敏捷工作流模式研究及應用

鄭云翔，鄭天翔

（1.華南師范大學教育 信息技術學院，廣東 廣州 510631；2.暨南大學 深圳旅游學院，廣東 深圳 518053）

工作流是由計算機支持或自動處理的全部或者部分業務過程，其中，文檔、信息或任務根據一系列程序規則在不同的參與者之間傳遞與執行[1]。工作流模型是對業務過程的抽象表示，其最大的優點是將業務邏輯和過程邏輯分離開來，因此可以在不修改具體功能實現的情況下，通過修改過程模型來改變系統功能，完成對生產經營部分過程或全部過程的集成管理，有效地把人、信息和應用工具合理地組織在一起。在工作流參考模型中，工作流引擎是工作流管理系統的核心，它為工作流實例提供運行時的執行環境。從技術角度來說，對工作流引擎的設計是工作流建模技術的關鍵。當前，對工作流建模的研究取得了很多研究成果，因此出現了不少工作流產品，這些產品主要以通信、文檔或過程為中心[2]。隨著企業對工作流技術的需求日益增加，未來產品的規模和功能趨向于大型化、復雜化發展，在不同程度上集成了各種外部開發工具。但是，具有工作流特征的應用形態千變萬化，很難在工作流系統中對不同的應用（包括應用數據）進行統一地表示，利用這種所謂靈活的工作流系統開發出來的應用系統在實際運作過程中反而表現不靈活[3]。另外，應用系統的可靠性、可擴展性、實用性等方面也不能完全滿足企業實際應用的需求。本文在工作流管理聯盟所提出的工作流規范上進行了剪裁，提出了一個基于有限狀態機和元層次軟件結構的工作流模型，由于其敏捷[4]、快速、有效、靈活、簡單和適應變化的特性，稱之為敏捷工作流模型（AWM）。AWM表示了一個特定環境所采取的解決方案，因此它可以抽象成為一種敏捷工作流模式（AWP）。

工作流模式（Workflow Pattern）是近年來許多組織、機構、學者研究的熱點，其中一些主要的研究成果如下：工作流模式是在一個指定的非任意的上下文中不斷重現的具體形式的抽象[5]。從該文所討論的內容可知，他們的模式應稱為工作流業務過程流程模式更為合適。文獻[6]對工作流模式又有不同的定義，Meszaros等學者將工作流模式分為三個主要部分：需求、結構和實現。本文稱這種模式為工作流綜合模式。Lee等學者提出一種分布式工作流模式的具體細節[7]。顯然，單個模式不能完成一個完整的軟件體系結構的詳細構造——它僅僅用于設計應用程序的某個方面。為了達到軟件體系結構的需求，需要一套豐富的涵蓋各個設計面的模式，并且在適當的時候結合運用各個層次的不同模式來滿足設計開發的需求。本文所討論的敏捷工作流模式正是一個模式系統，對應的是文獻[6]中的結構和實現部分的軟件系統方面，是快速構造柔性工作流系統的基線。

1 敏捷工作流模式

1.1 體系結構模式

采用自適應的軟件結構——元層次體系結構模式，該體系結構為動態改變軟件系統的結構和行為提供了一種對用戶透明的機制。在這種模式中，應用程序可分成兩部分：一個元層次提供所選系統屬性的相關信息并使軟件含自描述信息；一個基本層次包括應用程序邏輯。它的實現建立在元層次之上，改變保存在元層次上的信息會影響其后的基本層次的行為。因而該模式為系統的柔性和功能演變提供了一種實現的途徑。

工作流的元層次軟件體系結構（BL，ML，MOP），其中：BL由構件所組成，稱為基本層次集，該層次模擬并實現了應用程序邏輯，其包含的構件表示了系統提供的服務以及下面的數據模型。ML由一組元對象所組成，稱為元層次集，它提供了一個軟件的自表示并且給出軟件的自身結構和行為的知識。元對象的知識來源于以下3點：1）系統運行期間提供的；2）根據用戶定義的模型；3）運行期間基本層次檢索到的。其中描述系統靜態信息的元對象集稱為結構元對象集，描述系統整體策略的元對象集稱為行為元對象集。MOP是元對象協議，作為元層次的外部接口，并使系統的實現以一種已定義的方式來獲得，其為描述對元層次的變更提供一個接口，執行已描述的變更。MOP被設計成一組獨立的構件，這些構件稱為元層次體系結構的解析器（MI）。于是得出敏捷工作流的體系結構，如圖1所示。

1.2 模型描述模式

文獻[8]提出一種基于知識的工作流系統模型，并使用框架來作為模型的描述形式。這種方法將工作流視為一組基于知識表示模式的業務規則集，通過激活相應的規則來實現工作流的控制。文獻[9]提出一種基于“事件化狀態遷移圖”（SNE）的工作流模型，并以數據項集合來描述工作流模型的知識，體現了以數據流動為核心的工作流思想。本文采用有限狀態機理論描述工作流模型，并參照文獻[3]把工作流引擎的結構分成3個部分，分別是組織機構模型、信息模型和過程控制模型，其中前兩者合稱工作流引擎的數據模型。

