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内蒙古火学硕士学位论文 基于语义约束网合成技术的复杂流程建模研究 摘要 随着网络环境逐步向公共的、开放的、复杂的、大规模的网络环境发展，在这种新型的 网络环境下开发的功能强大、需要大量资源的科学计算和协同应用也越来越复杂，具有时间、 空间和资源等多种约束。论文以网格工作流为例，来研究复杂网络环境下复杂流程的建模方 法，主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 研究网格工作流的模型描述。深入分析了网格工作流的动态性、分布性、协同性等 特点。为了弥补现阶段网格工作流建模方法的不足，在3 d w f n 的基础上，增加了网格资源 的动态性，提出了一种新的网格工作流模型语义约束网s c n 。 ( 2 ) 研究基于语义约束的子网合成机制。由于网格工作流的分布性，研究各个网格节点 的模型合成。基于语义约束的合成具有复杂的条件判定，研究包括基于语义的合成条件表示 和判定以及合成后活性的保持性。 ( 3 ) 研究工作流的复杂建模方法。深入分析了大规模、复杂的工作流建模方法，并提出 一种“先分后合”的建模思想。给出一个网格环境下的工作流实例网上购物流程，来描述协 同完成整个网格环境下流程的运行。 关键词：复杂建模，语义约束，合成，网格工作流，p e t r i 网 基于语义约束网合成技术的复杂流程建模研究 r e s e a r c ho nc o m p l i c a t e dp r o c e s sm o d e l i n g b a s e do ns y n t h e s i st e c h n o l o g yo f s e m a n t i c sc o n s t r a i n t sn e t a b s t r a c t a sn e t w o r ke n v i r o n m e n ti sg r a d u a l l yb e c o m i n gp u b l i c ，o p e n , c o m p l e xa n dl a r g e - s c a l e ，m o r e a n dm o r ep o w e r f u ls c i e n t i f i cc o m p u t a t i o na n dc o l l a b o r a t i v ea p p l i c a t i o nw h i c hr e q u i r et r e m e n d o u s r e s o u r c e sa l ee m e r g i n gu n d e rt h i sk i n do fn e wn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h e s ea p p l i c a t i o n sa r em o r e a n dm o r ec o m p l i c a t e da n dc o n s t r a i n e db yl o t so ff a c t o r sw h i c ha r ea b o u tt e m p o r a lo r d e r s ，s p a c e s ， r e s o u r c e s ，a n ds oo n t h i st h e s i st a k e sg r i dw o r k f l o wa sa l le x a m p l et os t u d ym o d e l i n gm e t h o d so f c o m p l i c a t e dp r o c e s su n d e rc o m p l e xn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t so ft h e r e s e a r c hw o r km a i n l yh a v eb e e nd o n e f i r s t l y ，m o d e ld e s c r i p t i o n sf o r 酣dw o r k f l o w t h em o d e l i n gm e t h o do fg r i dw o r k f l o w sa tt h e p r e s e n ts t a g ew a si n t r o d u c e da n dt h ec h a r a c t e r sw h i c ht h e 鲥dw o r l a q o wh a d ，e s p e c i a l l yd y n a m i c p r o p e r t i e s ，d i s t r i b u t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o o p e r a t i v e n e s sw e r et h o r o u g h