基于Petri網(wǎng)的工作流管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

摘要：工作流管理技術(shù)是一種過程建模和過程管理的核心技術(shù)，它可以應(yīng)用在很多業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)中。本文介紹了工作流的概念、建模方法、模型驗證方法和Bossa開源引擎，描述工作流管理系統(tǒng)從建模到實現(xiàn)的具體方法。

關(guān)鍵詞：工作流；Petri網(wǎng)；工作流模型；Bossa

1 引言

傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)多以數(shù)據(jù)處理為中心，通過提高個人效率來高效地完成任務(wù)。而對于需要多人或多部門協(xié)作完成的工作缺乏過程控制。工作流正是通過提高集體協(xié)作效率來加速完成具體工作。它以業(yè)務(wù)過程為中心，對過程進行密切監(jiān)控，不僅僅對過程中的單個活動提供支持，而且對活動之間的關(guān)系也提供自動或半自動的支持。采用工作流技術(shù)，可以把業(yè)務(wù)活動中按照功能配置的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成按照要實現(xiàn)的工作流程來配置組織結(jié)構(gòu)，這樣可以大大提高工作效率。

2 基于Petri網(wǎng)的工作流建模方法

Petri網(wǎng)是一種圖形化、數(shù)學(xué)化的建模工具。Petri網(wǎng)自上世紀六十年代由德國學(xué)者C.A.Petri提出以來，經(jīng)過了四十余年的發(fā)展，已被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域進行系統(tǒng)建模、分析和控制。

Petri網(wǎng)特別適合描述和研究具有并行、異步、分布式和隨機性等特征的復(fù)雜系統(tǒng)。作為一種圖形化工具，Petri網(wǎng)可以看作和流程圖一樣進行系統(tǒng)描述的工具；而作為一種數(shù)學(xué)化的工具，Petri網(wǎng)可以用來建立狀態(tài)方程、代數(shù)方程和其他描述系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型，用于對系統(tǒng)的可靠性、一致性、完整性等進行分析。

工作流網(wǎng)是在Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出的，可以說是Petri網(wǎng)的一種應(yīng)用，其定義如下：

一個Petri網(wǎng)PN=（P，T，F(xiàn)）被稱為工作流網(wǎng)，當且僅當它滿足下面兩個條件——

（1）PN有兩個特殊的庫所：i和o。庫所i是一個起始庫所，即·i=φ；庫所o是一個終止庫所，即o=φ。

（2）如果在PN中加入一個新的變遷t*，使t*連接庫所i與o，即t*={o}，t*={i}，這時得到的PN是強連接的。

注：工作流網(wǎng)PN=（P，T，F(xiàn)）中，P是庫所的集合，T是變遷（活動）的集合，F(xiàn)表示庫所到變遷或變遷到庫所弧的集合。

在利用Petri網(wǎng)建立工作流模型中，我們常常會用到一些基本結(jié)構(gòu)，它們分別是串行（順序）、并行、條件選擇、循環(huán)、通訊、資源共享等結(jié)構(gòu)模型，下圖圓表示庫所、矩形表示變遷，而黑色圓點為托肯。

工作流網(wǎng)組件的分析中看出一個變遷觸發(fā)的前提是變遷的直接前驅(qū)庫所存在托肯，然而變遷的真正執(zhí)行除了這種前提條件之外，還需要具備相應(yīng)的觸發(fā)機制。它是使?jié)M足執(zhí)行前提的變遷真正進入執(zhí)行狀態(tài)的外部條件，而這種用于觸發(fā)活動執(zhí)行的外部條件可分成四種，分別是自動觸發(fā)、人工觸發(fā)、消息觸發(fā)和時間觸發(fā)。在建模中具有這四種觸發(fā)條件的活動圖形表示如圖。

3 工作流模型驗證

應(yīng)用Petri網(wǎng)的分析技術(shù)對工作流模型進行驗證的目的是在過程設(shè)計中檢驗工作流的正確性，避免執(zhí)行時出現(xiàn)異常，過程異常包括死鎖、死任務(wù)和活鎖等。工作流建模是開發(fā)工作流管理系統(tǒng)的先行任務(wù)，所以在工作流投入使用之前就要進行很好的分析驗證。如果一個工作流過程定義模型在其正確性、合理性沒有得到充分驗證時就投入使用，在工作流管理系統(tǒng)運行后再去進行修改，代價將遠遠高于前期的修改。因此在工作流模型實際實施之前，對其進行合理性分析，探索其中可能存在的各種過程異常，可以大大降低工作流運行時停產(chǎn)、檢查和修復(fù)的成本，具有重大的意義。

