（计算机应用技术专业论文）基于petri网的工作流建模工具的研究与实现.pdf

南京航空航犬人学硕十学何论文 摘要 随着软件开发方法的不断发展，企业模型自动化方法成为软件丌 发新方向之一，而工作流建模是实现企业模型自动化的一个重要方面。 当今，一般的工作流建模产品都不能提供对工作流模型的检查， 在工作流建模阶段就产生的错误一直要到工作流实施阶段才能被检查 出来，造成了人力和物力的巨大浪费。因此我们使用p e t r i 来为工作流 建模，利用p e t r i 网强大的分析功能，有助于发现在建模过程中的潜在 错误。本文首先分析了各种类型p e t r i 网的特性，使用了可扩展的思想， 详细讨论了一个基于p e t r i 网的建模工具的设计和实现。同时，实现了 一个基于p e t r i 网的图形化编辑器，方便人们进行建模。在此基础上， 设计和实现了基于p e t r i 网的多种分析工具，可用来检查工作流的合理 性，对工作流进行仿真，并可以用来分析工作流的性能。然后为了系 统能和其他工作流产品进行集成，设计和实现了可将p e t r i 网描述的工 作流转化为x p d l 语言描述的工作流的工具。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旎，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：企业模型自动化，工作流建模，p e t r i 网，合理性， 仿真，性能，x p d l 基丁- p e t r i 网的 柞流建模f 具的研究与实现 a b s t r a c t w i t ht h en e wd e v e l o p m e n to fs o f t w a r e d e v e l o p i n gm e t h o d ，e m a m e t h o disan e ww a yo fs o f t w a r e d e v e l o p i n gm e t h o d s m e a n w h i l e ，t h e w o r k f l o w m o d e l i n gi s o n ei m p o r t a n tf a c e to f r e a l i z i n ge m a t o d a y s w o r k f l o w p r o d u c t s h a v en o s u p p o r t f o rw o r k f l o w v e r i f i c a t i o n e r r o r sm a d ea td e s i g n - t i m ea r en o td e t e c t e da n dr e s u l ti nv e r y c o s t l yf a i l u r e s a tr u n t i m e s ow eu s ep e t r i - n e t b a s e dm e t h o dt om o d e l w o r k f l o w t h i sm e t h o dc a nh e l p p e o p l e d e t e c t p o t e n t i a l e r r o r s d u r i n g m o d e l i n gp r o c e s su s i n gp e t r i n e t sp o w e r f u la n a l y z i n ga b i l i t y f i r s t l y t h e p a p e ra n a l y z e ss o m ek i n d so fp e t r in e t ，a n dp u t sf o r w a r dad e s i g na n d i m p l e m e a t a t i o no fap - e t r i - n e t b a s e dm o d e l i n gt o o lr i s i n gt h e ”e x t e n s i b l e ” t h i n k i n g ，m e a n w h i l ew ei m p l e m e n tap e t r i n e t b a s e dg r a p h i c a le d i t o rt o h e l pp e o p l e m o d e lw o r k f l o w s e c o n d l y ，s o m ep e t r i n e t b a s e d a n a l y z i n g t o o l sa r e d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d t h e s e t o o l sc a n a n a l y z e t h e w o r k f l o w sr a t i o n a l i t y ，s i m u l a t et h ew o r k f l o wa n da n a l