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摘要 工作流模型是业务过程的计算机化的表示。工作流管理系统中一个重要的课 题就是要为待描述的过程定义提供一种通用过程描述、表现能力强和便于形式化 验证的工作流过程模型，一个好的工作流过程模型应该是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。 尽管工作流技术的研究日益受到人们的重视，并在工作流领域取得了众多的 研究成果，但是目前对工作流模型方面的研究仍旧比较少，对模型的分析更少。 各种模型缺乏系统性，比较混乱，不同厂商、不同工作流系统的模型之间差异很 大。另一方面，目前仍旧缺乏一种能够支持过程定义、过程演进以及过程分析的 形式化数学模型。因此对工作流模型进行分类、比较、分析，寻找模型本质的东 西，为完善过程定义、改进工作流程、进一步提高企业的工作效率、降低成本等 提供了坚实的理论依据。 本人的主要工作集中在以下几个方面： 第一：对工作流技术的相关概念、工作流参考模型、国内外工作流模型的研 究现状和研究内容进行了介绍。 第二：在对典型的工作流模型进行比较基础上，给出了模型分类标准。将信 牌驱动模型与w p d l 、w i d e 进行比较，将驱动模型与工作流模式进行比较。 第三：提出了一种工作流模型基本集。详细的研究了模型的静态结构、典型 流程。并且对工作流模型进行形式化的定义。 第四：实现了信牌驱动模型向p e t r i 网的转化。利用p e t r i 网这种形式化的 工具对扩展的信牌驱动模型中的死锁、可达性进行了研究，并给出了相应的判断 算法。 第五：开发出模型分析工具。它利用扩展的信牌驱动模型为某个业务流程方 便、友好地建立过程定义，并能对其中的一部分性质和错误进行验证。该工具严 格按照面向对象的软件工程原理进行分析、设计；并充分利用p a t t e r n 的设计思 想，设计了个体系结构良好、人机界面友好的工作流模型分析工具。 关键词：工作流、工作流管理系统、工作流过程模型、p e t r i 网、工作流模式 a b s t r a c t w o r k f l o wm o d e li s c o m p u t e r i z e de x p r e s so fb u s i n e s sp r o c e s s o n eo ft h e k e yi s s u e si nt h ew o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e mi sh o w t os e t u paw o r k f l o w p r o c e s s m o d e lt h a th a sp o w e r f u lp r e s e n tc a p a c i t y ，i se a s yt ou s e ，t oe x c h a n g ea n dt of o r m a l i z e a g o o d w o r k f l o w p r o c e s sm o d e l i st h ek e yf o u n d a t i o nt ob u i l da h i g hf l e x i b l e ，r e l i a b l e ， u s e f u l ，e x p a n d e da n dc o o p e r a t i v e w o r k f l o w m a n a g e m e n ts y s t e m a tp r e s e n t ，w o r k f l o wt e c h n o l o g yh a sd r a w nc o n t i n u i n gi n t e r e s t sf r o mt h e r e s e a r c ha n dc o m m e r c i a lc o m m u n i t i e s ，a n dt h es t u d yo fw o r k f l o w t e c h n o l o g yi s m o r ea n dm o r ea t t r a c t i v e ，h o w e v e r ，t h es t u d yo fw o r k f l o wm o d e li sl i t t l e n o w a d a y s a l lo f t h em o d e l sa r el a c ko fs y s t e m ，a n dr a t h e ri nc o n f u s e ds t a t e a m o n gd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sa n dw o r k f l o wm a n a g e m e n t s ，t h e r ee x i s tm u c h d i f f e r e n c e o nt h eo t h e rh a n d t h e r es t i l ll a c ko faf o r m a la n dm a t h e m a t i