輕量級工作流及其在發(fā)電企業(yè)燃料管理中的應用

王鈞召，江學武，何云峰，于俊清*

（1.廣東粵電信息科技有限公司，廣東 廣州510630；2.華中科技大學計算機科學與技術學院，湖北 武漢430074）

0 引言

工作流技術越來越廣泛地應用在企業(yè)信息系統(tǒng)中，大部分企業(yè)信息系統(tǒng)都選擇采用成熟的商業(yè)或開源的工作流產(chǎn)品，也有不少企業(yè)在原有信息系統(tǒng)基礎上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)符合自身需求的工作流管理系統(tǒng)（WfMS，Workflow Management System）［1-3］。商業(yè)工作流產(chǎn)品，國外主要有IBM 公司的Lotus Domino Workflow 和WebSphere MQ Workflow，以及Oracle 公司的Oracle Workflow 等工作流產(chǎn)品［4］。國內(nèi)目前比較流行的WfMS，主要有西安協(xié)同的SynchroFlow，上海東蘭的DLFlo 和杭州信雅達的SunFlow 等［5］。國外的工作流產(chǎn)品并不適合用于管理具有中國特點的業(yè)務流程，因此大部分企業(yè)都采用國內(nèi)廠商生產(chǎn)的工作流產(chǎn)品，維護和升級比較方便。目前使用較多的開源工作流產(chǎn)品，主要有jBPM（Java Business Process Management，jBPM）和Activiti。jBPM［6-7］提供了工作流引擎和應用擴展接口，可以根據(jù)不同需求進行功能擴展，能夠方便地集成到已有的系統(tǒng)中。Activiti［8-9］的發(fā)起人是原jBPM 創(chuàng) 始 人Tom Baeyens，Activiti 是 在jBPM3 和jBPM4 的基礎上發(fā)展而來的，其內(nèi)部接口與核心API與原jBPM 有很多的相似之處。Activiti 與jBPM 相比較，增加了流程可視化與管理能力，并加強了與外部系統(tǒng)的集成能力。

功能完備的工作流產(chǎn)品除了支持基本的業(yè)務操作之外，還支持“撤銷”，“委派”，“會簽”以及“自由流”等復雜業(yè)務場景，實現(xiàn)比較復雜，如果要集成到原有的信息系統(tǒng)中，需要修改相關代碼和配置相關文件，才能方便對接。但是，發(fā)電企業(yè)燃料管理中的很多業(yè)務流程只需要基本的“通過”和“退回”功能，如果采用成熟的商業(yè)或開源工作流產(chǎn)品，將造成成本較高、集成復雜和系統(tǒng)兼容性差等問題。

為了能夠方便地集成到已有的信息系統(tǒng)解決簡單的業(yè)務流程定制，設計了輕量級的工作流管理系統(tǒng)［10］，并將系統(tǒng)應用到火力發(fā)電企業(yè)燃料信息系統(tǒng)的審批流程中，實際應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以滿足信息系統(tǒng)中對審批流程自動化流轉(zhuǎn)的要求，能夠保證審批流程的正確運行。

1 工作流管理系統(tǒng)

1.1 工作流管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)WfMC 給出的工作流管理系統(tǒng)參考模型［11］，輕量級工作流管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 工作流管理系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 System architecture of WfMC

工作流管理系統(tǒng)主要由工作流定義工具和工作流引擎組成。其中，工作流定義工具以圖形化的方式為用戶提供抽象實際業(yè)務流程及描述流程的手段，同時生成工作流模型，這里的工作流模型是指可被計算機處理的形式化定義，是由組成工作流的各個活動以及活動之間的關聯(lián)關系等信息組成的一個完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常被保存在數(shù)據(jù)庫中。工作流引擎將數(shù)據(jù)庫中保存的工作流模型作為依據(jù)，驅(qū)動工作流實例的自動流轉(zhuǎn)［12］。

1.2 工作流定義工具

根據(jù)WfMC 規(guī)范，工作流定義工具由3 部分組成：模型設計器、工作流模型和模型控制器。

模型設計器用于定義工作流模型，通過拖拽相關組件進行流程圖的繪制，鼠標點擊和鍵盤輸入操作可以設置各個活動的可操作角色，用戶做出的各種請求動作將由模型控制器響應。用戶定義工作流模型之前，流程設計器先查詢該工作流模型是否已存在，如存在則在原有模型的基礎上進行更改。

工作流模型既可以保存為XML文件，也可以保存在數(shù)據(jù)庫中，作為工作流實例自動流轉(zhuǎn)的依據(jù)。輕量級工作流系統(tǒng)通過工作流表、節(jié)點表、節(jié)點間連線表、工作流實例執(zhí)行情況表4個數(shù)據(jù)表保存每一個工作流模型各個節(jié)點的信息和節(jié)點間連線信息，以及工作流實例的運行情況。

