（计算机软件与理论专业论文）工作流的数学建模及其模型仿真研究.pdf

西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。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电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校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，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：翌碰蠹!指导教师签名：耋卫吏。坚! l学位论文作者签名：鑫碰董!指导教师签名：耋p 量。坚! l b 7 年6 月? 日 2 。辉6 月? 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：羔鹏言 谚 年石月j ) 曰 f 摘要 工作流管理系统继数据库管理系统和人机界面管理系统之后，被称为应用软 件的第三次分离。这种分离使人们能够对这些分离的软件成份进行深入的研究， 近年来工作流技术引起了国内外学术界和产业界的广泛关注，掀起了工作流研究 的一个热潮。 目前，关于工作流过程模型的研究还很不成熟，各种研究机构和工作流管理 系统的开发机构提出了各种各样的工作流过程模型，因而在工作流过程描述方面 现存着很多的方法，比如：基于活动网络的建模方法、基于形式化表示的建模方 法、基于对话模型的建模方法等。 因为p e 啊网理论已经被许多人接受，如果能够建立起一个严格意义的p e t d 网工作流模型，这应该是一件很有意义的事情。a a l s t 说，可以预计，最终所有 的工作流管理系统将会基于p e t r i 网理论来为过程进行建模1 4 1 因而本文的选题 为基于p e t r i 网的工作流数学建模。本文在系统分析实际业务流程的基础上，认 真考虑了这些问题：p e t r i 网在业务流程的描述上能够做些什么? 单是p e t n 网能 够描述清楚业务流程吗? 本文对这些问题作了阐述，本文另外的一些工作及尝试 有： 1 在对工作流过程进行分析并认为每个过程都可以分解为一个个任务基础 上，建立了一个过程集合到任务集的集合上的映射。 2 在任务集上定义了一个后继关系 。 3 在后继关系 的基础上形式化定义了任务执行时的循环路由、广义顺序 路由、并行路由以及选择路由。 4 在用p e t r i 网结构匝口+ ( ) _ 咽表示任务和t 2 的后继关系 ，f 2 的基础上，根据循环路由、广义顺序路由、并行路由以及选择路由的定义推出它 们的相应的p e t r i 网表示结构。 5 提出并形式化了对工作流过程进行数学建模要解决的问题，然后利用 c _ n e t 叭1 解决之。 关键词：p e t r i 网、工作流、工作流管理系统、数学建模、工作流仿真引擎 a b s t r a c t w 蹦si sc o m i d e r e dn 璩t h i r ds e p a r a t e i l 嘲o fa p p l i c a l i o 璐a n 盯t l p r e c e d 朗膪 d b m sa n dh m n a n - c o m p 咖h t e r f 犯em a n a g 鼬饥ts y s t e m nh 硒b e e n 强咖r t a n t c o m p o n e n to fp r e s e n ta p p f i e a t i o ns y s t e m s ，e s p i a l l ym o s y s t c m si ni n t c m e t a w i r o m n c n t b c c a u s eo ft h es 印a r a t 豇璐s ，p e o p l ec a nd oad e p l hr c s c 孤c hi ns u c h s 印a 瑚t c d f h a r cc l p i d n e n t hr e c e my c a r s ，a c a d 锄ea n dm d u s t r ye i r e l eo f h o m e o ra b r o a dp a i d m u c h 舭胁t i o no n 也a n dr a i s e d 锄u p s u r g ei nw o r l 【f l o wr 嚣e 抓i h ，p r 伪e m ，t h er e s e a r c ho fw o r k f l o wp r o c 鼯sm o d e li m tm a t u r ey e t d i f f e r e n t 瑚e 砌i n s 帆t ea n dw 伽sd e v e l o p m 饥ti n s t i t 咖b r o u g h tl | pv a r i o 鹏m o d e l s s o ， t h e a 把m a n ym e l h o d sj nw o r k f l o wp r o c e s sd e s c r i 面o n ，s u c h 