（计算机应用技术专业论文）基于状态转换的工作流验证的研究与实现.pdf

人连理工大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术的不断发展，越来越多的企业使用工作流技术来提高企业的运行效 率，目前工作流技术已经成为流程定义和管理的核心技术，具有广阔的发展空间。工作 流管理系统是完成工作流的定义、管理和推进工作流执行的软件系统，主要包括四个部 分：工作流建模工具，工作流引擎，客户应用程序和工作流管理工具。其中工作流建模 工具负责构建工作流模型，并对模型进行正确性验证，工作流验证一直是工作流领域的 一个研究热点，只有解决好验证问题，工作流技术才能更好的发展。 论文分析了国内外工作流验证的研究现状，总结了几种常用的验证方法。工作流的 正确性验证通常包括语法验证、结构验证和语义验证三个方面，本文重点讨论的是工作 流的结构验证，即保证工作流的结构正确性，结构验证是指排除工作流的结构异常，使 工作流过程能正常结束。本文给出了工作流的形式化定义，定义了活动的状态和状态转 换规则，将工作流的执行解释为活动状态的转换，通过构造状态转换表来判定流程是否 存在结构异常，并针对死锁、多实例、死循环三种典型的结构异常进行具体分析。之后 给出了基于状态转换的验证算法，并和相关的验证算法进行了比较，依据该算法对循环 结构和o v e r l a p p i n g 结构进行分析验证，说明该算法具有广泛适用性。 论文设计并实现了一个基于x m l 的工作流建模工具j x w f s t ，完全遵循工作流联盟 提出的x p d l 规范，采用三层体系架构模式，提供建立模型、修改模型、验证模型和保 存模型的功能。通过给用户提供一个界面友好的g u i ，使用户可以通过拖拽的方式灵活 的构建工作流模型，此外，该工具提供给用户结构化建模的功能，定义良好的结构块使 用户能够正确、高效的构建工作流模型。本文以x p d l 的格式保存工作流模型，使得该 模型可以应用于不同的工作流管理平台。j x w f s t 实现了本文提出的基于状念转换验证 算法，通过企业招聘过程的应用实例，展示了算法的适用性和可行性。 关键词：工作流；活动状态；状态转换；验证 大连理工人学硕士学位论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fw o r k f l o wv e r i f i c a t i o n b a s e do ns t a t et r a n s f o r m a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k ，m o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e sa r eu s i n gw o r k f l o w t e c h n o l o g yt oi m p r o v eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y n o ww o r k f l o wt e c h n o l o g yh a sb e e na c c e p t e da s t h ec o r et e c h n o l o g yi nt e r m so fw o r k f l o wd e f i n i t i o na n dm a n a g e m e n t w o r k f l o wm a n a g e m e n t s y s t e mi sas o f t w a r es y s t e mt h a td e f i n e sa n dm a n a g e sw o r k f l o w ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gf o u r s u b 。s y s t e m s ：w o r k f l o wm o d e l i n gt o o l ，w o r k f l o we n g i n e ，c u s t o m e ra p p l i c a t i o na n dw o r k f l o w m a n a g e m e n tt 0 0 1 w o r k f l o wm o d e l i n gt o o li si nc h a r g eo ft h ew o r k f l o wp r o c e s sm o d e l i n g a n dr e s p o n s i b l ef o rt h ev e r i f i c a t i o no ft h em o d e lw h i c hh a sa l w a y sb e e nah o ti s s u e o n l y w h e nv e r i f i c a t i o ni ss o l v e d ，c a nw o r k f l o wh a v eab e t t e rd e v e l o p m e n t t h ep a p e ra