地理空間約束的業(yè)務流程建模方法.pdf

軟件學報 ISSN 1000 9825 CODEN RUXUEW E mail jos Journal of Software 2015 26 3 584 599 doi 10 13328 ki jos 004772 中國科學院軟件研究所版權所有 Tel 86 10 62562563 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 朱鑫偉 1 朱國賓 1 Seppe VANDEN BROUCKE2 1 武漢大學 國際軟件學院 湖北 武漢 430079 2 Research Center for Management Informatics KU Leuven Leuven 3000 Belgium 通訊作者 朱國賓 E mail gbzhu 摘 要 明晰了受地理空間約束的業(yè)務流程的兩個基本概念 地理位置與地理空間信息 首先 提出了地理空間約 束思想 分析了地理空間約束的內涵 并在工作流元模型的知識基礎上構建了地理空間約束的 UML 語義框架 其次 以形式化的方式提出了地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 LAWF net 并描述了 LAWF net 模型轉化為 CPN 可執(zhí) 行模型的規(guī)則 探討了地理空間約束對流程建模的影響 最后 通過案例結合 GIS 系統(tǒng)來擴展 CPN Tools 不僅驗證了 LAWF net 建模方法的可行性 而且實現(xiàn)了地理空間約束的業(yè)務流程的可視化 關鍵詞 地理空間信息 業(yè)務流程建模 地理空間約束 LAWF net 中圖法分類號 TP311 中文引用格式 朱鑫偉 朱國賓 Vanden Broucke S 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 軟件學報 2015 26 3 584 599 英文引用格式 Zhu XW Zhu GB Vanden Broucke S Business process modeling with geospatial constraints Ruan Jian Xue Bao Journal of Software 2015 26 3 584 599 in Chinese Business Process Modeling with Geospatial Constraints ZHU Xin Wei1 ZHU Guo Bin1 Seppe VANDEN BROUCKE2 1 International School of Software Wuhan University Wuhan 430079 China 2 Research Center for Management Informatics KU Leuven Leuven 3000 Belgium Abstract This paper introduces a methodology towards enabling business process modeling with geographic and geospatial information First a comprehensive framework of geospatial constraints formulated as a UML based semantic model is proposed Next a business process modeling language LAWF net is designed to combine traditional control flow constructs with the aforementioned geospatial constraints To enable the execution of such models a mapping to Coloured Petri Nets CPN is formulated The proposed approach is implemented in the form of a CPN tool extension and a case study is presented to show that the new approach is feasible in practice and can be combined and integrated with existing GIS systems Key words geospatial information business process modeling geospatial constraint LAWF net 業(yè)務流程管理以流程為核心 增值為目的 是一種對流程生命周期進行有效分析 持續(xù)改進 控制和管理 的系統(tǒng)性結構化方法 受到了企業(yè)界 IT 界和學術界的廣泛重視 如何將地理空間信息引入到業(yè)務流程管理中 是研究的重要課題之一 地理空間信息引入到業(yè)務流程管理中并發(fā)揮積極作用 這對輔助實現(xiàn)流程自動化 流 程優(yōu)化和創(chuàng)造價值的意義不可忽視 一方面 傳統(tǒng)業(yè)務流程管理側重于最大范圍內實現(xiàn)業(yè)務流程的自動化或者部分自動化 研究和實踐的重心 在于任務 而非資源或者數(shù)據方面 地理位置信息在傳統(tǒng)的業(yè)務流程建模語言中只是任務的一個的靜態(tài)屬性 甚 至可能被忽略考慮 基金項目 國家科技支撐計劃 2012BAH01F02 收稿時間 2014 07 01 修改時間 2014 09 30 定稿時間 2014 11 21 