（计算机软件与理论专业论文）基于prt_系统的状态工作流网建模及其仿真分析.pdf

摘要 真技术。 关键词:p e tr i 网，工作流，建模，状态，仿真 ab s tr a c t ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f s o c i e ty , t h e 咖c k e n i n g o f i n f o r m a t i z a t i o n p r o c e s s , t h e p o p u l a r i z a t i o n t h a t t h e c o m p u t e r a p p l i c a t i o n h a s a l r e a d y g o t d e e p l y t o a ll t r a d e s a n d p r o f e s s i o n s , a n d w o r k fl o w s y s t e m , w h i c h f o c u s e s o n th e p r o c e s s d e s c r ip ti o n , i s th e b i g o n e o f t h e m . i t c a n b e u s e d i n v a r i o u s fi e l d s s u c h a s o ff i c e a u t o m a t i o n , e - g o v e r n m e n t a n d m a n u f a c t u r i n g . t h e w o r k fl o w s y s t e m c a n i n t e r f e r e i n t h e a u t o m a ti c p r o c e s s o f t h e b u s i n e s s p ro g r a m , o r g a n i z e t h e d o c u m e n t s , i n f o r m a t i o n o r t a s k t o t r a n s f e r a m o n g t h e ro l e s f o l l o w i n g t h e r u l e s , a n d fi n a l l y c o m p l e t e t h e w h o l e b u s i n e s s t a r g e t. t h e a d v a n ta g e o f t h e w o r k fl o w s y s t e m i s t h a t , i t c a n c u t t h e c o s t o f m a n a g e m e n t , r e d u c e t h e a r ti fi c i a l m i s t a k e s , a n d a c c e l e r a t e t h e b u s i n e s s p r o c e s s . b e c a u s e o f th e s e i m p o r ta n t e ff e c ts , w o r k fl o w s y s te m b e c o m e s a h o t s p o t in t h e c o m p u t e r s c i e n c e . t h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e c r i ti c a l a s p e c t o f w o r k fl o w s y s t e m一 w o r k fl o w m o d e l i n g . a c c o r d i n g t o t h e fi r e w a y o f t h e a c t i v i ti e s , t h e m o d e l i n g m e t h o d s t h a t a d o p t g e n e r a l l y a t p r e s e n t a r e c l a s s i fi e d t o p r o c e s s w o r k f l o w m o d e l i n g . r e l a t i v e w i th 斌w e p r o p o s e t h e s ta t e - w o r k fl o w m o d e l 吨 c r e a ti v e l y , a n d it d r i v e s a n a c t i v it y i n t e r m s o f r e s o u r c e , r a t h e r t h a n o n l y 勿t h e ro u t e s . t h e p r o p o s i ti o n o f s t a t e w o r k fl o w l a n g u a g e i s b a s e d o n t h e a d v a n c e d n e t s