l ya n a l y z e di nt h i st h e s i s i no r d e rt om a k eu pt h ed r a w b a c k so fm o d e l i n gm e t h o d so ng r i dw o r k f l o w sa tt h i ss t a g e ，t h e d y n a m i co fg r i dr e s o u r c e sw a si n c r e a s e da n dan e wm o d e lo fg r i dw o r k _ f l o ws e m a n t i c sr e s t r a i n tn e t s c nb a s e do nt h e3 d w f nw a sp r o p o s e di nt h i st h e s i s s e c o n d l y , r e s e a r c ho ns e m a n t i cr e s t r a i n ts y n t h e s i sm e c h a n i s mw h i c hi s b a s e do i ls u b n e t b e c a u s eo ft h ed i s t r i b u t i v ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r i dw o r k f l o w s ，m o d e ls y n t h e s i so f e a c hg r i dn o d e i su r g e n t l yn e e d e d a ss e m a n t i cr e s t r a i n ts y n t h e s i sm e c h a n i s mh a sh a dt h ec o m p l e xc o n d i t i o n d e t e r m i n a t i o n , c o n t e n t so ft h er e s e r c hi n c l u d e de x p r e s s i o na n dd e t e r m i n a t i o no ft h es e m a n t i c s y n t h e s i sc o n d i t i o n sa n da c t i v i t yr e t e n t i o na f t e r 酣dn o d e s s y n t h e s i s t h i r d l y , s t u d i e so nc o m p l e xm o d e l i n gm e t h o d so fw o r k f l o w s t h em e t h o d st h o r o u g h l yf o r m a s s i v ea n dc o m p l e xw o r k f l o w sw h i c ha r eu s e di nt h em o d e l i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d ，a n dak i n d o fm e t h o dw h i c hu s e dt h ei d e ao f s y n t h e s i sb u tf n s td i v i s i o n i nm o d e l i n gw a sp r o p o s e di nt h i s t h e s i s a 鲥dw o r k f l o wi n s t a n c e - - - - o n l i n es h o p p i n gp r o c e s si sg i v e nt od e s c r i b ea n dc o m p l e t et h e c o o r d i n a t i v er u n n i n gf l o wu n d e rt h ew h o l e 鲥de n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：c o m p l e xm o d e l i n g ，s e m a n t i cr e s t r a i n t , s y n t h e s i s ，g r i dw o r k f l o w , p e t r in e t i i 内蒙古大学硕士学位论文 图表目录 图2 1 工作流网的控制结构1 2 图2 2 虚拟组织元模型。1 6 图2 3 网格资源和服务层次图1 7 图3 1 网格资源的动态性。2 0 图3 2 一个简单的s c n 示例2 3 图3 3 控制结构的合成2 5 图3 4s c n t t 单链路径2 8 图3 5s c n p p 单链路径2 8 图3 6s c n p t 单链路径2 9 图3 7s c n t p 单链路径2 9 图3 8s c n 子网的类型3 4 图4 1 消费者基本流程的活动图。