雒吐v i t y 雠b a s e d m o d e l i n gm e t h o d ，f o r m a le x 嗍i o nb a s e dm o d e l i n gm e t l l o d d i a l o gm o d c lb a s e d m o d e l i i l g m 洲e t c b c c a u s ep e t r i _ n e tt h c o 硎c sw 硝觑t a 璐i v e l y c 印t e d b r i n g i i l gl | paw o r l 【n o w m o d e ls 仃i e t l ya c c o r d 诵t l lp e t r i _ n e t1 i nb eas i 鲥f i c 锄tt h i n g a a k ts a i d ，i tc o u l db e f o r e c 枷e dt h a ta l lo fm ew 伽sw o u l db eb a s e d p c 打o e tb a s e dw 砌o w m o d e l s 【4 】s ot l l i st h i si sa b o u tw o r k n o wm a i e sm o d e l 吨b e do np e t r i _ n c t a tt h eb 鹊eo fs y s t 锄a t i c a la n a l y z m gt h ep r t i c a lb m m 鹤sp r o c e s s ，l h ea u t h o r c a r e m l l y 也o u g h to v 盱t w oq u 铭f i o m ，w h a tp e t r i _ n e tc a nd oi nb u s i n e 鲳p r o c 嘟 d e s c r i p t i o na n dw e a m c ri tc 托d e s e r i p tb 吣i i l e 嚣p r o c e s sc l w i y t h i sm 髓i sw i c 】【p a t i a l ct h eq u e s t i o n s b 懿i d e s ，t h e1 , i i m a r yw o r k sa n d 种【a 珥临i nt l l i st h 髂i sa r e f i s t e da st l l ef o l l o w i n g ： 1 a tt h eb 勰eo fc o n s i d e r i n ge v e f yb m m 髓sp r o c e 鹳c o u l db ed e e o m p o s e d i n t o a t a s ks c t ，b r i n g i i l g u p a m a p 舶m p r o c e s ss e t t om cs c t o f t a s ks e t s 2 d e f i n i n gs u b s c q u 锄c er e l a t i o n o nt 1 1 et a s ks e t 3 b a o ns u b s c q u e n c er e l a t i o n ，b f i n g i i l gu pf - o 咖a l i z c dd e f i m t i o no f t 硒l 【s e x e c u t i o nr o u t es u c h 蠲c i f c l e u t e , g 曲酬i z e ds e q u 曲c e u t c ， c o n c u n 朗1 tm u t ea n ds e l e c tr o u t e 2 mp 鲥玎e t 咖c 嘶刚阄d e n o t ep 如( f i ，f 2 t a s k s ) , a c c o r d i n gt od e f i n i t i o n s , b r i n gu pp e t r i n e ts t r u c t u r e so fc i r c l e r o u t e ，g e n e r a l i z e ds e q u e n c er o u t e ，c o n c u r r e n tr o u t ea n ds e l e c tr o u t e 5 b r i n g i n gu pa n df o r m a l i z i n gt h et ob es o l v eq u e s t i o no fw o r k f l o w m a t h e m a t i c a lm o d e i n g , a n ds o l v i n gi tw i t hc _ n e t 1 4 1 k e yw o r d s ：p e t r i _ n e t ；w o r k f l o w ；w t m s ( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ) ； m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g , w o r k f i o we m u l a t o re n g i n e 3 1 1 研究背景 第一章绪论 随着现代企业的经营规模和生产规模日益扩大，传统的企业组织机构和运作 方式已经不能够满足现代企业信息化的需要，而工作流技术恰恰为解决复杂的业 务过程提出了一个有效的技术方案。