（计算机科学与技术专业论文）基于petri网的工作流过程建模的研究.pdf

中文摘要 摘要 近年来，随着信息技术的蓬勃发展，尤其是网络通讯技术、多媒体技术、数 据库技术的发展，为企业和单位的电子公文流转提供了更为广阔的发展空间。在 涉及到如何处理文档信息、如何管理和组织以文字字符为主要内容的信息，特别 是如何动态地控制这些信息的流转等方面，就要应用工作流技术了。 本文首先介绍了工作流技术的研究背景和国内外的研究现状，然后从工作流 技术的相关概念入手，详细介绍了工作流管理系统和参考模型，并对流行的几种 建模方法做了详细的描述。由于p e 砸网是一种可用图形表示的组合模型，具有直 观、易懂和易用的优点，对描述和分析有独到的优越之处。同时，p e t r i 网又是严 格定义的数学对象，借助于数学开发的p e t r i 网分析方法和技术既可用于静态的结 构分析，又可用于动态的行为分析，具有灵活的建模和强大的系统性能分析能力， 所以，p e 试网自然地成为工作流过程建模的一种理想工具。 在详细了解p e t r i 网的基本理论和分析方法的基础上，本文根据实际的应用需 求，结合公文流转实例，利用境外学者提出的“流程发掘”算法建立了基本的工 作流网，并全面考虑实际情况，加入了循环路径，解决了“流程发掘”算法中无 法解决的“短循环路径”问题。然后利用改进的遍历树算法对建立好的模型进行 合理性验证，有效的解决了传统遍历树算法存在的空间爆炸问题。 本文最后给出了公文流转系统的设计和部分实现，将建立好的模型应用到实 际办公中，有效提高了办公效率和管理水平。 由于工作流是一项系统工程，是实现办公自动化中的重要环节。因此，对p e t f i 网在工作流系统中的应用进行研究，具有深远的理论和实际意义。 关键词：工作流；p a r r i 网；工作流网；工作流建模 英文摘要 r e s e a r c ho np e t r in e t sb a s e dm o d e l i n gp r o c e s sf o rw o r k f l o w a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi t ，e s p e c i a l l yt h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，m u l t i - m e d i at e c h n o l o g ya n dd a m b a s et e c h n o l o g y ，t h e e l e c t r o n i cd o c u m e n tc i r c u l a t i o no fe n t e r p r i s eh a v eb e e no f f e r e dm o r ew i d ed e v e l o p e d s p a c e c o m i n gd o w nt os o m ea s p e c t s ，s u c ha sh o wt oh a n d l ed o c u m e n ti n f o r m a t i o n , h o wt om a n a g ea n do r g a n i z et h ei n f o r m a t i o n 丽t hw r i t i n gc h a r a c t e ra sm a j o rc o g e n t e s p e c i a l l yh o w t oc o n t r o lt h ed y n a m i ct r a n s m i s s i o no f t h e s ei n f o r m a t i o n ，t h et e c h n o l o g y o f w o r k f l o ww i l lb ea p p l i e d t h i st e x t ，a tf i r s t , i n t r o d u c e sw o r k f l o wt e c h n i q u e r e s e a r c hb a c k g r o u n da n db o t h d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o n ，t h e nc o m m e n c e sf r o mr e l a t e d c o n c e p t t ow o r k f l o wt e c h n i q u e ，i n t r o d u c e sw o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e ma n dr e f e r e n c e m o d e li nd e t a i l ，a n dm a k e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no faf e wk i n d so fm o d e l i n gm e t