（计算机应用技术专业论文）基于工作流的公文流转系统的研究与实现.pdf

武汉理工大字娥士芋位诧又 摘要 作为一个新兴的研究领域，工作流技术已经被广泛应用于生产制造、办公 自动化、并行工程、电子政务等领域，是实现企业业务过程建模、优化、过程 管理与集成，最终实现业务过程自动化的核心技术。工作流技术的实施已经成 为企业完善经营过程、提高自身竞争力的一种重要手段。p e t r i 网系统是一种 适合于描述异步并发现象的计算机模型，具有坚实的理论基础和成熟的分析技 术，利用p e t r i 网建立的模型有着良好的直观图形和有力的分析技术支持，因 此可以使用p e t r i 网对工作流建立模型，使得建立的工作流过程既明显直观， 又可以保证过程的正确性。 本文研究了工作流技术在公文流转系统中的应用，结合实际应用环境，选 择p e t r i 网作为工作流建模的工具，将工作流的路由结构、触发机制引入到建 模过程中，提出了一个基于p e t r i 网的公文流转工作流模型，并且将p e t r i 网 三要素以对象的形式描述出来，进而将整个流程以三个列表表示，成为程序语 言可以识别的形式，使流程的自定义成为可能。为了增强公文流转系统的实用 性和安全性，系统从两个方面考虑：第一方面，p e t r i 网模型，必须使用高级 p e t r i 网对工作流过程进一步的建模。分别引入时间p e t r i 网和有色p e t r i 网。 时间p e t r i 网可以满足实例运行中对于时间约束的要求，通过增加时间约束模 块模型来实现。着色p e t r i 网可以区分同时运行的不同实例。第二方面j a v a 的 安全性技术分析，对公文流转中的文件进行加密并且签名，从而实现信息的真 实性、完整性、保密性和不可否认性。系统提供了较强的安全机制，保证实例 运行时候的安全。然后介绍了当今流行的基于j a v a 技术的b s 三层架构的开发 模式，j s p 处理表示层，j a v ab e a n 实现系统模块较为复杂的功能，s e r v l e t 控 制协调表示层和逻辑层。在实现常见o a 功能的前提下，系统的安全模块实现内 外结合的安全策略( 即外部以c a 证书验证，内部以权限控制为主的安全策略) 。 关键词：工作流，p e t r i 网，公文流转，b s 武汉理工大学帧士字位论又 a b s t r a c t w o r k f l o wt e c h n o l o g y , a san e wr e s e a r c hf i e l d ，h a sb e i n gw i d e l ya p p l i e di nt h e f i e l d so f m a n u f a c t u r i n g ，o f f i c ea u t o m a t i o n ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，e l e c t r o n i c g o v e r n m e n ta n ds oo n i ti st h ek e yt e c h n o l o g yt or e a l i z em o d e l i n g ，o p t i m i z i n g , m a n a g i n ga n di n t e g r a t i n go fe n t e r p r i s e s 。b u s i n e s sp r o c e s sa n da l s ot h ea u t o m a t i o no f b u s i n e s sp r o c e s s t h ew o r k f l o wt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tm e t h o dt o s m o o t ht h eb u s i n e s sp r o c e s sa n di m p r o v et h ec o m p e f i t i v e n e s so f e n t e r p r i s e s p c t r in e t ss y s t e mi sa l la d v a n c e dt o o lt od e s c r i b ea s y n c h r o n i e sc o m p u t i n gm o d e l ， s i n c et h a tt i m ei th a sb e e ns t u d i e di nd e p t h , a n dp o s s e s ss t a b i l i t yt h e o r yb a s i sa n d a n a l y s e st e c h n o l o g y aw o r k f l o wm o d e lb a s e do np e t r in e tc a nb ef r a n k l ye x a m i n e d a n dp o w e r f u ls u p p o r t e dam o d e lo fw o r k f l o wp r o c e s s ，s oi tc a nb ep r o v i d e dd i s t i n c t a n dc o r r e c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no fw o r k f l o wt e c h n o l o g yi no f f i c i a l d o c u m e n ts y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，p e l r i n e tw a sc h o s e na sat o o l f o rw o r k f l o wm o d e l i n g ，a n di t sr o u t es t r u c t u r ea n dt r i g g e rm e c h a n i s mo fw o r k f l o w w e r ei n _ t r o d u c e dt ot h em o d e l i n gc o u r s e m o r e o v e r ，t h r e ek e ye l e m e n t so fp e t r i n e t w e r ed e s c r i b e di nt h ef o r mo fo b j e c t ，a n dt h ew h o l e p r o c e d u r ew a se x p r e s s e db yt h r e e l i s t s ，w h i c hc a nb er e c o g n i z e db yp r o g r a ml a n g u a g e ，t h e r e f o r em a k e si tp o s s i b l ef o r p r o c e d u r es e l f d e f i n i n g i no r d e rt oi n c r e a s ep r a c t i c a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h eo f f i c i a ld o c u m e n ts y s t e m ， t w op a r t sa r ec o n s i d e r e d ：t h ef i r s ti sp e t r in e t ，h l p n ( i t i g h - l e v e lp e t r in e t ) w a s i n j e c t e d ，t m a ep e t r in e ta n dc o l o r e dp e t r in e t t i m ep e t r in e tc a ns o l v er e s t r i c t i o no f t i m eo fr t m n i n gp r o c e s s ，v i aa d d i n gat i m er e s t r i c t i o nm o d e l a f t e ru s i n gc o l o r e d p e t r in e t ，t h es y s t e mc a l ld i s t i n g u i s hd i f f e r e n tk i n d so fi n s t a n c e 。t h es e c o n di sj a v a s e c u r i t ym a c h i n e ，i tc a l le n c r y p te l e c t r o n i cf i l e sa n dp r o v i d ed i g i t a ls i g n a t u r e ，w i t ht h e s u p p o r to ft h i st e c h n o l o g y , t h es y s t e ma c h i e v e si t sc o n f i d e n t i a l i t y , i n t e g r i t y , p r i v a c y ， a n dn o n r e p u d i m i o n t h ea r c h e t y p es y s t e ma c h i e v e dt y p i c a lf u n c t i o n so faw o r k f l o w m a n a g e m e n ts y s t e m ，a sw e l la si m p l e m e n to fs e c u r i t yo na c t i v i t i e s e x e c u t i o n t h e n ，w ei n t r o d u c et h eb sd e s i g n i n gm o d eb a s e do nt h ew e b t e c h n o l o g i e so f j a v a ，t h ej s ph a n d l e st h ep r e s e n t a t i o nl a y e r , t h ej a v a