（计算机软件与理论专业论文）流程度量方法以及工具的研究.pdf

摘要 竞争的加剧使得企业和组织致力于提高自身的管理水平和生产效率，随着信息技术 在各领域中的广泛应用，越来越多的企业或组织开始利用信息技术来达成这一目标。其 中工作流技术作为组织业务流程的支持管理技术在业界得到了普遍认可和广泛应用，许 多组织利用工作流技术对自身的业务流程进行流程建模或流程重建。因而对利用工作流 技术建立的流程模型的性能进行评价成为了相关工作的重要环节。而对流程相关性能指 标的度量是对其进行评价的基础，因此对流程度量方法及其支持工具的研究具有重要的 理论和实际意义。 本文针对对流程模型进行度量的现实需求，在工作流建模理论的基础上，讨论了支 持流程度量的流程建模理论，同时以流程性能评价理论为指导，提出了一组与具体业务 特征无关的流程度量元。并在以上研究的基础上设计并实现了基于w e b 的度量建模工 具。本文主要的研究工作包括如下几个方面： 1 对目前被广泛研究和应用的基于p e t r i 网的流程建模理论进行了讨论。 2 对信牌驱动工作流计算模型做了支持度量的扩展。 3 讨论了流程性能评价指标体系，并以此作为流程度量的度量元设计的指导思想， 提出了一组与具体业务流程特征无关的度量元，并对这些度量元进行了形式化 的描述。 4 基于以上几方面的研究，设计并实现了基于w e b 的b s 架构的度量建模工具， 该工具用来收集用户的度量需求并生成可供流程引擎识别的流程度量模型文 件。 关键词：工作流，流程评价，流程度量，度量建模 r e s e a r c ho np r o c e s sm e a s u r e m e n tm o d e l i n ga n da i d e dt o o l a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gc o m p e t i t i o nm a k e so r g a n i z a t i o n sp a ym u c ha t t e n t i o nt oi m p r o v e m e n to f t h e i ro w nm a n a g e m e n ta n de f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n a st h er e s u l to ft h ee x t e n s i v eu s a g eo f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s ，m o r ea n dm o r eo r g a n i z a t i o n su s ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e st o a c h i e v et h e i rg o a l s i np r a c t i c e ，t h ew o r k f l o wt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu s e dt os u p p o r tt h e p r o c e s sm a n a g e m e n t o r g a n i z a t i o n s u s et h ew o r k f l o wt e c h n o l o g i e st od ot h ep r o c e s s m o d e l i n ga n db u s i n e s sp r o c e s sr e - e n g i n e e r i n g t h e r e f o r e ，i tb e c a m ea ni m p o r t a n tp a r tt o e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fp r o c e s sm o d e l t h ee v a l u a t i o no fp r o c e s sm u s tb a s eo nt h e m e a s u r e m e n to fp r o c e s s s ot h er e s e a r c ho np r o c e s sm e a s u r e m e n tm o d e l i n ga n da i d e dt o o li s i m p o r t a n ti nt h e o r ya n di np r a c t i c e f o rt h ep r a c t i c a ln e e d si np r o c e s sm e a s u r e m e n t ，t h i st h e s i ss t u d i e st h ep r o c e s sm o d e l i n g t h e o r ys u p p o r t i n gp r o c e s sm e a s u r e m e n tb a s e do nt h ef o r m e rw o r k f l o