朱鑫偉 等 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 585 比如在 BPMN 和 YAWL 中 地理位置信息以擴充屬性的形式存在 而在 BPMN 中 地理位置信息還可以通 過泳道 文本注釋或者數(shù)據傳遞的方式在業(yè)務流程模型直觀表達 在 ARIS 中 地理位置信息只是存在于 EPCs 的組織機構對象的屬性中 不管哪種業(yè)務流程建模方法 地理位置屬性都是以文本信息的靜態(tài)狀態(tài)來描述 并沒 有涉及位置信息的拓撲關系 另一方面 傳統(tǒng)業(yè)務流程側重于管理結構化的流程 因此在銀行 保險 稅務等流程結構非常清晰的領域 應用非常廣泛 而如今 隨著業(yè)務流程管理理念的不斷深入 網絡技術的普及 傳感器技術的快速發(fā)展 位置 服務的廣泛應用 對業(yè)務流程的要求更加細化 靈活 尤其在物流 調度 應急管理等對位置敏感的領域 要實 現(xiàn)流程柔性 要求地理位置信息在新的業(yè)務流程模型中發(fā)揮重要作用 因此 在新的業(yè)務流程建模方法中 需要參照地理位置信息在地理信息系統(tǒng)的表達 重新定位地理位置信息 的地位 表達方式和作用 本文提出了基于地理信息約束的擴充建模方法 這種方法 1 基于地理信息的流程建模更加逼近于現(xiàn)實的模型 傳統(tǒng)的流程建模并沒有否認位置的存在 但是它 將地理信息約束對流程建模的影響忽略了 或者說 它假設地理變量是一個恒定的常量 位置信息的 引入 使得建模更加精準 模型描述更加逼近現(xiàn)實 2 基于地理信息約束的建模使得參與者與模型之間互為反饋 參與者通過位置動態(tài)參與模型過程 而 模型通過捕捉參與者的行為并根據其行為調整目標 使模型目標達到最優(yōu)化 3 流程的抽象粒度從宏觀層面細化到微觀 細化的程度取決于地理信息構筑的上下文語境以及地理信 息所描述的空間影響范圍 目前 國內外關于地理位置 地理信息對業(yè)務流程建模影響方面的研究尚不多見 且大多數(shù)停留在理論探 討和個案分析中 De Leoni等人 1 嘗試了在流程感知的信息系統(tǒng)YAWL中實現(xiàn)流程執(zhí)行過程中的任務和資源中 的地圖可視化 但論文沒有對位置與建模的關系進行深入的探討 Decker 等人 2 3 深入分析了位置約束對移動工 作流的影響 提出了位置對流程行為約束的概念 并以 BNF 語法表示了位置約束規(guī)則 而張力等人 4 基于 Petri 網研究了位置敏感工作流建模的方法 并以形式化方式對建模正確性進行了驗證 回顧前期的研究 文獻 2 4 均 是基于對地理位置的分析 沒有將位置概念提升到地理信息層面 對于復雜業(yè)務流程模型顯得支持力度不足 文 獻 4 所提出的 6 種位置關系原語僅從實用角度 若從地理信息的角度看是欠完備的 另外 他們所給出的位置約 束條件也僅從精確約束條件出發(fā) 未考慮到地理語義場景下常見的模糊約束條件 本文將地理位置和地理信息納入到影響流程建模的上下文背景中 5 在第 1 階段研究中 分析了對地理位 置與地理信息兩者的內涵和表達 剖析了地理信息對流程建模的約束方式 提出了地理空間約束的UML擴展框 架 這是一種地理空間約束對傳統(tǒng)建模的擴充方法 6 第 2 階段的研究主要討論如何進行地理空間約束的業(yè)務 流程建模 以及怎樣驗證其正確性和可行性 1 業(yè)務流程上下文 1 1 流程的上下文框架 自然 科技 經濟等客觀世界和人的認知是不斷變化發(fā)展的 這要求組織機構能夠根據業(yè)務的工作環(huán)境變 化和需求變化對業(yè)務流程進行調整 控制 即具有流程柔性 7 這種柔性需求歸因于流程賴以生存的上下文變 化 表現(xiàn)為內 外因素的變化 外部因素影響包括自然 科技 經濟 法律等從宏觀上對流程產生的影響以及 流程外與組織機構相關聯(lián)的其他機構的影響 而內部因素影響特指組織機構內部的變動以及流程本身需求的 變化或者異常情況的發(fā)生 上下文是環(huán)境本身以及環(huán)境各實體所明示或隱含的可用于描述狀態(tài) 含歷史狀態(tài) 的任何信息 其中 實體 既可以是人 地點 天氣等物理實體 也可以是時間 網絡狀況等虛擬形態(tài) 8 流程上下文指與流程運行相關的 所有因素 即前面談到的內外因素 比如國際包裹發(fā)送的過程中 雙邊國家海關政策 運輸?shù)奶鞖鉅顩r 運輸手 段等均可認為是其上下文 從工作流運行原理出發(fā) 仿照 Rosemann Recker 5 上下文概念模型 Van Der Aalst 和 Dustdar 9 概括工作流數(shù) 586 Journal of Software 軟件學報 Vol 26 No 3 March 2015 據歸為 4 層 實例上下文數(shù)據層 工作流上下文數(shù)據層 組織環(huán)境數(shù)據層和外部環(huán)境數(shù)據層 如圖 1 所示 1 實例上下文數(shù)據層主要是單個工作流實例或者工作流案例涉及的工作流屬性數(shù)據 比如物流的工作 流實例中包含的屬性有客戶姓名 客戶郵寄地址 貨物名稱 貨物所在地等 2 工作流上下文數(shù)據層考慮運行中的所有工作流案例或者實例包含的所有統(tǒng)計數(shù)據信息 比如運行中 的工作流案例數(shù)量 實例數(shù)量 資源負荷情況 區(qū)域分配比例等 3 組織環(huán)境數(shù)據層主要是組織內外相關的企業(yè)環(huán)境對工作流的運行產生影響的數(shù)據 比如新競爭者的 規(guī)模 個人的工作效率等 4 外部環(huán)境數(shù)據層主要是參與者和組織機構以外的間接影響工作流的屬性和數(shù)據 比如某地的天氣數(shù) 據 