y s te m p r /t _ . t h i s p a p e r h a s o ff e r e d a n i n t a c t m o d e l d e f i n e l a n g u a g e a n d fi g u r e t o e x p r e s s t h e w a y , m e a n w h i l e , h a s i m p r o v e d t h e e x i s t i n g p r o c e s s w o r k fl o w la n g u a g e i n t h e r e s p e c t o f f i g u r e e x p r e s s io n . f u r th e r m o r e , a n e - b u s i n e s s c a s e i s o ff e r e d t o i l l u s t r a t e t h e d i ff e r e n c e s b e t we e n t h e n e w wo r k fl o w m o d e l i n g m e th o d o l o g y a n d t h e t r a d i t i o n a l w a y . s i m u l a t i o n i s a n o t h e r i m p o r t a n t e l e m e n t o f w o r k fl o w m o d e l i n g . w e c a n c h e c k w h e th e r t h e m o d e l i s c o r r e c t , a n d a n a l y z e i t s p e r f o r m a n c e th r o u g h t h e s i m u l a t i o n . i n o r d e r t o m a k e t h e s ta t - w o r k fl o w b e m o re p r a c ti c a l , t h i s p a p e r a l s o i n tr o d u c e s t h e i t s s i m u l a ti o n m e t h o d . w e u s e t h e p e t r i n e t t o o l b o x o f m a t l a b a p p l i c a ti o n t o s i m u l a t e t h e m o d e l , a n d p r o p o s e t h e t r a n s l a ti n g r u l e s b e t w e e n t h e s t a t - w o r k fl o w a n d p e tr i n e t t o o l b o x . i n t h a t c a s e t h e m o d e l c o u l d b e e mu l a t e d b a s e d o n t h e p o p u l a r s i m u l a t i o n t o o l s , a n d c o m p l e te a w h o l e p r o c e s s o f w o r k fl o w m o d e l i n g . t h e s t a t e - w o r k fl o w c a n h e lp d e s i g n e r s d e s i g n a n d i n v e s ti g a t e a n in s t a n c e f ro m t h e a n g l e o f u ti l i z a ti o n o f r e s o u r ces , t h u s c o n t r i b u t e t o a l l o c a t i n g r e s o u r ce r a t i o n a l ly ab s t r a c t a n d s o lv i n g t h e p ro b l e m l i k e d e a d l o c k i n g t h a t r e l a t e d t o re s o u r c e s . t h i s p a p e r h a s m a i n l y u s e d t h e f o l l o w in g k n o w l e d g e p e t r i n e t , a d v a n c e d n e t p r / 1 乙a n d t h e ma t l a b s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y . k e y w o r d s : p e t ri n e t , w or k fl o w , m o d e l i n g , s t a t e , s i m u la t e 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印 刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印 刷本和电 子版， 并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印 件和电 子版; 在不以赢利为目 的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动 。 