產(chǎn)品多領域協(xié)同設計的CCM_A過程模型結構檢測方法*

崔衛(wèi)華,王慧,楊波

(濟南大學機械工程學院,濟南 250022)

0 引言

工作流模型(也稱為過程模型[1],本文以下稱過程模型)驗證是工作流管理的一個重要組成部分,目的是在工作流設計時檢驗其正確性,在工作流過程實際實施之前探測其中可能存在的各種過程錯誤,從而降低工作過程運行時的停產(chǎn)、檢查和修復的成本[2]。

過程模型驗證包括語法檢測和結構檢測。語法檢測較為簡單,一般所說的過程模型結構檢測主要指結構檢測。從查閱文獻來看,目前,已有的一些過程模型檢測方法側重對控制流的檢測,如規(guī)約法則、狀態(tài)空間、過程邏輯和基于語義的結構檢測等方法[3]?？刂屏髋c數(shù)據(jù)流、資源流相結合的更復雜的結構檢測問題還沒有得到很好解決。文獻[4]嘗試以過程定義的目標為出發(fā)點,突破結構檢測的局限,探討基于 Petri網(wǎng)化簡技術的語義檢測方法,該方法在進行模型結構檢測時較全面地考慮了控制、信息和資源,進行了控制流、數(shù)據(jù)流和資源三維的語義檢測。但是該方法將控制、數(shù)據(jù)和資源三維信息進行合并,統(tǒng)一考慮,沒有考慮到實際設計過程中三種“流”線不一致的情況。

復雜產(chǎn)品是客戶需求復雜、產(chǎn)品組成復雜、產(chǎn)品技術復雜、制造過程復雜、項目管理復雜的一類產(chǎn)品[5]。復雜產(chǎn)品開發(fā)涉及多個技術領域,是一種基于約束的、多領域的、協(xié)同求解過程,因此必然采用多領域協(xié)同的開發(fā)方式。產(chǎn)品多領域協(xié)同設計具有層次性、多領域性、協(xié)同性、循環(huán)迭代性、階段性、并行性以及約束和沖突的復雜性等特點[6]。

產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程更加復雜,其過程模型檢測更為重要。本文針對 CCM_A過程模型的特點,提出基于語義推理的多元結構檢測方法,對產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型進行結構檢測。

1 產(chǎn)品多領域協(xié)同設計的 CCM_A過程模型

CCM_A過程建模方法[6]是針對產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程特點,基于活動理論,參考活動網(wǎng)絡圖和協(xié)同工作建模方法(Multi-Conext Map)提出、建立的。CCM_A過程模型由活動、活動約束和過程邏輯節(jié)點等三類基本建模元素構成,如圖 1所示。根據(jù)活動理論將活動圖示表達為圖 2,稱為活動元模型,其圖示表達充分反映了活動理論對活動的定義,也充分體現(xiàn)了產(chǎn)品多領域協(xié)同設計的約束性、協(xié)同性;活動 ID是該活動元在 CCM_A過程模型中的唯一標記,其編排原則是“父.子.孫…”的形式,體現(xiàn)了過程的多領域性、層次性;活動約束即活動的輸入、輸出分為三種“流”,即時序流、信息流、材料流;三“流”分離 (為簡化流程,當三種“流”流向一致時,可進行適當合并),為不同流的仿真、管理提供了基礎。由圖 1、圖 2可見,CCM_A過程模型描述信息全面,能夠較全面地體現(xiàn)了產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程的層次性、階段性、多領域性、協(xié)同性、約束性等特點,能夠支持過程管理系統(tǒng)的構建,是一種適用于產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程建模的建模新方法。

2 產(chǎn)品多領域協(xié)同設計的 CCM_A過程模型結構檢測

2.1 CCM_A過程模型的語法檢測

過程模型檢測主要分為兩個部分：語法檢測和結構檢測。語法檢測是檢測模型是否遵守建模語言語法,語法檢測主要是檢測 CCM_A中各節(jié)點的連接是否符合節(jié)點的語義,即檢測 CCM_A過程模型的如下方面：

(1)開始節(jié)點入度為 0,其它所有節(jié)點入度均不為0;結束節(jié)點出度為 0,其余節(jié)點的出度均不能為 0;

(2)邏輯節(jié)點,輸入/出流的類型不變。如果其輸入/出流為合流,為檢測方便,此時將合流作為單一流處理,因此,對于分支型邏輯節(jié)點入度等于 1,出度大于1;聚合型邏輯節(jié)點入度大于 1,出度等于 1;