wm o d e l i n gt h e o r y a n d b a s e do l lt h et h e o r yo fp r o c e s sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，t h i st h e s i sp r e s e n t sas e to f m e a s u r e m e n ti n d e x e sw h i c ha r en o td e p e n d a n to nt h ef e a t u r e so fb u s i n e s sp r o c e s s t h e m e a s u r e m e n tm o d e l i n gt o o lh a sb e e na l s od e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ef o l l o w i n gi t e m s a r ei n c l u d e di nt h ew o r k ： 1 s t u d y i n gt h ep r o c e s sm o d e l i n gt h e o r yb a s e do nt h ep e t r in e tw h i c hh a sb e e na p p l i e d w i d e l y 2 e x t e n d i n gt h ex i n p a id r i v e np r o c e s sm o d e li no r d e rt om a k ei ts u p p o r tt h ep r o c e s s m e a s u r e m e n t 3 s t u d y i n gt h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fp r o c e s s 。p r e s e n t i n gas e to fm e a s u r e m e n t i n d e x e sw h i c ha r en o td e p e n d e n to nt h ef e a t u r e so fb u s i n e s sp r o c e s s ，b a s e do nt h e e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m a n dd e s c r i b i n gt h e mf o r m a l l y 4 d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gt h em e a s u r e m e n tm o d e l i n gt o o lb a s e do i lt h ef o r m e r s t u d i e s i tc a nb eu s e dt oc o l l e c tt h em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t sa n dp r o d u c et h e m e a s u r e m e n tm o d e lw h i c hc a nb er e c o g n i z e db yt h ew o r k f l o we n g i n e k e yw o r d s ：w o r k f l o w , p r o c e s se v a l u a t i o n ，p r o c e s sm e a s u r e m e n t ，m e a s u r e m e n tm o d e l i n g i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 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电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：互狸弩卜指导教师签名： 2 缈降g 月7 日聊歹年钥7 7 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得西北大学或其它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已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：包鸺 劲秒7 年莎月f 7 日 西北大学硕士学位论文 1 1研究背景及意义 第一章绪论 当前随着全球化市场的建立并逐步完善，企业在迎来一个更广阔的市场的同时也面 临着越来越激烈的竞争。此外，大型企业在逐步扩大自身以形成规模化效益的同时，也 发现随着企业组织结构的扩大，因管理和信息流通而产生的成本急剧上升。因此企业越 来越关注通过对企业内部组织结构或流程的改造来提高效率，降低成本，以此来提高企 业的竞争力【1 1 。 