工作流網(wǎng)的合理性定義是：

一個工作流網(wǎng)PN=（P，T，F(xiàn)）建模的過程是合理的，當且僅當滿足下面的三個條件——

（1）對于每一個狀態(tài)i可達的狀態(tài)M，存在一個實施序列，從狀態(tài)M肘通往狀態(tài)o，形式化表示為： ;

（2）狀態(tài)o是從狀態(tài)i可達的唯一最終狀態(tài)，且結(jié)束時其中至少會有一個標記，形式化表示為： ;

（3）在（PN，i）中沒有死變遷（不可能執(zhí)行到的變遷），形式化表示為：，。

其中條件一是規(guī)定了從初始庫所總能到達終止庫所；第二個條件規(guī)定了當托肯轉(zhuǎn)移到終止庫所時，其他所有庫所都要是空的，也就意味這整個工作流的結(jié)束；第三個條件是規(guī)定不能有死變遷，即所有的變遷都能得到執(zhí)行。

在研究分析各種文獻的工作流網(wǎng)的合理性驗證理論和方法的基礎(chǔ)上，對原有的算法進行綜合改編，使算法更容易理解，總結(jié)出合理性算法的基本思路和驗證步驟。

算法的基本思路是：根據(jù)工作流網(wǎng)模型建立矩陣，用矩陣表示每個變遷的前后順序；根據(jù)模型表示出每個變遷的前后庫所，用來確定托肯轉(zhuǎn)移時的向量表示規(guī)則；從初始庫所出發(fā)，根據(jù)變遷的前后庫所和矩陣判斷后續(xù)觸發(fā)的活動，并重復(fù)此工作，直到?jīng)]有變遷可以發(fā)生；如果終狀態(tài)是形如（0，0，…，1）的終止狀態(tài)（此時托肯存放在最后一個庫所，其余所有庫所中都沒有托肯存在），并且所有的變遷都觸發(fā)過，托肯也經(jīng)歷了所有的庫所，這時可以說改模型是合理的、正確的，否則模型中就存在錯誤。

在算法中要描述出狀態(tài)從（1，0，0，…）到狀態(tài)（0，0，…，1）的推算過程，并且要用另一個集合表示所執(zhí)行的活動，最終檢查是否合理的依據(jù)就是a）狀態(tài)向量是否變成（0，0，…，1）；b）表示變遷的集合是否包含所有的活動。算法的具體描述為：

（1）用矩陣表示各個變遷之間的前后順序，方法如下：

（2）根據(jù)矩陣構(gòu)造各個變遷的輸入庫所集合和輸出庫所集合，用t表示變遷t的輸入庫所集合，用t表示變遷t的輸出庫所集合。構(gòu)造方法是，矩陣t列中所有為1的元素的行號的前驅(qū)庫所即t的輸出庫所集合；t行中所有為1的元素的列標的前驅(qū)庫所即t的輸入庫所集合；沒有前驅(qū)變遷的變遷的輸入庫所集合為起始庫所i，沒有后續(xù)變遷的變遷的輸出庫所集合為終止庫所o。

（3）構(gòu)造初始條件，初始條件有一個向量和一個集合，向量P0=（1，0，0，…），具體向量的維數(shù)是庫所的個數(shù)，表示托肯在第一個庫所內(nèi)；集合T0為空，表示沒有執(zhí)行任何變遷。

（4）根據(jù)變遷t的輸入庫所集合t和輸出庫所集合t，更改向量P，并把活動t添加到集合T中，并根據(jù)矩陣判斷下一個活動。

（5）反復(fù)進行執(zhí)行步驟（4），直到?jīng)]有變遷可以執(zhí)行且執(zhí)行一遍所有活動。

通過矩陣列舉出活動序列，說明所有的活動都處于起始庫所和終止庫所之間，滿足了合理性條件一；由于在列舉活動序列時，序列中包含了所有活動，說明沒有活動是死活動，滿足了合理性條件三；演算的結(jié)果中向量P={0，0，0，0，0，0，0，0，0，1}，證明在工作流結(jié)束時，托肯只存在于終止庫所中，其他所有的庫所中均不存在托肯，滿足了合理性條件二。通過以上演算，可以證明模型能否滿足合理性定義中的三個條件，若能夠滿足條件，可以得出結(jié)論，工作流模型是正確、合理的。

