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基于扩展e c a 的分布式工作流研究及应用 摘要 工作流技术是近年来随着i n t e m e t 和i n t r a n e t 的日益普及而迅速发展的技术研 究领域之一。工作流管理系统是业务流程管理的重要基础，主要目标是通过调用 有关信息资源与人力资源来协调业务流程中的各个环节，是指按照一定的顺序依 次进行，从而实现业务流程的自动化。 随着企业的全球化和网络技术的迅速发展，现代企业信息环境的分布、异构 和自治等特性越来越明显。在这种客观背景下，基于广域网技术、分布式计算技 术，支持企业之间及企业内部跨地域的分布式工作流系统成为工作流技术发展的 必然趋势和当今研究的热点。然而大部分分布式工作流管理系统都采用集中式管 理结构，即在分布式工作流执行中有一个主控工作流引擎来负责从属工作流引擎 的控制与协调，这种结构在兼容性、可扩展性、可靠性等方面都存在缺点。在分 布式工作流管理系统中还有很多关于时间方面的问题没有解决，限制了其描述能 力。 本文是在分析现有分布式工作流系统的基础上，提出一种基于扩展e c a 规 则和事件驱动机制的分布式工作流系统实现方案，它通过工作流引擎上的扩展 e c a 规则来完成工作流中的任务执行。首先将e c a 规则在时间上进行扩展，解 决了e c a 规则在描述与时间相关的复杂过程时能力不足的问题，并将事件重写 为事件发生时刻，使事件表达式具有更强的表达能力，使之有丰富的可用性。利 用u m l 活动图进行建模，并增加空活动和带触发条件的转移这两种建模元素， 丰富了u m l 活动图的语义，提高了工作流模型描述能力。在最后给出集装箱物 流管理系统中的应用示例，并结合具体业务流程对实现过程作了简要描述。 关键词：扩展e c a ；事件驱动；重写；分布式工作流：集装箱物流信息系统 t h er e s e a r c ha n da p p ii c a t i 0 1 qo fd is t r i b u t e dw o r k f i o w b a s e d0 1 3e e c a a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp r e v a l e n c eo fi n t e r a c ta n di n t r a n e t ，w o r k f l o wt e c h n o l o g yi s o n eo ft h ef i e l d sd e v e l o p i n gm o s tr a p i d l y w o r k f l o ws y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n t f o u n d a t i o no f b u s i n e s sp r o c e s s t h em a i n t a r g e to f w o r k f l o ws y s t e mi st h ea u t o m a t i o n o f p r o c e d u r e sw h e r ed o c u m e n t s ，i n f o r m a t i o no rt a s k sa r ep a s s e db e t w e e np a r t i c i p a n t s a c c o r d i n gt oap r e d e f i n e ds e to f r u l e st oa c h i e v ea no v e r a l lb u s i n e s sg o a l d i s t r i b u t i o n , h e t e r o g e n e i t ya n da u t o n o m yo fm o d e me n t e r p r i s e si n f o r m a t i o n b c c o m em o r ea n dm o r er e m a r k a b l ew i t i lt h ef a s td e v e l o p m e n to fi tt e c h n o l o g ya n d e n t e r p r i s e sg l o b a l i z a t i o n o nt h i so b j e c t i v eb a c k g r o u n d ，t h ed i s t r i b u t e dw o r k f l o w s y s t e m ，t h a ts u p p o r t sd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ga n d l l a b o r a t i o na m o n gd e p a r t m e n t so r e n t e r p r i s e s ，b e c o m e st h ef o c u sa n df u t u r et r e n do fw o r k f l o wt e c h n o l o g ys t u d y