3 8 图4 2 消费者流程的s c n 描述3 9 图4 3 经营者基本流程的活动图4 0 图4 4 经营者流程的s c n 描述4 1 图4 5 生产者基本流程的活动图4 l 图4 6 生产者流程的s c n 描述4 2 图4 7 子流程之间的交互4 3 图4 8 网上购物总流程的c s c n 描述4 4 v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了 文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得内蒙古大学或其他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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 胀j 扔 趔：乏p 在学期间研究成果使用说明书 学位论文作者完全了解内蒙古大学有关保留和使用学位论文的规定，即：内蒙古大学研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古大学。学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。作者今 后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若 用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日期： 粱絮 指导教师签名： 袅 内蒙古大学硕七学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着计算机性能的提高和经济的快速发展，网络技术开始向公共的、开放的、复杂的、 大规模的网络环境发展，这种复杂的网络技术对人类社会的影响越来越深远，逐渐改变着人 们的生产和生活方式。这些方式从本质上讲具有群体性、交互性、分布性和协作性，当人类 行为被“计算机化 、“网络化”以后，计算机网络技术应当能够支持并且促进这种人类群 体间有目的的交互和协作。人们应充分利用以网络为核心的信息技术，实现对地域上分布资 源的快速调集与利用，形成基于网络的群体内部或群体之间的团队化协作模式。计算机支持 的协同工作( c o m p m 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 ) 就是研究在地域上分散的群体如何 借助计算机和网络技术，共同协调与协作完成一项任纠1 1 。通过建立协同工作环境，改善人 们信息交流的方式，消除或减少人们在时间和空间上相互分隔的障碍，节省工作人员的时间 和精力，提高群体工作质量和效率。 互联网技术继续向前发展，进入网格【2 】时代，其分布式与资源共享的本质特征对c s c w 的 工作模式起到了良好的支持作用。更重要的是，网格具有高度抽象、动态性和可扩展性特点， 可为c s c w 提供一致的、可扩展的协作应用运行平台，从底层计算环境的角度来解决目前 c s c w 发展中的一些问题，促进c s c w 的纵深发展1 3 】。 然而，群体之间的协同工作使得业务过程逻辑本身的复杂性和规模性，以及跨组织、跨 领域的不同子过程之间连接的复杂性都大大增加。因此，一方面为了保证业务的运行正确性， 另一方面使人们对工作流技术的可靠性不产生怀疑，并稳固推广、使用工作流的信心，使得 为开放的、复杂网络环境下大规模的、复杂流程选择合适的建模方法就显得尤为重要。 下节将以网格为例介绍开放的、复杂的网络环境，包括网格的概念、特点以及网格的应 用。 1 2 网格 为了科学研究和相关应用，将大范围地理分布的异构计算机系统和资源整合在一起形成 一个大规模的计算平台，其中每一台参与的计算机或者以一台计算机为中心的资源集合就是 基于语义约束网合成技术的复杂流程建模研究 一个“节点 ，而许多这样的“节点”便组成“网格”，网格正逐步成为一种新的技术和基础 设施，可以充分利用集成的资源，形成一个大规模的计算池。 1 2 1 网格的概念 网格概念和技术是在问题与应用的推动下不断发展、丰富和完善的。由于网格首先是为 了提供高性能计算能力而出现的，因此称为计算网格【4 1 。目前，网格的概念尚没有达成一致， 下面给出一些有代表性的定义和观点： i a n f o s t e r 和c a r l k e s s e l m a n 于1 9 9 8 年在网格的第一本专著网格：一种新的计算基 础设施蓝图中给出定义【2 】：计算网格是一个能够为人们提供可靠的、一致的、普适并 且廉价的高端计算能力的软、硬件基础设施。 2 0 0 0 年f o s t e r 进一步诠释了网格的概念【5 】：网格关心的是在动态的、多机构的虚 拟组织中协调资源共享和协同解决问题，核心思想是在一组参与节点( 资源提供者和消 费者) 中协商资源共享管理的能力，利用协商得到的资源池共同解决一些问题。 