工作流技术是当前信息技术的研究热点，并且目前已经作为支持企业业务流程管理 的重要理论基础而得到广泛研究和应用。信息化浪潮使得企业的生产和管理效率大为提 高，但是在最初的年代，组织内部各个机构的信息系统都是处于各自为政的状态，各机 构之间沟通和信息传递的开销阻碍了效率的迸一步提高。工作流技术及工作流管理系统 的出现使得整个组织内的信息系统能够协同工作，使管理者可以利用信息技术来支持整 个生产流程的管理，因此使企业的效率能够再上一个台阶。因为现代企业的组织结构常 常是分布、异构的，传统的流程管理技术也已逐渐无法适应新的企业环境的需要。随着 分布式系统和高速网络的应用普及，利用以上技术工作流管理系统可以更好地支持企业 的管理，因此业界和学术界对工作流技术都给予了广泛的关注，在研究中提出了各种流 程建模理论和方法【2 】，以及一系列相关的验证技术和评价指标等。1 9 9 3 年，工作流管理 联盟w f l v i c ( 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 ) 成立，作为工作流相关技术的标准化组织， 工作流管理联盟的成立标志着业界和学术界对于工作流的关注提升到了一个前所未有 的高度，同时也标志着工作流技术的日渐成熟。工作流管理联盟在诸如工作流相关技术 术语、工作流系统体系结构以及工作流系统模块间的接口等方面制订了相关的标准【3 4 】， 使得工作流管理系统的技术标准较之以前更为规范，为不同工作流管理系统之间的互操 作创造了必要的先决条件。同时也因此，工作流相关产品迈入了一个更加蓬勃发展的时 代。 对业务流程进行形式化建模是工作流技术的基础，目前被采用的工作流建模方法主 要有有向图【5 1 、事务流程链【6 1 、i d e f 系列方澍7 1 以及p e t r i 网【8 ，9 ，1 0 】等。在众多的流程建 模方法中并不存在某一种普适的、没有缺点的度量方法。这些流程建模方法从不同的角 度出发，面向不同的侧重点，各有优势和不足之处，因此在实际工作中应根据具体情况 第一章绪论 的不同而进行选取。本文所讨论的建模方法是基于p e t r i 网理论扩展而来的信牌驱动工 作流计算模型。信牌驱动工作流计算模型是西北大学软件工程研究所在p e t r i 网的基础 上进行扩展所得到的用来对流程模型进行描述的形式化建模方法【1 l 1 2 】，该方法已经被证 明对工作流模型有良好的表达能力【1 3 】。因此本文选取该工作流建模方法作为度量建模的 基础。 随着对工作流相关理论研究的不断深入，很多公司在这些理论基础上开发出了各具 特色的工作流管理系统【1 4 】。工作流管理系统是用来支持企业流程管理，对企业业务流程 进行组织、建模的软件产品，它是在对业务流程逻辑进行形式化表达的基础之上，在软 件系统的支持下对工作流进行定义、管理和执行的的系统。工作流系统一般至少包括三 个主要的功能模块，1 ) 流程定义建模功能；2 ) 业务流程执行过程中对业务流程的控制 管理功能；3 ) 业务流程执行过程中的人机交互功能【3 j 。进入应用领域的工作流管理系统 有上百种，除了这些专门的工作流管理系统之外，大多数e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c e s p l a n n i n g ) 系统中也包括工作流引擎。比较知名的工作流管理系统有s t a f f w a r ep l c 的 s t a f f w a r e 、l e yg m b h 的c o s a 、a c t i o n t e c h n o l o g i e s 的a c t i o n w o r k f l o w 和i b m 的m o d e l e r 等，协同时光公司的s y n c h r o f l o w 在国内市场也得到了良好的评价。 随着信息技术和相关工具在商业领域的广泛应用，越来越多的企业借助信息技术进 行业务流程重组( b p r ，b u s i n e s sp r o c e s sr e e n g i n e e r i n g ) 以提高自身的生产效率和服务 质量，以此来应对日渐激烈的商业竞争【1 5 】。b p r 是由美国的m i c h a e lh a m m e r 和j a m e c h a m p y 于上世纪9 0 年代提出的一种管理思想【l 】，其主要思想是以业务流程为对象，以 提高企业效率和提升用户满意度为主要目标，利用信息技术对现有业务流程进行全面地 分析、评估，找出现有业务流程的瓶颈或可被改进之处，然后对业务流程进行重新设计。 在企业进行b p r 的过程中，工作流管理系统( w 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 ) 已 经成为必不可少的支持环境。 企业界在实践中已经广泛引入工作流管理系统，随着工作流管理系统广泛应用的同 时，对流程模型进行业务监控以及对流程模型的改进越来越成为企业迫切的需要1 16 1 。对 流程的度量是进行监控、分析与改进的基础1 1 7 】，只有对流程进行有效的度量并取得量化 的度量结果，才有可能根据这些结果客观地对流程运行表现及性能进行分析。