n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dp r e s e n t sac o n c l u s i o no fw o r k f l o w v e r i f i c a t i o nm e t h o d s w o r k f l o wv e r i f i c a t i o ni n c l u d e sg r a m m a r ，s t r u c t u r ea n ds e m a n t i c v e r i f i c a t i o n t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so ns t r u c t u r ev e r i f i c a t i o n t h ek e yp o i n ti st od e t e c ta l l t h es t r u c t u r ec o n f l i c t st og u a r a n t e es m o o t he x e c u t i o no ft h ew o r k f l o w t h ep a p e r p r o p o s e sa f o r m a ld e f i n i t i o no fw o r k f l o w ，a c t i v i t ys t a t ea n dr u l e sh o wt ot r a n s f o h at h es t a t e a tt h i sp o i n t ， t h ee x e c u t i o no ft h ew o r k f l o wc a nb ev i e w e da st h et r a n s f o r m a t i o no ft h ea c t i v i t i e s f i n a l l y ， t h r o u g ht h es e to fa c t i v i t ys t a t ew ek n o ww h e t h e rt h em o d e li sw e l ld e f i n e d w ea l s om a k e s p e c f i ca n a l y s i so ft y p i c a la n o m a l i e si ns t r u c t u r e ，d e a d l o c k ，m u l t i - i n s t a n c e ，a n di n f i n i t e c y c l e s t h e nt h ep a p e rp r e s e n t st h es o l u t i o n so ft h es t a t et r a n s f o r m a t i o n b a s e dm e t h o da n d m a k e sac o m p a r i s o nw i t hr e l a t e dm e t h o d s t h em e t h o da l s ow o r k s v e r yw e l li nd e a l i n gw i t h c y c l es t r u c t u r ea n do v e r l a p p i n gs t r u c t u r e t h ep a p e rd e v e l o p sam o d e l i n gt o o l ，j x w f s t ，b a s e do nx m l f o l l o w i n gt h er u l e so f w f m c t h eg e n e r a lf u n c t i o no ft h et o o li sa b o u tm o d e l i n g ，m o d i f y i n ga n dv e r i f y i n gt h e w o r k f l o wm o d e l w i t haf r i e n d l yi n t e r f a c e ，u s e r sc a nb u i l dam o d e lf l e x i b l y s t r u c t u r e m o d e l i n gi sa l s oa v a i l a b l ew i t ht h i st o o lf o rt h ep u r p o s eo fm o d e l i n gc o r r e c t l ya n de f f i c i e n t l y t h ew o r k f l o wm o d e li ss a v e da sx p d ls ot h a ti tc a nb es h a r e do nd i f f e r e n tw o r k l f o w p l a t f o r m s j x w f s ti m p l e m e n t st h e s t a t et r a n s f o r m a t i o n b a s e dm e