法律條款等 實例上下文 數(shù)據層 工作流 上下文數(shù)據層 組織環(huán)境 上下文數(shù)據層 外部環(huán)境 數(shù)據層 Fig 1 Geospatial information in the levels of context data 圖 1 與地理空間信息相關的上下文數(shù)據概念圖 本文認為 實例上下文數(shù)據層和工作流數(shù)據層是流程上下文的概念模型中地核層的數(shù)據表達 即 地理空間信息 靜態(tài)信息活動的核心層 所謂地理位置靜態(tài)信息指地理位置數(shù)據作為屬性參數(shù)存在于工作流主要元 素的屬性集中 只是對執(zhí)行者 任務等所在地的客觀說明 不決定流程的走向 比如顯示組織機構的地 名 任務執(zhí)行的地點等 組織環(huán)境數(shù)據層與企業(yè)戰(zhàn)略和市場情況聯(lián)系緊密而與物理上的地理空間信息關系疏遠 外部環(huán)境數(shù)據層中的基于地理空間的自然環(huán)境數(shù)據等對工作流產生主動的影響 甚至要求工作流就 此做出積極變更 調整以便適應新的工作流運行的上下文 10 這類與地理空間信息密切相關的數(shù)據稱 為動態(tài)信息 其特點是這些數(shù)據作為事件觸發(fā) 沒有具體的規(guī)則表明何時會發(fā)生 但是一旦發(fā)生 便會及 時響應 而且改變原有的工作流運行規(guī)則 使其適應新的規(guī)則和上下文 1 2 地理位置與地理空間信息 通常 地理位置刻畫的是位于特定空間框架內的目標絕對坐標或相對關系 地理空間信息表達的是目標自 身或其與其他目標之間相互作用而傳達的語義信息 地理空間信息的基本組成要素是度量關系 順序關系以及 拓撲關系 11 由此復合構成更為復雜的空間關系 如兩點最短路徑 線 泰森多邊形等 對于單體空間目標而言 主要表征的是幾何信息 具體講 點的幾何信息即為位置本身 線的幾何信息為 長 朱鑫偉 等 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 587 度 而面的幾何信息則為 周長 面積 在不同的粒度空間 點 線 面可以互為轉換 比如 在大比例尺情況 下 細粒度 的線 在小比例尺情況下 粗粒度 可以以點表達 而細粒度下的面 既可能抽象為粗粒度下的線 也可 能抽象為點 對于兩個以上的空間目標 就可以刻畫它們之間的空間拓撲關系 用以表述目標之間的不精確的相對關系 具體表現(xiàn)為描述基本的空間目標點 線 面之間的鄰接 關聯(lián) 包含等關系 例如 A 位于 B 的左邊 C 位于 D 的內部等等 最常見的拓撲關系描述方法有四交叉模型 九交叉模型 基于 Voronoi 圖的 V9I 模型 RCC 模型 空間代數(shù)模型等 12 14 對于更為復雜的復合空間目標之間的關系 則需要借助于空間運算處理 才能發(fā)現(xiàn)其中隱含的地理信息 如 兩個點之間的最短路徑 需要兩點之間的聯(lián)通性作為條件 通過計算兩點之間的最小能量消耗 如時間最短 或 長度最短等 實現(xiàn) 同樣 粒度作為一種變量參數(shù) 也會影響到空間信息的輸出 由此推斷 地理信息又可以分為靜態(tài)信息和動態(tài)信息兩種情形 靜態(tài)信息指的是地理信息不隨時間 粒度的變化而恒定信息 如不變點 如某機場對外公布的經緯度 所傳達的信息恒定為靜態(tài)信息 而動態(tài)信息則是隨著時間 粒度的變化而變化的信息 比如 物流車在運輸途中 可以根據路況 兩點之 間的通達性 隨時產生新的路徑信息 不同粒度空間下的拓撲信息會發(fā)生變化等 1 3 業(yè)務流程建模中的基本地理空間關系 迄今為止 有兩大主要國際標準組織致力于包含地理幾何和地理圖形關系等地理空間信息標準的制定 開 放地理空間聯(lián)盟 OGC 和國際標準化組織 ISO 技術委員會 211 TC211 OGC 自 1994 年成立以來 成為擁有超 過 400 家企業(yè) 政府部門 研究組織和大學參與的國際性聯(lián)營企業(yè) 致力于提供地理信息行業(yè)軟件和數(shù)據及服 務的標準化工作 不但包括 ESRI GOOGLE Oracle 等企業(yè)作為成員 而且與 W3C ISO TC211 IEEE 等是合作伙 伴關系 可見 其制定的標準具有權威性 遵從 OGC主題 8 和 ISO19107 中對地理空間關系的描述 總結出流程建模中受地理空間約束的普遍性的度 量關系 見表 1 和拓撲關系 見表 2 并且 當表 2 中的拓撲關系不足以表達實際中的應用情況時 拓撲關系能夠 根據實際的需求進一步進行擴展 Table 1 Measurement relationships used in process modeling 表 1 流程建模中的度量關系 名字 描述涉及的特征 getCoordination返回一個點的坐標點 getLength 返回一條線的長度線 getArea 返回一個面區(qū)域的面積面 getPerimeter返回一個面的周長面 Table 2 Topological relationships used in process modeling 表 2 流程建模中的拓撲關系 名字 描述涉及的特征 Within 如果兩位置的關系是空間包含 返回真值 點 面 線 面 點 線 Equals 如果兩位置特征空間關系是空間相同 返回真值 點 點 線 線 面 面 Disjoint 如果兩位置特征空間關系是空間相離 返回真值 點 點 線 線 面 面 點 面 線 面 Intersects 如果兩位置特征空間關系是空間相交 返回真值 面 面 重疊部分在內部 Touches 如果兩位置特征空間關系是空間接觸 返回真值 線 面 面 面 Crosses 如果兩位置特征空間關系是空間交叉 