（计算机软件与理论专业论文）基于petri网的工作流建模及其工具的研究与实现.pdf

题 华南师范大学硕士学位论文答辩合格证明 经答辩委员会审议，本论文答辩合格，特此证明。 学位论文答辩委员会委员( 签名) 揣孚互卑 邈鲰邀锄，撖 论文指导老师( 签名) ： 缘垒珠 ll i 嘶碡6a 讧 ( 此框用 存档的学位论文贴学位论文答辩合格证明) 苎王! ! ! ! ! 型堕! 堡亟堡堡墨基三墨塑婴塞皇塞翌至z 6015 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食 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。 工作流管理系统的晟重要的功能之一就是工作流建模。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。本文在扩展 p e t r i 网的基础上，提出了个新的工作流模型基于着色工作流网的工作流 模型。该模型由描述业务过程处理的过程模型、描述企业人员的组织模型和描述 企业资源的资源模璎三部分组成，它对业务过程的描述有很强的表达能力。本文 对该模型进行了包括过程模型、组织模型和资源模型三方面的详细设计，给出了 它们的x m i 。描述。最后，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，并依照模型定义将结果生成可由工 作流管理系统执行的计算机化表示的过程定义。 关键字：工作流，工作流管理系统，工作流模型，p e t r i 网，着色工作流网 工作流建模工具，过程定义 基于p e 耐埘的工作瀛建模及其丁肄的研究与实现 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 lo 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 】o g yb e c o m e san e wh o tt o p i c i nt h ea r e ao fc o m p u t e r a p p l i c a t i o n 。t h es t u d yo n t h i s t e c h n o l o g y c a nc o n t r i b u t ea1 0 tt oa d e 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 u do p e r a t j 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 ft 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 w m 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 liz a t i o no faw f m s t h e s t u d yo fw o r k f l o wm o d e l i n gm a i n l yc 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 d a 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 na n de s p e c i a l l yt h e w a yt of o r m a l i z i n g 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 e dw o r k f l o wn e t t h i sm o d e lc o n s i s t so fp r o c e s sm o d e l d e s c r i b i n gb u s i n e s sp r o c e s s ，o r g a n i z a t i o nm o d e ld e s c r i b i n ge n t e r p r i s e s t a f fa n dr e s o u r c em o d e ld e s c r i b i n ge n t e r p r i s er e s o u r c e i th a sas t r o n g a b i1it yt o e x p r e s s t h eb u s i h e s s p r o c e s s t h i s t h e s i s p u t sf o r w a r da d e t a i l e dm o d e l d e s i g n ，i n c l u d i n g t h e p r o c e s s m o d e l d e s i g n ，t h e o r g a n i z a t i o n m o d e ld e s i g na n dt h er e s o u r c em o d e ld e s i g n i na d d i t i o n ，t h i s p 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 n c r