工学硕士学位论文
基于工作流的型号产品图档流转过程
监控与管理技术研究
张云翔
哈尔滨工业大学
2007年7月
国内图书分类号：TP391.73 国际图书分类号：621.7
工学硕士学位论文
基于工作流的型号产品图档流转过程
监控与管理技术研究
硕 士 研究生：张云翔
导 师：金天国 副教授 申 请 学 位：工学硕士
学 科、专 业：航空宇航制造工程 所 在 单 位：机电工程学院 答 辩 日 期：2007年7月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TP391.73 U.D.C: 621.7
Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON SPACE PRODUCTS’ DRAWING PROCESS MONITORING AND MANAGEMENT TECHNOLOGY
BASED ON WORKFLOW
Candidate: Supervisor:
Academic Degree Applied for: Specialty:
Zhang Yunxiang
Associate Prof. Jin Tianguo Master of Engineering
Aeronautical and Astronautical Manufacturing Engineering
School of Mechatronics EngineeringAffiliation:
July, 2007 Date of Defence:
Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology
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摘要
图档是型号产品信息的最重要载体。图档的管理是生产协同管理的重要途径，也是航天企业向数字化工厂迈进过程中不可或缺的重要一环。一套运用柔性工作流机制的图档监控与管理系统可以大大提高产品从设计、工艺到生产全过程的管理效率，对于缩短产品生产周期、降低企业运作成本、提高企业的竞争能力有重要的作用。本文根据航天科工集团第二研究院敏捷制造项目技术准备与过程管理子项目的需求，研究了航天企业型号产品图档流转过程的监控和管理方法。
研究了基于柔性工作流概念管理图档流程的基本理论和建模方法，基于集合论原理完成了图档流转工作流模型的数学定义，在此基础上，建立了图档流转过程管理的总体模型、过程模型、组织模型、任务模型和动态监控模型；根据图档管理工作的特点，对图档流转过程中的活动进行了分类，并确定了活动之间的连接方式，使用活动网络图来建立具有柔性机制的工作流过程模型，实现过程模型的图形化表达。
研究了图档流转过程模型的运行控制机制，设计了相应的过程、活动和变迁算法，实现了整个图档流程的柔性动态定制；设计了驱动整个监控与管理系统运行的工作流引擎；针对生产协同中图档管理的若干问题提出了图档版本集成模型和任务分配算法。
以关系数据库理论为基础，建立了支持工作流过程柔性定制和过程模型自动执行的数据模型；在SQL Server关系数据库系统的环境下，采用数据层、应用层、界面层的三层体系结构，利用Delphi 6开发了型号产品图档流转过程监控与管理系统，实现了企业对于图档流转过程的柔性管理要求。
关键词 流程定制；活动网络图；柔性工作流；生产协同
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Abstract
Drawing is the most important carrier of space products’ information. Drawing management is an important way for collaborative production management, and it is an indispensable part for aerospace enterprises striding forward digital factory as well. A drawing monitoring and management system which has flexible workflow mechanism will greatly improve management efficiency from product design, process to the entire manufacturing process, and have an important role in shortening manufacture cycle, reducing business operating cost, enhance the competitiveness of the enterprises. This paper bases on the demand of technology preparation and process management which is the agile manufacturing branch item of No.2 Academe of China Aerospace Science & Industry Corp, space products’ drawing process monitoring and management method for astronautical enterprise is researched in this paper.
Basic theory and modeling method based on the flexible workflow concept of drawing process management is researched, mathematical definiens for drawing process workflow model is achieved based on set theory, based on which the overall model, process model, organization model, task model and system monitoring model of drawing process management are established. According to the features of drawing process management, the activities in drawing process are classified, and the methods of links between activities are identified. The activity network diagram is used to establish workflow process model which has flexible mechanism, and process model graphic expression is achieved.
The operation control mechanisms of drawing process model is researched, corresponding process, activity and change algorithm are designed, the flexible dynamic customization is achieved. The workflow engine which drives the whole monitoring and management system to work is designed. For some problems of drawings management in collaborative production, the drawing versions integrated model and task assignment algorithm is raised.
Based on the relational database theory, a data model which is support for the workflow process flexible customization and process model automatic
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implementation is established. In SQL Server relational database system environment, the three-tier architecture of the data layer, the application layer and the interface layer is adopted to develop the space products’ drawing process monitoring and management system with Delphi 6, flexible management requirement for drawing process of enterprise is achieved.
Keywordsprocess customization, activity network diagram, flexible workflow,
produce collaboration
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目录
摘要.......................................................................................................................I Abstract................................................................................................................II
第1章 绪论.........................................................................................................1 1.1 课题来源及研究的目的和意义.................................................................1 1.2 国内外的研究现状....................................................................................2 1.2.1 柔性工作流系统的研究现状..............................................................2 1.2.2 图文档管理工作流技术的研究现状..................................................3 1.2.3 业务协同工作流技术的研究现状......................................................4 1.3 课题的主要研究内容................................................................................5 第2章 柔性工作流与图档管理理论分析..........................................................6 2.1 引言............................................................................................................6 2.2 柔性工作流技术概述................................................................................6 2.2.1 柔性工作流的定义..............................................................................6 2.2.2 工作流基本术语及相互关系..............................................................7 2.2.3 柔性工作流管理系统..........................................................................8 2.3 型号产品图档监控与管理分析...............................................................10 2.3.1 型号产品图档的特点........................................................................10 2.3.2 数字化工厂中的图档管理................................................................11 2.4 系统中柔性工作流的应用分析和体系结构...........................................13 2.5 本章小结..................................................................................................14 第3章 流程监控与管理过程的建模................................................................15 3.1 引言..........................................................................................................15 3.2 图档流转过程的总体建模.......................................................................15 3.3 图档流程工作流模型的数学表达...........................................................16 3.3.1 过程模型的数学表达........................................................................17 3.3.2 组织模型的数学表达........................................................................18 3.3.3 任务模型的数学表达........................................................................19 3.4 基于柔性工作流的图档流程建模...........................................................20 3.4.1 图档流转的过程建模........................................................................20