y z et h ew o r k f l o w s p e r f o r m a n c e f o r o u r s y s t e m c a n i n t e g r a t e w i t ho t h e rw o r k f l o w p r o d u c t s ，w e d e s i g n a n d i m p l e m e n t at o o lt h a tc a nt r a n s f o r mt h e p e t r i n e t b a s e dw o r k f l o wt ot h ex p d l b a s e d w o r k f l o w f i n a l l y ，w e s 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 no u tt h ed i s a d v a n t a g e so f t h es 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 yw o r ds ：e m a ，w o r k f l o wm o d e l i n g ，p e t r in e t ，r a t i o n a l i t y s i m u l a t i o n ，p e r f o r m a n c e ，x p d l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注 明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享 有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其 他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 卫倒 z 、- 易 南京航空航天人学哽十学位论艾 e m a w f 、d c m v c j s p p n k x m l j a w e 注释表 e n t e r p r is em o d e la u t o m a t i c w o r k f l o wm a r t a g e m e n tc o a l i t i o n m o d e l v i e w c o n t r 0 1 l e l j a v as e r v g ：rp a g e s p e 盯in e tk er n e l e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e j a v aw o r k r i o we d j t o r x p d lx m lp r o c e ssd e f i n i t i o nl a n g u a g e 企业模型自动化 工作流管理联盟 模型一视巨一控制器 j a v a 动态网页语i p e t r i 网核心 扩展标| 己语； 基丁j a v a 的工作流编辑 器 基于x m l 的工作流过 程定义语占 南京航空航天人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 企业模型自动化和工作流建模的研究现状 近年束，由于企业之间竞争日趋激烈，越来越多的企业不得不利 用信息技术去支持它们的业务过程处理，以适应快速变化的商业环境， 提高企业的工作效率和工作质量。与此同时，随着计算机网络及通信 技术的发展，各种面向组织机构的信息系统也得以广泛地使用。 在激烈的市场环境下，用户对软件需求的个性化要求更加强烈， 有两个表现：空间和瑁寸间上的个性化。空间上的个性化是指不同用户 对软件系统的需求是不一样的。时间上的个性化是指同一用户在发展 的不同阶段对软件系统的需求是不一样的。如果无法满足这种“个性 化”的需求，将使软件的满意度非常低。 企业模型自动化( e m a ) 可以很好的解决上述问题。其基本思想是以 模型对现实世界的信息管理工作中的可归纳因素进行概念化，从而得 到现实世界的模型化表达。但并不像m d a 方法论那样直接将此模型应 用到软件的研发中，将模型直接转化为代码来形成可使用的软件系统。 而是通过对软件本身进行分析和归纳，来创建出较强适应性和可塑性 的模型自动化支持机制的应用系统搭建环境，以此柬完成软件的丌发。 关于企业模型自动化( e m a ) 更加具体的内容可参考论文d 4 】1 3 5 1 【3 引。 在企业模型自动化( e m a ) 中的一个重要部分就是工作流建模，作者的论 文就以工作流建模作为研究内容。 在工作流管理系统( w f m s ) 中，研究人员提出了多种建模方法，如 有向图2 1 、对象模型、语言动作理论【“、以及基于约束条件的形式 语言文法表示 6 1 等，同时w f m s 也给出了一个工作流参考模型】。这 些建模方法都是针对某些特定的应用提出的，有的侧重于对任务之间 控制关系的描述；有的侧重于任务之阳j 的数据流动关系的描述。