1.2.1 數據模型

圖2給出了敏捷工作流引擎數據模型結構圖，其中信息模型由狀態機的主要元素刻畫，具體地說：1）FSM是描述有限狀態機的類；2）State是描述有限狀態機狀態的類；3）Transition是描述有限狀態機轉換的類；4）Action描述有限狀態機的動作；5）Parameter是描述有限狀態機動作的參數的類；6）Guard是描述有限狀態機狀態轉換的監護條件；7）Event是描述觸發轉換的事件的類。組織機構模型由以下元素刻畫：1）Department、Team是描述組織機構模型中的部門和團隊信息的類；2）User是描述人員（用戶）個體信息的類；3）Role是描述角色的類，可以進行權限控制，這擴展了工作流系統進行任務指派、權限分配的能力。

1.2.2 過程控制模型

過程控制模型將信息模型和組織機構模型有機地結合起來，負責完成工作流實例的流轉、控制和協調。它基于有限狀態機理論，是對完整狀態機模型的剪裁，并參考了工作流管理聯盟給出的通用框架（參考模型）。在狀態機的向前推進過程中，引擎接收從外部接口發送過來的請求，負責相關規則依賴的檢查，根據狀態圖進行狀態推導，維護各種控制數據，處理任務的指派和調度，并根據需要調用各種應用程序接口與用戶、事件處理模塊等交互。在實際應用中，可以動態地創建多個工作流引擎（工作流機），并發地執行不同的工作流實例。模型需要提供相關機制（如特殊的協議、信息轉換格式、WAPI網關等）來同步工作流引擎的操作、過程交換和活動控制信息，在引擎之間傳遞相關數據等。因此，過程控制模型是描述模式的核心部分，可以看作通用模型中的工作流執行服務器[10]。

使用有限狀態機作為模型的描述模式，其好處是顯然的：1）有限狀態機的執行過程是業務流程的抽象，它用一種形式化方法較精確的描述了軟件系統的業務邏輯，即可工程化部分，把數據和程序、說明性邏輯和過程性邏輯分離；2）狀態機用于對系統的動態方面建模，以狀態機為工作流的核心部件，使得具體業務邏輯可以以組件的形式被調度，其調度策略可以顯式的進行配置，其效果是，業務邏輯具有“plug and play”（即插即用）的特征。因此這種描述形式可以實現業務流程的可配置，從而提高工作流模型描述能力和柔性；3）狀態推導引擎既可作為動作引擎中間件，也可作為用戶界面智能導航、流程控制中間件。

1.3 模型表示模式

本文提出的敏捷工作流引擎使用有限狀態機進行描述，對有限狀態機的表示模式的研究，大致經歷了以下幾個階段[11]：1）用鄰接矩陣來描述，并以此完成了一個電話呼叫中心的項目。雖然鄰接矩陣用高級語言編寫比較方便，但這種方法描述的狀態機不直觀、難以閱讀，而且擴展性差；2）用邏輯更新語言來描述，但這種方法的描述能力和推導能力有限；3）用可擴展標記語言XML來描述，即本文提出的表示模式。這種表示模式最大的好處就是統一了描述語言，同時具有可擴展性。使得各種不同的軟件之間可以方便進行數據讀取和數據交換，大大提高了各種軟件之間的無縫集成。

1.4 模型解析模式

元層次和基本層次之間主要考慮了兩方面的映像，結構映像和行為映像。這兩種映像都通過元解析器 （Meta Interpreter）實現由結構元對象和行為元對象到基對象的映射。由圖3可見，為了操縱系統的信息（結構信息和行為信息），系統的元實體僅需要與元解析器進行交互，同時，元實體通過元解析器獲取基本層次的結構、狀態和行為。

在系統運行時，元解析器作為事件的調配者（Event Dispatcher），根據系統的結構信息和行為信息觸發構件連接器的交互事件，構件連接器響應交換事件并遞歸的觸發構件對應的構件端口事件從而使構件相互協作完成系統的業務邏輯。同時，為了實現這種透明的元層次到基本層次的映像，元解析器根據元對象所提供的系統抽象信息進行解析，利用元程序設計方法動態地在構件中織入代碼的同時生成相應的構件連接器，實現構件之間交互和協作。

結構元對象通過元解析器具體化系統的結構，而不直接與系統的組件和連接器發生交互。同時結構元實體通過元解析器隨時了解系統結構信息的變化。此時，元解析器完成3個工作：1）創建新的類型和實體；2）根據現有類型創造實體；3）析構實體。分別定義如下：Define{Component|Connector}，Instantiate {Component|Connector}，Destroy {Component|Connector|Attachment}。