学位论文作者签名: n a ?i 韧了 年犷 月 /分 日 经指导教师同 意， 本学位论文属于保密，在 本授权书。 年解密后适用 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 内部5年 ( 最长 5 年，可少于 5 年) 秘密*1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于 2 0年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 日 j 恢了力 学 位 论 文 作 者 签 名 : 禅 7 - 07 年f 第一章引言 第一章引言 第一节研究背景 1 . 1 . 1 工作流历史 工作流技术发端于1 9 7 0 年代中期办公自 动化领域的研究工作，但工作流思 想的出现还应该更早，1 9 6 8 年f r it z n o r d s i e c k就已 经清楚地表达了利用信息技 术实现工作流程自 动化的想法。1 9 7 0 年代与工作流有关的 研究工作包括:宾夕 法尼亚大学沃顿学院的m i c h a e l d . 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 e a . e l l i s 和g a ry j . n u tt 等 人开 发的o ff i c e t a l k 系列 试验 系统， 还有a n a t o l h o l t 和p a u l c a s h m a n 开发的a r p a n e t 上的“ 监控软件故障 报告” 程序。 s c o o p . o ffc e t a l k 和a n a t o l h o lt 开发的系统都采用p e t r i 网的某 种变体进行流程建模。其中s c o o p 和o ff i c e t a lk 系统，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 川 。 1 9 7 0 年代人们对工作流技术充满着强烈乐观情绪，研究者普遍相信新技术 可以带来办公效率的巨 大改善，然而这种期望最终还是落空了。人们观察到这 样一种现象，一个成功的组织往往会在适当的时候创造性的打破标准的办公流 程，而工作流技术的引入使得人们只能死板的遵守固定的流程，最终导致办公 效率低和人们对技术的反感。1 9 7 0 年代工作流技术失败的 技术原因则包括:在 办公室使用个人计算机尚未被社会接受，网络技术还不普遍，开发者还不了解 群件技术的需求与缺陷。 含有工作流特征的商用系统的开发始于1 9 8 3 年至1 9 8 5 年间，早期的商用 系统主要来自 于图像处理领域和电子邮件领域。图像处理许多时候需要流转和 跟踪图像，工作流恰好迎合这种需求;增强的电子邮件系统也采用了工作流的 思想，把原来点对点的邮件流转改进为依照某种流程来流转。在这些早期的工 作流系统中只有少数获得了成功。 进入1 9 9 0 年代以 后， 相关的技术条件逐渐成熟，工作流系统的开发与研究 进入了一个新的热潮。据调查，截至2 0 0 5 年共有5 0 0 0 多种软件声称支持工作 第一章引言 流管理或者拥有工作流特征。工作流技术被应用于电讯业、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领域。 1 . 1 . 2 工作流概念 1 . 1 . 2 . 1 工作流概念 工作流是针对工作中具有固定程序的常规活动而提出的一个概念。通过将 工作活动分解成定义良 好的 任务、角色、规则和过程来进行执行和监控，达到 提高生产组织水平和工作效率的目的。 工作流技术为企业更好地实现经营目 标 提供了 先进的手 段。 工作流管理系统 ( w o r kf l o w m a n a g e m e n t s y s t e m s , w f m s ) 是以规格化的流程描述作为输入的软件组件，它维护流程的运行状态，并在人 和 应 用 之 间 分 派 活 动 m 。 在 此， 我 们 先 定 义 一 些 基 本 的 术 语: 流 程定 义( p r o c e s s d e fi n i t i o n ) 和 流 程实 例 ( p r o c e s s i n s ta n c e ) 。 一 个流程定义是 一个业务 流程 或 过 程的 规格化描述。 一个流程实例是流程定义的 一个运行实体。 工作流管理系统 还处于技术发展曲 线上的初级阶段。目 前，工作流中使用了过多的概念。在这 个领域中的大量规范和工具没有一个是相似的，它们之间主要的分歧在于如何 阐述流程中的步骤。 