但这 些建模方法都不可避免的具有如下的缺陷： 1 不能验证工作流的合理性。由于业务过程的变化是相当频繁的， 小到业务过程中一个小的改动，大到重新设计一个新的流程。在设i 十 过程中，人为的错误是很难避免的，尤其一个复杂的业务过利更足如 基丁p e t r i 网的1 一作流建模l ：具的研究与实现 此，死锁和死循环将会是经常碰到的。如果直到业务过程投入到实际 的运行中才发现业务过程设计中的缺陷，那将浪费很大的人力和物力。 因此在一个工作流模型投入到实际的运行中的，必须先检查工作流模 型的合理性。但一般的工作流建模方法都不能很好的支持业务过程的 检查。 2 无法分析工作流模型的性能。有时人们需要在工作流建模完成 后，了解工作流模型的整体性能，以了解设计的工作流模型是不是满 足实际需要。同时，通过分析工作流模型的性能，能便于工作流模型 的优化，创建出更有效率的工作流模型，提高企业的生产率。 基于以上的分析，我们采用p e t r i 网【3 2 【33 1 的方法来给工作流建模。 经典的p e t r i 网是德国科学家c a r la d a mp e t r i 5 1 在六十年代提出柬 的，随后相关的研究与扩充相继出现，例如t i m ep e t r in e t s l l 、c o l u r e d p e t r in e t s l l 7 1 、o b j e c tp e t r in e t s 1 8 1 、s t o c h a s t i cp e t r in e t s 19 j 等。p e t r i 被 广泛地应用于许多研究领域，如协议工程、柔性制造系统、业务处理 等等。使用p e t r i 网描述业务过程主要有以下原因【7 j ： 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 e 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。 荷兰学者w i lv a i ld e ra a l s t 在基于p e t r i 网的工作流网做了很多重 要的研究。我们参考了很多他的建模理论f 8 】f 9 1 【2 引。 1 2 课题的研究工作 我们以一个e m a 研究小组为单位展开理论研究和软件研发。其中 分系统架构设计、工作流建模、工作流引擎及实体引擎等模块，每个 模块由一个人负责。本人负责的是工作流建模这一模块。 本人工作的主要内容包括： 1 基于p e t r i 网的工作流建模方法研究。深入分析了基于p e t r i 网 南京航空航天大学硕十学位论文 工作流建模的优点，及解决的一些实际问题。 2 设计和实现了个基于p e t r i 网的建模工具。由于p e t r i 网类型 众多，且不同种类的p e t r i 网适合于不同的建模领域。我们分析了不同 类型p e t r i 网的异同点，使用可扩展的思想，实现p e t r i 网核心组件。 在此基础上，非常便于实现其它类型的p e t r i 网。 3 设计和实现了基于p e t r i 网的多种分析工具：工作流合理性分 析工具、工作流仿真器、工作流性能分析器。同时根据需要，可以方 便的增加一些新的分析工具。 4 设计和实现了将基于p e t r i 网的工作流网转化为x p d l 的工具， 便于和其他的工作流相关产品进行集成。 目前利用我们小组设计的企业模型自动化平台软件为北京总装某 部开发了软件过程管理系统。该软件已经投入运行，得到很好的评价。 1 3 论文组织结构 本文包括七个章节，各章的内容组织如下： 第一章：绪论。分析了课题的研究现状，简要介绍了本文在理论 上和实践上所做的工作。 第二章：工作流技术分析。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p e t r i 的工作流网及其相关理论，特 别介绍了基于p e t r i 网的工作流建模方法。在此基础上，给出了一个基 于p e t r i 网的工作流建模实例。 第三章：系统的体系结构。简要介绍系统各个部分的功能，以及 它们之间的相互关系。 第四章：p e t r i 网核心组件和程序控制中心的设计和实现。内容可 分为三部分，第一部分介绍了p e t r i 网核心组件的设计和实现，在这中 训，详细介绍了p e tf i 网核心组件可扩展的基本思想。第二部分详细 介绍了程序控制中心的实现。第三部分给出几种具体p e t r i 网的实现。 第五章：基于工作流网的应用。介绍了几种常用的基于工作流网 的分析工具的设计和实现，包括工作流合理性验证工具、工作流仿真 工具、工作流性能分析工具、将工作流网转化为x p d l 的工具等。 第六章：结束语。总结了研究和丌发工作。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。 基于p e t r i 网的i ：作流建模i 具的研究与实现 第二章工作流技术分析 2 1 工作流的定义 工作流是为提高工作效率而产生的，目酊尚无统一，明确地定义。 下面列出3 个有代表性的定义，它们分别从不同的角度对工作流概念 进行了描述，可以对工作流的一些基本特征有一定的理解。 