2 0 0 3 年，n 6 m e t h 和s u n d e r a m 为了更清晰地区分网格和传统的分布式系统，使用抽 象状态机a s m 对网格进行形式化定义，侧重从网格的动态、运行时语义方面说明网格应 具备的功能性【6 】。 中国科学院计算所所长李国杰院士认为【7 】：网格是继传统因特网、w e b 之后的第三 次互联网浪潮，可以称之为第三代因特网应用。传统因特网实现了计算机硬件的连通， w e b 实现了网页的连通，而网格则试图实现互联网上所有资源的全面连通，其中包括计 算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等。 研究者从不同的角度和侧重点，对于网格多方面的特点和功能进行了说明，同时由 于网格是面向问题领域，不同问题的要求和解决方法不一样，因此呈现出各种各样的定 义和观点，同时网格有关的概念也在不断变化和发展之中的，但是从网格的起源和目的 看，网格的本质【8 】是资源共享和分布协同工作。网格是一种无缝的、集成的计算与协作 环境。 1 2 2 网格的特点 网格作为一类大规模的分布式计算基础设施，与传统的分布式计算系统如并行计算系统 等相比有很大差别。网格有其独有的重要特点o l ，这些特点对于网格构建、网格研究和网格 应用有重要的影响： 2 内蒙古大学硕十学位论文 ( 1 ) 分布性。组成网格的资源，可能是计算资源，存储资源，数据资源，仪器资源等等， 分布在地理位置不同的许多地方，而不是集中在一起。 ( 2 ) 异构性。组成网格的资源是异构的，对于计算资源，有不同类型的计算机，不同的 计算方式，不同的计算接口，不同的系统架构等；同样对于存储资源和其它资源也面临这样的 问题。 ( 3 ) 自治性。网格上的资源首先是属于某一本地的个人或者组织，网格资源的拥有者对 资源具有最高级别的管理权限，其次这些资源根据一定的约束和规则接受网格的统一管理， 实现资源的共享和互操作。 ( 4 ) 动态型。网格中资源的动态性，不仅体现在随着网格节点的加入与撤出而导致的种 类和数量的变化上，也表现在资源的性能情况变化上。 ( 5 ) 白相似性。通过小的局部网格可以形成更大的网格，所以网格的局部和整体之间存 在着一定的相似性。 除了上述的这些重要特性之外，在搭建网格系统时，从用户访问角度【1 1 ，1 2 1 还需要考虑网 格的访问透明性、访问的可靠性以及访问一致性等。 1 2 3 网格的应用 网格最初是从科学计算领域发展而来的，利用其整合分布资源的能力在科学计算方面发 挥着重要作用，现在己逐渐扩展到其他应用领域，具体如下【8 ，1 3 】： ( 1 ) 学科研究。网格在这方面的应用主要归功于集成的大规模的计算平台，其形成的“虚 拟的超级计算机”解决了很多大规模、复杂的计算，主要应用有分布式超级运算、高吞吐量 计算和数掘密集型计算等方面。 ( 2 ) 企业信息处理。主要利用网格服务器的强大运算资源，快速完成新开发的软件所必 需的调试及模拟运算，从而缩短程序从开发到应用的周期，提高软件的开发速度。 ( 3 ) 电子政务。一方面，网格技术可以整合和管理分散在各部门的信息化资源，实现各 个政府部门之间数据的无缝交换，消除“信息孤岛”，打破电子政务资源共享的瓶颈；另一方 面，网格技术的分布式工作模式，可以有效地实现在网络虚拟环境下的协同办公，提高政府 的工作效率、增强为公众服务的能力。 ( 4 ) 个人娱乐。利用了网格技术自恢复特性，能够无缝隙地将所玩的游戏转到最近的可 用服务器上，实现了用户资源的统一调动、统一保存，极大提高了游戏运行和服务的可扩充 性。 基于语义约束网合成技术的复杂流程建模研究 网格作为一种集成计算资源、通讯资源、存储资源、数据资源和其它资源的基础设施， 是建立在互联网和己有的基础设施之上的一种面向问题和应用的技术，随着技术的不断完善 和应用领域的不断扩展，可以在更多的领域得到应用。 目前，网格环境下业务流程的研究成为一个热点。工作流是描述业务流程的一项重要技 术，下面首先就工作流的概念及其相关技术做一些介绍。 1 3 工作流技术 1 3 1c s c w 和工作流 c s c w ( 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 ) 起源于人的协作需求，逐渐发展为- f q 学 科，最终目的是支持人的协作。而工作流的产生可以追溯到办公自动化、映像和文件管理、 计算机集成制造、以及数据库技术等相关领域，这些相关领域的共同需求是需要一种自动的 方式支持文档或产品等往复流转。工作流正是面向这种需求发展起来的一种技术。一方面， c s c w 和工作流起源不同，因而研究侧重点不同，发展相对独立。c s c w 和工作流的不同 点还主要体现在研究方法上。c s c w 通常研究非结构化的、以信息为中心的方法，而工作流 的方法通常是结构化的、面向过程的。 另一方面，工作流技术与c s c w 互为补充，有着非常密切的联系。首先，工作流与c s c w 的目标本质相同。工作流支持过程调度和处理的自动化，过程最终达到的目标仍然是人协作 需求的体现，也就是说，工作流最终支持的仍然是人在业务过程中进行的协作。其次，工作 流的发展方向正在向c s c w 靠拢，c s c w 的研究将促进工作流发展。