正因为如此，近年来工作流技术引起了国内 外学术界和产业界的广泛关注，掀起了工作流研究的一个热潮。 国内外许多大学和研究机构开展了大量工作流的研究项目，并取得了众多研 究成果，对工作流技术的发展作出了积极的贡献。其中，比较著名的有i b m 公司 a l m a d e n 研究中心开发的基于持久消息队列的分布式工作流管理系统 e x o t i c a f m 叫、佐治亚大学计算机系研究开发的具有自适应能力的工作流管理系 统m e t e o r 和基于分布式主动数据库技术的工作流管理系统w i d e 、清华大学研究 开发的用于集成制造的工作流管理系统c i m f l 州、西北大学软件工程所研究开发 的基于“信牌驱动式计算模型”的工作流管理系统等。 目前，工作流技术领域的研究热点和趋势主要集中于： 工作流过程建模：包括工作流过程模型和过程描述语言方面的研究，前者是 对业务流程的计算化描述，概括了实现流程所需的各种必要信息：如流程开始和 结束条件、组成该过程的各个步骤、步骤间的信息传递规则以及所需调用的应用 工具等，模型一般通过文本或图形化的过程描述语言来表现。 基于w e b 的工作流：由于零安装、移动性好、易操作等优点得到了巨大的发 展，许多应用系统转移到基于w e b 构架上来，w f m s 也不例外。现有的许多w f m s 也 增加了对w e b 的支持，但多局限于用w e b 来实现任务项( w o r k i t e m ) 的处理。典型的 基于w e b 技术的工作流管理系统包括美国哥伦比亚大学的o z w e b 、美国加利福尼亚 大学的e d c s 项目的e n d e a v o r s 、美国i b m 公司t j w a t s o n 研究中心的r a i n - m a n 和美 国加利福尼亚大学l l n l 实验室的z e p h y r 项目等。 面向对象的w f m s ( o b j e c t - o r i e n t e dw f m s ) ，随着面向对象技术的成熟与应 用，许多学者开始研究如何利用面向对象的技术来推动工作流技术的发展，主要 包括两个领域：第一，如何利用0 0 技术如名字服务、安全控制技术来简化w f m s 6 的实现，提高w f m s 的性能和适应h a d 环境的能力，如佐治亚大学的m e t e o r 产品则 是其中的代表，它是一种基于c o r b a 标准面向对象的w f m s ，使用0 0 技术提高w f m s 的容错能力；第二，如何利用面向对象的分析方法来构建面向对象的流程定义， 以提高流程定义的可重用性。 分布式工作流：工作流管理系统从支持单个工作组环境开始，现在逐步提高 到企业级的功能需求，通过网络环境下的多引擎协作为用户提供一个开放的、透 明的、不同机型的、不同运行平台的异构型运行环境，借助信息共享的分布式技 术完成一个业务流程。这样，单个工作流程就要允许跨越广域网上的多个服务器 和客户端，通过并行计算、资源共享、分布操作使其可扩展性、可管理性得以充 分体现。然而，随之而来的是需考虑分布式系统的安全性和互操作性典型的分 布式工作流系统包括美国i b m 公司a l m a - d e n 研究中心的e x o t i c a 、美国i 阴公司t j w a t s o n 研究中心的r a i n m a n 、美国g e o r g i a 大学m e t e o r 研究项目的o r b w o r k 、英 国n e w c a s t l e 大学c 3 d s 项目的n e w c a s t l e - n o r t e l 以及瑞士z u r i c h 大学的e v e 平台 等。 工作流互操作：互操作的研究主要包括两方面一工作流模型的互操作和工作 流系统的互操作。微观层的模型互操作包括研究单个模型内或多个模型问的活动 可互操作性，以及如何检测、分析产生的冲突，并提供可行的解决方案；宏观层 的系统互操作则包括系统内部协议定义、程序接口、数据共享的可互操作，以及 工作流系统如何嵌入到其他业务系统中或如何实现与其他异构系统的连接。工作 流互操作是目前工作流管理技术研究中的一大难点。 工作流事务管理：事务管理是数据库技术中的一个重要概念。每个事务具有 a c i d 特性，即原子性( a t o m i c i t y ) 、一致性( c o n s i s t e n c y ) 、独立性( i s o l a t i o n ) 和持续性( d u r a b i l i t y ) 事务管理充分保证了数据操作、数据存储、系统管理的 正确性、可靠性和可管理性。目前高级事务模型己在各个领域得以应用，但现有 的工作流产品还不能显式的得到支持。典型的事务型工作流管理系统包括荷兰蒂 尔堡大学的t o w e 项目、欧洲委员会e s p r i t 项目中的w 工d e 项目、奥地利克拉根福 大学的w a m o 模型和美国工明公司的f l o w m a r k 等。 