b e a nr e a l i z e st h ec o m p l i c a t e d i i 武汉理工大学坝士学位论文 f u n c t i o no fs o m em o d u l e sa n dt h es e r v l e tc o n t r o l st h ec o l l a b o r a t i o nb e t w e e nt h e p r e s e n t a t i o nl a y e ra n dt h el o g i c a ll a y e nt h ea i mf o rd e v e l o p i n gt h i ss y s t a ni st o r e a l i z et h ec o m h l o nf u n c t i o n so ft h eo as y s t e ma n df i l r t h e ri ta t t e m p t st or e a l i z et h e i n f o r m a t i o ns e c u r i t ys c h e m et h a tw i l lh a v eam i x e ds e c u r i t yp o l i c y , w h i c hc a l l p r o v i d ee x t e r n a lc as e c u r i t ys e r v i c ea n d t h er o l eb a s e da c c e s sc o n t r o lf u n c t i o nw i t h i n t h i ss y s t e m 。 k e y w o r d s ：w o r k f l o w , p e t r i - n e t ，o f f i c i a ld o c u m e n tt r a n s i t i o n ，b s i i i 武汉穗工太枣垂舅尘譬僦啦又 。 孽l 言 第 耄绪论 本课题来源予镏能大厦办公自幼化系统，公文流转是办公自渤化系统中的 棱心模块之一。公文蹩政黪及金救嚣郏门之阕_ 妻要约售怠传递方戏，公文滚转 播的藏楚捂一个政辩斌企照中公文靛发起、修竣、审批、笈布等酌一系戮邋糕， 殴瓣、_ 龛蝮枫稳邀鼹现健计箨裁技零灏潮终技术，将其管理翻服势鹣职熊转移 翔瓣终上完成，潮瓣实璞蔟缀织终构鞠王佟流程静重组撬纯。鼹统的公文滚转 过程究全依靠手工搡律，不仅效攀较低，瑟虽操作过程中避免受到人灸阂索的 爨溪影嘲。随着镶惑技术焱我国瓣蛰及戳觳致治薅专改孳瓣深入，冬类髅憨能 技术手段不断在政府釉企渡中得潮殿爆，极大的提高了办公效率，办公螽秘化 则是蒸审的主要手段。办公室鑫溺弦是遥年骧羲计算褪科学麓麟瓣挺密慕纳赣 穰念。办公室鑫韵纯英文麓称o f f i c ea u t o m a t i o n ，缩写为激。办公餐翻幼纯 系统一般指实现办公室内攀务性业务的自动化，作为o a 的主鼗系统组成部分， 公文流转系统实现了公文流转婚笼纸化、彝渤纯、智能化操作，赫予功熊强大 且稳稳豹管理系统实蕊懿公文濂转，不仅大大箍离公文零舞鹣流转速凌，述魏 强了公文的安全梭，蹋确绺公人员的黉柽姻耩。 。2 豳内外研究瑷状 螽2 0 整篦9 0 年代来，发糕双努绩患纯受了竞黧篱豢镁黪久鹏篱澄黛裰， 在“众字工程”、“政府上网工稷”镣系列示范性政努僖患化工糕顺剃实旌 器，瓣矮统酸务瀵薅避嚣髅惑馥羧逡，大力凝曩毫子欢努戚必了玻治薅筏毅摹 和政府创新的重要内容，同时政务信息化的熬头戏一电予公文流转也作为社会 信息化的先导受到了社会各界的广泛煎视。随靖电子科技水平的不断进步，电 子公文滚转系缝鹣躲决方絮瞧魏褥藤器笋般不甄潇琨。缀瑷霹麓密场上成凝熬 公文流转系统，箕嚣靛模式上的麓剐主簧体现在开发的技术手段糯系统络构， 开发媳技术手段搀系统靛平套疑蕊主要器发拔求，系统绥掬主甏撩终端掇裕人 羹与毅爝骧务系绕静福瓣荧系。 武汉理工大学坝圭兰堡堡墨 主要的开发技术手段： ( 1 ) 基于群件技术的公文流转开发 现在市场上的主流群件软件有两种。一种是i b m 公司的l o t u s n o t e s ，另外 一种则是m i c r o s o f t 公司的e x c h a n g e s e r v e r 。l o t u s n o t e s 被视为最为成熟的公 文流转系统平台，由于其本身具有强大的工作流( w o r k f l o w ) 设计能力，与公文 流转复杂的工作流相适应，因而成为了大型公文流转系统开发的首选技术手段。 利用l o t u s n o t e s 既可以实现c s 模式的公文流转系统，也可以使之适应b s 的 应用模式，其完善的文档数据库和权限管理系统为公文流转的顺利实现提供了 强有力的保障。但l o t u s n o t e s 的灵活性较差，外在表现形式单一，开发成本高。 e x c h a n g e s e r v e r 与l o t u s n o t e s 有相似之处，都具有强大的工作流设置篚力，在 早期的办公自动化系统中，e x c h a n g e s e r v e r 被广泛使用，在客户端使用o u t l o o k 等电子邮件系统进行操作。