（计算机软件与理论专业论文）基于本体的工作流管理系统的设计与实现.pdf

摘要 在过去的十几年里，随着企业业务流程的j “泛应用，：l 作流有了很大的发展，但是随着 业务规模的不断扩大，流程的日趋复杂，工作流面临着更大的挑战，因此，面对复杂多样的 应用环境，需要更加完整地表示：j 二作流程及其资源，并实现不同：l 作流之间的互操作，围绕 这个问题将展开相当多的研究：r 作。 本体及语义网技术是当前万维网领域的一个热点，本体被用来描述构成相关领域的基 本术语以及术语之间的关系。本体的分析能够清晰地表达领域知识的结构，从而为知识表示 打好基础，同时，用本体来形式化地描述业务流程可以实现流程的重用以及不同流程间的互 操作，还可以提供一定的检查能力。 本文主要研究了如何利用本体来建立工作流模型以及使用本体的优势等问题。本文分析 了国内外上作流领域的研究状况，分析和提出了现有上作流技术的不足，提出了语义技术与 工作流结合的必要性、理论依据和方法，在此基础上，设计并实现了一个基丁本体的工作流 管理系统。文章首先根据系统所处的电子商务应用场景定义了工作流模型本体 u m a r k e t w o r f l o w ，包括组织模型，资源模型和过程模型。然后，介绍了如何由工作流模型生 成本体实例，接着介绍了工作流引擎的运行机制和没计以及整个系统的运行。最后，提出了 一个实际的应用场景，在该工作流系统的实际应用中，本文进一步分析了使用本体：【：作流系 统的一些优势。在文章结束部分，总结了全文的研究= 作并且对朱来基于本体的：i 二作流管理 系统的研究提出了进一步展望。 关键词：工作流，本体，o w l ，语义w e b 4 a b s t r a c t i nt h ep a s ts e v e r a ly e a r s ，w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h ee n t e r p r i s eb u s i n e s sp r o c e s s ，t h e w o r k f l o wh a sh a v eag r e a td e v e l o p m e n t b u tn o w a d a y st h es c a l eo ft h eb u s i n e s si sb e c o m i n gm o r e a n dm o r el a r g ea n dt h ep r o c e s si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e x ，s ot h ew o r k f l o wi sn o w f a c i n gm u c hb i g g e rc h a l l e n g e s w en e e dt od e s c r i b et h ew o r k f l o wa n di t s r e s o u r c em o r e c o m p r e h e n s i v ea n da c c u r a t e w ea l s o n e e dt or e a l i z et h ei n t e r o p e r a b i l i t yo ft h ed i f f e r e n t w o r k f l o w s t h e r ea r eal o to f r e s e a r c ha b o u tt h e s er e q u i r e m e n t s o n t o l o g ya n ds e m a n t i ct e c h n o l o g yi saf o c u so ft h ew e br e s e a r c ha r e a o n t o l o g yi su s e dt o d e s c r i b et h eb a s i ct e r m i n o l o g yc o n c e p ti ns o m ef i e l da n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e m o n t o l o g y c a ne x p r e s st h ek n o w l e d g eo ft h ew o r k f l o wc l e a r l ya n dc o m p l e t e l y u s i n go n t o l o g yt ob u i l dt h e w o r k f l o wm o d e lc a na l s or e a l i z et h er e u s eo fs o m ep r o c e s s e sa n dt h ei n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e n d i f f e r e n tp r o c e s s e s i ta l s oc a nc h e c kt h ec o r r e c t n e s so ft h ep