工作流管理联盟的定义【1 0 】：工作流是一类能够完成或者部分自动 执行的业务过程，根据一系列规则，文档或者信息或者任务能够在不 同的执行者之间传递i 执行。 w m pv a nd e ra a l s t 的定义 ：工作流是一系列工作的偏续集， 工作的序列可以有多种方式，比如工作x 和y 满足x m 或m 呻m 。m 叫做m 的后继标识。 一般把上述定义中的最后一条叫做变迁规则。变迁的发生权只与 它的外延涉及的局部状态有关，发生的结果也只影响它的外延。 下面介绍两种后面要用到的两种高级p e t r i 网。时间p e t r i 网和随 机p e t r i 网。时间p e t r i 网 28 的基本含义是给每一个变迁设定一延续时 f 叫f d u r a t i o n ) t ，该变迁发生( f i r e ) 后，它所占用的托肯从输入库所消失， 经过时阳jt 后，托肯才被释放，出现在输出库所中，形式化定义为： 定义5时间p e t r i 网t n = ( n ，d ) ，其中n 为酊面定义3 所定义的p e t r i 网，称为时间p e t r i 网的基网。d ：t 一 0 ，l ，2 ，3 ) ，变迁的延续时间。 上面定义的时间p e t r i 网从结构上来说与其基网是完全一致的， 因此在分析时间p e t r i 网时，可以以其基网为基础。 在时间p e t r i 网的基础上，可以定义随机p e t r i 网【”】。如果在时 l 、日jp e t r i 网中的延续时间是一个连续型随机变量x t ( 耿正实数) ，且服从 于一个分布函数： v f t ：f = 1 一e 1 。 其中实参数x 0 是变迁的平均变迁速率，变基x 耋0 。可以证明i | 4 i ： 南京航空航天大学硕十学位论文 1 两个变迁在同一时刻实施的概率为零。 2 其可达图同构于一个齐次马尔可夫链，因此可用马尔可夫随机 过程求解。 下面给出随机p e t r i 网的定义2 9 】： 定义6随机p e t r i 网s n = ( n ， ) ，其中n 为前面定义3 所定义的p e t r i 网，称为随机p e t r i 网的基网。 = ( ， ：， ，) 是变迁的平均点 火速率，当变迁发生的时刊服从负指数分布时，该值为负指数分布的 参数 。 2 3 3 p e t r i 网的基本特性 p e t r i 网有许多重要的属性。可分为与动态特性相关的属性和结构 方面的属性。 一 与动态特性相关的属性包括【3 2 】【33 】：可达性( r e a c h a b i l i t y ) 、有界性 ( b o u n d e d n e s s ) 、活性( l i v e n e s s ) 、可覆盖性( c o v e r a b i l i t y ) 等； 结构方面的属性包括1 3 2 1 ”1 ：强连接、自由选择的、良好处理的等： 2 4 ：亡作流网 2 4 1 工作流网的定义 在p e t r i 网定义的基础上，w m p v a nd e ra a ls t 定义了工作流网 ( w f n e t ) ，这种p e t r i 网的定义如下】： 定义7w f n e t一个p e t r i 网n = ( s ，t ；f ) 是w f n e t 当且仅当： 1 存在一个源库所i p ，使得+ i _ 由；存在一个汇结库所o p ， 使得o + = 中：而且 2 每一个节点x p ut 都位于从i 到o 的一条路径上。 一个w f n e t 有一个输入库所和一个输出库所，因为任何被w f n e t 过程处理的案例都在它进入工作流管理系统时被创建，而且一旦被工 作流管理系统处理完毕就立即被删除；换句话说，就是w f n e t 定义了 一个案例的生命周期。定义中加入第3 个条件是为了消除“悬着的任 务和或条件”，即对案例不起作用的任务和条件。 符合上述工作流网要求的工作流网，仍可能出现一些异常情况 比如潜在的死节点和无法结束。因此，定义一个：l 作流网足合理的， 当f = i 仅当它符合下面3 项耍求： 基t - p e t r i 网的1 作流建模f 具的研究与实现 3 工作流开始时，仅有库所i 存在一个托肯，工作流结束时有且 只有一个托肯出现在库所o 中，这就意味着每个过程一定能被成功完 成； 4 当库所o 出现托肯时，其他所有库所都是空的，这意味着一旦 某个过程结束，就不能再被引用； 5 每个变迁，从初始状态都能够到达该变迁就绪的状态，这项要 求可排除死任务，也就是每个任务都能够原则上被执行； 2 4 2 工作流网的基本结构 工作流网是用p e t r i 网来表示工作流模型的，用p e t r i 末描述图21 的四种工作流的基本执行结构如下图2 3 所示。 皤泓 幽2 ，3h jp e t r i 网表示的工作流四釉基本执行结壮j 利用与分叉( a n d s p l i t ) 、与合并( a n d j o i n ) 、或分叉( o r s p l i t ) 、 或合并( o r o i n ) 可以分别构造出活动的顺序、并行、选择和重复执 行路由，可以用如图2 4 所示的工作流四种基本路由来描述。