（计算机软件与理论专业论文）水资源配置工作流建模及有效性验证.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 摘要 工作流技术是实现企业业务过程建模、过程管理与过程自动化的核心技术。随着信息技 术的发展和计算机应用的普及，t 作流技术正在受到越来越多的关注。在与上作流相关的各 类技术中，工作流建模是当前研究的一个热点。 水资源配置主要有单源单约束、单源多约束和多源多约束三种情况，本文着重将t 作流 技术应用于水利领域的水资源配置过程，目的是提高水资源配置系统的效率，特别是应对突 发事件的能力。重点分析了非常态控制问题，综合考虑了非常态水资源配置的各种情况，对 其各种情况的控制过程进行合理的抽象，设计递归算法s e a r c h r e g u l a t e g a t e ( i n tn ) 实现了 搜索单源多约束控制点，多源多约束情况下非常态控制与常态控制的搜索控制点过程皆可循 环调用此算法来实现，并设计相关算法实现了统一水资源配置各种控制过程的工作流建模， 重点研究了非常态控制过程建模，在此基础上进一步展开对工作流模型的验证。 本文利用统一建模语言u m l ( u n i t e dm o d e l i n gl a n g a g e ) 对水资源配置过程进行系统的 工作流建模，通过对水资源配置的物理过程分析，采用u m l 活动图对其进行工作流建模，得 到水资源配置工作流模型，这个工作流模型有效地解决了水资源配置常态过程与非常态过程 的闭环控制问题，给出了子| t 作流节点非常态控制过程的工作流模型，有效的解决了非常态 控制过程中难以预测的问题。为了验证所建模型的正确性，本文先将u m l 模型转化为工作流 网，然后采用可达树方法画出模型的可达树，由可达树的性质验证了模型的正确性。 关键词：工作流模型，水资源配置，非常态控制，u i l ，活动图，递归 a b s t r a c t w b r k f l o wt e c h n o l o g yi st h ec o r et e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tt h ec o r p o r a t e b u s l n e 5 5p 。0 c e s s m o d e l i n p r o c e s sm a n a g e m e n ta n dp r o c e s sa u t o m a t i o n a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to tm e i n f o 咖a t i o nt e c h n 0 1 0 斟a n dt h ec 伽1 p u t e rw i d e s p r e a d 印p l i c a t i o n ，w o r k t l o wt e c h n o l o g y n a s i n c r e a s i n g l yb e e np a i da _ t t e n t i o nt o a m o n gm e r e l e v a n tw o r k f l o wt e c l l l l o l o g y w o r k t l o wm o d e l l n g b e c o m e st h er e s e a r c hh o ts p o t t h e r ea r et h r e ec a s e so fs i n g l er e s o u r c ew i t hs i n g l er e s t r i c t i o n ，s i n g l e r e s o u r c ew l mm a n y r e s t r i “o n sa n dm a n yr e s o u r c e sw i t hm a n y r e s t r c t i o n si nc o n f i g u r i n gw a t e rr e s o u r c e l n l sp a p e r a p p l i e sw o r k n o wt e c h n o l o 影i nc o n 6 9 u r i n gw a ：t e rr e s o u r c ei nd o m a i no tl m g a t i o nw o r k st 0 i m p r o v et h ee 币c i e n c yo fw a t e rr e s o u r c ec o n f i g u r i n gs y s t e ma n d t h ec 印a b i l i t yo t 。