r o c e s s i nt h i sp a p e r , w em a i n l yd os o m er e s e a r c ho nh o wt ou s eo n t o l o g yt ob u i l dt h ew o r k f l o w m o d e la n dw h a ti st h ea d v a n t a g eo ft h i sm e t h o d a tf i r s t ，w ea n a l y z et h es i t u a t i o no ft h ed o m e s t i c a n df o r e i g nw o r k f l o wr e s e a r c h ，t h e np r o p o s et h es h o r t c o m i n g so ft h ew o r k f l o wt e c h n o l o g yt o d a y , t h e np r o p o s ew h yt h ew o r k f l o wn e e dt oc o m b i n e dw i t ht h es e m a n t i ct e c h n o l o g ya n dh o wt od o t h a t t h e nw ed e s i g na n dr e a l i z eao n t o l o g y - b a s e dw o r k f l o ws y s t e m i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , w eh a v e d e f i n eaw o r k f l o wo n t o l o g ym o d e l - u m a r k e t w o r f l o ww h i c hi sc o m p o s e do fp r o c e s sm o d e l ， o r g a n i z a t i o nm o d e la n dr e s o u r c em o d e l s e c o n d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a t i o no ft h e o n t o l o g yi n s t a n c e t h e nw ep r o p o s et h eo p e r a t i n gm e c h a n i s m a n dd e s i g no ft h ew o r k f l o w e n g i n ea n dt h er u n n i n go ft h ew h o l es y s t e m i nt h en e x tp a r to ft h ep a p e r , w ei n t r o d u c eh o w o u r s y s t e mw o r k e di na na c t u a la p p l i c a t i o ns c e n ea n da n a l y z et h ea d v a n t a g eo ft h eo n t o l o g y - b a s e d w o r k f l o wf u r t h e r t h el a s tp a r to ft h ep a p e ra g g r e g a t e st h ec o n t e n to ft h ew h o l ep a p e ra n dp r o p o s e t h eo u t l o o ko ft h eo n t o l o g y - b a s e dw o r k f l o wm a n a g e m e n ti nf u t u r e k e y w o r d s ：w o r k f l o w , o n t o l o g y , o w l ，s e m a n t i cw e b 5 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：社 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：型卜导师签名：二妞日 期：蛐 1 1 研究背景 第一章绪论 进入2 l 世纪以来，随着生产规模的扩大和生产力的发展，企业必须不断地重新考虑并且 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机制。于是上作流管理( w o r k f l o wm a n a g e m e n t ) 技术应运而生，并 且蓬勃发展起来企业实施： 作流管理所带来的好处是非常明显的，这包括了提高企业运 营的效率、改善企业资源利用、提高企业运作的灵活性和适应性，提高企业的劳动生产率等 等。 工作流在广义上指信息在企业内、外部的流动和交互，一个企业的大多数业务处理活动 都是由- t 作流组成。