基于ROAD-CPN業(yè)務(wù)架構(gòu)的可執(zhí)行建模方法

黃鳳蘭 倪楓 劉姜 張敬鴻 拓開慧

摘要：開放組架構(gòu)框架（TOGAF）業(yè)務(wù)架構(gòu)作為數(shù)據(jù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)的基準，在企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中占據(jù)引導(dǎo)作用。但由于其自身描述形式的局限性，存在無法對系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)框架動態(tài)特征進行分析的問題，故提出一種基于ROAD業(yè)務(wù)架構(gòu)的著色petri網(wǎng)（CPN）可執(zhí)行模型生成方法。該方法基于TOGAF業(yè)務(wù)架構(gòu)ACF元模型劃分提出的4類模型——規(guī)則模型（RM）、組織模型（OM）、活動模型（AM）和數(shù)據(jù)模型（DM），建立4類模型不同描述形式與CPN建模語言間的對應(yīng)關(guān)系，進而提出以RM，OM，AM和DM為主體的可執(zhí)行模型五階段建模方法。最后，以幼兒園智能晨檢機器人系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)為例，驗證了所提方法的可行性和有效性。該方法實現(xiàn)了靈活、自動化的CPN可執(zhí)行模型的生成，打破了業(yè)務(wù)架構(gòu)建模語言和CPN建模語言之間的限制。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)架構(gòu)；著色petri網(wǎng)；開放組織架構(gòu)框架；業(yè)務(wù)流程；可執(zhí)行模型

中圖分類號：N 94

文獻標志碼：A

Executable modeling method based on the ROAD-CPN business architecture

HUANG Fenglan，NI Feng，LIU Jiang，ZHANG Jinghong，TUO Kaihui

（Business School，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：The Open Group Architecture Framework（TOGAF）business architecture is abenchmark for data architecture，application architecture and technical architecture，and occupies aguiding role in the design of enterprise system architecture.However，due to the limitation of its description form，the dynamic characteristics of the business architecture cannot be analyzed.A colored petri net（CPN）executable model generation method based on ROAD business architecture was proposed.The method was based on the four types of models proposed by the division of the ACF metamodel of TOGAF business architecture?rule model（RM），organization model（OM），activity model（AM）and data model（DM）.The corresponding relations between the different description forms of the four types of models and the CPN modeling language was established.The five-stage modeling method of executable models with RM，OM，AM and DM as the main body was then proposed.Finally，the feasibility of the method was verified by taking the business architecture of the kindergarten intelligent morning inspection robot system as an example.It achieves creation of CPN executable model and breaks the limitations of modeling languages of business architecture and CPN model.

Keywords：system architecture;colored Petri net;the open group architecture framework;business process;executable model

開放組織架構(gòu)框架（TOGAF）[1]由國際標準權(quán)威組織The Open Group制定，是一個體系結(jié)構(gòu)框架。TOGAF能夠為組織設(shè)計、評估和構(gòu)建正確的體系結(jié)構(gòu)，并已成為被廣泛采用的成熟的企業(yè)架構(gòu)框架[2]。它對架構(gòu)開發(fā)過程和架構(gòu)內(nèi)容分別給出兩套通用的參考標準[3]：一個可靠的卓有成效的架構(gòu)開發(fā)方法（architecture development method，ADM）[4]和一套元模型架構(gòu)內(nèi)容方法（architecture content framework，ACF）[5]。其中，ACF元模型是在TOGAF架構(gòu)建模過程中起到基石作用并在業(yè)務(wù)架構(gòu)與信息系統(tǒng)架構(gòu)的協(xié)同中起到紐帶作用的企業(yè)架構(gòu)模型的關(guān)鍵。TOGAF為業(yè)務(wù)架構(gòu)階段提供了9個建議步驟和18個備選交付物[1]，但是，由于在實際運用中缺少成熟方法、工具和案例的支撐，這些交付物的開發(fā)不能充分結(jié)合現(xiàn)有成熟的開發(fā)模型和方法，難以確?？尚行訹4]。

為了解決這一問題，文獻[6]通過對TOGAF業(yè)務(wù)架構(gòu)ACF元模型的研究，提出了一組基于元模型的描述模型組合劃分的ROAD元架構(gòu)模型——規(guī)則模型（RM）、組織模型（OM）、活動模型（AM）和數(shù)據(jù)模型（DM），其中，RM用IF-THEN-ELSE和CASE等規(guī)則邏輯控制語句來描述；OM用UML協(xié)作圖來描述；AM用IDEF0圖來描述；DM用IDEF1x實體關(guān)系圖來描述。然而，這并不能達到企業(yè)對系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的性能進行評估的要求。從本質(zhì)上講，系統(tǒng)是動態(tài)的，組件系統(tǒng)之間的相互作用是根據(jù)相應(yīng)事件發(fā)生而觸發(fā)，進一步帶動相應(yīng)系統(tǒng)功能的執(zhí)行。但以上模型只是對系統(tǒng)動態(tài)行為進行靜態(tài)描述。

