l o r o e dw o r k f l o wn e t i th a sas t r o n ga b i l i t yt oe x p r e s st h eb u s i n e s sp r o c e s s t h e r ea r em a n yi n s t a n c e si nt h er a n - t i m e t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dam o d e ld e s i g n ，i n c l u d i n g t h ep r o c e s sm o d e ld e s i g n s o u n d n e s sv e r i f i c a t i o no fm o d e li sa l w a y sad i f f i c u l tq u e s t i o no f p r o c e s sd e f i n i t i o n b a s e do nt h er e d u c t i o ng r a p ha r i t h m e t i c ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e r e d u c t i o ng r a p ha r i t h m e t i cf o rw o r k f l o wn e tb a s e do nc o l o r e dw f - n e t t h er e d u c t i o ng r a p h a r i t h m e t i ct r a n s l a t e st h eg r a p hi n t ot h es i m p l eg r a p h t h ea r i t h m e t i ct u r n sa w a yt h eq u e s t i o n t h a tt h e r ea r eal o to f n o d e s f i r s t l y , i ts e t sd o w ns o m eb a s ef o r m s s e c o n d l y , i tt r a n s l a t e st h e g r a p hi n t ot h es i m p l eg r a p hw i t ht h eb a s ef o r m s t h em o d e li sr i g h ti ft h e r ea r eo n l yt h e f o r m si nt h eg r a p h t h i sp a p e rr e a l i z e sav i s u a lw o r k f l o wm o d e l i n gt o o l ，b yw h i c ht h ed e s i g n e rc a nc r e a t e t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a ma n ds a v et h ep r o c e s sd e f i n i t i o na c c o r d i n gt ot h em o d e ld e f i n i t i o n f i n a l l y , w es u m m a r i z et h er e s e a r c hw o r ko ft h ep a p e r , p o i n to u tt h ed i s a d v a n t a g e so ft h e s y s t e ma n dt h ef u t u r ew o r k ，a n dg i v eo u ts o m ea d v i c ef o rf u r t h e rw o r k k e y w o r d s ：w o r k f l o w ，m o d e l ，m o d e l i n gt o o l ，p e t r in e tm a r k u pl a n g u a g e ，p e t r in e t ， c o l o r e dw f - n e t k 备t 业人学坝j 学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。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。