h o d b e c a u s et h ep e t r in e ti sak i n do fc o m b i n a t i o nm o d e lt h a tc a nb er e p r e s e n t e db ys k e t c h ， h a v i n ga d v a n t a g e sl i k ep e r c e p t u a li n t u i t i o n , e a s i l yu n d e r s t a n d i n ga n du s i n ga n ds oo n , i t h a si t so w nb e n e f i t so fd e s c r i p t i o na n da n a l y s i s i nt h em e a n t i m e ，t h ep e t r in e ti st h e m a t h e m a t i c a lo b j e c tw h i c hi sd e f i n e ds t r i c t l y t h ep e t r in e t sa n a l y s i sm e t h o da n d t e c h n i q u ec a nb eu s e df o rb o t hs t a t i cs t r u c t u r ea n a l y s i sa n dd y n a m i cb e h a v i o ra n a l y s i s a si ti sb a s e do nm a t h e m a t i c a ld e v e l o p m e n t i ts e t su pm o l dv i v i d l ya n dh a ss t r o n g s y s t e mf u n c t i o na n a l y t i c a ls k i l l ，a n dc o n s e q u e n t l yt h ep e t r in e tb e c o m e sa ni d e a lt o o lo f w o r k f l o wp r o c e s sm o d e l i n g o nt h eb a s 6o fd e t a i l e du n d e r s t a n d i n go fp e t r in e t sb a s i ct h e o r i e sa n da n a l y t ! i c a l m e t h o d ，t h i st e x t ，a c c o r d i n gt oa c t u a la p p l i e dn e e d ，c o m b i n e s 谢t hd o c u m e n tc i r c u l a t i o n r e a le x a m p l e ，c o n s t r u c t sab a s i cw o r k f l o wn e tu s i n g 。p r o c e s sd i s c o v e r ”a r i t h m e t i c a p p o i n t e db yt h eo f f s h o r es c h o l a r b yc o n s i d e r i n gt h ea c t u a lc i r c u m s t a n c ei naw i d e r a n g e ，i ti sj o i n e db yc i r c u l a t i n gp a t h ，s o l v e s ”s h o r tc i r c u l a t i n gp a t h ”p r o b l e mt h a ti sn o t b ea b l et or e s o l v ei nt h e ”p r o c e s sd i s c o v e r ”a r i t h m e t i c t h e n u s i n gt h ei m p r o v e d c o v e r a b i l i t yt r e ea r i t h m e t i ct oc a r r yo ns o u n d n e s sv e r i f i c a t i o nt ot h ee s t a b l i s h e dm o d e l ， 英文摘要 i ts o l v e dt h e ”s p a c ee x p l o s i o np r o b l e m ”i nt h et r a d i t i o n a lc o v e r a b i l i t yt r e ea r i t h m e t i c e f f e c t i v e l y t h i st e x t ，a tl a s t ，g i v e st h ed e s i g na n dp a r to fr e a l i z a t i o n so ft h ed o c u