论文研究-基于高级对象Petri网的工作流过程建模研究.pdf

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论文研究-基于高级对象Petri网的工作流过程建模研究.pdf,  通过对当前工作流过程建模方法的总结,提出这些方法的不足之处,展望了过程建模的发展动向.在基本的有色 Petri 网系统定义的基础上,引入面向对象技术和时间映射机制,提出了一种基于高级对象Petri 网的建模方法,以提高模型的可重用性,加强对动态流程的描述能力,降低建模过程的复杂度,解决临界资源的共享问题.通过一个具体实例阐述
系统工程理论与实践 2005年3月 为有向网,称为∑的基网 为颜色集D之幂集合,使得:对∈,是库所上所有可能的托 肯(资源类)之集合.对∈ 是库所上所有可能的出现色之集合 3)和+分别是×上的负函数和正函数,使得对所有 ∈×: 的充分必要条件是 =的充分必要条件是 称为Σ的初始标识,它必须满足条件∨∈ 是的托肯 色集合上的多重集 3高级对象 Petr i网HoPN)模型 较之经典 Petri网,有色 Petri网描述能力更强些,但也存在些缺陷:当经营环境更为复杂,分布性、 异构性和自治性的特征日益明显(HAD时,对系统动态特征的描述不够;系统可重用和继承功能不强;不 能描述系统中并发的多个流程共享临界资源的过程;对于时间机制的描述不够等缺陷.针对这些缺陷,将 面向对象技术、分层机制、时间映射数等功能引入有色 Petri网中,即为高级对象网(HOPN),可以弥补 和改善这些缺憾 定义2 ,其中: 1)对象网系统 其中: 为与物理库所相对应的对象库所,且有 对象库所中的一系列状态库所; 对象库所中的一系列输入消息库所 对象库所中的一系列输出消息库所; ¢ :在对象中的活动库所; 和 ⅹ→>是在对象库所处的一个输入(输出)函数 2)活动转移= 其中: 为与有色托肖有关的活动变迁,且= ∩=②,为与有色托肯相关的传 统意义上的普通变迁;为具有层次意义的抽象库所,有 为一系列的活动变 迁,为状态库所, →为每个活动变迁的输入输出函数 3)对象托肯着色函数 为对象拥有的颜色托肯集合;变迁着色函数为变迁拥有的颜 色托肯集合 4)连接从对象到拥有颜色托肯变迁之间的弧的转移函数 连接从拥有颜色托肯变迁到对象之间的弧的转移函数 ∪ 5)时间映射函数= ,其中 为正实数,为库所或变迁的静态触发时间,为变迁的触发等待时间,即变迁准备触发到 变迁触发的时间,其值为相对值,即相对于变迁准备触发时间点 6) 模型的初始状态标志. 4基于高级对象 Petr i网工作流过程建模 工作流模型的建立通常包括:1)需求分析;2)建立与经营过程中的单个物理对象相对应的对象 Petrⅰ网模型;3)建立系统的对象 Petri阏模型;4)建立基于高级对象 Petri內的工作流模型,并给予 活性分析,对不合理处进行模型调整,直至满足活性条件. 4.1工作流模型的建立 1.1.1工作流需求分析 以制造企业中产品方案处理流程为例,说明高级对象网模型的建立过程.产品方案处理包括两条流 程、六个功能独立的单元,流程一是:产品信息处理类产生新产品需求方案,并将需求传给新产品研发部, 研发部接到浙产品请求处理信息,产生方案组成立需求,并送至人员配备类,该类接到信息,根据当前可 第3期 基于高级对象 Petri网的工作流过程建模研究 89 用人员,进行人员配备,将配备信息返给新产品方案处理部门,处埋部门进行方案的处理,处理完毕后,将 处理信息送到人员配备类,该类进行方案组的撤销,撤销完毕后,新产品研发部将研发方案送给生产厂长 进行审批,生产部接到审批信息后进行生产安排,同时将审批完毕信息及生产安排的计划回送到产品信 息处理部;第条流程为:产品信息处理类产生旧产品改造信息,该信息送至旧产品改造研发部,旧产品 改造研发部请求人员的配备,人员配备部根据当前可用人员成立研发方案组,当前方案组进行产品改 造方案的制订,完毕后等候人员配各类撤销该方案组,并将方案送给生产厂长进行批示,批示完毕后将信 息送至生产部,生产部根据计划安排生产,并将牢批完毕的方案回存至产品信息库.