c a l m o d e lw h i c hi sa b l et o s u p p o r tt h ed e f i n i t i o no fp r o c e s s ，p r o c e s se v o l v e m e n t ， p r o c e s sa n a l y s i s i tw i l lh a m p e rt h es t u d ya n du s a g eo fw o r k f l o ws y s t e m t o s o l v et h ea b o v ep r o b l e m sa n da i mt of i n do u tt h ee s s e n t i a lt h i n gf r o mm o d e l s a n d p r o v i d e t h ee s s e n t i a l s e to fw o r k f l o wm o d e l ，w ew i l l i d e n t i f ym a j o r c a t e g o r i e s o fw o r k f l o wm o d e l so ns o m ec r i t e r i a i ti s p r o v i d e t h e t h e o r y f o u n d a t i o nt oc o m p l e t et h ep r o c e s sd e f i n i t i o n ，t oi m p r o v et h ep r o c e s s ，t op r o m o t et h e b u s i n e s se f f i c i e n c ya n dt or e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t s t h i sw o r km a i n l yi n c l u d e ： f i r s t l y t h ed e f i n i t i o na n ds y s t e ms t r u c t u r eo f w o r k f l o wi si n t r o d u c e d ，w h i c h i n c l u d e c o n c e p t ，w o r k f l o wr e f e r e n c e m o d e l ，t h e r e s e a r c h a c t u a l i t y a n dr e s e a r c h c o n t e n t ，a n ds oo n ， s e c o n d l y , s o m et y p i c a lw o r k f l o w m o d e la n dw o r k f l o w p a t t e r si si n t r o d u c e d t h e n w ec o m p a r ex i n p a ld r i v e rw o r k f l o ww i t hw p d la n dw i d e ，e t c t h i r d l y ，o n t h eg r o u n do f c o m p a r i s o n ，e s s e n t i a l s e t i sp u tf o r w a r d f o u r t h l y , t h r o u g ht h et r a n s f o r m f r o mt h ec o n t r o lp a r to fw o r k f l o wm o d e lt op e t r in e t ， r e s e a r c hi n t ot h ep r o b l e m ss u c ha sl o c k ，a n dr e a c h a b l i t y f i f h l y ，ap r o c e s s m o d e la n a l y s i st o o li s d e v e l o p e d ，w h i c h c a ne a s i l ya n d c o n v e n i e n t l ye s t a b l i s h t h eb u s i n e s sp r o c e s sb ye x t e n d e dx i n p a i d r i v e nm o d e l ，a n dc a r l t r a n s l a t et h eb u s i n e s sp r o c e s sd e f i n i t i o nt oap e t r i n e ta n dv e r i f ya n da n a l y s i st h e p r o c e s sd e f i n i t i o n t h i st o o li sd e v e l o p e db yo b j e c t o r i e n t e da n a l y s i sa n d d e s i g n b y t h ed e s i g np a t t e r ni d e a ，i th a saw e l la r c h i t e c t u r ea n df r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e k e yw o r d s ：w o r k f l o w , w o r k f l o w m a n a g e m e n ts y s t e m ，w o r k f l o wp r o c e s sm o d e l p e t r in e t ，w o r k f l o wp a t t e r n 独创性声明 本人申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以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得酉j e 太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中做了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：龃里基 签字日期： 1 l j l 日l 舌 随着网络技术和计算机技术的迅猛发展、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。 工作流管理系统中首要解决的问题就是工作流模型的研究，即通过一个什么 样的模型实施对现实世界中的业务流程的建模。一个业务流程必须在被描述成计 算机可识别的形式，才能由工作流运行服务代替人来解释和驱动执行，所以工作 流的自动化执行依赖于业务过程的形式化描述，从而保证流程参与者之间的协同 工作以及数据的一致性和过程的可靠性。一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。 国内外许多大学和研究机构开展了很多工作流的研究项目，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。但是目前对工作流模型方面的 研究仍旧比较少，模型缺乏一个严格的分类标准。各种模型缺乏系统陛，比较混 乱，不同厂商、不同工作流系统的模型之间差异很大。另一方面，目前仍旧缺乏 一种能够支持过程定义、过程演进以及过程分析的形式化数学模型。在跟踪 国内外工作流最新技术，研究工作流已有产品的基础上，西北大学软件工程研 究所与西安协同数码公司提出了信牌驱动的工作流模型。 和其他模型相比，s y n c h r o f l o w 主要有着丰富的模型表达能力。创造性的引 入了静态活动、同步区、非同步区、真信牌、假信牌等语义元素，不但能够支持 顺序、分支、合并、循环等多种控制结构，而且扩展了分支与合并的内涵( 将分 支扩展为无条件分支、a n d 条件分支、o r 条件分支、x o r 条件分支等多种情况， 将合并扩展为a n d 同步合并、o r 同步合并、x o r 同步合并、t - a n d 同步合并、a s y n 异步合并等多种情况) 。 本人的主要工作集中在以下几个方面：继续对工作流模型进行研究，分析国 内外工作流模型的研究现状和研究内容，在对典型的工作流模型进行比较基础 上，将信牌驱动模型与工作流模式进行比较。提出了一种工作流模型基本集。 利用p e t r i 网这种形式化的工具对扩展的信牌驱动模型中的死锁等问题进行了 研究，并给出了相应的判断算法。开发模型分析工具。 本文第一章介绍了工作流的主要概念、模型的研究现状。第二章简单介绍了 典型的工作流模型、工作流模式。在此基础上将信牌驱动模型与w p d l 、w i d e 进行比较。第三章在对模型比较的基础上提出了模型基本集。第四章对信牌驱动 模型进行分析和验证。利用p e t r i 网这种形式化的工具对扩展的信牌驱动模型中 的死锁等问题进行了研究，并给出了相应的判断算法。最后对工作流的发展进行 了展望，提出了进一步的研究内容和方向。 关键词：工作流、工作流管理系统、工作流过程模型、p e t r i 网、工作流模式 第一章工作流基本概念 随着网络技术和计算机技术的迅猛发展、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。 1 1 工作流技术的发展 随着计算机和网络在日常工作中的广泛应用和信息资源的快速增长，工作流 技术为企业解决如何建立一个相关任务能以有效的集中管理方式执行的异构分 布式执行环境而提出。作为计算机支持的协同工作c s c w 研究的一个重要方向， 工作流管理的基本思想来源于办公自动化o a 、文档管理或表单处理等领域，其 主要目标是以计算机和网络为为载体，通过调用和分配有关信息和资源来协调业 务过程中的各个环节依次执行，从而实现业务过程的自动化。从研究的角度来说， 工作流管理系统是支持预先定义的人员间( 或人员与机器间) 异地、异步协作的 一种群件( g r o u p w a r e ，也称为组件) 系统，是群件系统从支持同步、非结构化 协作向支持形式化、结构化协作的进一步发展。