工作流正在从高度自动 化的、严格过程执行向支持人的灵活控制和协调的、柔性过程执行发展，c s c w 研究领域中 支持人的协作的概念、方法和研究思路必将对柔性工作流研究产生重要影响。同时，为了规 范在c s c w 环境中人的行为，需要工作流管理的支持，让人们在适当的时候发生正确的行为。 因此，从上述讨论的角度看，工作流技术与c s c w 是两个不同的研究领域，但他们并不 是互相独立的，两者可以互为补充。 1 3 2 工作流的相关概念 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。工作流技术由于能够使过程自动化和协同工作，提高工作效率，因 4 内蒙古大学硕士学位论文 此在企业的经营过程重组、电子政务、协同科学研究等领域受了广泛的重视。工作流管理联 盟给出的工作流的定义为：工作流是一类能够完全或者部分由计算机自动执行的业务经营 过程，在此过程中，文档、信息或任务按照预定的一系列过程规则在不同的执行者( 包括人员 或应用软件) 之间传递、执行。 一般来说，可以认为工作流管理系统是一套用于定义、实现和管理工作流运行的软件系 统，它运行在一个或多个称为工作流引擎的软件上，与工作流执行者交互，推进工作流实例 的执行，并监控工作流的运行状态。 工作流管理系统可以采取多种方法实现，使用多种的信息技术和通讯组件，实际运行环 境可以从一个小的本地工作组到企业间。 尽管工作流管理系统的实现方法多种多样，但所有的工作流管理系统( w o r k f l o w m a n a g e m e n ts y s t e m ，w f m s ) 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。从比较高的层次上来抽象地考虑工作流管理系统，可以发现所有的工作流管理系 统都是提供了3 种功能【1 5 】： ( 1 ) 建立阶段( 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； ( 2 ) 运行阶段( 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； ( 3 ) 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。 工作流管理系统参考模型 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，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 ) 提出了一个工作流参考模型 【1 6 j ，约定了工作流系统的体系结构、应用接e l 及特性。这个模型主要描述了一个工作流管理 系统主要的组成部分。 围绕着工作流的过程建模、组织建模、资源建模、互操作、柔性适应性，工作流研究取 得了很多研究成果【引，但是由于上述网格的一些特点导致传统工作流的一些方法和技术不能 有效的处理网格环境中的有些问题。而网格工作流是在大规模分布、动态、异质的资源环境 下支持人们的协作，弥补了传统工作流的不足，支持了在网格环境下的工作流应用。下- d , 节 将介绍网格工作流的概念，总结其不同于传统工作流的主要特点。 基于语义约束网合成技术的复杂流程建模研究 1 3 3 网格工作流的概念和特点 网格工作流目前仍然没有一个公认的定义。 从网格工作流的目的来说，全球网格论坛( g l o b a lg r i df o r u m ，g g f ) i 兰t 皮书中1 1 7 】给出了网 格工作流的定义：网格工作流是网格服务的操作流，这些网格服务协作完成一个特定的目标。 从网格工作流的工作机制方面，k r i s h n a n 等人【1 8 】给出的概念描述：网格工作流是为了构 成元服务而定义的一系列服务之间进行交互的规则集合。 为了消除网格环境下工作流任务的二义性，l a s z e w s k i 等人1 9 , 2 0 还给出了网格工作流的形 式化定义：网格工作流是在现有的网格基础设施环境下将工作流模型实例化。形式化的表示 为w i = ( g ，g 。，q 。，w m ) ，其d e ：w i 为工作流实例，g ，为网格资源，g 。为网格服务，q 。表示用户期望的 质量，w m 是工作流模型。网格工作流可以分为抽象的工作流和具体的工作流。 综上所述，概括出网格不同于传统工作流的主要特点【2 0 ，2 1 】： ( 1 ) 模型描述的全面性传统工作流侧重控制流结构【2 2 1 的描述，而网格工作流中数据流和 资源的描述不可或缺，因此，控制流与数据流、资源相结合的描述模型【2 3 1 更适合于网格工作 流。 ( 2 ) 实例执行的动态性。网格上的资源环境呈现明显的动态性，因此网格工作流是具有 柔性的工作i j f c 【2 4 1 ，相比传统工作流提高了动态整合资源的能力。 ( 3 ) 管理、协作的跨域性。网格工作流需要增加跨多个管理域的处理能力，驱动跨组织 的协作。 ( 4 ) 面向服务的中间件。