b u t m o s to ft h ed i s t r i b u t e dw o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m sh a v em a d eu s eo fc e n t e r e d m a n a g e m e n ts y s t e m ，n a m e l yi nt h ed i s t r i b u t e dw o r k f l o we x e c u t i o n ，t h e r ei so n l yo n e p r i m a r yw o r k f l o we n g i n ei nc h a r g eo fc o n t r o l l i n ga n dc o o p e r a t i n gt h es u b o r d i n a t e w o r k f l o we n g i n e s a sar e s u l to fs o m et i m ep r o b l e m sw i t h i nt h ew o r k f l o ws y s t e mn o t s e t t l e d , t h ea r e ao f i t sd e s c r i p t i o ni sl i m i t e d s o ，u n d e rt h ea n a l y s i so ff o r m e rd i s t r i b u t e dw o r k f l o wt e c h n o l o g y , w eb r i n g f o r w a r dad i s t r i b u t e dw o r k f l o ws y s t e mb a s e do ne x t e n d e d e c ar u l ea n de v e n t - d r i v e n m e c h a n i s m ，a n di tc o m p l e t e st a s k si nw o r k f l o wb ye x t e n d e d - e c ar u l e so ft h e w o r k f l o we n g i n e s f i r s to fa l l ，e x t e n d e de c ar u l ew h i c he x t e n d si nt i m e ，r e s o l v e st h e p r o b l e m so fe c a r u l e sd e f i c i e n ti nd e s c r i b i n gc o m p l e xp r o c e s sr e l a t e dt ot i m e ，a n d r e w r i t i n gt h ee v e n ti n t ot h eo c c u r r e n c et i m eo ft h ee v e n tm a k e s t h ee v e n te x p r e s s i o n h a v em o r ee x p r e s s i o ns e m a n t i c s ；d e f i n et h ew o r k f l o wp r o c e s sb yu m la c t i v i t y d i a g r a m ，a n da d dm o d e le l e m e n t st oa c t i v i t yd i a g r a m ，e n l a r g et h ed e s c r i b i n ga b i l i t yo f w o r k f l o wm o d e l t h i st e c h n o l o g yi s a p p l i e d i nc o n t a i n e rl o g i s t i c si n f o r m a t i o n s y s t e m ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f ap r o c e s si n s t a n c ei sa l s od e s c r i b e d k e yw o r d s ：e e c a ；e v e n t - d r i v e n ；r e w r i t i n g ；d i s t r i b u t e dw o r k f l o w ；c l m i s 独创声明 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，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注! 