工作流技术的发展包括了许多不 同的i t 领域，早期的许多i t 产品都在不同程度或不同方面支持工作流的概念， 如图像处理系统、文档管理系统、基于事务的关系对象数据库系统、电子邮件系 统和业务处理重组工程( 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 gb p r ) 工具等。近年来， 随着高性能微机的普及以及网络技术和业务流程重组技术的发展，工作流管理系 统巨大的潜在市场和广阔的应用领域吸引了来自全世界研究机构及软件厂商越 来越多的关注，其应用也从初期的银行、保险、行政管理等一些人员密集的行业， 扩展到典型的工业和制造业。目前国际上声称具有工作流功能的系统已经有几百 种之多，如i b m 的f l o w m a r k ，欧洲的联合项目w i d e 的f o r o ，以及u l t i m u s 、 v i s u a l w o r k f l o 、w o r l d f l o w 等，其研究方向、应用领域和功能各不相同，用户可 根据需要自由选用。根据d e l i p h 组织的调查与研究，工作流市场自1 9 9 3 年来一 直保持稳步增长，工作流正成为i t 界一个新的技术与经济的增长点。 另一方面，众多的工作流管理产品大部分与具体应用相联，且不同产品问囡 缺乏统一标准而无法共同工作，互操作性差。因此，一些专门从事工作流技术的 研究与推广的国际组织，希望从众多的产品中制定出一个通用的标准和规格说明 来解决上述问题。负责w t m s 标准化的工作流管理联盟w f m c ( w o r k f l o w m a n a g e m e n tc o a l i t i o n ) 和对象管理组织o m g ( o b j e e tm a n a g e m e n tg r o u p ) 是其 中最主要的两个。w f m c 以定制w f m s 国际标准，实现不同w f m s 之间的互联 与互操作为目标。它发布的工作流系统参考模型( w o r k _ f l o wr e f e r e n c em o d e l ) 已 被广大研究机构和软件厂商接受。我们的工作就是以其为基础开展的。 1 2 工作流技术的相关概念 关于工作流的概念目前尚无统一、明确的定义，不同组织和产品都有不同的 描述，但其本质和基本特征是一致的。在本文中，我们以工作流管理联盟的定义 为标准。w f m c 定义： 工作流；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f w f m s ) ：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( 即工 作流逻辑) ，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。 业务流程( b u s i n e s sp r o c e s s ) ：指在某企业或机构中，能够实现业务目标和策 略的相互连接的过程和活动集。如公文处理流程、投保过程及项目开发过程等。 过程定义( p r o c e s sd e f i n i t i o n 也称过程建模) ：计算机所能识别的业务流程 的形式化描述，用来支持运行过程的自动化。流程一般被分解成一些子过程和活 动，其定义主要包括运行过程中涉及到的各种数据和参数，如过程的开始和终止 条件、各个工作环节( 活动) 及相互之间的控制流和数据流关系以及一些关于个 体行为的信息，如组织成员、与i t 相关的应用和数据等。 活动( a c t i v i t y ) ：工作流中一个逻辑步骤或环节的工作任务，般分为手工 操作和自动处理两类。活动是流程执行中的最小工作单元，要求有人员的参与或 4 由计算机自动完成。 过程实例( p r o c e s si n s t a n c e s ) ：实际运行中的一个业务流程。每个实例代表 一个能独立控制执行、具有内部状态的线程。在过程实例的执行过程中，w f m s 将解释相应的过程定义，生成有关的活动实例并根据定义中的控制规则协调这些 活动之间的顺序关系，同时根据数据流动关系的定义完成活动之间的数据传送。 从参与者的角度来说，实例的执行实际上是由参与者处理他所涉及的那个环节的 数据，完成该环节的任务，之后由w f m s 根据相应结果激活后续环节，同时通 知后续参与者对之进行处理，由此依次反复直至整个过程完成。 工作项列表( w o r l d i s t ) 是一个参与者所负责的所有工作项的详细描述； 相关数据( w o r k f l o wr e l e v a n td a t a ) 是系统中主控部件( 运行服务器) 用 来控制工作流实例的状态和执行的数据，相关数据在流程定义中一般为全局变 量，又可细分为控制数据和参考数据。 环境数据( s y s t e m e n v i r o n m e n t a ld a t a ) 是而各个活动执行中应用程序或 参与者所处理的数据，如应用数据库中的纪录，被处理的文档等 这些基本概念间的关系如图1 1 示： 参与者 应用软件 图1 - l 工作流基本概念间的关系 1 3 工作流参考模型 对于今天软件市场上出现的众多的工作流管理软件，在运行环境和所适用领 域上各有不同的特点，用户可以根据环境和需要自由选择。