m e n t c i r c u l a t i o ns y s t e m ，a p p l i e sb u i l tm o d e lt ot h ea c t u a lw o r k s ，a n dc o n s e q u e n t l yi n c r e a s e s t h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt h em a n a g e m e n tl e v e l se f f e c t i v e l y w o r k f l o wi sas y s t e m a t i cp r o j e c t ；i ti st h ec r u c i a lf i e l di no f f i c i a la u t o m a t i z a t i o n s ot h es t u d yo ft h ea p p l i c a t i o no fp e t r in e ti nw o r k f l o ws y s t e mh a sm u c hm e a n i n gi n t h e o r ya n dp r a c t i c e k e yw o r d s ：w o r k f l o w ；p e t r in e t ；w o r k f l o wn e t ；w o r k f l o wm o d e l i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：基士里鱼圜的王佳逋过程建撞的婴童：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：崤括桃舛弓月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密西( 请在以上方框内打“一) 论文作者签名、鬻私机导师签名：降歪例 日期：柳年3 月，罗、日 基丁p e t f i 网的 ：作流过程建模的研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 信息和通讯技术的发展对组织结构及组织中的工作带来了巨大的冲击。目前 在工业社会中信息处理的内涵和外延大大扩展，用计算机来处理事务己成为大势 所趋。与此同时通讯技术成为企业组织和整个社会的信息处理体系结构中不可或 缺的一部分。由此导致的经济全球化趋势使每一个商业企业都不可避免的要面对 全球性的竞争。而要在竞争中取得优势，企业必须不断考虑并且优化他们的业务 流程，改变他们的信息系统和应用程序。减少业务支出，迅速开发新的服务和产 品，从而适应不断变化的内部和外部环境。 上述问题迫使企业必须寻求一种新的技术来建立新型的业务处理流程支持机 制。这种新技术不仅要支持企业的组织结构、业务流程的快速变化，而且要支持 企业中现存异构信息资源的集成及自动化执行那些构成业务处理流程的活动。这 些活动由多个在异构系统上执行的操作组成，他们存取共享的信息资源，具有长 持续期和不同的响应时间。工作流管理( w o r k f l o wm a n a g e m e n t ) 技术正是顺应这 一要求而产生的。工作流管理作为一门新兴的技术，近年来引起了越来越多学者 的关注和研究兴趣，这并不是偶然的，而是技术发展的必然。 工作流技术是实现企业业务过程建模、业务过程仿真分析、业务过程优化、 业务过程管理与集成，从而最终实现业务过程的自动化的核心技术。其特点是通 过将应用逻辑和过程逻辑分离，可以不修改具体功能实现而只修改过程模型来改 变系统功能，有效的把人、信息和应用工具结合在一起，对于提高企业的信息化 程度、运行效率以及竞争能力都有着重要的意义【l 】。 目前，工作流技术还不能取得象其他的技术( 诸如关系数据库技术、w e b 浏览 器、群件平台) 一样的成功，主要是因为它本身的不成熟性限制了其广泛的应用， 这种不成熟性突出表现在工作流的模型描述方面，缺乏一种具有动态自适应性， 支持过程演进以及过程分析的形式化的数学模型。现有的建模方法大都只对企业 业务过程进行静态建模，而激烈的市场竞争和业务环境的动态变化，会引起业务 第1 章绪论 管理的低效和不一致性，甚至工作流程的灾难性破坏，因而要求工作流模型具有 动态自适应性能力。同时，在工作流模型需求特征的形式化描述和验证分析方面 也缺乏必要的研究，目前的工作流模型大部分从直觉出发，以图形语言或文本语 言来定义工作流过程，这种定义的方式缺乏对过程的分析与评价，用户很难预料 所部署的工作流会出现怎样的运行结果。 针对工作流建模过程中存在的不足，许多研究者进行了大量的研究，提出了 基于有向图、条件化有向图、p e t r in e t 、对象模型、语言动作等的建模方法【2 l 。在 这些方法中，作为描述与分析离散时间动态系统的模型工具p e t r i 网，综合了 数掘流，控制流和状态转移，能自然的描述并发，同步、资源争用等系统特征， 并且自含执行控制机制，非常适于并发系统的建模。