d e a l m gw i t h a c c i d e n t s e m p h a t i c a l l ya n a l y z e sa b n o m a lc o n t r o lp m c e s s ，s y n t h e s i z i n g t h ec o n s l d e r a t l o no t a b n o m a l w a t e rr e s o u r c e c o n f i g 嘶n g i n s t a n c e ，d e s i g n s t h e r e c u r s l v ea r l t n m e t l c s e a r c h r e g u l a t e g a t et os e a r c ht h ec o n t r o lp o i n t so fs i n g l er e s o u r c e w i t hm a n yr e s t n c t l o n 5 ，t h e nt n e a b n o 咖a la n dn o 咖a 1c 伽t r o lp r o c e s si nm a n yr e s o u r c e sw i t hm a n y r e s t r i c t i o n sc a nc l r c u i a r l yc a u t h ea r i t h m e t i ct oi m p i e m e n t ，r e l a t i v ea r i t h m e t i cd e s i g n e dt or e a l i z ew o r k n o w u n i f i e dm o d e l l n gt o r b o t hm a n yc o n t r o lp r o c e s so f w a t e rr e s o u r c ec o n 6 9 u r i n ga 1 1 da b n o m l a lc o n t r o lp r o c e s s ，t h e n t n e v a l i d i t yo f t h ew o r k n o wm o d e l i n gi sv e r i f i e d t h i sp a p e ru s e su m l ( u n i t e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) t ow b r k f l o w p r o c e s sm o d e i m g ；a c c o r d m g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c su p w a r d s ，w eu s eu m la c t i v i t yd i a g r a mt og e tt h ew a t e rr e s o u r c ec o n n g u n n g w o r k f l o wm o d e l i n g ，i te f - f e c t i v e l ys o l v e st h ec l o s e d1 0 0 pp r o b l e mo f n o m a la n da b n o m a ip r o c e s s ， t h ew o r k f l o wm o d e l i n go fa b n o n n a lc o n t r o lp r o c e s ss o l v e st h ep r o b l e m sw h i c h a r ed l f l l c u l tt o f o r e c a s t 。t bd r o v et h ec o r r e c t n e s so fm o d e l i n g ，t h i sp a p e rp m p o s e s am e t h o dw h l c hc a nt r a n s 士。珊 u m lm o d e l i n gt 0w f n e t t h e ng e t st h er e a c h a b l et r e eo ft h em o d e lu s i n gam e t h o do t t n e r e a c h a b l et r e e ，a 1 1 dv a l i d a t e st h ee x i s t i n gm o d e la c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so tu 1 er e a c t l a b l e t r e e k e y w 。r d s ：w 。r k f l o wm o d e l i n g ，w a t e rr e s o u r c ec 。n f i g u r i n g ，a b n o r n l a lc o n 仃0 1 ，u m l ，a c t i v i t ) r d i 碰即m ，r e c u r s i o n ， 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ，麦蝮盔易胡年 月，厂日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：盔逵盔珈g 年歹月，衫日 ( 注：手写亲笔签名) 河海大学硕上学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 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，特别是在 企业经营生产过程中的普遍应用，工作流技术正在成为计算机应用领域的一个热 点。