系統的行為元對象同時與元解析器進行交互，其目的是在觀察系統行為的同時對系統的行為進行必要的修改。具體化系統行為必須完成2個方面：1）獲得有限狀態機的知識；2）通過元解析器獲取系統狀態。元對象具有規則的知識并可以通過元解析器的getstate原語（或類似的機制）實現。例如：當規則觸發，但其后置條件沒滿足 （某構件沒滿足某種條件），通過元對象協議可以獲得這種信息反饋給行為元實體。而行為元對象選擇適當的策略。由于系統的行為由有限狀態機模型所指導，因此修改系統的行為意味修改系統的有限狀態機模型。同時有限狀態機的轉換描述為規則觸發后的狀態遷移，修改系統的行為意味要修改這些描述信息。定義了以下的操作原語：1）Config：根據有限狀態機配置策略；2）ConfigFSMStates：實例化和初始化具體的狀態集合；3）ConfigFSMTransitions：實例化和初始化具體的轉換集合；4）ConfigFSMState：實例化和初始化具體的某個狀態；5）ConfigTransition：實例化和初始化具體的某個轉換。

2 應用實例

本文所討論的敏捷工作流模式在廣東省長途電信資源管理系統（二期）的軟件開發實踐中得到了應用。這是一個資源調度子系統，作為廣東省長途資源管理系統的一個組成部分，其基本流程主要包括3個：電路調度流程，資源確認流程和割接調度流程。通過引入狀態機建模，克服了原有系統（一期）工作流程固定不可配置的缺點，并且與集團公司原有的調度系統無縫連接，形成完整的閉環流程。

應用效果：1）大大提高系統的柔性和適應性：企業實際業務流程并非固定不變，可能需要增加、刪除或調整某項任務。傳統的工程方法是“非預見性的”，很難適應這種變化。本文提出的敏捷工作流模型基于有限狀態機理論和自適應的軟件結構，因此能允許改變自身來適應變化，具有較強的適應性和靈活性；2）軟件結構的分層更合理，軟件對象的分解更徹底：基于元層次的體系結構，系統的表示層和業務邏輯層、業務邏輯和過程邏輯分離，通過狀態推導引擎聯系。這種體系結構有效地分離了業務對象狀態的描述性知識和狀態動作的過程性知識；3）大大增強系統模型的表達能力：工作流模型基于模式理論，采用了XML的知識表示方法，并通過建立元層次的體系結構，使得模型對企業的業務流程定義、用戶視圖定制、機構人員管理等能夠進行更好的描述。

3 總結和展望

敏捷工作流模式的研究和應用取得了預期的效果，應用實例表明，有了敏捷工作流模式的支持，該項目整個開發過程有機的分為用戶界面設計、業務邏輯設計和系統配置等幾部分，提高了軟件開發的效率，使軟件體系結構更為清晰，模塊之間的耦合度低且具有模塊連續性，達到敏捷開發的目的。基于此工作流模式可以快速構造出具有工作流特征的大型信息系統。

還需要進一步研究和完善這一模型，其中包括：加強狀態機模型的推理能力，引入斷言機制和推理規則庫；工作流的運行是一個反復迭代、不斷尋優的過程，引入協調、反饋機制有利于增強工作流的適應能力。

[1]Workflow Management Coalition.Workflow management coalition:Terminology&Glossary[R].WFMC TC00-1011.Winchester:Workflow Management Coalition，1999.

[2]范玉順，吳澄.工作流管理技術研究與產品現狀及發展趨勢 [J].計算機集成制造系統，2000，6（1）:1-7.

FAN Yu-shun，WU Cheng.Current state and development trends of workflow management research and products[J].Computer Integrated Manufacturing Systems，2000，6（1）；1-7.

[3]何清法，李國杰，焦麗梅，等.基于關系結構的輕量級工作流引擎[J].計算機研究與發展，2001，38（2）:129-137.

HE Qing-fa，LI Guo-jie，JIAO Li-mei，et al.Relation based lightweight workflow engine[J].Journal of Computer Research and Development，2001，38（2）:129-137.

[4]Constantine L L.Process agility and software usability:Toward lightweight usage-centered design[R].Sydney:University of Technology，2001.

[5]AALST W M P V D，HOFSTEDE A H M T，KIEPUSZEWSKI B，et al.Workflow patterns [J].Distributed and Parallel Databases，2003，14（1）:5-51.

[6]Meszaros G，Brown K.A Pattern Language for Workflow Systems[R].USA:Washington University，1997.

[7]Lee S I，Han D，Lee D.A pattern for managing distributed workflows[R].USA:Washington University，2000.

[8]舒斌，殷國富，戈鵬，等.面向敏捷企業的工作流系統建模方法 [J].計算機集成制造系統，2002，8（2）:105-110.

SHU Bin，YIN Guo-fu，GE Peng，et al.Method of workflow system modeling for agile enterprise[J].Computer Integrated Manufacturing Systems，2002，8（2）:105-110.

[9]鄧達強，胡健，呂昱.一種新的工作流模型及其在產品開發過程中的應用[J].系統仿真學報，2001，13（4）:426-429.

DENG Da-qiang，HU Jian，LU Yu.A new model of workflow and its application in the process of product development[J].Acta Simulata Systematica Sinica，2001，13（4）:426-429.

[10]Workflow Management Coalition.Workflow reference model[S].WFMC TC00-1003.Winchester:Workflow Management Coalition，1994.

[11]黃倚霄.基于狀態推導引擎的柔性工作流管理系統模型、模式的研究和應用[D].廣州：中山大學，2003.