案例 ( c a s e ) 工作流系统的基本目 的是处理案例， 产品装配、保险索赔、下订单、就诊 等都是案例，就是我们一个工作流模型要完成的整体任务。 每个案例都有一个唯一的标识，这使得我们在讨论问题时需要对该案例给 出明确的名称。 每个案例的生命周期都是有限的。以 产品装配为例，原材料上 生产线意味着案例在工作流系统中出现， 直到产品装配完成下线，它才会从工 作流系统中消失。 一个案例出现和消失 之间， 它总是处于某个特定状态， 该状 态由 三个元素组成:( 1 ) 案例相关属性的值;( 2 ) 已经满足的条件;( 3 ) 案例的内 容。 案例的属性是一系列同案例相关的变量，能够用来管理案例。正是通过这 些变量，我们才有可能指出在特定条件下某个任务可被忽略。案例属性值可能 随着案例的进展发生变化。 案例属性不能说明案例的进展， 但条件可以。条件被用来确定哪些任务已 被执行，哪些任务还要执行。例如 “ 订单被接受”、 “ 申请被拒绝”和 “ 在考 第一章引言 虑中”等等。我们也可以 把条件看作一个任务被执行的前提. 只有当某个案例 满足了一个任务的所有条件时，改任务才能被执行。 除了属性和条件，工作流系统通常不保存案例内 容的细节，案例的内容包 括在文档、 文件、 档案或数据库中，它不属于工作流系统的管理范畴。 案例被运行于一个系统中，我们就称之为实例，在后文我们都用实例的概 念来描述一个案例。 任务 任务这个术语已被广泛提及，它是工作流系统中的一个重要概念。通过确 定任务，才能构建工作流。任务是一个工作的逻辑单元， 它不可分割且必须完 整执行。如果在执行任务期间发生任何错误，那么必须返回任务执行前的状态， 这就是 “ 回滚”。任务的不可分割性依赖于定义它的环境。一个由客户外包给 供应商的任务，在客户看来是原子的， 但是对供应商则不然， 他可能将该任务 集分割得更小。 装配一个产品、键入一封信、评估一个报告、加盖一个公章等这些都是任 务，我们将任务分为手动的、自 动的和半自 动的。 任务泛指一般的工作单元，并非某案例活动的一次具体执行。为了避免把 任务 本身同 作为某案例的一部分的任务 执行相混淆， 我们引入术语工作项( w o r k i t e m ) 和活动 ( a c t i v i ty ) 。 工作项是案 例和将要执行的 任务的结合体。 只要案例 状态允 许，工作项就被创建。我们可以 把工作项看成是要被执行的实际工作块。 术语 “ 活动”是指工作的实际执行，当工作从某个工作项开始时，它就是一个 活动，注意，与术语 “ 任务”不同，工作项和活动都与具体的案例实例相关， 如图1 . 1 所 示e1 t a s kw o r k i t em ra - 图1 . 1 任务、 案例、 工作项、活动之间的关系 第一章引言 在本文后面， 我们一律采用任务一词来表示相似内 容，因为在建模实例中， 建好的模型中都是任务，与具体案例无关，然而在运行触发过程中这些任务就 变成了工作项和活动， 而后文提到任务时主要是和p e t r i 网建模中的库所i 进行区 分，所以为了不造成困扰， 就只用任务一个词来表示这三种概念。 过程 某种类型案例的执行方式由相关的过程来描述。过程指出了哪些任务需要 被执行，以什么次序执行。我们也可以把过程看作是某种案例类型的程序。通 常，一个过程可以 用来处理多个不同的案例， 根据案例的属性采取不同的措施， 如过程中某个任务只可能在某些案例上执行。由于案例属性不同，任务的执行 次序也可能发生变化。条件用来决定任务的执行次序。 本质上，过程由任务和 条件构成。 过程定义了案例的生命周期。 每个案例的生命周期都是 有限的，都有清晰 的开始和结束，因而过程要与此相符。于是每个过程都有开始和结束，用来分 别标识案例的出 现和完成阎 。 路由 过程决定了案例的生命周期，我们称之为案例的 “ 路由”。沿着特定的分 支决定哪些任务需要被执行和以何种次序执行。在讨论案例的路由时，我们采 用了下列4 种基本结构 (4 , ( 1 ) 顺序路由。 这是一种最简单的路由 形式，任务 按顺序被一个接一个的执 行。 通常任务之间存在着清晰的依赖关系， 例如前一个任务的结果是后一个任务 的输入。 ( 2 ) 并行路由。是指两个任务能被同时或是以任意次序执行。这种情况下两 个任务都需 要 被执行， 并且 互 不影响. 这两 个 任务开 始 于a n d - s p l i t 节点， 随后 同步于a n d j o in 节点。 ( 3 ) 选择路由。是指两个或更多任务间存在选择执行。该选择可能依赖于案 例相关属性值 所体现出 的 特定 性 质。 选择路由 开始于o r - s p li t 节点， 最后 汇合于 o r j o i n 节点。 选择路由 也被称为条件路由。 ( 4 ) 循环路由。在理想情况下， 对于每个案例一个任务的执行都不超过一次。 然而有时候需要多次执行某个任务，我们称这种路由 形式为循环路由或迭代路 由。 详见 2 2 . 1 第一章引言 将在后面详细讨论这四种形式的路由 及其之后的改进。 触发 只有当案例的状态允许时，一个工作项才能被执行。 但是实际执行一个工 作项，通常还需要其他前提。