但对于现在越来越大 的企业机构而言，一种w f m s 可能并不能满足某个复杂的业务过程中所有环节 的需要。另外不同的机构会选择不同的产品去满足其业务管理的需求。这种应用 上的特点要求各种不同类型的w f m s 能够实现互联和互操作，以便他们能够被 纳入到一个统一的框架中，在各自的位置和领域发挥各自的优势与作用，从而协 作完成整个复杂业务。 工作流管理联盟就是一个以定制w f m s 国际标准，实现不同w t m s 之间的 互联与互操作为目标的国际组织，其组织成员包括软件厂商、科研机构及咨询机 构，总成员已超过2 0 0 个，是目前最大最具权威的工作流组织。它于9 4 年1 1 月发布的工作流系统参考模型( w o r k f l o wr e f e r e n c e m o d e l ) 详细地描述了工作流 系统的各个主要组成部分、各部分的功能及相互之间的接口，已被广大研究机构 和软件厂商接受，也是我们开展研究工作的基础。下面我们给出该模型的说明。 除了不同，所有的工作流管理系统还是表现出一些共同的特点，正是这些特 点提供了不同产品之间互相集成和互操作的基础，形成了一个工作流管理系统的 基本结构。所有工作流管理系统都支持三个功能：建立时功能( b u i l d t i m e f u n c t i o n ) ，对业务流程进行定义，生成计算机可处理的过程定义：运行时控制功 能( r u n t i m ec o n t r o lf u n c t i o n ) ，负责创建和控制过程实例，定制工作流中每一 步的活动实例及激活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：运行时交互功能( r u n t i m ei n t e r a c t i o n sf u n c t i o n ) ，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以下五大部件：过程定义工具：工作流执行服务；客 户端应用程序：被调用的应用和i t 工具和管理监控工具。不同的产品对这些通 用部件将有不同层次的实现，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。w f m c 的工作流系统参考模型就是包含这 些部件和接口的通用模型，如图1 2 所示： 综上所述，w f m c 提出的参考模型利用部件和接口标准化的技术对于w f m s 的互操作和集成问题给出了较好的解决方法，同时该模型符合当今的软件构件技 术思想，从而成为广大w f m s 研究机构和厂商建立应用框架的基础与标准。 6 图1 - 2w f m c 工作流管理系统参考模型 1 4 工作流模型的研究现状 工作流模型是业务过程的计算机化的表示。它定义的是过程运行中会涉 及到的各种参数，如业务过程的开始和终止条件、各个工作环节及相互之间的 控制流动与数据流动关系等。工作流管理系统中的一个核心问题是建立一个全 面、合理、使用方便、便于在用户和工作流管理系统之间交换过程定义、以及能 对其进行形式化验证的工作流过程模型。因此，工作流管理系统中首先要解决的 问题就是通过一个什么样的模型实施对现实世界中的业务流程建模。不同的 w f m s 所实现的工作流模型是各不相同的。在早期的具有工作流管理功能的系统 中，这种表示是通过“硬编码”的方式完成的。因此导致修改工作流程上的困难。 在后来的w f m s 中，逐渐出现了使用有向图、条件化有向图、p e t r i n e t 、对象模 型、语言动作( l a n g u a g e a c t s ) 理论、基于约束条件的形式语言文法表示以及基于 目标的知识表示等。这些系统一般都提供有一个可视化的业务过程建模工具，以 使用户能够以比较直观的方式对实际的业务过程进行建模，并得到相应的形式化 表示。 研究表明，工作流过程模型是工作流管理系统中最重要、也是没有很好解决 的重要问题之一。但是目前，关于工作流过程模型的研究还很不成熟，各种研究 7 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，常见的模 型有：正文方式的、有相应语法和语义解释的工作流过程模型、基于图形方式表 达的工作流模型、基于语言行为理论( s p e e c h - a c t i o n t h e o r y ) 的对话式工作流过 程模型队及基于形式化的工作流过程模型基于对象的工作流模型。这些模型各有 千秋，优缺点共存。还有在过程模型中采用什么样的元素才可以完备而又较少冗 余的描述业务流程? 如何实现过程模型的有效性、正确性分析。 1 4 1 工作流的建模方法 目前工作流建模技术远还没有成熟，还处于百家争鸣的时代。我们对当前几 个主要的建模方法进行比较。 流程图建模方法是从过程的描述入手，这类基于有向图的模型优点是比较直 观，容易理解，在一般情况下，图中的节点表示活动或状态，而有向弧表示节点 之间的时序依赖关系。缺点是比较简单，不能处理复杂的过程逻辑。 i d e f 系列方法包括一系列的建模方法，如功能建模方法( i d e f o ) 、信息建 模方法( i d e f l i d e f x ) 、过建模方法( i d e f 3 ) 等。