塑趁直基丝盂塞挂别重塑笪! 奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 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：吞恕垮 签字r 期：唧年彤月彳r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：存毫、芬 导师签字 签字日期：1 年以月刃f 1签字同期：年 月同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 皋十扩艘e c a 的分布式t 作流研究及m 用 第1 章绪论 本章介绍了工作流技术的研究背景，研究现状及不足，并对课题研究目的、 意义和本文的组织结构进行了说明。 1 1 研究背景 工作流管理系统的概念早在8 0 年代初就已提出，但由于当时计算机技术的 限制，一直未能得到充分发展。进入9 0 年代后，一方面计算机和网络技术的迅 速发展，特别是1 1 1 t e m e t 和晰a n e t 应用的同益普及，为工作流技术的快速发展 奠定了峰实的技术基础。另一方面，现代企业的需求为工作流技术的应用提供了 广阔的市场i j 景。随着现代企业的经营规模和生产规模同益扩大，它所包含的信 息资源迅速增长，相应的业务过程也越来越复杂：业务过程不但经常涉及许多不 同地域的资源之间的协作，而且还要经常需要进行变化与调整以适应市场需求的 不断变化。显然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。 j 下因为如此，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。当工作流软件产品由8 0 年代的萌芽到9 0 年代的繁荣， 经历了三个阶段的发展后，工作流产品基本上确立了它在计算机应用软件市场 的位置，在工作流这一框架下，对工作流的研究主要包括以下几个方面【l 】：( 1 ) 工作流管理系统体系结构的研究；( 2 ) i 作流模型与工作流定义语言的研究；( 3 ) 工作流的事务特性研究；( 4 ) i 作流的实现技术：包括面向对象技术、异构分布 式计算、图形用户界面、消息通信、数据库、w w w 等在内的与工作流系统的设计 实现有关的各项技术、方法；( 5 ) 工作流的仿真与分析方法；( 6 ) 基于工作流的集 成与互操作技术：研究异构应用系统的集成以及不同工作流系统之间的互操作问 题；( 7 ) 工作流与经营过程重组：研究如何通过工作流系统的实施来有效地实现 企业的经营过程重组。 随着计算机的普及、网络的延伸，现代企业信息系统的分布、异构和自治等 特性越来越显著，相应的企业信息资源也分在异构的计算机环境中，信息源之间 幕十扩腱e c a 的分布代t 作流研究及心用 的连接表现出松散耦合的特点，这样的信息系统环境简称h a d 环境( 异构、自治、 分布) 。企业物理位置的分散性和决策制定过程的分散性特征同益明显，对r 常 业务活动详尽信息的需求开益提高，c l i e n t s e r v e r 体系结构和分布式处理技术 ( c o r b a 、w w w 、o l e 、j a v a ) 的广泛应用，都说明了这样一个事实：集中式信息 处理的时代已经过去，取而代之的是大规模的异构分布式执行环境，使得相互关 联的任务能够高效运转并接受密切监控已成为一种发展趋势，在这种不可抗拒的 客观技术背景下，构建分布式工作流管理系统成为我们亟待解决的问题1 2 j 。 1 2 研究现状及不足 1 9 9 3 年工作流管理联盟( w o r k f l o w m a n a g e m e n t c o a l i t i o n ) 的成立标志着工 作流技术进入了相对成熟的阶段，为了实现不同工作流产品之间的互操作，工作 流管理联盟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，使人们可以从更深层次和领域对工作流技术展开研究。工作流管 理联盟还和其他组织共同探讨研究新兴技术在工作流管理中的应用。目前工作流 技术的研究f 闩益受到人们的重视，许多大学和研究机构都开展了很多研究项 目，取得了众多的研究成果，对工作流技术的发展做出了贡献。但是从工作流系 统的实际应用状况来看，还远未达到人们所期待的水平。总结起来，目静工作流 存在以下的问题【2 】【3 】： ( 1 ) 系统的兼容性差：不同的厂商提供的工作流产品具有自己独立的一套工 作流模型、定义语言以及a p i 函数，缺乏互操作的接口。 ( 2 ) 系统的可靠性差：主控工作流引擎的崩溃将导致工作流执行的完全失 败。 ( 3 ) 系统的实用性差：将工作流管理系统在企业应用不仅仅需要完成过程的 定义，还需要做许多其它工作，总的说来这是一个复杂的实施过程。而且工作流 系统的实施给企业带束的不仅是技术上的变化，同时会对企业原有的管理制度造 成一定的影响，因此企业需要完善相应的管理体系，以便工作流系统能够最大程 度的发挥其作用。 ( 4 ) 系统的容错性差：对系统运行中出现异常错误缺乏f 确和可靠的支持。 ( 5 ) 系统的可扩展性差：实时修改工作流执行模型比较困难，不能适应变化 摧十扩展e c a 的分布式下作流研究及麻用 灵活的企业环境。 1 3 本文的研究目的及意义 本文的研究目的是在分析现有分布式工作流系统的基础上，提出一种基于扩 展e c a 规则和事件驱动通讯机制的分布式工作流系统实现方案。