返回真值 線 線 線 面 Overlaps 如果兩位置特征空間關系是空間部分重疊 返回真值 面 面 Contains 如果特征 A 空間包含特征 B 返回真值 面 面 島的情形 588 Journal of Software 軟件學報 Vol 26 No 3 March 2015 2 地理空間約束思想 2 1 地理空間約束 地理空間約束是一個聲明 聲明工作流場景或者執(zhí)行的實例中的一個或者多個活動的地理信息 在某種程 度上 地理空間約束是一種作用于活動的約束機制 通過利用活動的位置屬性或者活動的位置與位置之間的關 系約束活動的行為 存在兩種對流程活動的約束 靜態(tài)約束和動態(tài)約束 2 靜態(tài)約束是在工作流設計階段預先定義好的約束 這意味著 1 這些約束是作用在單個活動上 2 這些約束迫使所有的流程實例根據工作流的設計來執(zhí)行 動態(tài)約束是在流程的運行階段產生 并僅對流程實例有效 如果動態(tài)約束具體是一種受到地理位置的 約束 則意味著存在受到至少一個動態(tài)位置影響的活動 受到靜態(tài)約束或者動態(tài)約束的活動具備靜態(tài)行為和動態(tài)行為的特征 就現(xiàn)場維修的流程為例 維修活動受 到地理位置的靜態(tài)約束 因為維修請求要求一旦確定 其維修的地理位置是固定不變 指派工程師活動受到地理 位置的動態(tài)約束 因為工程師的位置是隨時間而變動 且受到維修請求的位置與工程師位置的關系影響 所以指 派誰維修或者誰被指派是不固定的 具體而言 動態(tài)約束又可劃分為內部動態(tài)約束和外部動態(tài)約束兩種 內部動態(tài)約束是在工作流設計階段的工作流模型中定義好的規(guī)則 工作流實例執(zhí)行過程中僅捕獲工 作流系統(tǒng)中定義好的活動的地理位置 按照規(guī)定好的規(guī)則 指導活動的執(zhí)行 外部動態(tài)約束是沒有在工作流系統(tǒng)中定義的 而是由操作員或者管理員在流程運行階段輸入或者定 義的地理位置或者規(guī)則 2 2 地理空間約束的行為 地理空間約束的行為定義了地理空間約束作用于一個活動或者多個活動的規(guī)則 在工作流元模型中 在流 程的一個實例被觸發(fā)前 不僅活動的固有屬性是定義好的 而且活動與活動的關系也是設置好的 然而在流程的 運行階段 活動之間的關系會動態(tài)發(fā)生變化 這種改變如果與地理空間因素無關 通常在工作流元模型的設計范 疇 是可以處理的 但是假如沒有考慮地理空間信息對流程的影響 則活動的執(zhí)行規(guī)則將超出工作流的設計范 疇 活動的行為也與業(yè)務流程模型設定的情景存在差異性 因此 討論地理空間約束如何控制活動的行為是必 要的 地理空間約束聚焦于活動的地理空間屬性 地理空間約束對活動的影響范圍包括一個活動或者幾個活動 之間 對于一個活動的情景 活動限定在初始化的地理位置執(zhí)行 對于多個活動的情景 地理空間約束行為限制 活動與活動的發(fā)生或流轉的地理位置關系 2 3 地理空間約束的UML語義框架 由于UML吸取了面向對象技術領域其他方法的長處 提供了標準的面向對象的模型元素和表示 并具備以 下優(yōu)點 1 統(tǒng)一的標準 UML 是 OMG 和 ISO 認可的工業(yè)標準 獲得了 IBM SUN 等眾多軟件巨頭的支持 2 專注于建模 UML 并不指定適用于任何特定的應用領域 具體平臺 實現(xiàn)語言或者實現(xiàn)方法 只專注 于建立模型 3 只是一種圖形表示法 本身不包含任何方法論的部分 4 良好的擴展性 在 UML 框架的基礎上 允許用戶定義自己的 UML Profile 確定一個區(qū)域 一個行業(yè)的 特定標準 因此 可以通過對地理位置 地理空間信息和地理空間關系的剖析 地理空間約束概念的理解和地理空間 約束行為的研究 應用 UML 的擴展機制對業(yè)務流程模型元模型的地理空間約束進行擴展 6 如圖 2 所示 朱鑫偉 等 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 589 Fig 2 Extended geospatial constraint meta model of UML activity diagrams 6 圖 2 地理空間約束的 UML 擴展框架 6 3 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 LAWF net Petri 網是建模和分析流程的工具 一方面 Petri 網作為設計語言描述復雜的工作流 另一方面 Petri 網理論 為驗證工作流的正確性提供了強大的分析技術支持 因此 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法是基于 Petri 網的 基礎上開展的 雖然傳統(tǒng)的業(yè)務流程管理不否認地理位置因素的存在 但認為地理位置信息是恒定的信息 對于流程管理 不產生重要影響 不能輔助實現(xiàn)流程自動化 流程優(yōu)化 創(chuàng)造價值 地理位置信息在傳統(tǒng)的業(yè)務流程建模語言 中只是任務的一個的靜態(tài)屬性 甚至可能被忽略考慮 因此在新的業(yè)務流程建模方法中 本節(jié)參照地理位置信息 在地理信息系統(tǒng)的表達 提出了基于地理信息約束的擴充建模方法 LAWF net 并進行了形式化表達 3 1 LAWF net模型的定義 地理空間信息作為地理空間信息感知流程的基本因子 以不同的角色貫穿于業(yè)務流程的上下文框架的每 一層 發(fā)揮著不可替代的作用 地理空間信息在其框架中的基本表現(xiàn)形式概括為地理特征 地理特征主要包括自 然地理特征和人文地理特征 