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3.4.2 图档流转过程的组织建模................................................................22 3.4.3 图档流转过程的任务建模................................................................23 3.5 图档流转过程的监控模型.......................................................................25 3.6 支持图档流程柔性定义的工作流建模...................................................26 3.6.1 基于活动网络图的工作流过程建模................................................27 3.6.2 工作流过程建模对过程运行的支持................................................29 3.7 本章小结..................................................................................................31 第4章 流程监控与管理的柔性控制方法........................................................32 4.1 引言..........................................................................................................32 4.2 图档流转过程的柔性控制方法...............................................................32 4.2.1 图档流转过程的实例化....................................................................32 4.2.2 图档流转过程的核心调度算法........................................................33 4.2.3 图档流转过程中活动的控制算法....................................................35 4.2.4 支持图档流程动态更改的变迁算法................................................36 4.3 柔性工作流引擎的设计...........................................................................38 4.3.1 工作流引擎的功能分析....................................................................38 4.3.2 工作流引擎的组成结构....................................................................39 4.3.3 工作流引擎的工作方式....................................................................40 4.4 图档管理中的生产协同问题研究...........................................................41 4.4.1 流程运行中的图档版本控制............................................................42 4.4.2 图档任务的分派算法........................................................................43 4.5 本章小结..................................................................................................47 第5章 图档流程监控与管理系统的开发实现................................................48 5.1 引言..........................................................................................................48 5.2 开发环境及开发工具的选择...................................................................48 5.3 系统体系架构..........................................................................................49 5.4 流程运行控制的数据建模.......................................................................52 5.5 各功能模块的开发和实现.......................................................................53 5.5.1 图档管理模块...................................................................................53 5.5.2 资源管理模块...................................................................................55 5.5.3 流程管理模块...................................................................................57 5.5.4 系统管理模块...................................................................................59 5.6 本章小结..................................................................................................60
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结论.....................................................................................................................61 参考文献.............................................................................................................62 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明......................................................66 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书......................................................66 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理..........................................................66 致谢.....................................................................................................................67
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第1章 绪论
1.1 课题来源及研究的目的和意义
随着以敏捷制造、智能制造、并行工程和虚拟制造为主要特征的数字化工厂的兴起[1]，制造业的设计方法、产品结构、生产方式、工艺设备以及组织结构都发生了巨大变化[2]。同时，制造企业的管理理念也发生了巨大变革，管理信息系统、产品数据管理、企业资源管理等一批全新的管理模式和方法率先得到迅速推广和应用，极大提高了我国制造业的整体竞争能力[3]。
如此众多的新概念、新技术的推广使得制造业的生产协同管理问题日趋突出。在企业日常生产中，设计、工艺和生产数据最终都要以图纸文档的形式保存并流转，因而，图档电子化管理是数字化工厂生产协同管理必不可少的组成部分。在大多数制造企业中，各级工艺及生产人员都会花费相当多的时间在等待方案的上报、审批、下发等意见上。这些必不可少又相当程序化的过程大大拖延了产品的设计和生产速度。这正是由于各单位对图档无法进行有效的监控和管理，工作流程僵化、缺乏必要的柔性，同时各主要部门之间缺乏协同，导致整个工作流程暂时瘫痪所致[4,5]。
传统的管理信息系统主要对企业的结构化数据进行管理[6]，面对越来越多的、如各种图档文件的非结构化数据，则缺乏有效的管理方法。而类似产品数据管理(PDM)这样的产品对于图文档的管理虽已达到了一个相对成熟的水平，但是大部分产品针对的却是设计过程的数据管理，在生产过程的协同和柔性管理方面仍然处于起步阶段，少有令人满意的面向生产过程的相关管理系统。对于工作性质比较特殊的航天研究所等单位，则更是难以满足其需要。
因而，针对航天制造企业研发一套图档电子化管理系统[7]，以方便地对图档文件的流转过程进行监控和管理，提高制造企业工艺与生产部门在生产过程中的协同能力，实现对重要设计图档的长期安全保存以及提高整个生产单位的运作效率已经是迫在眉睫的任务。
本课题来源于航天二院敏捷制造项目技术准备与过程管理子项目。 本课题的研究目的是以柔性工作流为技术支撑、以图档管理为实现目标、以未来数字化工厂的协同生产为发展方向，通过学习制造企业现有的图
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档管理思想和技术，针对其中的不足，经过必要的改进、补充之后，研究一种对于制造企业具有一定通用性、主要针对航天企业的图档管理技术并开发一套原型系统，以便对型号产品图档流转过程进行监控与管理，进而提高整个单位的生产效率。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1 柔性工作流系统的研究现状
早在八十年代中期，FileNet、ViewStar等公司率先开拓了工作流产品市场，成为最早的一批工作流产品[8]。进入九十年代，工作流技术的标准化组织——工作流管理联盟(Workflow Management Coalition, WfMC)在工作流管理系统的相应术语、体系结构及应用程序编程接口等方面都定制了一系列的标准。它给出了工作流的定义，还指出工作流管理系统由过程（工作流）建模工具、工作流引擎(Workflow Engine)、任务表管理器、用户界面及相关的应用和数据组成[9]。
目前，工作流技术正在经历从刚性向柔性的变革，这种变革源自企业在发展过程中不断出现的许多柔性生产、管理需求[10~12]。
Web Sphere MQ工作流是IBM的最新工作流产品[13]。该系统采用3层体系结构：数据库层、运行服务器、建模部分层和客户端层。该工作流在实现方面的特点是：使用IBM的消息队列产品MQ Serise为底层支持，整个系统通过消息队列进行通讯；支持柔性分布式的多服务器；基于标准的面向服务体系，便于与BPM等解决方案进行集成。
佐治亚大学计算机系的Meteor系统是具有自适应能力的柔性工作流管理系统。该系统采用了完全分布的体系结构，并实现了对工作流任务的分布调度。Meteor还提供了一个自动的代码生成器，能够自动地将图形化的工作流模型转换为实际运行代码，并能对模型进行动态修改，可有效地支持企业实现动态经营过程重组[14,15]。