在使用上不直观，灵活性差，同时基于e x c h a n g e s e r v e r 的二次开发难度也较大，系统之间的兼容性和扩展性差，目前在市场上 单纯地基于e x c h a n g e s e r v e r 的公文流转系统比较少见。 ( 2 ) 基于d o tn e t 的公文流转开发 w i n d o w s n e t 框架具有很强的灵活性和扩展性，能够与操作系统平台进行良 好的结合，与各类应用程序可进行数据传递，其系统同时可应用b s 和c s 两 种模式，在外在表现形式上十分灵活，开发难度和成本低，能够方便地使用各 类中间件。w i n d o w s n e t 框架下的开发工具很多，主要有v b 、v c 、a s p 等，作 为一种通用的开发手段，w i n d o w s n e t 框架的应用范围很广，但其专业性不强， 在开发公文流转系统时需要进行复杂的重定义工作，同时在规模大的应用过程 中稳定性一般。目前广泛使用的基于浏览器，使用a s p 开发的办公自动化系统 一般具有简单的公文流转功能，从技术手段上分可将其划入本类。 ( 3 ) 基于j a v a 的公文流转系统 j a v a 具有很强的数据处理功能和稳定性，在大规模数据处理和安全性方面 占有优势，适合开发浏览器形式的应用系统，j 2 e e 的开发模式适合工作流性质 软件的开发，有比较强的灵活性在开发模式上与a s p 相似。目前市场上没有完 全基于j a v a 的公文流转系统，由其实现的公文流转功能主要表现在一些由j a v a 开发的办公自动化系统中。 主要的系统结构： ( 1 ) b s 结构。b s 模式的系统以服务器为核心，程序处理和数据存储基本 上都在服务器端完成，用户无须安装专门的客户端软件，只要通过网络中的计 2 武汉理工大学坝士学位论文 算机连接服务器，使用浏览器就可以进行事务处理。b s 模式具有易于升级，便 于维护，客户端使用难度低、可移植性强等特点，同时也受到灵活性差、应用 模式简单等问题的制约。在早期的o a 系统中，b s 模式是被广泛应用的系统模 式，一些m i s 、e r p 系统也采取这种模式。b s 模式系统主要的应用平台有 w i n d o w s s e r v e rf a m i l y 、l o t u s n o t e s 、l i n u x 等，其采用的主要技术手段有n o t e s 编程、a s p 、j a v a 等，同时也使用c o m + 、a c t i v e x 控件等技术。 ( 2 ) c s 结构。c s 模式系统以服务器作为数据处理和存储平台，在终端 设计有专门的应用程序进行数据的采集和初次处理，再将数据传递到服务器端， 用户必须使用客户端应用程序才能对数据进行操作。c s 模式具有专业化程度 高、开发手段灵活、运行速度快等特点，但受到维护成本大、适应性弱等问题 的影响。c s 模式是早期电子政务开发中主要应用的模式，同时一些专业的m i s 软件也经常使用这种模式。c s 模式系统几乎可以适应任何的操作平台，开发 技术也多种多样，大部分计算机语言都能开发出c s 模式的应用系统。 本系统采用j a v a 语言开发、使用b r o w s e r s e r v e r 结构。 1 3 存在的问题及解决方案 在已有的工作流管理系统中暴露出来的问题主要有：虽然w f m c 制定了一 系列的标准，但是实现的系统中并没有完全遵守这些标准：大多数系统的工作 流定义过程不友好，表现方式不够自然：在过程建模时，对并行、选择、层次、 嵌套等结构有所限制；大多数系统是基于事件的，不能随时监视工作流流程的 状态，不便于管理人员的干预；大多数系统没有对系统权限进行严格控制，没 有对应用数据加以保护，使得系统的安全性能不高；大多数系统不能跨平台， 支持不同的计算机环境。 基于以上的问题，可以总结出目前工作流管理系统的两个主要不足，是 缺少有力的工作流过程建模方式，使得工作流管理系统的结构不明确：另一个 就是缺少必要的安全机制 1 7 - 1 9 1 ，使用的是静态权限控制而不是动态授权机制 1 2 0 - 2 3 1 ，没有完备的审计系统等 2 4 , 2 s l ，不能提供一个安全稳定的应用环境。采用 的技术方案是使用基于p e t r i 网的建模方式实现工作流过程定义和建立安全的 工作流管理系统模型。p e t r i 是一种适合描述异步并发现象的计算机模型，它既 有严格的形式化定义，又有直观的图形表示，还有丰富的系统描述手段和系统 行为分析技术。工作流过程定义的时候，可以仿造p e t r i 网的图形建模方式， 武汉理工大学硕士学位论文 实际上可以建立工作流的概念到p e t r i 网概念的映射，p e t r i 网建模就等价于 工作流过程的定义，这样定义出来的过程非常直观、形象，而且根据p e t r i 网 的分析技术，还可以初步判断建立的工作流过程模型是否合理正确，避免运行 时候出错。如果采用高级p e t r i 网的分层技术，则可以把大的过程按照层次分 解为一层层的模型，这样既使得定义出来的模型简洁明了，又能增强定义工具 对多样结构支持的能力。