安全工作流管理模型：研究如何在分布、异构的环境下实现对工作流系统中 所管理信息的安全控制，包括安全策略、访问控制、加密算法、审计信息、备份 7 策略等方面。 工作流系统技术还处于技术发展曲线( t e c h n o l o g yh y p ec u r v e ) 上的初级 阶段，在这个领域我们将面临一个激动人心的阶段。 1 2 本文的研究目的 工作流领域是现今发展最快的领域之一，是一个年轻又具有良好发展前景的 研究方向。工作流产品市场每年以两位数字的速度迅猛增长，日益繁荣。工作流 技术从最初的萌芽发展到现在已经有了很大的进步，因而已有人认为工作流管理 系统是继数据库管理系统和人机界面管理系统之后第三次从应用中分离出来的 子系统，已成为一个应用系统不可或缺的子系统。依据现实的情况，工作流技术 还没有发展到这种程度，能够像数据库管理系统和人机界面管理系统一样从应用 中分离应是工作流管理系统发展的理想状态，但目前还没有达到这种状态，工作 流技术还不成熟，有些问题还没有完全研究清楚。目前尚没有一种工作流产品或 原型系统能够在过程执行的可靠性与一致性方面达到与关系型数据库管理系统 同水平的功能。数据库管理系统发展到了这种程度，它形成了许多统一的标准， 如关系数据模型、s o l 语言等，但工作流管理系统的标准化程度还不够，想达 到数据库管理系统这种发展程度，仍有很长的路要走。 工作流技术的成熟应是以工作流的相关理论的成熟为前提的，而目前的情况 是相对于工作流产品市场的繁荣，工作流相关理论的研究显得有些滞后。在过去 很长的一段时间里，有关工作流方面的研究主要由商品化的工作流管理系统的开 发商所领导。本着把工作流产品推向市场的目的，这些开发商大多把研究的注意 力放在工作流管理系统的开发实施方面。目前，在工作流模型方面还没有形成一 套比较成熟的理论。 而作为整个工作流技术的核心的工作流建模问题，工作流相关理论的成熟也 应以之的成熟为前提。如果在工作流建模方面能够形成一个像数据库技术中的关 系模型理论那样一套良好的理论，那么，可以预见工作流技术将迎来大发展。但 现实的情况是：在工作流模型方面还没有形成一套比较成熟的理论，更谈不上标 准化。 8 与没有标准化相对应，在工作流过程描述方面现存着很多的方法，比如：基 于活动网络的建模方法、基于形式化表示的建模方法、基于对话模型的建模方法 等。p e j t i 网因为具有严格的形式化和图形化的特征，同时亦具有丰富的系统分 析技术，所以基于p c t r i 网的建模方法在众多方法中占有重要地位。a a l s t 说，可 以预计，最终所有的工作流管理系统将会基于p c t r i 网理论来为过程进行建模【4 】。 全p c t r i 网的模型可能是以后工作流技术标准化的一个方向。虽然现在已经有了 很多基于p e 缸网的模型，但是这些模型总有些地方是偏离p e 缸网的，如a a l s t 的、fn e t 模型中的o rs p u t 变迁就不是p e 喇网意义的变迁。因为p c t d 网已 经被许多人接受，如果能够建立起一个严格意义的p e 缸网模型，这应该是一件 很有意义的事情。本文朝这个方向努力作一些尝试。 i 3 论文的主要工作 论文的主要工作体现在理论以及实践两方面，目前的实践暂时还为理论服。 务。 。 理论上，本文认为，工作流过程描述问题实质上是一个数学建模问题，因此 本文结合数学建模思想对工作流过程建模进行审视，做了以下一些尝试及工作： 1 在对工作流过程进行分析并认为每个过程都可以分解为一个个任务基础 上，建立了一个过程集合到任务集的集合上的映射。 2 在任务集上定义了一个后继关系 3 在后继关系 的基础上形式化定义了任务执行时的循环路由、广义顺序 路由、并行路由以及选择路由。 4 在用p e 仃i 网结构臣丑 ) _ 蛔表示任务和f 2 的后继关系f l ，f 2 的基础上，根据循环路由、广义顺序路由、并行路由以及选择路由的定义推出它 们的相应的p e t r i 网表示结构。 5 。提出并形式化了对工作流过程进行数学建模要解决的问题，然后利用 c _ n e t 解决之。 实践上，在数学建模建立起来的模型的基础上，设计并实现了一个仿真引擎 原型f l o w e n g i n e ，f l o w e n g i n e 的完成为对建立起来的模型进行模型评价打下坚 9 实的基础，它是模型评价有效的计算机工具。所以上文说目前的实践暂时还为理 论服务。 1 4 论文的组织 全文共分七章： 第一章绪论 介绍了本文研究的背景、研究的目的及主要工作。 第二章工作流技术及工作流管理系统 概述了工作流技术的发展历史和工作流管理系统的功能；分析了工作流参考 模型；指出了工作流理论的研究涉及到的内容；最后阐述了工作流管理系统的发 展和研究趋势。 第三章p e t r i 网及w fn e t 模型 p e t r i 网作为本文研究的理论基础，本章对其作了比较系统的介绍。a a l s t 的 w fn e t 模型是基于p e t r i 网的，在工作流建模领域有着很大的影响，本章的最后 也对其作简要介绍。 