清华大学的范玉顺教授设计开发了一个完整的工作流系统——CIMFlow[16]，系统包括建模工具、工作流引擎、管理工具、用户界面和其他支撑组件（底层通信基础、数据库等）。其他院校和研究所也有许多的相关研究，比如工作流模型的建立[17]、工作流引擎[18]、工作流监控等方面的具体实现[19]。
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目前对柔性工作流技术的研究正在向更深层次进行，目的有两个：一是为柔性工作流技术发展解决理论上的问题，探讨柔性工作流模型和语义的形式化表示方法等；二是从工作流实现技术的角度加强对于工作流柔性的处理和控制[20~22]。
1.2.2 图文档管理工作流技术的研究现状
随着工作流理论及具体技术的逐步完善，很多研究单位开始将其应用于图文档管理领域，并且取得了一定的成果。
中国矿业大学的管廷昭教授等将工作流技术集成运用到工程图纸设计系统中[23]，根据计算机网络集成环境下的协同设计需求，提出了一个基于即时消息的协同图档系统。系统分析了协同设计中的消息交流机制，给出了消息服务器和消息客户端，以及电子邮件监测的功能模块的实现方法，并说明了相互之间的合作过程，使设计人员在整个设计过程中更好地合作，从而使工作流程的运行更加高效、及时。
四川大学的武超教授等结合PDM工作中的研究与实践[24]，将工作流的计算模型应用于图文档管理系统中，建立了产品设计及更改的工作流模型，研究了流程中图档的状态控制，提出了一个基于工作流技术的图文档管理系统模型（见图1-1）并开发出了一个相关的管理系统，成功地应用于企业。
图1-1 基于工作流技术的图文档管理系统结构
Fig.1-1 Structure of documents management system based on workflow
而在国外，韩国汉城国立大学的Hyerim Bae，Yeongho Kim教授等[25]
考虑把一个工作流管理系统和电子文档管理系统整合起来。他们发展出了一个文档管理模型，能够自动地进行工作流文档的版本控制。这使得整合任何现有的电子文档管理系统和工作流管理系统的想法成为可能。另外，波兰的
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W. Staniszkis教授[26]，德国的K. Drira，M. Molina教授[27]等很多知名学者都对工作流管理系统和电子文档管理系统的整合运用做过大量的研究，得到了很有价值的研究成果。
虽然现在国内外市场上运用工作流技术的电子图档管理系统已经层出不穷，但是大部分产品仍然把主要精力放在处理文档方面，而对于包含大量图文内容的图档文件则略显力不从心。少数拥有令人满意的图档处理能力的产品不仅价格昂贵，而且主要针对各大企业研发，又或者核心技术握在境外产品提供商手中。对于工作性质比较特殊、保密要求较高且工作过程需要极高灵活性的航天研究、制造单位，目前从市场上难以得到合适的相关产品。
1.2.3 业务协同工作流技术的研究现状
由于工作流技术可以使企业全部或者部分业务流程实现自动化，并实时监控、管理进行中的工作，合理安排企业各资源的工作量，因而工作流管理技术是实现企业业务协同管理的支撑技术。
国内厂家清软英泰开发了基于产品全生命周期管理的TiPLM系统[28]。该系统工作流管理模块的特点在于：通过同步式、分散式与整合式的工作流运作模式，将企业内、外部协同合作参与到产品设计制造的每一个步骤，可大幅提升设计研发的速度与质量，达到缩短产品研发周期、有效利用已有的知识积累及快速响应客户需求等目标。该系统在大同机车获得了成功运用并广受好评。
浙江大学的裘炅教授等提出了协同设计、文件管理、设计流程相结合的协同图档流程模型CDWFM[29]，定义了CDWFM中的图档文件集，工作流活动及协同图档操作会话集的协同图档操作定义，通过协同图档文件操作规则和协同图档流程处理描述了CDWFM的管理模式。通过对活动间的协同操作规则计算出文件操作冲突集合，并结合活动时间调整、增加附加活动、文件临时化操作等规则给出了操作冲突解决算法，很好地解决了多流程下对复杂关系图档集合的协同操作。
在将工作流技术运用于企业协同生产与管理领域时，各研究开发单位往往忽视图档与生产过程之间的协同关系，注意力集中在各生产部门之间的协同，没有认识到图档的成功管理可以极大提高企业生产协同能力。如果可以把图档管理作为对生产过程进行管理的一种手段，将可以给企业的协同管理提供一种新的思路。
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1.3 课题的主要研究内容
本课题的主要研究内容包括：
(1)针对航天设计、制造企业业务流程，建立资料发放与监控过程模型，完善流程各节点，提高型号产品图档的管理效率。
(2)设计针对柔性工作流系统的工作流引擎，完善流程驱动算法，实现不同图档流程的任意定制，提高图档流程工作流系统的灵活性和动态性。
(3)建立基于项目的型号产品图档集成模型，以便于图档的统一整理、归档及查询，增强工艺部门与生产部门的协同生产能力。
(4)应用C/S、B/S结构的功能特点和相关技术，开发能够对各种图纸、各种格式的文档进行统一管理的系统软件。
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第2章 柔性工作流与图档管理理论分析
2.1 引言
任何技术的实现都必须立足于一套完整的体系结构，并以与之相适应的技术理论为基础。本章首先从上一章提出的柔性工作流技术出发，分别研究了柔性工作流和柔性工作流管理系统的基本概念和原理，随后对型号产品图档的监控与管理过程作初步分析，并研究了柔性工作流在其中的应用，最后建立了系统的体系结构。
2.2 柔性工作流技术概述
2.2.1 柔性工作流的定义
能够支持工作流变更和异常的系统即可称为具有柔性的工作流系统。在已有研究中，有3个词与这个基本含义相对应，即灵活性、动态性和自适应性。柔性研究的基本内容为业务流程变更和异常。
目前对工作流没有完全统一的定义，对工作流的不同理解形成对它不同的定义。几个有代表性的描述分别来自于工作流管理联盟，Giga Group和国内专家范玉顺教授对它的定义。
工作流管理联盟给工作流下的定义是[30]：工作流是一类能够完全或者部分自动执行的业务过程，它根据一系列过程规则、文档、信息或任务能够在不同的执行者之间进行传递与执行。
Giga Group给工作流下的定义是[31]：工作流是将一组任务组织起来完成某个业务目标的处理过程。它涉及到工作流任务的触发顺序和触发条件。每个任务可以由一个或多个软件系统完成，也可以由一个或一组人完成，还可以是由一个或多个人与软件系统协作完成。任务的触发顺序和触发条件用来定义并实现任务的触发、任务的同步和信息流（数据流）的传递。
清华大学范玉顺教授给工作流下的定义是：工作流是一种反应业务过程的计算机化的模型，它是为了在先进计算机环境支持下实现业务过程集成与业务过程自动化而建立的可由工作流管理系统执行的业务过程。工作流内
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部不提供标准的或内置的处理方法和解决方案，它仅仅提供一套工具软件来对一整套规则和流程进行描述[32]。
一个具有普遍性的看法是：工作流过程包含了过程、组织、角色和规则四大要素，工作流依靠这四大要素建立模型并维持运转。
2.2.2 工作流基本术语及相互关系
图2-1说明了与工作流有关的一些术语及其之间的相互关系[33]。
图2-1 工作流相关术语关系
Fig.2-1 Relationship of nomenclature in workflow
业务过程(Business Process)：是指为了实现某个目标，在部分或者全部组织机构和人员的参与下，在参与者和组织机构之间进行文档、信息、任务的传递或处理而进行的一系列相互关联的活动。
过程定义(Process Definition)：是对业务过程的形式化表示，用来支持系统建模和运行过程的自动化。过程可分解为一系列子过程和活动，其定义主要包括描述过程开始和结束的规则、每个活动的信息、相关的IT应用程序和数据等。子过程可以被过程直接调用。
活动（Activity，也称为步、任务、过程元素）：是组成过程的一个逻辑步骤，也称为工作流的一个环节。根据是否需要人工提供数据或完成某些任务，活动可以分为人工活动和自动活动两类。活动是过程执行中可被工作流引擎调度的最小工作单元，要求有人或机器的参与。
人工活动(Manual Activity)：在业务过程的执行过程中无需借助计算机
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就能实现的活动。
自动活动(Automated Activity)：在业务过程的执行过程中必须借助计算机才能实现的活动。
过程实例／活动实例(Process Instances/Activity Instances)：实际运行中的一个过程／活动。每个实例代表一个能独立控制执行、具有内部状态的线程，可被外界通过标识进行存取访问。
工作项(Work Item)：在过程实例中等待参与者处理的活动实例。
调用的应用(Invoked Application)：活动实例执行过程中被调用的计算机工具或应用。
2.2.3 柔性工作流管理系统
WfMC给工作流管理系统(Workflow Management System, WfMS)下的定义是：工作流管理系统是一种在工作流逻辑形式化表示的驱动下，通过软件的执行实现工作流定义、管理和执行的系统[34]。
为实现系统的互操作，WfMC给出了一个工作流系统参考模型[26]，如图2-2所示。在该工作流系统参考模型中，以工作流执行服务为核心共定义了五类接口与其它构件进行交互。
图2-2 工作流系统参考模型 Fig.2-2 Workflow reference model
同时，WfMC也给出了一个工作流管理系统的通用框架，如图2-3：
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图2-3 工作流管理系统的通用框架
Fig.2-3 Universal structure of workflow management system
一个实用的工作流管理系统一般都提供3种功能，具体关系如图2-4所示[25]：
图2-4 工作流管理系统的特性
Fig.2-4 Characteristic of workflow management system
(1)建立阶段功能 主要考虑工作流过程和相关活动的定义和建模功能。过程建模是业务过程分析与业务过程重组的重要基础。过程建模主要解决如何根据过程目标和系统约束条件，将系统内的活动组织为适当的业务过
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程的问题[35]。
(2)运行阶段的控制功能 在一定的运行环境下，执行工作流过程，并完成每个过程中活动的排序和调度功能。
(3)运行阶段的人机交互功能 实现各种活动执行过程中用户与IT应用工具之间的交互。
柔性工作流管理是一种既能够有效控制和协调复杂而多变的业务过程的执行，又能够实现人与应用软件之间交互的信息技术手段。柔性工作流管理的目标是既要像正常的工作流管理那样提供过程支持，也要能够处理一定的变化。采用了柔性技术的管理系统能够快速而准确的应对新技术、新法规和新市场需求可能导致的工作流过程定义的变化，这些变化既可以是特殊的个体的变化也可以是工作流过程的再设计。
柔性工作流管理的最大优点是将应用逻辑与过程逻辑分离，在不修改具体功能的情况下，通过修改过程定义模型改变系统功能，完成对生产经营部分过程或全过程的动态柔性管理，可有效地把人、信息和应用工具合理地组织在一起，发挥系统的最大效能。柔性工作流技术可使企业实现对经营管理和生产组织的过程重组，提高现代企业应对信息传递过程复杂多变等情况的处理方法和手段。
2.3 型号产品图档监控与管理分析
2.3.1 型号产品图档的特点
型号产品的特点在于其批量小、种类多、结构复杂且质量要求极高，这使其在整个生产过程中需要频繁且大量地修改设计、工艺参数，涉及到的部门、人员众多，作为参数载体的图档文件更是需要不断流转以便承载各种信息。由于每一份图档的修改内容具有不确定性，因而流转过程的每一步所涉及到的部门和人员也都不尽相同，这就造成了大多数图档的流转过程不能按照企业标准的图档流转过程进行，需要专人为其安排特定的流程，这便是型号产品图档区别于其它图档的最大不同，所以图档的流程动态定制与管理也就显得非常重要。
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2.3.2 数字化工厂中的图档管理
在传统的制造企业中，生产部门很难将工艺数据和设计部门的设计数据统一协调。因而，对于未来的数字化制造企业来说，所需要的信息平台应该是一个集产品数据、工艺规划和生产计划于一体的系统，在这个系统上，所有的产品数据、工艺数据以及生产计划都可以量化地进行分析，根据工艺规划的要求以及工厂实际的资源进行生产分配，所有的工艺信息可以在企业内部和整个供应链环节中由所有相关人员所共享。由于图档是各种数据的主要表现形式，所以通过对图档的成功管理就可以在很大程度上实现数字化工厂的上述要求（数字化工厂对信息平台的要求见图2-5[36]）。
图2-5 数字化工厂中的图档管理 Fig.2-5 Drawing management in digital factory
从功能角度来看，型号产品图档管理要解决两方面的问题[37]：图档的静态管理和图档的动态管理。
静态管理实际上就是工作中图档的档案管理。主要解决图纸的查询、矢量化扫描等问题。通过建立企业或行业内部的通用图库来实现知识的复用。
动态管理实际上就是工作流的柔性管理，解决的是上述的日常工作中面向生产的图档流转过程管理问题，实现图档整个生命周期的管理。
从管理对象角度来看，型号产品图档管理应具备以下能力：
(1)安全管理 提供全方位安全控制手段，从用户管理、功能模块授权、组织结构定义等方面对系统中的安全性加以控制。
(2)电子仓库 电子仓库中包含两方面的信息：一是有关项目、产品数据的基本信息，一是各类电子图档数据，通过各种技术手段，电子仓库在维持数据的一致性同时便于进行各类信息的增加、修改、删除、查询等操作。
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(3)图档管理 图档管理包括版本控制和状态维护，能够对一份图档文件从生成到归档的整个过程进行管理，维护数据的完整性，并对产品生命周期各阶段图文档的严格管理提供最大的便利性。