同时，由于p e t r i 网具有严格 深厚的数学基础，可以方便的进行模型的分析、验证，因而，已经有越来越多的 研究开始使用p e t r i 网来建立工作流模型【3 1 。 1 2 国内外研究现状 理想的工作流模型应该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。到目前为止，人们虽然提出了不少有意义、有 见解的工作流模型，但从模型的能力上看，距离理想情况尚有一定的距离。 由于工作流必须首先描述清楚一个经营过程是怎样进行的，因此，许多工作 流模型都是从过程定义入手，比如流程图、状态图、活动网络图等。这一类基予 有向图模型的优点是比较直观、容易理解，一般情况下，途中的节点表示过程中 的活动或者状态，而有向弧则表示节点间的时序依赖关系。不少工作流产品正是 采用了这种模型，但其缺点是比较简单，不能处理复杂的过程逻辑，缺乏柔性。 w i n o g r a d 与f l o r e s 在语言行为( s p e e c ha c t ) 理论的基础上提出了种基于对 话的工作流模型f 4 1 ，这种工作流模型是从客户方与服务方这两个角色之间的语占行 为交互上对工作流过程进行定义的。他们认为，人的语言不仅能够用来描述事务、 交流信息，而且还能够进行行为的计划与协调，即通过语言能够承诺自己未来的 行为，通过语言也可以协调自己与他人的合作。基于语言行为理论的工作流模型 基于p e t r i 网的工作流过平旱建模的研究 是由一系列闭合的工作流环相互连接而成的，每个工作流环都被4 个语言行为 ( s p e e c ha c t s ) 分为4 个阶段，包括需求阶段、协商阶段、执行阶段和满意阶段， 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 nf l o w 就采用了这种工作流模型。 p e t r i 网也被用来建立工作流模型，e l l i s 和n u t t 在p e t r i 网的基础上提出了i c n ( i n f o r m a t i o nc o n t r o l n e t s ) 模型”，它实际上是高级p e t r i 网的一个引申。这里，库 所表示活动，而变迁则表示活动间的转移。文献【6 】采用集控p e t r i 网来描述一个工 作流过程。v a n d e r a a l s t 则在p e t r i 网的基础上定义了w f n e t 7 1 ，即工作流网。在工 作流网中，变迁被用来表示活动，而库所则表示活动的使能条件。v a n d e r a a l s t 还 把工作流管理联盟在规范中提出的几种基本的工作流原语映射成相应的p e t f i 网模 型，由此建立了工作流网的基本组件与触发机制。 除了以上这几类工作流模型，还有许多其他形式的工作流模型。比如，文献 8 】 给出了一种活动树( a c t i v i t yt r e e ) 的模型，它是以一个树状结构来表示工作流过程 的。从根节点开始，过程被逐层的分解为由各级子节点所代表的活动，而活动间 的执行顺序则是由左至右逐个分支的进行。a n d r e a sg e p p e r t 等人提出了 b r o k e r s e r i c e s 模型p j ，即代理j r 务模型，它定义了较为精确与严格的形式化语义， 用代理来表示工作流执行过程中的处理实体，用服务来表示所要执行的活动，代 理的行为是采用e c a ( e v e n t c o n d i t i o n a c t i o n ) 规则描述的。 由于工作流不仅需要明确地表达经营过程中的活动以及活动间的关系，而且 还要对活动间所传递的信息、活动的执行实体、活动所需要的资源等方面进行定 义，因此，人们便在工作流模型中加入了描述数据、组织、资源的部分。比如， 工作流管理联盟就明确提出了工作流相关数据、工作流控制数据及工作流参与者、 角色等概念【1 0 1 。在很多工作流产品中也允许用户在一定范围内定义数据、人员等。 为了使工作流模型在描述信息、组织与资源上的能力更强，人们逐渐把相关的描 述部分扩充为一个个较为完整的模型来更有力地支持工作流的建模。比较典型的 有，w i d e 项目中提出的由组织模型、信息模型与过程模型这3 个子模型共同组成 的工作流模型，在组织模型与信息模型中，分别定义了较为灵活的组织概念与数 据类型来支持企业复杂的人员组织结构和丰富的数据形式。惠普实验室提出了一 第1 章绪论 种资源模型，把包括人员、组织、硬件、软件等在内的各类“资源”纳入了一个 层次化的树状框架下。在m o b i l e 和d o p a s 原型系统中则提出了动态组织模式 的概念，通过组织对象和组织关系这两类基本组件，用户可以定义自己的组织模 式。 为了便于交互和在不同格式的模型之间实现相互转换，有的模型还提出了规 范的描述语言，称为“工作流定义语言”。