这两个流程中,只要 有一个部门审核不通过,则该方案将出现异常,并将异常信息回存至信息库 4.1.2单个对象子网模型的建六 上面的分析中知道,该模型涉及到六个物理对象:倍息处理对象、新广品研发部、旧产品改造研发部、 人员调度、生产厂长和生产部,与之相对的子网系统,也有六个 1)产品信息管理类子网OP1):产品信息有一种状态,即信息处理态,当产品方案需要其它部门牢批 时,将方案出库,转向审批部门;当信息请求存档时,审批完毕的方案将存档入库. 2)新产品研发部处理类子网(OP2):新产品研发部有5种状态:等待态、研发人员请求安排态、产品 实施方案处理态、当前研发人员请求撤销态和新产品研发部空闲态. 3)旧产品改造研发部处理类子网(P3):旧产品改造研发部有5种状态:等待态、方案组请求成立 态、产品实施方案处理态、当前方案组请求撤销态和新产品硏发部空闲态. 4)人员调度类子网(OP4):该类的状态有4种:调度机制空闲态、调度机制等待态、方案组成立态和 方案组撤销态 5)生产厂长处理类子网OP5):该类有3种状态:等待态、空闲态和审批态 6)生产部处理类子网(O6):该类有3种状态:等待态、空闲态和生产安排态 41.3对象网模型的建立 结合需求分析和对象子网的功能要求,建立如图1所示的对象网模型 1)产品信息管理类子网(OP1).sp1:产品信息处理;it1l:产品方案审批请求存档;it12:产品方案审 批请求审批;im11:产品方案等候存;om11:产品方案准备接受处理 2)新产品研发部处理类子网(OP2).sp21:当前新产品方案正在等待;sp22:新产品研发部空闲;sp23: 正在等待方案组人员配备;sp24:详细新产品方案正在拟定;sp25等待方案人员被撤销;im21:新产品方 案请求审批;im22:方案组人员备信息;im23:撤销完毕;on21:新产品研发部请求人员配备;on22:产品 方案拟定成功,等候方案组撤销;om23:完整的新产品方案;it21:新产蕌方案开始等待;tt21:新产品方案 组开始拟人员配备请求;tt22:新产品方案组开始发人员配胬请求:tt23:开始拟定详细新产品技术文 档;tt24:详细新产品方案拟定成功;tt25:开始整理新产品文档;tt26:完整的方案准备转发 3)旧产品研发部处理类子网(0P3)该处理的变迁和库所描述与新产品类基本相同,只是处理对象 不同,该类处理的是旧产品方案 4)人员调配类(P4).sp41:调配机制空闲;sp42:等候调配机制进行人员配备;sp43:正在进行方案 组配备;spA:正在等侯当前方案组撤销:sp15:正在撤销方案组配备;im11:人员配备请求;im2:人员撤 销请求;om41:方案组人员配备信息;om42:人员撤销完毕信息 5)生产厂长处理类子网(OP5).sp51:空闲;sp52:产品方案正在等侯处理;sp53:正在审批产品方案 im51:产品方案请求生产厂长审批;om51:产品方案经生产厂长审批完毕 6)生产部处理类子网(0P6).sp61:空闲;sp62:生产部正在对产品方案进行生产排队;sp63:产品方 案等候处理;im61:产品方案请求生产部处理;om61:产品方案经生产部处理完毕. 4.2高级对象模型的建立 图1中的模型,有两个流程路径,一条路径为:从产品信息库中提取新产品方案一新产品硏发部接收 方案,并发出方案组戊立请求一人员配备给予方案组成立计划一新产品研发部根据人员配备计划组织人 员进行具体研发方案拟定一人员配各机制给予方案组撤销一新产品硏发部门整理方案,并转发一生产厂 长牢批新产品方案,并给出生产安排一生产部将新产品方案存档、安排新产品生产,并将最终审批结果返 回至客户产品信息库一产品信息库存档.