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 ，以下简称, w f m c ) t i j 对t 作流的定义是一类能够完全或者部分自动执行的业务过程，它根据一系列过稃规则，使 得文档、信息或任务能够在不同的执行者之间传递与执行。企业内部存在多种经营过程，按 其定义，经营过程中由计算机系统自动执行的那部分即称为t 作流。工作流管理系统 ( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ) 是利用计算机技术和信息技术作支持，使企业的业务流程实 现臼动化。i 作流管理系统是一个软件系统，它完成工作流的定义与管理，并按照计算机中 预先定义好的工作流程逻辑推进：j ：作流实例的执行，它可以通过一个或多个：作流引擎米解 释不同的过程定义，与不同的工作流执行者交换信息并调用其它应用系统来完成预定的目 标。 但是随着业务规模的不断扩大，流程的日趋复杂，工作流面临着更大的挑战。首先，业 务流程的目趋复杂导致表达：1 一作流的数据变得十分庞人和难于管理，其次，由于不同企业甚 同一企业不同流程之间的数据格式、表达方式存在差异形，从而难以实现协同和共享。因此， 本文提出了基于本体的上作流管理系统设计思想，使用知识库能够更全面的表达流程及相关 资源信息，另外，不同的t 作流模型之间可以借助本来进行互操作，实现业务流程的共享和 重用。 1 1 1 传统的工作流系统 工作流管理系统( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ) t ”的主要功能是通过计算机技术的支持 去定义、执行和管理工作流，协调上作流执行过程中活动之间以及成员之间的信息交互。在 工作流管理系统的协助下，开发人员遵从一定的编程接口及约定，可以开发出更具灵活性的 事务处理系统，最终用户无需重新开发事务处理系统，就可以自己更改t 作流程，以适应业 务变化的需要。t 作流需要依靠工作流管理系统来实现。在最高层上，w f m s 应能提供以 下三个方面的功能支持“1 ： ( 1 ) 建造功能：支持对工作流过程及其组成活动的定义和建模。主要目标是通过某种分析、 建模及系统定义手段将现实世界的业务过程转化成某种能够被计算机处理的形式化表示。这 种形式化表示称之为过程定义( 也称过程模型、过程模板、过程元数据等) 。过程定义中一般 都包含有对业务过程中的各个活动步骤的描述、同这些活动相关的各种计算机或人工操作、 8 以及在各活动之间进行切换的各种控制规则。过程定义所定义的，实际上就是控制上作流过 程执行的各种参数。 ( 2 ) 运行控制功能：运行控制功能主要体现在某个计算环境中：l ：作流过程的管理及各活动 步骤之间的状态转换。运行时控制系统将解释过程定义，完成过程的实例的创建及控制，调 度过程中各活动步骤，在合适的时机调刚有关的应用程序资源筲等。这些服务一般称之为“工 作流执行服务”，一i ：作流引擎是上作流运行时控制系统的核心部分，各种过程实例的执行都 是由它负责完成的，有些系统可能是通过一个 j 作流引擎提供这些服务，而另外一些系统则 可能会用到多个协作的工作流引擎。 ( 3 ) 运行交互功能：主要完成对工作流实例执行过程中各种活动的处理。在过程实例的执 行过程中，经常需要用户通过某种应用程序来完成过程定义所要求完成的处理或操作，例如 填写一个表单，或使用某个应用程序生成新的文档或处理其他活动传递过来的文档等。另外 工作流执行服务也可能需要自动的调用有关的应用对数据进行处理，如将某些数据写入到某 个数据库系统中、调用某个应用程序对数据进行某种转换等，所有这些构成了运行时交互功 能的主要内容。 1 1 2 基于本体的工作流管理系统 传统的工作流系统定义了服务管理的流程，但是缺乏灵活的方法用来定义相关的对象， 以及这些对象与服务的逻辑之间的关系，冈此流程的设置可能不适合这类系统中的刚户服务 数据，从而不能完成用户的某些需求。更进一步，在传统的工作流系统中，不同的流程之间 缺乏相互合作的能力。 另外，传统的工作流系统的主要缺点在于表达相关知识的不完整性，- 下作流系统是一类 协作系统，实际上就是一个信息的交换和状态转移系统，它实际上是一个建立在领域知识基 础上的信息交换和状态转移系统。在这类系统中，相关协作的知识包括领域定义，领域定义 之间的关系，系统对象间的关系，条件转移，流程的约束以及基丁某些规则的领域约束。传 统的j r 作流系统定义的仅仅是活动之间的关系，转移和约束，并且这些定义并不能整体地代 表相关知识的元素。其他的元素需要在开发客户端时由开发人员显式或隐式的被创建。因此， 实现上作流系统的复杂性就增加了。开发者通常在系统中对领域相关知识和领域规则进行再 编码，从而使得系统变得难以维护和扩展。 为了能够解决传统工作流存在的一些问题，近年来有一些研究提出用本体【3 】来表示i t 作 流模型，本体定义了领域内的基本概念、词汇及其关系，组成主题领域的词汇表以及将它们 结合在一起成为规则体系，包括类、属性和关联。这里“类”代表概念或知识领域中的实体； “属性”是揭示反映类的特性或值，或者是对类的某种限定；“关联”则代表实体类之间存 在的关系、联系，包括概念定义、等同同义关系、层次关系、相关关系等。