比较典型的有工作流管理联盟推出的 w p d l ( w o r k f l o wp r o c e s sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ) t 1 0 1 ，i b m f l o w m a r k 的f d l ( f l o wm a r k d e f i n i t i o nl a n g u a g e ) ，m e t e o r 2 项目定义的w i l ( w o r k f l o wi n t e r m e d i a t el a n g u a g e ) 等。这些工作流定义语言都有着自己特定的语法规范，包括标识符、关键字、文 法规则等，有的还开发了相应的编译器，用于生成工作流运行的可执行代码。另 外，值得一提的是，n i s t 单独提出了一种过程描述语言p s l ( p r o c e s ss p e c i f i c a t i o n l a n g u a g e ) ，器在统一各种与制造业过程定义有关的语言，当然也包括对工作流的 定义，但实施效果并不理想。 1 3 主要研究内容和工作 基于这样一种研究现状，本文在现有的理论基础之上，综合比较了几种工作 流建模方法。由于p e t r i 网在处理各种控制结构( 分布、并发、异步等) 上具有很 大优势，可用于描述存在条件与事件间的关系；具有形式化步骤与数学图论相支 持的理论严密性；作为一种可用于图形表示的组合模型，p e t r i 网具有直观、易用、 通用性强的优势，尤其适合工作流领域的建模需求，所以本文选取基于p e t r i 网的 建模技术作为工作流的建模方法。 本文系统地研究了工作流和p e t r i 网的相关理论，结合公文流转实例，利用p e t f i 网进行建模，建模过程采用流程发掘算法，对于流程发掘算法的不足也提出了解 决办法。然后对于建立好的模型进行合理性验证，验证过程采用遍历树算法。遍 历树算法不是一个高效的算法，可能生成很庞大的遍历树，针对这个问题，文中 对遍历树算法进行了改进，并简要分析了改进后算法的正确性。本文最后设计了 一个公文流转系统，并给出了一部分系统实现。 基于p e t r i 网的1 = 作流过稃建模的研究 第2 章工作流技术简介 2 1 工作流技术的起源 工作流的概念起源于组织和办公自动化领域。它是针对1 3 常工作中具有固定 程序的活动而提出的一个概念。提出的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的目标。实际上， 自从进入工业化时代以来，有关过程的组织管理与流程的优化工作就一直在进行， 它是企业管理的主要研究内容之一。只不过在引进计算机信息系统的支持以前， 这些工作是由人工来完成的。在计算机网络技术和分布式数据库技术迅速发展、 多机协同工作技术日趋成熟的基础上于2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的工作流技 术，为企业更好的实现这些经营目标提供了先进的手段。工作流技术一出现马上 得到广泛的重视和研究，至今工作流管理技术已成功的运用到办公系统、医院、 保险公司、银行等行业【l i 】。 8 0 年代初期在p c 机尚未作为信息处理工具出现的时候，纸张是各行各业中 进行日常业务活动所不可替代的载体。这种古老的载体在信息的处理组织存储以 及查询检索方面都是低效的，因此人们希望出现一种无纸化的、计算机化使能的 工作环境。于是一些公司建立了自己专用的或者可商品化的表单传递应用系统， 通常运行在大型机或小型机上，用于实现日常表单处理的电子化与自动化。这种 系统可以堪称是现代工作流管理系统的一个雏形。 8 0 年代中期，f i l e n e t 和v i e w s t a r 等公司率先开拓了工作流产品市场，成为最 早的一批工作流产品供应商。他们把图像扫描、复合文档、结构化路由、实例跟 踪、关键字索引以及光盘存储等功能结合在一起，形成了一种全过程支持某些业 务流程的集成化的软件包，这便是早期的工作流管理系统。比较典型的有f i l e n e t 于1 9 8 4 年推出的w o r k f l o w b u s i n e s ss y s t e m ，v i e w s t a r 于1 9 8 8 年推出的v i e w s t a r 。 到了9 0 年代随着计算机的普及以及网络的延伸，现代企业的信息资源越来越 表现出一种异构分布式松散耦合的特点。企业的分散性、决策制定的分散性，对 第2 章工作流技术简介 日常业务活动详尽信息的需求以及c l i e n t s e r v e r 体系结构分布式处理技术的日益 成熟，都说明了这样一个事实：集中式信息处理的时代已经过去，实现大规模的 异构分布式执行环境，使得相互关联的任务高效运转并接受密切监督已成为一种 趋势。在这种不可抗拒的技术背景下，工作流管理技术也由最初的无纸化办公环 境转而成为同化企业复杂信息环境实现业务流程自动执行的必要工具。这样的一 个转变把工作流技术带入了一个崭新的发展阶段。 1 9 9 3 年，工作流技术的标准化组织一一工作流管理联盟( 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 ，w f m c ) 成立，它的成立标志着工作流技术在计算机应用 研究领域之中被明确的划分出了自己的一席之地，相应的概念与术语也得到了人 们的承认。