目前，在全球范围内，对工作流的技术研究以及相关产品的开发已经进入了 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，移动计算，i n t e r n e t 服务等都已经被容纳到工作流管理系统中。工作流产 品的市场也以每年两位数字的速度迅速增长。 工作流( w o r k f l o w ) 起着越来越重要的作用，广泛应用于制造行业，特别 是柔性制造行业，它对异常事件的处理较之传统的信息系统具有更强的能力。工 作流管理系统具有的良好的协作性，应用于闭环的信息系统，可以提升系统的稳 定性，流程的自动化水平和工作效率；工作流管理系统的良好的柔性，可以充分 解决非常态的控制问题。 在水资源配置领域，信息流的闭环特性非常突出，实际例子也很多。存在单 源单约束的闭环控制，还存在很多多源多约束闭坏控制过程，情况则更为复杂， 可以呈三维状态分布以及嵌套递归。但是，实际应用中以“单源多约束”情况为 最常见。 本文将工作流技术应用于水利领域的水资源配置过程，目的是提高水资源 配置系统的效率，特别是应对突发事件的能力。目前水利信息化是指管理过程全 部通过数字信息来表达、运作和管理，尤其是要形成从信息源获取信息直至反馈 控制的完整的闭环过程。信息在水利领域中的生命周期一般经历五个阶段，即信 息获取( 采集) 、发送( 传输) 、接收、处理( 包括存储和管理) 、反馈( 各种应 用，如控制、决策支持等) 心1 。以水资源配置为例，水量配置是通过对水利工程 建筑的控制( 如闸门开启高度) 实现对干、支流( 渠) 进水口的流量调整，而闸 门开启高度又是由流量来决定的，因而构成了一个闭环控制过程，水资源合理配 置是实现水资源可持续利用的有效调控措施之一。 水资源配置过程中，常态控制，其过程是可以预知的，可以按预先设定好的 计划执行。但是，在常态控制过程中常常会遇到不可预知的事情发生，比如，异 常气候( 包括严重旱情，瞬问降雨，瞬间多发降雨等) ，特殊社会要求( 水污染， 洪水控制，非常态应急调水等) ，自然或认为灾害( 溃坝、塌方造成输水道堵塞 等) 针对这种不可预知时间所实施的控制为非常态控制，它必须通过人为干预来 解决。这种认为干预如何快捷、有效地转化为工作流的执行，目前还没有有效的 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 方法，也没有相应的控制软件。工作流管理系统具有的良好的协作性，应用于闭 环的信息系统，可以提升系统的稳定性，流程的自动化水平和工作效率；工作流 管理系统的良好的柔性，可以充分解决非常态的控制问题。本文综合考虑水资源 配置的各种情况，特别以非常态控制问题为研究重点，本文主要针对水资源配置 工作流的建模与验证两个方面展开研究。 1 2 研究现状 工作流技术发端于7 0 年代中期办公自动化领域的研究工作，由于当时各项 技术的不成熟，这项新技术并没有太大的发展。当时一些大学和研究机构已经开 始作有关的研究：宾夕法尼亚大学沃顿学院的m i c h a e ld z i s m a n 开发的原型系 统s c o o p ，施乐帕洛阿尔托研究中心的c l a r e n c ea e 1 l i s 和g a r yj n u t t 等 人开发的o f f i c e t a l k 系列试验系统都采用p e t r i 网的某种变体进行过程建模， 不但标志着工作流技术的开始，而且也是最早的办公自动化系统。 8 0 年代中期，f i l e n e t 和v i e w s t a r 等图形图像处理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口1 。他们把图像扫描、复合文档、 结构化路由、实例跟踪、关键字索引以及光盘储存等功能结合在一起，形成了一 种用于文档处理的图像处理系统，它可以把扫描得到的计算机文档，按照一定的 规则发送给相关人员。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 ，a c t i o nt e c h n 0 1 0 9 y8 0 年代推出的 c o o r d i n a t o r ，便是其中的典型代表h 1 。 进入9 0 年代，随着计算机的普及，计算机网络技术的迅速发展，集中式信 息处理的时代已经过去，实现大规模、异构、分布式执行环境陷1 ，使得相互关联 的任务能够高效运转并接受密切监控成为一种趋势。在这种不可抗拒的技术背景 下，工作流管理系统也由最初的无纸化办公环境，转而成为同化企业复杂信息， 实现业务流程自动执行的必要工具。这样的一个转变，也把工作流技术带入了一 个崭新的发展阶段，使得人们从更深层次、更广领域上对工作流展开了广泛的研 究工作，工作流系统的开发与研究由此进入了一个新的热潮。 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 l i a t i o n ，w f m c ) 的 成立标志工作流技术开始进入相对成熟的阶段。