e a t et 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 g t ot b em o d e ld e f i n i t i o n k e y w o r d s ：w o r k f l o w ，w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ，w o r k f l o wm o d e l ， c o l o r e dw 卜n e t ，w o r k f l o wm o d e l i n gt 0 0 1 ，p r o c e s sd e f i n i t i o n 2 基于p e t f i 网的工作流建模及其一 具的研究与实现 第一章概述 1 1 工作流管理技术 工作流管理技术是近年来在计算机应用领域中发展最为迅速的新技术之一， 引起了研究机构和企业的普遍关注。它的主要特点是使处理过程自动化，使人以 及各种应用工具相互之间协调工作，以完成某项工作。它根据一系列定义的规则， 把文档、信息和任务在参与者之间传递，以达到某种目的。工作流通常在各种计 算机系统之间组织起来以实现处理过程自动化。 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皿。工作流是工 作的自动执行过程，按照动态命令或预先定义的规则，信息和任务可以在参与者 之间自动传递。 1 1 1 工作流技术的发展 工作流技术的历史可以追溯到2 0 世纪7 0 年代末的办公自动化和任务批处 理。第一次使用工作流术语是在2 0 世纪8 0 年代初，但那时还没有真正的工作 流管理系统出现。 在2 0 世纪6 0 年代，应用系统是一个个独立的程序，每个应用程序都有着自 己特有的用户界面和专门的数据存取系统，各个应用程序之间相互独立。在7 0 年代，数据管理部分从应用程序中分离出来，产生了数据库管理系统( d b m s ) ， 应用系统大大地简化了数据管理工作。到了8 0 年代，又把用户界面管理从应用 程序分离出来，于是产生了用户界面管理系统( u i m s ) 。通过使用u i m s ，应用程 序不再过多地管理与用户的交互功能，并且使应用程序具有相似的用户界面，方 便了用户使用。8 0 年代中期，工作流管理系统作为一个通用的应用功能开始出 现，用于支持业务处理，使得应用开发人员可以把业务过程从应用程序中提取出 来。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 商用系统，v i e w s t a r 于1 9 8 8 6 基于p e l r i 网的工作流建模及其一l 具的研究与实现 年推出的v i e w s t a r ，i b m 于1 9 8 8 年推出的l m a g e p l u s 。这种集成化软件系统为 企业简化与重组自己的关键业务过程提供了一种非常好的方法。由此可见，工作 流从最初的诞乍之几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 限于当时技术水平，它所集成的功能较为简单而己。进入9 0 年代，随着计算机 与网络技术的飞速发展，特别是在i n t e r n e t 应用日益普及的情况下，现代企业 的信息系统越来越表现出自治、异构、分布的特点，相应的企业信息资源也分布 在异构的计算机环境中，信息源之间的连接表现出松散耦合的特点，从而使得计 算机的处理模式和应用环境相应的也发生了巨大的变化：即从集中式向大规模的 分布协作式发展。c 1 i e n t s e r v e r 体系结构、分布式处理技术( c o r b a 、w w w 、 d c o m 、j a v a ) 的日益成熟和广泛运用都充分说明了这一点。这种新的处理模式和 应用环境要求应用系统不仅仅要处理单个的任务，还要能够控制、监视和支持处 理过程的逻辑，即实现处理过程的自动化或半自动化。在这种背景下，工作流管 ， 理系统由最初的创建无纸办公环境转为同企业复杂信息环境、实现业务过程自动 执行的必要工具址。 当前，工作流管理技术已经作为一种过程建模和过程管理的核心技术，它可 以和其他应用系统有效结合，生成符合企业需要的各种业务管理系统，如办公自 动化( 0 a ) 系统、项目管理( p m ) 系统、产品数据管理( p d m ) 系统、客户关系 管理( c r m ) 系统、供应链管理( s c m ) 系统、企业资源规划( e r p ) 系统等。这 些采用工作流技术作为核心开发的业务管理系统最大的特点，也是这些系统与普 通的应用软件系统的最大差别，在于它们具有高度的灵活性，可以按照企业自身 的具体需求，快速灵活的生成应用软件系统，并且在客户业务过程发生变化时， 迅速进行重组来满足客户需求。 1 1 2 工作流技术的相关概念 1 1 2 1 工作流概念 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 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 基于p e t r i 网的工作流建模及其工具的研究与实现 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广】( w a p i ) 等方面制定了一系列标准。 