第四章扩展的信牌驱动模型 本文相对独立部分，因为扩展的信牌驱动模型对作者的影响很大，第五章的 建模同样受其影响，特此将之引入本文。作者进入工作流领域是从这个模型开始， 扩展的信牌驱动模型由西北大学软件工程研究所创立，并以此模型为基础开发了 工作流产品s y n c l f l o w ，作者曾经参与了以s y n c h r o f l o w 为平台的某高校办公 自动化项目，由此对工作流过程积累了感性认识。 第五章工作流过程的数学建模 本章用数学建模思想审视工作流过程，分析了工作流过程，提出工作流过程 数学建模要解决的问题，并应用cn e t 解决之。本章是本文工作的最主要内容所 在。 第六章模型仿真引擎原型的设计及实现 本章在第五章的基础上，设计并实现了一个工作流过程模型仿真引擎原型一 - - f l o w e n g i n e 。f l o w e n g i n e 是模型评价有效的计算机工具。 1 0 第七章结论与展望 总结本文的研究和实践成果，指出了需要进一步开展的工作。 第二章工作流技术及工作流管理系统 工作流( w o r k f l o w ) 是计算机支持的业务流程的全部或部分自动化。在此流 程中，文档、信息或任务按照预定的规则，以网络为载体流转，实现组织成员间 的协调工作以达到业务的整体目标，或是促使此目标的实现。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 ) 则是一种能定义、创建和管理工作流执 行的软件系统，就是将现实世界中的业务过程转化成某种计算机所能识别的形式 表示，并在此形式表示的驱动下完成工作流的执行和管理。使用w f m s 可以充分 利用企业资源、有效地跟踪工作过程，提高工作过程定制的速度与质量。 本章简要介绍工作流技术的起源、发展及相关的标准化工作。 2 1 工作流 2 1 1 工作流的基本概念 工作流是从英文单词w o r k f l o w 中直译过来的，最直白的意思就是日常工作中 相对固定的流程计算机化。不同的研究者和工作流产品的供应商都会从不同的角 度给工作流作出了不同的定义。 工作流管理联盟将工作流定义为：工作流是一类全部或部分自动执行的经营 过程，它根据一系列过程规则将文档、信息或者任务能够在不同的执行者之间进 行传递与执行，实现组织成员间的协调工作以达到整体的商务目标。 g e o r g a k o p o u l o s 给出的定义是：工作流是将一组任务组织起来完成某个经营 过程。在工作流中定义了任务的触发顺序和触发条件，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，还可以是由一个或多个人与软件 系统协作完成。任务的触发顺序和触发条件用来定义并实现任务的触发、任务的 同步和信息流( 数据流) 的传递。 p e o p l e s o f t 公司给出的定义是：工作流是一个用来实施经营过程的机制。 i b ma l m a d e n 研究中心给出的工作流定义是：工作流是经营过程的一种计算 机化的表示模型，定义了完成整个过程所需用的各种参数。这些参数包括对过程 中每一个步骤的定义、步骤间的执行顺序、条件以及数据流的建立，每一步骤由 1 2 谁负责以及每个活动所需的应用程序。 虽然不同组织或个人给出的定义不同，但本质上差别并不大。一个工作流包 括一组活动及它们之间的联结关系，还包括过程、任务的启动和终止条件，以及 对每个活动的详细描述，如活动的执行者、相关的应用程序、需要和产生的数据 等。我们可以把它理解为定义了相互关系的任务序列，它是实际工作流程的抽象 化表示。 成立于1 9 9 3 年8 月的工作流管理联盟( 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 ) 是一个非赢利性的国际性的标准化组织。它在工作流管理系统的相关术语、体系 结构及应用编程接口等方面制定了一系列标准。w f m c 定义了工作流最基本的术 语，它们之间的关系如图2 - 1 所示。1 ： 手 业务流程 2 1 2 工作流模型 工作单元 图2 1 工作流基本概念间的关系 调用的 应用工具 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、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、工作流引擎的引 用关系，以及所有与工作流相关的数据的定义。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。这样在进行过程中活动或对象的定义 时，不仅可以指定某个特定的人是这个活动或信息对象的参与者，而且可以将活 动或信息对象与组织实体或角色功能进行关联。w f m c 定义了一个元模型( 如图2 2 所示) ，它包含7 以下几个基本实体： 图2 2i 作流过程元模型 1 、工作流定义( 过程模型) ：业务流程的形式化描述，用来支持系统的建模 和运行过程的自动化。过程可分解为一系列的子过程和活动，它一般包含诸如工 作流模型名称、版本号、过程启动和终止的条件、条件安全、监控和控制信息等 一系列基本属性这个过程模型反映了企业中一个经营过程的目的，即这个过程 要实现的目的和最终达到的目标是什么。 