模型控制器負責響應模型設計器的請求動作，主要功能包括：圖形化界面中各個組件的增刪改查，工作流模型與XML 文件的相互轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)庫的存取，以及一些其他操作如清空、撤銷等。模型控制器中還提供一個重要功能，就是工作流模型的合理性驗證。對工作流模型的合理性驗證分為語法驗證、語義驗證和結(jié)構(gòu)驗證［13］。由于語義驗證由工作流模型設計人員負責驗證，所以驗證功能只提供語法驗證和結(jié)構(gòu)驗證。

1.3 工作流引擎

工作流引擎需要對定義的工作流模型進行解析，讓計算機能理解該模型的具體含義，驅(qū)動工作流實例按照該模型進行正確流轉(zhuǎn)，它是工作流管理系統(tǒng)的核心組成部分［14］。對于每個工作流實例來說，各項任務能夠按照工作流模型進行自動流轉(zhuǎn)并且互不干擾，都是因為工作流引擎在后臺進行控制。工作流引擎的工作流程如下：

1）用戶啟動某個工作流實例，該實例開始執(zhí)行；

2）工作流引擎從數(shù)據(jù)庫中讀取對應的工作流模型；

3）當用戶對某個節(jié)點操作完成，工作流引擎決定該實例的流轉(zhuǎn)方向，即決定下一個操作節(jié)點以及該節(jié)點可操作的角色，一直持續(xù)到該實例流轉(zhuǎn)結(jié)束。

工作流引擎以工作流模型作為依據(jù)，根據(jù)控制參與者的操作權限和工作流實例的執(zhí)行情況控制實例的正確流轉(zhuǎn)。

2 工作流模型結(jié)構(gòu)驗證算法

2.1 典型的結(jié)構(gòu)性錯誤

定義的工作流模型是否合理直接決定了工作流實例能否正常執(zhí)行，因此工作流模型的合理性驗證至關重要。工作流模型的合理性驗證分為語法驗證、語義驗證和結(jié)構(gòu)驗證［15］。語法驗證提供初級的錯誤驗證，主要驗證是否有重名的節(jié)點，是否有孤立的節(jié)點，每個節(jié)點是否都存在輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)等。語義驗證用于驗證工作流的定義是否與實際業(yè)務流程的目標相同，由工作流模型設計人員負責。結(jié)構(gòu)驗證檢查是否存在非法并發(fā)、死循環(huán)等錯誤，這里重點說明結(jié)構(gòu)驗證。

工作流模型存在唯一的開始節(jié)點和結(jié)束節(jié)點。工作流模型可以看作有向圖，該有向圖必須是連通圖，不能存在多個連通子圖。因此從開始節(jié)點進行遍歷必須能遍歷到所有的節(jié)點，否則存在節(jié)點不可達的錯誤。工作流模型中可能存在非法并發(fā)單元，主要表現(xiàn)為非法入口，非法出口和并發(fā)跳轉(zhuǎn)等。工作流模型組成元素包含：開始節(jié)點、結(jié)束節(jié)點、流程節(jié)點以及節(jié)點間連線。各個元素的圖形化表示如圖2所示。

圖2 工作流模型組成元素表示圖Fig.2 The legend of Workflow engine

常見的結(jié)構(gòu)性問題主要有以下幾個方面：

1）節(jié)點不可達；指對于某一個節(jié)點，無法從開始節(jié)點找到一條路徑到達該節(jié)點，如圖3（a）所示。如果存在不可達的節(jié)點，那么該節(jié)點的存在是無意義的，因為在工作流實例的執(zhí)行過程中，該節(jié)點永遠不會得到執(zhí)行。

2）非法并發(fā)單元：非法并發(fā)單元是指存在錯誤的并發(fā)單元，錯誤原因包括非法出口、非法入口和分支跳轉(zhuǎn)。

非法出口，是指存在某條路徑，可以從并發(fā)單元內(nèi)的某個節(jié)點直接到達并發(fā)單元外的某個節(jié)點。如圖3（b）所示，一個有非法出口的并發(fā)單元由并發(fā)單元內(nèi)的流程節(jié)點B可以直接到達并發(fā)單元外的流程節(jié)點E。

非法入口，是指存在某條路徑，可以從并發(fā)單元外的某個節(jié)點直接到達并發(fā)單元內(nèi)的某個節(jié)點。如圖3（c）所示，一個有非法入口的并發(fā)單元由并發(fā)單元外的流程節(jié)點A可以直接到達并發(fā)單元內(nèi)的流程節(jié)點C。