然而当前 很多工作流管理系统产品并未在提供工作流建模功能的同时提供对流程模型的度量，或 者仅提供固化的不可更改的度量模型【1 8 】。 对于业务流程的度量是被组织广泛关注的活动，因为组织需要通过度量活动来评价 2 西北大学硕士学位论文 当前业务流程存在哪些瓶颈，在哪些环节可以被改善，从而以此来指导组织的b p r 。业 务流程的度量是一项目标驱动的活动【1 9 】，在实际应用中经常需要参照不同的目标对度量 模型进行变更，因此不存在一劳永逸的度量建模活动，所以为度量建模活动提出建模方 法和设计辅助工具是十分有现实意义的。当前，业务流程的性能评价指标已经被广泛研 究，但是因为其中一部分性能评价指标的信息需求不能被工作流的建模方法支持而无法 被自动化地应用。此外，由于实际工作中组织所关注的流程性能指标往往与该业务流程 的具体应用领域密切相关，必须在实际业务流程模型被确定之后才能根据该流程模型的 具体细节来进行流程度量的设计。因此有必要为企业的流程设计人员和管理决策者提供 一个能够根据自身实际环境和需求进行自定义度量建模的平台，以便其在实际应用中进 行关于流程度量的二次开发。 在国家8 6 3 计划和各上级组织的大力支持下，西北大学软件工程研究所近年来一直 致力于工作流管理系统及其相关课题的研究，尤其在工作流流程建模领域，提出了信牌 驱动工作流计算模型，在此基础上已经有成熟的工作流管理系统被广泛应用于实践中。 本文所做的工作是国家8 6 3 计划高可信软件生产工具及集成环境专题下面向流程管理的 软件生产线课题的一个子课题，主要工作内容是依据业务流程度量的需求对基于信牌驱 动的工作流计算模型进行扩展，使其能够支持流程度量建模的需求；同时以被广泛认可 的流程评价指标为依据，对流程模型中与具体业务无关的共性要素设计不依赖于应用领 域的度量元；并在此基础上开发基于流程静态模型的流程度量建模工具，该工具可以解 析以s y n c h r o f l o w 流程建模工具建立的流程静态模型，并根据流程的元素向用户提供度 量设定的接口，利用表单收集用户对于该流程模型的度量需求，然后对用户的度量需求 进行组织并将其写入度量模型文件以供工作流引擎来使用，并为工作流引擎提供一个度 量数据库和相关的数据库读写接口，以便工作流引擎能够按照用户的需求向数据库内写 入流程运行实例中用户所需要的历史数据，以合理的结构将这些数据在数据库中组织起 来，使工作流管理系统的管理与监控模块能够读取相关的数据。该工具能够支持对业务 流程的度量建模活动，用户能够使用此工具对业务流程根据不同的目标自定义不同的度 量。同时为了方便用户的使用，该工具还提供了一组预设的与具体应用领域无关的缺省 度量元供用户选择使用。本课题所开发的工具是基于b s 架构的应用，因此整个组织只 要将服务器端部署完毕即可使用。组织中的工具使用者只需使用页面浏览器即可方便地 使用本工具，无需在客户端机器安装任何额外的应用程序或服务。因为当前大型企业的 组织结构通常是在地理上分布广泛的，因此采用b s 架构更易于应用的安装和部署，避 第一章绪论 免了c s 架构的软件要分别为处于不同位置的大量用户分别安装客户端的时间消耗和成 本花费。同时基于w e b 的操作方式更接近用户日常工作中熟悉的操作模式，使用户更 易掌握工具的使用方法，降低了对工具使用者进行培训的成本。 本课题的研究意义在于扩展了信牌驱动工作流计算模型，对业务流程的度量以及度 量需求做一形式化的定义，并开发一个自动化的桌面辅助工具为业务流程度量活动提供 支持。用户使用此种方法和工具与流程仿真工具配合工作，可以对流程模型进行度量， 同时将结果与流程性能评价指标做对照可以方便地对流程模型进行性能评价。解决了当 前多数工作流管理系统不提供流程度量建模功能的问题，为用户的流程度量活动提供了 支持。 1 2 论文的主要工作 本文主要研究对于工作流模型的度量建模方法，其中主要的工作包括以下几个方 面： 1 讨论了利用p e t r i 网进行流程建模的相关理论，同时研究了基于p e t r i 网的信牌 驱动工作流计算模型的流程建模的形式化方法。 2 在信牌驱动工作流计算模型的基础上进行了扩展，给出了流程度量的元模型， 以支持流程度量建模的需要，并在此基础上，讨论了流程度量的度量元的设计 思想，以流程评价的指标为指导建立了一组与具体流程特性无关的流程度量元。 3 以e c l i p s e 、t o m c a t 和s q ls e r v e r2 0 0 5 为开发环境，以j s p 和j a v a s c r i p t 为主 要开发语言，设计并实现了与工作流管理系统s y n c h r o f l o w 协同工作的b s 架 构的桌面辅助工具流程度量建模工具m m t 。 1 3论文的组织结构 本文的讨论主要围绕工作流流程度量及其相关理论进行，共分为六章，每章的内容 及组织结构如下： 第一章绪论 本章首先讨论产生流程度量需求的背景，其次介绍本文的主要工作和工作目标，最 后介绍本文的组织结构。 第二章相关研究 本章讨论了工作流模型以及流程评价方面的相关研究现状。 4 西北大学硕士学位论文 第三章信牌驱动工作流计算模型的理论基础 本章介绍工作流及工作流元模型的基本概念，并重点讨论了p e t r i 网的建模方法， 然后对经p e t r i 网扩展而来的信牌驱动工作流计算模型的相关理论做一介绍，同时展示 了信牌驱动工作流计算模型建模的形式化表达。 