这些关联将本 体有机地连接成为一个具有语义的整体。构造本体的目的在于捕获相关领域的知识，确定该 领域内共同认可的词汇，进而提供对该领域知识的共同理解，可以为流程注入更多的语义信 息。 1 2 本文工作 关于用本体来描述流程，目前国内外也有一些相应的研究工作5 】【6 】【刀，利用本体来描述 9 工作流模型主要有这样一些优势：( 1 ) 本体的分析能够清晰地表达领域知识的结构，从而为 知识表示打好基础，同时，本体可以重用，进而避免了重复的领域知识分析；( 2 ) 统一的术 语和概念使知识共享成为可能。如今的企业业务流程往往涉及多个公司之间的交流与合作， 而信息系统对所涉及资源的表示往往是不相同的，这就导致了资源的共享和信息系统的集成 方式很凼难，基于本体描述的- i 二作流模型以本体统一了相同应用场景卜的术语和概念，从而 使不同一f ：作流程之间的且操作和共享成为可能。( 3 ) 本体语言这种形式化的描述可以提供对 流程的正确性检查的功能。 本文在调研了国内外一些相关研究的基础上，设计并实现了一个基1 二本体的工作流系 统，在这个系统中，提出了结合语义的基于本体的工作流建模方法，郾采用本体的方法建立 工作流模型，描述1 二作流中各元素之间以及各元素与相关资源的关系，由于本体特有的语义 信息，它能够反映一般建模语言所不具备的语义信息，可以为t 作流的执行提供丰富的语义 信息，从而能够更好的表示工作流并且对流程模型和资源进行管理。在建立好工作流本体的 基础上，根据实际应用场景建立业务流程的实例并交给本体解析模块解析，然后将交给：1 ：作 流引擎米完成流程的调度和执行。在此过程中，用户能够随时监控运行中的流程并对其中的 活动进行查看和修改。 1 2 i 系统设计目标 本文所实现的工作流系统主要由下面几个模块组成： ( 1 ) ：工作流模型本体库：建立用以描述工作流模型的本体库，包括过程模型、组织模型 和资源模型。这是本系统与其他t 作流系统的主要区别所在，也是对传统：e 作流系统的重 要改进。 ( 2 ) ：流程实例：利用定义好的工作流模型本体，根据具体的应用场景来建立起流程实例， 描述业务流程以及相关的信息，输出是一个o w l 文件。 ( 3 ) ：本体解析 - ：具：采用支持本体文件解析功能的工具将上一步骤输出的实例结果进行 解析。本系统采用惠普( h p ) 实验室开源的工具包j e l l a 【8 1 0 ( 4 ) ：工作流引擎：工作流引擎是工作流系统的核心部分之一，本系统中的工作流引擎是 一个轻鼙级的实现，它是基于有限状态机概念的，每个状态由活动i d 和活动状态联合表 现。一个状态剑另一个状态的转移依赖于动作的发生，在工作流生命期内有至少一个或多 个活动的状态。 ( 5 ) ：用户交互模块：在流程运行的过程中，提供与用户交互的功能，使用户能够随时查 看流程的运行状态，具有操作权限的用户还要对相应活动执行动作，并且向系统管理员提 供对流程及资源的管理功能。 ( 6 ) ：存储模块：对本体模型，本体实例以及其他一些相关的数据进行存储的模块，主要 有o w l 文件存储和数据库存储两种方式。 1 2 2 主要研究成果 本文设计并初步实现了一个基于本体的工作流管理系统u m 缸k e t w o r k _ f l o w 。该系统是基 1 0 于作者所在实验室开发的电子商务应用系统u m a r k e t 上面所作的扩展，目的是对其中人量的 业务流程采用本文的工作流系统米完成监控和执行。 系统实现的一些具体功能包括：( 1 ) 根据电子商务这个应用背景建立一l ：作流模型本体( 包 括过程模型、组织模型、资源模型) ；( 2 ) 根据u m a r k e t 系统中的实际流程，建立用o w l 语言描述的流程实例；( 3 ) 载入并解析定义的流程实例，由j l ：作流引擎部分开始并控制流程 的执行；( 4 ) 可以在流程运行过程中查询和编辑流程实例。 系统的一些主要创新上作包括：( 1 ) 采用本体来描述j = 作流模型；( 2 ) 能够使用g r a p h w i d g e t 插件来辅助可视化地建立用本体描述的流程实例；( 3 ) 能够方便于相同的应用场景 下上作流程之间的重用和互操作。 关于系统具体实现方面的详细内容请参见第四章系统实现各小节。 第二章相关工作和理论基础 本文设计并实现了一个基于本体的：i ：作流系统，在这个系统中，提出了结合语义的基于 本体的上作流建模方法，即采用本体的方法建立j ：作流活动模型，描述工作流中的各元素、 各元素之间的关系以及各元素与相关资源的关系，由于本体特有的语义信息，它能够反映一 般建模语言所不具备的语义信息，为：1 ：作流的执行提供丰富的语义信息，从而能够更好的表 示：i ：作流并且对流程模型和资源进行管理。同时，使用本体来描述流程能够使相同应用场景 的不同流程之间能有更好的重用和交互。 本章节首先介绍了该系统的相关工作，包括该领域的一些基本概念，发展历史以及研究 现状。随后，本文在2 1 节中介绍了丁作流的一些相关理论；在2 2 节中介绍了语义w e b 的 兴起、目标及其体系结构；在2 3 节中介绍了用本体建立工作流模型的可行性，优点以及国 内外的相关研究。 