如果该作业必须由人来执行，那么只有当他来到 作业前，开始作业，活动才能开始。我们称之为触发 ( fi r e )，即工作项由 一个 资源启动。其他的触发形式还包括:外部事件 ( 如一个消息到来)和某个特定 的时刻。因此我们把触发分为资源驱动、外部事件和时间信号三类。如果工作 项不需要外部触发并总能立即执行，则不需要触发。 从工作流宏观的角度， 一个工作流可以 分为三个坐标， 用例 ( c a s e )、 过程 ( p r o c e s s ) 和资 源( r e s o u r s e ) 。 案例坐 标上 表 示， 每个案 例的 执行都是独立的， 从工作流的角度，案例之间是互不影响的，不过它们会因为共享一些资源和数 据而相互影响。 过程坐标表示，需要定义一个工作流的流程，包括其上的任务 以及相应的路由。资源坐标表示，用于角色和组织单元的各种资源。我们可以 将一个工作流看作是这个三维坐标中的一系列点，如图 1 . 2所示，每个点都表 示为一个工作项目( 案例十 任务)或一个活动 ( 案例+ 任务+ 资源)，它们都属于 是工作流系统的基本概念冈 . r e s o u r c e d i me n s i o n c a s e d i me n s i o n 图1 . 2工作流元素间关系 第一章引言 在介绍工作流时有一个话题必须包括，那就是工作流和业务流程管理 ( b p m) 的关系。 术语 “ 工作流 . 通常描述人与计算机系统的一系列相关交互。 在开发人员中， 工作流经常被提及。 有时， 工作流的意思是指一些不同的 l t i 界 面。业务流程管理的范围比较广，相比之下工作流多半局限于技术领域。业务 流程管 理还 从管 理 人员的 角 度涉及了 非 技术问 题，比 如分析、 组织的 效 率p 1 1 . 1 . 2 . 2 工作流管理系统概念 工作流管理系统是以 规格化的流程描述作为输入的软件组件， 它维护流程的 运行状态，并在人和应用之间分派活动，推进工作流实例的执行，并监控工作 流的运行状态。 工作流管理系统可以描述不同覆盖范围和不同时间跨度的经营过程，根据 经营过程以 及组成活动的复杂程度， 工作流管理系统可以 采取多种实施方式， 在不同实施方式中，所应用的信息技术、通信技术和支撑系统结构会有很大的 差别，工作流管理系统的实际运行环境也可以 在一个工作组内部，也可以在全 企业所有业务部门。 工作流管理系统在实际系统中的应用一般分为三个阶段:模型建立阶段、 模型实例化阶段和模型 执行阶段. 在模型建立阶段，通过利用工作流建模工具， 完成企业经营过程模型的建立，将企业的实际经营过程转化为计算机可处理的 工作流模型.模型实例化阶段完成为每个过程设定运行所需的参数，并分配每 个活动执行所需要的资源，模型执行阶段完成经营过程的执行， 在这一过程中， 重要的 任 务是 完 成 人机交 互和应用的 执 行川 . 1 . 1 . 3工作流基本功能 工作流的 基本功能体现在如下几个方面: ( 1 ) 定义工作流， 包括具体的活动、规则等， 这些定义是同时被人以及计算机所 能够 “ 理解”的。 ( 2 ) 按照工作流的定义创建和运行实际的工作流。 ( 3 ) 监察、 控制、 管理运行中的业务( 工作流) ， 例如任务、 工作量与进度的检察、 平衡等. 与以 往已 经 被 采用的 企 业 i t应 用体系， 例如m r p ii 16 1 或e r p i” 相比 ， 工作 流管理wf m系统是一个相当重要的里程碑。 从用户的角度， wf m带来( 或将 第一章引言 要带来) 的 变化是极其强烈的， 甚至可以形容为一种用户 “ 梦想厅的实现. 工作流管理系统是一个真正的“ 人一 机” 系统， 用户是系统中的基本角色， 是直接的任务分派对象， 他或她可以 直接看到电 脑针对自 己列出的“ 任务清 单”， 跟踪每一项任务的 状态， 或继续一 项任务， 而不必从一个模块退出， 进 入另一 个模块， 搜索相应任务的 线索。 前者是面向 功能或对象的， 而后者是直 接面向用户的.这样，用户的任务 分派和任务的完成状态，可以 被最大程度地 电脑化和受到控制。 工作流管理系统不同于e r p 和普通的企业管理信息系统，e r p 与普通的企业 管理信息系统是事务处理系统， 其主要目 的是满足企业业务操作功能， 提高企 业事务处理的效率和水平。从企业整体的业务流程和企业经营目 标上看，事务 处理系统一般局限于解决某个或者某些领域的问 题:事务处理系统的另外一个 局限性是它一般局限于解决组织内部的具体操作问题，面向组织内部功能，而 不是面向市场和面向客户的系统。 工作流管理系统的着眼点是面向 市场、面向 客户，其目 标是在整个企业的业务层提高企业的业务处理水平、强化企业的市 场意 识、 提高 对市场的 应变能 力 阁 . 工作流管理系统在实际系统中的应用一般分为3 个阶段，如图1 . 3 ，即模型 建立阶段、 模型实例化阶段和模型 行阶段. 模型建立阶段通过利用工作流建 模 工具完成经营过程模型的建立， 将实际经营过程转化为计算机可处理的工作流 模型。模型的实例化阶段完成为每个过程设定运行所需的参数，并分配每个活 动执行所需要的资源 ( 包括资源、 人员、 应用)。