(3)活動元的入度和出度必須都等于 3(合流按“3”處理 );

(4)連接弧的起始端點和結束端點不能指向同一節(jié)點,亦即,模型不允許存在指向節(jié)點自身的回路。

2.2 基于語義推理的 CCM_A過程模型結構檢測

2.2.1 結構沖突

由于過程的復雜性,致使過程模型中的過程邏輯節(jié)點可能具有多種邏輯組合,導致結構沖突的校驗比較困難,特別是引入多領域過程協(xié)同概念及循環(huán)迭代結構后,更增加了過程結構中潛在的錯誤和模型校驗的難度。

過程模型一般存在歸納為以下幾類沖突[7]：

(1)死鎖：由于聚合節(jié)點的同步條件無法滿足而造成過程執(zhí)行路徑的中斷,由于異或聚合節(jié)點的并行沖突,使得執(zhí)行路徑中斷;

(2)活鎖：由于環(huán)結構無法退出而導致無休止的循環(huán);例如錯誤使用與分支循環(huán)引起的活鎖;

(3)分支丟失：執(zhí)行過程中,某分支丟失。

另外,CCM_A中時序、信息流是分離的,建模過程中如果某種“流”出現(xiàn)上述的死鎖或活鎖,都會導致過程不能繼續(xù)執(zhí)行。

2.2.2 基本結構語義及其多元語義推理表達

設 CCM_A過程模型中的節(jié)點的輸入連接用InputXi表示,一個輸入連接由 InputTi,InputDi,InputMi三個輸入流組成,其中 i為輸入連接的序號,i=1,2,…,n;輸出連接用 OutputXj表示,一個輸出連接由 OutputTj,OutputDj,OutputMj三個輸出流組成,其中 j為輸出連接的序號,j=1,2,…,m(其中 InputT/OutputT、InputD/OutputD、InputM/OutputM分別表示輸入/輸出的時序、信息和材料流)。具體定義如下：

輸入流：InputXi=1,有相應的“流”到達節(jié)點 i;InputXi=0,無相應的“流”到達節(jié)點 i。

輸出流：OutputXj=1,有相應的“流”輸出節(jié)點 j;OutputXj=0,無相應的“流”輸出節(jié)點 j。

除串行結構外,CCM_A模型的各種過程結構如表1所示,所以 CCM_A模型的各種過程結構的形式化語義推理表示如下：

表 1 CCM_A模型的各種過程結構(串行結構除外)

上述語義推理是針對“三流”同向情況,進行定義的;對于時序流、信息流和材料流異向情況,上述語義推理同樣適用(見圖 3a)。

3 產(chǎn)品多領域協(xié)同設計的 CCM_A過程模型分級檢測

產(chǎn)品多領域協(xié)同設計的復雜性,使得設計過程模型復雜化,一次全面檢測整個過程模型難度較大。因此,針對產(chǎn)品多領域協(xié)同設計的領域性和層次性,本文確定對其過程模型進行分級結構檢測。即,先進行領域內(nèi)過程模型檢測,然后聯(lián)接領域過程模型進行領域間過程模型結構檢測,從而由低到高完成產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型的整體結構檢測。

3.1 領域過程模型結構檢測

利用語義推理方法,對各領域過程模型分別進行結構正確性檢測。

3.2 產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型結構檢測

根據(jù)產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程各領域設計任務的關聯(lián)關系,可以確定不同領域間相關過程的起始和終止活動一般是并行進行,因此,根據(jù)領域設計的關聯(lián)關系,確定領域過程模型之間的相關活動節(jié)點,并適當增設“與邏輯節(jié)點”,構建產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型;然后利用語義推理方法,以領域間的“與邏輯節(jié)點”為終點,檢測各領域過程是否為通路,如果為通路,則不存在沖突;否則存在結構沖突,進行相應的修正。