t h o da n dt h r o u g ht h e a n a l y s i so fc o m p a n yr e c r u i t m e n tp r o c e s s ，w ek n o wt h a tt h i sm e t h o dc a nb eu s e dw i d e l y k e yw o r d s ：w o r k f l o w ；a c t i v i t ys t a t e ；s t a t et r a n f o r m a t i o n ：v e r i f i c a t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：，蔓氅 型g 羔塑过墅兰三q 垡坠塑幽型塑缉垒主址 作者签名：_ j 名二_ 厦l 型i 一 日期：4 年上月趾日 大连理下大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理t 大学硕十学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景 随着网络技术的迅速发展，信息化的不断深入，企业信息的分布性和自治性特征越 来越明显，办公自动化越来越受到人们的关注，工作流就是针对日常工作中的固有流程 而提出的一个概念，通过将整个业务流程进行抽象，分解成一个个定义良好的活动，并 根据业务规则来决定如何在活动之间进行跳转，同时利用管理平台对这些流程进行监 控，能极大的提高办事效率，提高投入和产出比，从而进一步提高企业的管理水平和整 体竞争实力。自从进入2 0 世纪9 0 年代以来，企业的物理位置更加分散，c s 模式被广 泛应用，集中式的管理已经不能满足网络的应用需求，在这样的背景下，工作流技术受 到了人们的青睐，得到了人们的认可，进入了一个飞速发展的热潮。 工作流管理系纠1 】通过定义组织机构，完成工作流的定义和管理，并推进工作流实 例的执行，目前已经成为企业经营过程重组和自动化的一种有效的手段。人们开发出越 来越多的工作流产品，越来越多的技术被集成到工作流管理系统中，而且工作流产品的 供应商为提高产品的性能，不断将新的技术融入工作流，使得工作流技术不断得到完善。 在学术领域，对工作流技术的研究越来越受到人们的重视，也取得了显著的成果。 对工作流管理系统来说，最主要的两个部分是工作流建模工具和工作流引擎，模型 定义是整个工作流管理系统的起点和支撑，是对整个业务流程的抽象和计算机表示，反 映实际的需求，该模型能够被工作流引擎识别和解析，按照模型的定义对过程进行资源 分配、路由选择以及改变活动的实例状态，调用相应的应用程序和外部相关工具推进流 程的执行【2 1 。由此可见，模型的健壮性是一个非常重要的问题，理想的工作流模型应该 能够准确的反映实际的业务需求，清晰的表达流程信息和活动的执行顺序，体现业务的 发展变化规则。 工作流模型是工作流管理系统的前提和基础，但我们无法保证模型的结构是正确 的，并且是定义良好的，可能出现以下三种异常情况： ( 1 ) 语法异常 在建模的过程中，用户根据业务需求构建的模型可能不符合语法规则，例如，不符 合工作流联盟提出的x p d l 过程定义语言，在这样的情况下，模型根本无法被工作流引 擎识别和解析，整个流程都不可能被执行，这是我们通常所说的语法正确性问题，语法 正确性问题是对模型最基本的要求。 ( 2 ) 结构异常 基于状态转换的t 作流验证的研究与实现 在模型定义中有数据活动、选择控制活动、并发控制活动以及子流程，有活动的顺 序执行，条件选择执行和并发执行，对于循环结构的模型还有活动的多次回环执行，错 综复杂的活动以及触发条件使得活动的执行可能出现异常，例如，当执行到并发控制活 动时，由于触发的条件不能全部成立，流程的执行就会停止，即流程不能正常终止，这 是典型的死锁；对于选择控制活动，由于执行条件被多次触发，执行活动本身以及该活 动的后续活动被执行多次，造成人力和资源的浪费，这是典型的多实例；对于循环结构 的模型，可能出现流程已经终止，即结束活动的执行已经完成，但仍存在流程的局部结 构在反复的执行，永远不会终止，这是典型的死循环。上述所说的几种情况就是模型的 结构正确性问题，如果将这样的模型投入使用，在系统运行之后再进行修正，不仅修改 的周期很长，而且耗费巨大。正确的方法是尽可能的在过程实施之前就探测和排除模型 中存在的结构异常，降低运行时的检查和修复成本。排除结构异常，进行有效的结构验 证是本文重点讨论的问题。 ( 3 ) 语义异常 工作流模型是由活动组成的，同时需要定义活动对应的参与者、相关应用程序，应 用程序通常是表单、外部工具和资源，活动的并发执行可能导致对资源的竞争，这样就 会降低活动的执行效率，还可能出现永久等待资源的情况，活动是由组织机构中具体的 参与者执行的，该参与者或者是系统，或者是人，或者是一个角色，如果未指定活动的 参与者，则该活动缺少执行实体，永远不可能被执行。这是语义正确性问题，对模型的 语义验证是更高层次的验证，能有效的保证过程定义和实际的业务相一致。 