分支跳轉(zhuǎn)，是指存在某條路徑，可以從某個分支直接到達同一個并發(fā)單元中的另一個分支。如圖3（d）所示，一個分支間存在跳轉(zhuǎn)的并發(fā)單元由并發(fā)開始節(jié)點A有兩條完全不重合的路徑可以到達并發(fā)單元內(nèi)的流程節(jié)點C。

3）其他錯誤：其他可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)錯誤如圖3（e）所示，一個并發(fā)單元的并發(fā)開始節(jié)點A 可以直接到達并發(fā)結(jié)束節(jié)點D；又如圖3（f）所示，由流程節(jié)點A，B，C，D組成了一個環(huán)，工作流實例一旦進入該環(huán)中，將一直在流程節(jié)點A，B，C，D之間循環(huán)執(zhí)行，系統(tǒng)產(chǎn)生死循環(huán)，導致工作流實例不能正常結(jié)束。

2.2 結(jié)構(gòu)驗證算法

工作流模型可以看做是一個有向圖，利用深度優(yōu)先搜索的思想，對該有向圖進行遍歷，能夠檢測出存在的結(jié)構(gòu)性錯誤。結(jié)構(gòu)驗證算法基于矩陣模型和深度優(yōu)先搜索，能夠檢測出典型的結(jié)構(gòu)性錯誤。該算法的流程圖如圖4所示。

1）初始化變量。

初始化節(jié)點總數(shù)n，并規(guī)定開始節(jié)點的編號為0，結(jié)束節(jié)點的編號是n-1，其他節(jié)點編號按照層次遍歷的順序從1 開始逐一遞增。初始化矩陣變量matrix［n，n］，visit［n，max］和info［n，3］。其中：

matrix［n，n］表示工作流模型中的節(jié)點間關系。visit［i，j］表示節(jié)點i到j之間的邊執(zhí)行情況，0表示未執(zhí)行，1表示已執(zhí)行，工作流實例執(zhí)行之前所有的邊都是未執(zhí)行的。info［i，0］表示節(jié)點i是否已遍歷，0表示未遍歷，1 表示已遍歷；info［i，1］表示節(jié)點i 入邊個數(shù)，info［i，2］表示節(jié)點i的出邊個數(shù)。

2）驗證節(jié)點可達性。

通過遞歸算法遍歷節(jié)點，驗證info［0...n-1，0］是否都是1，如果存在0的情況，假如info［i，0］為0，那么說明無法找到一條路徑從開始節(jié)點到達節(jié)點i，即存在不可達節(jié)點；如果info［0...n-1，0］都是1，則驗證通過。接下來驗證第二部分，采用相同的算法，但是傳入?yún)?shù)matrix 時，選擇傳入他的變形矩陣antiMatrix［n，n］，其中：

驗證從結(jié)束節(jié)點能否逆向到達所有節(jié)點，即驗證對于每一個節(jié)點都能至少找到一條路徑能到達結(jié)束節(jié)點。

圖3 結(jié)構(gòu)性錯誤實例Fig.3 Examples of structural errors

圖4 結(jié)構(gòu)驗證算法流程圖Fig.4 Flow chart of structure verification algorithm

3）驗證是否存在非法的并發(fā)單元、死循環(huán)等錯誤。

并發(fā)單元的驗證主要依據(jù)并發(fā)單元的并發(fā)入口和并發(fā)出口的一對一的關系，且并發(fā)入口先于并發(fā)出口出現(xiàn)。因此，如果發(fā)生以下情況，則說明存在非法并發(fā)單元：并發(fā)出口先于并發(fā)入口出現(xiàn)；并發(fā)入口對應多個并發(fā)出口，或并發(fā)出口存在多個并發(fā)入口；并發(fā)入口與并發(fā)出口直連。

為了達到上述驗證目的，定義了一個遞歸函數(shù)，其偽代碼如下：

Algorithm 1：結(jié)構(gòu)性驗證算法

Input：

id：當前遍歷節(jié)點的編號，初始為0

matrix［n，n］：該有向圖的鄰接矩陣

info［n，3］：info［i，1］表示節(jié)點i 入邊個數(shù)，info［i，2］表示節(jié)點i的出邊個數(shù)