该系统是遵从与 工作流管理联盟( w f m c ) 的工作流参考模型、通用的分布式工作流执行模型，它 通过工作流引擎的扩展e c a 规则来完成工作流中的任务执行，其特点在于： ( 1 ) 工作流的分布执行提供了对运行服务的全面支持，对客户端来说是完全 透明的。 ( 2 ) 事件驱动为分布式系统提供了一种统一的组件行为描述机制，包括例外 处理在内，都可以直接采用此种机制。 ( 3 ) 通过严格定义事件语义，可以保证工作流的j 下确执行以及对它的监控。 ( 4 ) 在工作流定义时不需要考虑完整的过程结构，以事件为核心的协调机制 可以处理复杂的工作流过程。 ( 5 ) 系统柔性增强，动态增减扩展e c a 规则可以实时修改过程结构，使企业 的业务流程快速适应市场的变化。 本文首先将e c a 规则在时间上进行扩展，解决了e c a 规则在描述与时间相 关的复杂过程时能力不足的问题，并将事件重写为事件发生时刻，给对e e c a 的 解释执行带来了方便，此时不仅能表达事件之间的逻辑关系，而且能够进行关系 运算，解决了e c a 规则中对事件运算表达能力不强以及规则解析较难等缺点，使 之有丰富的可用性。同时将u m l 活动图这一建模方法进行扩展，使用空活动和带 触发条件的转移这两种建模元素，解决了u m l 活动图本身对过程状态和外部事件 ( 包括时间事件和消息事件) 的表达方面的限制，丰富了u m l 活动图的语义，在 工作流建模时就可以考虑到时间和外部事件因素对过程的影响，增强了业务过程 和外界环境的交互能力，可以使工作流模型表达得更丰富、细致。 1 4 本文的组织结构 本文的组织结构如下： 第一章绪论部分主要介绍了本课题的研究对象和研究目的。 皋十扩胜e c a 的分布式t 作流研究及应用 第二章介绍了工作流技术相关概念、工作流管理联盟制定的工作流参考模 型、以及比较典型的分布式工作流技术和分布式工作流的研究现状。 第三章介绍了基于扩展e c a 的分布式工作流的技术基础，扩展e c a 规则的 内涵和事件驱动的原理。 第四章描述了利用基于扩展e c a 改进的活动图为分布式工作流建模的理 论。 第五章提出了基于扩展e c a 的分布式工作流管理系统的体系结构，介绍了 其在集装箱物流管理系统中的应用。 第六章是总结与未柬所要研究的方向。 4 幕于扩胜e c a 的分布，t 作流耐f 究及心用 第2 章工作流技术概述 本章介绍了工作流相关技术的概念、特点，介绍了分布式工作流管理系统的 发展和研究现状。 2 1 工作流和工作流管理系统 2 1 1 工作流的起源和概念 工作流是从英文单词w o r k f l o w 翻译得来的。w o r k f l o w 是由单词w o r k 和f l o w 组合得到的词。单词w o r k 表示工作或者任务，单词f l o w 的含义是流动、流程 或者流量，反映了一种变化以及变化的过程。用活动与活动之间变化的过程表示 的业务流程就是工作流。 工作流的概念起源于生产组织和办公自动化领域，它是针对同常工作中具有 固定程序的活动而提出的一个概念。目的是通过将一个具体的工作分解成多个任 务、角色，按照一定的规则和过程末执行这些任务并对它们进行监控，以达到提 高生产效率和办公效率的目的。2 0 世纪8 0 年代，在计算机网络技术、分布式数 据库技术和多机协同工作技术基础上发展起来的工作流技术为企业更好的实现 经营管理目标提供了先进的手段。2 0 世纪9 0 年代，随着i n t e m e t 的同益普及， c l i e n t s e r v e r 体系结构和分布式处理技术的广泛应用，人们开始从更深的层次和 更广的领域上对工作流技术展开研究，推动工作流技术的不断发展和完善。目前， 工作流管理技术已经被成功运用到工业、教育、金融、医疗、政府等领域。 许多学者尝试对工作流的定义给出一定的描述，但就像电子商务或智能代理 ( i n t e l l i g e n ta g e n t ) 等计算机技术一样，很难对其有一个统一的定义。不同 的研究者和工作流产品供应商都从不同的角度给出了工作流的定义。下面列举几 种有代表性的定义： 工作流管理联盟给出的定义是”1 ：工作流是一类能够完全或者部分自动执行 的经营过程，它根据一系列过程规则，使文档、信息或任务能够在不同的执行者 之自j 进行传递与执行。 g i g ag r o u p 给出的定义”1 ：工作流是经营过程中可运转的部分，包括任务的 娃于扩艘e c a 的分布丁作流研究投疵用 执行顺序及由谁来执行、支持任务的信息流、评价与控制任务的跟踪、报告机制。 i b ma l m a d e nr e s e a r c hc e n t e r 给出的定义是”1 ：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 骤由谁负责以及每个活动所需要的应用程序。 a m i ts h e t h 给出的定义”1 ：工作流是涉及到多任务协调执行的活动，这些任 务分别有不同的处理实体完成。一项任务定义了需要做的某些工作，它可用各种 形式来进行定义，包括在文件或电子邮件中的文本描述、一张表格、一条消息以 及一个计算机程序。用来执行任务的处理实体可以使人，也可以是计算机系统( 比 如一个应用程序、一个数据库管理系统等) 。 以上的这些工作流的定义，包含其它的一些工作流定义基本上都是用形式化 语言对工作流所进行的描述，虽然表达方式略有不同，但是基本上都说明这样一 个问题，即工作流是经营过程的计算机实现，而工作流管理系统则是这实现的 软件环境。