Petri網(wǎng)是由物理學(xué)家Petri提出的一種圖形化和數(shù)學(xué)化建模工具[7-8]，它可以對并發(fā)、異步、分布式、并行、非正確性和隨機的信息處理系統(tǒng)進行建模[9]。為了進一步提高Petri網(wǎng)的建模效率，高級Petri網(wǎng)模型順勢被提出，包括隨機Petri網(wǎng)（stochastic Petri net，SPN）[10]、時間Petri網(wǎng)（timed Petri net，TPN）[11-12]、模糊Petri網(wǎng)（fuzzy Petri net，F(xiàn)PN）[13]以及著色Petri網(wǎng)（colored Petri net，CPN）[14]等。Petri網(wǎng)可執(zhí)行模型[15]是對體系結(jié)構(gòu)動態(tài)行為驗證和評估的重要手段之一。目前，已經(jīng)吸引了不少學(xué)者對基于petri網(wǎng)的可執(zhí)行建模方法進行研究，如文獻[16]將IDEF0模型轉(zhuǎn)換為CPN可執(zhí)行模型，文獻[17]研究了從IDEF0模型到CPN模型的自動轉(zhuǎn)換，文獻[18-19]將統(tǒng)一建模語言（unified modeling language，UML）模型轉(zhuǎn)換為CPN可執(zhí)行模型，文獻[20]將UML模型轉(zhuǎn)換為TPN可執(zhí)行模型，文獻[21]將IDEF1x模型轉(zhuǎn)換為CPN可執(zhí)行模型。但是，這些方法僅對單一體系結(jié)構(gòu)建模語言到Petri網(wǎng)建模語言進行映射，缺乏靈活性和擴展性。

基于以上問題，本文對文獻[6]的工作進一步擴展，將以不同建模語言間的語義對應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，充分考慮RM，OM，AM和DM描述語言的不同表述特性以及CPN模型的結(jié)構(gòu)和規(guī)則描述方式、顏色集定義方式，進而建立ROAD業(yè)務(wù)架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的CPN可執(zhí)行模型，從而打破單一建模語言向Petri網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換的限制，實現(xiàn)ROAD模型的動態(tài)仿真和評估。

CPN Tools[22]是一套CPN的編輯、仿真和分析工具，對模型所生成的可達圖[23]和狀態(tài)空間報告進行分析，可以檢測可執(zhí)行模型數(shù)據(jù)一致性和操作一致性，如檢測模型是否存在死循環(huán)、死鎖、狀態(tài)空間爆炸等問題[24-26]。故本文將使用CPN Tools進行建模。

1 ROAD-CPN建模方法

ROAD元架構(gòu)模型包括RM，OM，AM，DM這4個部分，其中：RM使用IF-THEN-ELSE和CASE等規(guī)則邏輯控制語句來描述；OM使用UML協(xié)作圖來描述；AM使用IDEF0圖來描述；DM使用IDEF1x實體關(guān)系圖來描述。CPN模型則包括庫所、變遷、顏色集、弧表達式函數(shù)、警衛(wèi)函數(shù)等組成單元。所以，創(chuàng)建從ROAD元架構(gòu)4類模型到CPN模型的映射關(guān)系，便是創(chuàng)建不同建模語義之間的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

以不同建模語言間的語義對應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，充分考慮不同種語言的各自表述特點以及CPN模型的分層結(jié)構(gòu)、規(guī)則表述、顏色集定義方式，可以將可執(zhí)行模型建模過程劃分為5個階段。

第1階段：調(diào)研系統(tǒng)需求。

依據(jù)ROAD元架構(gòu)模型中的OM使用UML協(xié)作圖表達，其中包括對象、連接、消息元素，首先明確系統(tǒng)設(shè)計建模的目的、模型邊界、粒度要求，然后確定模型各個元素的底層關(guān)系。

第2階段：確定模型結(jié)構(gòu)。

依據(jù)ROAD元架構(gòu)模型的AM，以活動模型IDEF0圖層次結(jié)構(gòu)作為CPN模型分層結(jié)構(gòu)的依據(jù)，構(gòu)建CPN模型框架，并給出IDEF0模型與CPN模型的定義，再將活動模型IDEF0圖中元素映射到CPN模型，如圖1所示。

定義1 M IDEF0=（In，Out，Con，M，Act，As）

第3階段：定義顏色集。

以DM的IDEF1x實體關(guān)系圖的結(jié)構(gòu)定義CPN模型的顏色集Σ。其中，關(guān)系圖中的數(shù)據(jù)屬性映射為簡單顏色集，數(shù)據(jù)實體映射為復(fù)合顏色集。并且為了確保ROAD業(yè)務(wù)架構(gòu)模型與CPN模型之間數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性，復(fù)合顏色集名稱必須采用DM中的實體名命名，復(fù)合顏色集中的各個子顏色集名稱也以DM中歸屬于該實體的各個屬性名命名。