根据对工作流理解的不同角度，不同的研究者和工作流产品供应商给出不同 的定义。本文中讨论的工作流采用工作流管理联盟给出的工作流的定义： 工作流( w o r k f l o w ) ：是指整个或部分q e 务过程在计算机支持下的全自动或 半自动化堡。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m 。 为了进一步描述工作流，需了解以下概念： 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 k i t 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。 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，这里的资源 ( r e s o u r c e ) 可以是人或机器。 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，确定哪些任务已被执行，哪些任务还要被执行。我们也 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 8 基于p e t r i 网的工作流建模及其1 = 具的石j f 究与实现 或多个人与软件系统协作完成。 存工作流中，活动和活动之问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。 l - 1 2 2 工作流管理系统 工作流管理联盟( w f m c ) 给出的工作流管理系统( w o r k f o wm a n a g e m e n t s y s t e m ，w f m s ) 的定义是：工作流管理系统是这样一个软件系统，它完全地定义、 管理工作流，并按照在计算机中定义好的工作流逻辑顺序执行工作流丑。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，和工作流执行者交互，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。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； 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； 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。 图1 1 盟描述了w f m s 的基本特性，以及上述功能之间的关系。 9 基于p c t r i 网的 _ 作流建模及其1 = 具的研究与实现 图1 1 工作流管理系统的基本特性 1 1 3 工作流标准化参考模型 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皿，约定了工作流系统的体系 结构、应用接口及特性。如图1 2 所示： 图1 2 工作流参考模型 1 0 甲 基于p c t r i 网的t 作流建模发雎工具的研究与实现 工作流参考模型主要涉及如下几种数据： 1 ) 工作流控制数据( w o r k f l o wc o n t r o ld a t a ) ：工作流执行服务工作流 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 作流执行服务工作流机进行控制。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 个接口( w o r k f l o wa 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问 的交互。各接口功能描述如下： 接口1 ：过程定义输入输出接口，工作流执行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操作。 接口2 ：客户端应用程序接口，工作流服务和客户应用之间的接口。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 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 l j ，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摘介如下： l l 基于p e t r i 网的工作流建模及其工具的研究与实现 1 ) 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分析、建模的手段，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 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 1 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 da 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 2 工作流管理技术的研究与发展 工作流技术的发展最初是由工作流产品开发商为_ r 适应工作产品市场的需 基于p e t r i 网的工作流建模及其工具的研究与实现 要推动的。