(4)工作流程管理 工作流程管理需实现图档任务的自动分发和项目的控制，按项目方式对图档数据进行管理，同时提供任务属性管理、任务人员管理、任务资源管理等功能。该功能模块还需提供可视化的流程定义工具等。灵活的流程定义工具，可以减少图档监控与管理系统实施的时间，同时在企业的业务模式发生改变时，通过工具能快速对系统进行改造。
综上所述，型号产品图档管理并不仅仅局限于目前企业资料室的管理内容，不能以目前类似于图书馆的方式对其进行设计。一个现代化的图档管理系统应当而且必须成为一个制造企业生产管理系统的一部分，对图档流程进行管理的同时也是对该份图档所承载的任务以及为了完成该任务而进行的一系列工作流程进行的管理。最终，图档的内容信息将会通过本管理系统归入企业数据库，成为企业资料库和知识库的一部分，并且依赖于本系统以供外界查询调用，从这一角度讲，图档管理系统也起到了企业数据库管理的作用，如图2-6所示。
图2-6 图档流转过程 Fig.2-6 Process of drawings
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2.4 系统中柔性工作流的应用分析和体系结构
从以上的关于工作流技术和图档管理的分析可以看出，工作流技术符合了图档管理系统对管理图档信息的要求。尤其是柔性工作流技术，可以使系统根据不同时间、不同地点的图档流转的不同要求动态地处理图档。这就大大减轻了办公人员和其他设计、生产人员的工作负担，将各种角色的工作人员联系起来。
本系统的体系结构如图2-7所示：
技术图档流程监控与管理图档任务下发建模规则约束任务模型组织模型过程模型引用流程定制过程算法活动算法变迁算法是调用工作流引擎调用调用监控监控模型需要更改？否图档入库引用图档任务执行引用图档集成模型监控流程管理员任务管理员计算机操作系统及网络环境、关系型数据库图2-7 系统体系结构 Fig.2-7 System architecture
图档管理就工作流的角度进行描述，就是各相关人员分别以各自的角色按照规定的流程完成分配给各个人的工作任务，从而完成整个组织在图档流转过程中分配的工作任务。不同的任务要求由组织结构中不同层次的不同用户来执行，为了保证图档数据的完整性和安全性，需要对参与工作过程的
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用户进行适当的权限管理。利用工作流理论来表示图档的流转过程管理，涉及到过程建模、任务建模、监控建模和组织建模。
过程建模主要是形式化表示图档流转过程中各个步骤之间的相互关系。任务建模主要是用活动来表示任务，根据流程进行活动分解。监控模型主要表述不同角色的管理员对系统进行监控的方法和手段。组织建模主要是定义活动的执行者，构造相关的组织结构和分配相应的权限。在工作过程中还会产生大量的图档版本，对这些不同版本的图档需要建立集成模型加以管理。
同时，图档流转过程的运行需要设计工作流引擎加以驱动，并且需要相关的过程控制算法供工作流引擎调用，控制系统的运行。
2.5 本章小结
本章研究了柔性工作流技术的概念和柔性工作流管理系统；分析了型号产品图档管理的特点和其在数字化制造企业生产过程管理中的作用；将工作流与图档管理联系起来，说明如何将柔性工作流技术应用到图档流转过程的管理当中，并且建立了以工作流模型为基础、以工作流引擎为驱动、以算法作为控制方式的系统体系结构，为下一章的系统分析和建模奠定理论基础。
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第3章 流程监控与管理过程的建模
3.1 引言
图档流转过程管理系统是一个相对复杂的系统，它不仅涉及到图档的管理，还涉及到任务、人员、组织机构等多项内容的管理。因此，描述整个系统，需要建立一个总体模型，将各项管理内容联系起来，然后根据管理内容的需要，从这个总体模型中提取相应的内容，按照一定的方式进行组织和管理。本章分析并建立了图档流转过程管理的总体模型，并预先对以后的详细建模给出严谨的数学定义；对总体模型中的过程、组织机构、人员角色和流程监控等内容进行细致的分析并分别建模，从而实现各项内容的有效管理；研究了支持图档流转过程定义的工作流建模方式。
3.2 图档流转过程的总体建模
在面向生产的过程中，一份图档从最开始的创建到发放、回收直到最后的入库，其流转过程大致有以下几个主要节点：资料室、生产处、车间调度、班组、个人。如果采用传统的管理方法，每一份图档的流转过程都需要经历所有的节点才能最终入库保存。在这个过程中会涉及到许多部门和人员，同时，在图档流转过程中会产生很多单据和数据，如发放清单、回收清单、技术更改单、销毁清单、工艺参数、生产参数等等。只有将图档流转过程、组织机构与人员、数据有效的管理起来，才能缩短图档流转的时间，提高生产效率。为此，本文建立了以过程为核心，将组织机构与人员、数据依附到过程上的总体模型。
图3-1给出了图档流转的总体模型图，它主要描述了图档流转过程中组织机构与人员、数据、任务、过程之间的关系，对于具体的内容将在以后进行详细说明。从这个总体模型可以看出，图档流转的过程管理是整个系统的核心，在过程中的每一个具体的活动（即每一步工作）都对应着具体的执行人员或组织机构，同时活动完成以后都会产生一定的数据。这样，图档流转中的数据、人员与组织机构、过程有机地联系了起来，为系统的管理提供了参考模型。
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图3-1 图档流转模型 Fig.3-1 Drawings circulation model
对于系统中的过程管理，主要是要监控每一个活动的进展情况。同类图档的流转过程在组织机构这一层面上都是相同的，具体的图档流转与处理，都是这个过程的一次执行过程。通过查看已经完成的活动和未完成的活动就可以了解一份图档的处理进度。
对于系统中的组织机构与人员管理，主要是查看它们的任务完成情况、工作量、完成时间等。具体图档流转过程中的一项活动就是一项任务，每一个组织机构或人员都有多项任务要执行，即他们要完成多个图档流转过程中一个活动的具体执行。企业中的管理人员，通过查看具体人员的任务执行情况，就可以了解这个人的工作情况。
对于系统中的任务管理，从过程的角度看，一份图档的处理任务是由一系列相关的任务组成，每一个任务都是活动的一次执行；从组织机构与人员的角度看，每一个活动的执行人（或机构）都有许多项任务，但每一个任务所对应的活动类型都是相同的，只是所对应的图档不同而已。
为了更好的说明图档流转的过程，本章以下几个部分将对总体模型中的各项内容进行详细的解释，包括过程、组织机构与人员、任务和数据等，并建立相应的模型。
3.3 图档流程工作流模型的数学表达
在前面的章节中，我们在给工作流下定义时已经提出过工作流的四大要素：过程、组织、角色和规则，本章的主要工作是依据工作流思想建立过程、组织和任务模型，三者的关系见图3-2。但是在以往的工作流系统中，对于建模的描述，仍多采用文字语言，虽然直观易懂，但无法回避文字语言
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不够严谨的事实。本节针对这种现象，尝试使用数学语言来描述工作流模型，约束本章将要进行的建模过程。
图3-2 工作流模型关系
Fig.3-2 Relationship of workflow model
定义3.1
WFM={P,O,R}
(3-1)
式中 WFM——工作流模型；
P—— 过程模型；
O—— 组织模型；
R—— 任务模型；
3.3.1 过程模型的数学表达
过程模型用来定义工作流的过程逻辑，即描述业务过程的过程结构。包括组成工作流的活动以及活动之间的依赖关系。它是整个工作流模型的基础与核心，其它模型均为其提供支持。过程模型是工作流模型中的“骨架”。
(3-2)P={A,F,V} 定义3.2
式中 A—— 所有活动的集合，A={a1,a2,...,an},ai∈A(i=1,...,n)表示活动，
是对业务过程中一个执行步骤地抽象描述；
F——过程的规则集合，规定了活动之间的顺序关系，包括顺序、并
行等，F={f1,f2,...,fm}；
V——活动属性的集合，V={v1,v2,...,vn},∀vi∈V(i=1,...,n)，
vi={avi1,avi2,...,avit},∀avix∈vi(1≤x≤t)表示活动的一个属性值，vi中包含人、操作等属性值。
定义3.3
映射he：A↔V,∀ai∈A(1≤i≤n),∃he(ai)=vi(1≤i≤n,vi∈V)且∀vi∈V(1≤i≤n),∃Φ(vi)=ai(1≤i≤n,ai∈A)，即活动与其属性一
定义3.4
一对应。
映射R：∀ai,aj∈A,ai×aj→F,即任意两个活动之间的关系可以由F中的一个或多个规则来确定。
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定义3.5 定义3.6
∀pi∈P,∃{ak1,ak2,...,akx}⊆A(1 3.3.2 组织模型的数学表达 组织模型用来定义企业或研究所人员的组织机构，包括几种不同形式的组织实体以及每种组织实体内部的递阶层次关系。在工作流管理系统中，任务最终要分配给具体的执行者去完成，组织模型反映的是工作流过程中任务的执行者同组织中用户的对应关系，通过这些对应关系可以为企业或研究所人员执行工作流提供柔性的组织定义，为过程模型提供“人”的支持。 (3-3)O={M,J,W,D,Z} 定义3.7 式中 M—— 人员的组织实体，也是组织中最小的组织实体。企业中成员的 有限集合M={m1,m2,...,ma}； J—— 角色的组织实体，是基于职能特征划分的，能够完成某种工作 的成员。J={j1,j2,...,jb}是企业中角色的有限集合； W—— 权限级别的组织实体，是基于能力特征划分的组织实体，如： 高级管理员，高级技工等。W={w1,w2,...,wc}是企业中权限的 有限集合； D—— 部门的组织实体，是基于部门设置情况划分的组织实体。部门 的有限集合D={d1,d2,...,de}。∀di,dj∈D,di∩dj=φ； Z—— 工作组的组织实体，是为了执行某一任务而动态创建的、跨部 门与角色的组织实体。Z={z1,z2,...,zf}是工作组的有限集合； 定义3.8 映射hr：M→J,∀mi∈M,∃hr(mi)={jk1,jk2,...,jkx}， {jk1,jk2,...,jkx}⊆J(1≤x≤b)，表示每个人员至少具有一个角 定义3.9 色。 映射hf：J→M,∀ji∈J,∃hf(ji)={mk1,mk2,...,mkx}， {mk1,mk2,...,mkx}⊆M(1≤x≤a)，表示任意一个角色至少有一个 定义3.10 人员担当。 映射hl：J→W,∀ji∈J,∃hl(ji)=wi,wi∈W，表示任意一个角 - 18 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 定义3.11 色都具有一个权限级别。 映射ho：W→J,∀wi∈W,∃ho(wi)={jk1,jk2,...,jkx}， {jk1,jk2,...,jkx}⊆J(1≤x≤b)，表示任意一个权限级别可以拥有 定义3.12 多个角色。 ∀mi∈M,∃dk⊆D，使得mi∈dk，反之，∀di∈D, ∃{mk1,mk2,...,mkx}⊆M(1≤x≤a)，使得di={mk1,mk2,...,mkx}成 定义3.13 立。 ∀zi∈Z,∃{dk1,dk2,...,dkx}⊆D，1 任务模型用来定义企业或研究所人员所需执行的任务。在工作流管理系统中，管理员仅仅将任务分配给具体的角色，而具体任务的执行人员由系统决定。任务模型反映的是工作流过程中任务的分解和与组织中角色的对应关系。 (3-4)R={J,W,Rz,T} 定义3.14 式中 J—— 角色的实体，是基于职能特征划分的，能够完成某种工作的成 员。J={j1,j2,...,jb}是企业中角色的有限集合； W—— 权限级别的实体，是基于能力特征划分的实体，如：高级管理 员，技工等。W={w1,w2,...,wc}是企业中权限的有限集合； Rz—— 子任务的实体，是同一任务下分解出的若干任务实体。子任务 的有限集合Rz={rz1,rz2,...,rze} T—— 任务时间定额的实体，是完成一个任务所规定的时间实体。任 务时间定额的有限集合T={t1,t2,...,te}； 定义3.15 映射ha：Rz→J,∀rzi∈Rz,∃ha(rzi)={jk1,jk2,...,jkx}， {jk1,jk2,...,jkx}⊆J(1≤x≤b)，表示每个子任务至少对应一个角 定义3.16 定义3.17 色。 映射ht：Rz→W,∀rzi∈Rz,∃ht(rzi)=wi,wi∈W，表示任意一个子任务都对应一个权限级别。 映射hc：Rz→T,∀rzi∈Rz,∃ha(rzi)={tx}，{tx}⊆T(1≤x≤b)， - 19 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表示每个子任务只能对应一个任务时间定额。 定义3.18 映射hp：J→Rz,∀ji∈J,∃hp(ji)={rzk1,rzk2,...,rzkx}， {rzk1,rzk2,...,rzkx}⊆Rz(1≤x≤b)，即任意一个角色可以拥有多 个子任务。 3.4 基于柔性工作流的图档流程建模 3.4.1 图档流转的过程建模 本节以柔性工作流的概念，基于活动对图档流转过程进行分析，建立过程模型，为图档流转过程的监控和管理提供依据。 图3-3、3-4、3-5描述了典型的图档流转过程模型。图中矩形节点代表普通的活动，它不可以再分解；圆角矩形节点代表过程的开始和结束点；圆头矩形节点代表子过程活动，它是包含过程的活动，可以进一步分解为一个过程；菱形节点代表的活动是检查节点，只是检查前一步工作的完成情况；箭头代表过程中活动的路由。这个过程模型是相对通用的一个模型，对于不同的企业，相应的图档流转过程会有一定的差别，但只要这三个模型的基础上进行修改，就可以得到适应不同企业的图档流转过程模型。 图3-3 图档总体流程 Fig.3-3 Drawing overall process 图3-4 图档发放流程 Fig.3-4 Drawing release process - 20 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 开始选更改单填写更改单不同意图档更改上报审核结束执行更改结果更改结果归档批准 图3-5 图档更改、审批流程 Fig.3-5 Drawing change, approval process 在图档流转过程模型中，活动类型的不同对应的工作的性质也有一定的差别。