模型执行阶段完成经营过程 的执行，在这个过程中重要的任务是完成人机交互和应用的 执行，并对过程与 活动的 执行情况进行监控与跟踪19 1 尸班蕊它二 吐口工妞归 图1 . 3工作流管理系统的 三个阶段 第一章引言 1 . 1 . 4 工作流的应用目 标领域 使用工 作流管理 系统的目 的 之 一是 作为 企 业应 用系 统集 成( e a i ) 1 o 的平台。 在当前大部分企业级 it架构中， 各种各样的异构应用和数据库运行在企业内网 中。在这些系统被应用到组织时，都有一个清晰的目 标。 例如， 客户管理、文 档管理、 供应链、订单、 支付、资源计划等等。 让我们称这些系统为 专门 应用。 每一个专门应用都包含它们所支持业务流程的领域知识。这些专门应用中的自 动化流程，被拼装到企业中更大的非自 动化流程中。每当一个这样的专门应用 安装并投入使用，都会带来涉及其他多个应用的新功能需求。企业应用系统集 成 ( e a i ) 就是通过使用多个专门 应用满足软件新需求的方法。 有时， 这只需要 在两个应用之间提供数据通讯的通道。专门 应用将很多业务流程硬编码在软件 中。可以这么说， 在你购买专门 应用时，你是购买了 一组固定的自 动化业务流 程。 而工作流管理系统是不必事先知道问题域的相关信息的。工作流管理系统 将业务流程描述作为输入并管理流程实例的执行， 这使得它比 专门 应用更灵活 ( 当然你也要花精力编写业务流程的规格化描述)。这就是为什么说工作流管 理系统和专门系统是相互补充的。工作流管理系统可以 用来管理全局的业务流 程。如果专门应用支持你所需要的业务流程，那么使用专门应用。在此讨论的 工作流管理系统的第一种使用方式就是:结合所有的专门应用，使用工作流管 理系统构建一个e a i 平台。 工作流管理系统能够发挥很大价值的第二个使用方式是:协助涉及多人相 关任务工作流软件的开发。为了达到这个目的，大部分工作流管理系统都有一 个方便的 机制， 来生成执行任务的 表单。 对于专注于 i s o或者 c m m 认证的 组织，采用这种方式使用工作流管理系统能够显著提高生产率。不用将过程用 文字的形式写在纸上，工作流管理系统使你通过流程定义建模实现过程的自 动 化 ( 如使用基于 we b的应用)。 工作流管理系统的第三种使用方式是:将工作流引擎嵌入到其他应用中。 在前面我们谈到，专门应用将指定问题域相关的业务流程固化在软件中。开发 专门应用的公司也可以 将工作流引擎嵌入到他们的软件中。 在这里， 工作流引 擎只是作为一个软件组件，对于应用的最终用户是不可见的。将工作流引擎嵌 入到 应用中的主要原因 是为了 重用 和应 用软 件的 可 维 护性 川 。 第一章 引言 第二节工作流问题分析 1 . 2 . 1 工作流技术研究的主要内容 工作流技术，在初期主要由工作流产品供应商推动其发展。随着工作流产 品在实际应用中不断取得良 好的效果而得到了 人们日 益的重视，并且到了迅速 发展。相对于工作流产品的繁荣，工作流相关理论研究则显得滞后。在过去很 长一段时间里， 有关工作流技术方面的研究主要有商品化的工作流产品供应商 所领导。本着把工作流产品 推向市场的目 的，这些供应商大多把研究的注意力 放在工作流管理产品的开发实施方面。目 前在工作流设计方法学，工作流概念 模型等方面还没有形成一套比较成熟的理论和方法。 在工作流理论与实施技术 方面， 研究的 主要内 容包括4 工作流管理系统体系结构; 工作流模型与工作流定义语言: 工作流的 事务 特性; 研究如何实现高级事务处理技术与工作流管理技术的结合，用定义良 好的 模型语义与恢复机制来提高工作流系统的正确性与可靠性，从而能够更好的支 持复杂的业务过程: 工作流实现技术:包括面向对象技术、异构分布式计算技术、图形化用户 界面、 消息通信、 数据库、 w e b 等在内的与工作流系统的设计实现有关的各项技 术及方法; 工作流的仿真与分析方法: 基于工作流的应用集成与互操作技术; 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: 工作流与经营过程的重组:研究如何通过工作流系统的实施支持快速的实 现经营过程重组: 工作流技术的其他应用:研究如何将工作流技术在不同的领域进行运用， 包括在c i m s 中的应用。 上述主要研究课题可以归纳为三个方面， 如图1 . 4 :第一方面是工作流的理 论基础，包括工作流管理系统的体系、模型与定义语言 ( 工作流的建模方法、 工作流模型的形式化表示、工作流定义语言) 等的研究。这一部分是工作目 前 相对来说比 较薄弱，还有许多问题需要进一步研究。第二方面是工作流的实现 第一章引言 技术， 包括工作流的事务特性、各种先进软件技术的应用、 工作流仿真。 这方 面研究工作的目 标是提高工作流管理系统的性能，尤其是提高工作流管理系统 可靠性及其在处理大规模复杂的且具有并行业务的流程方面的能力。第三方面 是工作流技术的应用， 包括工作流实施技术在不同 应用领域的 应用 ( 如在企业 经营过程重组、并行过程、 敏捷制造) 方法、应用软件集成等。这几方面研究 的目 标是发挥工作流管理系统的 优势， 为解决具体应用领域内的问 题提供有向 实现手段19 1 图1 .4工作流技 术研究方向 1 . 2 . 