2 1 工作流理论基础 2 1 1 基本概念 工作流( w o r k f l o w ) 工作流的概念起源于生产组织和办公自动化领域，它所关注的问题是处理过程的自动 化， 它根据一系列定义的规则，把文档、信息或任务在参与者之间传递，以达剑某种目的。 不同的研究者和工作流产晶供应商从不同的角度给出了j f 作流的定义，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 以下简称w f m c ) 为i 作流提供了一个标准定义【l 】：工作流 是一类能够完全或者部分自动执行的经营过程，它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进行传递与执行。 工作流管理系统( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ) 工作流管理系统( w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m ) h 是利用计算机技术和信息技术作支 持，使企业等组织机构的业务流程实现自动化。工作流管理系统是一个软件系统，它完成：【= 作流的定义与管理，并按照计算机中预先定义好的工作流逻辑推进： 作流实例的执行，它可 以通过一个或多个工作流引擎米解释不同的过程定义，与不同的j r 作流执行者交流信息并调 用其它应用系统来完成预定的目标。 w f m c 给出的t 作流管理系统的定义【l 】是：工作流管理系统是一个软件系统，它完成：亡 作流的定义和管理，并按照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。在 w f i v l s 中，过程被分解成一个一个的活动( a c t i v i t y ) ，该活动代表了过程中的一个逻辑步骤。 所有的活动都是以流程定义为基础而展开的。因此，工作流管理系统实质上是通过管理：r ：作 活动的顺序，调用与各工作活动步骤相关的人- 丁或资源米实现业务过程的自动化。其主要提 供的三个功能：( 1 ) 建造功能；( 2 ) 运行时控制功能；( 3 ) 运行肘交互功能。 工作流引擎( w o r k f l o wm a n a g e m e n te n g i n e ) 工作流引擎川是工作流管理系统的核心软件组元。它的功能包括：( 1 ) 对过程定义进行 1 2 解释；( 2 ) 控制过程实例的生成、激活、挂起、终- i ：等；( 3 ) 控制活动实例间的转换，包括 串行或并行操作、工作流相关数据的解释等；( 4 ) 支持用户操作的界面；( 5 ) 维护一 作流控 制数据和j ：作流相关数据，在应用或心户问传递l 二作流相关数据；( 6 ) 提供用于激活外部应 用程序和访问。r 作流相关数据的界面；( 7 ) 提供控制、管理和监督的功能。 一个工作流执行子系统可以包括多个t 作流引擎，不同_ t 作流引擎通过协作共同执行 - t 作流。工作流引擎的一个重要功能就是控制实例和活动实例的状态转换。现在商用和开源 有很多非常出色的上作流引擎。如o s w o r k f l o w 【1 叭，s h a r k t u 】，o f b i z ，o b e ，w e r k f l o w 等。 工作流参考模型( w o r k f l o wr e f e r e n c em o d e l ) w f m s 提出的工作流参考模型分为五个部分，包括：( 1 ) 过程定义；( 2 ) 工作流 引擎( 一个或多个) ；( 3 ) 被调用的应用程序；( 4 ) 工作流客户端；( 5 ) 管理监控工具，如 下图所示： 2 1 2 研究现状 图2 1 ：t 作流参考模型 目前工作流技术的研究正日益受到人们的重视，许多大学和研究机构都开展了很多研 究项目，取得了众多的研究成果。 在国外的研究成果中，比较著名的有m m 公司a l m a d e n 研究中心研究开发的基于持久 消息队列的分布式工作流管理系统- - e x o t i c a f m q m ( f l o w m a r k o nm e s s a g eq u e u em a n a g e r ) ， 佐治皿大学计算机系研究开发的具有自适应能力的工作流管理系统- - m e t e o r ( m a n a g i n g e n d t o - e n do p e r a t i o n s ) 、基于分布式主动数据库技术的工作流管理系统w i d e ( w o r k f l o wo n 1 3 i n t e l l i g e n ta n dd i s t r i b u t e dd a t a b a s e ) 等等；相对于国外t 作流技术的研究和发展，我国对工作 流技术的研究还处丁起步阶段，并没有十分成熟的上作流管理系统。 2 2 语义w e b 技术 2 2 1 语义w 曲 语义w e b 最早是由t i mb e r n e r sl e e 在1 9 9 8 年提出的下一代万维网的发展方向1 4 1 ，其 目标是跨越现有缺乏自动化与智能化信息处理方式的万维网与信息社会中日益严峻的“信息 爆炸”之间的鸿沟。