2 、活动：实现过程逻辑步骤的工作任务的描述，一般分为手工操作和自动 处理两类。活动是过程执行中可被工作机调度的最小工作单元，主要属性有活动 名称、活动类型( 原子级活动、子流程等) 、活动的前、后条件、调度约束参数( 如 最长处理时间、排队等待时间等) 等。当工作流运行在分布的环境下，在活动的 属性中还应该包括执行该活动的工作流机的位置。活动相应于企业经营过程中的 任务，主要反映完成企业经营过程需要执行那些功能操 1 4 作。 3 、转换条件：主要负责为过程实例的推进提供导航依据，主要参数包括工 作流过程条件( 实例向前推进的条件) 、执行条件( 执行某个活动的条件) 和通知条 件( 通知不同用户的条件) 。转换条件对应于企业经营过程中的业务规则和操作的 顺序。 4 、t 作流相关数据：工作流机根据工作流相关数据和转换条件进行推进， 工作流相关数据的属性包括数据名称、数据类型和数据值等。它是工作流机执行 任务推进的依据。 5 、角色：角色属性主要包括角色的名称、组织实体、角色的能力等。角色 或组织实体决定了参与某个活动的人员或组织单元。它主要描述企业经营过程中 参与操作的人员和组织单位 6 、需要激活的应用程序：主要属性包括应用程序的类型、名称、路径及运 行参数等。应用主要描述了用于完成企业经营过程所采用的工具或手段。如采用 e r p 软件或决策支持软件完成某个具体的企业业务功能。 该元模型描述了工作流模型内部包含的各个对象、对象之间的关系以及对象 的属性。由该元模型可以看出，过程定义元模型的核心是活动。工作流定义与活 动、工作流相关数据之间是一对多关系，即一个工作流定义由多个活动与多个工 作流相关数据组成。活动、角色、工作流相关数据、需要激活的应用程序、转换 条件之间都是多对多关系。如一个活动可以引用多个角色，一个工作流相关数据 可以被多个活动使用。 2 1 3 工作流技术发展现状 工作流技术作为经营过程的实现技术，首先要求工作流系统能够反映经营过 程的如下问题：经营过程是什么( 活动、任务) ? 怎么做( 条件、规则) ? 由谁来做( 组 织、角色) ? 做的怎么样( 监控) ? 一个真正成熟的工作流产品，应该提供从工作流定义语言、工作流编译工具、 工作流执行工具、工作流监控工具、工作流执行分析工具到工作流执行的提交与 回滚等工具与相应功能，从而实现业务流程的自动流转而其中涉及到工作流描 述模型、执行过程模型、工作流执行的正确性标准、工作流的错误与恢复机制等 也应当有统一的理论指导。 工作流技术及其广泛的应用前景吸引了众多的研究者，很多科研院所和公司 等研究机构进行工作流及其应用的研发工作。 目前，工作流技术领域的研究热点和趋势主要集中于嘲： 工作流过程建模：包括工作流过程模型和过程描述语言方面的研究，前者是 对业务流程的计算化描述，概括了实现流程所需的各种必要信息：如流程开始和 结束条件、组成该过程的各个步骤、步骤间的信息传递规则以及所需调用的应用 工具等，模型一般通过文本或图形化的过程描述语言来表现。 目前己提出了许多具体的模型和描述语言有待进一步的统一，w f m c 在规范化 方面起了很大的作用。此外，基于各种形式化工具对工作流模型性能进行分析和 评价，也是建模过程中极为关键的一环。 基于w e b 的工作流：由于零安装、移动性好、易操作等优点得到了巨大的发 展，许多应用系统转移到基于w e b 构架上来，w f m s 也不例外。现有的许多w f m s 也 增加了对w e b 的支持，但多局限于用w e b 来实现任务项( w o r k l t e m ) 的处理。典型的 基于w e b 技术的工作流管理系统包括美国哥伦比亚大学的o z w e b 、美国加利福尼亚 大学的e d c s 项目的e n d e a v o r s 、美国i b m 公司t j w a t s o n 研究中心的r a i n - m a n 和美 国加利福尼亚大学l l n l 实验室的z e p h y r 项目等。 面向对象的w f m s ( o b j e c t - o r i e n t e dw f m s ) ，随着面向对象技术的成熟与应 用，许多学者开始研究如何利用面向对象的技术来推动工作流技术的发展，主要 包括两个领域：第一，如何利用o o 技术如名字服务、安全控制技术来简化w f m s 的实现，提高w f m s 的性能和适应h a d 环境的能力，如佐治亚大学的m e t e o r 产品则 是其中的代表，它是一种基于c o r b a 标准面向对象的w f m s ，使用0 0 技术提高w f m s 的容错能力；第二，如何利用面向对象的分析方法来构建面向对象的流程定义， 以提高流程定义的可重用性。 分布式工作流：工作流管理系统从支持单个工作组环境开始，现在逐步提高 到企业级的功能需求，通过网络环境下的多引擎协作为用户提供一个开放的、透 明的、不同机型的、不同运行平台的异构型运行环境，借助信息共享的分布式技 术完成一个业务流程。这样，单个工作流程就要允许跨越广域网上的多个服务器 1 6 和客户端，通过并行计算、资源共享、分布操作使其可扩展性、可管理性得以充 分体现。