4 工作流管理系統(tǒng)開發(fā)

Bigbross Bossa是一種速度非常快、輕量級的工作流引擎，使用簡單，能方便和Java應(yīng)用集成。Bossa提供了強大的類庫，能實現(xiàn)工作流系統(tǒng)所要求的各種功能。之所以選擇Bossa，主要是因為它具有以下特點：

（1）Bossa本身是通過java開發(fā)，可以很方便的和java應(yīng)用集成。筆者開發(fā)的工作流系統(tǒng)是通過java技術(shù)實現(xiàn)的，所以在選擇工作流引擎時要充分考慮引擎本身是否由java語言開發(fā)的。

（2）Bossa是開源的，對于在Bossa上定義的類，可以看到其源代碼，并可以根據(jù)需要對其進行修改。

（3）Bossa是各種工作流引擎中為數(shù)不多的采用Petri網(wǎng)來定義工作流的引擎之一。由于在建模時采用了Petri網(wǎng)，所以要選擇能完全支持用Petri網(wǎng)定義的工作流模型的引擎。

（4）Bossa本身不是一個成熟的系統(tǒng)，它定義了各種供用戶使用的類，用戶可以在開發(fā)系統(tǒng)過程中引用這些類，在通過調(diào)用類的方法來實現(xiàn)對工作流的定義和操作。所以基于Bossa的二次開發(fā)算不上是對Bossa的改裝，而是在自己的系統(tǒng)中引用Bossa，這樣就有很大的自主性。

Bossa工作流引擎的基本使用方法如下：

（1）建立一個Bossa引擎

方法一：建立一個默認的Bossa工作流引擎

Bossa bossa = BossaFactory.defaultBossa();

方法二：建立一個特定的Bossa工作流引擎

BossaFactory factory = new BossaFactory();

factory.setStateDir(\"/var/lib/bossa\");

Bossa bossa = factory.createBossa();

其中/var/lib/bossa是引擎狀態(tài)的保存位置。

（2）對工作流模型進行描述

CaseType caseType = new CaseType (\"TestCaseType\");

//以上語句是聲明一個工作流模型

Place palceName = caseType.registerPlace(\"A\"， 1);

//以上語句是在模型中聲明庫所，第二個參數(shù)表示托肯是否存在于庫所中。

Transition a = caseType.registerTransition(\"a\"， \"requesters\");

//以上語句是聲明了變遷a，兩個參數(shù)分別定義了它的名稱和說明。

a.input(A，\"1\");

a.output(B，\"1\");

//定義了變遷a和庫所的關(guān)系，通過變遷的input（）方法定義前驅(qū)庫所，變遷的output（）定義活動的后繼庫所，并在選擇結(jié)構(gòu)中定義條件，根據(jù)條件決定把托肯送入哪個庫所。

HashMap attributes = new HashMap();

attributes.put(\"SOK\"， new Boolean(1));

attributes.put(\"DIR\"， new Boolean(1));

attributes.put(\"ADIR\"， \"\");

attributes.put(\"OK\"， new Boolean(1));

//對條件進行初始化

caseType.buildTemplate(attributes);

//建立此模型

通過對模型的描述，不難看出，Bossa正是一種基于Petri網(wǎng)的工作流引擎，它對工作流模型的和描述和Petri網(wǎng)的理論是非常吻合的，正是Bossa引擎的存在，才使基于Petri網(wǎng)的工作流模型真正的得以應(yīng)用和實現(xiàn)。

（3）對模型進行注冊

CaseTypeManager caseTypeManager = bossa.getCaseTypeManager();

caseTypeManager.registerCaseType(caseType);

第二個語句中的參數(shù)就是聲明的工作流模型

（4）工作的開始和結(jié)束

Activity activity = workItem.open(resource);//開始執(zhí)行

activity.cancel();//執(zhí)行完畢

5 結(jié)語

本文從工作流的概念開發(fā)，介紹了利用Petri網(wǎng)對工作流進行建模和對模型進行分析和驗證的方法，并介紹了如何通過Bossa引擎實現(xiàn)工作流系統(tǒng)。由于工作流技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，該方法可以用于各種工作流系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)。

參考文獻

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