工作流技术被广泛应用于电讯 业、软件工程、制造业、金融业、银行业、科学试验、卫生保健领域、航运业和 办公自动化等多个领域1 。 w f m c 给出的工作流的定义是口1 ：工作流是一类能够完全或部分自动执行的经 营过程，在这个过程中，文档、信息或任务能够根据一系列过程规则在不同的执 行者之问进行传递与执行徊1 。研究和实践表明，工作流实质上是一个活动流和资 2 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 源流并行的业务过程，对资源流管理是工作流管理追求的一个关键性的指标四1 。 目前工作流的技术还不够成熟，市场上不同厂商提供的工作流产品都具有独 立的一套工作流模型、工作流定义语言以及a p i 函数。因为不同的系统之间缺乏 互操作的接口，一旦用户选定一种产品之后，很难再过渡到其他同类产品上。目 前在工作流建模方面还没有形成一套比较成熟的理论和方法，特别是模型验证方 面，严格的理论上的分析还几乎处于空白n0 j 。目前，基于图的工作流过程建模方 法主要有：数据流程图( d a t af l o wd i a 野a m ) ，功能语言i d e f 系列，p e t r i 网和u m l 等。数据流程图可理解性较强，有较好的计算机化能力，但是缺乏抽象机制；功 能语言i d e f 系列可以非常清晰地、分层次地用图形描述过程的功能，但是缺乏 动态分析的能力；p e t r i 网在清晰度和准确性方面有较强的优势，但p e t r i 网模型比 较复杂，理解起来比较麻烦；u m l 是一种定义良好、易于表达、功能强大且普 遍使用的建模语言，也被应用于工作流领域。利用u m l 提供的各种图形元素， 包括活动图，可以方便直观地描述用户需求、系统的静态特性和动态行为，实现 系统的模块化和模型的重用。综合来看，基于u m l 的工作流建模方法效果较好。 一个完整的工作流系统也称为工作流管理系统，w 舢c 给出的关于工作流管 理系统的定义是：工作流管理系统是一个软件系统，它完成工作流的定义与管理， 并按照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n 。工作流管理 系统通过分隔过程逻辑和业务逻辑来提高系统的灵活性，提高软件重用和异构软 件的集成n 引。w f m c 给出了工作流管理系统的一个通用框架工作流参考模 型，如图卜1 所示。它总共有五个接口，能够满足工作流管理系统和产品所应该 具有的主要功能特征，为实现工作流产品之间互操作提供了公共的基础引。 图卜1 工作流参考模型 本文的工作主要是对工作流建模与分析的研究，因此只与接口1 有关，即过 程定义接口，接口l 为工作流过程定义信息的交换提供了标准的互换格式口引。工 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 作流过程定义工具主要是用来分析、建模、描述并记录经营过程，它输出一个能 被工作流引擎动态解释的过程定义。 ( 1 ) 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。一个良 好的工作流建模既要为普通用户易于掌握，也要能为计算机系统方便、高效地解 释和执行。这方面的主要成果可参见文献副u 副1 。 ( 2 ) 分析：为了进行分析，需要使用仿真和一些形式化验证技术。在形式 化方面，也已经有了不少的分析方法，这些方法主要针对p e l r 网，但是这些分 析方法仍不够完善，需要进一步的研究发展，参见文献n 踟n 町。 目前，将工作流技术应用于信息流的闭环，以及非常态控制，无论是实用系 统还是方法和模型的研究都很少。水资源配置的信息化过程存在着较严重的“技 术孤岛”现象，传统的系统协调性不好，各个功能模块多处于孤立的状态。此外， 严格的过程描述限制了人们选择更熟悉或更适合的操作方式，系统没有处理异常 和进行变更的能力，以及缺少对过程的人工干预和补救措施等。只有支持柔性的 工作流系统，才能满足现代企业灵活、动态的实时需求。工作流管理系统通过跟 踪工作流各活动的状态，自动协调由人或应用软件完成的任务，以实现业务的流 转特性；其次，工作流管理通过分隔过程逻辑和业务逻辑来提高系统的灵活性， 提高软件重用和异构软件的集成。 本文使用工作流技术，可以有效避免“技术孤岛”现象，解决各个功能模块 的孤立状态。因此协调性更好，应用的效益更高。将工作流技术应用于水利信息 系统，可以解决水资源配置复杂的闭环问题，特别是非常态的控制问题，由于非 常态事件发生点的不同，有不同的控制过程，在过去研究中对每种非常态事件分 别建模，系统比较复杂，因此有必要对水资源配置的各种过程综合分析，设计算 法实现对水资源配置的多种情况皆适用的工作流模型。 1 3 论文内容 首先从研究水资源配置的个案入手，将工作流技术应用于水资源配置，综合 考虑水资源配置的各种情况，特别以非常态控制问题为研究重点，设计了搜索算 法解决了当出现不可预见事件时的工作流的统一建模问题，然后选择u m l 工具 建模，在此基础上验证模型的有效性，最后结合淠史杭灌区实例给出实现搜索单 源多约束控制点的递归算法的示意图来说明其正确性。在个案的基础上，延伸研 究拓展到其他较为复杂的闭环和非常态控制领域，对闭环、非常态控制的工作流 模型进行抽象总结。 