使用工作流来作为经营过程的实现技术首先要求工作流系统能够反映 经营过程的如下几个方面的问题：即经营过程是什么w h a t ( 由哪些活动、任务 组成，也就是结构上的定义) 、怎么做h o w ( 活动间的执行条件、规则以及所交 互的信息，也就是控制流与信息流的定义) 、由谁来做w h o ( 人或者计算机应用 程序，也就是组织角色的定义) 、做得怎样( 通过工作流管理系统对执行过程进 行监控) 。 虽然上述定义不尽相同，但都表明了这样一种思想，那就是：工作流是指整 体或部分的业务过程在计算机支持下的全自动或半自动化，它由一系列趋同于同 一目标的活动组成，并与工作流执行者( 人、应用) 交互，推进工作流实例的执 行，同时监控工作流的运行状态。 相对于一般的流程，工作流具有以下的特点： ( 1 ) 计算机管理：工作流管理是由计算机管理企业业务流程而非手工管理。 ( 2 ) 自动流转：任务和信息按一定的规则和约束在参与者之闯自动流转，无 需手工指派和传统的纸质介质。 ( 3 ) 业务过程的计算机定义：显示的在计算机系统中定义业务过程及执行过 程所需要的切信息。 6 幕十扩胜e c a 的分布a t 作流研究发心用 2 1 2 工作流管理系统 为了实现对业务过程的工作流管理，需要相应的软件系统支撑，此种软件系 统为工作流管理系统( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称w f m s ) 。 w f m c 给出的定义是“1 ：工作流管理系统是一个软件系统，它完成工作流的定 义和管理，并按照在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。 工作流管理系统是业务操作系统( b u s i n e s so p e r a t i n gs y s t e m , b o s ) 。在 工作流管理系统的支撑下，通过集成具体的业务应用软件和操作人员的界面操 作，才能够对企业经营过程运行提供良好的支持。工作流管理系统的主要目标是 对业务过程中各个步骤( 或称为活动、环节) 发生的先后次序及步骤相关的相应 人力或信息资源的调用等进行管理而实现的自动化。所以，工作流管理系统在一 个企业或部门的经营过程中的应用过程是一个业务应用软件系统的集成和实施 过程。 。为了更好的支持异构工作流管理系统与产品之间的互操作，方便与其它应用 系统的集成，工作流管理联盟提出了工作流管理系统的体系结构图。 雷 詈嚣戮黾 图2 1 工作流管理系统的体系结构图 由图2 1 工作流管理系统的体系结构图可以看出，工作流管理系统主要由三 幕十扩艘e c a 的分布式下作流习f 究发麻用 类构件组成，分别是： ( 1 ) 软件构件：完成工作流管理系统不同组成部分功能的实现。 ( 2 ) 系统控制数据：工作流管理系统中的一个或多个软件构件使用的数据。 ( 3 ) 应用与应用数据：对于工作流管理系统来说，它们不是工作流管理系统 的组成部分，而是属于外部系统和数据，它们被工作流系统调用来完成整个和部 门工作流管理的功能。 尽管不同的工作流管理系统具有不同的应用范围和不同的实施方式，它们还 是具有许多共同的特性，为不同产品的集成和互操作提供了基础。 图2 2 作流管理系统功能模块 如图2 2 示，从较高层次上来抽象地分析工作流管理系统，可以发现所有的 工作流管理系统都提供了三种功能： ( 1 ) 建立阶段功能 主要考虑工作流过程和相关活动的定义和建模功能；在这个阶段，利用一 个或多个建模技术与工具，完成实际的经营过程到计算机可处理的形式化定义的 转换，所得到的产品通常称之为过程模型或过程定义。过程建模主要解决如何根 据过程目标和系统约束条件，将系统内的活动组织为适当的经营过程的问题。 ( 2 ) 运行阶段的控制功能 摧十扩胜e c a 的分布式t 作流耐究及m 用 在一定的运行环境下，执行工作流过程，并完成每个过程中活动的排序和 调度功能。 ( 3 ) 运行阶段的人机交互功能 实现各种活动执行过程中用户与i t 应用工具之问的交互；在工作流管理系 统的运作过程中，人和应用是完成整个业务过程的主体，工作流定义工具、工作 流执行服务和任务表管理器都是为了完成业务过程和支持人员工作提供的运行 环境。具体来说，在整个工作流执行中，不同的操作人员完成的工作大约可以分 为以下三种：模型定义一般由企业的业务管理部门完成、人机交互则由各业务部 门的人员完成、系统运行状态监控由具有较高职务的系统管理人员完成。 2 1 3 工作流模型 工作流参考模型【2 】是对工作流的抽象表示，也就是对经营过程的抽象表示。 包含了描述一个能够有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丌始和完成条件、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、工作流引擎的引用关系、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。