dict［key，val］：dict中保存了所有的并發(fā)單元入口，并發(fā)單元出口的鍵值對［key，val］

stack：保存并發(fā)單元入口

Output：

errorInfo：記錄可能發(fā)生錯誤的節(jié)點編號

1：if（info［i］［2］＞1）then

2：curKey ←id//curKey表示當前并發(fā)單元入口

3：if（dict中不存在curKey）then

4：dict ←［curKey，-1］

5：curKey入棧stack

6：endif

7：endif

8：if（info［id］［1］＞1）then

9：curVal ←id//curVal表示當前并發(fā)單元出口

10：if（dict中存在curKey）then

11：if（dict［curKey］不存在對應的val）then

12：dict［curKey］←curVal

13：if（并發(fā)入口與并發(fā)出口直連）then

14：errorInfo ←curVal//出現(xiàn)錯誤

15：endif

16：curKey 從stack 出棧//表示當前并發(fā)單元入口已找到出口，配對完成

17：else if（dict［curKey］！=curVal）then

18：errorInfo ←curVal//當前并發(fā)單元入口，存在多個出口，出現(xiàn)錯誤

19：endif

20：else then

21：errorInfo ←curVal//當前并發(fā)單元出口，不存在入口，出現(xiàn)錯誤

22：endif

23：endif

24：for（與節(jié)點id存在聯(lián)系的所有節(jié)點i）

25：if（節(jié)點id到節(jié)點i之間的邊未遍歷過）then

26：遞歸調(diào)用本算法，其中參數(shù)id傳入i

27：endif

28：endfor

2.3 算法分析

根據(jù)文獻［16］中的相關表述，表1 中對常見的工作流結(jié)構(gòu)驗證算法進行了比較。其中N/A表示無法從文獻中獲知。

表1 結(jié)構(gòu)驗證算法比較表Table1 Structure verification algorithm comparison table

由表1可知，相比其他算法，本算法可以驗證節(jié)點不可達、非法并發(fā)以及死循環(huán)等常見的結(jié)構(gòu)性錯誤，算法的時間復雜度不高，并且實現(xiàn)相對簡單。

3 應用

3.1 燃料信息管理系統(tǒng)

火力發(fā)電企業(yè)燃料信息系統(tǒng)中，存在很多審批流程，審批流程中存在多個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)的操作都是類似的，只是操作順序或者操作角色不同。隨著需求的變動，審批流程需要經(jīng)常變更，系統(tǒng)開發(fā)人員需要針對流程的變更，更改原先的審批流程代碼，給系統(tǒng)帶來了不穩(wěn)定性，也增加了開發(fā)人員的負擔。因此針對這種情況，設計了工作流管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動控制審批流程的自動流轉(zhuǎn)，即使更改審批流程，也不需要系統(tǒng)開發(fā)人員更改代碼，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

管理員設計工作流的具體執(zhí)行步驟，即定義工作流模型，定義結(jié)果將保存在數(shù)據(jù)庫中，作為工作流實例自動流轉(zhuǎn)的依據(jù)。模型設計器的工具欄中，提供了組件繪制功能，通過鼠標的點擊和拖拽動作便可完成設計，工具欄中還提供了清空，撤銷和與XML 文件相互轉(zhuǎn)換等輔助功能。模型設計器界面如圖5所示。

圖5 模型設計器界面示意圖Fig.5 Workflow engine designer interface

工作模型在保存之前，將進行合理性驗證，如果通過驗證則保存到數(shù)據(jù)庫中，否則不予保存。如果審批流程需要變更，只需更改在模型設計器中做簡單調(diào)整即可，不需要對系統(tǒng)代碼進行更改，但是之前正在執(zhí)行的工作流實例必須重新開始執(zhí)行。

3.3 審批流程

由具有指定權限的用戶“提交”審批，之后便啟動了一個合同審批流程的實例，該實例按照已定義的工作流模型開始執(zhí)行。對于系統(tǒng)中所有相關用戶，都存在一個待處理審批流程頁面，當某個工作流實例流轉(zhuǎn)到該用戶可處理的節(jié)點時，頁面就會顯示這個工作流實例，該用戶就能對這個實例進行審批操作。在審批過程中，可以看到工作流的詳細執(zhí)行情況，如圖6 所示，在已執(zhí)行節(jié)點上可以顯示該節(jié)點歷史執(zhí)行記錄，頁面右側(cè)顯示了該工作流實例的歷史執(zhí)行情況。

圖6 某工作流實例執(zhí)行情況界面Fig.6 Workflow instance execution interface

4 結(jié)語

企業(yè)中某些業(yè)務流程只需要基本的“通過”和“退回”功能，如果采用成熟的商業(yè)或開源工作流產(chǎn)品，將造成成本較高，集成復雜以及系統(tǒng)不兼容等問題，本文針對這類簡單的業(yè)務流程設計和實現(xiàn)了輕量級的工作流管理系統(tǒng)可以有效解決該問題。由于設計的工作流管理系統(tǒng)在工作流模型定義，模型結(jié)構(gòu)性驗證方面存在一定的局限性，未來可以在模型設計器中，增加“或分支”功能，用于指示工作流中的并發(fā)單元是條件選擇關系，還是并發(fā)執(zhí)行關系。