工作流管理技术由于在实际应用中取得良好效果而得到了充分重视， 已经成为许多企业、研究机构和大学的研究对象，发展非常迅速。 1 2 1 工作流管理技术的研究课题 工作流管理技术是一个多学科交叉的新领域，涉及计算机科学与管理科学的 多种原则、方法与技术，包括数据库、形式化描述语言、应用与系统的集成、软 件工程、文档管理、组织与资源管理、仿真技术、企业重组、分工协作等。目前， 其研究课题主要集中在以下三方面： 第一方面是工作流的理论基础，为工作流技术的发展解决理论上存在的问 题，探讨工作流模型和语义的形式化表示方法等，包括有工作流( 过程) 建模理 论与建模方法、工作流模型验证与仿真方法、分布式环境下的资源协调和任务优 化调度策略、工作流模型与其他模型( 功能模型、信息模型、资源模型、组织模 型等) 的集成方法等； 第二方面是工作流的实现技术，探讨利用先进的技术提高工作流管理系统的 性能和可靠性，包括有工作流管理系统体系结构、分布式工作流引擎的实施、异 常处理和错误恢复、工作流的事务特性等； 第三方面是工作流技术的应用，包括工作流实施技术在不同领域( 如企业过 程重组、并行工程等) 中的应用方法以及工作流管理系统与其他应用系统集成( 例 如与e r p 系统集成) 等。其最终研究目标是发挥工作流管理系统的优势，为解决 具体应用领域内的问题提供有效的实现手段。 1 2 2 工作流管理技术的发展趋势 由于工作流管理技术涉及到w e b 技术、分布式数据库、消息传递、文件管理、 移动计算、知识管理等多领域的技术，随着相关技术的发展，工作流管理技术也 将逐渐发展起来。工作流管理技术发展的目标是要解决现有工作流管理系统存在 的问题，实现一个高度灵活实用、可伸缩、安全可靠和可互操作的工作流管理系 统，更好地满足用户的需求。针对这种情况，当前对工作流管理系统的研究与开 发集中在以下几个方面： 基于p e t r i 嘲的工作流建模及其工具的研究与实现 1 ) 工作流建模 工作流管理系统的最重要的功能之一就是工作流建模。为了使预定义的工作 流模型能更好的反映实际业务流程，能够对过程定义以及过程实例方便地进行动 态修改，需要找寻更为灵活的工作流过程形式化表示方法及过程的执行策略。目 前存在众多的工作流建模理论与方法，它们在描述能力、形式化表示能力、支持 可视化建模、复杂度等各方面存在差异。如何使工作流模型具备良好的理论基础， 又具有强大的建模能力，能满足实际应用中的建模要求，是人们研究的方向和重 点。 2 ) 基于w e b 的工作流管理系统 随着i n t e r n e t i n t r a n e t 网络技术的迅猛发展与普及，建立基于w e b 的工作 流管理系统己成为当今工作流管理系统发展的主流方向。w e b 技术以其提供的平 台无关性、统一友好的浏览器界面满足了现代企业的需求。基于w e b 的最大优点 是不需要开发和安装客户端应用程序，客户端直接通过浏览器和工作流服务器交 互。 3 ) 分布式工作流管理系统 为了支持跨企业的异构计算环境下大规模工作，要求现有的w f m s 必需从只 能支持单一的工作组环境扩展到支持企业级( 甚至企业间) 的工作流环境。关于 这方面的研究主要有两方面：通过局域网和广域网构造分布式体系结构；引入分 布式数据管理埘。 4 ) 事务型工作流管理系统 工作流管理系统执行工作流是一个复杂的过程，必须提高其可靠性和正确 性，如保证过程实例中各活动执行的完整性，在执行过程中出现突发错误的时候 应及时中断工作流过程。因此工作流管理系统中必须引入事务管理的功能，如事 务的a c i d 属性、失败语义等。此方面的研究目的在于将高级事务处理技术与工 作流管理技术相结合，用良好定义的模型语义与恢复机制来更好地支持企业的经 营过程，提高工作流管理系统的可靠性与实用性。 5 ) 工作流互操作 工作流参考模型定义了工作流执行服务之间的互操作的标准接口，目的是使 基于l ，d 一网的丁作流建摸及其工具的研究与实现 不同厂商提供的工作流产品能够协同工作，整个系统能够无缝地在各个产品之间 传递任务项，实现应用集成。尽管可以设计与规定复杂情形下的工作流互操作规 范，如不同厂商提供的工作流机协作实现复杂的l ：作流执行服务，但是，在目前 还不可能实现，因为它要求所有的l 作流机都能够解释同一个过程模型，共享 套工作流控制数据，并在异构的工作流环境下共享过程实例的状态。目前比较实 际的目标是在不同的工作流执行服务间传递过程的全部或部分内容，并支持其过 程实例的运行皿。 1 2 3 工作流建模的发展方向 工作流建模理论与建模方法主要研究如何清晰、准确地表示实际应用中的过 程，特剐是研究如何以形式化的方法表示过程模型，目的是要建立一个表达能力 强、容易理解且易于验证和分析的理想的工作流模型。工作流建模工具输出一个 能被工作流引擎解释并执行的过程定义，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，还可以作为企业经营过程分 析系统的一部分提供给用户。 1 2 2 1 现有工作流建模理论与方法 目前工作流建模技术还远没有成熟，还处于百家争鸣的时代。