第4階段：建立底層變遷結(jié)構(gòu)。

以ROAD元架構(gòu)模型的RM中操作活動的規(guī)則描述建立CPN模型底層模型的變遷結(jié)構(gòu)。

RM中用IF-THEN結(jié)構(gòu)化語言描述的各條規(guī)則對應(yīng)成每個變遷的模版化結(jié)構(gòu)。這些變遷結(jié)構(gòu)的建立過程應(yīng)該遵循以下4步：

a.為了便于查詢，使用規(guī)則名稱命名變遷名稱。

b.規(guī)則條件關(guān)鍵字IF之后的數(shù)據(jù)實體對應(yīng)具有相應(yīng)顏色標簽的變遷前集庫所，即輸入端口庫所、變遷輸入弧函數(shù)。

c.將IF條件寫入對應(yīng)變遷的警衛(wèi)函數(shù)中，作為變遷的觸發(fā)條件。

d.規(guī)則條件關(guān)鍵字THEN之后出現(xiàn)的數(shù)據(jù)實體對應(yīng)成后集庫所，即輸出端口庫所，規(guī)則輸出結(jié)果寫成變遷輸出弧函數(shù)。

將以上步驟模版化地應(yīng)用于建立CPN模型中的每個變遷結(jié)構(gòu)。經(jīng)過以上4個階段，整個CPN建模過程基本完成。

第5階段：驗證模型行為。

根據(jù)ROAD元架構(gòu)模型中包含的AM的流程軌跡，再結(jié)合CPN模型執(zhí)行記錄和仿真報告、圖表，進而核實驗證系統(tǒng)的CPN可執(zhí)行模型的邏輯行為的正確性。例如，以AM的IDEF0模型中輸入輸出信息來驗證CPN模型運行過程中產(chǎn)生的邏輯行為發(fā)生序列OG（occurrence graph）圖，驗證可執(zhí)行模型的邏輯行為是否與預(yù)期的動態(tài)行為相符。

綜上所述，由ROAD業(yè)務(wù)架構(gòu)模型到CPN可執(zhí)行模型的建模過程這5個階段如圖2所示。

2幼兒園智能晨檢機器人業(yè)務(wù)架構(gòu)建模

自新冠肺炎疫情爆發(fā)以來，防疫智能機器人與醫(yī)療技術(shù)的有效結(jié)合在抗議過程中起到了非常重要的作用。針對智慧學(xué)校這一需求，再結(jié)合疫情防控指導(dǎo)工作，以及AI防疫機器人在疫情期間的突出表現(xiàn)，越來越多的幼兒園選擇具備AI智能的晨檢機器人為幼兒做好防疫晨檢。

2.1幼兒園智能晨檢機器人系統(tǒng)ROAD業(yè)務(wù)架構(gòu)建模

幼兒園防疫智能晨檢機器人的功能分解如圖3所示。以“體溫檢測”系統(tǒng)（簡稱TD系統(tǒng)）為例，基于ROAD元架構(gòu)模型對該系統(tǒng)的業(yè)務(wù)架構(gòu)建模為4部分，得到體溫檢測功能的業(yè)務(wù)組織模型、業(yè)務(wù)活動模型、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)規(guī)則模型，分別如圖4～6、表2所示。其中，圖6中Number為數(shù)值，String為字符串，Datetime為時間，Boolean為布爾值。AM元素說明如表3所示。

2.2幼兒園智能晨檢機器人系統(tǒng)CPN業(yè)務(wù)架構(gòu)建模

現(xiàn)以幼兒園防疫智能晨檢機器人的“體溫檢測”功能ROAD模型為例，進一步說明ROAD模型到CPN可執(zhí)行模型的建模過程。

建模第1階段，調(diào)研系統(tǒng)需求。本文限于篇幅，不作詳述。

建模第2階段，確定模型結(jié)構(gòu)。如圖7（a）所示，依據(jù)ROAD元架構(gòu)模型AM的A0層，可設(shè)置CPN模型的頂層頁面，以TEMPERATURE_CHECK為變遷。如圖7（b）所示，將A1，A2，A3層映射為CPN模型的子層，其中：活動Identity_verification，Check_temperature，Input_temperature作為變遷；活動節(jié)點之間的輸入輸出關(guān)系作為弧線；控制要素Face_recognition、輸入信息Basic_information和Temperature、輸出信息display_information和Temperature_report作為庫所。