4 產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型結構檢測實例

4.1 過程模型結構檢測實例

圖 3 復雜產(chǎn)品設計過程模型結構檢測實例

下面考察一個產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型,這里僅以其中兩個相關設計領域為例。圖 3a為簡化的分領域 CCM_A過程模型的圖示表達(注：此處產(chǎn)品設計是基于網(wǎng)絡的設計,設計者之間并不傳遞實物材料,如紙質圖紙,所以,在過程模型中將信息流和材料流合并為信息流;另外,為準確判斷“流”類型,在模型中增設了分流/合流器)。首先,基于語義推理分別檢測領域 1和領域 2過程模型,發(fā)現(xiàn)領域 2過程模型在“與聚合”節(jié)點處發(fā)生死鎖,根據(jù)設計實際情況修正模型,如圖 3b;根據(jù)領域間的關系,在關聯(lián)活動節(jié)點處適當設置“與邏輯節(jié)點”,將領域過程模型聯(lián)接為完整的產(chǎn)品設計過程模型,并進行過程模型結構檢測,如發(fā)現(xiàn)問題,則根據(jù)領域設計過程規(guī)劃進行領域過程模型修正。完成產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型結構檢測。當然,由于存在分支邏輯結構,使得過程模型存在多條支路,所以在進行過程模型結構檢測時應該對所有支路均進行檢測,只有當所有支路都不存在上述結構錯誤時,才能確定過程模型正確。

4.2 過程模型構建規(guī)則

分析產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型結構檢測結果,可得如下過程模型構建規(guī)則：

規(guī)則一：按照過程模型的層次嵌套關系,對應的邏輯節(jié)點盡可能成對出現(xiàn)。該規(guī)則的確定避免了分支丟失和死鎖的產(chǎn)生。同步與邏輯節(jié)點和異或(或)邏輯節(jié)點相對應,則會發(fā)生分支丟失;異或(或)邏輯節(jié)點和同步節(jié)點相對應,則會產(chǎn)生結構死鎖(如圖 3a所示)。

規(guī)則二：若 CCM_A中存在環(huán),則它必須是一個迭代結構,且迭代結構的入口點和出口點分別為異或聚合和異或分支過程邏輯節(jié)點。這條規(guī)則,消除了與節(jié)點引入活鎖的可能性以及流程多次終止現(xiàn)象。

另外,與層次建模方法相對應,CCM_A中的活動塊節(jié)點和子過程節(jié)點代表實際的子過程模型,在父過程模型中以節(jié)點形式參與校驗,它們的過程模型結構正確性可以單獨進行校驗;而對于如圖 4a所示的耦合緊密的迭代結構,可以直接用 CCM_A的一個協(xié)同活動元來代替,避免過程死鎖,同時簡化了過程模型,使流程更為清晰,如圖 4b所示。

圖 4 耦合結構簡化

結構檢驗規(guī)則的制訂,可以指導過程建模,幫助檢驗過程模型結構的正確性。但是,這里需要強調的是,上述結構檢測規(guī)則是從過程模型的總體結構上幫助把握其正確性,它必須同基于語義推理的結構檢測方法相結合,才能完成過程模型的結構檢測工作。

5 結束語

本文結合產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程特點,針對CCM_A過程模型層次建模、“三流”分離的特點,提出基于語義推理的產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型多元結構檢測方法,該方法根據(jù)產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程模型的層次性,由低到高分級進行,從而消除過程模型的結構沖突,為產(chǎn)品多領域協(xié)同設計及設計過程管理的順利、有效進行打下基礎;并通過分析過程模型結構檢測實例,總結過程模型構建時應遵循的規(guī)則,為指導構建結構正確的過程模型提供依據(jù)。

[1]范玉順,王剛,高展.企業(yè)建模理論與方法學導論[M].北京：清華大學出版社,2001.

[2]HENRYH B,ZHAO L.Process logic for verifying the correctness ofbusiness processmodels[A].Proceeclings of the 2004 International Con ference on Information Systems(2004 ICIS)[C].Washington,D.C.,USA,2004：91-100.

[3]凌鴻,周江波,胥正川.基于語義推理的工作流結構驗證方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2006,12(6)：893-899.

[4]周建濤,史美林,葉新銘.一種基于Petri網(wǎng)化簡的工作流過程語義驗證方法[J].軟件學報,2005,16(7)：1242-1251.

[5]柴旭東,李伯虎.產(chǎn)品多領域協(xié)同協(xié)同仿真平臺的研究與實現(xiàn)[J].計算機集成制造系統(tǒng),2002,8(7)：580-584.

[6]崔衛(wèi)華.產(chǎn)品多領域協(xié)同設計過程的 CCM_A建模技術研究[D].武漢：武漢理工大學,2007.

[7]李偉剛.產(chǎn)品多領域協(xié)同協(xié)同開發(fā)支撐環(huán)境的關鍵技術研究[D].西安：西北工業(yè)大學,2003.