本声明的法律结果由本人承担。 4 5 论文作者签名； 何抛 | 日期：2 0 0 7 年0 3 月2 5 日 长春t 业久学m1 。学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 工作流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，以提高办事效率、降低生产成本、 提高企业生产经营管理水平和企业竞争力1 1 3 】 2 0 世纪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。进 入2 0 世纪9 0 年代，在i n t e r n e t 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。在这种技术背景下，工作流管理系统成为简化企 业复杂信息环境，实现业务流程自动执行的必要工具。 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 l v t c ) 的成立标志着工 作流技术开始进入相对成熟的阶段。为了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( w a p i ) 等方面制定了一系列 标准。 工作流管理技术的发展，对业务流程自动化带来了不少帮助，但其效果仍然不能 令人满意，其不足主要表现在： l 、建模工具对用户建立的模型缺乏验证支持【4 】，这使得工作流管理系统在运行时 可能发生致命性的错误，从而导致系统崩溃，损失巨大。 2 、多个工作流引擎之间缺乏良好的协同工作能力。 3 、由于不同厂商的建模工具与工作流引擎之间缺乏统一接口，使得元数据在两者 之间不能很好的被解析【8 】。 工作流模型作为工作流管理系统的起点，对企业业务过程逻辑及其业务活动依赖关 系进行抽象表示，它已成为当前工作流建模研究的重点。工作流过程模型涉及的理论 主要包括计算机支持的语言行为( s p e e c h a c t ) 理论、协同工作( c s c w ) 、协调理论、数据 挖掘、p e t r i 网和面向对象技术等。在众多的过程建模方法中，p e t r i 网是一种图形语言， 可直观地反映并行、同步和共享等现象，同时p e t r i 网的另一特点是具有精确的语义和 严格的数学基础，其理论结果十分丰富。采用p e t r i 网的方法来给工作流建模，可以比较 好的解决建模问题【5 】。 1 9 6 2 年联邦德国的c a r la d a mp e t r i 在他的博士论文自动机通信中首次使用网 状结构模拟通讯系统 4 1 ，该结构不久就被认为是描述和分析同步通讯和并发进程资源共 享的最适合可靠的建模语言。这种系统模型后来以p e 砸网为名流传。p e t r i 网作为一种 k 奋丁业大学珂! i 学位论文 从过程的角度出发描述和分析复杂系统的模拟工具，具有形式化的语义定义、直观的 图形表达和严格的数学基础等优点，很适合描述具有并发、异步、分稚乃至不确定性 因素在内的复杂系统，因此，基于p e t r i 网的工作流建模与分析方法被越来越广泛应用 于业务过程建模和流程优化，使用p e t r i 网描述业务过程主要有以下优点【3 】。 1 、p e t r i 网是一种图形化语言，非常便于理解。 2 、p e t r i 网( 包括各种高级网系统) 都有形式化的语义定义，一个p e t r i 网模型加上相 应的语义就能描述一个业务过程。 3 、p e t r i 网能够同时显式地描述系统状态和事件，便于对系统的理解和分析。 4 、p e t r i 网模型一个很重要的特点在于它提供了丰富的系统分析技术，如对活性 ( 1 i v e n c s s ) 、有界性( b o u n d n e s s ) ，安全性( s a f e t y ) 等分析计算，也可以计算系统的性能。 1 2 研究现状 七十年代末s k i pe l l i s ，a n a t o lh o l t 和m i c h a e lz i s m a n 等人关于办公信息系统的研 究工作嗍开g , l y i 作流研究领域。九十年代以来，s t a f f w a r e f i o 】，m q s e d e s ，c o s a 等各种 各样的工作流管理系统被开发出来。但由于缺少统一的形式化模型方法，大多数工作 流管理系统都不能对工作流程的设计进行模拟和验证。工作流管理系统通常涉及一些 复杂、核心的商业事务，工作流程的任何错误都应该尽可能在系统付诸使用之前被发 现和改正j 。