针对在模型定义过程中可能出现的异常，很有必要在建模完成后对模型进行验证， 实践证明，定义和模拟真实世界中的工作流是一件非常复杂的工作，而且随着网络技术 的发展，企业的业务需求和业务过程变得越来越复杂，并向规模的可扩展性以及互操作 性发展，相应地，建模的复杂性也随之增加。从目前的工作流建模技术来看，仍存在以 下问题。 ( 1 ) 建模技术和业务需求的不同步 工作流建模技术是工作流研究领域的一个热点，国内外的学者也提出了许多建模方 法，建模技术也在不断的发展。在工作流管理联盟提出的四种基本结构的基础上，人们 开始对一些更高级的控制结构进行研究，例如多实例模式，过程分解组合等，但问题是 业务需求也在不断的提高，业务规则越来越复杂，模型变得更加复杂，柔性建模虽能够 满足动态修改的要求，却不能保证模型的正确性。建模技术的发展始终落后于业务需求 的发展变化。 ( 2 ) 模型创建和运行操作的差距 大连理丁大学硕十学位论文 工作流模型是由用户根据具体的需求而创建的，对于大众用户来说，并没有工作流 知识的专业背景，往往要求工作流系统在运行时能提供一定的灵活性、动态性和自适应 性，这都对模型的创建提出了更大的挑战，跨企业过程之间的互操作导致更多的出错因 素，对错误的检测也相对更加困难。 ( 3 ) 模型的j 下确性问题 虽然我们能采用各种各样的方法构建工作流模型，但无法保证模型的j 下确性，模型 在概念上与系统实际运行的致性，模型从理论到系统实现的正确性以及在语法、语义 上的正确性都是建模技术无法解决的问题。 基于以上的分析，人们对模型的验证需求越来越迫切，工作流验证是工作流建模领 域一个非常重要的课题，是保证模型正确性的有效手段，对它的研究具有重要的理论意 义和现实意义，本文重点讨论的是工作流的结构验证。 1 2 研究的目的和意义 就目前的工作流管理系统而言，工作流技术还有待于进一步的发展，工作流模型的 正确性始终无法保证，从而导致运行时出现各种各样的问题，对模型的j 下确性验证成为 人们关注的焦点。 工作流验证不仅得到了研究界的重视，而且得到了在工业界许多公司的重视。近几 年来不少学者提出了各种工作流验证方法来解决模型验证问题，但都没有圆满的解决这 个问题，工作流过程验证领域仍存在较大的空白，所做的研究和实践相对较少，或者只 提供一些简单的语法验证，在结构和语义验证方面，不同的方法都是建立在一定的条件 下，对工作流部分结构或就工作流元素的某些方面，从局部上解决某些问题，目前的工 作流产品，就建模工具这一方面来说，并没有提供给用户模型验证功能，即是说模型验 证方法没有很好的应用于实际，仍停留在研究领域。针对上述问题，本文提出了一个简 单易懂的方法，从活动的状态入手，定义活动的状态和活动执行过程中的状态转换规则， 将整个工作流的执行解释为活动状态的转换，最终通过活动的状态集去判定模型是否存 在结构异常，并将该方法应用于自己开发的建模工具中，在建模之后提供验证功能，实 现了理论和实际的有机结合。 1 3 本文主要工作与创新 论文对工作流进行了全面、详细的介绍，阐述了工作流的起源、发展和工作流的应 用，介绍了工作流管理系统，分析工作流模型以及对模型的验证，实现了工作流建模工 具j x w f s t ，并将验证方法融入其中，本文的主要工作如下： 基丁状态转换的j ：作流验证的研究与实现 ( 1 ) 详述了工作流的理论基础和相关概念，分析工作流在国内外的研究现状，并 对前人已有的成果进行总结。 ( 2 ) 总结归纳了主要的工作流过程模型，分析了工作流过程定义语言x p d l 和工 作流过程图构造型，以实例的形式给出了扩展的工作流模型，将对象加入到活动图中， 采用对象传递描述信息流。 ( 3 ) 定义了工作流活动的状态，提出了状态转换规则，给出如何根据最终的状态 判定模型是否存在结构异常，针对死锁、多实例和死循环三种典型的结构异常进行具体 分析。给出了基于状态转换的算法描述，将该算法和相关的其他算法进行了比较，并依 据算法对工作流模型的循环结构和o v e r l a p p i n g 结构进行有效的分析验证，证明该算法 具有广泛的适用性。 ( 4 )设计并实现了工作流建模工具j x w f s t ，按照工作流联盟的规范采用x p d l 保存工作流模型，使得模型可以应用于多个工作流管理平台，友好的g u i 使用户可以方 便的绘制流程图，实现了结构化建模的功能，使用户可以正确，高效的建模，将本文提 出的验证算法应用于建模工具，可以对工作流模型进行有效的验证。 本文的创新之处在于提出了一种新的结构验证方法，从活动的状态入手，将工作流 的执行解释为活动状念的转换，从而可以对多种结构进行有效的验证，该方法适用于4 中工作流结构异常，具有广泛的适用性。论文将该方法应用到实际的建模工具中，做到 了理论和实际的有机结合，与其它的建模工具相比，本文开发的建模工具给用户提供了 结构化建模的功能，从而可以更加高效的建模，并保证模型的正确性。 1 4 本文的组织结构 本文的各章节安排如下： 第一章，绪论。介绍了课题的研究背景，研究的目的和意义，本文所做的主要工作 和创新。 第二章，工作流与工作流过程模型。介绍了工作流的起源和应用，工作流技术的相 关概念，工作流管理系统及其参考模型，总结归纳了主要的工作流过程模型，工作流过 程定义语言x p d l 和过程图构造型，以实例的方式说明了基于扩展u m l 活动图的工作 流模型。 第三章，基于状态转换的工作流验证。