本文的主要研究内容如下： 1 水资源配置中的非常态下的控制工作流的调整，有效性评估及优化方法 4 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 分析了水资源配置的物理过程，从单源多约束到多源多约束情况，给出非常 态情况处理的过程。 2 设计递归算法实现对水资源配置的多种情况统一建模 通过参考过去研究的水资源配置每种情况的工作流模型，综合分析各工作流 模型之间联系，研究设计递归算法实现了对水资源配置的多种情况统一建模。 3 采用u m l 建模方法对水资源配置过程进行工作流建模 以u m l 为工具，对水资源配置系统的物理过程进行工作流建模。 4 对水资源配置过程工作流模型的f 确性验证 首先把u m l 模型转化为p e t r i 网，然后采用可达树方法验证其正确性。 5 结合实例淠史杭灌区对实现统一建模的求解算法定性分析。 1 4 论文组织 论文共分成五章。 第一章绪论：介绍选题的研究背景、研究现状、研究内容与论文组织。 第二章水资源配置的物理过程与分析：本章主要分析了水资源配置的物理 过程，对多源多约束每种情况给出具体的分析，并给出了常态情况和非常态情况 的处理机制，重点研究了单源多约束情况，并介绍了单源单约束一个闸门的情况， 最后给出建模方法与工具，对为第三章的建模工作奠定了基础。其中单源多约束 过程中给出了其各个控制点i d 和c h a n n e l n u m b e r 的命名规则，便于设计第四章的 递归算法。 第三章水资源配置工作流建模与验证：通过对水资源配置物理过程的综合 分析，给出了一个完整的水资源配置工作流模型，重点研究了非常态的各种控制 活动，根据其控制特点，找出了其控制过程的特性，将控制过程的各个业务动作 进行了抽象，最后得出统一、简便的水资源配置非常态控制过程模型，并采用u m l 活动图对水资源配置过程与非常态控制过程进行工作流建模。为了验证所建模型 的正确性，先将本章建立的用u m l 描述的过程模型转化为工作流网，然后采用可 达树方法画出工作流网的可达树，由可达树的性质验证了模型的正确性。 第四章实现统一建模算法及实例分析：这一章给出了实现水资源配置统一 工作流建模的求解算法思想，具体算法实现放在附录，最后结合淠史杭灌区实例 对实现统一建模的相关算法进行了定性分析，验证了算法的正确性。 第五章总结与展望：总结全文并提出进一步的工作。 河海大学硕士学位论文第二章水资源配置过程 第二章水资源配置过程 水资源配置控制过程一般分为常态控制和非常态控制，现实中存在很多多源 多约束闭环控制过程，呈三维状态分布及嵌套递归。对于常态控制，其过程是可 以预知的。但是，在常态控制过程中常常会遇到不可预知的事件发生，针对这种 不可预知事件所实施的控制为非常态控制，它必须通过人为干预来解决。 水资源配置有多种物理模型，包括：单源单约束、单源多约束和多源多约束 情况。非常念事件发生于不同的地点，有不同的控制过程和控制对象。将所有不 同的事件发生点都考虑到，并归纳出对应的控制过程，则所建的模型中可以包含 所有的非常态事件处理过程。 2 1 多源多约束的水资源配置 根据源头个数把水资源配置情况分为单源和多源，并由非常态事件发生点的 位置位于干渠或支渠上，把水资源配置分为六种物理模型，即单源多约束非常态 事件发生于支渠上，单源多约束非常态事件发生于干渠上；多源多约束非常态事 件发生于补给渠的支渠上，多源多约束非常态事件发生于补给渠的干渠上，多源 多约束非常态事件发生于被补给渠的支渠上，多源多约束非常态事件发生于被补 给渠的干渠上。 多源多约束是水资源配置中比较复杂的情况，所谓多源是指存在两个以上的 渠系源头控制点，多约束是指渠系中存到多个闸门控制点，类型为干渠控制点和 支渠控制点。其物理模型如图2 1 所示，在该物理模型中，右边的渠系补给左边 的渠系，一级一级补给下来，相互影响，左边水系在接受自身水源供给的同时， 还接受右边水源的补给。本文由图2 1 分析水资源的配置过程。 图2 一l 多源多约束物理模型 6 河海人学硕士学位论文第二章水资源配置过程 如果是常态的控制，即根据用水需要进行水资源配置的情况，则是从图2 1 的l 号水系开始，从右至左，2 号，3 号，n 号，一级一级渠系配置下来， 每一个渠系的配置过程都是相同的。 如果发生非常态事件，则在关闭离事件发生点最近的闸门控制点之后，根据 非常态事件发生点类型的不同，需要重新计算丌度的闸门控制点也不同，下面将 依次介绍非常态事件不同类型下的搜索情况。在搜索到各个渠系需要重新计算开 度的闸门控制点口，依次( 1 号渠系，2 号渠系，) 重新配置所有渠系的各 个闸门控制点，再依次( 1 号渠系，2 号渠系，) 调节闸门，每一个渠系的 配置过程都是相同的。 第一种情况，事件发生点位于支渠上，但该支渠所属的干渠不接受其他水源 的补给，该情况的物理模型如图2 2 所示。 件 图2 2 多源多约束中事件发生在补给渠的支渠的物理模型 当出现图2 2 所示的非常态情况时，马上关闭离非常态事件发生点最近的上 游控制点( 因为雍水有一个时间过程，当然最好能建立雍水过程的时间、水位关 系曲线，确定控制时间要求并计算水量损失) ，同时搜索本渠系中所有的状态为 丌的控制点( 包括干渠和支渠上的节制闸和分水闸，不包括事件发生点下游的控 制点) 。 