与分叉 ( a n d s p l i t ) 和与合并( a n d i o i n ) 的使用表示了一个并行执行路由， 或分叉( o r s p l i t ) 和或合并( o r - j o i n ) 的使用表示了一个选择执行 路由。 南京航空航天人学硕士学位论文 圳州f 丙( 卜f k 卜叫百 ( b ) j 1 行 d ) 重复 净 圈2 4 用p e t r i 网表示的： 作流四种基本路由 当前的多数工作流管理系统抽象了活动间的状态：换句话说，就 是没有明确的表示状态。这些工作流管理系统使用构造块，如 a n d s p l i t 、a n d j o i n 、o r s p i t 和o r j o i n 来定义工作流过程。a n d - s p l i t 和a n d j o i n 用在并行路由上，o r s p i t 和o r j o i n 用在选择路由上。 由于这些系统抽象了状态，每个选择在一个o r s p i t 构造块内部确定。 如果用一个p e t r i 网来为o r s p i t 建模，则o r s p i t 对应于共享相同的 一组输入库所的多个变迁。这就意味着对于这些工作流管理系统来说， 一个工作流过程对应着一个自由选择p e t r i 网。 很容易看到由a n d s p l i t 、a n d j o i n 、o r s p i t 和o r j o i n 组成的 一个过程定义是自由选择的。如果两个变迁t l 和t 2 共享一个输入库所 ( + t in + t 2 中) ，那么他们就是o r j o i n 的一部分，即很多可选项之 削的一个“自由选择”。于是t l 和t 2 的那组输入库所应陔匹配( + t i = + t 2 ) 。 通过研究其他的工作流系统，可以发现大部分工作流系统都只允 许自由选择w f n e t 结构。因此，更详细的考虑自由选择p e t r i 网是有 意义的。显然，并行路由、顺序路由、选择路由和循环路由可以在不 违反自由选择属性的情况下建模。违反自由选择属性的睛形经常足并 行和选择的一种混合。 目前已经对自由选择p e t r i 网进行了广泛的研究【i 2 1 ，因为它看上去 是表达能力和可分析能力的一个较好的折衷方案。它是 菇j 有很强的理 论成果和高效分析技术的一类p e t r i 网，有如下的一些推论【l 8 | ： 基丁p e t r i 网的l 一作流建模1 具的研究与实现 推论1下列问题可以在多项式的时间内解决：给定一个自由选择 w f n e t ，判定它是否是合理的。 推论2 合理的自由选择的w f - n e t 是安全的。 在工作流的建模过程中，如果能采用自山选择的p e t r i 网模型，无 疑是很好的，但由于自由选择p e t r i 网所受到的一些限制，可能在有 些情况下，自由选择的p e t r i 网模型无法满足建模的要求，这时候就不 得不采用非自由选择的p e t r i 网模型。自由选择的p e t r i 网实际上是在 建模的表达能力和可分析能力之间的一个折衷选择。在工作流建模过 程中，应尽可能采用自由选择的p e t r i 网模型。 获得一个“好的”结构特性的工作流的另外一个方法是：平衡 a n d o r s p l i t 和a n d o r j o i n 。显然由一个a n d s p l i t 初始化的两个 并行流不应该由一个一o r j o i n 进行汇合。通过一个o r s p l i t 创建的两 个选择流也不应该由一个a n d j o i n 进行同步。如图 所示，一个 a n d s p l i t 应该由一个a n d - j o i n 补足，而一个o r s p l i t 应该由一个 o r - j o i n 补足。如图2 5 所示： 厂、7 一一一、八厂1 7 7、f u 、，uu 、，l j u r - s p l i t o r i o l n a n d - s p l i ta n d - j o i n 图25 “好的”结构 平衡a n d o r s p l i t 和a n d o r - j o i n 后，所得到的工作流网就是良 好结构的工作流网。 定义8 e ”1 p e t r i 网n 是良好处理的，当且仅当任意的节点对x 和y ， 使得一个是库所而另一个是变迁，并且对于任何从x 到y 的基本路径 c 】和c2 ，如果a ( c 1 ) na ( c 2 ) = ( x ，y ) ，则有c i = c 2 ，其中( c ) 表 示在路径c 上的所有节点的集合。 定义9 l ”1一个工作流网w f n e t 是良好结构的，当前仅当为陔工作流 网增加变迁t ，并连接库所。和变迁t ，连接变迁t 和库所i 后得到的 p e t r i 网是良好处理的。 对于良好结构的工作流网，同样有如下的定理 3 7 1 ： 推论1 ：一个好结构的工作流网w f n e t 可以在多项式的时削内被验 证其合理性。 推论2 ：一个合理的良好结构的w f n e t 是安全的。 