i d e f 0 主要用来描述系统的 功能结构，i d e f x 用来描述信息实体及实体之间的关系。i d e f 3 用来描述过程。 p e t r i 网是基于形式化的工作流建模方法。这种建模方法对模型中的元素、 有形式化的定义。 角色行为图这种模型从客户方与服务方这两个角色之间的语言行为的交互 上对工作流模型进行定义。这种建模方法层次化建模能力不足。 事件流程链建模方法在每一个功能中( f u n c t i o n ) 中比较详细的描述了业务 组织单元以及向对应的功能、信息和m a t e r i a lr e s o u r c e ，模型的基本元素有事件、 功能、组织单元、信息和m a t e r i a lr e s o u r c e 、过程路径、控制流、信息流、逻辑 连接符、组织单元指派。这种建模方法的缺点是这种建模方法有时比较粗糟。 下表是几种常见的建模方法的比较：【1 0 】 比较内容流程图角色行为图i d e f 系列事件流程链p e t r i 网 过程特点职能型职能型职能型跨职型跨职型 建模方向 混合混合面向功能 面向客户混合 是否有抽象机制无无有无有 8 可理解性较好 在严密的支持下尚可 一般一般一般 计算机化能力 可以可以可以较弱可以 是否引入组织因素 否 是否是 否 是否动态是否 否是是 表1 几种建模方法的比较 1 4 2 工作流管理系统开发成果简况 目前，国内在工作流方面做的比较好的有：西安协同软件公司与西北大学合 作开发的s y n c h o f l o w 、清华大学开发的c i m f l o w 。s y n c h o f l o w 作为一个 过程管理平台，其流程的定义方面已经达到了业界领先的水平，基于j 2 e e 的实 现，使得系统具有足够的集成能力。 在国外的研究成果中，比较著名的有i b m 公司a l m a d e n 研究中心研究开发 的基于持久消息队列的分布式系统e x o t i c d f m q m 、佐治亚大学计算机系开发的 具有自适应能力的工作流管理系统m e t r o 、欧洲的联合项目w i d e ，基于状态与 活动图的工作流管理系统m e n t o r 。 总之，工作流技术的研究日益受到国内外学术界和产业界的广泛关注。 第二章工作流模型的比较 工作流管理系统中首要解决的问题就是工作流模型的研究，即通过一个什么 样的模型实施对现实世界中的业务流程的建模。一个业务流程必须在被描述成计 算机可识别的形式，才能由工作流运行服务代替人来解释和驱动执行，所以工作 流的自动化执行依赖于业务过程的形式化描述，从而保证流程参与者之间的协同 工作以及数据的一致性和过程的可靠性。一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。 工作流模型是业务过程的计算机化的表示。理想的工作流模型能够清楚地定 义任意情况下的工作流，能够适应用户在建模过程中所提出的各种要求，而且应 该具有比较强的描述能力、易于使用、易于修改以便能够适应不断变化的工作环 境的要求。尽管工作流技术的研究目益受到人们的重视，并在工作流领域取得了 众多的研究成果，但是目前对工作流模型方面的研究仍旧比较少，模型缺乏一个 严格的分类标准。各种模型缺乏系统性，比较混乱，不同厂商、不同工作流系统 的模型之间差异很大。另一方面，目前仍旧缺乏一种能够支持过程定义、过程演 进以及过程分析的形式化数学模型。这给学习、研究工作流系统带来一定的不便。 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，这些模型各有千秋，优缺点共存。 2 1 典型的工作流模型 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，这些模型各有千秋，优缺点共存。下边首先对典型的工作流模型做一个简 单的介绍。 2 1 1 典型的工作流模型简介 1 w i d e ( w o r k f l o wo ni n t e l l i g e n ta n dd i s t r i b u t e dd a t a b a s ee n v i r o n m e m ) 是 欧洲委员会的e s p r i t 项目。是基于图形方式表达的工作流模型。w i d e 模型分 为描述企业人员环境的组织模型和描述业务流程处理的过程模型两部分( 其中组 织模型中包括信息模型) ，并提供两部分之间的匹配机制，通过动态帮定还支持 任务的动态分配。模型的实体包含任务流、活动( 可分层) 、控制流。 其中过程模型是基于任务流的，每个任务由前置条件，动作，后置条件，角 色约束和异常处理器组成。对于控制流，模型使用不同类型的分支( f o r k ) 和连 接( j o i n ) 操作符来描述可能的各种任务顺序，如：全分支、条件分支、互斥分 支、a n d 连接、o r 连接以及k - a n d 连接等，并使用多任务( m u l t i t a s k ) 操作 符来支持并发的描述。另外该模型将数据流的描述独立出来，用信息模型来描述 业务处理过程使用到的数据和信息。异常h a n d l e r 包括两部分：条件和反应。 