过程建模技术研究.doc

过程建模技术研究模型是实际对象或系统的抽象及简化表示，是抽取了服务于研究目标的对象的本质特征，忽略或精简一些次要的非本质的影响因素后的对象表示法。建立模型是为了将客观现实世界中的研究目标抽象化，通过模型来帮助人们对复杂问题进行分析和研究。过程建模是站在“过程”的视角对客观世界中的各种业务过程进行抽象，来提高和优化过程管理能力和过程性能。目前，基于解决问题的背景和需要，不同专业领域研究人员已开发实践了大量过程建模方法、技术和体系框架。按照建模技术产生的原理与理论基础，可以将过程建模技术分为形式化过程建模和非形式化过程建模。形式化过程建模建立在严格的逻辑、自动机、代数、图论等数学理论基础上，具有严格、精确、无歧义的形式化语义描述，可以提供模拟验证等分析手段和工具。非形式化过程建模建立在流程图、活动图等非形式化描述方法上，不具有严格的数学逻辑理论基础。1.非形式化过程建模技术1.1 RAD 建模1.1.1 RAD 简介角色活动图(Role Activity Diagram , RAD)的原型是由美国学者Holt 等提出的，用以表述协同工作中存在的问题。随着RAD 方法的语义和语法逐步完善，又扩展应用到企业经营过程的建模和分析中。RAD 是一种结构化过程建模技术，强调角色、角色间的相互作用和活动以及与外部事件的接。1.1.2 RAD 特点、优劣势及适用范围1) 特点：类别：一种结构化建模方法；关注点：建模过程中关注过程目标；内容：主要描述过程中角色的活动；建模层次：从上到下逐层细化。2) 优势：该模型可以使问题规范化表达、有利于复杂问题简单化，便于理解；简单易用、直观明了。3) 劣势：缺乏精确语义描述；没有严格的数学分析工具支持；通常复杂的过程往往是多维网络结构，并不适合结构化分解；RAD 建模过程中的角色识别需要先对业务流程和组织结构进行整体性认识，再由建模者进行定义缺乏客观性 。4) 适用范围：中小型系统；需求阶段建模。1.2 UML 建模1.2.1 UML 简介统一建模语言 (Unified Modeling Language, UML)是非专利的第三代建模和规约语言，由Booch、Rumbaugh、Jacobson 3 位面向对象建模领域的先驱创立。UML 可以贯穿软件开发周期中的每一个阶段，1997 年UML1.1 被OMG(Object Management Group)采纳作为业界的标准，2002 年发布了UML2.0。UML 作为一种模型语言，它使开发人员专注于建立产品的模型和结构，而不是选用什么程序语言和算法实现。当模型建立之后，模型可以被UML 工具转化成指定的程序语言代码。IBM 的Rational Rose 和MS的Visio 都是UML工具。标准建模语言UML 的重要内容可以由下列五类图（共9 种图形）来定义：第一类是用例图(use case)；第二类是静态图(Static diagram)，包括类图（包含包图）、对象图；第三类是行为图(Behavior diagram)，包含状态图和活动图；第四类是交互图(Interactive diagram)，包含顺序图、合作图；第五类是实现图( Implementation diagram )，包括组件图和配置图。1.2.2 UML 特点、优劣势及适用范围1) 特点：类别：一种面向对象建模方法；关注点：可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模2) 优势：具有直观化、明确化、构建化、文档化特点；是一种构造语言，可映射为不同的编程语言；提供静态、动态及物理架构方面的建模，可以全方位对客观世界进行描述；有 IBM的Rational Rose 和MS 的Visio 工具支持。3) 劣势：缺乏精确语义描述；缺乏验证形式。4) 适用范围：适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统；全生命周期建模：支持从需求规格描述直至系统完成后的测试和维护各阶段建模。2形式化过程建模技术2.1 Z 语言建模2.1.1 Z 语言简介Z 语言是由牛津大学程序研究组(PRG)的学者，在20世纪80 年代初设计开发的。它是基于一阶谓词和集合论的形式规约说明语言。