启动水资源配置系统，扣除离非常态事件发生点最近的上游控制点的引用水 量后( 因为已关闭) ，重新计算本渠系各个控制点的开度( 包括向其他渠系输水 的控制点) ，其他渠系( 如左边渠系) 的控制点不要重新计算。 先调整本渠系的源头控制点的开度，再逐级调整下游控制点的开度。事件发 生点下游的控制点不调整。 第二种情况，事件发生点位于干渠上，但该干渠不接受其他水源的补给，其 7 河海大学硕士学位论文 第二章水资源配置过程 物理模型如图2 3 所示。 图2 3多源多约束中事件发生在补给渠的干渠的物理模型 事件发生时，控制过程和本节非常态事件发生于补给渠的支渠的控制过程类 似。先关闭最近的上游控制点，再进行相关计算。不同之处在于，重新配置水资 源后需要调节的闸门不同。 先调整本渠系源头控制点的开度，再逐级调整下游控制点的开度( 如果向其 他渠系补给水源的控制点位于事件发生点的上游，则该控制点需要调整开度；如 果位于下游，则其他渠系，如左边渠系的所有状态为开的控制点开度都要调整) 。 事件发生点下游的控制点不调整。 第三种情况，事件发生点位于支渠上，但该支渠所属的干渠要接受其他水源 的补给( 如图2 4 中的左边渠系) ，其物理情况如图2 8 所示。 图2 4 多源多约束中事件发生在被补给渠的支渠的物理模型 8 河海大学硕士学位论文 第二章水资源配置过程 事件发生时，控制过程和本节非常态事件发生于补给渠的支渠的控制过程仍 然类似。先关闭最近的上游控制点，再进行相关计算。不同之处在于，重新配置 水资源时需要调节的闸门不同。 启动水资源配置系统时，需要扣除离非常态事件发生点最近上游控制点的引 用水量后，重新计算本渠系以及向本渠系供水的其他渠系的各个控制点的开度。 之后，同时调整本渠系源头控制点和向本渠系供水的其他渠系的源头控制点 的开度，再逐级调整下游控制点的开度( 向本渠系供水的其他渠系的各控制点也 要调整开度) 。事件发生点下游的控制点不调整。 第四种情况，事件发生点位于干渠上，但该干渠要接受其他水源的补给( 如 图2 5 中的左边渠系) ，其物理模型如图2 5 所示。 图2 5 多源多约束中事件发生在被补给渠的干渠的物理模型 事件发生时，控制过程和本节非常态事件发生于补给渠的支渠的控制过程类 似。先关闭最近的上游控制点，再进行相关计算。不同之处也是重新配置水资源 时需要调节的闸门不同。 启动水资源配置系统时，应扣除离非常态事件发生点最近的上游控制点的引 用水量后，重新计算本渠系以及向本渠系供水的其他渠系的各个控制点的开度。 之后，同时调整本渠系源头控制点和向本渠系供水的其它渠系的源头控制点 的开度，再逐级调整下游控制点的开度( 向本渠系供水的其他渠系的各控制点也 要调整开度) 。如果向本渠系供水的其它渠系的输水道位于事件发生点下游时， 则供水渠系的各个控制点开度和事件发生点下游属于本渠系的控制点开度也要 调整。因为不调整的话，向本渠系供水的渠系仍然按照原来的方案供水，但是， 由于事件发生点所在的渠系已经调整开度，所以向本渠系供水的渠系的控制点开 度也要调整，否则，水资源配置就不合理了。 多源多约束水资源配置过程都是以某个渠系为单位依次配置，可以把多源多 9 河海大学硕士学位论文第二章水资源配置过程 约束看成一个一个分开的渠系，即多个单源多约束的渠系来考虑，即单源多约束 情况为水资源配置多种物理模型的基础。 2 2 单源多约束的水资源配置 第三章的水资源建模和第四章的搜索递归算法都是以单源多约束情况为研 究出发点，进而扩展到多源多约束情况，多源多约束情况下不论是常态控制或非 常态事件都可以循环调用单源多约束处理过程，属嵌套递归过程，递归算法将在 第四章详细说明。而为了实现闭环的控制，通过工作流引擎反复调用执行常态控 制和非常态控制这两个过程，就可以解决闭环控制的问题。 单源指的是在该闸门上游只有一个水源点，即该控制点没有接受补给或补 给别的水源控制点，单源多约束情况为水资源配置多种物理模型的基础，因此这 里重点介绍其处理过程。其物理模型如图2 6 所示。 图2 6 单源多约束物理模型 图2 6 中给出了各个闸门控制点的i d 和c h a n n e l n u m b e r 值，便于实现第四 章求解算法。i d 是为了便于闸门的调节，将水系中所有闸门编号，以便从上游 至下游顺序控制；c h a n n e l n u m b e r 值便于数据库查询获取闸门控制点的顺序为从 上游至下游。这里给出它们的命名规则。 ( 1 ) 每个控制点有且只有一个编号i d ( i n t ) ，且任两个i d 都不相同。 ( 2 ) i d 从源头开始编号，依次从上游至下游对干渠控制点编号，下游干渠 控制点编号须大于上游控制点，然后再对各支渠控制点编号。 ( 3 ) 对每个控制点赋予c h a n n e l n u m b e r ( f l o a t ) 值，支渠控制点命名规则为 小数点前的数字为其所属最近上游干渠i d 号，小数点后的数字分两部分，前一 l o 河海大学硕士学位论文第二章水资源配置过程 部分为从最近上游干渠计数起的第几条支渠号，从l 开始计数，依次递增，第二 部分为该控制点在该支渠上的n u m b e r ，从1 开始递增；干渠控制点的 c h a n n e l n u m b e r 值为其i d 的( f l o a t ) 类型强制转换。