第四章工作流模型的度量建模 本章首先介绍了流程度量相关的理论基础，然后以流程评价的主要指标入手设计了 一组与具体业务特性无关的度量元，并利用度量扩展的信牌驱动工作流计算模型对其进 行了形式化的表达。 第五章度量建模工具的设计与实现 本章首先介绍了度量建模工具的开发环境，并给出了系统内部逻辑的设计，最后通 过一个典型的应用场景展示了系统的部分操作界面和操作方法。 第六章总结与展望 本章对本文的主要理论和实践工作做一总结，同时展望进一步工作的前进方向并检 查现有工作中的不足。 第二章相关研究 第二章相关研究 当前对于工作流的研究主要集中在工作流相关理论基础研究和工作流管理系统的 实现方面。前者主要包括工作流管理系统的系统架构、形式化表达方法、建模方法、相 关验证理论等。后者主要包括工作流管理应用软件的研究和实现等方面。文献【6 ，9 ， 2 0 2 3 分别基于不同的应用需求提出了不同的工作流建模方法，其中v a i ld e ra a l s t 在基 于p e t r i 网的流程建模领域做出了重要贡献( 9 ，1 8 , 2 4 , 2 5 1 ，本文讨论所涉及的建模技术即来 源于p e t r i 网。 工作流管理系统是使用计算机技术来对具体业务流程进行描述，使得计算机系统能 够支持业务流程的定义、执行、监控和管理的工具。为使计算机技术能够支持企业的具 体业务流程，首先需要使用某种建模技术与工具对业务流程进行建模，以使业务流程能 够以可被计算机识别处理的形式化定义来表现。流程建模阶段的主要工作是对组织的具 体活动、以及活动之间的时序逻辑与控制条件进行抽象，使计算机能够以合适的形式来 表现并处理现实中的具体业务流程。将业务流程利用建模技术与工具转化后得到的抽象 表示叫做流程模型或过程模型。一次业务流程执行前将会被分配有相应的资源，该流程 对应的模型将根据实际执行条件被实例化，即为该流程模型配置适当的参数。业务流程 开始执行后，工作流管理系统将会根据该流程模型的定义以及得到的资源以计算机自动 执行或辅助执行的方式来完成或支持该业务流程。 对业务流程进行流程建模是工作流系统工作所必需的先决条件，流程建模也是计算 机支持下的流程分析、流程度量、流程重组的基础，是工作流系统的关键部分。以下简 要介绍几种目前主要使用的流程建模方法： 1 流程图 流程图是一种遵循a n s i 标准的建模方法，其主要优点是简单直观、易于理解。主 要缺点是缺乏柔性，只适合于较为固定、异常情况较少的业务流程。 2 事务流程链 事务流程链( e p c ，e v e n tp r o c e s sc h a i n ) 是一种基于有向图的建模方法，它参考了 实体一关系模型和数据流图的方法。其主要优点是简洁，并且有较强的表达能力，在一 般的情况下能较好地支持b p r 。其主要缺点在于无法对逻辑较为复杂的业务流程进行 描述和分析。 3 i d e f 系列 6 西北大学硕士学位论文 i d e f 系列模型包括一系列的建模方法，由于在流程建模领域应用广泛所以有着重 要的影响力。其优点在于它本身表达能力使其能够精确描述一些复杂系统。其缺点在于 它无法对动态模型进行描述和分析。 4 p e t r i 网 p e t r i 网是德国学者c a r la d a mp e t r i 于1 9 6 2 年代提出的建模方法。其优点在于它有 着规范的模型语义和丰富的表达能力。同时，在研究和应用的过程中经典p e t r i 网被赋 予了许多高级特性，如赋时p e t r i 网【2 6 1 、着色p e t r i 网【2 7 1 等，这些高级特性使p e t r i 网在 特定领域能够拥有更大的优势。 为使工作流建模技术能够支持流程建模的需求，需要在工作流元模型层次上进行讨 论。工作流的元模型用来描述工作流内部的各个元素及其属性，以及元素之间的关系【2 8 1 。 工作流元模型首先将参与流程运行的各个元素分为工作流流程元素和工作流参与对象。 工作流流程元素即是流程定义中所涉及的各个概念，如流程模型中的任务和条件( 即 p e t r i 网中的变迁和库所) 。工作流参与对象是指参与流程执行的各个实体的定义，包括 该实体的对象名、属性和相关操作等。具体来说工作流参与对象主要包括流程运行时的 相关数据、组织的组织结构模型、组织内的角色以及其它参与流程运行的资源的相关定 义等f 2 9 1 。 元模型作为工作流管理系统的理论基础，得到了研究人员广泛的重视。赵文等人在 文献 3 0 1 分析了工作流联盟的工作流元模型，并引入了一种新的元模型元素“连接符 ( c o n n e c t o r ) ，对工作流元模型以及工作流定义语言作了改进和扩展。文献 3 1 】讨论了工 作流模型及其形式化描述的问题，并提出了一个包含3 个子模型的工作流模型。文献 3 2 】 提出了支持动态特性的工作流过程元模型。文献 3 3 】论述了基于m o f 的工作流元模型 的设计原理，分析了过程元模型及工作流性能。上述文献所描述的现有的工作流元模型 并未考虑有关业务流程度量的因素。文献 3 4 提出了一种符合m o f 规范的工作流时间 元模型，设计了支持时间管理的工作流系统框架。