这样在进行过程中活动或者信息对象的定义时，不仅 可以指定某个特定的人是这个活动或者信息对象的参与者，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连。过程定义指定完成某项活动的组织实 体或角色，而不是定义具体的人员。在工作流执行环境中，工作流执行服务负责 将组织实体或角色功能与特定的参与者进行连接。这样做的好处是不仅可以增加 过程定义的方便性，而且还可以提高工作流执行服务的灵活性。 工作流管理系统建立阶段( b u i l d t i m e ) 的功能主要是完成经营过程的计算 - 机化的定义，也就是完成过程建模的任务。在这个阶段，利用一个或者多个建模 方法及其相应的建模工具，完成实际的经营过程到计算机可处理的形式化定义的 转化。所得到的定义通常可以称为过程模型或过程定义。由于需要在计算机环境 下运行，工作流模型不仅要让人读懂，更要让计算机能够理解所定义的工作流过 程，所以工作流建模工具应该输出一个能被工作流引擎解释执行的过程定义。过 程建模工具以计算机能够处理的形式进行过程的定义。它可以基于形式化的过程 9 皋十扩艘e c a 的分布式丁作流研究发廊用 定义语言、对象一关系模型来进行过程模型定义。 在工作流建模方面，工作流管理联盟开展了两方面的工作： ( 1 ) 定义了一个元模型：所谓元模型一般是指描述模型的模型。这罩的工作 流模型的元模型用来描述工作流模型内在联系的模型。它用于描述工作流模型内 部包含的各个对象、对象之间的关系及对象的属性，这个元模型有利于建立可以 在多个工作流产品之间交换信息的模型。 ( 2 】定义了一套可以在工作流管理系统之间、管理系统与建模工具之间交互 过程模型定义的a p i ( 应用编程接口) 。 图2 3 过程定义元模型 如图2 3 为工作流管理联盟定义的过程元模型。在该模型中包含了以下几个 基本实体： ( 1 ) 工作流定义( 过程模型) ：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、系统安全、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，记这个过程要实现的目的和最终达到 的目标是什么。 ( 2 ) 活动：主要属性有活动的名称、活动的类型( 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。当工 作流运行在分布的环境下时，在活动的属性中还应包括执行该活动的工作流引擎 1 0 摧十扩胜e c a 的分布式t 作流研究及腑用 的位置。活动相应于企业经过程中的任务，主要反映完成企业经营过程需要执行 哪些功能操作。 ( 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( f l o wc o n d i t i o n ，过程实例向前推进的条件，可以认为是f i l l 后条 件的同义词) 、执行条件( e x e c u t i o nc o n d i t i o n ，执行某个活动的条件) 和通知条 件( n o t i f i c a t i o nc o n d i t i o n ，通知不同用户的条件) 。转换条件对英语企业经营过 程中的业务规则和操作的顺序。 ( 4 ) 工作流相关数据：工作流引擎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。它是工作流引 擎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( o r g a n i z a t i o ne n t i t y ) 、 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。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。 图2 3 中给出过程定义元模型的核心部分是活动。工作流定义与活动、工作 流相关数据之间是一对多的关系，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 问都是多对多的对应关系。如一个活动可以引用多个角色、使用多个工作流相关 数据，同样一个角色可以被多个活动饮用，一个工作流相关数据可以被多个活动 使用。 工作流模型有多种子模型，如数据模型、组织模型、活动模型和过程模型等。 这些子模型共同构成了工作流模型。子模型是相对独立的，它们分别刻画了工作 流中某一个方面，这样可以使工作流模型的概念更加清晰，更易于理解。各个子 模型的主要内容分别是：数据模型描述了在活动中访问的数据的类型、结构等特 稀：组织模型描述了活动执行实例以及活动执行实体之间的层次和隶属关系：活 动模型描述了工作中活动的内容，即建立活动中使用的软件工具和数据的关系： 过程模型描述了工作流过程中活动之间的依赖关系，即活动的执行顺序的规则 等。 壮十扩胜e c a 的分布式t 作流研究及m 用 2 1 ，4 工作流执行服务与工作流引擎 工作流执行服务是工作流管理系统的核心，实际上它是企业经营过程的任 务调度器。企业的业务过程在它的管理、监控和调度下执行，因此工作流执行服 务系统的性能和可靠性就直接决定了企业经营过程的运行效率和安全性。