自然地理特征主要有位置 地形特征 氣候特征 水文特征 土壤和生物 人文 地理特征主要有農業(yè) 工業(yè) 人口 交通 經濟 周邊城市發(fā)展情況和國家政策等 定義 1 特征 FL 特征類型 FTL FL是關于地理空間信息特征的有窮集合 FTL是關于地理空間信息特征類 型的有窮集合 FL f1 f2 f F 1 FTL ft1 ft2 ft FT 2 定義 2 TypeL是地理空間信息類型函數(shù) TypeL FL FTL 3 且滿足 f FL TypeL f FTL 4 定義 3 地理空間約束 CL CL是地理空間約束的集合 是關于地理空間變遷 TL的函數(shù)返回值的集合 該函數(shù) 是每一個變遷 t TL映射到一個布爾表達 CExpr 這個表達式計算的結果返回值為布爾值 記作 Cexpr 該值決定 了變遷是否能觸發(fā) CL TL CExpr 5 且滿足 590 Journal of Software 軟件學報 Vol 26 No 3 March 2015 c CL x y CFL x c y T 6 該表達式表明 每一個地理空間約束僅有一個連接從地理空間約束 c 到變遷 t 的連接弧 定義 4 t L C是變遷t上的所有的地理空間約束的集合 t LLL Cc cCc tCF 7 滿足約束到輸出變遷的弧 c t 位于地理空間約束弧集中 c t CF 且其約束屬于地理空間約束集 CL 其中 符合條件的所有約束都終止于變遷t 這意味著 如果有T t1 t2 則存在可能分別構建兩個基于變遷 t1 t2的地理空間約束集合 12 tt LL CC 定 義 5 地 理 空 間 約 束 的 業(yè) 務 流 程 模 型 LAWF net 地 理 空 間 信 息 感 知 的 工 作 流 是6元 組 WF net FL TL FTL CL CFL 其中 WF net P T F 是工作流中庫所 變遷和弧的定義 FL是地理特征的集合 FTL是地理特征類型的集合 TL是地理空間依賴的變遷的集合 且滿足TL T CL是地理空間約束的集合 通常是一組地理空間約束表達式的集合 CFL是一組地理空間約束弧 是連接地理空間依賴的變遷到地理空間約束或者連接地理空間約束到變 遷的有窮弧的集合 且滿足 CFL TL CL CL T 采用基于LAWF net模型進行建模 其基本形式如圖3所示 其中 庫所和變遷與Petri網建模方法相同 對于 地理依賴型變遷 在變遷方形的左上角添加標志以示區(qū)別 并將該變遷依賴的主要地理特征類型與變遷名稱 一起標注在方形中 地理空間約束用灰色的長方體表示 地理空間約束弧以虛線及其帶箭頭的虛線表示 從圖中 可以看出 地理空間約束不僅發(fā)生的地理依賴型變遷之間 同時 地理空間約束對一般變遷也發(fā)揮作用 地理空 間約束在方形中的描述 在基于流程元模型的地理空間約束的UML語義框架指導下 遵照表1和表2的規(guī)則 進行 Fig 3 An example of a LAWF net model 圖3 LAWF net模型的圖形化示例 3 2 LAWF net模型的執(zhí)行語義 定義 6 地理標識 LM LM是位置標識函數(shù) 返回地理空間依賴的變遷所附著的地理特征 LM TL FL 8 且滿足 T TL TypeL LM t TypeL t LM t 9 地理空間標識狀態(tài)與其變遷本身默認的特征類型是同一種類型 并且允許地理空間依賴的變遷中地理特 征為空 初始狀態(tài)下 每一個地理空間依賴的變遷并不附著任何地理特征 記作 T TL LM t 大多數(shù)地理空間 約束能夠直接用地理空間位置關系的方式 返回布爾值 進行表達 一般情況下 對地理空間約束c CL沒有嚴格 的定義 由于之前給每一個地理空間依賴的變遷定義了一種特征類型 以此對附著在變遷上的地理特征進行分 類劃分 記做 TypeL LM t TypeL t 例如 比如活動Task B關聯(lián)的地理特征是所有的Locations 而地理特征類型 是點類型 point 具體為 如果t Task B TypeL Task B Point LM B Location 1 則 ABCD 朱鑫偉 等 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 591 TypeL Location 1 TypeL Task B Location 1的類型應當是點類型 point 其涵義之一是 即便地理空間依賴的變遷沒有約束限制 其特征類 型也存在 另一層涵義是 地理空間依賴的變遷中 關于地理特征的選擇應當與其變遷本身許可的特征類型保持 一致 定義 7 LAWF net 的執(zhí)行語義 LAWF net中變遷的觸發(fā)要滿足使能規(guī)則和點火規(guī)則 1 使能規(guī)則 LAWF net中一個使能的變遷t在標識 M LM 下是使能的 可以觸發(fā) 當且僅當 1 它的輸入庫所p P中的每個都至少包含一個token 2 與變遷關聯(lián)的所有約束都得到滿足 p t M p 0 10 t T TL c CL c true 11 t TL f FL c CL c true 12 這些約束根據變遷的類型不同 評判的準則也存在一定差異 具體而言 1 對于一般變遷 又稱為非地理空間依賴的變遷t T TL 滿足地理空間約束條件即可 2 對于地理空間依賴的變遷 t TL 滿足地理空間依賴的變遷至少有一個地理特征與變遷本身要求的 特征類型一致 且地理空間約束條件為真值 值得一提的是 一個變遷的使能必然要求變遷的約束條件為真 其基本要求是 地理標識LM能夠反饋當前 與地理空間依賴變遷所依賴的地理特征 然后 變遷的地理標識LM通常反映的是前一次活動執(zhí)行時關聯(lián)的地 理特征 如果流程沒有執(zhí)行 其地理標識為空 或者處于沒有預置的情境下 