文献 3 5 1 提出了一种基于工作流元模 型的作业成本分析方法。文献 3 5 虽然在工作流元模型中加入了支持业务度量的部分， 但都是针对流程的某个特定属性，缺乏适应性和通用性，但对本文的研究工作给出了很 好的启示。本文所研究的业务流程的度量主要关注的对象就是工作流参与对象在流程运 行时产生的相关数据，这些数据是流程度量的基础。对业务流程进行度量需要采集业务 流程实际运行或仿真时产生的相关数据，即采集工作流元模型中各个元素的某些属性在 特定时间的值。所以对业务流程进行度量需要对现有的工作流元模型进行扩展以使其支 7 第二章相关研究 持对流程的度量。这样做的最大好处是使度量成为流程实例运行时的副产品，因此可保 证数据的准确性和及时性，以帮助管理者第一时刻做出科学的决策。 对业务流程利用支持度量的建模技术建立流程模型之后，对于流程度量还有一项重 要的工作即是度量元的选择。对于不同的用户，度量元的选择依赖于用户所关注的流程 性能指标。文献 3 6 讨论了以建立流程指标的方式评价流程的方法，文献 1 6 提出了一 套对流程性能进行评价的指标，文献 3 7 】分析了基于模型的分析方法和模拟方法的流程 评价方法，文献 3 8 】讨论了一种对工作流模型性能参数进行定量分析的方法，文献【3 9 】 对流程关键性能进行了形式化表达并讨论了各性能指标之间的相关度，文献 4 0 提出了 一种基于排队论的面向流程时间性能的分析方法，文献 4 1 ，4 2 分别提出了制造领域的一 系列评价指标。这些流程评价指标各有不同的侧重点，都对实际流程度量工作有着很好 的指导意义。同时，在以上评价指标的基础上，本文避开具体业务流程特征的差异，从 中提取了一组与具体流程无关的度量元，作为度量建模工具提供的缺省度量元供用户使 用。 本文试图在工作流建模理论的基础上进行进一步的讨论，尝试提出可支持度量活动 的流程建模模型。并以以上流程评价指标的相关理论为指导，在前人工作的基础上提出 一系列与具体业务流程特征无关的度量元，并利用度量扩展的信牌驱动工作流计算模型 对这些度量元进行建模。 西北大学硕士学位论文 引言 第三章信牌驱动工作流计算模型的理论基础 工作流技术是近年来在各个领域被广泛应用的用来优化业务流程结构、提高效率的 技术，为使计算机系统能够支持工作流技术，使工作流技术能够更方便地应用，需要一 种形式化的方式对业务流程及其相关实体进行建模。西北大学软件工程研究所在p e t r i 网的研究基础上提出了信牌驱动工作流计算模型【1 1 1 。本文以下将对p e t r i 网和信牌驱动 工作流计算模型的相关理论进行讨论。同时介绍以p e t r i 网为基础的信牌驱动工作流计 算模型，并简述使用该模型对业务流程进行静态表达的形式化方法。 3 1利用p e t r i 网进行流程建模的基本原理 在第二章中所介绍的流程建模方法是从不同的角度出发，面向不同的问题的，每种 方法都有其固有的优缺点，不存在一种完美的普适的建模方法，所以在流程建模的具体 应用中要根据实际情况来进行选择。本文所讨论的流程建模方法即是由p e t r i 网扩展而 来的信牌驱动工作流计算模型，因此此处对p e t r i 网的理论基础做一重点介绍。 p e t r i 网是一种形式化的网状模型，它能避免建模过程中可能出现的二义性和不确定 性，有利于利用计算机进行实现。它是一种二分图，能够利用图形化的方式来表现业务 流程，使人们能够更直观地描述和理解业务流程。经典p e t r i 网使用库所( p l a c e ，以空心 圆形表示) 和变迁( t r a n s i t i o n ，以空心方形表示) 来表示条件和活动两类节点，库所和变迁 由有向边相连，一条有向边的两端必须是不同类型的节点，即两个库所节点之间或两个 变迁节点之间不能直接相连。通过这些有向边我们可以确定一个变迁的输入库所和输出 库所。 库所中可以放置令牌( t o k e n ，以圆点表示) ，一个特定流程的p e l r i 网模型的库所和变 迁的拓扑结构是不变的，但是库所中令牌的分布是会变化的，p e t r i 网模型利用令牌在 库所中的分布状态来标示该模型运行中的不同状态。流程模型的状态即p e t r i 网中令牌 的分布可以用一个向量组来表示，例如一个流程模型包括3 个库所，在某时刻，其中第 一个库所内有2 个令牌，第二个库所内有0 个令牌，第三个库所内有1 个令牌，则此时 该流程模型的状态可以用 2 ，0 ，l 来表示。 当一个变迁的每一个输入库所中都至少有一个令牌时，则称该变迁处在激活状态。 9 第三章信牌驱动t 作流模型的理论基础 在激活状态的变迁可以被激发，当变迁被激发时，将从它的每一个输入库所中减去一个 令牌，并再它的每一个输出库所中添加一个令牌。由此可见，变迁的激发会改变p e t r i 网中令牌分布的情况，即变迁的激发会改变p e t r i 网的状态。因此，变迁一般用来表示 一个事件或一次操作等会改变流程运行状态的概念。与之相反，库所是被动的，它不能 改变系统的状态，所以库所常常用来描述环境、位置、子状态、阶段、条件等。而令牌 用来描述被处理的客体，它可以是实体，也可以是信息流。 p e t r i 网可以用来描述流程活动之间的顺序、并行、条件分支和循环等基本关系，利 用以上这些基本关系的组合可以描述现实中业务活动之间的逻辑关系。 