工作流 执行服务可以由一个或多个工作流引擎( w o r k f l o we n g i n e ，w f m ) 组成，它提供 了过程实例执行的运行环境，主要完成以下功能： ( 1 ) 过程定义的解析与执行：解释企业经营过程的过程定义，根据过程执行 需要的初始条件和执行参数生成过程实例，运行过程实例并管理其运行过程。一 个过程定义实际是企业经营过程的一个模板，可以有多个由它生成的实例同时运 行。 ( 2 ) 为过程和活动的执行进行导航：如根据过程的进入和退出的条件启动和 终止一个过程实力：根据活动之间的关联和活动的执行条件，决定并行或串行执 行后续活动等。 ( 3 ) 与外部资源交互完成各项活动：工作流执行服务通过两种途径完成与外 部资源的交互：客户应用接口和直接调用应用接口。对于客户应用方式，工作流 机通过任务项列表管理器对应用的执行进行管理。任务项列表管理器提供任务项 列表供用户进行选择，并记录工作项的完成情况。用户可以从任务列表管理器提 供的任务项列表中选择相应的任务项，并在需要的时候调用应用工具来完成任务 的执行，在任务执行完成后，用户修改相关任务项的状态，并通知任务项列表管 理器。这些由任务项列表管理器分发并管理的通过用户操作的活动对应与工作流 管理系统中用户手工完成的活动。 对于直接调用应用方式，是由工作流服务直接调用相应的应用程序来完成 的，这些应用同样需要将预先定义好的应用执行完成情况反馈给工作流服务。直 接调用的应用主要是针对基于服务器的无需用户参与的应用，即自动化活动。 ( 4 ) 维护工作流控制和工作流相关数据：工作流在执行过程中要维护不同过 程和活动实例的状态信息，同时还要维护用于协调和恢复的各种检查数据。 工作流引擎是一个为工作流实例的执行提供服务环境的软件。它是工作流执 行服务的核心，是执行企业经营过程的“业务操作系统”的内核。从提供的功能 上看，它主要完成以下任务： 1 2 摧十扩胜e c a 的分布式t 作流f 究及肫用 ( 1 ) 对过程定义进行解释。 ( 2 ) 控制过程实例的创建、激活、挂起、终止等。 ( 3 ) 控制活动实例间的转换，包括串行或并行的操作、工作流相关数据的解 释等。 ( 4 ) 提供支持用户操作的接口。 ( 5 ) 维护工作流控制数据和工作流相关数据，在应用或用户间传递工作流相 关数据。 ( 6 ) 提供用于激活外部应用程序和访问工作流相关数据的接口。 ( 7 ) 提供控制、管理和监督工作流过程实例执行情况的功能。 工作流引擎具体的执行过程如图2 4 所示。工作流引擎接受从外部接口发送 过来的有关过程控制的请求( 如过程初始化、获取活动以及结束活动等) ，然后根 据不同的请求类型调用相应的处理模块完成与本次请求相关的操作并返回结果。 事实上可以将工作流引擎看成一个多线程的并发服务器，它可以对多个外部请求 提供并发服务。对外部请求的处理过程中肯定会涉及到对工作流相关数据的读写 和更改操作，同时工作流引擎还维护着工作流的控制数据，通过工作流控制数据 来辨别每个过程或活动实例的状态，并推动着工作流过程的执行。 经势营瑶嚣 二 l 塑苎叁纠一一，fl 壁翌篓篓篓| t 一一 甲簿裂 。上，丽蕊蜀 = ) 臣竺型 【型鍪堂j 砸堕 图2 4 工作流引擎运行原理 2 1 5 采用工作流管理系统的好处 工作流管理系统的目的是根据预定的目标，找到合适的方法和手段来优化工 9 固9 9 凸 基十扩鹱e c a 的分布成作流研究及应用 作流程，其应用会给企业带来巨大的效益。采用工作流管理系统将使企业改变传 统的按照功能来配置人员的组织结构，变成按照企业要实现的主要业务流程来配 置组织结构，来缩短主要业务过程的处理时问，提高对市场的响应能力。 企业采用工作流管理系统主要有如下好处： ( 1 ) 提高企业管理的规范化程度。 ( 2 ) 更好地与上下游企业形成快速的供应链网络。 ( 3 ) 通过在工作流模型中加入对可预测的故障的处理策略来提高系统的柔 性。 ( 4 ) 在工作流的基础上改进控制策略，降低相应的控制成本。 ( 5 ) 通过对已完成的工作流实例的分析，找出存在的不足，进而不断的改进 工作流程。 2 2 分布式工作流管理系统 随着计算机与网络技术的迅速发展，特别是在i n t e m e t 应用同益普及的情况 下，现代企业的信息系统的分布性、异构性和自治性的特征越来越明显，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。在这客观背景下，工作流技术也随之进入了一个新的发展阶段一分布式 处理阶段【8 】【9 1 。 2 2 1 分布式工作流的出现 目前，软件体系结构按计算模式大致可分为两判10 】：集中式计算模式和分 布式计算模式。集中式计算模式是这样一种计算模式：软件组建只能部署在单一 物理节点上。分布式计算模式一般有多个软件组件相互协作完成一个预定的功 能，这些软件组件既能分布在同一台机器上也能分布在通过网络连接起来的不同 机器上。相对于集中式计算，分布式计算的优点是很明显的：可扩展性高、效率 高、资源利用率高、容错性好、可靠性高等，因此可以把应用系统需要的不同组 件部署在最符合要求的机器上。 早期的工作流管理系统主要应用于特定的领域，如图像、文档的管理系统， 这些系统是相对独立的，所以工作流管理系统大多是集中式的。