因此，形式化的工作流建模和分析方法越来越受到工作流研究人员的重 视。 工作流模型应该以形式化方法作为基础，原因是：1 ) 形式化方法可以使模型清晰、 易懂、无二义性；2 ) 形式化方法可以使模型更容易分析。p e t r i 网是对工作流进行建模 和分析的最主要的形式化方法，p e t r i 网由于其图形化的、基于状态的模型方式和强大 的模型分析技术，在工作流建模和分析中得到广泛的应用【1 2 】。 a a l s t 网提出工作流网( w o r k f l o wn e t s ，简称w f - n e t s ) 以描述工作流模型【1 2 3 ， w f n e t s 具有所有工作流程都必须满足的些最基本的性质。为了描述工作流中的时间 特性，提出了时间工作流( t i m e dw o r k f l o w ) 、时间工作流网( t i m ew o r k f l o w n e t s ，简称 t w f - n e t ) 。不过工作流网是基于经典p e t r i 网的，它不能区分不同的标记，即多个在同 一库所中的标记无法通过定义进行区分。 利用规约的手段对模型进行检验方面，有如下几种方法：p e t r i 网时间性能的简化 分析【l ”、时间p e t r i 网的线性推理【、图形归约和图形展开相结合的验证方法过程模型 验证算法i l 刮等。时间p e t r i 网的线性推理是用时间p e t r i 网表示工作流模型并对基本工 作流模型进行时序分析，给出线性时间推理的规则，运用这些规则，在线性时间复杂 度内解决时间推理问题。p e t r i 网时问性能的简化分析是探讨时间p e t r i 网模型中具有同 k 奋t 业人学珂! f 学位论土 步连接时各分解子网与总网之间时间性能的关系，并给出一些典型结构的简化算法。 但是这两种研究主要集中在时问p e m 网的验证简化上，很少有对着色p e t r i 网进行研究 的。后一种方法研究了工作流过程模型的局部错误以及过程逻辑错误；给出了过程建 模中避免错误的相关约束规则；另外了提出了一种新型的图形归约和图形展开相结合 的验证方法及过程模型验证算法。不过这种方法局限于对简单控制结构的规约，对一 些复杂结构( 如：a n d a n d 嵌套结构) 的验证问题仍然无法解决【1 6 1 。 1 3 本文的主要工作 在上述研究背景和研究现状下，本文的研究工作主要是研究基于着色工作流网的 工作流建模、验证方法和建模工具的设计与实现，主要工作归纳如下： 1 、基于经典p e t r i 网的工作流网不能区分不同的标记，即多个在同一库所中的标记 无法通过定义进行区分，这通常是无法接受的。本文基于对经典p e t r i 网在颜色方面进 行了扩展，研究了利用着色工作流网进行工作流建模的相关方法来解决上述问题。 2 、针对p e t r i 网传统验证法( 可达树验证法) 中可达状态节点过多，甚至出现无 限状态节点的问题，在文献 1 5 , 1 6 的基础上分析了一种基于图规约思想的着色工作流网 的验证算法，该算法先给出基本结构及一些复合结构的规约规则，随后对网中的各种 结构按规则进行规约，若网能规约为一特定结构，则模型建立正确； 3 、本文在着色工作流网的研究基础上，对基于着色工作流网的工作流建模工具进 行了设计，最后实现了一个基于着色工作流网的工作流建模工具。 1 4 论文结构 全文共分为5 章，下面为各章的简要阐述。 第一章绪论。简要介绍了工作流和p e t r i 网的概念，重点分析了工作流建模、p e t r i 网的研究现状，最后介绍了本文所做的主要工作和本文的结构。 第二章工作流技术与p e t r i 网理论。介绍了工作流的基本概念、p e t r i 网的基本概念 和理论。同时介绍了基于工作流网、着色p e t r i 网及其相关理论，特别论述了着色工作 流网的相关理论、定义、方法以及如何利用着色工作流网进行工作流建模。 第三章工作流模型设计。首先工作流模型的总体设计，接着对每个模型实体进行 了详细的介绍。然后阐述论述了一种基于规约思想的着色工作流网的验证算法，传统 的p e t r i 网验证算法存在着可达状态节点过多的问题，本文通过简化的思想实现对着色 工作流网的验证。 k 奋t 业人学硕 学位论文 第四章建模工具的实现。首先从系统体系结构、系统的设计目标、系统开发环境、 系统框架等方面对建模工具系统进行介绍，然后重点介绍了每个模块的详细设计，最 后利用建模工具完成了一个实际流程的建模。 第五章总结与展望。总结了研究和开发工作。