尽管经典p e t r i 网以其易用性和严格的数学基础而被广泛使用，但是在实际应用中 还是有一些不足之处。在描述某些特定流程的时候，利用经典p e t r i 网得到的流程模型 可能会过于庞大或复杂，甚至有时是难以利用p e t r i 网进行建模的。因此在后续的研究 中p e t r i 网被以不同的方式进行了扩展，正是得益于这些扩展，使得一些复杂情况可以 使用高级p e t r i 网以一种结构化且易于实现的方式来建模。在各种p e t r i 网的高级扩展方 式中，着色p e t r i 网【4 3 4 4 、赋时p e t r i 网【2 6 】和层次p e t r i 网【4 5 1 是三种较为重要的形式。 实践中使用p e t r i 网对业务流程进行建模的过程一般可分为三个阶段，首先对业务 流程进行描述，其次对建立的流程模型进行流程正确性的验证，然后对流程模型进行仿 真或实际运行以得到对其性能进行评价所需的相关数据。本文主要讨论的对流程的度量 即是对流程进行性能评估的重要基础。 利用p e t r i 网对流程进行建模的过程就是一个从业务流程到流程模型映射，即将整 个流程用一个p e t r i 网来表示。流程的边界用一个开始库所( 没有输入边的库所) 和一 个结束库所( 没有输出边的库所) 来限定。流程中的事件或任务用变迁来来表示，因为 p e t r i 网的状态是通过变迁的激发来改变，这与流程中事件的作用类似。开始库所和结 束库所标志着流程的起止，其它库所用来表示流程中可能达到的各个条件或环境。事务 或流程执行的一次实例是由一个或多个令牌来表示，当开始库所中出现一个令牌时，说 明一次事务已经准备执行。在一次事务执行的过程中，p e t r i 网中的令牌数目会有所变 化，其中的令牌数目等于该事务当前所满足的条件数。直到结束库所出现一个令牌，说 明此次事务已经执行完毕。流程模型至少要满足以下两个条件，首先一次事务在经过一 系列任务的执行后，最终都必须能够到达结束状态，其次当p e t r i 网中的某一个令牌到 达结束库所时，p e t r i 网中不能仍然存在与该令牌同属于同一次事务的其它令牌。 当属于同一流程的不同事务并行执行时，使用者需要将从属于不同事务的令牌区分 1 0 西北大学硕士学位论文 开来。有两种办法可以达到这样的目的，一是为每一次事务都分配一个专属的流程模型 的副本；另外一种办法是使用着色p e t r i 网，用不同颜色的令牌区别同一流程的多次事 务。 实践中的业务流程执行过程中往往涉及路径选择的问题，这就需要p e t r i 网有相应 的逻辑结构来对其进行建模。p e t r i 网主要用以下四种逻辑结构来描述任务执行的逻辑 关系：顺序、并行、选择和重复。 1 顺序执行 当两个任务的执行有严格的时序关系，任务2 的执行必须在任务1 之后，则这样的 关系可以用顺序结构来表示。通常用顺序执行的两个任务之间有着相互依赖的关系，例 如在前执行的任务的输出是在后执行的任务的必要输入，只有当前面的任务执行完毕之 后后面的任务才可能被执行。 2 并行执行 当两个以上的任务可以同时或按任意顺序互不干扰地运行，则这些任务之间是并行 执行的关系。在p e t r i 网中，这样的结构通常用一个与分支的变迁来指向并行执行的多 个任务路径，当并行执行的多个任务都被执行完成后，通过一个与合并的变迁来将路径 合并并使其同步。然而与分支和与合并的变迁在实际业务流程中不一定有与其对应的任 务，当实际业务流程中不存在该分支或合并任务时则可以添加一个与分支或与合并变 迁。这种添加的不对应任何具体任务的变迁叫做管理任务。通过添加管理任务，我们可 以用p e t r i 网合适地表示出并行执行的结构。 3 选择执行 实际的流程当中在某一阶段经常会需要从多个可选路径中选择其中的一条路径使 流程继续进行，这样的路径选择称为选择执行。在p e t r i 网中可以用指向多个变迁的库 所来表示，这种从一个库所指向多个变迁的结构叫做或分支。多条可选路径最终通过由 多个变迁指向同一库所的或合并汇聚到同一路径。分支的选择可以通过设置前置条件来 实现，事务执行时通过判断到达或分支的令牌符合哪一个前置条件来决定选择哪一条可 选路径。 4 循环执行 在某些情况下，流程中的一项任务在同一事务中需要重复执行多次，这种情况称为 循环执行。在p e t r i 网中，在需要被循环执行的任务之后，会通过一个或分支来判断继 续执行之前的任务或者结束循环进入流程的下一环节。类似选择执行，判断是否循环执 l l 第三章信牌驱动工作流模型的理论基础 行依赖于具体事务的某项属性。 实践证明，使用以上几种逻辑控制结构的组合即可以描述多数业务流程的拓扑结 构，因此p e t r i 网的控制结构可以满足实际建模应用的需求。 通过以上介绍我们可以看到p e t r i 网有着严格的数学描述作为基础，并有直观的图 形化表示形式。虽然p e t r i 网已被证明对于系统的结构和行为具有良好的描述能力，可 以很好的描述过程的控制结构，但是一般并不直接使用p e t r i 网作为描述工作流过程的 模型i l 到，因为p e t r i 网并没有涉及流程相关数据、环境数据以及对其的操作等方面的定 义【1 2 】。