為了解決這個問題 采取的策略是對使能的候選地理特征 possible t F進行地理空間約束的條件判斷 并將結 果作為候選的地理標識LMcan保存下來 即 true possible tLL FfFType fType tcCc 13 if otherwise can L ftt tTLMt LM t 14 2 點火規(guī)則 LAWF net中 一個使能的變遷t在標識 M LM 下可以點火 一方面需要滿足輸入庫所令牌的要求 另一方面 要滿足地理空間約束的條件 如果變遷t點火 那么 1 t從它的輸入庫所p中消耗一個令牌 并為t的每個輸出庫所p產生一個令牌 這意味著當點火t時 M 標識從一種狀態(tài)改變到另一種狀態(tài) 12 t MM 21 21 21 if 1 if 1 if MpMpptt pPMpMppt MpMppt ii i i 15 2 一個位置依賴的變遷使得LM地理空間標識從一種狀態(tài)改變到另一種狀態(tài) 12 t LMLM 因此 2 1 otherw if ise selected L ftt tTLMt LM t 16 其中 selectedpossible t fF 點火后 從候選的地理標識 possible t F中選擇的地理特征fs elected成為當前的地理標識 3 3 LAWF net到CPN的轉換 為了驗證和仿真文中提出的LAWF net建模方法 本節(jié)將LAWF net建模方法映射Coloured Petri net CPN 建模方法 一方面 這是因為之前提出的地理空間感知的工作流的執(zhí)行語義簡單易懂 便于基于地理空間約束建 592 Journal of Software 軟件學報 Vol 26 No 3 March 2015 模 但是卻無法進行仿真驗證 另一方面 LAWF net和CPN都是基于Petri網 遵循嚴格的形式化定義 具有互通 性 而且 轉換為CPN建模具有諸多的優(yōu)勢 LAWF net到CPN的映射遵循以下規(guī)則 1 LAWF net的地理特征的集合對應于CPN中新增的顏色集 且是地理特征的最高抽象顏色集 U FL 17 其中 U Unit 是CPN定義的顏色集集合 FL作為地理特征的集合而認為是地理特征的最高抽象顏色集 2 LAWF net中的每一個變遷t TL和庫所p PL對應于CPN中的變遷t T和庫所p P 其中 p PL p P 18 if otherwise unitp C pU I p i 19 t TL t T 20 3 對于LAWF net中每一個地理空間依賴變遷t TL 在CPN模型中增加一個地理空間信息輸出庫所 ftL L C pF 21 ftL L I pfFType fft 22 對于LAWF net中每一個特征類型 在CPN模型中增加一個地理空間信息輸入庫所 t L p t LL tTpP 23 tL L C pF 24 t L I p 25 4 對于LAWF net控制流中的弧映射為CPN模型中的弧 x y FL a x y A 26 N a x y x y 27 E a x y unit 28 5 在CPN中添加約束變量和重寫變量來綁定地理空間信息與地理空間依賴變遷 并分別重寫之前綁定的 變遷 vL V 其中 C vL FL vo V 其中 C vo FL 6 對于每一個地理空間依賴變遷t TL 在CPN中添加4條弧 命名為入弧 input t a 返回弧 return t a 出弧 output t a 和 override t a弧 入弧 input t a連接地理空間信息輸入庫所與變遷t 傳遞地理特征 返回弧 return t a連接變遷與地理空間信 息輸入庫所 傳遞地理特征 出弧 output t a連接變遷與地理空間信息輸出庫所 override t a弧連接地理空間信息輸出庫 所與變遷 Linputreturnoutputoverride tttt tTaaaa 其中 inputftreturnftoutputtoverrideft tLtLtLtL NNNNaptat pat papt 29 inputreturnoutput tttL E aE aE av 30 if otherwise t overrideL t t L M p E a M p 31 7 對于每一個地理空間依賴變遷t TL 將位于其上的所有地理空間約束在CPN中用警衛(wèi)函數(shù)來表達 t L L c C tTG tc 32 8 對于LAWF net中的地理空間約束 在CPN中涉及的輸入變遷 通過定義一個變量并賦予相關聯(lián)的兩 條弧上 將傳遞地理特征從地理空間信息輸出庫所到受約束的輸出變遷 點火后 將地理特征返回地理空間信息 輸出庫所 Ltx yx yx y LLLLio tTcCx yx yCFxTycvV aaA 朱鑫偉 等 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 593 其中 x yL L C vF 33 x yx iL N ap t 34 x yx OL N at p 35 根據LAWF net到CPN的映射規(guī)則 圖3所示的LAWF net模型轉化為CPN模型的一種示例 如圖4所示 其中 填充為灰色的地理空間信息輸入庫所或者地理空間信息輸出庫所 v1為入弧 返回弧 出弧的變量 vo為 重寫弧的變量 與入弧和返回弧相連的是地理空間信息輸入庫所 與出弧和重寫弧相連的是地理空間信息輸出 庫所 G B G C G D 是變遷的警衛(wèi)函數(shù) 值得一提的是 圖3所示的LAWF net模型的具體含義不同 轉化為的 CPN模型也不同 圖4所示的模型是其中的一種情況 Fig 4 LAWF Net of Fig 3 converted to a CPN model 圖4 圖3中LAWF net模型轉化為CPN模型 