给出了工作流的形式化定义，活动状态的定 义，状念转换规则和结构异常判定规则，针对具体的结构异常进行分析，给出算法的描 述以及和相关算法的比较。 大连理工人学硕士学位论文 第四章，j x w f s t 的设计与实现。从总体设计、模块设计和实例应用三个方面介绍 了j x w f s t ，运用本文提出的方法分析验证了企业招聘的流程。 结论部分总结了本文所做的工作，并展望未来的工作和研究前景。 基于状态转换的t 作流验证的研究与实现 2 工作流与工作流过程模型 2 1 工作流技术 2 1 1 工作流的起源与发展 工作流技术起源于二十世纪七十年代，到现在已经有几十年的历史，最初是从 w o r l d l o w 翻译而来的1 2 】。流程可以传达多种信息，用活动以及活动之间的变化过程表示 的具体业务流程就是工作流，活动所承载的数据信息就是数据流，活动之间的执行顺序 以及触发活动的条件就是控制流。 工作流的出现提高了工作效率，通过先进的计算机技术和网络技术，使得企业中并 行任务的执行过程线性化。从使用的角度来看，工作流就相当于将特定的任务发送给用 户，用户可以调用相应的应用程序进行表单处理和数据访问，任务完成之后，将执行的 结果传递给下一个用户，下一个用户再按照要求执行任务。如此反复下去，便形成了工 作流程，简称“工作流”。在实际应用中，工作流是从更高层次上对物流、资金流、信 息流的抽象，并集成其中所涉及的相关过程与应用，从而能有效的实现对业务过程自动 化的监控与管理。 从工作流目前的应用和先进技术相结合的角度看，工作流技术在未来一段时间的发 展主要体现在以下几个方面p j ： ( 1 ) 工作流技术和代理技术相结合：代理技术是近几年来受到人们重点关注并取 得重大进步的新技术，如何充分发挥工作流技术在自动化方面的优势和代理技术在智能 性方面的优势，以及如何将这两种技术进行有机结合一直受到学术界的关注。 ( 2 ) 基于w e b 的工作流：随着基于w e b 的应用开发技术的不断发展，基于w e b 建立的应用系统越来越受到人们的关注。基于w e b 的三层体系结构使得工作流系统具 有更好的适应性、可移植性以及标准化的优点，跨平台的应用开发方便了日后系统的扩 展，通过w e b 能更好的连接多个企业应用，并实现多个基于w e b 的工作流服务器之间 的协同工作和信息共享。 ( 3 ) 分布式工作流：分布式工作流系统主要是提供一个开放系统，使用户能透明 地应用不同机型、不同运行平台组成的异构型计算资源，借助信息共享的分布式技术完 成一个业务流程。一个工作流实例可以通过局域网、广域网分布在不同的服务器和客户 端，利用冗余技术，尽量减小服务器的故障所造成的影响。从而大大提高了系统的可扩 展性和稳定性。目前，针对这一领域的研究主要有两个方向：基于信息传送的分布式工 作流和基于事件驱动的分布式工作流。 人连理上大学硕士学位论文 2 1 2 工作流技术相关概念 工作流技术从诞生到现在已有几十年的历史，不同的人对此有不同的理解，就概念 而言，目前并没有完全统一的说法。几个有代表性的描述分别是工作流管理联盟 ( 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 ) ，g i g ag r o u p ，i b ma l m a d e nr e s e a r c h ，a m i t s h e t h 和w m p v a n d e ra a l s t 对它的定义。 工作流管理联盟的定义【4 】：工作流是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程， 根据一系列过程规则，文档、信息或任务能够在不同的执行者之间传递、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 i g ag r o u p 的定义【5 j ：工作流是经营过程的一种计算机化的表示模型，是经营过程 中可运转的部分，包括任务的顺序以及由谁来执行，支持任务的信息流，评价与控制任 务的跟踪，报告机制。 p e o p l e s o f l 公司的定义1 6 j ：工作流是一个用来实施经营过程实践的机制。 i b ma l m a d e n 研究中心的定义n 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单独步骤的定 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一个活动所 需要的应用程序。 g e o r g a k o p o u l o s 给出的工作流定义【8 】：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。也可以由一个或组人完成。还可以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。 2 1 3 工作流管理系统及参考模型 工作流管理系统是一个软件系统，以计算机支持的分布式、协同工作业务流程的自 动或半自动化为研究目标，完成工作流的定义和管理，并按照在计算机中定义好的工作 流逻辑推进工作流实例的执行【4 1 。