建模第3階段，以DM的IDEF1x實體關(guān)系圖的結(jié)構(gòu)定義CPN模型的顏色集。在DM中列舉了7個實體Face_recognition，Basic_information，Stu-dent_information，Temperature，Student_temperature，Temperature_report，Display_information之間等關(guān)系和各自包含的屬性定義。相應(yīng)地，在CPN模型中嚴格遵照DM中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義各個顏色集，列舉其中2個實體顏色集定義如表4所示。

建模第4階段，建立底層變遷結(jié)構(gòu)。RM中用IF-THEN結(jié)構(gòu)化語言描述的各條規(guī)則來描述TD系統(tǒng)在各種情況下可能觸發(fā)的所有行為。列舉其中2條規(guī)則，如表5所示，規(guī)則RULE_Identity_verification和RULE_Check_temperature，將這些規(guī)則分別寫到對應(yīng)的變遷Identity_verification和Check_temperature上，如圖7（b）所示。

建模第5階段，驗證模型行為。本文關(guān)注系統(tǒng)2個層面的一致性場景驗證：a.數(shù)據(jù)層的一致性驗證，即關(guān)注單個學(xué)生數(shù)據(jù)輸入與信息庫數(shù)據(jù)之間是否一致；b.操作層的一致性驗證，即關(guān)注當同時有多個學(xué)生進行“體溫檢測”并發(fā)使用一份數(shù)據(jù)時，是否能讀到相匹配的數(shù)據(jù)。研究方式為進行學(xué)生依次檢測和多個學(xué)生并行檢測，比較兩種操作返回結(jié)果是否一致。

為了驗證該建模方法的可行性，首先描述了對TD系統(tǒng)的ROAD業(yè)務(wù)架構(gòu)模型進行可執(zhí)行CPN建模的詳細過程，實現(xiàn)了ROAD業(yè)務(wù)架構(gòu)模型的可執(zhí)行化?？蓤?zhí)行建模結(jié)果如圖7所示。然后，將“兩名學(xué)生進行入園體溫檢測”的案例數(shù)據(jù)作為CPN模型的初始數(shù)據(jù)，使之運行得出對應(yīng)的結(jié)果和狀態(tài)空間報告數(shù)據(jù)。其中，該兩名同學(xué)在TD系統(tǒng)中會通過初始信息錄入姓名、編號和體溫，分別為“姓名：Anne；編號：1；體溫：39℃”和“姓名：Jeya；編號：2；體溫：37℃”。預(yù)期結(jié)果是體溫值大于37℃時會體溫警報，并在電子屏幕上顯示姓名信息，而體溫值小于或等于37℃時將傳輸體溫正常報告。最后，對CPN運行結(jié)果和狀態(tài)空間報告數(shù)據(jù)進行分析。該實驗的CPN模型運行結(jié)果如圖8所示，結(jié)果顯示體溫為39℃的Anne同學(xué)觸發(fā)了體溫警報和在電子屏幕上顯示姓名信息；Jeya同學(xué)則得到體溫正常報告。分析該運行結(jié)果可知，此模型運行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果數(shù)據(jù)和行為均一致。該CPN模型導(dǎo)出的狀態(tài)空間報告如圖9所示，該報告顯示了模型的家性、活性和公平性。對活性進行分析可以得知，該模型中死標識（Dead Markings）數(shù)量為0，即不存在未啟用的綁定元素；死變遷（Dead Transition Instances）數(shù)量為0，即存在標識中開始并包含一個變遷實例的發(fā)生序列。結(jié)合運行結(jié)果和狀態(tài)空間報告可知，模型中不存在死循環(huán)、死鎖及狀態(tài)空間爆炸等情況。

遵循以上5階段建模方法，由TD系統(tǒng)的ROAD業(yè)務(wù)架構(gòu)模型建立了可執(zhí)行的CPN模型，并且驗證了模型與預(yù)期系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性和邏輯行為一致性，說明這套建模方法和步驟是可行的、有效的。

3結(jié) 論

在研究TOGAF業(yè)務(wù)架構(gòu)模型描述與CPN建模語言兩者之間語義對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ROAD元架構(gòu)模型的CPN可執(zhí)行模型生成方法。由于對ROAD元架構(gòu)4類模型的描述形式不一樣，故實現(xiàn)了多種不同體系結(jié)構(gòu)模型語言到CPN建模語言的轉(zhuǎn)換，并支持TOGAF業(yè)務(wù)架構(gòu)模型的動態(tài)行為檢驗和評價。本文未考慮復(fù)雜大規(guī)模ROAD模型對CPN模型轉(zhuǎn)換以及可執(zhí)行建模效果的影響，這將需要進一步研究。此外，跨越多種建模語言體系的語義關(guān)系嚴格對應(yīng)及其完全形式化定義等研究議題仍具有挑戰(zhàn)性，需進一步深入研究。

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（編輯：石 瑛）