在全球范围内对工作流技术的研究以及相关产品的开发进入了更为繁 荣的阶段，更多、更新的技术被集成进来，文件管理系统、数据库、电子邮件、 移动式计算i n t e m e t 服务等都被容纳到工作流管理系统之中。市场上工作流产品极 为丰富，多家供应商纷纷看好这块渐趋热点的i t 市场。 纵观工作流软件产品由8 0 年代的萌芽到9 0 年代的繁荣，可以把它总结为3 个阶段：第1 阶段，主要表现为某些特定领域的相对独立的应用系统，比如图像、 文档管理系统；第2 阶段，主要表现为具有底层的通信基础结构、能够实现任务 协作的应用系统，比如具有消息传递功能的工作流管理系统；第3 阶段，具有图 形用户界面的过程定义工具、用户定义与任务执行完全分离的工作流系统，其体 系结构基本上符合工作流管理联盟所提出的标准结构。经历了这3 个阶段的发展， 工作流产品基本上确定了它的计算机应用软件市场上的独立位置。 2 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，下面列举一些具有代表性的 定义： 工作流管理联盟的定义1 2 1 ：工作流是一类能够完全或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。 基于p e l r i 网的工作流过程建模的研究 o i g a o r o u p 的定义1 1 3 】：工作流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。 i b ma l m a d e n r e s e a r c h c e n t e r 的定义【1 4 】：t 作流是经营过程中的一种计算机化 的表示模型，定义了完成整个过程所需要的各种参数。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 谁负责以及每个活动所需要的应用程序。 以上这些定义是用非形式化语言从不同角度对工作流所进行的描述，虽然各 有不同，但基本上都达成了这样的一个共识：工作流是经营过程的一个计算机实 现，而工作流管理系统则是这一实现的软件环境。这些工作流的定义分别反映了 经营过程如下几个方面的问题，即经营过程是什么( 由哪些活动、任务组成，也 就是结构上的定义) 、怎么做( 活动间的执行条件、规则以及所交互的信息，也 就是控制流与信息流的定义) 、由谁来做( 人或者计算机应用程序，也就是组织 角色的定义) 、做得怎样( 通过工作流管理系统进行监控) 。 本文中将以工作流管理联盟( w f m c ) 的定义为标准，下面介绍工作流管理联 盟( w f m c ) 关于工作流的相关定义： 工作流管理系统( w f m s ) ：一种能定义、创建和管理工作流执行的系统。就 是将现实世界中的业务过程转化为某种计算机所能识别的形式表示( 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。使用它可以充分利用 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 ) ：在功能确定的组织结构中，能够实现业务目标 和策略的相互连接的过程和活动集。例如：公文处理过程、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。 第2 章工作流技术简介 活动( a c t i v i t y ) ：工作流中的一个逻辑步骤或称环节。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由计算 机自动完成。 过程活动实例( p r o c e s s a c t i v i t yi 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，生成有关的活动并根据过程定义中的控制规 则协调这些活动实例之间的顺序关系，同时根据数据流动关系的定义完成活动实 例之间的数据传送。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 t 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 kl i s t ) ：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 ) ：系统中主控部件( 运行服务器) 用来 摔制丁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 ) ：各个活动执行中应用程序或参与 者所处理的数据，如应用数据库中的记录，被处理的文档等。 这些基本概念f h j 的关系如图2 1 所示：1 1 5 1 基于p e t r i 网的工作流过稗建模的研究 业务流程 芦、弋 缸八 工作4 戋被调_ f i 篙应用丁具 图2 。