对不足之处提出改进措施，并展望 了系统下一阶段的发展方向，为后续工作奠定了基础。 4 k 奋t 业人学形! l 学位论义 2 1 工作流技术 第二章工作流技术与p e t r i 网理论 2 1 1 工作流技术的发展 工作流的概念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【“。 八十年代初，人们希望出现一种无纸化的、计算机使能的工作环境。一些公司、 企业也建立了自己专用的或者可商品化的表单传递应用系统( f o r m s r o u t i n g a p p l i c a t i o n ) 。通常运行在大型机或小型机上，用于实现日常表单处理的电子化与自动化。 这种系统可以看成是现在工作流管理系统的一个雏形。 8 0 年代和中期，f i l e n e t 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。比较典型的有f i l e n e t 于1 9 8 4 年推出的w o r k f l o wb u s i n e s ss y s t e m 。 v i e w s t a r 于1 9 8 8 年推出的v i e w s t a r 。它们的出现使许多企业很快认识到在业务流程的 处理过程中，纸张有可能只出现一次，即承载文档的纸张在流程的起始处将首先被扫 描成电子文档，继而后续对文档的处理过程也将全部实现电子化。显然，这种集成化 软件系统为企业简化与重组自己的关键业务流程提供了一种非常好的方法。由此还可 以看出，工作流从最初的诞生之日起就是作为一种面向过程的系统集成技术而出现的， 只不过限于当时的计算机发展水平，它所集成的功能较为简单而已。 进入九十年代，随着计算机的普及、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 l i e n t s e 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l q 益成熟，标志着集中式的信息处理时代已经过去，实现大规模的 异构分布执行环境，使得相互关联的任务能够高效运转、并接受密切监控已成为一种 趋势。在这种技术背景下，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。这样的一个转变，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 流进行了研究。 1 9 9 3 年工作流标准化组织工作流管理联盟w f m crw o r k f l o wm a n a g e m e n t c o a l i t i o n ) 成立，是工作流技术逐步走向成熟的标志，工作流技术成为计算机应用研究 长存- 业人学坝l + 学位论文 领域一个重要分支，该组织为了实现工作流产品之间的互操作性，在相关概念术语、 软件体系结构以及应用编程等方面制定了一系列标准，成为工作流技术的国际标准。 在全球范围内，对工作流的技术研究以及相关产品的开发进入了更为繁荣的阶段，更 多更新的技术被集成进来，文件管理系统、数据库、电子邮件、移动式计算、k n t e m e t 服务等都已被容纳到工作流管理系统之中。 纵观工作流软件产品由萌芽到繁荣，可以分为三个阶段【1 3 】：第一阶段，主要为应 用于某些特定领域的、相对独立的应用系统，比如图像、文档管理系统；第二阶段， 主要表现为具有底层的通讯基础结构、能够实现任务协作的应用系统，比如具有消息 传递功能的工作流系统；第三阶段，具有图形用户界面的过程定义工具、用户定义与 任务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。经历了这三个阶段的发展，工作流产品基本上确定了它在计算机应用软件市 场上的独立位置。 2 1 2 工作流技术的基本概念 一、工作流定义 十几年来，不同的研究者对工作流分别提出了不同的定义。本文中讨论的是采用 工作流管理联盟给出的工作流的定义【17 】：工作流( w o r k f l o w ) ：是指整个或部分业务过程 在计算机支持下的全自动或半自动化。在一个工作流中，文档、信息或任务等根据一 组设定的规则在参与者之间自动传递，来完成整个业务目标或者对整个业务目标的完 成做出贡献。