南京航空航天人学硕士学位论文 2 5 工作流建模实例 关于基于p e t r i 网的工作流建模更详细的内容可参考文献 2 6 j 1 2 7 1 。 为更好的说明基于p e tr i 网的建模方法，下面举一个使用p e t r i 网进 行工作流建模的实例。图2 6 是北京总装某部软件测试执行过程。该 工作流第一步是测试的相关准备工作( 包括测试计划，测试设计，洲 试丌发等) ，然后工作人员开始测试，将测试出的错误进行分类，对没 有错误或仅有一些细小错误的程序部分，直接填写测试通过报告( 包 括填写一些细小的错误) 即可；对有较严重错误的程序部分，则需要 填写错误记录报告，填写更动申请单，并提交负责人或领导，申请更 动。在得到负责人或领导的同意后，对程序进行更动，并对更动部分 测试，然后填写更动测试报告。最后还需要填写更动报告。在完成所 有程序测试后，进行测试过程的评估，如果没有达到预期的效果( 例 如某一部分错误过多，反映该部分可能还存在潜在的错误) ，则送回测 试组，重新进行测试。如果通过测试评估，达到了预期的目标，则填 写测试总结报告，并将文档整理归档。 2 6 本章小结 幽26北京总装某部软制：测试执行过科 本章讨论了工作流的基本概念，以及p e t r i 网的基本概念和基本 理论。系统地介绍了使用p e t r i 网进行工作流建模的方法，并给出了 个工作流建模的实例。 基丁p e t r i 网的作流建模贝的研究与实现 2 1 系统的功能需求 第三章系统的体系结构 使用p e t r i 来为工作流建模，需要完成以下三部分的工作： 1 需提供基本的p e t r i 网、时间p e t r i 网、随机p e t r i 网等。这样 用户能够根据需要使用不同类型的p e t r i 网进行建模。这些不同类型的 p e t r i 网和工作流网是既有区别又有联系的。我们利用面向对象的思想， 对与p e t r i 网相关的概念：库所，变迁，弧，标识等概念进行比较和抽 象后，得到系统的一些对象和类。并且为了提高可扩展性，我们使用 了可扩展的思想，详细的内容可在第四章看到。 2 需要提供多种分析工具。利用p e t r i 进行工作流建模最重要的 目的就是利用p e t r i 丰富的分析技术，检查工作流的合理性，仿真工作 流，评价工作流的性能等。 3 为方便我们的工作流建模工具和其他的工作流相关产品进行集 成，需将工作流建模的结果按照w f m c 的接口l 进行转换，把用户建 立的p e t r i 网转变成用x p d l 描述的形式。这可我们的建模工具的应用 范围大大的扩大，而不仅仅局限在我们所开发的e m a 系统上。 2 2 系统的开发环境 本系统的丌发环境如下： 1 程序语言：j a v a ，x m l ，x p d l ，js p 等 2 丌发环境：j d k l 4 ，e c l i p s e 等 3 运行环境：w i n 2 0 0 0w i n x p ，c p u1 7 gm e m o t y2 5 6 m ，3 - 0 k i 4 2 我们设计的系统具有如下的特点： 1 适应不同的运行环境 由于采用面向对象的设计思想，使系统具有良好的扩展性，更可 以丌发一些更加完善的功能集成到现有系统中来。 2 良好的扩展性 由f 采用跨3 f 台语言j a v a ，系统可适应不i 司的操作系统，具有很 南京航空航大人学硕士学位论文 2 3 系统的体系结构 系统的体系结构如下图3 1 所示 薹剞 b 坐譬丌厂 _ 厂厂 函逮菡函 幽3i系统的体系结构 1 基本p e t r i 网核心：它实现基本p e t r i 网元素，包括库所、变迁、 有向弧、点火规则、标识等。在设计和实现时应用面向对象技术和可 扩展的思想，便于对基本的p e t r i 进行扩展，方便实现各种不同类型的 p e t r i 网，这在第四章中将详细描述。 2 扩展p e t r i 网：不同的应用领域有不同的需求，也就需要不同 的p e t r i 网，如时间p e t r i 网、随机p e t r i 网等。在基本p e t r i 网的基础 上实现扩展p e t r i 网，由于使用可扩展的思想，扩展主要表现在对库所、 变迁、弧、网这四个基本的p e t r i 网元素的属性的扩展。 3 应用程序控制器：负责管理不同类型的p e t r i 网，负责各种应 用程序( 编辑器，分析工具，仿真工具，工作流网转化为x p d l 工具j 的调度，负责程序的输入输出。同时引入应用程序控制层可以方便的 实现应用程序之间的相互调用，以及程序之间的相互通信。比如：为 便于用户使用，在仿真器中的执行结果可以在编辑器中反映出来，这 就涉及到两个不同的应用程序( 编辑器和仿真器) 之问的相互调用。 4 编辑器：为方便用户使用，我们丌发了图形编辑器。图形编辑 器是系统其他应用的基础。实现p e t r i 网的编辑、存驳、修改等。 5 合理性分析工具：用来分析用户所建立的工作流是否合理。 6 仿真工具：仿真是一种灵活的分析技术，可以分析各种工作流。 仿真器又可以分为手动仿真器和自动仿真器。手动仿真方式提供给使 基y - p e t r i 网的1 ：作流建模l 。