建立安全工作流管理系统模型则需要使用高级p e t r i 网中的有色p e t r i 网、时间p e t r i 网，它们适合描述多实例、多属性、和时 间相关的动态工作流行为。在工作流管理系统的动态实例管理过程中，需要区 分每个过程实例，要依据每个实例的当前状态来决定资源的分配、权限的指派 和收回、执行时间的限制等安全相关行为，增强系统的整体安全性。 1 4 论文的组织结构 本文共分七章。 第一章绪论。本章属于综述内容，介绍公文流转系统及其特点，并对公文 流转的国内外研究现状进行分析讨论，最后给出目前公文流转系统存在的问题 及解决方案。 第二章工作流技术基础。介绍工作流技术基础，给出工作流的定义和工作 流模型的基本概念，并说明本系统选用p e t r i 网建模的原因。 第三章基于p e t r i 网的工作流模型。介绍了经典p e t r i 网的基本概念和性 质，给出了基本概念的定义和形式化描述，这些性质在后面描述工作流p e t r i 网的性质都将涉及到。然后指出经典p e t r i 网在描述系统模型时候的不足，从 而引出p e t r i 网的扩展，高级p e t r i 网，着重介绍其中的三类，说明每个扩 展的原因，也给出了每个高级p e t r i 网的形式化定义。 第四章公文流转系统的建模。概述了工作流建模方法，并在第三章理论基 础上，对本公文流转系统中的核心模块进行p e t r i 网建模。 第五章基于工作流的公文流转系统的分析及设计。首先介绍系统的开发平 台，然后简述工作流的开发步骤和方法。本章进行了模块的划分，并详细阐述 基于p e t r i 网公文流转模型的实现方法，其中包括对象定义和工作流的定义。 然后从两个方面对系统进行安全方面进行详细分析：安全工作流管理系统的 p e t r i 网模型和j a v a 的安全性技术分析。 第六章结束语。为全文的总结和进一步研究的展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章工作流技术基础 2 1 工作流管理技术 工作流管理技术是近年来在计算机应用领域中发展最为迅速的新技术之 一，引起了研究机构和企业的普遍关注。它的主要特点是使处理过程自动化， 使入以及各种应用工具相互之间协调工作，以完成某项工作。它根据一系列定 义的规则，把文档、信息和任务在参与者之问传递，以达到某种目的。工作流 通常在各种计算机系统之间组织起来以实现处理过程自动化。工作流的概念起 源于生产组织和办公自动化领域。它是针对日常生活工作中具有固定程序活动 而提出的一个概念。目的是通过将工作分解成定义良好的任务、角色，按照一 定的规则和过程来执行这些任务并对它们进行监控，达到提高办事效率、降低 生产成本、提高企业生产经营管理水平和企业竞争力 4 1 。工作流是工作的自动 执行过程，按照动态命令或预先定义的规则，信息和任务可以在参与者之间自 动传递。 2 2 工作流的定义 工作流是为提高工作效率而产生的，目前尚无统一、明确地定义。下面列 出3 个有代表性的定义，它们分别从不同的角度对工作流概念进行了描述，可 以对工作流的一些基本特征有一定的理解。 工作流管理联盟的定义【l 】：工作流是一类能够完成或者部分自动执行的业务 过程，根据一系列规则，文档或者信息或者任务能够在不同的执行者之间传递、 执行。 w m p v a nd e ra a l s t 的定义 2 1 ：工作流是系列工作的编续集，工作的 序列可以有多种方式，比如工作x 和y 满足x y 当且仅当x 在y 开始之前 就已经就绪。 g i g ag r o u p 的定义1 3 1 ：工作流是业务过程中可运转的部分，包括任务的信 息流、评价与控制任务的跟踪、报告机制。 武汉理工大学坝士字位论又 2 。3 工作流模型 2 3 1 工作流模型的基本概念 在企事业单位的日常办公活动中，大量的业务处理是按照某种固定的程序 进行的，如货物定单处理、购买设备审批流程。工作流过程建模就是将这些重 复的或相似的业务处理过程用一种形式化的、计算机可处理的方式来表示，这 种形式化表示称为是过程模型、过程定义或工作流模型嘲。 有了工作流模型，可以对业务过程进行分析、评价或优化，最后借助于计 算机自动处理。对于组织机构内的业务过程，可以从三个角度加以考察： 过程执行：工作流是某个业务过程的一次执行，在组织机构内部的某一时 刻，可能有多个工作流在执行，工作流的每次执行是为了某个具体的业务目标， 访问特定的数据和人力资源。一个工作流可以是机构内部发起的，也可能是其 它的机构发起的；它可以终止于机构内部，也可以跨越机构边界。不同的工作 流之间是独立地在执行，它们之间没有直接的约束关系，但是它们可能通过共 享资源而相互影响。 过程构成：一个业务过程是由一个或多个任务组成，这些任务之间存在着 某种先序关系。工作流的执行实际上是业务过程中的任务按照这种先序关系被 执行。这里，要弄清楚三个概念：任务、工作项、活动。任务是某种工作的抽 象描述；工作项是一个被允许执行的具体工作；而活动是工作项的实际执行。 可以这样说，任务是静态的，而活动是动态的。任务分为两种类型，一种是不 能再划分的任务，称为是原子的：另一种是任务本身也是一个业务过程，称为 是复合的，这种情况在跨组织的大规模业务过程中经常发生。因此，一个业务 过程可以是另一个业务过程的组成部分。