普通的活动，一般是产生图档数据和单据的活动；检查活动一般只是对已经产生的数据进行检查、签署和提出修改意见等；开始活动一般是任务的分配，以及任务执行必需数据的导入；结束活动则是标志过程的结束；子过程活动是一类特殊的活动，是图档流转过程中发生的额外任务或者子任务的动态分配和执行的过程。 一份图档的流转处理工作可以看作一个整体的任务，在这个任务中，还会有许多的子任务。例如，在实际的生产中，经常会出现生产人员发现工艺设计不合理，从而导致无法加工或者无法达到加工质量的情况，这时生产部门就只有将图档退回要求更改，这些修改要求的上报、审批都是这个产品的子任务。对于这些子任务，在建模时，无法预先确定是否存在或存在个数。因此，为了动态设置子任务，在建模时，将包含子任务的活动定义为过程活动（图3-3中用圆头矩形表示），它对应着一个具体的过程，而且这个过程活动一般是由一个部门来完成的，并且由部门负责人负责过程活动的监控与管理。在图3-3中发放图档的活动就是一个过程活动，它对应着图3-4中表示的图档发放模型。通过这种将包含子任务的活动定义为过程活动机制，就可以实现子任务的柔性动态分配与管理。 图档流转的过程实质上就是图档数据的产生、完善、接收、执行到最终录入数据库作为以后参考的过程。从数据的角度出发，可以将图3-3的过程模型表达为图3-6的形式，它表达了各项数据产生的流程。将图3-3中的每一个活动都对应一定的数据，活动的执行就是要产生、执行这些数据或检查数据。在图档流程定制的时候，就要为每一个活动指定其最终需要完成并提交给系统的数据、单据或者检查结果。 - 21 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图3-6 图档数据流程图 Fig.3-6 Process diagram of drawing data 3.4.2 图档流转过程的组织建模 本系统主要涉及到资料室、生产处、车间、班组等组织机构，包括资料室主任、流程定制高级管理员、生产处计划员、车间调度员、班组长和工人等人员角色，他们之间的组织关系如图3-7所示。 图3-7 组织模型 Fig.3-7 Organization model 在该模型中，本文创造性地引入了流程定制功能。该功能模块的引入可以大大提高图档管理的柔性，对于那些需要进行修改、审批等程序的图档，无论其正处于哪个节点，都能通过加入了该模块的图档管理系统一步到达其 - 22 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 需要到达的下一节点，从而节省了层层上报、层层审批等繁琐程序，这种柔性管理方式极大地提高了图档管理效率、并进而提高了企业生产效率。对于该功能模块的具体工作原理及使用方式将在以后说明。 对于每一份图档，都由资料室主任根据图档重要性设置处理该图档的图档管理员角色权限，拥有该权限的图档管理员根据高级管理员定制的流程或传统流程负责图档最初的发放和最终回收工作。他首先检查图档信息，比如生成时间、要求完成时间等是否完备，然后将这份图档下发给生产处。 生产处主任确认收到图档后，若高级管理员并未定制其流程，则指定有权处理该图档的人员角色；若已由高级管理员定制流程，则生产处主任无权处理该图档。随后，生产计划员按照权限处理图档，将其发放给车间。 其余车间、班组的图档接收、发放过程与生产处类似。该处理方式同样适用于图档的返回修改或者回收。 通过以上对组织模型的分析，可以看出整个系统中主要包括以下几种类型的人员角色：过程管理人员、任务管理人员和任务执行人员。 过程管理人员（如图档管理员）主要是查看自己负责的图档相关工作的完成情况，如任务执行结果、具体任务的执行人、任务的进度等。 任务管理人员（如车间主任）在系统中具有较高的权限，主要是负责图档任务的分配，以及任务的管理与监控。任务管理人员可以根据以下几方面的内容进行任务分配：图档内容的密级；图档所涉及到的工作类型；不同角色人员的工作能力、工作进度等等。任务管理人员在分配任务时，并不需要将任务分配给具体的工作人员，而只需要分配给某一类角色就可以了（关于角色和任务的相互关系将在3.4.3节中予以说明）。 任务执行人员（如班组内的工人）的权限相对较低，主要的任务是接收、执行图档任务和提交图档执行结果。 3.4.3 图档流转过程的任务建模 在图档流转过程中，包括图档流程管理任务的产生和分配执行，因此在整个管理系统中，任务的内容和表达方式不同。而且，图档流转过程中涉及到不同的人员角色，对于不同的角色，任务的形式也有所不同。图3-8显示了从图档管理流程和人员角色两个角度进行描述的任务模型。 - 23 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 资料室图档1资料室任务主任●●●生产处图档1生产处任务主任●●●班组图档1班组任务组长●●●图档n资料室任务按角色权限领取图档任务1图档任务2图档●●●管理员图档任务m计划员图档任务发放图档n生产处任务按角色权限领取图档任务1图档任务2●●●图档n班组任务图档任务发放●●●图档任务发放按角色权限领取图档任务1图档任务2生产●●●工人图档任务m图档任务m 图3-8 任务模型 Fig.3-8 Task model 图中的横向是图档的总体流程，它表明了图档任务的宏观流向。首先总是由资料室以图档为单位，产生一个总体任务，它包含一系列的任务，这些任务中的某些任务需要进一步分解；然后是将图档任务按照组织机构的构成进行图档任务分类，由各个组织机构将任务细化和分解，动态产生一些子任务；最后，所有的子任务和开始确定的总体任务构成了这个图档的任务流程。当一份图档的所有任务都结束后，整个图档的任务才算完成。 从人员角色的角度进行分析，系统中不同的角色对应着不同的任务组织形式，从图中的纵向角度看，图中的三个大的矩形方框代表着不同角色的人员所看到的任务视图。对于资料室主任而言，要负责管理所有图档的流程任务，因此对应于他们的任务信息十分全面。对于各个处的负责人，由于具体的分工不同，所分配的任务也是总任务中与自身相关的任务。 从以上的分析中，可以看到为了提高图档管理系统的灵活性，本文自始至终都遵循柔性工作流的一大基本思想，即坚持以角色为任务接收的最基本条件，上级部门和管理人员在制定、分配图档任务时，只需要将该图档的任务发放到相应的角色组而不必具体到个人；在个人接收任务时，系统根据个人所属角色组的权限向其分配相应的任务。本系统的任务-角色-用户关系模型见图3-9。 - 24 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图3-9 任务-角色-用户关系模型 Fig.3-9 Relationship model of task-role-user 由图可知，同一个角色可以处理多个任务，可以对应多个用户。比如用户1在处理任务5时担负的身份是角色2，而在处理任务1时担负的又是角色1的身份。这样，通过设置任务、角色、用户的关系，同一个角色的用户有处理同一个未处理图档的权力，任务排队拥堵现象可以得到妥善解决，图档任务的处理速度和效率得到提高，同时这种任务分配方式也有效地降低了上级部门和管理人员的任务管理难度，由以前管理到某个具体的人到现在只需要管理某个预定义的角色，管理模式也发生了一定的变革。 3.5 图档流转过程的监控模型 在实际的图档流转过程中，监控工作通常分为三类： (1)进度监控 主要查看流程任务的进展情况，如某一级任务是否按时完成，任务现在由哪位执行人处理等。当发现进度滞后时，高级管理员可发出系统消息通知任务执行人加快进度。 (2)异常处理 当流程发生异常情况时，比如任务执行人由于各种原因无法完成任务，系统无法找到下一级任务执行人，无法连接数据库等等，则由系统将异常提交流程管理员，由管理员选择决定修改流程或者重试。 (3)流程修改与变迁 由于在流程定义时考虑得不周全或者业务流程的改变，在流程实例化后的运行过程中，往往需要对流程定义进行改进或更新，这样就对运行中的流程实例的调度产生影响，需要提供流程变更来适应这种流程定义的改进和更新。关于流程修改变迁的方法将在第四章中详细讨论。 - 25 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 监控工作的关系模型如图3-10所示。图中的三个小圆代表了流程中可能出现的需要管理员干涉的非正常情况。对于“流程异常”和“流程不完善”两种情况，流程管理员都可以通过相同的流程更改方法加以解决，其他情况下则有各种处理手段解决各自对应的问题。 图3-10 监控模型 Fig.3-10 Monitoring model 在整个监控系统中，流程管理员拥有处理流程中一切情况的权限，但仅限于其负责的图档流程。而每个部门的任务管理员则有权催促任务执行人加快进度或者通过更改权限的方式更改任务执行人，但无权对流程的定义做出任何改动。流程中的任务执行人仅能处理分配给自己的任务，无权对流程进行任何监控活动。 3.6 支持图档流程柔性定义的工作流建模 工作流模型是对工作流的形象表示，也就是对业务过程的抽象表示。工作流模型建立阶段的功能主要是完成业务过程计算机化的定义，也就是完成过程建模的任务。在这个阶段，利用一个或多个建模方法及其相应的建模工具，完成实际的业务过程到计算机可处理的形式化定义的转化。由于需要在计算机环境下运行，所以工作流模型不仅仅要让人读懂，更要让计算机能够 - 26 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 理解所定义的工作流过程。 目前已有的建模方法主要有基于活动网络、Petri网[38]、语言行为理论、活动与状态图以及扩展事务模型的建模方法[39]。对于图档流转过程来说，要求流程内容简洁明了，制定流程的管理员通过简单培训就可以掌握建模方法，所以采用活动网络图的建模方法最为合适。在本节中，将详细介绍这种建模方法。 3.6.1 基于活动网络图的工作流过程建模 图是计算机中的一种数据结构，可以定义为点和边的集合，记作： G={V,E} (3-5) 式中 V——点的集合； E——边的集合。 这里的图只关心有多少个点以及哪些点之间有线相连。如果把图中的点和边赋予具体的含义和权数，就把这样的图称为网络图。图和网络分析的方法已经广泛的应用与信息、计算机科学和管理等多个领域。 在本系统中，一个完整的图档流转过程就是由一个无自环的有向网络图构成，即活动网络图。在这个图中，各个节点元素代表执行的活动或任务，节点间的连接弧代表了过程中的控制流与数据流。组成过程模型的元素主要包括活动、转换条件、执行人员、相关数据等，其中活动和转换构成了整个工作流过程的控制逻辑，是模型的关键元素。在过程模型的定义阶段，主要考虑如何将一个过程分解成活动，以及这些活动的执行顺序与关系，对于像人员、活动完成时间、活动的状态等元素可以暂不考虑，当过程模型执行以后，再将这些元素加入。这样，在过程模型定义阶段，重点是活动、路由和转换的定义，以及如何有效的组织它们表达整个工作流程。 活动是过程中的每一个步骤的一个活动，在活动网络图中由一个节点元素来表示，是完成一定功能目标的最小单元。每一个活动都由一系列的属性组成，主要的属性如下： (1)活动的标志 过程利用它来调用该活动，在一个过程中，它的每个活动的标志都是唯一的； (2)活动名称 描述活动的内容； (3)活动的类型 包括普通活动、子过程活动、检查活动、开始活动和结束活动，它们的图形表示如图3-11所示。在每一个过程中只有一个开始 - 27 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 活动和一个结束活动，它们分别代表标志着过程的开始与结束，用圆形表示。普通的活动节点用矩形框表示。子过程活动用圆矩形表示，检查活动用菱形表示。 图3-11 活动网络图元素 Fig.3-11 Elements of net activity diagram 路由是用来定义活动之间执行顺序的，在活动网络图中用连接弧表示，如图3-11所示。当连接弧的起始节点执行完毕，系统将会根据控制连接弧的定义进行过程导航，使连接弧的终止节点能够被执行。对于路由，主要包括以下属性： (1)路由的标志 主要为了系统调用； (2)路由的起始节点 描述路由从哪一个节点开始； (3)路由的目标节点 为系统指明流程的下一个流向。 转换是用来表示过程模型中的路由条件的，在活动网络图中同样用节点元素来表示，其与活动的不同之处在于转换仅仅是用来表示下一步的路由流向类型，与活动内容无关，主要包括顺序转换、选择转换、分支和汇合转换。转换的主要属性如下： (1)转换的标志 主要为了系统调用； (2)转换的分支类型 用来确定过程的执行顺序，属性的值为：None、And或Condition； (3)转换的汇合类型 用来确定过程的执行顺序，属性的值为：None或And或Condition； (4)转换的条件 当转换条件满足时执行目标节点活动，否则不执行这条路径，他的默认值是“None”，表示无条件执行下一个活动。 按照面向对象的表达方法，给出活动、路由和转换的类描述。 活动类： class Activity { String ID； //编号 String ProcessID； //所属过程编号 - 28 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 String Name； //活动的名称 String Content； //活动的内容} 路由类： class Routing { String ID； //路由的编号 String ProcessID； //所属过程编号 String FromActivity； //起始活动代号 String ToActivity； //目标活动代号} 转换类： class Transition { String ID； //转换的编号 String ProcessID； //所属过程编号 String SplitType； //转换的分支类型 String MergeType； //转换的汇合类型 String Condition； //转换条件} 在定义了活动、路由和转换之后，就可以利用这三个元素进行工作流过程模型的定义。由于要在计算机中表达整个过程模型，因此在绘制的过程中需要遵守一定的规则。首先，网络图是有向图，而且网络图的两个节点之间只能有一条连接弧，因为任何工作过程都是按照一定步骤完成的，各个活动之间必然有先后顺序；其次，网络图中只有一个起始点，而且开始点只有发出的连接弧，终点只有进入的连接弧；最后，活动网络图中不能出现回路。 3.6.2 工作流过程建模对过程运行的支持 过程模型在运行时其各节点有不同的运行模式，在过程建模时就应当给出这几种模式的定义，主要有4类。 (1) 顺序模式，如图3-12。 图3-12 顺序模式 Fig.3-12 Sequence mode 顺序模式是最基本的工作流模式。当两个或更多任务间存在依赖关系时需用顺序模式——在前一任务完成之前，本任务不能执行（调度）。顺序模 - 29 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 式用于对工作流程中连贯的步骤建模。 (2)分支模式，如图3-13。 图3-13 分支模式 Fig.3-13 Split mode 该模式表示业务过程中的分支关系。分支节点有一个前驱活动和多个后继活动，分支节点在前驱活动完成后激活所有后继活动。 (3)汇合模式，如图3-14。 图3-14 汇合模式 Fig.3-14 Join mode 该模式表示业务过程中的汇合关系。汇合节点有多个前驱活动和一个后继活动。汇合节点可以分为： 1)与汇合节点：表示“与”(AND)逻辑关系，要求所有前驱活动完成后才激活后继活动。 2)或汇合节点：或汇合节点有一个 OR-Join-End 条件，该条件在每一个前驱活动完成后将被判断，并返回“True”或者“False”。当返回值为“True”时，后继活动被激活。此后，如果仍有某些前驱活动完成，后继活动将不会被再次激活。OR-Join-End 条件可以定义的相当复杂。例如：假设某个或汇合节点有三个前驱活动，并且I[n]表示第n个前驱活动的状态，以“1”表示完成，“0”表示未完成，则表达式“I[1] AND I[3]”表示在第一个和第三个前驱活动完成后，激活后继活动；表达式“I[1]+I[2]+I[3]>=2”表示当有两个以上的前驱活动完成后，再激活后继活动。 (4)选择模式，如图3-15。 该模式表示业务过程中的选择关系。选择节点有一个前驱活动和多个后继活动，选择节点可以分为： - 30 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 人员1选择人员2人员3图3-15 选择模式 Fig.3-15 Select mode 1)或选择节点：该节点实现选择性激活后继活动的功能。或选择节点有一个二值条件列表，分别对应其输出转移的条件。当前驱活动完成后，对所有条件进行判断，返回值为“True”的条件所对应的后继活动将被激活。 2)异或选择节点：异或选择节点是一种特殊的或选择节点，仅允许一个后继活动被激活。在实现方面，由于判断多个条件的互斥性相当困难，所以如果多个条件返回“True”，则只有第一个活动被激活。进一步，对于该问题可以采用异常处理的方式解决。 3.7 本章小结 本章根据图档流转过程管理的需要，建立了流程监控与管理系统的总体模型，将组织机构与人员、数据包括在内；基于集合论原理对其后的各个子模型给出了数学定义；通过对总体模型中的过程、组织角色及人员、任务等部分进行分析，基于柔性工作流理论建立了相应的过程、人员、任务和监控模型；着重研究了基于活动网络图的工作流建模，实现过程模型的图形化表达。 - 31 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第4章 流程监控与管理的柔性控制方法 4.1 引言 型号产品图档流程管理系统强调的是流转过程的管理，以过程为线索，带动其他的人员角色、组织机构、数据和任务的管理。前一章已经完成了流程所有要素的建模，接下来就是这些模型的执行，为了实现执行过程的自动化，需要一定的柔性运行控制机制。同时，过程在执行期间的数据管理以及对生产协同的支持也是系统的重要组成部分。本章将首先设计系统的运行机制和支持动态监控所需要的相关算法，然后，依据算法设计控制整个系统运行的核心部分——工作流引擎，最后对于支持生产协同的图档管理中的某些问题做详细的研究。 4.2 图档流转过程的柔性控制方法 4.2.1 图档流转过程的实例化 在图档流转过程的模型定义好之后，接下来的工作就是这个过程模型的执行，即按照定义好的流程，来完成一份具体图档的流转处理工作。这样一份图档的流转处理工作相对于过程模型，就是这个过程模型的一个实例，过程模型交付执行的过程就是实例化的过程，如图4-1所示。 图4-1 过程模型的实例化 Fig.4-1 Process model instantiation - 32 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 一份图档的流转处理工作对应一个负责人，同样一个过程进行实例化的时候，每一个实例都对应一个负责人。他们的工作就是负责初始化一个过程实例，然后对这个过程进行监控和管理。以第三章中图3-3所示的图档流转总体流程为例，如果要进行一份图档流转处理工作，那么就要按照这个流程来一步一步的进行。负责这份图档处理工作的人员，同时要负责流程执行。他首先要初始化这个流程，给出一些必要的数据、分配各项活动的具体执行部门或者角色甚至人员、指定人员权限，然后才启动这个过程。过程在获得必要的输入以后，就可以根据定义好的执行顺序，按照规则自动执行。 4.2.2 图档流转过程的核心调度算法 过程模型在执行以后，为了使过程的运行实现自动化，需要一定的机制来对运行过程进行控制，这里给出的是基于核心调度算法中的有限状态机 (FSM)[40]的运行控制算法。 FSM的定义为包含一组状态集(states)、一个起始状态(start state)、一组输入符号集(alphabet)、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数(transition function)的计算模型。当输入符号串，模型随即进入起始状态。它要改变到新的状态，依赖于转换函数。在有限状态机中，会有许多变量，例如，状态机有很多与动作(actions)转换或状态关联的动作，多重起始状态，基于没有输入符号的转换，或者指定符号和状态（非定有限状态机）的多个转换，指派给接收状态（识别者）的一个或多个状态，等等。 遵循FSM的控制算法是通过状态的切换来完成流程的驱动与流转。图4-2表示了一个过程实例的状态转换过程。 图4-2 过程实例的状态转换 Fig.4-2 State transition of process examples - 33 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图4-3是在文献[41]的基础上通过修改之后得到的过程控制的算法流程图，它描述了系统在接收到用户的返回值后，自动进行的一系列算法动作，从而实现过程的自动执行，整个过程控制主要分为五个部分。 图4-3 过程控制算法 Fig.4-3 Process control algorithm 第一部分是当过程控制系统接收到用户的任务返回值后，根据返回值确定需要调用的函数。对于不同的返回值，会有不同的执行路由流向，只有在 - 34 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 返回值为“结束”，而且返回值活动不是过程中的最后一个活动时，才进入第二部分的执行。第二部分是过程控制系统确定活动的“分支类型”，由于在过程模型定义时存在顺序模式、分支模式、汇合模式以及选择模式，因此需要根据类型来确定下一个要开始的活动，并将它们的活动状态设置为 “准备”。第三部分是处理过程结束的问题，如果结束的过程不存在父过程，那么结束本过程，否则，在结束本过程的时候，还要向父过程返回一个“结束”的返回值，然后进入第四部分。第四部分是过程控制系统检查将要执行的活动的“汇合类型”，并据此判断是否开始执行活动。第五部分主要判断活动是否为子过程活动，如果是子过程活动，则初始化子过程并开始执行，否则就将任务交给任务表处理，并且分发和通知到执行者。 在过程的执行期间，根据人员角色的不同，任务将被分配给具体的人员，可以由系统自动完成，也可以手工分配。在过程定义的时候，已经将各个活动的执行人员的角色定义好。在一个活动即将启动的时候，系统查看任务管理员为这个活动所分配的权限，并根据这个权限来寻找相应的人员，然后将任务分配给他，并启动这个活动。 4.2.3 图档流转过程中活动的控制算法 在运行控制期间，活动的状态转换对系统的运行控制有重要的作用。对返回值的处理最终反映在活动的状态上。活动的状态包括：等待、准备、运行、挂起、失败、取消和结束[42]。“等待”是一项活动的初始状态；“准备”是一项活动已经准备好可以执行，但还没有开始执行；“运行”是一项活动正在被执行；“结束”是指一项活动正常的完成了；“挂起”是指一项活动暂时停止运行，在一定条件下再恢复运行；“失败”是指一项活动执行失败，可以启动一个候选活动，也可以经过处理后再次启动；“取消”是指该活动被跳过了；“结束”指该活动执行完成，可以开始下一活动或者整个过程结束。状态之间的转换关系如图4-4，整个过程运行控制的核心内容就是实现过程中活动状态转换的自动化，通过查看活动的状态来管理进度。 图4-5给出了一个活动的内部运行算法，它表示了一个活动被启动后，自动进行的一系列算法动作，实现活动的运行控制。 在活动执行过程中，个别活动节点会由于管理员的定义失误或任务执行人的能力所限等意外情况而无法完成，这时，流程管理员有权在不影响图档处理效果的前提下取消该节点活动，直接交由下一级任务执行人继续图档的 - 35 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 处理。该种处理算法将在下一节中详细讨论。 图4-4 活动实例的状态转换 Fig.4-4 State transition of activity examples 图4-5 活动控制算法 Fig.4-5 Activity control algorithm 4.2.4 支持图档流程动态更改的变迁算法 流程的动态更改是柔性工作流的关键技术之一。当流程管理员对一个流程作更改并保存后，正在进行中的流程实例将按照新定义的流程运行，这便是流程的变迁。 对流程所作的更改分为两类： - 36 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 (1)流程实例级更改 主要是针对流程实例执行中用户的特殊需求，对流程实例的执行在流程模型基础上进行更改，主要的包括以下内容： 1)流程实例的挂起、重起和结束等操作。 2)活动实例的挂起、重起和结束等操作。 3)非正常路由的活动实例化，例如反馈到某活动结点，或者跳过部分活动结点，通过跳转方式实现流程实例的定向路由。 (2)流程定义级更改 如同流程实例级更改一样，流程定义级的更改也经常存在，流程定义的更改主要发生在以下几个方面： 1)流程基本属性与其相关数据的修改，例如增加、删除相关数据。 2)活动基本属性与其相关数据的修改，例如增加、删除相关数据。 3)路由属性的修改。 4)活动和路由的增加或删除。 流程实例的修改仅影响该实例本身，而流程定义的修改将影响使用该流程的所有实例，但是两者的修改都是对流程的修改，所以可以使用相同的处理策略。传统的处理策略有以下几种方式： (1)重起 对已完成修改但未结束的流程实例都执行重起动作。该策略处理简单，运行时参照4.2.2和4.2.3节的控制方法既可，但应用该策略将丢失所有已处理的活动任务信息，所以很少采用。 (2)继续 继续执行该流程定义的未完成流程实例，新起流程实例按照更改后流程定义执行。由于该处理策略并不影响已运行的流程，故同样可以参照4.2.2和4.2.3节的控制方法。 (3)变迁 通过一定的策略，将该流程定义的未完成流程实例的执行由老流程定义迁移至新流程定义，按照新流程定义执行。由于正在运行中的流程包含大量信息，流程变迁之后原有的信息需要跟随并运用于新的流程，已完成的活动属性不能受到迁移的影响，因而传统的流程控制算法不能满足其要求，所以针对性地设计一种变迁算法就显得尤为重要。 由于每一个活动对其前一个活动的处理结果都存在一定的依赖性或者前后时序关系，因而只有对那些未被激活、状态为“等待”的活动的前驱活动节点做出的修改才可使用变迁策略，否则将引起系统的混乱。如果要对已被激活节点的前驱节点做出修改并应用于整个流程，则必须使用重起策略。 经过对流程变迁的要求和约束条件进行分析之后，确定流程变迁的算法如图4-6所示。 - 37 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图4-6 流程修改变迁算法 Fig.4-6 Modification and transfer algorithm of process 在完成了图4-6所表示的变迁算法之后，整个系统的流程控制算法已经趋于完整，运用本章所提出的各种算法，系统已经可以对图档的流转过程进行高效、灵活的监控和管理，并且工作流引擎的设计也有了参考依据。 在本节中所研究流程的调整都是实时调整，有些工作流程要求尽可能做预先调整[43]，这种调整方式的处理策略与重起相似，在此不再赘述。 4.3 柔性工作流引擎的设计 4.3.1 工作流引擎的功能分析 柔性工作流引擎是本系统的核心。其功能可归纳为以下几个方面： (1)解释流转过程的过程定义，根据过程执行需要的初始条件和参数生成过程实例。 (2)驱动过程和活动的执行。根据过程定义和工作流相关数据，为过程实例的运行进行导航。 (3)维护工作流控制数据和工作流相关数据，提供控制、管理和监督工作流过程／活动实例执行情况的功能。 (4)提供支持用户操作的接口，用户登录后，工作流引擎根据不同的用 - 38 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 户为其显示待办的工作项列表。当用户要处理待办中的工作项时，则从活动实例列表中激活相应的活动实例，使活动实例处于运行状态，并将活动实例对应的数据表单发送到客户端。 (5)接收用户的工作项提交，并计算后继活动，在后继活动的执行者的待办工作项列表中添加工作项。 (6)当调用的方法出现异常时，将异常提交给异常处理模块。 4.3.2 工作流引擎的组成结构 通过以上的分析，本系统的工作流引擎主要应包括：流程管理、启动控制、路由解析、角色解析、结束控制、流转控制、异常处理和客户端接口。工作流引擎的体系结构如图4-7所示。 下面对各部分做简要说明： (1)客户端接口 客户端接口是工作流引擎与外部交互的中介，主要完成两个功能： 1)在用户登录时，采用访问控制方法根据不同的用户显示与本用户相关的工作项列表。工作项列表中工作项按优先级由高到低、建立的时间由远到近排序。工作流执行者在读取工作项列表时按排序结果由上到下读取。这样就可以使优先级高或建立时间较早的工作项较早被执行。 2)接收来自用户的请求。用户通过客户端接口管理和执行工作项列表中的工作项，并可改变其状态。 (2)流程管理 流程管理通过数据库读入过程和活动的属性信息并实例化。流程管理保存了过程实例和活动实例的信息并负责对过程实例和活动实例进行管理，包括过程实例的创建、启动、挂起、恢复和停止以及活动实例的创建、执行和完成。 (3)启动控制 启动控制为用户提供选择流程的功能并触发流程管理模 块创建过程实例和活动实例。 (4)路由解析 路由解析是柔性工作流引擎的核心，负责流程中活动实例的具体执行。它通过解析节点中定义的逻辑关系，计算出下一个活动节点，即确定流程的流向。 (5)角色解析 角色解析是为需要人工执行的活动节点分派合适的执行者，是柔性工作流引擎的一个主要功能体现。如果路由解析是解析具体的业务规则，那么角色解析是解析业务过程中人员的分派规则。角色解析所使用 - 39 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图4-7 工作流引擎组成结构 Fig.4-7 Workflow engine structure 的人员组织信息是由工作流引擎外部的流程数据库提供的。 (6)流转控制 流转控制负责在确定了路由和执行者之后将图档发送给执行者。 (7)结束控制 结束控制有两个功能：一个是当前节点的任务执行完毕，触发流程控制模块进行流转。一个是在路由解析计算到后继节点为结束节点时负责整个流程执行完毕后的流程结束处理。 (8)异常处理 当工作流发生错误，比如活动的执行者不存在、找不到下一个活动、活动的应用程序定义错误、网络中断、数据库系统异常、操作系统出错等，则由异常处理模块发送通知，等待人工干预。 工作流引擎的设计应尽量考虑标准化成组件[44]，以提高工作流引擎的通用性。 4.3.3 工作流引擎的工作方式 引擎各个模块相互协调，共同完成图档流程控制。所有的流程控制都在后台完成，对用户而言，可视的仅仅是任务项的变更。通常说来，系统的业务处理流程主要有以下几个步骤，引擎将按这些步骤循环控制。引擎各模块的活动时序如图4-8所示。 - 40 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图4-8 引擎工作时序图 Fig.4-8 Engine work sequence (1)用户进入系统，向流程控制引擎发出信息，引擎收到信息后，将用户标示符和所属角色信息传递给流程管理模块。 (2)流程管理模块启动流程实例，寻找当前的处理节点。 (3)查找满足现节点角色要求的人员，分派节点任务。若其中出现异常，比如无法捕获节点、找不到相关人员等等，则跳至步骤5。 (4)用户完成任务，引擎判断有无下级节点，若有则跳至步骤2，否则流程结束，设置流程状态为完成并提交信息。 (5)当流程发现异常时，引擎生成报告，提交异常处理模块，由客户端用户解决。 (6)用户处理异常后，提交工作流引擎，重新调转到步骤1开始流程。 4.4 图档管理中的生产协同问题研究 生产协同是由多个生产部门人员协作来完成同一个生产任务，因此会出现很多问题，诸如任务管理、冲突处理、图档版本管理和设计信息交换与共享等，而工作流的引入可能对出现的问题产生新的影响。限于篇幅，本节将探讨其中的图档版本管理和任务分派问题并提出解决这些问题的方法。 - 41 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.4.1 流程运行中的图档版本控制 在一份图档的生命周期中，对图档内容的更改将会持续发生，贯穿图档生命周期的始终，这样一来就会生成大量的基于原始图档的后继版本，而且更改结果要被企业各相关部门所知晓，为了保证各部门使用的图档信息的一致性，必须对图档的版本进行管理。图档的版本管理主要包含归档版本管理和工作版本管理两种。 对于图档的归档版本来说，在图档归档以后，这份图档的内容就被定型了，此时只有当接到更改通知单时，按照一定的更改流程，该图档才能被更改。而对于图档的工作版本，在图档流转过程中和图档提交归档以前，往往要经过多次编辑和修改，用户的每一次提交操作就形成图档的一个工作版本，工作版本的保留个数和保留方法由用户按自己的习惯决定，并且保存在用户的本地计算机上，因而该种版本的管理方式在此不予讨论。 在本系统中，首先把每个项目拆分成各个不可再分的子项目，子项目与原始项目建立关联；随后把该子项目下产生的所有图档按照图档类型分类归档并存放，如工装图档、工艺图档等，每份图档再与其对应的零件建立关联，这样，不同的图档都可以按照所属项目的不同分门别类地存放，避免了以往只按照图档类型存放导致的管理上的混乱。图4-9描述的是基于项目的图档类模型。 图4-9 基于项目的图档类模型 Fig.4-9 Project-based drawings class model 图档作为一种物质，其存放方式参照图4-9将是有效的，但是考虑到图档同时也是一种信息载体，这种管理方式就显得不够了，为此，本文设计了 - 42 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图档版本的继承方式作为图4-9的补充，建立起图档的索引，以便对其所承载的信息进行有效管理（如图4-10所示）。 图4-10 图档版本继承树 Fig.4-10 Drawings version inheritance tree 对图4-10中的模型简要说明如下： 一份原始图档假定其版本号为F，经过修改后产生两份后继图档，这些后继图档都是以原始图档为基础并且了继承了原始图档的部分或者全部信息，但是彼此之间都没有信息继承（也就是以原始图档F作为共同的父图档），因而将其版本号按照其父图档的版本号为基础设为F.1、F.2，随后这两份子图档又各自衍生出了后继图档，以F.1图档为例，则将在其基础上直接修改产生的子图档版本设为F.1.1，用此来表示图档间的继承顺序，其余图档的版本也都参照这种方法。 运用这种版本管理方式后，工作人员对于任意一份图档都可以快速地查出它上一级的父图档，并且可以通过版本的继承树一直查到产生这份图档的最原始图档，工作中所作的改动等情况一目了然，设计思想、技术的沿革等信息都得到了最大限度的保留。 4.4.2 图档任务的分派算法 这里首先讨论多任务并行情况下的任务分配算法。为了叙述方便，在此首先给出任务元的定义[45]： 定义3.19 任务元：图档处理活动中的原子活动单元。一个任务元不可能 - 43 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 由多个任务执行人来执行，所以任务元是图档处理活动中的最小独立活动单元。 图档任务分派的核心过程是在限定时间的约束下对任务元全集中的各个任务元采用一定的分解策略进行组合优化，形成任务元子集的过程。按优化目标的不同，可有两种任务分派策略： (1)在满足时间约束的前提下，所用的人数最少，即以资源使用最少为原则。 (2)在满足时间要求的前提下，整个图档处理活动的时间最短。也就是投入现有的所有可用人员，以最快的速度完成图档处理任务。 鉴于敏捷制造对生产过程的敏捷性要求，本文采用后者进行任务分派。以下建立图档任务分派的数学模型，并给出任务分派算法。 设任务元全集中有n个任务元j1，j2，…，jn，对应的任务元时间定额为t1，t2，，tn。可参加图档处理活动的人物执行人数量为m(m≤n)。则最终分派的子任务数量为m。令 ⎧1，第j个任务元分配给第i个子任务， (4-1) aij=⎨ ⎩0，第j个任务元不分配给第i个子任务。 则图档任务分派的结果可以表示为矩阵： ⎛a11⎜⎜a21A=⎜ …⎜⎜a⎝m1 a12a22…am2 …a1n⎞ ⎟ …a2n⎟ (4-2) ……⎟ ⎟ …amn⎟⎠ 矩阵A为0-1矩阵，称为分派矩阵。每个分派矩阵表示一种分派方案。 矩阵中一个行向量表示一个任务元子集，对应一个子任务。矩阵A应满足如下约束条件： (1)矩阵的任意一列中有且只能有一个元素为1,即一个任务元只能分配给一个子任务，不允许重复分配。 (2)任意一行至少一个元素为1，即每个子任务至少包含一个任务元。 (3)矩阵中所有1元素之和等于任务元总数n。 定义任务元时间定额向量： Tr=(t1,t2,…,tm)T (4-3) 将A与Tr相乘，得到一个m维向量： - 44 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 C=ATrT=(c1,c2, …,cm)T (4-4) 式中 ci——第i个子任务的总活动时间需求，ci=∑aij×tj。 j=1n 由于各子任务并行进行，因此，cmax=max{ci}即为完成图档任务所需的时间。设所有可能的分派矩阵有k个，其中的第i个分派矩阵对应的图档任 (i) 务活动总时间需求为cmax，图档任务活动时限为T，则图档任务分派问题归(i)(i)(i)结为求出所有可能的分派矩阵，求出对应的cmax，满足cmax≤T且cmax最小 者即为所要求的解。 事实上，图档任务分派问题属于NP(Nondeterministic Polynomial)问题[46] 。对于NP问题，人们至今无法找到一种算法，使计算步骤表示为问题大小的多项式函数，也就是说，随问题状态空间的增长，计算时间将成指数函数增加。由于NP问题的以上特点，启发式算法被广泛采用来解决这类问题。这里，给出一种最大优先启发式算法，其算法思想如下： 对各任务元的时间定额进行排序，假定t1≥t2≥…≥tn，这个顺序就是选取任务元分配给子任务的先后顺序。即当某子任务中任务元时间定额之和最小时，选取剩下的任务元中时间定额最大的添入该子任务。算法步骤如下： 步骤1 置m，n，建立并初始化分派矩阵A、任务元时间定额向量Tr 和向量C； 步骤2 对Tr中的元素按值的大小排序。 步骤3 将矩阵A的前m阶子方阵对角线元素置1，即aii=1，i=1, 2, …,m。 步骤4 引入循环变量k， for (k=m+1, k++, k≤n) { 步骤5 进行矩阵运算，求C=ATr。 步骤6 求列向量C中最小的元素对应的行号j； 步骤7 选A中的第j行，置第k列元素为1，即ajk=1。 步骤8 重复步骤6~步骤8，直到所有任务元分配完毕。 } 以下是一个分派实例。 某图档有6个并行处理任务，即任务元数量为n=6，任务元时间定额为 - 45 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 t1=1，t2=0.9，t3=0.8，t4=0.7，t5=0.6，t6=0.5（单位：小时），假定任务执行人员数量为m=3。应用以上算法得到任务元时间定额向量为： Tr=(1,0.9,0.8,0.7,0.6,0.5)T 分派矩阵A初始化为： ⎛100000⎞⎜⎟A=⎜010000⎟ ⎜001000⎟⎝⎠ 则 ⎛1⎞ ⎜⎟ C=ATr=⎜0.9⎟ ⎜0.8⎟⎝⎠ 得到最终的分派矩阵为 ⎛100001⎞⎜⎟A=⎜010010⎟ ⎜001100⎟⎝⎠ 即任务1和6分派给任务执行人1，任务2和5分派给任务执行人2，任务3和4分派给任务执行人3。该分派结果可形象化地表示为图4-11： 图4-11 任务分派结果 Fig.4-11 Task assignment result 可见本例的任务分派结果是最优的。各子任务的总活动时间相等，为1.5小时。运用这种最大优先启发式算法对于图档任务的分派是有效的。 对于单任务串行情况，系统只需统计指定角色和权限的任务执行人各自的任务处理总时间，将任务分派给总时间最少的任务执行人即可，在此不做详细说明。 - 46 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.5 本章小结 本章研究了图档流转过程监控与管理系统的柔性控制方法，提出了完整的、基于有限状态机的过程模型的运行控制算法和支持系统动态监控的流程变迁算法，并且依据算法和柔性工作流技术设计了能够驱动整个流程运转的柔性工作流引擎；对于图档在生产协同中将会出现的版本和任务分派问题给出了解决办法。通过本章的工作，柔性工作流以及图档流程的监控与管理理论得到了进一步完善，为下一步系统软件的开发奠定了基础。 - 47 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第5章 图档流程监控与管理系统的开发实现 5.1 引言 在前文中，已经建立了图档流转过程的相关模型，研究了流程的柔性控制算法，设计了柔性工作流引擎并对生产协同中图档管理的若干问题作了探讨。接下来的工作就是系统软件的开发和实现。本章首先将选择系统的开发环境及开发工具，并建立系统软件的体系结构、功能模块、业务流程以及支持系统柔性控制的数据结构。最后按照三层体系结构设计并实现系统软件，给出系统的部分界面。 5.2 开发环境及开发工具的选择 (1)开发环境的选择 选择Microsoft的Windows XP Professional为操作系统，其强大的功能和友好的用户界面使得用户易学易用，能够很好地满足此项目的要求。 数据库选用关系型数据库。关系型数据库主要分为桌面关系型数据库系统和网络关系型数据库系统，前者如：Foxpro、MS Access等；后者如：Oracle、MS SQL Server、Sybase、DB2等。本系统必须选择网络关系型数据库，其中MS SQL Server应用广泛，可靠性也很高，所以选择MS SQL Server作为后台数据库。MS SQL Server是一个高性能数据库管理系统，内置数据复制功能和强大的管理工具，提供了面向网络的开发工具、应用服务器和数据服务器的综合平台，是一种安全、便捷的数据库平台。 (2)开发工具的选择 系统开发工具采用Delphi 6.0。Delphi 6.0是Borland公司推出的软件开发平台之一，它基于可视化界面和面向对象的编程方法，与Windows操作系统紧密的结合，具有强大的数据库技术支持，并且支持ADO技术，适应于多种数据库结构，从客户机／服务器模式到多层数据库模式。 在浏览AutoCAD二维图和Pro/E、SolidWorks、UG等三维模型以及Office文档等文件时，还需要有一个图形可视化工具，我们选用AutoVue浏览器。它的ActiveX控件可以嵌入到桌面软件界面中，也可以嵌入到网页 - 48 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 中，能够用它来直接浏览、标注450种以上的常用文档，并完全保留原始文档的完整性和安全性，支持图形的缩放、局部观看、移动、标注等功能，三维模型还可以旋转[47]，能够满足资料室管理人员操作图档的基本需要。 5.3 系统体系架构 系统的总体架构如图5-1所示，系统采用三层C/S结构[48,49]，分为数据层、应用层和界面层。