随着计算机的普 4 基于扩展e c a 的分布式工作流研究及应用 及、网络的延伸，现代企业的信息资源越来越表现出一种分布的、异构的、松散 耦合的特点，企业的分散性、决策制定的分散性、对日常业务活动详细信息的需 求及分布式处理技术的日益成熟，都推动着企业的应用由集中式计算向分布式异 构计算的方向演化【l 】。工作流管理系统的结构已经由原来的只能支持单一的工作 流环境发展到现在可以支持企业级的工作流环境。一个工作流实例可以跨越局域 网、广域网分在不同的服务器和客户端，服务器的故障所造成的影响将被减小到 最小，这大大提高了系统的可扩展性、实用性和管理能力。 另外，从工作流技术所要解决的问题来看，它也必然要以分布式的形式出现。 因为无论从企业的信息环境、组织环境，还是与外界的协作来看，都具有明显的 分布式特点：网络的延伸、系统的异构、人员的分散、供求关系的全球化等等。 在这样的环境下要完成不同应用系统的集成、不同组织人员的协作并达到实现经 营过程运作的自动化和高效率，所用的工作流管理系统必然具有分布式的特点 【i n 。 2 2 2 现有的分布式工作流技术 不同的研究机构由于研究方向和所用技术不同，所提出的具体实现系统也有 所不同。比较典型的有i 蹦公司的基于“信息传送”的e x o t i c a f m q m 、b a b a r a 等人开发的i n c a s 系统、美国佐治亚大学计算机系的m e t e o r 系统、五国联合工 作组的w i d e 系统和瑞士苏黎士大学的基于“事件驱动”的e v e 系统等。 ( 1 ) i b ma l m a d e n 研究中心的e x o t i c a f m q m 系统。儿”1 e x o t i c a f m q m ( f l o w m a r ko nm e s s a g eq u e u em a n a g e r ) 是e x o t i c a 提出的 一种完全分布的工作流管理系统，它采用持久消息来保存和传递工作流相关执行 信息，使得每一个执行节点都能够独立运行。e x o t i c a 的设计方案是建立在底层 的消息传递系统上的，它采用i 蹦公司的m q s e r i e s 作为消息传递系统。此消息 系统为上层的应用隐藏了复杂的通信实现代码，并且屏蔽了操作系统、网络协议 的异构性，这些特点使其适合于连接分布式应用，实现分布式环境下的工作流管 理功能。在消息系统所构成的信息基础结构上，分布的执行节点问通过发送与响 应消息来相互联系。持久消息是指被保存在可恢复消息队列中的消息，它们被放 入消息队列后，将一直被保存，直到相应的消息处理事务完毕以后，才从消息队 基于扩展e c a 的分布式工作流研究及应用 列中取走。在执行阶段，由于每一个执行节点只能够完成过程中的一个或几个活 动，所以，整个的过程定义就被分解成为多个独立的部分，这些独立的部分将被 传送并被保存在不同的执行节点上。 基于持久消息队列的分布式结构的优点是：每一个单独的执行节点都能够独 立完成相应的工作流活动，从而实现了比较彻底的分布式工作流运行方式，提高 了系统的可靠性；而且，通过增加执行节点的数量，可以提高工作流系统的任务 处理能力，避免了集中式的情况中服务器端出现的性能瓶颈问题。 但是，采用此结构的工作流管理系统也有它的缺点：首先，它使得在集中方 式下的一些简单的问题变的复杂，如对实例状态的监控问题；其次，工作流模型 进行的是静态分割，这对那些工作流建模时期还不能确定某些活动的执行者是谁 的情况并不使用；而且，各个执行站点得到的只是工作流模型的一部分，无法实 现工作流模型的动态更改；再次，在某些情况下，全部使用持久消息系统的开销 可能很大。 ( 2 ) b a b a r a 等人开发的i n c a s 系统嘲“” b a b a r a 等人提出的i n c a s 系统是一个支持异构、分布、自治环境的工作流 系统，工作流的执行环境由许多具有自治能力的处理站点组成。在这个体系结构 中，最基本的概念是i n c a ，即i n f o r m a t i o nc a r r i e r ，它是一个可移动代理。在 一个i n c a 中，包括有所请求的服务以及与执行此服务相关的信息，也就是将工 作流的控制流和数据流都编码在i n c a 中。工作流的执行是通过将i n c a 提交给每 个处理站点向前推进的，当接收到i n c a 时，每个处理站点就会执行在i n c a 中所 请求的服务，并且推动工作流程向前进行。 i n c a 模型支持动态工作流过程，属于完全分布式的体系结构。它的优点是 不需要集中式控制，也不需要集中服务器。缺点是需要将工作流执行所需的控制 规则和相关数据都封装在i n c a 中，特别是在实例的过程定义非常复杂时，在处 理站点间迁移数据通讯量很大，需要占用很大的网络带宽，甚至难以实现通信。 ( 3 ) 美国佐治亚大学计算机系的m e t e o r 系统 m e t e o r 系统是由美国佐治亚大学计算机系的l s d i s 实验室开发的一套工作 流管理原型系统，其目的是实现一个能够支持大规模复杂应用的自适应工作流管 理系统，并保证这些应用在异构企业环境中能够正常运行。该系统采用了完全分 1 6 幕于扩胜e c a 的分布_ t 作流研究发心用 布的体系结构，在系统中设计并实现了分布式调度模块来完成工作流任务的最优 调度