它可以有效地跟踪工作过程，充分利用企业资源，提 高工作过程定制的速度与质量。 工作流管理系统通常作为企业应用系统集成的平台，可以用来管理全局的业务流 程。不同的系统有不同的实现方式，应用范围也有很大的差异。从比较高的层次上来抽 象地考察工作流管理系统，能提供以下3 种功能： 首先是建立阶段功能，主要考虑工作流过程和相关活动的定义和建模功能。 其次是运行阶段的控制功能，即在一定的运行环境下，将工作流定义文件实例化， 基于状态转换的丁作流验证的研究与实现 调用相应的资源参数和应用程序，激活活动的触发条件，并完成每个过程中活动的排序 和调度功能。 最后是运行阶段的人机交互功能，工作流参与者和工作流管理系统进行交互，通过 应用程序有效的完成信息的提取和数据的输入。 随着网络信息技术的飞速发展，人们越来越倾向于全面的、集成化的解决方案。工 作流管理系统广阔的应用前景吸引了科研机构与软件厂商的广泛关注，作为企业的业务 系统运行的支撑环境，它可以改进和优化业务流程，提高顾客服务水平，提高业务流程 的灵活性，但不同的厂商会选择不同的产品去满足其业务管理的特定需求，因此要求不 同体系的w f m s 应该能够实现协同工作，以便它们能够被纳入到一个统一的框架之中， 在不同的位置与领域发挥其各自的优势与作用。1 9 9 4 年，工作流管理联盟发布了工作流 管理系统参考模型( w o r k f l o wr e f e r e n c em o d e l ) ，给出了各主要组成部分、各部分的功 能及相互之问的接口。如图2 1 所示。 从图中可以看出，工作流管理系统分成5 个部分，过程定义工具、工作流执行子系 统、客户应用程序、被调用应用程序和管理监控工具。过程定义工具主要是捕获业务的 实际需求，并将对业务过程的描述转化为计算机可识别的信息；工作流执行子系统包括 一个或多个工作流引擎，是工作流运行的平台，主要负责解析过程定义，创建过程实例， 推进工作流的执行；客户应用程序告知参与活动流程的人或角色需要执行的任务，为工 作流执行者提供一个工作项列表；被调用应用程序是工作流在执行过程中需要直接调用 或间接调用的外部工具；管理监控工具负责监控和管理工作流运行实例。 图2 1 工作流管理系统参考模型 f i g 2 1 w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e mr e f e r e n c em o d e l 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 w f m c 为工作流管理系统制定了5 类功能接口，过程定义输入腧出接口( 接口1 ) 包含一个用于描述过程定义的公共元模型，以及过程定义间进行相互转换的x m l s c h e m a ，该s c h e m a 定义了工作流可以使用的工作流元素。 2 2 工作流过程模型 2 2 1 几种主要的模型 理想的工作流模型除了应该支持完整的工作流概念定义，为建模用户提供定义工作 流所需要的组件或元素等主要特性外，还应该能够清楚地描述任意业务的工作流程，适 应用户在建模过程中所提出的各种要求，一个完整的工作流模型通常包括过程模型、组 织模型和信息模型三个部分。不同的工作流技术在实现方式上有所不同，例如有的项目 中，在这三个模型的基础上又提出了资源模型作为补充。 工作流过程模型描述了业务过程的运转方式，反映了规则的变化，是整个工作流模 型的基础和核心，因此，许多工作流模型都是从过程的描述入手，通常情况下，人们所 说的工作流模型指的就是工作流过程模型。考虑到工作流过程模型的重要性和复杂性， 当前关于工作流技术的研究大多是围绕过程模型进行的。 下面介绍几种主要的工作流模型及其特点： ( 1 ) 基于活动网络的模型【9 l ：这类模型是基于有向图的模型，完整的模型由一个 无自环的有向图构成，有向图中的节点元素表示可执行的步骤或任务，节点间的连接弧 代表了过程中的控制流和数据流。组成模型的元素包括过程( p r o c e s s ) 、活动( a c t i v i t y ) 、 模块( b l o c k ) 、控制连接弧( c o n t r o lc o n n e c t o r ) 、数据连接弧( d a t ac o n n e c t o r ) 和条 件( c o n d i t i o n ) 。模型的优点是比较直观，容易理解，适合于流程较为固定、异常情况 较少的生产型工作流的建模，有利于企业规范自身的内部流程，但这类模型往往缺乏柔 性，对紧急情况的应变能力不足，不能处理复杂的过程逻辑。例如，i b m 公司在9 0 年 代中期推出的f l o w m a r k 工作流模型。 ( 2 ) 基于语言行为理论的模型【1 0 l ：w i n o g r a d 与h o r e s 在“语言行为 理论的基 础上提出了一种协作过程的建模方法，并提出了基于对话的工作流模型，该模型从客户 和服务方语言行为的交互上对工作流过程进行定义。模型的结构是由多个闭环相互连接 的网络，建模的重点是对客户方和服务方两类角色之间所做交互的分析，因此适合易变 化、不固定的经营过程，但该类模型支持层次化建模的能力不足，不适合与比较固定的 企业经营过程，建模人员很难完整列出双方所有可能的语言行为。