2 提出状态工作流网的原因与意义 工作流建模语言近年来被不断的丰富， 从而变得更加的严谨、 清晰， 然而这 方面的研究往往却忽视了现实世界中的业务分类。现有的建模方法都是以 业务 流程的推进为基础建立的基于流程的工作流模型，目 前大部分应用也的 确是这 种工序流程化的。然而纵观现实社会，着眼于状态的业务也有着广泛的 应用， 例如电 梯系统、水箱系统等，它们的工作重点显然和流水线系统不同。因此我 们可以根据业务的不同侧重点，定义以流程为主的工作流和以状态为主的工作 流。两者的区别是，前者是多个活动的顺序过程，偏重流程的逻辑性，不同的 角色加入到不同的活动中，一个活动结束另一个活动开始; 而后者则是 注重某 种资源的获得从而发生状态的转移， 它的活动和参与的角色较为固定， 整个业 务流程在这些活动和资源中不断转换。由 于有这两种不同类型的 业务流 程，所 第一章引言 以它们的工作流建模也应该有所不同，从而可以突出不同的特点，让阅读者得 到他们希望了解的方面。 另外对于同一个工作流流程， 我们可能会需要了解它各个方面的变化特征， 之前普遍采用的活动流程已经不能满足人们对工作流建模的全方面要求。不同 的资源在什么时候是被占用的，什么时候是闲置的，每个活动都需要哪几种资 源的配合才能完成，如此这些都可能会是我们在建模时想要了 解的.因此也需 要另一种基于资源状态的建模方式的出现来实现用户的这一要求。正如目 前己 经成熟并 被广泛使用的u m l 标 准建模语言一样， 它提供了五类九 种图 形的建模 方式n n . 其中例如行为类图， 包括状态图 和活动图，它们同是用来描述系统的 动态模型和组成对象间的交互关系， 然而却有不同侧重，其中状态图描述类的 对象所有可能的状态以及事件发生时状态的转移条件;而活动图描述满足用例 要求所要进行的活动以及活动间的 约束关系， 有利于识别并行活动。 这样就便于 我们从状态和活动两个不同的方面来分析一个用例设计。状态工作流网的提出 和u iv i l的这种模型结构很类似， 提出 这种侧重状态的工作流建模方法， 和流程 工作流模型有着不同的着眼点， 从而满足不同的设计需求。 对 于 侧重 流程的 工 作流， 我 们 采用w f - n e t 或工作流逻 辑语 义网 1 2 】 进行建模 即可，目 前学术领域对建模的 研究也都集中 在这一方面:而对于侧重状态的工 作流，则很少有文章涉及.本文以这一领域为研究重点，进行了一定程度的研 究 ， 引 入 谓 词 变 迁网p v t中 的 概 念， 结 合 着 色 网 系 统 13 的 思 路 ， 构 造出 一 种 新 的基于状态的工作流结构， 使其能够表示侧重状态的工作流系统，能更加清晰 的表示不同资源的参与情况， 在工作流系统中发挥的作用。 第三节 论文重点研究内容及意义 本文研究的主要内 容为模型表示和定义语言方面， 并且涉及仿真分析方法的 使用z 首先分析了目 前学术界常用的建模方法wf - n e t 和工作流逻辑语义网，提出 它们在图形表示上的不足，进而提出 状态工作流网的定义和图形表示方式，并 分析了它与目 前流行的建模方法的 异同。之后使用系统界常用的m a t l a b 仿真工 具， 对模型实例进行仿真分析， 并 提出 新的建模语言与m a t l a b 内 在p e t r i n e t ， 参见1 . z . 1 的研究内容分类 第一章引言 工具包建模的转换规则， 使之除了可以有倾向性的反映目 前尚未成熟的状态工 作流建模领域，同时可以 通过现有的性能分析工具从定性定量两方面检验所建 模型的正确性和效率， 从而使这种工作流建模语言更具有实用性。 本文的研究意义在于， 通过一种新的状态工作流建模概念提出， 使工作流建 模家族更加丰富全面， 方便了设计者可以 从更广阔、更有针对性的角度在工作 流建模这一重要的 环节中做出更准确的建模和分析， 从而方便后续实施到工作 流管理系统中，同时也有利于技术人员理解工作流资源分配情况，进行底层操 作。对于新的建模语言缺乏工具支持这一缺陷，提供了 状态工作流模型向 m a t l a b工具转换的规则，解决了这一问题，由于可以转换，因此可以被更好 的支持进行仿真分析。 本文主要分为 “ 引言”、“ 工作流建模”、“ 基于p r / i ， 系统的状态工作流 建模”、 “ 状态工作流网仿真”、 “ 实例仿真分析”、“ 结论与展望，六个部 分。 第一章 “ 引言”部分综合的介绍了工作流研究的历史、主要概念和主要的 研究内容，使读者首先了 解工作流的定义和它的应用范围，并且通过对其多方 面的研究内容中主要问 题的 选取，提出了 研究状态工作流网的原因和意义。 第二章 “ 工作流建模”，从工作流这个大家庭中提炼出了 工作流建模这一 方面目 前的研究成果，明 确相关图论的概念，这是进一步提出 状态工作流网的 理论基础。 第三 章“ 基于p r y几系 统的 状态工作流 建模” ， 首 先 提出 了 对 现有的流程工 作流网的改进，然后就工作流中资源这一重要元素，创造性的提出了 状态工作 流网的概念，并给出了该网的定义和图形表示。通过一个生产装配的实例来介 绍状态工作流网的建模过程，同时用改进的流程工作流网也对此进行建模，进 而分析两者的显著区别，以 及状态工作流网提出的重要性。 