而所谓业务过程( b u s i n e s sp r o c e s s ) 就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的参与下，利用企业资源，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( 包括经营决策) ， 从而实现预定的经营目标。 为了进一步描述工作流，首先定义以下概念： 案例( c a s e ) ：某件“事”的抽象描述，有自己的开始和结束，都能彼此区分。在 一个过程中被执行。 任务( t a s k ) ：某项工作的抽象描述，是一个工作的逻辑单元，它不可分割且必须完 整执行。如果在执行任务期间发生任何错误，那么必须返回任务执行前的状态。 工作项( w o r ki r e m ) ：一个为了某个具体的业务过程而将要被执行的具体任务，是 案例和将要执行的任务的结合体。 活动( a c t i v i t y ) ：一个被具体资源实际执行的工作项，即工作项的实际执行，这里 的资源( r e s o u r c e ) 可以是人或机器。 他们之间的关系如图2 1 所示： 6 k 奋t 业j i 学硕 学位论文 图2 - 1 任务、案例、活动、工作项之间的关系 工作流主要是用来描述业务过程的，因此一个工作流可以看成是企业的一个具体 的业务过程的抽象或图式化的表示。工作流是基于业务过程的，一个业务过程由一个 或多个存在着某种次序关系的任务和条件组成。条件( c o n d i t i o n ) 用来决定任务的执行次 序，确定哪些任务己被执行，哪些任务还要被执行。可以把条件看作一个任务被执行 的前提。只有当一个任务的所有条件都满足时，该任务才能被执行。 工作流管理的目的就是尽可能有效地处理这些业务过程。通过工作流过程的定义， 能够说明什么任务需要被执行以及以怎样地顺序去执行。工作流中每个任务可以由一 个或多个软件系统完成，也可以由一个或一组人完成，还可以由一个或多个人与软件 系统协作完成。 在工作流中，活动和活动之间的连接关系是两个最基本的元素。根据活动的定义， 活动对应于业务过程中的任务，主要反应了业务过程中的执行动作或操作。而活动之 间的连接关系代表了业务过程的规则。一个工作流也可以看作是一个用一组连接关系 组合起来的一组活动组成的一个反映企业业务过程的模型。 二、工作流管理系统 按照w f m c 的定义，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，工作流管理系统是运行在一个或多个称为工作流机的软件上，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。在这里需要强调的是，工作流管理系统不 是企业的业务系统，在很大的程度上，工作流管理系统为企业的业务系统提供一个软 件的支撑环境，非常类似于单个计算机上的操作系统，只不过工作流管理系统支撑的 范围比较大、环境比较复杂而己。 尽管工作流管理系统的实现方法多种多样，但所有的w f m s ( w o r k f l o wm a n a g e m e n t s y s t e m ) 都表现出某种共同的特性，这为不同产品间的集成、协同工作提供了基础，如 图2 2 所示。在最高层次，所有的w f m s 都具有相同的特性，并提供以下3 个功能： 建立时期( b u i l d t i m e ) 功能：主要考虑工作流过程和相关活动的定义、建模功能， 7 k 奋t 业j i 学坝l 学位论文 建立工作流模型，完成业务过程及相关资源的定义，利用一种或多种建模技术和工具， 完成实际业务过程及相关资源到计算机可处理的形式化定义的转化； 运行时期( r u n t i m e ) 控制功能：在运行环境中执行和管理工作流过程，并完成每个 活动的排序和调度功能；在完成过程定义后，由工作流执行服务软件进行实例创建并 控制其执行过程工作流执行服务实现了模型中定义的业务过程与现实世界中实际过程 的连接，这通过工作流执行服务与应用软件、操作人员的交互来完成，实现这一连接 的核心功能是为工作流机，或者工作流引擎工作流引擎完成过程的创建、删除、活动 的执行和控制，并且完成与应用软件及操作人员的交互 运行时期与用户及应用的交互功能：实现各种活动执行过程中用户与i t 应用工具之间的交互，人和应用是完成整个业务过程的主体不同的操作人员需要完成 的工作。模型定义：创建、修改和发布企业的业务过程模型，一般有企业业务管理部 门的人员来完成。人机交互：按照工作流任务管理器提供的任务项，完成具体的业务 处理工作，由企业各业务部门的人员来完成。系统运行状态监控：检查、监视系统的 执行情况，对于系统中出现的意外情况进行紧急处理，由具有较高职务的系统管理人 员来完成。 