当前国内外对 工作流建模方法的研究有： ( i ) 基于活动网络的建模方法：以活动和活动之间的关系为基础建立的工 作流模型，其特点是用户界面友好，易于理解。 ( 2 ) 基于p e t r i 网的建模方法：如p a p a z o g l o u 和b o u g u e t t a y a 采用着色 p e t r i 网来描述工作流过程垃，h a l s t 则在p e t r i 网的基础上定义工作流网 ( w o r k f l o wn e t ，w f - n e t ) 来描述业务过程皿。 ( 3 ) 基于事务模型的建模方法：将事务的概念融入到工作流管理中，采用 一些高级事务模型来描述工作流过程，如嵌套事务模型、s a g a s 等。 ( 4 ) 基于工作流定义语言的方法，如w f m c 提出的x p d l ( x m lp r o c e s s d e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 毋、b e a 、i b m 、m i c r o s o f t 等提出的b p e l 4 w s ( b u s i n e s s 基于p e l 一网的工作流建模及毖丁具的研究与实现 p r o c e s se x e c u t i o nl a n g u a g ef o rw e bs e r v i c e s ) 9 。 关于工作流建模的方法还有很多，如基于逻辑的方法、基于代数的方法、集 合论和图论方法、面向对象方法、u m l 建模方法等等。 1 2 2 2 基于p e t r i 网的工作流建模 以上介绍的各种建模方法各有优缺点，但总体而言，采用基于p e t r i 网的建 模方法显示出强大的建模能力，因为p e t r i 网作为离散事件系统建模技术具有以 下优点： ( 1 ) 提供了统一的图形表示方法来描述系统的各个特性，能直观地反映并 行、同步、共享等现象，对于非专业人员来说在直觉上容易理解和应用，而对于 专业人员来说又提供了强大而又形式化的描述能力。 ( 2 ) p e t r i 网有坚实的理论基础、严格的数学描述。p e t r j 网的所有元素都 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 网表示的工作流过 程也具有十分清晰与严格的定义。 ( 3 ) 基于状态而非基于事件。目前大部分的工作流过程定义技术都是基于 事件的。在这些技术中，任务被明确地描述，但子任务之间的状态都是隐含的， 必须由工作流管理系统的代码来完成工作流中的控制流，造成系统实现比较复 杂，功能不易扩充。而采用p e t r i 网的过程定义则是基于状态的建模方法，它明 确定义了模型元素的状态，它能区分个活动是处于使能( e n a b l e d ) 状态还是 执行( e x e c u t e ) 状态。活动的使能是指活动已经被允许执行，但是不定立刻 就开始执行，在使能与执行这两个状态之间还存在时间上与条件上的差别。同时， 工作流的控制流与程序的分离，使系统的实现相对容易，并利于功能的扩充烈。 ( 4 ) p e t r i 网具有丰富的分析技术。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，如可达树、可达图、有界性( 安全性) 、活性( 有 无死锁) 等特性分析，也可以计算系统的性能，如响应时间、等待时间、资源利 用率。 可见p e t r i 网是一种具有较好基础的、适合于描述工作流过程的建模方法。 1 6 皋于p e t r i 网的工作流建模及其工具的研究与实现 1 3 课题的依据和意义 由前所述，p e t r i 网作为一种系统建模技术，非常适合于工作流过程的建模。 目前市场上以p e t r i 网作为工作流建模的工作流产品国际上仅有少数的几种，如 s a 、i n c o m e 、l e u 等，此类的工作流产品国内则没有，如国防科技大学研制成 功工作流集成管理y i i w i m s 系统、国家8 6 3 计划c i m s 主题下开发的原型系 统c i m f i o * 、西安协同工作流s y n c h r o f l o w 等国内工作流产品都不是以p e t r i 网 为工作流建模的。本文正是基于p e t r i 网强大的建模能力，涎出基于p e t r i 嘲的 工作流建模，以及对工作流建模工具的进行研究并给出具体的实现。 由工作流管理系统的基本功能可知，不论在哪种工作流管理系统中，所有的 活动都是以过程定义为基础而展开的，过程定义的构造、交换、修改也都是核心 操作。因此，过程定义在工作流管理系统中的作用极为重要。而过程定义的优劣 取决于所采用的建摸理论和实际的工作流建模技术。因此，研究基于p e t r i 网( 图 形化语言、形式化的语义及丰富的分析技术) 的工作流建模技术，对如何建立一 个表达能力强、容易理解且易于验证和分析的理想的工作流模型和工作流建模工 具具有重要的理论意义和实用价值。 基fp e t r im 的工作流建模及萁工具的研究与实现 第二章基于p e t r i 网的工作流模型 2 1 工作流模型概述 工作流模型是对工作流的抽象表示，也就是对业务过程的抽象表示。丁作流 管理系统建立时期要完成对业务过程的计算机化定义。在该阶段，通过使用一种 或多种分析、建模和系统定义工具，将现实世界中的业务过程转化成计算机可处 理的形式化定义。