第四章 “ 状态工作流网 仿真开一章介绍了 仿真对于工作流建模的意义，通 过对m a t l a b中p e t r i n e t 工具包的分析， 选定它为状态工作流仿真的工具， 并 提出了状态工作流网应用于p e t ri n e t 工具包的转换规则。 第五章 “ 实例仿真分析”是通过对之前第三章建立的生产装配模型进行仿 真的实例分析，从而对模型进行正确性判断和性能改进。 第六章的“ 结论与展望” 总结了本文的研究内 容，并提出了有待提高改善 的方面。 第二章工作流建模研究 第二章 工作流建模研究 第一节工作流建模概述 2 . 1 . 1 流程定义的四个层次 要做建模研究，首先得分析有哪些内 容是需要定义建模的。这种关于流程 定义的层次划分是从各种规范和工具所使用模型的原则和概念中总结得来的， 反映了大部分模型中通用的基本思想。 流程定义的内 容可以 分为四个不同的 层 次: 状态 ( s ta t e ) 、 上下文 ( c o n t e x t ) 、 程序 逻 辑 ( p ro g r a m m i n g l o g i c ) 和 用户 界面 ( l t i ) p 4 ) . 状态层 所有状态和控制流的表述，都属于业务流程的状态层。 标准编程语言中的 控制流来源于v o n n e u m a n 体系， 控制流定义了必须被执行的指令的顺序， 控制 流由 我们书写的命令、i f 语句、循环语句等确定。在业务流程中的控制流基本 与此一致。但在业务流程中不是使用命令而是使用状态作为基本元素。 在流程中， 状态代表了一种对外部参与者 ( a c t o r )的依赖。状态的意思就 像 “ 现在x 系统或某某人必须作某些事， 在此等待直到参与者通知这些任务己 完成”。状态定义了一种对外部提供结果的依赖. 状态典型的例子是批准步骤。 流程定义的控制流包含一组状态和它们之间的关系。状态之间的逻辑关系 描述了哪些执行路径可以同时执行， 那些不可以。同步执行路径用分叉( f o r k s ) 和联合 ( j o i n s ) 建模，异步执行路径用判断 ( d e c i s i o n s ) 和合并 (m e r g e s ) 建模。注意在大多数模型中，在每个状态之前都有一个隐式合并。 i j m l 活动图经常被用来做业务流程建模。 作为一种直观和通用的表达， 活动 图在图形表述上有一个主要问 题，就是没有区分状态和动作，它们都用活动来 表示。 缺少这种区 分 ( 导致状态概念的缺失) 是学术派对u m l 活动图的主要批 评o u m l 活动图的第二个问 题是在u m l 2 . 0 版中引入的. 当多个迁移( t r a n s i t i o n s ) 到达一个活动时，以前的版本规定这是一 个缺省合并 ( m e r g e )， 在2 . 0 版中规 定这是一个需要同 步的缺省联合 ( j o i n ) 在流程运行过程中， 工作流系统用一个令牌( t o k e n ) 作为指针跟踪流程的 状 态。这相当于v o n n e u m a n 体系中的程序计数器。当令牌到达一个状态时， 它被 第二章工作流建模研究 分配给工作流系统等待的 外部参与者。 外部 参与 者可以 是个人、 组织或者计算 机系统。 我们定义流程运行的 执行人或系统为“ 参与者” ( a c t o r )。 只有在工 作流系统将令牌分配给一个参与者时， 才需要访问组织结构信息。工作流系统 通过分配令牌构建任务列表。 上下文层 流程上下文变量 ( p r o c e s s c o n t e x t v a r i a b l e )， 或简称变量，是与流程 实例相关的变量。 流程开发 人员可以 使用流 程变量存储跨越流程实 例整个生命 周期的数据。 一些是工作流管理系统有固定数目的数据类型，另一些是自定义 数据类型。 和流程变量相关的另一个令人感兴趣的方面是，工作流系统如何将数据转 化为信息。工作流是用于组织内部跨越各种异构系统实现任务和数据协同的。 对于业务流程中人工执行的任务， 工作流系统负责从其他相关系统， 如s a p 、 数 据库、 c r m 系统、 文档管理系统收集数据。 在业务流程的每一个人工步骤， 只有 相关联的数据项被从异构系统中收集和计算。通过这种方式，从不同系统来的 数据被转换并展现为信息。 程序逻辑层 如前所 述， 动生是 在流 程运行 过程中 ， 工 作流系 统响 应指 定的 事 件( e v e n t ) 执行的一段程序逻辑 ( p r o g r a m m i n g l o g i c )。程序逻辑可以是二进制或源代码 形式的、用任何语言或脚本编写的软件。程序逻辑层是所有这些软件片断和关 于在什么事件发生时调用它们的信息的组合。 程序逻辑的例子包括发e m a i l 、 通 过消息代理发消息、从e r p 系统中 拿数据和更新数据库。 用户界面层 一个参与者通过向流程变量中填充数据的事件， 来触发结束一个状态。 比如， 在请假的例子中，老板提供“ 同 意” 或“ 不同 意” 数据到流程中。 某些工作流 系统允许指定哪些数据可以填充到流程中，以及它们如何在流程变量中存储。 通过这些信息，可以生成