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基于Petri网的工作流模型在物流管理系统中的应用

作　者: 王永磊
导　师: 周启海
学　校: 西南财经大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 工作流模型 Petri网随机Petri网时间Petri网建模性能分析
分类号: TP311.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

工作流的概念起源于生产制造业与办公自动化领域,是针对日常工作中具有固定程序的活动提出的一个概念。将工作流引入企业日常工作给企业带来诸多好处：提高效率——自动化使得商业流程减少了许多不必要环节；更好的流程控制——通过工作方法标准化和实现审核追踪来加强对商业过程的管理；改善客户服务——流程的连贯性使得企业可以对客户的不同层次响应进行更好的预测；适应性——允许重新设计流程的软件与持续变化的商业需求一致；改进商业流程——重视商业流程而使它们更为精简有效。根据工作流管理联盟提出的工作流系统体系结构,一个完整的工作流管理系统是由建模工具、工作流机(工作流服务器)、管理工具及用户界面构成的分布式结构。从体系结构来看,工作流模型是整个系统的基础,它的确定性保证了系统内各组成部分之间交互的一致性,也决定了工作流系统从设计开发到运行实施的诸多环节,不同的工作流模型形成不同的工作流系统。早期具有工作流管理功能的系统中,工作流程的表示缺乏柔性,导致模型修改的困难。后来逐渐出现了借用有向图、Petri网、对象模型的形式语言文法表示以及基于目标的知识表示等工作流系统。目前工作流建模的方法主要有数据流图(DFD)、功能语言IDEF系列,Petri网和统一建模语言UML等。数据流图可理解性强,有较好的计算能力,但是缺乏抽象机制；功能语言IDEF系列能用图形非常清晰、分层次地描述过程的功能,但缺乏动态分析能力；UML对用户友好,以用例捕获用户需求,在描述静态结构方面优秀,但UML描述的系统模型目前缺乏严密有效的验证和分析方法。Petri网具有形式化的严密性,具有较强的动态行为描述及分析能力,容易进行系统动态行为模拟。Petri网是完全从过程的角度出发为复杂系统的描述与分析而设计的一种有效模型工具。它在描述并发、冲突、同步等重要行为现象上所表现出的优势,以及具有形式化步骤与数学图论相支持的理论严密性,特别是其图形表达的直观性和便于编程实现的技术特点,尤适合工作流领域的建模需求。Petri网最早由德国科学家Carl Adam Petri于二十世纪六十年代初提出,它是一种图形化的数学建模工具,可用来描述和分析具有并发性、异步性、并行性、非确定性和分布式等特点的信息处理系统。Petri网的图形化的表示方法使其直观、易理解,Petri网的数学理论基础使其可以深入分析系统的行为和性质。近四十年来,Petri网理论得到快速发展,在Petri网理论不断充实和完善的同时,在应用方面也获得了很大发展。作为研究离散事件动态系统的一种有力工具,其应用范围已超出计算机科学领域,包括性能评价,通信协议,分布式软件系统、分布式数据库系统、并发和并行计算、柔性制造与工业制造系统、离散事件系统、多处理机系统、数据流计算、容错与故障诊断系统、逻辑推理、办公自动化系统、形式语言、人一机系统、神经元网络和决策模型等。Petri网易于表示系统变化发生条件及变化发生变化后的系统状态以研究模型系统的组织结构和动态行为为目标,它着眼于系统中可能发生的各种状态变化以及变化之间的关系。Petri网是由两类元素所组成的：表示状态的元素和表示状态变化的元素。它是用库所表示前者,用变迁表示后者。库所的作用是决定变迁能否发生,变迁的作用是改变状态。两者之间的这种依赖关系用有向弧表述出来就是一个Petri网。在使用Petri网描述工作流模型时,用变迁节点表示任务,库所节点表示任务之间的顺序关系,而库所节点的标识则用来表示与任务相关的工作流中的资源信息。同时以变迁的触发代表任务的实际执行(即活动),而弧表达式则可用于表示活动的逻辑。根据工作流模型的基本结构,我们引入四种工作流Petri网模型执行的基本结构,它们分别是串行、并行、循环和选择结构。工作流Petri网准确地区分了活动的使能与活动的执行两种状态。被使能的活动要真正被执行,必须具备相应的触发机制。触发机制可以理解为一种使被使能的活动进入执行状态的外部条件,通常也分为四种类型：自动触发；人工触发；消息触发；时间触发。这四种触发机制被应用于工作流网的定义中,可以使用户直观得了解每个活动是通过哪种触发机制来执行的。我们只要合理地运用好工作流Petri网的几种基本结构和触发机制,就可以建立起一个清晰度和准确度较高的工作流模型。