l i 作流基本概念闻的关系 f i g 2 1t h er e l a t i o nb e t w e e nt h eb a s i cc o n c e p t so f w o r k f l o w 2 。3 工作流管理系统 按照w f m c 的定义，工作流管理系统是一个软件系统，它完成工作流的定义 和管理，并按照在计算机中预先定义好的工作流逻辑推进工作流实例的执行。 通常，工作流管理系统是运行在一个或多个称为工作流机的软件上的用于定 义、实现和管理工作流运行的套软件系统，它和工作流执行者( 人、应用) 交 互，推进工作流实例的执行，并监控工作流的运行状态。在这里需要强调的是， 工作流管理系统不是企业的业务系统，在很大的程度上，工作流管理系统为企业 的业务系统提供一个软件的支撑环境，非常类似于单个计算机上的操作系统，只 不过工作流管理系统支撑的范围比较大、环境比较复杂而已，所以，也有人称工 作流管理系统为业务操作系统( b u s i n e s so p e r a t i o ns y s t e m ，b o s ) 。在工作流管 理系统的支撑下，通过集成具体的业务应用软件和操作人员的界面操作，才能够 良好的完成对企业经营过程运行的支持。所以，工作流管理系统在一个企业或部 门的经营过程中的应用过程是个业务应用软件系统的集成与实施过程。 工作流管理系统可以用来定义和执行不同覆盖范围( 单个工作者、部门、全 企业、企业间) 、不同的时间跨度( 分钟、小时、天、月) 的经营过程。这完全 第2 章工作流技术简介 取决于实际应用背景的需求。按照经营过程以及组成活动的复杂程度的不同，工 作流管理系统可以采取多种实施方式，在不同的实施方式中，所应用的信息技术、 通信技术和支撑系统的结构会有很大的差别。工作流管理系统的实际运行环境可 以在一个工作组内部或者全企业的所有业务部门。 虽然不同的工作流管理系统具有不同的应用范围和不同的实施方式，但它们 还是有很多共同的特征，从比较高的层次上来抽象的考察工作流管理系统，可以 发现所有的工作流管理系统都提供以下的三种功能： 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。 运行阶段的控制功能：在一定的运行环境下，执行工作流过程，并完成每个 过程中活动的排序和调度功能。 运行阶段的人机交互功能：实现各种活动执行过程中用户与i t 应用工具之间 的交互。 图2 2 给出工作流管理系统三个主要功能之间的关系。【1 1 图2 。2 工作流管理系统的三个主要功能之闻的关系 f i g 2 2t h er e l a t i o nb e t w e e nt h et h r e em a i nf u n c t i o n so f w f m s 基于p e - t r i 网的工作流过稃建模的研究 2 4 工作流参考模型 w f m s 巨大的潜在市场和广阔的应用领域( 例如办公、电子业务、协作研究、 c i m s 等) 吸引了越来越多的科研机构与软件厂商投入到这方面的研究和开发中。 据不完全统计，目前通过w f m s 及声称具有工作流功能的系统已经有几百种之多， 其中包括a c t i o n w o r k f l o w ，v i s u - a l w o r k f l o w ，f l o w m a r k ，u l t i m u s ，o m n i d e s k 以 及i n c o n c e r t 等。国内目前也开始出现这方面的研究与发展。 各种不同类型的系统各有其不同的特点，例如所运行的环境、所适用的领域 等都各不相同。对于一个大的机构而言，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。同时不同的机构会选择不同的产品去满足其业务管 理的要求。这些应用上的特点要求各种不同类型的w f m s 应该能够实现互连和互 操作，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。 因此不论是从用户的角度来讲，还是从开发者的角度来讲，都迫切需要一个 大家都共同遵守的标准，按照此种标准来决定一个w f m s 应该包含哪些组成部分， 各部分应提供哪些标准的服务。按照此种标准开发出来的w f m s 将能够满足上面 所提出的要求。在这种背景下，1 9 9 4 年1 1 月2 9 日，w f m s 发布了工作流系统参 考模型( w o r k f l o wr e f e r e n c em o d e l ) 【1 6 1 。它详细描述了工作流系统的有关概念， 并在此基础上给出了w f m s 的各主要组成部分、各部分的功能及相互之间的接口。 如图2 3 所示。 第2 章丁作流技术简介 图2 3 工作流管理系统参考模型 f i g 2 3t h ew o r k f l o wr e f e r e n c em o d e l 对该模型各部分简要说明如下： 过程定义工具：主要功能是给用户提供一种对实际业务过程进行分析、建模 的手段，并生成业务过程的可被计算机处理的形式化描述( 过程定义) 。