它采用了严格的数学理论，可以产生简明、精确、无歧义且可证明的规格说明。准确说明系统“做什么”的，而不回答“怎么做”。Z 语言是规格说明语言，所以它的显著特点是：无二义性和代码无关性。Z 语言的基本单位是Z 模式，模式可定义系统的状态空间、初始状态和状态变换。它有两种模式：状态模式和操作模式。状态模式描述目标软件系统某一部分的数据类型结构特性。操作模式描述的是操作执行前后某部分状态值之间的关系。一个Z 模式由变量声明和谓词（限制变量的值）两部分组成。模式S 可以水平表示，也可以垂直表示为：S=s1:T1; s2:T2; sn:Tn|f1f2fmZ 语言是一种描述顺序系统功能的形式化说明语言。它能提供非常丰富的类型定义工具，并支持形式化推理。然而，Z 语言缺乏并发语义，所以在定义并发或分布式系统时显得能力不足。2.1.2 Z 语言特点、优劣势及适用范围1) 特点：类别：一种基于谓词及集合的形式化建模方法；关注点：提供非常丰富的类型定义，支持形式化推理；验证：有很多支持Z 语言的规格性能检查工具，如牛津大学设计的CADiZ；美国芝加哥大学DePaui 大学研制的ZTC 等。2) 优势：准确无二义性；代码无关性。3) 劣势：没有直观的图形描述；目前还缺乏可用的Z 语言编译工具。4) 适用范围：顺序系统功能建模；需求建模。2.2 演算建模2.2.1 演算简介演算由图灵奖获得者Milner 教授与其合作者提出，演算推广了通信进程演算(Calculus of CommunicatingSystem, CCS)，允许在通信中传递通道的名字。 演算进程表达式语法如下：P=iI (iPi| P1| P2| new a P |!P)演算允许我们将数据作为消息传递、也允许我们将任意的进程作为消息传递。演算可用来描述拓扑结构动态变化的并发系统，通过相应的数学分析方法，对系统的属性和行为进行分析。但演算进程表达比较繁杂，不能形象反映系统物理结构信息，不能刻画系统真并发行为，且支持工具较少。2.2.2 演算特点、优劣势及适用范围1) 特点：类别：一种基于移动计算的形式化建模方法，继承了通信拓扑机构的动态改变；是现代广义网络链接模型；关注点：移动系统的行为建模。内容：集成了CCS 简洁优美的语义理论互模拟。2) 优势：具有强大的表达能力。3) 劣势：没有直观的图形描述；进程表达比较繁杂，不能形象反映系统物理结构信息；支持工具较少，如MWB 和HAL。4) 适用范围：并发系统建模。2.3 Petri 网建模2.3.1 Petri 网简介1962 年，德国科学家Carl Adam Petri 在他的博士论文用自动机通信中首次提出用网状机构模拟通讯系统，随后，这种系统模型常被人们称之为Petri 网。以这种模型为基础发展起来的理论，称之为网论(net theory)。Petri 网的基网是一个三元组N= (P , T ; F)，其中，P 为库所，T 为变迁，F 为流关系，满足如下条件：PT ，PT = (1)F (PT)(T P) (2)dom(F)cod(F) = PT (3)其中dom(F) =xPT | yPT : (x, y)F(1)cod(F) = xPT | yPT : ( y, x)F (2)Petri 网系统是一个封闭的网系统，对外没有明确的输入和输出，其动态行为是由内部状态的各种可能变化以及这些变化间的关系刻画的。在应用中，Petri 网系统节点会很多，而状态空间的状态数随着节点的增加呈指数关系增长，使得对复杂系统的分析变得困难。因此，实际应用中，为了避免状态爆炸，研究学者们根据各自的研究目标，对Petri 网进行了很多扩展形成了高级Petri 网,如：颜色Petri 网、谓词-变迁网、增广Petri网、含时间因素的Petri 网、面向对象Petri 网（OOPN）等。2.3.2 Petri 网特点、优劣势及适用范围1) 特点：类别：一种基于线性代数、图论、逻辑学等的图形化的形式化建模方法；内容：可用于静态的结构分析，也可动态的行为分析；验证：可以建立关联矩阵、状态方程、覆盖树等来辅助分析：可达性、有界性、可逆性等。2) 优势：直观；精确；基于严谨的分析理论；3) 劣势：比非形式化建模方法来说，可理解性差；容易引发状态爆炸问题，实际应用需要扩展。4) 适用范围：离散事件动态系统建模；并发、竞争、同步行为建模