传统工作流系统是面向a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 的中间件，而网格工作流系统是基于o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa t c h i t e c t u r e ) 机制和o g s i ( o p e n g r i ds e r v i c e si n f r a s t r u c t u r e ) 规范的，是面向服务的中间件。 1 4 主要研究内容和贡献 综上所述，计算机网络正逐步转向公共的、开放的、复杂的、大规模的网络环境，网格 作为这种新型网络环境的一种典型技术，已成为网络方向的研究热点之一。然而，由于网格 的动态性、分布性等特点使得网格环境下的流程建模更加复杂。论文根据网格资源动态性和 网格环境下协同工作的特点，针对现有网格环境下复杂流程建模方法的不完整性，对网格工 作流的模型描述及其复杂建模方面进行研究，主要内容和贡献如下： ( 1 ) 网格工作流的研究：主要研究了网格环境下工作流所具有的特点以及网格工作流在 6 内蒙古大学硕士学位论文 一 现阶段的建模方法。 ( 2 ) 基于p e l r i 网的网格工作流的模型描述：将网格工作流看作一个四维模型：过程模型、 数据模型、组织模型和资源模型，并根据四维模型，提出了一种新的模型描述方法一语义约 束网( s e m a n t i c sc o n s t r a i n t sn e t s c n ) 网。 ( 3 ) 研究基于语义约束的子网合成机制：分类研究文献中的p n ( p e t r in e t ) 合成机制，基 于语义约束的合成具有复杂的条件判定，研究基于语义的合成条件表示和判定以及合成后活 性的保持性，并依据分层原理和分块原则进行合成。 ( 4 ) 研究复杂网络环境下大规模工作流的建模方法：提出了一种“先分后合 的建模方法， 即先把复杂的工作流分为几个不同的子工作流，再通过工作流之间的交互根据合成机制来解 决复杂的建模问题。 1 5 论文组织结构 其他部分的组织结构如下： 第二章首先提出网格工作流的四维模型，即过程模型、数据模型、组织模型和资源模型。 随后从这四个方面对网格工作流进行了完整性的描述，重点研究了网格工作流的过程模型， 系统分析了p e t r i 、w f n e t 以及现有网格工作流的建模方法的不足。 第三章首先提出了一种既能动态建模又满足网格资源动态性的建模方法语义约束网 s c n ，完成了网格工作流的完整性描述。其次，在p e t r i 网控制结构合成的基础上，结合网格 工作流的特点，提出了基于语义约束的子网合成机制，包括合成的方法以及合成后活性的保 持条件。 第四章介绍了一个网格工作流的实例一网上购物流程，并通过上述建模方法以及合成机 制为整个购物流程建立了协同的语义约束网( c o o p e r a t i v es e m a n t i c sc o n s t r a i n t sn e t ，c s c n ) 模型。 第五章是结论和展望。对全文进行了总结，并结合目前的研究情况和网格工作流的发展 趋势，提出了进一步的研究工作和方向。 7 基于语义约束网合成技术的复杂流程建模研究 第二章网格工作流的模型描述 当前的计算机网络正逐步向公共的、开放的、复杂的、大规模的网络环境发展，在这种 趋势下，利用网格工作流技术实现各企业之间协同工作的目的，逐渐成为网络方向的研究热 点之一。本章以网格工作流的模型描述为切入点，进而研究在公共的、开放的、复杂的、大 规模的网络环境下的业务流程的建模方法。 ， 2 1 网格工作流的四维模型 在传统工作流的研究中，普遍将工作流看作一个三维模型，即过程模型、组织模型和资 源模型。文献【2 3 】考虑到这种观点忽略了过程中的数据，提出了一个新的三维模型：过程模 型、数据模型和资源模型。其中，增加了数据模型，并且将原有三维模型中的组织模型与资 源模型合并，因为组织模型中描述的内容可认为是人力资源。然而在网格工作流中，人力资 源是本地的、局部的，因此仍需以组织模型来描述。而其它资源是基于网格的，具有一致的 外在表现形式，即网格服务的形式，却有不同的内涵。因此，从网格工作流描述完整性的视 角看，论文提出将网格工作流看作一个四维模型，即过程模型、数据模型、组织模型和资源 模型。 网格工作流通常是在网格虚拟组织环境下运行，除了考虑网格工作流过程模型外，还包 含另外三方面的因素，一是网格工作流数据模型，是系统运行过程中所要访问的数据的描述； 二是网格工作流组织模型，利用其中定义的各种元素确定网格工作流的参与执行者；- - 是网格 工作流资源模型，网格环境中资源是如何组织和管理的，一个网格工作流任务的执行需要哪 些资源。这四个模型都是网格工作流进行完整性描述不可缺少的组成部分。 在描述网格工作流的过程中，由于描述的侧重点不同，对同一事物的称呼也不同。因此， 为了讨论方便，特对一些称谓作统一说明。在网格工作流的过程模型中，描述活动的变迁， 有的研究者称为操作变迁，有的称为活动变迁，在论文中一律称其为活动变迁；在组织模型 中，对于执行任务的组织者，有的文献称为人力资源，也有的称为执行者、角色，论文中统 一称为组织者。 