在建模过程中，应该根据业务过程的 抽象层次，选择合适的任务的粒度。 资源管理：当工作项被执行时，w f m s 需要调用相关资源。有两种划分资 源的方式，一种是按资源个体的能力将资源划分成不同的角色，如经理、会计； 另一种是按资源的组织结构将资源划分成不同的组织单元，如财务部、人事部。 角色和组织单元是划分机构内资源的两个不同准则，因此，每个资源都属于某 个组织单元，充当某种角色。可以用三维坐标来刻画组织机构内的业务过程。 过程执行表示业务过程的一次执行，反映了业务过程的动态特性。过程构成和 资源管理刻画了业务过程的静态特性，前者描述了业务过程的内部构成，后者 6 武汉理工大学坝士字位论又 从资源组织角度描述了业务过程的约束关系。 2 3 2 工作流模型的基本结构 工作流模型的基本执行结构有以下四种： 眨勃 眨 疑 图2 一l 工作流的四种基本执行结构 a n d s p l i t ：如图2 1 ( a ) 所示，当活动执行完后，同时有多个转出转移，可 用于定义多个并发的线程。如果是“条件”转移，并发线程的数量将依赖于每 个转移上的转移条件( c o n d i t i o n ) ，这些转移条件的计算将是并发进行的； a n d j o i n ：如图2 - 1 ( b ) 所示，该结构可以看作是活动的“预处理集合点”。 活动开始执行的条件是：活动的所有进入转移的转移条件( c o n d i t i o n ) 都是真。可 用于汇合多个并发的线程。并发线程的数量依赖于a n d s p l i t 中计算得到的并发 线程的数量： o r - s r l i t ：如图2 - 1 ( 0 所示，当活动执行完后，按照转移在列表中的顺序， 对转移条件( c o n 曲i o n ) 进行逐个判断( e t a ) ，满足则执行该转移，不满足就判断 ( 计算) 下一个转移的转移条件( c o n d 硒o n ) 。如果计算到一个无条件转移，或者一 个转移的条件是o t h e r w i s e ，则执行该转移： o r 4 0 i n ：如图2 一l ( d ) 所示，只要活动的任一进入转移的转移条件( c o n d i t i o n ) 得到满足，活动就被初始化。根据以上的四种基本执行结构可以组成如下四种 基本路由结构： 顺序执行：这种情况表示活动的顺序执行，当活动a 执行结束后，执行活 动b ，活动b 结束后，执行活动c 。 并行执行：活动b 和活动c 并行地执行，就是说这两个活动可以同时执行 或以任意的顺序执行。 选择执行：当活动a 执行结束后，在活动b 和活动c 中选择其中一个执行。 重复执行：表示一个活动执行多次，图中的活动b 可以执行一次或多次。 武汉理工大学坝士。掌位论文 这四种基本路由结构可以作为工作流执行的基本结构，工作流模型可由这 四种基本路由结构组合而成。 2 4 引入p e t r i 网的原因 在工作流管理系统( w 删中，研究人员提出了多种建模方法，如有向图、 对象模型、语言动作理论、以及基于约束条件的形式语言文法表示等，同时 w f m c 也给出了一个工作流参考模型。这些建模方法都是针对某些特定的应用 提出的，有的侧重于对任务之间控制关系的描述；有的侧重于任务之间的数据 流动关系的描述。但这些建模方法都不可避免的具有如下的缺陷： ( 1 ) 不能验证工作流的合理性。由于业务过程的变化是相当频繁的，小到业 务过程中一个小的改动，大到重新设计一个新的流程。在设计过程中，人为的 错误是很难避免的，尤其一个复杂的业务过程更是如此，死锁和死循环将会是 经常碰到的。如果直到业务过程投入到实际的运行中才发现业务过程设计中的 缺陷，那将浪费很大的人力和物力。因此在一个工作流模型投入到实际的运行 前，必须先检查工作流模型的合理性。但一般的工作流建模方法都不能很好的 支持业务过程的检查。 ( 2 ) 无法分析工作流模型的性能。有时人们需要在工作流建模完成后，了解 工作流模型的整体性能，以了解设计的工作流模型是不是满足实际需要。同时， 通过分析工作流模型的性能，能便于工作流模型的优化，创建出更有效率的工 作流模型，提高企业的生产率。基于以上的分析，我们采用p e t r i 网的方法来给 工作流建模。经典的p c t r i 网是德国科学家c a r la d a mp e t r i 在六十年代提出来 的，随后相关的研究与扩充相继出现，例如t i m ep e t r in e t s 、c o l u r c d p e t r in e t s 、 o b j e c t p c t r i n e t s 、s t o c h a s t i c p e t r i n e t s 等。p c t r i 被广泛地应用于许多研究领域， 如协议工程、柔性制造系统、业务处理等等。使用p e t f i 网描述业务过程主要有 以下原因【7 】： ( 1 ) p e t r i 网是一种图形化语言，非常便于理解。p e t r i 网提供了统一的图形 表示方法来描述系统的各个特性，能直观地反映并行、同步、共享等现象，对 于非专业人员来说在直觉上容易理解和应用，而对于专业人员来说又提供了强 大而又形式化的描述能力。 ( 2 ) p e t r i 网有坚实的理论基础、严格的数学描述。