假设源头闸门的编号为0 ， 所在支渠控制点从上游至下游顺序编号i d 为7 ，8 ，c h a n n e l n u m b e r 为o 1 l ， 0 1 2 ，从上游向下，以此类推，第一个干渠控制点编号为l ，其有两条支渠， 第一条为i d 号为1 2 、1 3 的控制点所在支渠，c h a n n e l n u m b e r 值为 1 1 1 ，1 ，1 2 ，1 1 x ，( x 2 ) ，第二条为i d 号为1 6 的控制点所在支渠，对应的 c h n n e l n u m b e r 值为1 2 1 1 2 x ( x 1 ) 。 2 2 1 常态控制 常态控制即根据计划的用水需要分配水资源。这时，水资源配置过程是定时、 定量进行的。首先根据用水计划计算出整个渠系所有的闸位值，从源头控制点开 始，从上游至下游读取闸位传感器当前的闸位值，比较两个闸位值，若相同，则 调节下一个闸门；若不同，则调节该闸门开度，然后再调节下一个闸门的开度。 2 2 2 非常态控制 非常态是指水系中出现事先不可预知的突发情况，这时不能用常规流程进行 控制。非常态定义为事件发生点所在的渠段正在通水( 上游所有的节制闸为开状 态，所有的分水闸为开状态或为部分开状态或全部为关状态) ，事件可能是渠道 堵塞或溃决。事件可以通过水位传感器读取的水位来判断，水位短时间内快速升 高或降低，并超过正常值即为非常态。 根据水资源配置的特点，可以归纳出各种非常态出现的情况。本文列举出了 所有的非常态出现的情况，归纳出各种非常态出现时的控制流程，以处理非常态 的控制问题。不同的非常态事件发生地点，有不同的控制过程和控制对象，由此 来解决非常态的控制问题。 非常态控制过程可以分为两种情况： 第一种情况为，事件发生在支渠上，物理模型如图2 7 所示。 河海大学硕士学位论文第二章水资源配置过程 图2 7 单源多约束中事件发生于支渠的物理模型 当非常态事件发生时，马上关闭离非常态事件发生点最近的上游控制点( 因 为雍水有一个时间过程，当然最好能建立雍水过程的时间、水位关系曲线，确定 控制时间要求，并计算水量损失) ，同时搜索渠系中所有的状态为开的控制点( 包 括干渠和支渠上的节制闸和分水闸，不包括事件发生点所在支渠的下游控制点) 。 启动水资源配置系统，扣除离非常态事件发生点最近的上游控制点的引用水 量后，重新计算各个控制点的闸门开度，事件发生点下游控制点不计算。 先调整源头控制点的开度，再逐级调整下游控制点的开度。事件发生点所在 支渠的下游控制点不调整。 第二种情况，非常态情况发生在干渠上。其物理模型如图2 8 所示。 图2 8 单源多约束中事件发生于干渠的物理模型 1 2 河海大学硕士学位论文第二章水资源配置过程 当干渠上发生非常态事件时，它的处理过程和非常态事件发生在支渠上的控 制过程类似。不同之处在于，需要重新调节的闸门是除了干渠事件发生点下游的 渠系中所有闸门控制点。 2 3 单源单约束的水资源配置 不论是多源多约束还是单源多约束，最终都是对某个闸门控制点进行操作， 即单独控制一个闸门，这是水资源配置中最简单的情况单源单约束。单约束是指 一种比较理想的情况，周围没有别的控制点影响该控制点，其过程如图2 9 所示。 图2 - 9 水资源配置过程 由图2 9 可以看出水资源配置的过程是一个闭环的控制过程。常态控制过程 是根据渠道的用水需要，计算出相应的闸位值，然后通过传感器读取当前的闸位 值，比较两个闸位值，如果相符就不需要调节，该过程结束；如果不相符，则需 要通过闸位控制器对闸门进行相应调整。 非常态控制过程为当水位发生变化时，比较水位是否需要调节，如不需要， 该过程结束；如需要，则通过流量计算相应的闸位值，然后由闸位控制器对闸门 进行调节。实际应用中会遇到非f 常的情况，需要调节水位，则需要等待人的决 策，所以在过程中也需要加入人的决策这一活动。当出现非常态的时，由人来决 定闸位的高低，以应付实际应用中各种复杂的情况。 为了实现闭环的控制，通过工作流引擎反复调用执行这两个过程，就可以解 决闭环控制的问题。 河海大学硕士学位论文第二章水资源配置过程 2 4 建模方法与建模工具 在需求分析的基础上，依据水资源配置过程中的特点，本文利用u m l 的活动 图对水资源的配置过程进行工作流过程建模。在建模中，使用了e c a ( e v e n t c o n d i t i o na c t i o n ) 和分层建模的方法。 2 4 1 建模方法 统一建模语言( u n i t e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 是一种支持对象技术的建 模语言，是计算机系统中表示真实世界的语言，描述真实世界中的对象和它们之 间的关系，支持应用的开发。它是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适 用的建模语言瞻引。 u m l 主要包括两类图胁3 ：静态模型图和动态行为模型图，建立的模型通过 视图( v i e w ) 来描述系统的不同过程，包括用例视图，逻辑视图，组件视图和布 局视图心5 1 。