语义w e b 希望能为万维网上的信息资源添加语义标签，让计算机能够 在“理解”w e b 信息“含义”的基础上更好地与人协作，为人们在异构、分布式的万维网 中进行信息检索、信息访问和信息交换活动提供更准确、更有效的支持。 语义w e b 的基本思想是在w e b 信息中加入机器( 即软件代理，s o f t w a r ea g e n t ) 可处理 的用于表达语义信息的元数据，让机器能够进一步地依据元数据层次上的关系、规则、逻辑 和条件进行推理，从而自动化、智能化地对信息进行组织、分类和处理，使得信息能够克服 信息孤岛( i s o l a t e di s l a n d ) 限制，跨越不同应用的边界实现相互之问的共享、重月j 与信息集 成，并由此实现信息资源在语义层次上的全方面互联。在此基础上，语义w e b 还可以构建 更高层次的，基于知识的w e b 应用与w e b 服务。 为了实现语义w e b 的研究目标，t i mb e r n e r sl e e 于2 0 0 0 年提出了语义w e b 体系结构 模型，为语义w e b 相关技术的研究：1 ：作制定了一个可实施的技术路线图。 圉l 图1 2 修订的语义w e b 体系结构描述 本章节余下部分将对语义w e b 体系结构中的核心部分进行简要说明。 ( 1 ) u n i c o d e 和u r i 1 4 u n i c o d e 和u 是语义w e b 的基础。u n i c o d e 是一个字符编码系统标准，支持世界所有 主要语言文本的混合编码，用于保证使用国际化、通用化的字符集，避免不同类型字符集之 间由于编码不同而造成的存储、传递和使用上的混乱，同时也可以实现多国语言的混合存储 和使用。u ( u n i f o r mr e s o u r c ei d e n t i f i e r s ，统一资源标识符) 是i n t e r n e t 资源的一种识别 方法，在语义w e b 中，任何可以被描述的事物都可以称为资源( 即语义w e b 资源) ；每一 个资源都由唯一的语义w e bu 所标识，并通过u r i 来确定该资源；不同的资源拥有不同 的u i u 。 ( 2 ) x m l 和n a m c s p a c e s x m l ( e x t e n s i b l em a r k e tl a n g u a g e ，可扩展标记语言) 【1 别是一种允许自定义标记的通用、 结构化描述语言，是描述w e b 文档和数据的标准化语言。n a m e s p a c e ( 命名空间) 为x m l 文档中的结构化标记提供了上下文环境：一方面为文档中的每一个标记都赋予了确定的含 义，另一方面将不同于上下文环境中相同名称的标记区分开来，从而避免了语义上的歧义。 ( 3 ) r d f 和r d fs c h e m a p , x ) f ( r e s o u r c e d e s c r i p t i o n f r a m e w o r k ，资源描述框架) b 6 1 1 7 】定义了一种用以描述w 曲 资源及其相互关系的简单模型，提供了一个机器可处理的元数据框架，是用于描述形式化语 义信息的有效t 具。r d f 是实现语义w e b 的核心技术之一，其基本数据模型主要包括三类 对象：资源( r e s o u r c e s ) ，属性( p r o p e r t i e s ) 和陈述( s t a t e m e n t s ) 。r d f 描述的任何事物被 称为r d f 资源，并通过语义w e bu r i 进行唯一标识；资源之间的相互关系通过属性和属性 值来描述。描述某个资源具有特定属性的属性值，就构成了r d f 中的一个陈述( s t a t e m e n t ) 。 陈述用于表达资源之间特定的二元关系，通常用r d f 三元组( r d ft r i p l e ) ，即 的形式进行描述；其中，s u b j e c t 是指被描述的资源，p r e d i c a t e 是指描述资 源的属性，o b j e c t 则是属性对应的属性值。属性值也可以是r d f 常量资源( l i t e r a l s ) 。一组 r d f 三元组的集合共同构成了一张r d f 图( r d fg r a p h ) 。 ( 4 ) o w l 及o n t o l o g y 语义信息的交流必须以共同的理解为基本前提，否则交流双方就会产生误解或者出现不 理解的情况。在语义w e b 中，这种共同理解是由本体米实现的。本体( o n t o l o g y ) 是共享 概念的形式化规范说明。本体明确定义类型、实例和属性，组织类型层次结构和属性层次结 构，并通过属性来描述资源之间的关系。在语义w e b 中，本体具有非常重要的地位：本体 是解决语义层次上w e b 信息共享和交换，实现信息集成和进行语义互操作的基准。 w 曲o n t o l o g yl a n g u a g e 即o w l 是w 3 c 推荐标准，设计用来“明确表示词汇表中词语 的意义以及那些词语之间的关系”。与r d fs c h e m a 一起，o w l 提供了一种正式地描述 r d f 模型的机制。