通常把定义的结果称为过程模型( p r o c e s sm o d e l ) 、过程模板 ( p r o c e s st e m p l a t e ) 、过程元数据( p r o c e s sm e t a d a t a ) 或过程定义( p r o c e s s d e f i n i t i o n ) 。工作流管理联盟给出过程定义的概念为：过程定义是业务流程在 计算机中的形式化描述。过程定义由一序列的活动、相关的计算机、人员操作、 在活动之间控制过程进程的规则组成。可以使用文本、图形或者语言符号来表示 过程定义。 2 1 1 工作流模型的基本要素 工作流模型包含了描述一个能够由工作流执行服务软件系统执行的过程所 需要的所有信息。这些信息包括过程的开始和完成条件、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、工作流机的 引用关系，以及所有与工作流相关数据的定义、过程定义可能引用组织角色模 型中关于组织结构、组织中的角色等信息。 工作流管理联盟提出了一个过程元模型( m e t a m o d e l ) ，定义了相对简单的 过程定义间交互所需的一套基本实体。如图2 1 所示。 过程定义元模型的核心是活动。工作流定义与活动、工作流程相关数据之间 是一对多的关系，活动、角色、工作流程相关数据、需要激活的应用程序、转换 条件之间都是多对多的。 基于p 6 t r i 刚的工作流建模及其工具的研究与实现 图2 一l 基本过程定义元模型皿 工作流模型的基本要素有： 工作流定义( 过程定义) ：包括工作流过程定义的i d 号、名称、文本描述以 及其它与管理过程定义相关的信息( 如刨建日期、作者等) 等一系列的属性，它 作为过程定义的头信息，与该过程中涉及到的所有其他元素都相关。 活动：其属性包括活动名称、类型( 子流程、原予级活动等) 、活动执行的 前后条件、活动调动约束参数( 活动执行的特定时间、最长处理时间等) 。活动 对应于企业业务活动中的任务，反映完成企业业务过程需要执行哪些操作。活动 是组成工作流的基本元素，一个工作流也可看成由若干活动按特定顺序执行的过 程。 路由：路由是执行业务过程所经过的活动和连接的时序排列描述，各活动之 间是通过路由关联的。w f m c 给出了4 种基本路由结构：顺序路由，并行路由， 条件路由，循环路由。如图2 2 所示： 1 9 基 p e l f i 蜘的工作流建模及其工具的研究与实现 至) 吨 卜 刃顺序路由 并行路由 条件路出 循环踌由 图2 2 工作流的4 中基本路由结构 转换条件：包含过程执行的前、后条件，活动的执行条件等。转换条件为过 程实例的流转提供了导航的依据。 角色：角色主要根据企业组织模型，描述企业业务过程中参与操作的人员和 组织单位。其属性包括角色名称、组织实体。 需激活的应用：在过程描述中，一个活动可能对应个或多个应用，这些应 用在过程执行过程中被工作流执行服务( 工作流引擎) 所调用。其属性描述完成 企业业务过程所采用的工具或手段。包括应用类型、名称、运行的参数、访问路 径等。 工作流相关数据：工作流机根据工作流相关数据确定过程实例状态转换的条 件，进行过程的推进。工作流相关数据可被於部应用访问并修改，其属性包括数 据名称、类型、值等。 系统和环境数据：工作流管理系统或本地系统环境所支持的数据。 数据类型和表达式：工作流所使用的数据的数据类型以及表达式皿。 2 1 2 工作流模型的评价标准 理想的工作流模型应该支持完整的工作漉概念定义，为建模用户提供定义工 作流所需的组件或元素，而且应能清楚地描述任意业务情况下的工作流，适应用 户在建模过程中提出的各种要求，即工作流的描述能力要强，可以描述清楚几乎 所有的业务流程类型。 基于p c 研网的工作流建模及其工具的研究与实现 工作流模型应具备以下基本要求： 与领域无关：提供一种乔依靠某一领域内特殊数据格式的定义形式，能 够支持普遍的数据结构。 完整性：能对整个工作过程完整与合理地表达。生成的流程定义包括j 世 务流程实现中所需的所有信息。 可重用性：可对己有的过程定义重用或嵌套定义新的工作过程，减轻工 作量，提高可靠性。 可靠性：能够适应企业日常业务和企业环境的变化，能够快速地对各种 异常情况做出反应和处理，保证整个系统的一致性。 表达能力强：能正确表达工作过程中可能出现的各种情况；如：同步、 竞争、条件转移和循环等。 方便灵活性：易懂易学易用，可方便地对生成的业务流程定义进行修改。 有形式化理论基础：允许形式化推理和防止解释的二义性。形式化基础 包括形式化语法和形式化语义。 2 2p e t r i 网的基本理论 p e t r i 网在1 9 6 2 年由德国学者c a p e t r i 作为一种过程建模和分析的工 具提出，它是一种图形化描述过程的强有力工具。同时，p e t r i 网有坚实的数学 基础，具有形式化的语义。基于p e t r i 网表示的工作流过程具有十分清晰与严格 的定义。同其他许多非形式化的框图技术相比，避免了模糊性、不确定性和矛盾 性。 2 2 1 工作流网 经典的p e t r i 网是个双重有向图，有两类节点类型，称作库所( p l a c e ) 和变迁( t r a n s i t i o n ) ，这些节点通过有向弧相连；在任何时刻，库所当中包含 零个或者多个标记( t o k e n ) ；相同类型的两个节点之间不允许相连。