下一节首先考虑网格工作流的过程模型，过程模型规定了网格工作流是由哪些网格任务 构成，这些网格任务按照什么顺序执行，是网格工作流模型中的“骨架 。随后几节，依次考 虑网格工作流的数据模型、网格工作流的组织模型、网格工作流的资源模型。 8 内蒙古大学硕士学位论文 2 2 网格工作流的过程模型 2 2 1 常见的工作流建模方法 传统的工作流中已有多种建模方法，文献【2 5 】在语言行为( s p e e c h a c t ) 理论的基础上提出了 一种基于对话的工作流模型，这种工作流模型突出客户方与服务方这两个角色之间的语言行 为交互和承诺。文献【2 6 】在事件条件行为规则( e v e n tc o n d i t i o n a c t i o nr u l e ，e c a ) 的基础上提 出了工作流建模方法，该模型用e c a 规则表示工作流活动并发执行而必须满足的谓词条件。 文献 2 7 1 采用统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 为工作流建模，u m l 表现 直观，拥有丰富的符号、友好的界面，且概念可由用户扩展或说明，便于定义复杂的系统。 u m l 定义中活动图和时序图通常用来描述业务过程。然而，由于它是面向对象的描述语言， 不支持类的实例动态改变，因而不支持工作流过程的动态改变，并且u m l 缺少清晰的形式化 语义，因此无法完成过程的形式化验证。 另外还比较常用的工作流建模方法是基于有向图( d i r e c t e da c y c l i cg r a p h , d a g ) 的建模 方法【2 引，图中节点表示过程中的活动或者状态，而有向弧则表示节点之间的时序依赖关系， 弧上的权值表示各种代价等属性和参数，d a g 方法是一种非常直观简单的建模方法，在网格 工作流中也是一种比较常用的建模方法。 在众多的建模方法中，由于p e t r i 网不仅具有形式化的理论基础、多种分析技术和工具、 直观的图形化表示方法，而且在工作流建模中形成了不少的研究成果和原型系统及产品。因 此有不少文献 2 9 ，3 0 采用或者建议以p e t r i 网作为网格工作流的建模语言。 网格工作流中的过程建模基本上是采用后面两种建模方法，随着网格应用的复杂化，在 网格工作流中同样需要强大的建模和验证功能，如果在流程中存在一些错误，则会造成资源 的损失和浪费，并可能造成严重的后果，因为基于p e t r i 网的建模方法比d a g 方法更具有形 式化的语义和验证方法，论文在p e l r i 网基础上考虑网格工作流的过程建模。 2 2 2p e t r i 网和w f - n e t p e t r i 网是德国当代数学家c a p e t r i 定义的，用以描述存在于条件与事件间的关系，是一 种网状信息流模型，其中标。i 己( t o k e n ) 表示相应的状态信息，并按引发规则驱动事件发生，从 而反映整个系统的动态行为过程。p e t r i 网具有清晰和直观图形化表示，又有严格定义的数学 9 基于语义约束网合成技术的复杂流程建模研究 对象，形式化基础可使过程表示无二义性，有助于增强过程描述的精准性。目前p e t r i 网应用 己涉及计算机学科的各个领域，例如性能评价、网络协议、软件工程、人工智能、形式语义、 柔性制造系统、并行翻译、数据管理等各个领域【引。 2 2 2 1p e t r i 网的相关概念 下面简单给出p e t r i 网的形式化定义及相关概念，关于p e t r i 网的详细介绍可参见文献 【2 9 ，3 1 - 3 3 1 。 定义2 1 ：p e t r i 网 三元组n = ( p ，t ；f ) 称为p e t r i 网当且仅当： ( 1 ) p u t ( 网非空) ； ( 2 ) p n t = ( 二元性) ； ( 3 ) f p x t u t x p ( “为笛卡儿积，流关系仅存于p 与t 的元素之间) ； ( 4 ) d o m ( f ) uc o d ( f ) = put ( 没有孤立元素) ； 其中：d o m ( f ) = x 1 3 y ：( x , y ) e f ，c o d ( f ) = y i j x ：( x , y ) e f ) 分别为f 的定义域和值域 p 和t 分别称为n 的库所( p l a c e ) 集和变迁( t r a n s i t i o n ) 集，f 为流关系( f l o wr e l a t i o n ) 。库所和变 迁又分别称为p 元素和t 元素。x = put 称为n 的元素集。 