图2 - 2 工作流管理系统的基本特性 三、工作流参考模型 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 的互操作，w f m c 提出了一个工作流参考模型，约定了工作流系统的体系结构、应用 接口及特性【1 8 1 。如图2 3 所示： 8 k 备- 【业入学珂 i 学位论文 图2 - 3 工作流管理系统参考模型 工作流参考模型主要涉及如下几种数据： i 、工作流控制数据( w o r k f l o wc o n t r o ld a t a ) ：工作流执行服务i 作流机通过内部 的工作流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i 作流机进行控制。用户、应用程序或其他的工作流机工作流执行服务不能对其直接进 行读写操作，它们可以通过向工作流执行服务工作流机发消息来请求获得工作流控制 数据的内容。 2 、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 ) ：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。 3 、工作流应用数据( w o r k f l o wa p p l i c a t i o nd a t a ) ：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、生产作业计划数据等。工作流系统无法也不需要对它们进行 访问。 工作流参考模型定义了5 个接v i ( w o r k f l o w a p i ，w a p i ) ，通过这些接口可以访问工 作流系统的服务，这些接口还控制工作流控制软件与其他系统组件之间的交互。各接 口功能描述如下： 接口1 作为工作流服务和工作流建模工具之间的接口，包括工作流模型的解释和 9 k 备t 业j 、学倒! 十学位论土： 读写访问。这个接口为在不同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。 接口2 ：客户端应用程序接口，工作流服务和客户应用之问的接口。这是最主要的 接口规范，它约定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 ：调用应用程序接口，工作流机和直接调用的应用程序之间的接口。 接口4 ：工作流执行服务之间的互操作接口，工作流执行服务之间需要提供w a p i 工江作流应用编程接口) 来实现互操作 接口5 ：系统管理与监控接口，工作流服务和工作流管理工具之间的接口，主要是 为了实现对工作流的管理和监视。 工作流参考模型各组件功能描述如下： l 、过程定义工具( p r o c e s sd e f i n i t i o nt o o l s ) ： 为用户提供一种对实际业务过程进行建模、分析的手段，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) 。它可以作为特定工作流产品的一部分提供给用户， 也可以作为一个单独的产品提供给用户。过程定义工具应该输出一个能被工作流引擎 解释并执行的过程定义。 2 、工作流执行服务( w o r k f l o we n a c t m e n ts e r v i c e ) ： 工作流执行服务也称为业务执行环境，包括一个或多个工作流机( 工作流引擎) 。它 借助一个或多个工作流引擎，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，完成工作流过程实例创建、执行与管理。 3 、工作流客户应用( w o r k f l o wc l i e n tf u n c t i o n s ) ： 工作流客户端应用提供用户操作工作流管理系统分配的任务或者活动的功能。这 种功能由工作流任务表管理器和用户操作共同完成。工作流任务表是指分配给一个特 定用户( 或一组特定用户) 处理的由一个或多个任务组成的队列。工作流任务表管理器是 一个软件模块，负责管理工作流任务表，并完成与最终用户的操作进行交互。它可以 作为工作流管理系统的一部分提供给用户，也可以是用户自己编写的程序。 4 、工作流机直接调用的应用( i n v o k e d a p p l i c a t i o n ) ： 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 的外部应用程序。