4 LAWF net 的實現(xiàn)與系統(tǒng)集成 本文通過擴展CPN Tools 以維修流程為案例實現(xiàn)了LAWF net建模方法 并且通過集成GIS系統(tǒng)和CPN Tools 完成了地理空間約束的業(yè)務流程的正確性驗證 開拓性地實現(xiàn)了地理空間約束的業(yè)務流程的可視化 4 1 場景描述 維修公司客戶中心接到客戶的故障報修請求 RCC 并開始著手處理故障報修請求 ACC 通常是負責相應 維修區(qū)域的客服中心接聽電話 如果通過客服中心與客戶的電話交流中 能確診問題并解 RAS 待一段時間 客 服中心進行服務回訪 FUA 整個流程結束 如果電話內不能解決 則將故障請求級別標示為現(xiàn)場檢查 執(zhí)行分派 現(xiàn)場檢查 DIS 任務 并安排緩沖區(qū)50公里內的組員達到2人以上的檢查組前往開展現(xiàn)場檢查 OSI 如果現(xiàn)場 檢查沒有問題 則等待客服中心進行服務回訪 FUA 整個流程結束 如果現(xiàn)場修理工作的執(zhí)行需要調動維修工 程隊前往作業(yè) 則安排維修隊 CRT 且對維修隊的要求是客服中心50公里以內且空閑的維修隊 空閑的維修隊 前往進行現(xiàn)場修理 OSW 如果維修完成 RRT 則等待客服中心進行服務回訪 FUA 整個流程結束 如果現(xiàn)場 修理過程中發(fā)現(xiàn)需要零件返廠維修 SFR 則尋找最近的維修點將零件送往維修 再前往進行現(xiàn)場修理 OSW 一直到維修完成 RRT 等待客服中心進行服務回訪 FUA 整個流程結束 對于所有的服務回訪 FUA 要求不同 于流程開始時的客戶中心進行回訪 分析得知 整個流程中的地理位置關系包括6個 即 客戶歸屬地的客服中心處理故障請求 緩沖區(qū)50km 內的檢查組進行現(xiàn)場檢查 客服中心50KM內的空閑的維修隊進行現(xiàn)場修理 零件返廠維修是最近的維修點 不同的維修隊進行維修完成后的檢查 不同的客服中心進行回訪 圖5是用工作流模型對整個流程進行了描述 但并不包含任何地理空間信息 看不到地理空間信息對該維 修流程的影響 圖6是維修流程的LAWF net模型 具體描述了以上提到的活動與活動之間受到的6種地理空間 約束 圖7將維修流程的LAWF net模型轉換為可執(zhí)行的CPN模型 ABCD G B G C G D v1 v1 v1 v1 v1 v1 v1 v1v0v2 v0 v2 v0 v1 594 Journal of Software 軟件學報 Vol 26 No 3 March 2015 Fig 5 WF Net model of repair process 圖5 維修流程的工作流模型 收到故障報修 請求 RCC 分析故障報修 請求 ACC 電話內直接 解決 RAS 分析現(xiàn)場檢查 工作 DIS 現(xiàn)場檢查 OSI 現(xiàn)場修理 OSW 零件返廠維修 SFR 維修完成 RRT 服務回訪 FUA 安排維修隊 CRT 朱鑫偉 等 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 595 Fig 6 LAWF Net model of repair process 圖6 維修流程的LAWF net模型 Contains Buffer rccregion 50km rt ShortestRoute c rs Contains rccregion c Disjoint fccregion rccregion rtstatus onsite rtstatus available Equals rt rt2 c Customer RCC rcc Customer ACC rt RepairTeam CRT rs RepairStation SFR rt2 RepairTeam RRT fcc CallCenter FUA DIS OSI RAS OSW 596 Journal of Software 軟件學報 Vol 26 No 3 March 2015 Fig 7 LAWF Net model of Fig 6 converted to a CPN model 圖7 維修流程的LAWF net模型轉化為CPN模型 朱鑫偉 等 地理空間約束的業(yè)務流程建模方法 597 4 2 遇到的問題及其解決方案 如何在CPN Tools中實現(xiàn)本文提出的地理空間約束思想 是實現(xiàn)LAWF net建模方法的關鍵 但是 應用 CPN Tools提供的工具和方法實現(xiàn)地理空間約束思想存在一定的問題 因為CPN Tools有其自身的局限性 1 CPN Tools中 函數(shù)描述方法有限 其定義的函數(shù)變量僅接受Boolean Integer和String類型 不能滿足 地理空間約束思想關于地理空間信息表達的復雜性和多樣性的需求 比如關于地理坐標的表達等 2 CPN Tools支持的語法有限 利用其提供的標準ML語言表達地理空間關系 不僅花費過多的時間和 精力 而且構建的模型可能及其龐大 針對以上的問題 本文利用CPN Tools提供的RPC 遠程過程調用 功能對CPN Tools進行擴展 選擇這個方 法而不采用標準ML語言的原因在于 1 采用java作為擴展的語言 與標準ML語言相比更易于理解和擴展 2 在一定程度上能夠克服模型過于龐大和復雜的弊端 3 有利于集成現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)與CPN Tools來驗證LAWF net建模方法 實現(xiàn)地理空間約束思想對流 程的約束和驅動效應 呈現(xiàn)地理空間約束對流程的感知 并且反饋到地圖上來 通過GIS系統(tǒng)調用地 