除了定义资源可以属于的层次结构类，o w l 还允许表达资源的属性特 征。 ( 5 ) s p a r q l 查询语言 s p a r q l 1 8 1 是w 3 c 制定的一种r d f 查询语言，也可以用来支持对本体的查询。s p a r q l 遵循s q l i 看- 言的语法格式，一个s p a r q l 查询基于查询模式，s p a r q l 支持丰富的查询模式， 最简单的查询模式是三元组模式，还可以得到更加复杂的图模式。 为了满足不同的需求，s p a r q l 提供了四种查询结果格式。s e l e c t 格式的查询返回的 是全部或者部分查询模式匹配的变量绑定；c o n s t r u c t 格式的查询返回的是一张满足查询 1 5 模式的子图；d e s c r i b e 格式的查询返回的是一张描述指定资源的r d f 图；a s k 格式的查询 返回查询模式是否匹配。 在本系统中，可以利用j e n a 中提供的查询a p ij j | s p a r q l 语言查询用户想获得的关于工 作流的相关信息。 2 2 2 本体( o n t o l o g y ) 在本文中采用本体来构建工作流模型，因此在这一部分重点介绍一下本体。o n t o l o g y 原 本是一个哲学上的概念，后来“本体”被引入人t 智能领域。1 9 9 1 年n e c h 岱等人将o n t o l o g y 定义为“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成词汇外延 的规则”，本体是语义网技术的核心。 本体定义领域内的基本词汇、概念及其关系，组成主题领域的词汇表并且将它们结合在 一起成为规则体系，包括对类、属性和关联。这里“类”代表概念或知识领域中的实体；“属 性”是揭示反映类的特性或值，或者是对类的某种限定；“关联”则代表实体之间存在的关 系、联系，包括概念定义、层次关系、相关关系等。这些关联将本体有机地连接成为一个具 有语义的整体。构造本体的目的在于捕获相关领域内的知识，确定该领域内共同认可的词汇， 提供对该领域知识的共同理解，基于本体的这些特点，用它来构建工作流模型可以为流程注 入更多的语义信息。 本体的构建主要包括以下步骤： ( 1 ) 确定本体的领域和范围； ( 2 ) 列举领域知识中重要的术语、概念； ( 3 ) 建立本体框架； ( 4 ) 设计元本体，重用已有的本体，定义领域中概念之间的关系； ( 5 ) 对领域本体进行编码、形式化； ( 6 ) 对本体进行正确性检查和评价； 2 3 基于本体的工作流系统 2 3 1 必要性 传统的工作流系统定义了服务管理的流程，但是缺乏灵活的方法【坤】用来定义相关的对 象，以及这些对象与服务的逻辑之间的关系，这种流程的设置可能不适合这类系统中的用户 服务数据，从而不能完成用户的某些需求。更进一步，工作流系统的实现常常需要开发特殊 的客户端，往往是那些低效率和高代价的活动，因为不同的流程之间缺乏相互合作，这种传 统的模式往往在实际应用中存在一些瓶颈。 传统的工作流系统的主要缺点在于表达相关知识的不完整性i 2 0 1 ，工作流系统是一类协 作系统，它实际上是一个建立在领域知识基础上的信息交换和状态转移系统。在这类系统中， 相关协作的知识包括领域定义，领域定义之间的关系，系统对象间的关系，条件转移，流程 的约束以及基于某些规则的领域约束。传统的工作流系统定义的仅仅是活动之间的关系，转 1 6 移和约束，并且这些定义并不能整体地代表相关知识。其他的内容需要在开发客户端时由开 发者显式或隐式地创建。因此，实现l ：作流系统的复杂性就增加了，开发者通常需要在系统 中对领域相关知识和领域规则进行编码，从而使得系统变得难以维护和扩展。 为了实现流程在各个应用系统和企业之间的共享和重用，本文在t 作流管理系统中引入 了本体思想。本体能够在语义层次上定义某一领域的一系列概念以及概念之间的关系，通过 使刚本体描述语言来形式化描述业务流程，使业务需求在没有信息丢失的情况卜被正确清晰 地表达。而且，基于本体描述的，f ：作流很好地以本体统一了t 作流过程中的术语和概念，从 而使不同一r 作流之间的互操作和共享成为可能。另外，用本体来描述上作流模型，在模型构 造好以后可以利用本体的特点来检查其止确性和一致性。 为了构建业务流程本体，首先需要对业务流程领域相关概念进行描述。o w l 语言是一 种严格的逻辑描述语言，能够清晰地表达流程术语和术语之间的关系，提供更多的元语以支 持更加丰富的语义表达和推理能力。因此本文采用o w l 语言对工作流程的领域本体和实例 本体进行描述。 2 3 2 研究现状 首先介绍一下传统的工作流系统所采用的描述语言的代表x f d l 2 n 。 x p d l ：即x m l 过程定义语言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 是由工作流管理联盟 ( 简称w f m c ) 组织开发的用于工作流过程建模的规范，x p d l 是个通用的框架，这也是 x p d l 的一个重要特性，这个框架可以支持开发者的特殊使用目的，而对外表现形式却相同。 