a c t i o nt e c h n o l o g i e s 的工作流产品a c t i o n f l o w 就采用了这种工作流模型。 ( 3 ) 基于p e t r i 网的模型【1 1 , 1 2 】：p e t r i 网是一种适用于多种系统的图形化、数学化 基于状态转换的l 作流验证的研究与实现 的建模工具，将p e t r i 网应用于建模中，实际上是一种基于状态的建模方法，库所表示 活动，变迁表示活动间的转移。一方面，p e t r i 网可以作为设计语言，用来说明复杂的工 作流；另一方面，p e t r i 网理论提供了强大的分析技术，可以被用来验证工作流过程定义 的正确性。在p e t r i 网的基础上，a s l s t 提出了工作流网( w f n e t ) 的概念1 1 3 , 1 4 】，在工作 流网中，库所对应着过程中的条件，变迁对应这过程中的可执行活动，库所中的托肯代 表一个过程实例的状态，该方法以p e t r i 网作为理论基础。p e t r i 网具有较强的描述能力， 易于形式化验证，但不利于一般用户的理解和使用。 ( 4 ) 基于事务的模型：事务的概念源于数据库研究领域，用于解决数据的并发访 问和出错恢复问题。为更好的描述工作流的事务特性和解决工作流的事务处理问题，在 数据库事务模型的基础上提出了许多高级事务模型( a d v a n c e dt r a n s a c t i o nm o d e l ) ，包 括嵌套事务模型、多层事务模型、s a g a s 、分支汇合事务模型、柔性事务模型、a c t a 等。a m i ts h e t h 在高级事务模型的基础上，提出了事务工作流( t r a n s a c t i o n a lw o r k f l o w ) 的概念，完全从工作流的角度提出了任务的结构化定义以及基于任务间依赖关系的工作 流定义。 ( 5 ) 集成的模型：工作流一方面要表达活动所承载的数据，另一方面还要定义活 动间所传递的信息。为了使工作流模型在描述信息、组织与资源上的能力更强，把描述 部分扩充为一个完整的具有一定独立性的模型。比较典型的有w i d e 项目中提出的组织 模型、信息模型与过程模型这三个子模型共同组成的工作流模型。 工作流模型方面的研究已经取得了很大的成果，针对上述模型，许多工作流开发商 提出了各种各样的建模方法，由于各种模型都有各自的优点和缺点，因此并没有一种被 广泛认可的模型。 2 2 2 工作流过程定义语言 在实际应用中，人们会使用各种各样不同的工具来对经营过程( 工作流) 进行建模、 归档和分析。工作流过程定义接口定义了一个公共的交换格式，使得不同产品的工作流 定义可以实现模型交换。为了实现这一特性，工作流管理联盟定义了一个工作流过程元 模型，元模型中给出了一般的模型实体及相应的属性。 x p d l ( x m lp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 是工作流管理联盟基于x m l 提出的工 作流过程定义语言。x p d l 是过程定义工具和工作流引擎之间的接口。过程定义工具以 x p d l 的格式保存数据信息，导出过程模型，并将其交给工作流引擎解析该模型，以便 执行。x p d l 是一个通用的框架，支持开发者的特殊使用目的，将具体实现和外部接口 分开，只要外部接口符合x p d l 规范，就可以保持相同的表示形式，工作流管理联盟给 大连理工大学硕十学位论文 出了x p d ls c h e m a ，以下为活动的s c h e m a 信息。 x p d l 的最上层元素实体是p a c k a g e ，它定义了整个应用，它包含一个或者多个工 作流过程定义和过程定义实体的公共属性( 作者、版本、状态等) ，包中的每一个过程 定义都自动继承包中的公共属性。其中对工作流参与者的描述、工作流外部应用程序声 明和工作流相关数据的定义是全程的，即这些实体能被同一包中的任何工作流定义引 用。 x p d l 的核心元素是工作流过程( w o r k f l o w p r o c e s s ) ，企业的规则和业务的处理都 体现在过程之中，活动( a c t i v i t y ) 是工作任务的载体和执行服务调度的基本单位，在活 动中定义了执行活动的参与者以及活动所调用的应用程序，从大的方向看，活动有两种 类型，数据活动和控制活动，数据活动是数据任务的载体，是参与者实际执行的活动， 控制活动并不执行实际的工作，只是对流程起导向作用，用来管理控制流。转移 一1 l 一 基于状态转换的工作流验证的研究与实现 ( t r a n s i t i o n ) 实现了在特定的条件下，活动到活动的跳转，使孤立的活动点构成一个流， 转移的条件通常是相关数据，工作流过程正是由一个或多个活动以及一系列转移所构成 的。子流程( s u b f l o w ) 同步或者异步的调用其他的工作流过程。 