圖并反饋活動在流程執(zhí)行過程中的即時運行狀態(tài) 因此 為了在CPN Tools中實現(xiàn)地理空間約束思想 實驗中結合應用GeoTools Java包進行了原型設計 GeoTools是一款基于Java的開源GIS工具集 允許用戶對地理數(shù)據進行基本操作 提供地理空間信息的函數(shù)與 方法 因此 GeoTools工具包支持圖2中涉及的絕大多數(shù)地理空間關系的表達 并且遵從OGC對地理空間信息標 準的制定 圖8是維修流程的在CPN Tools中運行的過程截圖 其具體的操作過程包括3個部分 1 在ArcGIS中繪制維修流程的地圖 并以Shapefile文件輸出點文件 線文件和面文件 這是實現(xiàn)CPN Tools中流程執(zhí)行的地圖可視化的基礎 2 通過Eclipse定義和構建具體的約束函數(shù) 包括創(chuàng)建包simulator extensions location 創(chuàng)建3個擴展 類 LocationAwareExtention java LocationConstraint java和LogWindow java 最后 從Eclipse中導出到 CPN的擴展文件夾中 3 在CPN Tools構建基于地理空間約束思想的維修流程 并實現(xiàn)可視化 Fig 8 Screen capture showing the CPN model running in tandem with a GIS system 圖8 維修流程的運行過程截圖 實驗結果表明 運行無死鎖 具備安全性和活性 在維修流程的運行過程中 地圖上能夠容易地分辨維修隊 598 Journal of Software 軟件學報 Vol 26 No 3 March 2015 的地理位置 所在的維修區(qū)域與顧客維修點的地理位置等等 便于直觀了解維修隊地理位置與顧客維修點地理 位置的地理空間關系 值得一提的是 黑點代表的維修隊的地理位置是不固定的 隨著時間而不同 隨著任務的 分配而不同 5 結束語 傳統(tǒng)的流程建模中沒有考慮地理位置以及相應的地理空間信息的影響 本文研究了地理空間約束對傳統(tǒng) 流程建模的擴充 使得業(yè)務流程模型更加逼近現(xiàn)實的模型 并增強了參與者與模型之間的互動反饋 更為重要的 是 使得流程的抽象粒度更為細化 因此 對于提升流程模型的可靠性 增強流程模型的柔性具有重要的意義 本文在分析傳統(tǒng)建模內容的基礎上 討論了作為上下文信息的地理信息在建模中的應用 為了更好地把握 地理空間信息在流程建模中的作用 本文闡述了地理位置與地理信息的表達方式 區(qū)別與聯(lián)系 指出地理位置 是地理信息獲取的先決條件 地理空間信息則是基于地理位置的度量關系 順序關系 拓撲關系的復雜信息表 達 總結了流程建模中的度量關系和拓撲關系 提出了地理空間約束的UML語義框架 用于指導地理空間約束 的業(yè)務流程建模 論文重點探討了地理信息約束對業(yè)務流程元模型擴充的影響 以形式化的方式提出了LAWF net建模方法 將LAWF net模型映射到CPN模型進行驗證 最后 通過案例結合GIS系統(tǒng)來擴展CPN Tools 不 僅驗證了LAWF net建模方法的可行性 而且實現(xiàn)了地理空間約束的業(yè)務流程的可視化 本文的部分工作仍需進一步完善 由于篇幅的原因 本文沒有探討地理空間約束對工作流模式的影響 但本 文所提出的地理空間信息對傳統(tǒng)流程建模的擴充思路具有重要的意義 本文的后續(xù)工作還包括 1 從面向過程的角度進一步完善地理空間信息對業(yè)務流程運行的影響和機制 2 完成基于地理信息擴充的業(yè)務流程模型的一致性驗證 死鎖與異常分析 性能檢驗等 References 1 De Leoni M Adams M Van Der Aalst WMP Ter Hofstede AHM Visual support for work assignment in process aware information systems Framework formalisation and implementation Decision Support Systems 2012 54 1 341 361 doi 10 10 16 j dss 2012 05 042 2 Decker M Modelling location aware access control constraints for mobile workflows with UML activity diagrams In Proc of the Mobile Ubiquitous Computing Systems Services and Technologies Sliema IEEE 2009 263 268 doi 10 1109 UBICOMM 2009 30 3 Decker M St rzel P Klink S Oberweis A Location constraints for mobile workflows In Proc of the Techniques and Applications for Mobile Commerce Amsterdam IOS Press 2009 93 103 4 Zhang L Zhao J Jia WH Liu YB Location Aware workflow modeling and soundness verification method based on Petri net Computer Integrated Manufacturing Systems 2012 18 8 1747 1756 in Chinese with English abstract 5 Rosemann