p e t r i 网中 的库所表示条件，变迁表示任务，一个任务可能对应一个或多个变迁，一个工作 项对应一个就绪的变迁，一个活动对应个变迁的实施。 2 1 基fp e t r i 网的工作流建模及其工具的研究与实现 定义1 三元组n = ( p ，7 r ；f ) 称作网当且仅当业： ( 1 ) p u t 妒，p n t = 痧； ( 2 ) f p x t u t x p ( “x ”为笛卡尔乘积) ； ( 3 ) d o m ( f ) u c o d ( f ) = p u t 。其中， d o r a ( f ) = z i 了y ：( x ，y ) f ) c o d ( f ) = y 1 j x ：( x ，y ) f ) x , y p u 7 1 这里，p 表示库所节点的集合，t 表示变迁节点的集合，f 为库所节点与变 迁节点间的有向弧集合( 流关系) 。库所p 称作变迁t 的输入库所，当且仅当存在 一个从p 到，的有向弧。库所p 称作变迁，的输出库所，当且仅当存在个从，到 p 的有向弧。 对v x p u t ，令 x = y l ( y e p u 丁) ( ( _ y ，x ) ef ) ) x = y l ( y e p u7 ) ( ( x ，y ) e f ) 则称工和x 。分别x 为的前置集( 输入集) 和后置集( 输出集) 。 我们使用t 表示变迁f 的输入库所集合，符号t 、p 、p 有类似的含义，即p 是共享p 作为输入库所的变迁集合。 定义2 四元组p n = ( p ，t ；f ，m o ) 称作p e t r i 网当且仅当业： ( i ) n = ( p ，t ；f ) 是一个网； ( 2 ) m ：p z ( 非负整数集) 为标识( 也称状态) 函数，表示标记在库所 上的分布。其中，是m o 初始标识； ( 3 ) 实施规则： 变迁t t 称为使能的( 就绪的) 当且仅当：v f ：m ( p ) 1 ，记 作m t ，其中，m ( p ) 表示在状态m 下库所p 中标记的个数； 在m 下使能的变迁t 可以实施，实施后得到后继标识肘，则 fm ( p ) + 1 ，p 卜。t m ( p ) = m 。 基t - p e t r i 嗍的t 作流建模段其工具的研究与实现 实施规则表明变迁f 称作就绪的当且仅当f 的每个输入库所都包含军少。 个标记：表明就绪的变迁可以实施。如果变迁f 实施，那么f 从每个输入库所p 中消耗个标记，并为每个输出库所p 产生一个标记。 p e t r i 网由库所和变迁组成，通常情况f ，用圆圈表示库所，用矩形表示变 迁，用黑点表示标记：库所与变迁之间用有向弧连接，有向弧表示f ；p e t r i 网 的状态用库所中标记的分布来描述。如图2 2 所示： 标 图2 2p e t r i 网的表示 在p e t r i 网的基础上，a a l s t 提出了工作流网( w o r k f l o wn e t ，w f n e t ) 的 概念。 定义3p e t r i 网p n = ( p ，t ；f ，m o ) 称作工作流网m ，当且仅当： ( 1 ) p n 有两个特殊的库所：f 和o 。其中，库所i 是一个源库所，满足- f = 庐； 库所o 是一个汇结库所，满足o = ； ( 2 ) 如果在p n 中加入一个新的变迁f + ，使f t 连接o 与i ，即，+ = o ， f 幸= f i ，这是所得的州是强连接的。 工作流网必须具有一个输入库所( i ) 和一个输出库所( o ) ，进入输入库所 的标记代表着一个过程实例的开始，而进入输出库所的标记则意味着一个过程实 例的结束；条件二是为了消除“悬着的库所和变迁”( 指该库所或变迁不在i 到o 的路径上) ，所有的库所与变迁都位于库所in o 的一条路径上。 工作流管理包含很多方面，过程方面( 即控制流) 是最主要的，因为任何工 作流系统的核心都是由它所支持的过程组成的。工作流网关注工作流的控制流维 度建模，定义了单个实例的生命周期。工作流网完全支持w f m c 所定义的路由结 构。而且工作流网提供了许多强有力的分析技术用于验证工作流过程的正确性， 如合理性、自由选择的w f n e t 和良构的w f n e t 等删。 基f p e 砸删的工作流建模艘其工具的研究与实现 2 2 2 基于扩展的p e t r i 网着色工作流网( c o l o r e dw f n e t ) 工作流模型在运行过程中，需要同时运行多个实例，可能出现两个实例同时 开始、同时运行两个并行活动的情况，工作流需要同时处理多个实例，每一个实 例在该模型中就存在个或多个标记。但传统的p e t r i 网和工作流网都不能区分 不同的标记，即多个在同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。一种解决方法是通过扩展p e t r i 网，给每个标记都提供个值，通过这 个值就能对标记进行区分。通过给标记赋值，就好比给它们涂上了不同的颜色。 这种扩展的p e t r i 网称之为着色p e t r i 网( c o l o r e dp e t r in e t ，c p n ) 。如果在 作流网的基础上加入颜色扩展，这种工作流网定