第二个流程:从产品信息库中抽取旧产品方案一旧产品研发部 90 系统工程理论与实践 2005年3月 ttol 0P1 Gb it41 CP3 it3⊥ 对象状态库所消息库所及时变迁加时变迂抽象变迁瓜活动变迂 图1产品信恳对象 Petri网模型 接收方案,并发出方案组成立请求一人员配备给予方案组人员安排一旧产品研发部根据人员配备安排组 织人员进行具体研发方案拟定一人员配备机制给予方案组撤销一旧产品改造研发部门整理方案,并转发 生产厂长审批改造方案,并给出生产安排一生产部将旧产品方案存档、安排生产,并将最终审批结果返 回至客户产品信息库一产品信息库存档 42.1各对象和门的着色特性 当对象和门拥有‘定的颜色托肯和满足吋间约東杋匍,该对象或者门将要发生状态的变迁.根据两 类流程,给每个」过程分配只体的托肯和相关资源,使对象或」过程满足能正确的运转.下表为流程的资 源使用和托肯分配情況: 表1产品信息流程的资源使用和托肯分配情况 流程一(新产品方案 流程二(旧产品改造方案 子过程 颜色托肯资源分配 子过程 颜色托肯资源分配 请求处理 al 请求处埋 b1 新产品研发部等待方案组成立0m2旧产品研发部等待方案组成立B20m 方案组人员配备 OP4 方案组人员配备 拟定详细方案 a4 OP2 拟定详细方案 b4 OP3 方案组人员撤销 5 OP4 方案组人员撤销 b5 OP4 整坦方案,转发生产厂长 整理方案,转发生产厂长 OP3 生产厂长审批 7 OP2 生产厂长审批 b7 OP5 生产部安排生 OP6 生产部安排生产 OP6 审批方案存档 a9 OP⊥ 审批方案存档 OP⊥ 第3期 基于高级对象 Petri网的工作流过程建模研究 根据衣1关于了过程、颜色托肯和资源分配的情况,可以定义对象的托肯映射值: 42.2时间属性的分析 每一个状态库所和状态变近都有静态触发时间段,而变近的发生还有触发等待时问 这两 个时间应满足其定义的要求.为了反映只有不同优先级别的流程的运转状况,对于的设定尤为重要, 为防止系统岀现异常现象,即优先级别髙的流程得不到响应,或者优先级别低的流程无限等待等现象(系 统中不断有高优先级流程的流程在岀现,而当前流程由于优先级别低,而无法获取资源),因此,其值的设 定除满足定义外,还应满足:①优先级別高的流程,其值将小于优先级别低的流程,以使同时到达某 状态而请求相同资源时,优先缴别高的流程应优先被服务,②当系统中无其它流程时,值应被置为 0,即停止等待,立即触发 令流程的一次运转时间为,则 ∑ 其中 为库所或变迁的编号 4.2.3模型的建立 根据上面的分析,将对象网模型建设成为图2所示的高级对象 Petri网模型. 图2高级对象 Petri网模型 4.3活性分析 过程模型建立后,应通过定的机制来检测模型的可行性.(hun- Che huang提出了GLC算法, 用」检测对象 Petri网模型中流程的可达性和是否有死锁的存在,根据有色网的特点,在GLC的基础上, 得到活性分析算法(LA): 步骤1根据问题,初始设置.{ 设置初始状态标志一元数组和目标状态标志一元数组 令 定义每一个变迁的托肯集合,即 计算关联矩阵 其中: 92 系统工程理论与实践 2005年3月 如果有并行的LA转步骤3;否则,转步骤4 步骤2终止上个LAA 产生新的LA序号 根据使能变迁 将使能变迁号进站 stack 将使能变迁号置入数组Succ( 计算 · 如果 ,算法正常终止,返回k值 令 如果没有LAA在运行,转步骤3执行;否则转步骤4执行 步骤3如果该算法结束,则停止;香则,说明存在并行算法无法向前运行,出现死锁,需要调整模型, 并将标志变量复位 步骤4变迁i出栈 如果LA为并行状态,且变迁i存在或运算的其它变迁,则转步骤2执行;否则转步骤5执行 步骤5寻找变迁i的连接变迁j 如果j属于succ(i),则转至该步骤的开始处:否则:如果j可以被点火,即 则转至步骤6;不能点火则转至步骤 重复该步骤,直到没有更多的连接变迁被发现 转至步骤3 步骤6如果满足点火条件,即彐c 将使能变迁号进站 stack 将使能变迁号置入数组Succ(Q 计算 如果 算法正常终止,返回k佰 令 转至步骤5执行 否则,转至步骤4执行 步骤7如果j为与变迁,转步骤4;否则转3 为了说明活性分析算法①LAA),以图2中的模型为例,逐步分析该模型. 