p e t r i 网的所有元素都是经 过严格定义的，具有规范的模型语义，因此，基于p e t r i 网表示的工作流过程也 8 武汉理工大学硕士学位论文 具有十分清晰与严格的定义。一个p e 砸网模型加上相应的语义就能描述一个业 务过程。 ( 3 ) 基于状态而非基于事件。目前大部分的工作流工程定义技术都是基于事 件的。在这些技术中，任务被明确的描述，但子任务之间的状态都是隐含的， 必须由工作流管理系统的代码来完成工作流中的控制流，造成系统实现比较复 杂，功能不易扩充。而采用p e t r i 网的过程定义则是基于状态的建模方法，它明 确定义了模型元素的状态，它能区分一个活动是处于使f i ( e n a b l e d ) 状态还是执行 ( e x e c u t e ) 状态。活动的使能是指活动已经被允许执行，但是不一定立刻开始执行， 在使能与执行这两个状态之间还存在时问上与条件上的差别。同时，工作流的 控制流与程序的分离，是系统的实现相对容易，并利于功能的扩充陋1 。 ( 4 ) p e t r i 网模型一个很重要的特点在于它提供了丰富的系统分析技术，如对 活性( 1 i v en e s s ) 、有界性( b o u n dh e s s ) 、安全性( s a f e t y ) 等分析计算，也可以计算系 统的性能，如响应时间、等待时间、资源利用率。 在前面已经提到，一般工作流技术都不能支持工作流的检查，如果投入实 际运行的工作流模型是存在错误或缺陷的，那可能导致巨大的人力和物力的浪 费。并且一般的工作流技术不能提供性能分析，由此可能导致一些性能较差的 工作流模型投入到实际的运行中去。 为避免传统工作流技术的缺陷，我们采用严格的过程形式化体系，即使用 p e t r i 网进行过程建模和分析。使用这一形式化体系有很多优点。首先，它有精 确的定义。同许多其他非形式化的框图技术相比，避免了模糊性、不确定性和 矛盾性。其次，这种形式化体系可以用来反思过程。比如能够建立特定模式， 也促成了很多分析技术的使用吲。 2 5 本章小结 本章介绍了工作流技术基本知识，包括工作流管理技术、工作流定义、工 作流模型的基本概念和基本结构，并且说明本系统引入p e t r i 网的原因。 9 武汉理工大学硕主兰堡垫文 第3 章基于p e t ri 网的工作流模型 3 1 工作流网 经典的p e t r i 网是一个双重有向图，有两类节点类型，称作库所和变迁，这 些节点通过有向弧相连；在任何时刻，库所当中包含零个或者多个标记；相同 类型的两个节点之间不允许相连。p e t r i 网中的库所表示条件，变迁表示任务， 一个任务可能对应一个或多个变迁，一个工作项对应一个就绪的变迁，一个活 动对应一个变迁的实施。 定义l ：p e t r i 网用一个三元组表示p n = ( p ，t ；f 1 ，其中p 是一个有限 的库所集合，t 是一个有限的变迁集合，f 是流关系集合，满足以下条件p 】： ( 1 ) 库所和变迁是两类不同的元素，即p n t = 巾； ( 2 ) 库所和变迁中至少有一个元素，即p u t 由； ( 3 ) f ( p x t ) u ( t p ) ，表示p n 中的流关系，其中的表示笛卡儿积： ( 4 ) d o r a ( f ) u c o d ( f ) = p u t ，其中d o r a ( f ) = xl j y ：( x ，y ) e s f ，c o d ( f ) 2 yl j x ：( y ，x ) e f 分别为f 的定义域和值域。 库所集合和变迁集合的并集称为p e t r i 网的元素集。库所集合和变迁集会是 p e t r i 网的基本成分，流关系f 是由它们构造出来的，所以在f 前面用分号( ：) 隔开。库所是存放资源的，库所中的托肯表示可用的资源，资源的流动由流关 系规定，所以变迁只能与库所有直接的流关系。不参与任何变迁的资源表现为 孤立的库所，不引起资源流动的变迁表现为孤立的变迁，条件( 4 ) 表明在p e t r i 网 中不能有孤立的元素存在。 库所p 称作变迁t 的输入库所，当且仅当存在一个从p 到t 的有项弧。库所 p 称作变迁t 的输出库所，当且仅当存在一个从t 到p 的有向弧。 变迁t 称作就绪的当且仅当t 的每个输入库所都包含至少个标记；就绪的 变迁可以实施。如果变迁t 实施，那么从每个输入库所p 中消耗一个标记，并为 每个输出库所p 产生一个标记。 p e t f i 网由库所和变迁组成，通常情况下，用圆圈表示库所，用矩形表示变 迁，用黑点表示标记；库所与变迁之间用有向弧连接，有向弧表示f ；p e t r i 网 的状态用库所中标记的分布来描述，如图3 1 所示： 1 0 武汉理工大学坝士字1 互论又 p l a c e 图3 - 1p e t r i 网的表示 工作流网必须具有一个输入库所( i ) 和一个输出库所( o ) 呷】，进入输入库所的 标记代表着一个过程实例的开始，而进入输入库所的标记则意味着一个过程实 例的结束；是为了消除“悬着的库所和变迁”( 指该库所或变迁不在i 到o 的路 径上) ，所有的库所与变迁都位于库所i 到o 的一条路径上。 工作流管理包含很多方面，过程方面( 即控制流) 是最主要的，因为任何工作 流系统的核心都是由它所支持的过程组成的。