2 2 3 工作流过程构造型 工作流过程是由活动组成的，工作流的执行最终解释为工作流活动的执行，活动是 工作流运转的基本单位，因此，在对工作流建模过程中，最好能以活动为中心，直观、 形象的描述业务流程，u m l 中的活动图( a c t i v i t yd i a g r a m ) 0 5 j 最合适描述业务流程。 活动图中的活动既可以是现实生活中正在进行的某一项工作，也可以是软件系统某个类 对象的一个操作，在状态机中表现为由一系列动作组成的非原子的执行过程。活动图表 示的是业务逻辑步骤和动态行为，把一个业务过程当作一系列的活动，用控制流和对象 流描述计算过程，着重在于内部处理驱动的流程。 活动图是u m l 用于对系统的动态行为建模的一种常用工具，它描述活动的顺序， 展现从一个活动到另一个活动的控制流，强调的是各项活动的执行流程，在本质上是一 种流程图。它的应用非常广泛，既可以用来描述操作的行为，也可以描述用例和对象内 部的工作过程。u m l 活动图一般包含以下三方面的元素： ( 1 ) 对象：将对象放置在活动图中并用一个依赖将其连接到进行创建、修改和撤 销的动作状态或者活动状态上，用带有向箭头的虚线表示对象流，可能是活动的输入和 输出，一个对象可以有多个动作操纵，一个动作输出的对象可以作为另一个动作的输入 对象，同一个对象可以多次出现。 ( 2 ) 状态：分为动作状态和活动状态，动作状态是指执行原子的、不可中断的动 作，是构造活动图的最小单位。活动状态用于表达状态机中的非原子的运行，活动状态 可以分解成其他子活动或动作状态。在为工作流建模时，可以利用活动图中的状态来构 造工作流的过程活动。 ( 3 ) 转换：反映了状态的流转关系，对应于工作流模型中的转移，描述了流程的 路径。在工作流模型中，一般用工作流相关数据来表示转移发生的条件，因此，依附在 转换上的条件相当于工作流相关数据。 在控制逻辑方面，有条件的动作流要根据条件执行，一般是通过布尔表达式的真假 来判定动作的流向，分支与合并用于表示对象所具有的条件行为，对象在运行中可能存 在两个或多个并发运行的控制流，为了对并发控制流建模，u m l 中引入了分叉和汇合 的概念，分叉用于将动作流分为两个或多个分支，汇合则用于同步这些分支，以达到共 同完成一项事务的目的。 人连理工人学硕士学位论文 表2 1 工作流过程图构造型 t a b 2 1 s t e r e o t y p eo fw o r k f l o wp r o c e s sg r a p h u m l 活动图并不能反应工作流中的全部信息，在进行工作流建模时，对与活动进 行协作的信息实体的描述是非常重要的，主要是执行活动的参与者和执行活动需要的外 部资源和应用程序，也就是说对对象和对象流的建模特别重要，本文对工作流过程图的 描述是基于u m l 活动图，并在此基础上对其进行扩展，扩展基于以下两个方面： ( 1 ) 提取工作流参与者：u m l 活动图中存在泳道的概念，泳道将活动图中的活 动划分为若干组，并把每一组指定给负责这组活动的业务组织。在包含泳道的活动图中， 每个活动只能明确地属于一个泳道。这样的做法在业务组织上缺乏灵活性，因此，本文 将对活动负责的业务组织从泳道中提取出来，用参与者( p a r t i c i p a n t ) 单独表示。工作 流参与者是活动与其真正执行者间的抽象层，这些抽象定义被计算并分配给真正的人或 程序，它的类型包括资源、资源集、角色、人或者系统。参与者反映了工作流过程的组 织模型，过程模型和组织模型是相对独立的，在进行流程定义的时候，对活动参与者的 指定都是从组织模型中获取的。 ( 2 ) 扩展工作流应用程序：工作流表达的通常是复杂的业务流程，活动作为工作 任务的载体和过程调度的基本单位必然和参与者进行交互，使用必要的资源，调用完成 工作任务所需要的特殊服务或使用特定的工具软件，因此，在多数情况下，对活动的定 义都包含了对应用程序的定义，而且应用程序通常涉及用户提交的过程相关数据，由此 基丁状态转换的工作流验证的研究与实现 可见，应用程序是实现流程表达和运转的重要组成部分。工作流应用程序声明描述了工 作流服务需要调用的i t 应用程序或者接口，工作流服务调用这些应用程序或者接口来 支持或者完全自动的对相关活动进行处理。 工作流过程模型是整个工作流模型的核心，可以划分为三个独立的信息模型，分别 是功能模型( f u n c t i o nm o d e l ) 、组织模型( o r g a n i z a t i o nm o d e l ) 和数据模型( d a t am o d e l ) ， 这三个模型从不同的侧面描述了工作流的各种属性。功能模型定义了活动所具备或调用 的功能信息；数据模型定义了工作流过程活动所包含加载的数据信息；组织模型用于表 达企业组织机构中实体间的层次和隶属，以职责、权限的形式定义了部门、角色、人员 与资源等信息。表2 1 给出了扩展的工作流图的构造型。 2 2 4 工作流过程扩展模型 在工作流过程构造型的基础上，采用扩展的u m l 活动图对工作流进行建模，将工 作流过程中包含的重要的对象加入到图中，采用对象传递描述信息流，人们可以直观的 捕获过程定义的重要信息，包括执行活动的参与者，执行活动所需要调用的外部应用程 序或者工具以及活动的输入和输出，从而使人们对工作流过程有更全面的认识和了解。 图2 2 是一个项目申请的活动图，该活动图清晰直观的反映了