然而，随之而来的是需考虑分布式系统的安全性和互操作性。典型的分 布式工作流系统包括美国i b m 公司a l t o - d e n 研究中心的e x o t i c a 、美国i b m 公司t j w a t s o n 研究中心的r a i n i a n 、美国g e o r g i a 大学m e t e o r 研究项目的o r b w o r k 、英 国n e w c a s t l e 大学c 3 d s 项目的n e w c a s t l e - n o r t e l 以及瑞士z u r i c h 大学的e v e 平台 等。 工作流互操作：互操作的研究主要包括两方面一一工作流模型的互操作和工 作流系统的互操作。微观层的模型互操作包括研究单个模型内或多个模型问的活 动可互操作性，以及如何检测、分析产生的冲突，并提供可行的解决方案：宏观 层的系统互操作则包括系统内部协议定义、程序接口、数据共享的可互操作，以 及工作流系统如何嵌入到其他业务系统中或如何实现与其他异构系统的连接。工 作流互操作是目前工作流管理技术研究中的一大难点。 工作流事务管理：事务管理是数据库技术中的一个重要概念。每个事务具有 a c i d 特性，即原子性( a t o m i c i t y ) 、一致性( c o n s i s t e n c y ) 、独立性( i s o l a t i o n ) 和持续性( d u r a b i l i t y ) 事务管理充分保证了数据操作、数据存储、系统管理的 正确性、可靠性和可管理性。目前高级事务模型己在各个领域得以应用，但现有 的工作流产品还不能显式的得到支持。典型的事务型工作流管理系统包括荷兰蒂 尔堡大学的t o w e 项目、欧洲委员会e s p r i t 项目中的w 工d e 项目、奥地利克拉根福 大学的w a m o 模型和美国工明公司的f l o w m a r k 等。 安全工作流管理模型：研究如何在分布、异构的环境下实现对工作流系统中 所管理信息的安全控制，包括安全策略、访问控制、加密算法、审计信息，备份 策略等方面。 国内国外存在许多专门的工作流管理方面的研究和集成工作流管理功能的 系统。以下介绍几个著名的w f l i s 产品： ( 1 ) i b m 公司的f l o w m a r k 系统 由o h j e c t s t o r e 面向对象数据库管理系统支持。主要组件包括：服务器、客 户建立器、运行客户器和程序执行客户器。服务器负责与数据库交互及协调工作 流执行；客户建立器提供用于设计工作流的图形接口；运行客户器以工作列表方 式提供用户接口；程序执行客户器以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 ) 1 7 调用和标准接口方式向应用提供接口。 ( 2 ) a c t i o n 公司的a c t i o nw o r k f l o w 系统 由微软的s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) 服务器或l o t u sn o t e s 支持。包 含3 个基本组件：w f m s 用于集成和管理工作流事务；a n a l y s t 为用于设计工作流过 程的专门工具；a p p l i c a t i o nb u i l d e r 用于将工作流定义转化成可执行的过程。 此外，还提供有辅助工具，如r e n o r t e r 用于查询工作流的进展状态。 ( 3 ) f il e n e t 公司的w o r k f l o w 业务系统 建立在o r a c l e 数据库之上，由一整套产品组成。其中，w o r k f o r c ed e s k t o p 用于基于w i n d o w s 的p c ；w o r k s h o p 用做设计接口；w o r k f l o w 负责协调主机、网络 与应用之间的交互；f o l d e r y i e w 用于非结构化的工作流应用；w o r k f l o w 应用程序 库为一套标准的a p i ：图像管理服务用于数据库管理。 ( 4 ) 富士通公司的r e g a t t a 系统，使用s q l ，s y b a s e 或o r a c l e 数据库，提供可视 过程语言和g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 工具g r a p h i c a lp l a n n e r 来创建和编 辑过程。该系统采用增量自动化技术支持多种类型的工作流，从改进的电子邮件 系统到全自动活动处理。 ( 5 ) a c t i o n 公司的a c t i o nm e t r 0 4 是一套基于w e b 的工作流管理软件。它不仅 能够管理确定的过程，而且对经营过程中不可预见的问题、要求进行控制，还可 为用户提供管理设定型的协作和任务的工具。m e t r o 将- v n t e r n e t 技术与s q l 事务 处理技术结合起来，并提供了内置的安全措施，能够保证业务过程的一致性。 