开发者的实现和它的外部接口可以独立分开，冈为不管你是如何实现的，采用什么图形描述 ( 状态图，活动图等) ，只要外部接口符合x p d l 规范，那么就可以保持相同的表示形式。希 望在w n | c 接口1 的未来发布版本中，能够包含现版本中缺少的属性。 另外，将语义网和本体技术与传统的- 下作流系统相结合，目前国内外都有了一些研究， 其中比较权威和重要的主要由以一f j l 个项目： b p e l t 2 2 l ：2 0 0 2 年8 月，b e a 、i b m 、m i c r o s o f t 开发出b p e l 的第一个版本。b p e l 是一门 用于自动化业务流程的形式规约语言。用x m l 文档写入b p e l 中的流程能在w r e b 服务之间以 标准化的交互方式得到精心组织。这些流程能够在任何一个符合b p e l 规范的平台或产品上 执行。所以，通过允许顾客们在各种各样的创作工具和执行平台之间移动这些流程，b p e l 使得他们保护了他们在流程自动化上的投资。尽管以前想使业务流程定义标准化，但b p e l 已经引起了史无前例的兴趣，而且它最早在软件供应商中获得大量认可。b p e l 用一种有向 图的方式来描述商业过程，商业活动以及状态的变化，商业过程以及活动执行的关键部分是 用本体描述语言( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e o w l ) 来描述的 d a m l s 2 3 1 ：d a m l 是研究机构d a r p a 开发的基于s e m a n t i cw e b 的本体语言， d a m l s 项目是其在w e b s e r v i e e 领域的应用，d a m l s 本体模型由3 部分组成： p r o c e s s m o d e l ( s e r v i c e m o d e l ) 、s e r v i c e p r o f i l e 和s e r v i c e g r o u n d i n g 。p r o c e s s m o d e l 提供了一个 有效的业务流程描述方法，其被定义为一系列过程的p r o c e s s 。s e r v i c e p r o f i l e 为动态选择w e b 服务提供了质量参数标准，可设置各种通用的服务质量参数，如服务响应时间、花费、质量 等级；也可设置特定领域的服务质量参数，如部件的交付日期：或特定于部件的详细说明， 如部件的可靠性。s e r v i c e g r o u n d i n g 则提供了调用w e b 服务的方法和协议。以上三者为业务 流程动态集成提供了流程描述语言以及w e b 服务的选择标准和调用协议。 1 7 x p d l 是t 作流管理联盟定义的官方标准，是通过x m l 来描述= 作流模型的，相比较 x p d l 而言，本文中的一i ：作流模型是利用本体描述语言o w l 米描述的，相对t - x m l 语言 来说，o w l 被设计为提供一种通用的处理w e b 信息的内容的方法，它试图能够使计算机理 解并且自动地执行。 b p e l 和d a m l 两个项目的研究更偏向丁对w e b 服务中由w e b 服务构成的流程进行自 动的组合和分析，x p d l 则是传统的采川x m l 米描述流程模型的标准文档，因此，从严格 意义上讲，它们与x p d l 不是一个层次的规范。b p e l 和d a m l 主要是用来支持基于w e b s e r v i c e 的自动化业务流程，没有任何有关人t 活动的内容。w f m c 制定的x p d l 标准表现 为一种流程定义的格式，它是一个围绕b p m 建模、仿真、运行和管理整个生命周期所建立 的模型。它可以表述流程定义的绘制。x p d l 的节点元素具有x 坐标和大小，x p d l 具 有连接弧的概念，可对连接弧的转移给予具体的条件设置。节点和连线指定了执行方面的具 体信息，比如角色、活动描述、实现、调用等。x p d l 可保证流程定义在两个设计t 具之 间进行交换，并保证流程执行语义的一致性。另外，d a m l 本身也是一种本体描述语言， 因此就b p e l 和d a m l 来说，两者也存在一定的差别。 本文在分析比较上述三种模型的基础上提出了一种基于u m a r k e t w o r k f l o w 本体构建工 作流模型的_ t 作流管理系统，他的主要应用背景是笔者实验室所开发的电子商务应用项目： u m a r k e t 。与x p d l 相比，u m a r k e t w o r k f l o w 本体使用了s e q u e n c e 、i f e l s e 等控制结构米描述 不同的子流程之间的结构关系，从而复合成更加复杂的流程，而x p d l 没有这些元素，x p d l 使用连接弧的转移表达节点的先后执行顺序。与b p e l 相比，u m a r k e t w o r k f l o w 本体具有应 用程序a p p l i c a t i o n 的概念( 主要指调用程序完成流程控制