w i d e 模型提供了功能强大的组织模型，组织模型中记录了企业内组织结构 和资源信息定义了三种类型的实体：a c t o r 、g r o u p 、组织功能。组织模型中定义 了一组关系：包含、分配、属于、替代。 w i d e 对异常处理进行了充分研究，它使用主动规则技术描述异常情况及其 处理方法。w i d e 定义了警告、工作流运行异常和组织异常等三种情况，并分别 设计了不同的异常处理策略和函数。最简单的方法就是采用e c a ( e v e n t c o n d t i o n - - a c t i o n ) 技术来实现，即当事件发生时，在条件满足情况下执行某个动 作。w i d e 将系统对异常情况的发生、判断和处理方法写成一条条规则，记录在 数据库中。当事件被激活时，系统根据所记录的规则进行处理。 w i d e 模型的典型特征是：采用主动数据库技术和事务管理技术为分布环 境下的工作流系统提供先进的技术支持。w i d e 是对w f m c 参考模型一种扩展， 不仅定义了工作的基本要素，而且还支持组织建模、复杂的活动约束分配、动态 流程控制、复杂过程结构以及工作流事务处理。 2 f i o w m a r k ( f d l ) 是由i b m 开发的工作流产品。是基于图形方式表达 的工作流模型，模型的基本实体有过程、活动、模块、控制连接弧、数据连接弧、 条件。以活动( a c t i v i t y ) 为流程的基本元素。在f l o w m a r k 的模型中，活动执行 顺序的控制流是由活动之间的控制连接器( c o n t r o lc o n n e c t o r ) 来描述的，转移 条件( t r a n s i t i o nc o n d i t i o n ) 是与控制连接器相关的布尔表达式，表明其状态。运 行时只有当转移条件为真，控制连接器才会被执行。对于每一个活动都有自己的 输入输出容器( i n p u t o u t p u td a t ac o n t a i n e r ) 来存放该环节待处理和处理好的数 据。流程定义中的数据流由数据连接器( d a t a c o n n e c t o r ) 将输入数据容器和输出 数据容器进行匹配来描述。f l o w m a r k 模型同时描述控制流和数据流，其图形表 示使用不同的标识。为了支持同步等复杂的控制转移情况，该模型使用扩展的 o r a n d 连接操作符，但该模型不支持并发情况的描述，并未把逻辑关系式显式 的表达出来，例如“与连接”，“或连接”。 该模型支持组织模型，但不提供动态匹配机制。 该模型也支持资源模型，资源管理组件，它需要对所有的工作流资源进行明 确的注册，不可能处理大量的资源，而且造成外部资源系统与内部工作流资源潜 在的不一致。 此模型简单直观，便于理解，适合流程比较固定、异常情况较少的生产型工 作流的建立、有利于企业规范自身的内部流程：但是这类模型往往缺乏柔性，对 紧急情况的应变能力不足，显得比较呆板。 从概念建模角度来看，f l o w m a r k 与w i d e 模型有许多相似之处，任务都是原 子的，不可分的。 3 工作流管理联盟( w f v l c ) 的w p d l 。w f m e 是基于正文方式的、有相 应语法和语义解释的工作流过程模型。需要说明的是它也有相应的图形表示。 w f m c 为了规范工作流管理系统产品的市场、增加各产品之间的互操作性、使工 作流产品有良好的结构，特制定了工作流管理系统的体系结构和工作流元模型的 参考标准，以及描述该参考模型的过程定义描述语言( 详见 w f m c c 】) 。该模型 是w f m c 提供的参考模型，对工作流产品的开发具有参考和规范作用，是一个 较理想的过程定义元模型。工作流元模型和w p d l 为工作流过程模型建立了一 个统一的、语义较明确的模型。它作为工作流管理系统交换过程定义的标准，有 着丰富、完备、工作流过程模型必备的成分和相应的语义。 需要指出的是，w p d l 的语义解释是非形式化的。工作流过程元模型应该包 含：活动、转移、条件、相关数据、组织结构、角色、应用程序等元素。我们将 其分为过程信息、组织信息和资源信息三大部分。 组织信息包括组织结构、角色、参与者等信息。它描述了一个工作流执行过 程的执行者或者负责人的必要信息。组织结构反映了一个组织单位的物理组织结 构的信息，而角色则是一种逻辑组织结构的信息，如分析人员是一种角色，它所 包含的人员可以是跨部门的、有分析能力的人员。参与者是一个组织机构、角色 和人的集合运算表达式。工作流过程模型采用以参与者为桥梁将活动与活动的执 行者( 或者负责人) 联系起来这种机制，使得工作流的执行非常灵活、不易受组 织机构和人员变化的影响。 资源信息描述工作流在执行过程中需要消耗的资源、各种数据信息和使用的 应用程序。数据信息包括相关数据和环境数据。相关数据与过程的实例有关，在 过程的执行中，相关数据可被用于活动和应用的计算中，并且可用于在它们之间 传递信息，保存中间结果和计算表达式等。环境数据是工作流管理系统可用的， 与过程实例无关的数据( 不随着过程实例的产生和消失而生存的数据) 。可通过 环境数据与过程实例数据的交换，永久保存过程实例的计算结果。 过程信息通过活动、转移以及转移上的条件描述了一个工作流的流程。