m e t r o 系统包括可扩展的工作流管理应用程序、过程建模工具、过程管理工具和 一系列接口，并支持代理执行器为用户自动处理任务。 ( 6 ) l o t u sd o m i n o n o t e s i b m l o t u s 公司的l o t u sd o m i n o n o t e s 是提供一定工作流定制开发的群件产 品。l o t u sd o m i n o n o t e s 是集电子邮件、文档数据库、快速应用开发技术以及w e b 技术为一体的电子邮件与群件平台。其目的是跨越地域、部门之间的界限，使得 各行各业的工作人员传递、共享信息与知识，从而提高群组的工作效率。但由于 n o t e s 系统结构不太灵活，开发者自由发挥的余地比较小，对底层编程困难。 2 2 工作流管理系统 2 2 1 工作流管理系统的功能 f 过程设计和定义| 业务过程分析、 建模和定义工具 一 l i 碍“。1 | 过程定义 | 长行时 l； 过程改变i 工作流运行服务 l 过程实例化和控制 tti j 图2 3 工作流系统的功能特征 各种工作流产品实现的功能虽然有很多不同之处，但也表现出了一些共同的 特点，正是这些特点形成了一个工作流管理系统的基本结构，提供了不同产品之 问互相集成和互操作的基础。 所有工作流管理系统都支持三部分功能，如目g z - 3 所示啪 ( 1 ) 建立时功能对业务流程进行定义，生成计算机可处理的过程定义。 ( 2 ) 运行时控制功能负责创建和控制过程实例，定制工作流中每一步的活 动实例及激插相应资源和应用程序，通知任务参与人员等。它通常分布在多个计 算机平台上执行。 ( 3 ) 运行时交互功能具体的参与人员和应用工具的交互，完成每步活动实 例。 根据这三个功能域，一个工作流管理系统可详细划分为五个部件：过程定义 1 9 工具，工作流运行服务，客户端应用程序，被调用的应用和i t 工具，以及管理 监控工具。不同的产品对这些通用部件有不同层次的实现，为了实现不同产品之 间的交互，在不同部件之间提供一组标准接口和交互手段成为必然。 2 2 2 工作流系统参考模型 为了实现不同工作流管理系统之间的信息交换和协作，w f m c 定义了工作流 参考模型，如图2 4 所示。嘲 图2 4w f m c 工作流管理系统参考模型 所有的工作流产品都必须严格按照工作流参考模型，才能保证工作流产品的 开放性和标准性，从而支持异构工作流管理系统与产品之间的互操作 在参考模型中，工作流系统主要由五个功能部件构成： ( 1 ) 工作流运行服务：工作流系统的核心，其功能是借助一个或多个工作流 引擎为工作流的执行提供一个运行时环境，解释并激活过程定义，控制过程实例 的执行过程和活动顺序，添加工作项目到用户的工作项列表以及在必要时激活应 用或i t 工具。 ( 2 ) 过程定义工具：其主要功能是给用户提供一种对实际业务流程进行分析 和建模的手段，并生成业务流程的可被计算机识别和处理的形式化描述。 ( 3 ) 客户端应用程序：它是给用户，即流程的参与者，提供一种处理过程实 例运行过程中需要人工参与任务的手段。 ( 4 ) 被调用的应用和i t 3 z 具：指工作流运行服务在过程实例运行过程中调用 的，用来处理应用数据的应用程序或i t 工具。 ( 5 ) 管理监控工具：该部件的功能是对工作流管理系统中过程实例的状态 进行管理和监控。通过该工具，管理人员可以了解业务执行情况，也可以干预流 程的执行。 上述的功能部件在共同工作时需要交换数据，参考模型中相应定义了五个标 准接口： 接n - - ( 工作流过程定义读写接口) ：定义了过程定义工具与工作流运行服 务之间标准的交互格式和a p i 调用。 接d - - ( 客户应用程序a p i ) ：定义了工作流运行服务与客户之间的标准接口。 接口三( 调用应用接口) ：希望提供一些标准的服务供应用代理使用。 接口四( 工作流互操作接口) ：定义了不同工作流运行服务之间的互连和交 互，包括互连模式、互联一致性级别及操作元素集。 接口五( 管理及监控接口) ：定义了监控管理工具与工作流运行服务之间的 交互。 w f l l c 制定了上述五个接口的规范旧嘲脚m w f m c 对接口进行标准化的主要目标 有三：第一，通过被广泛接受的标准改进工作流管理系统中的数据交换；第二， 提供以简单方式创建不同运行服务之间连接的可能性；第三，使开发完全独立于 工作流管理系统的应用程序成为可能。 w f m c 提出的工作流参考模型具有重要的意义，主要表现在以下方面： ( 1 ) 建立了描述业务过程和自动化支持技术的公共词汇表，为详细讨论一般 意义上如何架构工作流系统提供了根本基础。 ( 2 ) 对工作流管理系统中必需的关键软件部件的功能以及它们的交互方式 进行了描述。参考模型是以技术中立的方式建立的，独立于任何特定的产品体系 和实现技术。 ( 3 ) 对关键软件构件之间的接口以功能性的抽象术语定义，这将推动信息以 标准化的方式交换，因而使得不同产品之间的互操作成为可能。参考模型中的五 个接口已成为了w f m c 标准化程序的基础。 工作流参考模型利用部件和接口标准化的技术，旨在对w f m s 的互操作和集成 问题给出解决方法，目前已被广大w f m s 研究机构和厂商作为建立应用框