工作流网完全支持w f m c 所定义 的路由结构。而且工作流网提供了很多强有力的分析技术用于验证工作流过程 的正确性，如合理性、自由选择的w f n c t 和良构的w f - n e t 等l 。 3 2 经典p e t ri 网的不足 p e t r i 网是一种适合与描述异步并发现象的计算机系统模型及以这种模型 发展起来的理论。利用p e t r i 网进行工作流过程建模有以下的优点：p e t r i 网 是一种图形化语言，非常便于理解，有坚实的理论基础、严格的数学描述，基 于状态而非基于事件，提供了丰富的系统分析技术。 作为一个直观的图形工具，经典p e t r i 网在一定程度上可以解决描述模型 的功能，但是现实世界中的各种过程是很复杂的，有很多方面用经典的p e t r i 网不能完全胜任，主要有以下一些缺陷。 ( 1 ) p e t r i 网中没有全局时间的概念，即没有统一的全局时间，除非系统很小， 可以被同一只时钟覆盖住，才能使用该时钟的读数作为全局时间。在网论中只 有局部时间，即一个个的时钟的读数。传统的以实数轴为模型的时间概念，给 出的是均匀、连续的时间，这种时间概念只有相对的正确性，即在局部范围内 正确。在实践中使用的都是由具体时钟给出的局部时间，而不是实数时间，根 据实数时间的概念，每个事件发生都有确定的时刻，从而可以给它们排先后顺 序，在实践中这是不客观的，因为发生时间的记录依赖观察者以及器使用的观 武汉理工大学硕士字位论又 察工具和时钟，都会带有主观往和误差。因此一方面不能误以为实数轴给出的 时间模型是客观的、绝对正确的；另一方面在认识到这种相对性已经相对性带 来的误差以后，只有应用领域能够容忍这种误差时，才可以使用实数时间模型。 经典p e t r i 网中不引入全局时间是基于以上的观点，但是缺少了时间的p e t r i 网 模型在描述过程的动态行为时候缺乏了零活性。 ( 2 ) 在系统建模的时候，托肯通常是来表示对象，经典的p e t r i 网中的托肯 只是一个抽象的符号，用它表示的对象之间是没有区别的。而实际中的对象往 往是比较复杂的，例如资源、商品、人员等等，每个对象彼此之间是有区别的， 例如一件商品，有名称、生产厂家、生产日期、商品价格等多个属性，用托肯 这种简单的符号无法表达对象的属性，无法区分不同属性的对象。由于托肯的 限制，经典p e t r i 网中的流关系也十分简单，仅仅表示需要的托肯数量。在实际 的生产过程中，这种流关系要复杂得多，例如一个制造工序需要机器a 把零件 a 、零件b 和零件c 合成新的零件d ，如果用经典p e t r i 网来描述，只能把零 件r 、b 、c 视为同一托肯，所以只能将其存放在不同的库所中以示区别，每个 流关系上需要同类型的零件一个。一方面，这种做法虽然能够解决问题，但是 使得p e t r i 网模型变得庞大，增加许多冗余信息；另一方面，零件之间除了类型 以外，其它属性一样，分成三个库所显然将它们视为不同类的对象，这样与实 际的意义不符，不便于分析。 ( 3 ) 经典p e t r i 网的一个公认缺点就是实际应用过程中结点过多，往往一个 小型的系统模型就含有成百上千个结点。对于只有十几个结点的模型还可以用 手工模拟，借助纸笔来分析其性质，结点数量多的时候只能使用计算机辅助分 析工具了，但是如果离开计算机辅助工具就不篚分析p e t r i 网模型，那么p e t r i 网特有的直观易懂、适合交流的图形表示也就失去了意义。所以除了开发有力 的计算机辅助工具外，还需要减少p e t r i 网模型的结点技术。一个很好的思路就 是层次化，把局部的p e t r i 网视为结点，重新建立模型。 3 3 高级p e t ri 网 3 3 1 基于扩展的p e t ri 网着色工作流网( c o lo r e dw f - n e t ) 工作流模型在运行过程中，需要同时运行多个实例，可能出现两个实例同 时开始、同时运行两个并行活动的情况，工作流需要同时处理多个实例，每一 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 个实例在该模型中就存在一个或多个标记。但传统的p e t r i 网和工作流网都不 能区分不同的标记，即多个在同一库所中的标记无法通过定义进行区分，这通 常是无法接受的。一种解决方法是通过扩展p e t r i 网，给每个标记都提供一个 值，通过这个值就能对标记进行区分。通过给标记赋值，就好比给它们涂上了 不同的颜色。这种扩展的p e t r i 网称之为着色p e t r i 网( c o l o r e dp e t r in e t ， c p n ) 。如果在工作流网的基础上加入颜色扩展，这种工作流网定义为着色工作 流网( c o l o r e dw f - n e t ) 。 3 3 1 1 着色工作流两的定义 定义2 ：着色p e t r i 网( c p n ) 【1 2 ：着色p e t r i 网是多元组( ，p ，t ，a ，c ，g ， e ，i ) ，满足： ( 1 ) 称之为c o l o rs e t s ，是一个由非空的颜色集构成的有限集合，它的 每个元素( 即一个颜色集) 代表了一种类型； ( 2 ) p