因此对于Petri网而言,工作流管理系统是一个能够充分展示其强大实力的应用领域。通过工作流网的定义,并且利用不同的基本组件和触发机制,可以将一个复杂的过程清晰准确地反映出来。对于比较简单的企业业务过程可以用普通Petri网描述,此时库所节点的标识只是简单表示业务过程的一次执行。而对于复杂的业务过程,普通Petri网就不能有效而正确地描述。这个问题可以有两种办法解决：一种是使用高级Petri网(如着色Petri网、赋时Petri网等),此时库所节点的标识就不再是简单地表示业务过程的一次执行,而是有其特定的语义。另一种方式是根据实际的应用领域定义相应的Petri网模型,典型的C.A. Ellis定义的信息控制网ICN(Information Control Net)和W.M.P. Vander Aalst定义的工作流网(WF-Net).本文主要研究基于Petri网的工作流管理系统建模和性能分析。在建模方面,主要是采用了基于工作流网(WF-net)的建模方法,并利用细化理论和基本组件对大型、复杂的企业应用管理系统进行层次化建模,提高了工作流建模过程的灵活性和有效性。具体来说,以一个物流管理系统为实际背景,利用本文前面讨论的工作流Petri网建模技术完成对物流管理的工作流建模。论文分析了物流管理系统的实际流程,总结了销售、财务、运务等部门在销售活动中的活动,提出用工作流Petri网模型对其进行建模。把各部门的活动概括为变迁,从而构造成基本的Petri网。由于基本Petri网在实际应用中存在的不足,我们对构造的模型进行分析并逐层细化,使其更符合实际情况。论文的最后总结了论文的研究成果,分析了论文尚存在的不足,指出了作者以后的研究方向,提出了进一步的研究目标与展望。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-11
前言  11-13
1 工作流技术概论  13-29
  1.1 工作流技术的产生和发展  13-15
  1.2 工作流的基本概念  15-17
  1.3 工作流管理系统  17-25
    1.3.1 工作流技术的标准化组织  17-18
    1.3.2 工作流管理系统的定义  18
    1.3.3 工作流模型和过程定义元模型  18-20
    1.3.4 工作流管理系统参考模型  20-25
  1.4 工作流管理系统体系结构  25-29
2 PETRI网理论概述  29-40
  2.1 PETRI网的产生  29-30
  2.2 PETRI网的定义和性质  30-33
    2.2.1 Petri网的定义  30-32
    2.2.2 Petri网的性质  32-33
  2.3 PETRI网的结构和变迁  33-34
    2.3.1 Petri网的结构  33-34
    2.3.2 Petri网的变迁  34
  2.4 几类基于扩展的PETRI网介绍  34-40
    2.4.1 经典Petri网的局限性  34-35
    2.4.2 有色Petri网  35-37
    2.4.3 时间Petri网  37-38
    2.4.4 随机Petri网  38-40
3 基于PETRI网的工作流模型  40-54
  3.1 PETRI网在工作流建模中的优势  40-44
  3.2 工作流PETRI网模型的定义  44
  3.3 工作流PETRI网模型的基本结构  44-47
  3.4 工作流PETRI网模型的触发机制  47
  3.5 工作流PETRI模型性质分析  47-54
    3.5.1 工作流Petri模型正确性分析  48-49
    3.5.2 工作流Petri模型时间性能分析  49-54
4 基于PETRI网的工作流模型的应用  54-75
  4.1 物流管理系统分析与设计  55-64
    4.1.1 系统的设计目标  55
    4.1.2 系统的体系结构  55-57
    4.1.3 系统的功能模块  57-59
    4.1.4 工作流管理系统设计  59-64
  4.2 基于PETRI网的工作流建模  64-75
    4.2.1 系统的主体业务流程  64-66
    4.2.2 物流出货模型  66-68
    4.2.3 层次化的Petri网  68-69
    4.2.4 引入层次化建模理论后的工作流模型  69-72
    4.2.5 模型时间性能分析  72-75
参考文献  75-77
后记  77-78
致谢  78-79
在读期间科研成果目录  79-80

基于Petri网的工作流模型在物流管理系统中的应用

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