数据层的功能主要是进行数据的处理，包括对数据库的操作，如存储、查询、增加、删除、修改等等；应用层的功能主要是实现系统要完成的逻辑功能，它是系统的核心；界面层的主要功能是将应用层提供的功能表示出来，提供给客户使用。 图5-1 系统总体架构 Fig.5-1 System architecture 采用这种结构，可以增加对象的重复使用性，而且可以降低系统的开发和维护成本。系统分为三层以后，每一层都有一定的独立性，同时各层之间又有一定连接关系。数据层封装了所有对于数据库的操作，它为应用层提供的接口就是一些函数，应用层通过对这些函数的调用就可以完成对数据的操 - 49 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 作；同样，应用程序为界面层也提供类似的接口函数，界面层通过调用这些函数可以将应用层提供的功能显示出来。当系统需要调整时，只须在模块内部进行修改，只要接口函数不发生改变，模块之间的调用就不会受到影响。 图档流转处理工作的进行涉及多种角色人员，因此，系统要根据人员角色的不同，定制不同的应用程序，完成不同的功能。系统根据活动的类型，划分为四个功能模块，分别是：图档管理模块、资源管理模块、流程管理模块以及系统管理模块。其中，图档管理模块由于使用的部门有所不同，因而在具体提供给各个部门的功能上也略有不同。具体的模块和功能划分情况以及系统流程图如图5-2、5-3所示： 图5-2 系统功能模块 Fig.5-2 System function modules - 50 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 统计清单设计文件工艺文件工装文件研试文件质量技术协议产品数据库销毁清单资料室综合数据库建立基础信息库（1）接收图档（2）复印图档(资料室)电子台帐回收清单（1）回收图档流程定制（1）确定每一级接收人及其任务（高级管理员）CAD图档更改单技术文件技术通知单（1）发放图档（2）打印清单，以备签字发放清单回收清单接收、回收图档（1）接收图档（2）打印清单，以备签字（1）接收图档（2）发放图档（3）打印清单，以备签字发放清单（1）接收图档（2）发放图档（3）打印清单，以备签字回收清单接收、回收图档（1）接收图档（2）打印清单，以备签字（1）接收图档（2）发放图档（3）打印清单，以备签字发放清单发放清单回收清单（1）接收图档（2）打印清单，以备签字（1）接收图档 图5-3 系统流程图 Fig.5-3 System flow chart - 51 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5.4 流程运行控制的数据建模 为了记录流程定制和流程执行的过程，实现数据、组织机构与人员、流程的有效管理，这里建立了支持系统柔性控制的数据结构，如图5-4。其中的过程表、活动表、路由表和转换表，用来存储流转过程模型的定义；过程实例表和活动实例表用来存储活动动态执行的过程；人力资源表、任务执行人表、角色表和权限表用来存储组织机构与人员角色信息。 活动过程PK 过程编号过程名称过程内容创建日期创建人父过程编号过程图备注PK 过程编号PK活动编号活动名称活动内容任务执行人PK 用户编号PK部门编号PK角色编号用户名称部门名称角色名称活动实例编号活动名称开始任务时间结束任务时间备注角色PK 角色编号角色名称角色说明转换节点PK 过程编号PK转换编号转换类型转换条件人力资源PK PKPKPK用户编号部门编号角色编号权限编号用户名称用户密码部门名称角色名称备注路由PK 过程编号PK路由编号起始节点结束节点备注过程实例PK过程编号PK 过程实例编号过程名称创建日期终结日期创建人内容状态图纸号备注活动实例PK 过程实例编号PK活动实例编号活动名称活动内容处理部门处理角色处理人员开始时间结束时间状态权限权限PK 用户编号PK权限编号权限 图5-4 流程运行数据模型 Fig.5-4 Data model of process run 在过程模型定义阶段，首先要用“过程”表描述过程的信息，其中“父过程代号”属性主要是为了标识本过程是否是其他过程的子过程，实现过程之间的嵌套，同时用“过程图”列来存储整个过程的图形化表达。在描述了 - 52 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 过程信息以后，接下来就要描述过程中的活动和转换，主要通过“活动”表和“转换节点”表，这两个表反映了过程中的活动信息和活动流程。 在流转过程执行阶段，要产生过程实例，由“过程实例”表记录，通过“过程实例状态”属性的改变来改变过程的运行状态。在产生过程实例的同时，其相对应的过程所包含的活动也都要实例化，这些活动的实例由“活动实例”表记录。各项活动实例的状态，反应了活动的执行情况，是正在执行还是已完成，都由这个属性记录。通过对各项活动状态的查看就可以确定，整个过程实例的执行情况。另外过程实例执行期间，需要具体的执行人员，由“任务执行人”表进行记录，通过这个表可以记录各个人的任务列表。 “人力资源”表、“角色”表和“权限”表记录了人员的角色、权限和其他具体信息，供分配任务时使用。 5.5 各功能模块的开发和实现 5.5.1 图档管理模块 该模块提供给资料室、生产部门和其他部门用于管理图档。当图档在以上三者之间频繁流转时，大量的数据将会随之产生并且跟随图档流转，为此建立图档数据结构模型如图5-5所示： 本图中只列出了关键的数据表关系。其中，图档信息表和图档过程表是最重要的两个表，它们储存图档整个流转过程的最重要信息，意见反馈表记录了各级任务执行人对于图档的修改意见等内容，是对图档做出修改的依据。以上三个表与图中其它表一起记录下完整的图档流转信息。 由于资料室、生产处以及其它部门三者工作职能各有不同，因而在工作中所需要的功能以及所拥有的权限也不尽相同。但是为了系统的通用化、标准化，以及减轻软件编写时的工作量，决定尽量采用统一的程序代码，根据三者所拥有权限的不同通过操作界面的设计提供不同的操作功能，各部门图档管理主要界面如图5-6、5-7所示： - 53 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图5-5 图档数据结构 Fig.5-5 Data structure of drawings - 54 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图5-6 资料室图档管理主界面 Fig.5-6 Main interface of drawings management for reference room 图5-7 生产部门图档管理主界面 Fig.5-7 Main interface of drawings management for manufacturing sector 5.5.2 资源管理模块 资源管理包括组织、角色、人员资源以及其他支撑资源比如图档属性等的管理，限于篇幅，在此只讨论组织和人力资源的管理。 - 55 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 为了系统安全和维护方便，本系统设计了两个人员表，一个用来记录工作人员的个人信息、操作权限等（详细内容见5.5.4节），仅有系统管理员有权修改该表中的属性；另一个则用来记录工作人员的任务接收等权限，除了系统管理员，流程管理员和任务管理员也有操作该表的权利。 人力资源管理的数据结构见图5-8： 图5-8 人力资源数据结构 Fig.5-8 Data structure of human resource 组织人力资源的管理主界面如图5-9、5-10： 图5-9 组织管理界面 Fig.5-9 Organization management interface - 56 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图5-10 人力资源管理界面 Fig.5-10 Human resource management interface 5.5.3 流程管理模块 本模块是系统的核心模块，供流程制定人和流程管理员使用。由于流程管理模块的存在，本系统实现了流程的动态定制和修改。流程制定人使用本模块可以为任何图档专门定制其流程，并且根据图档流转过程中出现的问题更改流程内容，相较于传统的图档管理软件来说，本模块的引入是一大进步，它使图档的管理变得具柔性和针对性。 另外，对于流程管理员来说，本模块提供了一种对流程进行实时监控的工具，通过流程管理与监控界面，流程的进度以及完成情况一目了然，流程管理员在流程制定人允许的情况下同样拥有使用该模块改变流程内容甚至进行重起操作的权利。当该模块提交流程异常的信息时，流程管理员可根据具体的异常情况做出相应的处理。 具体的操作界面见图5-11、5-12、5-13，限于篇幅，在此只给出图档监控与管理主界面和流程定制相关属性设定界面。 - 57 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图5-11 图档流程监控与管理主界面 Fig.5-11 Drawings process monitoring and management interface 图5-12 活动属性界面 Fig.5-12 Activity attributes interface 图5-13 路由属性界面 Fig.5-13 Routing attributes interface - 58 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5.5.4 系统管理模块 该模块仅供系统管理员管理系统、维护系统正常运行所用。本文重点讨论其中用户管理和型号管理功能的实现。 用户管理功能用以管理企业人员情况。系统管理员是为了对系统用户进行维护而创建的一类用户，在系统初始化的时候，由程序设计人员手动将系统管理员用户Administrator添加到数据库中。系统管理员可以依靠该模块行使除了更改其他用户密码以外的用户信息管理中全部操作的权利，如维护所有用户个人信息和角色权限信息等；他本身不参与其它模块的任何操作。系统管理员可以增加用户并设置用户初始密码，但不能查看和更改他人密码。 用户管理模块的界面如图5-14所示： 图5-14 用户管理界面 Fig.5-14 User management interface 在本文讨论的图档管理系统中，虽然图档承载的是型号产品的相关信息，但型号产品信息与直接支持图档管理模块的图档类型等信息大不相同。任务管理员需要根据图档类型等信息分配图档处理权限，安排处理人员。但是对于任一权限的工作人员，其工作对象仅仅是图档上的信息，不需要关心该图档具体涉及到哪一个型号产品，更没有权限和必要去对型号产品的信息 - 59 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 作全面的了解甚至是修改。因而本系统将型号产品管理部分从资源管理模块中剥离出来列入系统管理模块。对型号产品相关内容的修改只有系统管理员在高权限用户的授权下才能进行。 型号产品管理的界面见图5-15： 图5-15 型号产品管理界面 Fig.5-15 Space products management interface 5.6 本章小结 本章主要开发并实现了图档流程监控与管理的系统软件。选择了开发环境和开发工具，对系统的体系结构作了详细设计并划分了系统功能模块，给出了系统业务流程，随后针对图档流程定制和过程模型柔性控制建立了相应的数据结构。在此基础上，基于Delphi 6和SQL Server 2000对各个模块进行了开发，实现了流程定制、动态修改、实时监控以及工艺处与生产部门初步的生产协同等柔性管理功能，并给出了部分模块的开发成果。 - 60 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 结论 以数字化工厂为目标的制造业信息化是当前的研究热点之一，但对于面向生产的图档流转过程监控与管理方面的研究却不多，将柔性工作流技术运用于实际生产的例子更是少而又少。而这些技术对于提高整个制造企业的运作效率具有重要作用。本文根据航天科工集团某厂敏捷制造项目子项目的需求，对这方面进行了详细的研究，得出如下结论： 1. 针对现行刚性工作流技术灵活性差的特点，基于集合论原理实现了图档流转工作流模型的数学表达，在此基础上建立了基于柔性工作流技术的图档流转过程的总体模型、过程模型、组织模型、任务模型和监控模型，并采用活动网络图来表达上述各模型，解决了目前工作流模型语义不清以及图档流转模型的图形化表达和通用性问题。 2. 设计了基于状态转换的工作流过程模型中过程和活动的运行控制算法以及支持工作流动态监控和修改的变迁算法，基于这些算法建立了用以驱动整个系统运行的工作流引擎的体系结构，并且设计了其工作方式，赋予了图档流转工作流过程可定制性和可修改性，实现了流程的柔性动态管理。 3. 建立了型号产品图档流转的集成管理模型；分析了图档任务的特点，对任务的分配采用最大优先启发式算法，解决了协同生产中图档管理的版本协调和任务分配问题，验证了通过图档来协调生产过程的可行性。 4. 以关系数据库理论为基础，建立了支持工作流过程模型定制和过程模型自动执行的数据模型；以SQL Server为后台数据库，在Delphi6.0环境下采用三层C/S结构开发了系统软件，实现了企业对图档流程的定制、动态修改、监控等柔性管理需求，验证了本文中提出的模型和算法的正确性。 对于本课题，作者认为今后应从以下几个方面加以进一步研究： 1. 进一步研究基于工作流的过程建模方法和过程控制算法，使得系统具有更高的柔性，能够适应更多的需要，如实现系统的自适应协调机制。 2. 进一步探索现代制造企业的生产管理机制，实现图档与生产系统的完全协同，取消目前意义上的资料室，使图档的管理完全融入企业的生产过程中。 - 61 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 参考文献 1 周新建，潘磊. 基于数字化工厂的虚拟制造技术. 机械设计与制造. 2006, 7(7): 111~113 2 史宪铭，郭波，吴小悦. 快速研制系统的组成研究. 科技情报开发与经 济. 2006, 6(8): 161~163 3 齐从谦. 制造业信息化导论. 中国宇航出版社. 2003, 2: 3~4 4 Mentzas, Gregory, Halaris, Christos, Kavadiasm, Stylianos. 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