具的研究与实现 用者一个驱动事件，使用者每驱动一次事件，程序完成一次扫描，将 能够点火的变迁点火一次，达到一个新的状态，这样使用者可以清楚 地看到仿真的全过程。自动仿真器由程序自动执行。由于仿真可以借 助计算机进行重复执行的过程，很容易为没有数学背景的人接受。 7 工作流网转化为x p d l 工具：为了使工作流建模工具可以与其 他的工作流相关产品进行集成，我们按照w f m c 的接口1 进行设计， 把用户建立的p e t r i 网转变成x p d l ，从而此工具就可以与其它使用 x p d l 作为工作流过程建模语言的工作流执行系统进行集成，为其提 供工作流系统建立阶段功能支持。 2 4 本章小结 本蕈分析了不同系统所需要实现的3 个主要功能，特别分析了不同 p e t r i 网之间区别，以便更好的使用面向对象的思想。然后给出了系统 的体系结构，并简单介绍了各部分的功能。 南京航空航大人学硕十学伉论文 第四章p e t r i 网核心组件及控制中心的设计和实现 根掘前一章的体系结构，这一章的内容是p e t r i 网核心组件的设计 和实现，以及程序控制中心的设计和实现。由于这两个模块结合得较 为紧密，放在一个章节里讨论。 4 1 p e t r i 网核心组件的设计和实现 我们设计的p e t r i 网核心组件的目标：能够模拟多种p e t r i 网类型 ( 如基本p e t r i 网、日刊词p e t r i 网、随机p e t r i 网等) ，也是说设计的p e t r j 网是可扩展的。 4 1 1 p e t r i 网核心组件设计的基本思想 p e t r i 网核心组件的概念和将要在第五章介绍的p e t r i 网图形组件 的概念是相对的。p e t r i 网核心组件用来描述p e t r i 网语义，相当于数掘 层；p e t r i 网图形组件用来描述p e t r i 网的图形表达方式，相当于显示层。 p e t r i 网的图形组件是依赖于p e t r i 网的核心组件的。 在p e t r i 网核，i i , 组件的设计与实现中，采用面向对象技术来提高代 码的可重用性，增强系统的可扩充性，降低模块间的耦合度，采用以 下思路来设计p e t r i 网核心组件： 分析各种不同类型p e t r i 网的组成元素，相同的对象有：库所 ( p l a c e ) ；变迁( t r a n s i t i o n ) ；弧( a r c ) ，又可细分为两类，一类是从库 所到变迁的弧( p t a r c ) ，另一类是从变迁到位置的弧f t p a r c ) ；网f n e t l ， 是各种p e t r i 网的抽象； 也就是不管p e t r i 网是何种类型，它必定有上面四个共同的地方。 而不同p e t r i 网所包含不同的组成元素有： 1 标识( m a r k ) ，其中也包括初始标t ，为方便起见，这罩的标识 仅指每个库所所包含的托肯数，而整个p e t r i 的标识可由p e t r i 网中所 有库所的标识来表示。由此可以将标识( m a r k ) 视之为库所( p l a c e ) 的一个 属性，不同类型的p e t r i 网可能是库所中的标识属性的不同； 2 权值( w e i g h t ) ，不同类型的p e t r i 网权值( w e i g h t ) 可能是不同的。 基丁p e t r i 网的工作流建模r 具的研究与实现 可将权值视为弧的一个属性，这样不同类型的p e t r i 网可能是弧上的权 值属性的不同： 3 点火规则( f i r e r u l e ) ，不同类型的p e t r i 网点火规则( f i r e r u l e ) 可能是不同的。可将点火规则视为网( n e t ) 的一个属性，这样不同类 型的p e t r i 网可能是网上的点火规则属性的不同； 4 其他一些元素，比如：时间p e t r i 网的时间因素可视之为变 迁的一个属性。随机p e t r i 网的平均变迁速率，可视之为变迁的一个属 性。 综合上面的分析，库所( p l a c e ) ，变迁( t r a ns i t i o n ) ，弧( a r c ) ，网( n e t ) 这四个对象对不同类型的p e t r i 网都是相对不变的，而不同类型p e t r i 网的不同特性都可视之为上述四个对象的属性。由此可以在库所 ( p l a c e ) ，变迁( t r a n s i t i o n ) ，弧( a r c ) ，网( n e t ) 中增加属性列表，对于不 同类型的p e t r i 网，将不同的属性加到属性列表中。这个思想也就是上 面提到的可扩展思想。我们设计正是基于可扩展的思想。 为了和库所，变迁，有向弧，网这四个基本对象中原有的属性相 区别，将加到属性列表里的属性统一称为扩展属性。如库所中标识、 初始标识，有向弧上的权值，网上的点火规则等，都称之为扩展属性。 为了尽量使系统的结构清晰，代码的可重用性好，再次分析库所 ( p l a c e ) ，变迁( t r a n s i t i o n ) ，弧r a r c ) 对象。 