在过程定义中应包含这种应用程序的详细信息，如类型、地址等。 5 、工作流管理与监视工具( a d m i n i s t r a t i o n & m o n i t o r i n gt o o l s ) ： 工作流系统管理和监控工具能够对工作流在整个组织内的流动状况进行监视，并 提供一系列的管理功能，实现安全性、过程控制、和授权等方面的操作。典型的功能 范围包括用户管理、角色管理、监控管理、资源管理、过程监控管理和过程状态管理。 1 0 k 存t 业久掌硕十学位论文 2 1 3 工作流模型 一、工作流模型的基本概念 在企事业单位的日常办公活动中，大量的业务处理是按照某种固定的程序进行的， 如货物定单处理、购买设备审批流程。工作流过程建模就是将这些重复的或相似的业 务处理过程用一种形式化的、计算机可处理的方式来表示，这种形式化表示称为是过 程模型、过程定义或工作流模型。有了工作流模型可以对业务过程进行分析、评价或 优化，最后借助于计算机自动处理。 二、工作流模型的基本结构 工作流模型的基本执行结构有以下四种，如图2 - 4 所示： 囵 ( e ) o r - s p l it 团 ( d ) o r - j o i n 图2 - 4 基本执行结构 a n d s p l i t ：如图( a ) 所示，当活动执行完后，同时有多个转出转移，可用于定义多 个并发的线程。如果是“条件”转移，并发线程的数量将依赖于每个转移上的转移条 件( c o n d i t i o n ) ，这些转移条件的计算将是并发进行的； a n d 4 0 i n ：如图( b ) 所示，该结构可以看作是活动的“预处理集合点”。活动开始 执行的条件是：活动的所有进入转移的转移条件( c o n d i t i o n ) 都是真。可用于汇合多个并 发的线程。并发线程的数量依赖于a n d s p l i t 中计算得到的并发线程的数量； o r s p l i t ：如图所示，当活动执行完后，按照转移在列表中的顺序，对转移条件 ( c o n d i t i o n ) 进行逐个判断( 计算) ，满足则执行该转移，不满足就判断( 计算) 下一个转移 的转移条件( c o n d i t i o n ) 。如果计算到一个无条件转移，或者一个转移的条件是 0 t h e r w i s e ，则执行该转移； o r j o i n ：如图( d ) 所示，只要活动的任一进入转移的转移条件( c o n d i t i o n ) 得到满足， 活动就被初始化。 根据以上的四种基本执行结构可组成如下四种基本路由结构； 顺序执行：这种情况表示活动的顺序执行，当活动a 执行结束后，执行活动b ， 活动b 结束后，执行活动c 。 并行执行：活动b 和活动c 并行地执行，就是说这两个活动可以同时执行或以任 意的顺序执行。 选择执行：当活动a 执行结束后，在活动b 和活动c 中选择其中一个执行。 重复执行，表示一个活动执行多次。 扣 口一 吐 口一 k 春t 业人学铆! _ 卜学位论殳 这四种基本路由结构可以作为工作流执行的基本结构，工作流模型由这四种基本 路由结构组合而成。 2 2p e t r i 网基本理论 在本章中，对以后各章节将要用到的p e t r i 网的一些基本知识、概念、术语和方法 作简单介绍，本文所用的符号基本按照i s o i e c1 5 9 0 9 标准符号集。在本章中还给出了 一些图例，以利于更好地理解。最后，对基于p e w i 网技术的工作流分析方法给出了简 要说明。 2 2 1p e t r i 网概述 p e 仃i 网是一种系统的数学和图形描述与分析工具，由德国科学家c a r l a d a m ，p e t r i 在1 9 6 2 年提出。p e t r i 网分析方法和技术既可以用于静态的结构分析，又可以用于动态 的行为分析，特别适用于具有并发、异步、分布、并行、不确定性的信息处理系统。 经过几十年的发展，p e t r i 网理论得到了极大的丰富，其应用己经涉及计算机学科的各 个领域，如线路设计、网络协议、软件工程、人工智能、形式语言、操作系统、并行 编译、数据管理等。基本p e t r i 网是一种有向图，包含四个基本元素，分别是：两种类 型的节点：库所( p l a c e ) 和变迁( t r a n s i t i o n ) ，以及有向弧( a r c ) 和表示资源流动的标记 ( t o k e n ) 。通常在图形上，库所用圆或椭圆表示，标记用小黑点表示，变迁则用矩形表 示，如图2 5 所示。 