1)计算关联矩阵 而 第3期 基于高级对象 Petri网的工作流过程建模研究 93 2)求解模型状态标志变量 模型的初始标志和状态标志变量分别为: 由 得 94 系统工程理论与实践 2005年3月 3)从初态到终态的叫达分析 ) 第3期 基于高级对象 Petri网的工作流过程建模研究 通过上面的分析得知,从初态开始,经过22步变迁,可以到达目标态 5结束语 文中描述的高级对象 Petri网模型,不仅拥有经典 Petri网的特点,也拥有面向对象的可重用和可继 承的特点;通过设计时间映射函数,有效地控制了多个进程同时运行时出现的异常现象,解决了临界资源 共享的问题;利用有色令牌控制变迁的发生,较好地描述了模型的动态特性;通过设计活性分析算法,为 模型死锁的检测和调整提供了有效方法;对具体的工作流进行建模和分析,说眀了该建模方法较以前的 建模方法,描述系统的基本特性更容易些,描述动态特性的能力也更強些,很好地解决了临界资源共亨机 制设计问题 参考文献 [11 David Hollingsworth. The workflow refcrence modcl[RI. Document Number WFMC-TC-1003, Document Status- Issue 1.1.1995 L2」范玉顺.工作流管理技术基础LM」.北京:清华大学出版社.2001 [3]赵天奇,陈禹六.基于活动的工作流建模及其动态调度硏究[J.系统工程理论与实践,2002,22(3):10-15. 4]林肜,张载鸿,等.Ⅰ作流系统中过程模型的应用硏究[J].计算机应用,2002,22(6):13-18. L5」袁崇义. Petri网原理LM」.北京:电子工业出版社.1998 [6] P, van der Aalst, K M van Hee. Business process redesign: A petri-net-based approach[J]. Computers in Industry,1996,29:15-26 [7] W.M.P. Var der Aalst. Process-oriented architectures for electronic commerce and interorganizational workflow J]. Information Systems, 1999, 21(8): 639-671 [8]杜栓柱,谭建棠,等.一个基于ˆTwˉnet的扩展时间匚作流模型及其应用[冂].计算机硏究与发 展,2003,40(4):524530 [9]张鹏程,李人厚,等.模糊着色 Petri网及其在工作流建模中的应用[J].计算机辅助设计与图形学学 报,2002,14(8):713-716 [I0]曹化工,杨曼红.基丁对象 Petri恻的工作流过程定义[J.计算机辅助设计与图形学学报,2001,13(1):13-18 [11] Jang-Eui Hong, Doo-Hwan Bae. Incremental scenario modeling using hierarchical obiect-oriented petri nct[Jl. 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