因此，西北大学软件工程研究所在p e t r i 网的理论基础上提出了信牌驱动式工作 流计算模型，利用此模型可以较好地对工作流系统进行描述，该模型也是本文工作的基 础，后文将对其进行重点介绍。 对于利用p e t r i 网建立的流程模型，首先要对它进行分析，要先确保其不存在潜在 的错误，并且尽可能地使该流程模型执行的时间花费和资源消耗尽量的少。对p e t r i 网 有许多分析技术，主要可以分为定性分析和定量分析两类。定性分析主要关注p e t r i 网 所建立的流程模型的逻辑正确性，例如是否存在死锁等异常状态。定量分析则主要关注 流程模型的性能表现，例如流程的平均完成时间和资源利用率等。定性分析还可再细分 为静态分析和动态分析，静态分析主要考察p e t r i 网的拓扑结构，动态分析则可以通过 p e t r i 网的出现图来获取所需的信息。 本文主要关注对流程的性能进行分析。对流程模型进行仿真是通常是一种可行和有 效的分析手段。通过对对业务流程运行过程进行仿真分析得到的各项定量的流程指标， 以此来分析和判断业务流程中是否存在瓶颈，有哪些环节影响整体效率需要进一步改 进，以及流程运行状况是否良好，由流程仿真得到的各项结果可以用来支持企业b p r 的前期分析和改进后的效果评价，为企业的决策提供支持。 为使用流程仿真方法来对流程进行性能分析，首先要模拟流程的仿真环境，其中事 务的生成规则是关键项目。工作流管理系统模拟一系列按照规则生成的事务在流程模型 中的运行，收集运行时的各项数据，并按照要求对数据进行分析计算生成分析报告，使 用户能够定量地对流程模型的性能进行分析。 用户在性能分析中主要关注的是流程模型的时间性能和资源利用率性能等指标。流 程模型中一次事务的运行时间包括一项事务从到来到最后完成的全部时间。事务在整个 流程模型中每一个任务( 即变迁) 中消耗的时间包括实际工作时间和等待时间。其中工 作时间是指事务在某任务处实际处理时间。等待时间因原因不同又可分为几种情况：如 1 2 西北大学硕士学位论文 因多个任务竞争同一资源或其它原因导致任务执行所需的资源不可用，所以必须等待； 以及事务在任务的阻塞队列中等待的时间。资源的利用率可以通过统计资源的相关时间 指标来计算。一个流程模型一次事务执行中某个资源的总时间即是本次事务从开始到结 束的时间，它包括工作时间，即资源用于处理事务的时间，空闲时间，即资源处于可用 状态，但并未参与事务处理的时间，以及无效时间，即资源因损坏或其它原因而处于不 可用状态的时间。因此资源利用率应为资源工作时间( 资源工作时间+ 资源空闲时间) 。 3 2信牌驱动工作流计算模型的基本概念 3 2 1 信牌驱动工作流计算模型简介 信牌驱动的工作流计算模型是由西北大学软件工程研究所在对p e t r i 网的研究基础 上提出的工作流元模型1 1 】【1 2 1 。“信牌”制源于宋代，是我国古代官府的一种执行行政事 务的制度。信牌是古代官府的公务人员执行任务时的凭证，官员只有在有相应的信牌的 才能执行特定的任务。这里借助于这个概念，在利用p e t r i 网的路由控制结构进行描述 的基础上，将p e t r i 网中t o k e n 、p l a c e 和t r a n s i t i o n 等术语转变为易于理解和接受的信牌、 信牌箱和活动等概念来描述，同时引入全局变量、变量值域 、任务的功能函数以及后继 函数。将任务实例的一次运行抽象为任务功能函数以及后继函数的执行过程，赋予任务 以功能函数的语义，并通过后继函数来决定后续流程控制信牌转移的方向【1 2 】。文献 1 3 】 证明了该模型是一种具有很强表达能力的模型，能够支持各种工作流模式并满足广泛的 业务应用。基于此模型所开发的的工作流管理系统s y n c h r o f l o w 已在电信、能源等领域 得到了广泛的应用，目前已升级至5 2 版，在实践中证明该模型对于实际业务流程有良 好的描述和建模能力。图3 1 描述了扩展的信牌驱动模型的模型元素及相互之间的关系。 3 2 2 信牌驱动模型工作流计算模型 为对信牌驱动工作流计算模型进行较深入的讨论，本文此处给出该模型形式化的静 态描述【1 1 】： 定义1 ：定义一个多元组m = 为一个业务流程。其中： x ：变量集合。变量包括流程中控制转移的相关数据和具体活动中功能函数所需的各种 数据。 第三章信牌驱动工作流模型的理论基础 图3 - 1 信牌驱动模型 v ：值域集合。值域是各相关变量的可能的取值范围，用来描述数据在流程中可能经历 的初始状态、中间状态和最终状态，值域可以是普通值域，也可是以文件中或数据库的 某一项等。 t ：x v ，t 是从x 到v 的映射，用来表示变量的类型。( 即：对于任一个x x ，t ( x ) v ) 。 p ：信牌箱的集合。在流程运行中利用信牌箱的状态( 即信牌箱中存放信牌的个数) 来 决定任务活动的路由控制转移。 p t ：终止信牌箱。p t p ，终止信牌箱是信牌箱集中用来标志流程结束的特殊信牌箱， 一次事务中当p t 非空时表示流程结束。 a ：活动集合。每个活动元素a a 表示流程中的一个活动实体，活动的属性包括名字、 d 、类型、角色和参与者信息、功能函数和后继函数等。活动集合中有逻辑顺序关系的 1 4 西北大学