这也就 是建立时功能的主要内容。过程定义工具与工作流执行服务之间的交互是通过接 口一( 工作流过程定义读写接口) 完成的，它为工作流过程定义信息的交换提供 了标准的互换格式及a p i 调用。 工作流执行服务：它借助于一个或多个工作流引擎，来激活并解释过程定义 的全部或部分，并同外部的应用程序进行交互来完成工作流过程实例的创建、执 行与管理，如过程定义的解释、过程实例的控制( 创建、激活、暂停、终止等) 、 在过程各活动之间的游历( 控制条件的计算与数据的传递等) ，并生成有关的工 作项通知用户进行处理等等，为工作流程的进行提供一个运行的环境。 客户应用程序：它的作用是给用户提供一种手段，以处理过程实例运行过程 中需要人工干预的任务。每一个这样的任务就被称作是个工作项，它包括处理 上的些要求( 如处理时间的限制) 及待处理的数据对象等。w f m s 将为每一个 用户维护一个工作项列表，它表示当前需要该用户处理的所有任务。 被调应用程序：指工作流执行服务在过程实例的运行过程中调用的、用以对 基于p e l r i 网的工作流过程建模的研究 应用数据进行处理的应用程序。在过程定义中包含有这种应用程序的详细信息， 如类型、地址等。目前已有的几种方式包括应用代理( 它通过一个标准的接口同 执行服务进行交互) 、某种标准的互换机制( 如o s i t p 协议或x 4 0 0 等) 、本地 过程调用、远程执行调用、o r b 等。接d - - 的目标就是提供一些标准的服务供应 用代理使用。基于这些服务也可以开发出一些专门的应用直接同工作流执行服务 交互。关于这些服务的语义及语法细节还有待更深入的研究，目前初步确定的服 务大致可以分成会话建立、活动管理( x 2 向的) 以及数据处理等几类。 管理及监控工具：其功能是对w f m s 中过程实例的状态进行监控与管理，如 用户管理、角色管理、审计管理、资源控制( 包括过程管理及过程状态控制等) 。 它与工作流执行服务之间的交互是通过接口五( 管理及监控接口) 完成的。该接 口规范详细描述了需要从过程执行过程所发生的各种事件上捕获和记录的各种信 息( c o m m o nw o r k f l o wa u d i td a t a ，c w a d ) ，如过程实例信息、活动实例信息、 工作i 贞信息及远程操作信息等。 上述五个接口被统称为w o r k f l o wa p i ( w a p i ) 。这些标准的制定对于实现不 同厂家的产品之间的互操作( 如用一个厂家的管理与监控工具去管理另外一个厂 家的工作流执行服务) 及基于工作流执行服务开发新的应用具有重要意义。 2 5 工作流的建模方法 有很多方法可以用来进行工作流( 过程) 模型的定义与描述。对流程的描述 需要提供逻辑顺序结构，如顺序、分支、汇合、条件、循环、并行的描述，使用 者可以通过这一套语言来对整个流程进行形式化描述。目前较为广泛接受的建模 语言有c i n o s a 的经营过程描述语言、工作流管理联盟w f m c 定义的工作流描述 语言、i c e u e r 等人提出的e p c m 模型等，这些工作流描述语言的描述形式与程序 设计语言中语义结构的定义方式类似”1 9 1 。其他一些方法是采用传统项目管理中 使用的概念和模型来表述经营过程，例如p e t r i 网或其他各种形式的网络图等，后 一类方法易于在已有的项目管理软件工具的基础上扩展得到，所以在使用系统中 采用得也比较普遍。 第2 章工作流技术简介 在工作流建模方面，传统的建模技术有很多种，这些技术在对业务过程的描 述能力和模型本身的灵活性等方面有所差异。主要的建模技术有以下五种 2 0 1 ： ( 1 ) 基于活动网络的建模技术 这是指以活动和活动之间的关系为基础建立的工作流模型。这是大多数工作 流管理系统采用的工作流建模技术，其特点是用户界面友好，易于理解，并且在 需要进行模型验证时可以将其转化为扩展的p e t r i 网模型来进行验证。 ( 2 ) 基于形式化表示的建模技术 如基于p e t r i 网的建模技术，这将在下一章介绍。 ( 3 ) 基于对话模型的建模技术 利用该技术所建立的工作流模型，是从客户方与服务方这两个角色之间的语 言行为交互上对工作流过程进行定义的。如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。 ( 4 ) 基于状态与活动图的建模技术 利用陔技术所建立的工作流模型，是一种介于p e t r i 网模型和图形化模型之间 的模型。对于用户，它比p e t r i 网容易学习和理解。在模型的正确性方面，它比图 形化模型易于验证。其欠缺的方面是模型验证工作比p e t r i 网模型麻烦，可视性效 果( 易理解程度) 比图形化模型差。 ( 5 ) 基于事务模型的建模技术 为了提高工作流管理系统的可靠性，提出了基于事务模型的建模技术，利用 该技术所建立的多种高级事务模型( a d v a n c e dt r a n s a c t i o nm o d e l ) ，主要是用来描 述工作流过程，如嵌套事务模型、多层事务模型、s a g a s 、分支汇合