1 库所( p l a c e ) 和变迁( t r a n s i t i o n ) 都是p e t r i 网的一个节点( n o d e ) ， 它们有如下重要的共同点：均有输入弧和输出弧；及对弧的一些操作， 如增加、删除与节点相关联的弧等：因此在设计时，库所( p l a c e ) 和 变迁( t r a n s i t i o n ) 是从节点( n o d e ) 继承来的。 2 两种弧对象p t a r c 和t p a r c 都可以看作是弧f a r c ) ，只是两种 弧对象p t a r c 和t p a r c 的起点和终点的类型不同，但从上面的第一条 可以看出，起点和终点都是网的一个节点( n o d e ) ，这就是这两种弧对 象的共同点，另外对相关联节点( n o d e ) 的操作( 增加，删除等) 也是 这两种弧对象的共同点。 根据上面的分析，下面给出p e t r i 网核心组件的类层次结构图( 图 41 ) ： 南京航空航天大学硕士学位论文 图41p e t r i 网核心组件类层次结构图 从上面的p e t r i 网核心组件的类层次结构图可以看出，所有的类都 有一个共同的父类e x t e n s i b l e 。它包含一个h a s h t a b l e 类型变量，用来 表示四种网元素( p l a c e ，t r a n s i t i o n ，a r c ，n e t ) 的扩展属性列表。 为方便起见，把图4 1 中的每一个类都称为p e t r i 网核心组件。下 面详细介绍p e t r i 网枥山组件的实现。 4 1 2 p e t r i 网核心组件的实现 类n e t 代表一个p e t r i 网。典型的p e t r i 网应包含的属性和操作有： ( 1 ) 变量p l a c e s ：数组变量，表示p e t r i 网所包含的所有库所： ( 2 ) 变量t r a n s i t i o n s ：数组变量，表示网所包含的所有变迁； ( 3 ) 变量t y p e ：表示p e t r i 网的类型； ( 4 ) 操作g e t p l a c es ，g e t t r a n s i t i o n s ，g e t f i r e r u l e ：分别为获耿p e t r i 网所包含的库所，变迁和点火规则，其中g e t f i r e r u l e 需要从扩展属性 列表中取值； ( 5 ) 操作s e t t y p c g e t r y p e ：设置获取网类型t y p e 的值； ( 6 ) 操作a d d p l a c e a d d t r a n s i t i o n ：在p e t r i 网中增加库所变迁，就 是将所要增加的库所变迁加到数组变量p l a c e s t r a n s i t i o n s ： ( 7 ) 操作d e l p l a c e d e l t r a n s i t i o n ：在p e t r i 网中删除库所变迁，就是 在数组变量p l a c e s t r a n s i t i o n s 中删除待删除的库所变迁。 类d i r e c t e d g r a p h ：由节点n o d e 和弧a r c 表示的图形，即可称为 有向图。一个典型的有向图d i r e c t e d g r a p h 应包含的属性和操作有： ( 1 ) 变量n o d es ，a r c s ：均为数组变量，表示一个d i r e c t e d g r a p h 所包含的所有节点n o d e 和弧a r c 。 ( 2 ) 操作g e t n o d e s g e t a r c s ：获取d ir e c t e d g r a p h 的变量n o d e s a r c s 的值； ( 3 ) 操作s e t n o d e s s e t a r c s ：设置d i r e c t e d g r a p h 的变量n o d e s a r c s 基于p e t r i 网的丁作流建模工具的研究与实现 的值； ( 4 ) 操作a d d n o d e a d d a r c ：在d i r e c t e d g r a p h 中增加节点n o d e 弧 a r c ，就是在数组变量n o d e s a r c s 中增加该n o d e a r c 。 ( 5 ) 操作d e l n o d e d e l a r c ：在d i r e c t e d g r a p h 中删除节点n o d e 弧 a r c ，就是在数组变量n o d e s t r a n s i t i o n s 中删除该n o d e t r a n s i t i o n 。 类p l a c e 代表p e t r i 网的库所，典型的p l a c e 包含的操作有： ( 1 ) 操作a d d d e l e t e ：在一个p e t r i 网中增加删除该p l a c e ： ( 2