其中，用例视图包括用例图( u s ec a s ed i a g r a m ) ，序列图( s e q u e n c e d i a g r a m ) ，协作图( c 0 1 1 a b o r a t i o nd i a g r a m ) ，活动图( a c t i v i t yd i a g r a m ) ； 逻辑视图包括类图( c l a s sd i a g r a m ) 和状态图( s t a t ed i a g r a m ) 。而组件视图 则用来描述实现的视图，布局视图包括布局图。 u m l 活动图眩明( u m la c t i v i t yd i a g r 锄) 是u m l 对系统的动态行为建模 的图形工具之一乜7 。它综合了以往许多系统建模技术的思想，如j i mo d e l l 的事 件图、s d l 状态建模技术及p e t r i 网瞳8 2 刚等，特别适合于工作流和并发的处理 行为啪1 。 u m l 活动图是一种特殊形式的状态机，也就是一种特殊的状态图。如果在 一个状态图中的大多数的状态是表示操作的活动，而转移则是由状态中的动作完 成来触发，即全部或绝大多数的事件是由内部产生的动作来完成的，这就是活动 图。因此，活动图描述的是响应内部处理的对象类的行为。它着重表现的是从活 动到活动的控制流，是内部处理驱动的流程。通常，活动图假定在整个计算处理 的过程中没有外部事件引起的中断嘲1 。依据对象状态的变化来捕获动作( 将要执 行的工作或活动) 与动作的结果，图中一个活动结束后将立即进入下一个活动。 u m l 活动图主要包含下列基本元素口：活动( a c t i v 时) 、动作流( a c t i o n f l o w ) 、对象与对象流( o b i e c ta n do b i e c tf l o w ) 、泳道( s w i m l a l l e ) 、控制节点 ( c o n t m ln o d e ) 。u m l 引入活动图的目的之一就是用于企业建模和描述工作流。 本文在实现过程控制逻辑和具体功能逻辑相对独立的过程中，采用事件驱动 e c a 的方式，只有当a 事件发生时才调用a 流程，否则将跳过a 流程。这样就可以实 现过程控制与具体功能间的相对独立，方便系统进行扩展和更新。 1 4 河海大学硕士学位论文第二章水资源配置过程 如果整个系统中闸门较多，那么过程比较繁杂，为解决这一问题，本文提出 了一种分层的工作流描述方法，即一种基于“分层有向图”的工作流模型。在该 模型中，根据其在业务流程中承担的不同性质的任务，将活动节点分为两种类型： ( 1 ) 原子节点：不含下层子工作流模型的节点。 ( 2 ) 子工作流节点：子工作流节点本身就是一个工作流模型，在子工作流节点 的工作流模型中还可以定义子工作流节点，形成一个层次化的递阶工作流模型。 根据w f m c 定义的工作流参考模型，活动是不能被中断的，即只有在所有运行 中的活动结束后，并且过程返回到运行( r u n n i n g ) 状态，才能对过程执行挂起、 重启、终止等命令。这罩的子工作流节点也看作一个“原子单元”，几个活动放 在一起，这几个活动一旦被执行就必须全部执行，如果中途出现异常则必须返回 到开始点，重新执行。在u m l 活动图中，含有建立子活动图这一功能，在一个活 动下，可以直接建立子活动图。本文采用对子工作流节点着色的方法区分原子节 点和子工作流节点。 2 4 2 建模工具 本文使用r a t i o n a lr o s e2 0 0 3 作为建模工具，它是用u m l 快速丌发应用程序 的工具之一，它支持用例图、活动图、序列图、协作图、状态图、组件图和布局 图，通过正向和逆向转出工程代码的特性，可以支持c + + 、j a v a 、v i s u a lb a s i c 和x m l 等代码生成和逆向转出工程代码口引。 r a t i o n a l 公司推出的r a t i o n a lr o s e 是r a t i o n a lr o s e 是仅有的可以支持全程 建模及j 2 e e 应用设计的u m l 模型工具，也是目前最好的、基于u m l 的c a s e 工具，它 是分析和设计面相对向软件系统的强大的可视化工具，可以用来先系统建模再编 写代码，从而一开始就保证系统结构合理。r o s e 模型包括所有的u m l 框图、角色、 使用案例、对象、类、组件和部署结点。因此不论是在系统需求阶段，还是在对 象的分析与设计、软件的实现与测试阶段，它都能提供清晰的u m l 表达方法和完 善的工具，方便建立起相应的软件模型。此外，它具有良好的界面，可编辑术m n u 纯文本文件，修改和定义主菜单，添加运行模块。 2 5 本章小结 本章主要分析了水资源配置的过程，对多源多约束每种情况给出具体的分 析，并给出了常态情况和非常态情况的处理机制，重点研究了单源多约束情况， 并介绍了单源单约束一个闸门的情况，最后给出建模方法与工具，对为第三章的 建模工作奠定了基础。其中单源多约束过程中给出了其各个控制点i d 和 c h a n n e l n u m b e r 的命名规则，便于设计第四章的递归算法。 河海大学硕士学位论文第三章水资源配置工作流建模及验证 第三章水资源配置工作流建模及验证 根据第二章水资