活动 可分为一般活动、路由活动、应用程序( 自动活动) 、子工作流、内置块等类型。 为了实用，我们还扩展了开始活动、结束活动、e m a i l 活动、活动组等类型。活 动与活动之间是通过转移以及转移上的条件连接和动态执行的。活动的所有输出 转移信息用s p l i t 描述，它可分为a n d 和x o r 类型。a n d 类型表示执行状态 从当前活动移到所有条件为真的转移所连接的活动，而x o r 类型表示执行状态 转移到一个且仅一个后续条件为真的转移所连接的活动。所有输入转移信息用 j o i n 描述，它也分为a n d 和x o r 类型。a n d 类型必须接受到所有与之对应 a n d s p l i t 中为真转移的信息才能开始执行。x o r 类型检测到有为真的输入转 移就执行。 4 清华大学提出的c i m f l o w 模型。基于图形方式表达的工作流模型，该 模型基于活动网络图( i p o ) ，模型由四部分组成，分别是过程模型、组织模型、 资源模型以及工作流相关数据组成。 过程模型是整个工作流模型的核心与基础，其他模型均为其提供技术支持。 通过在活动网络图的基础上增加状态与条件两个概念，以增强过程模型的语义， 使其不但能够描述由w f l t i c 定义的六种原语，而且能够处理复杂的过程逻辑。模 型的基本实体包括：节点、连接弧、状态、条件。在模型中引入了逻辑节点( 与 节点、空任务) 来支持描述活动间复杂的逻辑关系，将节点分成任务节点、逻辑 节点、标志节点三种类型。连接弧分为控制连接弧、数据连接弧。条件分别是： 转移条件、开始条件、结束条件。其中“节点”和“连接弧”以工具栏的的形式 出现，而“状态”与“条件”以属性设置的形式出现。 组织模型打破单一的“角色”定义，通过提供丰富的组织概念来构成组织模 13 型。在此模型中定义了五种实体：人员、角色、职务、部门、工作组。五种实体 之间存在四种关系：组成、负责、资格、设置。 资源模型中仅引入资源类型与资源个体两个实体。其中资源个体是不可分 的，在过程模型可直接被引用。资源个体形成的集合称为资源类型，是可分解的， 两者之间形成分解与包含的树状关系圈。 工作流相关数据实际上是信息模型的一种简化，而并没有涉及实体间的关 系。包括两类数据：简单变量和对象。 5 西北大学软件工程所提出的信牌驱动式工作流模型 本模型基于形式化的工作流过程模型。“信牌”是我国古代官府执行任务的 凭证，官员只有接到信牌后才能执行相应的任务，借助这一概念，用活动和信牌 箱将p e t r i 网中变迁和位子等概念变成人们容易理解的形式引入到模型中。活动 表达一项具体的、可独立完成的任务，而把活动的具体内容抽象为功能函数：信 牌箱是活动之间传递控制信息( 信牌) 的中转站，活动只有在其前信牌箱中取到 信牌才可能执行；描述信牌箱与活动之间关系的转移限定了可向信牌箱放信牌的 活动和可从信牌箱中取信牌的活动的静态结构：后继函数( 或表达为后继转移的 条件) 描述了动态执行时活动完成后应给那些信牌箱实际放信牌。 信牌驱动模型可以描述现实生活中顺序、分支( 选择) 、竞争、并行、循环 等等各种各样复杂的控制流程。信牌驱动模型是由控制部分、数据部分( 相关数 据和环境数据) 和资源部分( 主要是人力资源、应用程序和组织结构信息等) 构 成的一个完整的工作流抽象模型。 在构造信牌驱动模型时，还对活动和信牌箱进行了分类研究。如果活动的完 成需要人工干预，则称为手工活动，否则称为自动活动。活动还可分为内置块活 动、子过程活动和活动组等复合活动。信牌箱可分为单信牌箱和多信牌箱。规定 了每种类型的活动和信牌箱的明确含义和适应范围。对控制结构中的顺序结构、 竞争结构、并行结构、分支结构、多分支结构、同步结构、x o r - j o i n 合并结构、 循环结构等控制结构进行了细致的研究和规范。引入了a n d s p l i t 、x o r - s p l i t 与o r s p l i t 三种分支类型和a n d - j o i n 、x o r - j o i n 与o r - j o i n ，t - a n d j o i n ， a s v n c j o i n 五种汇合类型。提出了同步区和非同步区等概念和在不同区中使用这 些结构的限制规则。 本模型之所以称其为计算模型，是因为这个模型不仅是控制流程的抽象，还 l4 在其中引入了变量和函数。流程开始时，变量赋以初值，流程终止时变量有终值， 它描述的内容( 业务流程) 从本质上可被看作一个计算过程。当然，它和一般的 计算模型( 如图林机等) 不同，因为流程中活动的功能函数和后继函数本身的语 义在此模型中允许非形式地定义，甚至在流程定义时可以是非确定的，直到流程 执行时才由参与者确定。也就是说计算过程需要有参与者的介入才能完成，这是 工作流计算模型的特别之处，也可以看作是计算模型的一种拓展。具有方便一致、 易于扩充的优点 模型中引入了多流、真假信牌、同步区的概念。有效的解决其他工作流模型 很难解决的问题。无须使用不同类型的操作符或连接符，有很强的表达能力，在 选择、冲突、共享、并行、循环方面克服了p e t r i 网无法体现数据流的缺点，对 竞争等情况给出了详细的描述。对控制流与数据流描述能力较强，但在异