定义2 - 2 ：设n = ( p ，t ；f ) 是一个p e 伍网，xe ( p u d 为n 的任一元素， x = y l ( y e p u t ) a ( y ，x ) f ； x = y l ( y p u t ) a ( x ，y ) f ； 称x 为x 的前置集或输入集，x 为x 的后置集或输出集 定义2 3 ：p e t r i 网系统 四元组p n = ( p ，t ；f ，m o ) 是p e t r i 网系统当且仅当： n = ( p ，t ；f ) 是一个p e t r i l 网； m 是标识函数：m ：p n ，可以用一个非负整数的m 维向量表示，m o 是初始标识； 定义2 4 ：点火规则： 一个变迁t e t 成为可使能的当且仅当：v p e t ：m ( p ) f l ，记作m t ； 如果t t 在标识m 是可使能的，那么t 点火并产生一个新的标识表示为m ，则 im ( p ) + 1p e t 一t m ( p ) = m ( p ) - 1p e t - - t 。 【m ( p )其他情况 1 0 内蒙古大学硕士学位论文 系统标识m 经过t 的点火得到新的标识m 可以表示成m 【t m 或者m - m 。 p e t r i 网和p e t r i 网系统是不同的，p e t r i 网仅仅包含场所、变迁和流关系，而p e t r i 网系统是p e t r i 网加上相关的初始标识，通常情况下，我们主要是考虑p e t r i 网系统，因此为了简单起见，后 面所说的p e t r i 网是指p e t r i 网系统。 定义2 5 ：点火序列 设p e t r i 网p n = ( p ，t ；f ，m o ) ，o = m o t o m l h t n m 。是p n 的一个有限点火序列当且仅当对于v i ， l i n ，j t i t ：m i t i m i + l ，o 的长度lol = i l ，t o t l t n q 变迁点火序列 定义2 6 ：可达标识集合 设p e t r i 网p n = ( p ，t ；f ，m o ) ，r ( m o ) 为p n 的可达标识集合，必须满足以下两个条件： ( 1 ) m r ( m o ) ； ( 2 ) 如果m r ( m o ) ，且t t ，使得m t m ，则m r ( m o ) ； 选择p e t r i 网为工作流建立模型是因为：p e t r i 网兼顾严格语义和图形语言两个方面，并且 能够对具有并行、并发、资源分享等特性的系统建立模型并使之形象化。这恰恰部分地满足 了建立工作流模型的需要。同时p e t r i 网具有强有力的分析技术与手段，现阶段己经有了许多 成熟的分析方法和工具，能够从理论与仿真两个方面对基于p e t r i 网的工作流模型进行验证与 评价。 2 2 2 2w f - n e t 然而传统的p e t r i 网还不能直接用于工作流模型的建立，因为：传统p e t r i 网不能完全描述 变迁间复杂的条件关系、资源关系和约束关系，也不能描述嵌套的结构。因此，在基于p e t r i 网建模技术的基础上，a a l s t 对p e t r i 网进行了一定的限制，提出了工作流网( w o r k f l o wn e t ， w f - n e t ) 的建模方法【3 0 埘】，w f - n e t 基于基本p e t r i 网的过程模型，侧重描述过程的控制流方面。 定义2 7 ：2 1 2 作流n ( w f n e 0 一个p e t r i 网n = ( p ，t ，f ) 是w f n e t 当_ r 仅当满足如下两个条件： ( 1 ) 存在两个特殊位置i 和o ，位置i 表示起始( s o u r c e ) ，即i = m ；位置。表示终止( s i n k ) ，即 o = ( 2 ) 如果在变迁t 中添加一个变迁t ，并在f 中加入元素( o ，t ) 和( t ，o ) ，形成p n ，则p n 是 强连通的。 根据工作流管理联n w f m c 定义的规范，a a l s t 对工作流网确立了四种控制流结构【1 6 】：顺 序结构、选择结构、并发结构、循坏结构。 基于语义约束网合成技术的复杂流程建模研究 顺序结构 选择结构 并发结构 循环结构 图2 1 工作流网的控制结构 f i g u r e 2 1w o r k f l o wn e t sc o n t r o ls t r u c t u r e 工作流网除了支持w f m c 定义的四种基本控制结构外，还支持触发机制，包括自动触发、 用户触发、消息触发和时间触发，这四种触发器使得w f n e t f l 皂更好的满足业务流程的需要。 w f - n e t 的优势与不足： 采用w f - n e t 能够很好地对工作流应用过程进行抽象建模，并且工作流网具有丰富的分析 技术，也提供了验证过程活性、有界性、合理性等特性的方法，对于传统工作流应用是一种 很好的过程建模方法。然而，随着网格技术的应用和协同工作的需求，w f n e t 对于网格环境 中资源动态性以及协同工作中必须的各种语义的描述却显得力不从心，因此，w f n e t 不再适 合描述网格工作流。 2 2 3 网格工作流的建模研究现状 网格工作流的建模是网格工作流研究中的一个重要内容，目前，对于网格工作流的建模 主要分为两种：基于语言的建模和基于图形的建模。 2 2 3 1 文本描述语言 描述网格工作流的语言语法，一般使用基于x m l 的定义。下面简要介绍现阶段提出