p l t l p 2 2 2 2p e t r i 基本概念 图2 - 5p e t r i 网元素示例 定义2 2 i ：三元组n 彳s ，t ：f ) 称为p e t r i 网的充分必要条件是： ( 1 ) s u t o ( 2 ) s n r = o ( 3 ) f ( s x t ) u ( t x s ) ( 4 ) d o m ( f ) u c o d ( f ) = s o r 2 k 奋t 业大学颀 学位论文 其中：s = s l ，s 2 ，s n 称为n 的有穷库所集，t = t 1 ，t 2 ，t n 称为n 的有穷变迁集，f 表示流关系，是由n 中个p 元素和一个t 元素的有序序偶的集合， d o m ( f ) = 工i a y ， f ) ，c o d ( f ) = y 1 3 x ， f 定义2 2 2 网系统 六元组= ( s ，t ，f ，kw ，m o ) 构成网系统的条件是： ( 1 ) p n = ( s ，t f ) 构成有向网，称为的基网； ( 2 ) k ：s n + u t o 是位置上的容量函数，0 3 表示无穷： ( 3 ) w ：f 弓 卜是弧集合上的权函数。w ( x ，y ) 表示弧( x ，y ) 的权值： ( 4 ) m ：s - n o 是网的标识，对y s e s ，m ( s ) k ( p ) 表示在某个状态下 各个库所中标记的个数小于它的容量。m 0 表示初始标识。 定义2 2 3 ：前集和后集 设n = ( s ，t ：f ) ，x = s o t ，对任意一个元素工ex ： 工= ) ，i ( y ，d f 称为x 的前集( p r e - s e t ) 或输入集： ，= y i ( 石，y ) e f 称为x 的后集( p o s t - s e t ) 或输出集。 ，定义2 2 4 变迁发生的条件 t 在状态m 有发生权的条件是： v s t ： ，0 ) w ( t ，s ) f ( 占) + w ( t ，j ) k ( 占) t 在m 有发生权记为：m 畛：也说m 授权( e n a b l e ) t 发生( o c c u r ) 即：要有足够的标记数供t 触发并且触发后，标记不越界。 定义2 ，2 5 变迁发生的结果 若m 胗，贝f jt 在m 可以发生，并且将产生一个新的标示m ，m 。的定义是，对 任意s s ， j 肘( j ) 一w ( s ，f ) o t - t ) 耐o ) ：m ( 5 ) + 矽( 7 ，s ) ( 刚l + ) im ( s ) 一w ( s ，f ) + 矽( f ，s ) ( s et n + t ) l g ( s ) ( s e f + ) 表示变迁触发序列，m 经a 到m ，记为m 【 m 。 定义2 2 6 ：( 有界性，活性) p e t r i 网最重要的特性。有界性保证了状态的规模不会无限增大，活性保证无死锁 操作。 定义2 2 7 ：( 强连通) p e t r i 网是强连通的当且仅当对搬，y es ，存在从x 到y 的有向路径。 k 备丁业人学硕l 学位论文 2 2 3 高级p e t r i 网 经典p e t r i 网中对标记( t o k e n ) 含义和变迁发生条件的定义比较简单，不利于对系 统的理解。为了丰富模型的表达能力，对经典p e t r i 网在颜色、时间、层次三个方面进 行了扩展。 一、着色p e t r i 网 着色网也称为有色p e t r i 网，就是在经典p e t r i 网的基础上引入了颜色的概念，对驻 留在库所中的t o k e n 个体赋予颜刨2 ”。在这里，颜色表示的是它的一个或一组值。t o k e n 由于其值的不同而具有不同的颜色。这样，一个库所中就可以包含几个不同颜色的 t o k e n 。一个变迁则表示一个复合条件，变迁要能够被激发就要求与进入变迁的有向弧 相连的源库所中含有要求的t o k e n ，从不同库所进入的t o k e n 在变迁中拟合，如果满足 变迁表示的复合条件，变迁激发，产生的新的t o k e n 送到变迁的目标库所中。着色p e t r i 网特别适合于对通信协议、分布式系统、自动生成系统、工作流程进行分析和建模【2 2 1 。 对着色p e t r i 网的形式化定义如下： 定义2 2 8 ：有色网： = ( p ，t ；f ，c ，l ，l ，m ，) 为有色网的充分必要条件是： 1 、 ( p ，t ：f ) 为有向网，称为乞的基网。 2 、c ；p u t - t o ( d ) ，t o ( d ) 为颜色集d 之幂集合，使得： 对p cp