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基于Petri网与工作流建模的电子政务办公系统构建

作者:原创论文网 时间:2017-04-06 11:15 加入收藏
摘要


  电子政务系统是面向企业、各政府部门机构及社会公共管理的基于互联网技术的信息处理和信息服务的系统。电子政务系统的出现使它成为政府各部门管理社会、监管市场、管理经济、以及公共服务的一项重要举措,是利用现代信息技术来提高政府各部门依法管理的行政水平的体现。在国家及各级政府部门的大力支持下,我国的电子政务得到了飞速的发展,市场规模也得到了空前的发展,根据《中国电子政务行业发展前景与投资战略规划分析报告前瞻》的数据显示,从 2006 年的市场规模 550 亿元已经发展到 2012 年的 1390 亿元,同比增长 17.3%.
  
  为了能使政务工作更精简、更透明、更有效、更公平以及为企业和居民提供更优质的服务,我们设计了基于 Petri 网的工作流建模技术的电子政务办公系统。
  
  1 基于 Petri 网的工作流建模技术
  
  1.1 Petri 网基本概念
  
  Petri 网[1]概念的最早出现是由 Care Adam Pe-tri 在 1962 年的博士论文中提出来的,它可用来描述和分析具有并行性、异步性、并发性、非确定性和分布式等具有这些特点的信息处理系统,同时它也是一种图形化的数学建模工具。
  
  Petri 网主要是用来描述系统的状况、局部状态以及条件等,经典的 Petri 网就是一种简单的过程模型,它是由有向弧、变迁、令牌以及库所等这些元素组成,变迁是用方框来表示,库所一般用圆圈来表示,它们是用于描述信息处理系统状况的事件,库所与变迁之间相连接的有向弧是表示它们之间的转化关系; 为了能够描述系统动态的信息转化,引入令牌标志,它用黑点表示; 假设一个变迁的所有输入都有令牌标志,则该变迁就满足激活条件,该变迁可以发生,因此变迁输出将获得令牌。
  
  Petri 网的定义[2]如下: Petri 网是一个三元组 N= ( P,T,F) ; 其中 P 是库所的非空有限集,T 是变迁的非空有限集,且满足 P∩T = Φ,F 是 N 的有向弧集,F( P×T) ∪( T×P) ( ×为笛卡尔积) .
  
  1.2 工作流网基本概念
  
  在 Petri 网的基础上,Aalst 提出了工作流网[3]( 以下简称 WF-net) 的概念。WF-net 是将某种工作流模型转化成 Petri 网,进而完成对该工作流模型的评价,是对工作流中的控制流维度进行建模的 Petri 网。
  
  假设 Petri 网 PN=( P,T,F) 是 WF-net,当且仅当:
  
  ( 1) 存在一个源库所 i∈P,使得·i≠Φ;( 2) 每一个节点 x∈P∪T 都位于从 i 到 o 的一条路径上。
  
  ( 3) 存在一个汇结库所 o∈P,使得 o·=Φ;假如仅只有一个从 P 到 t 的有向弧,这样的话库所 P 是变迁 t 的输入库所。同样,如果当且仅当存在一个从 t 到 P 的有向弧,那么库所 P 称做变迁 t的输出库所。通常习惯用·P 表示库所 P 的输入变迁的集合,P·表示库所 P 的所有输出变迁的集合,·t 表示变迁 t 的输入库所的集合,t·表示变迁 t 的所有输出库所的集合。上面定义中的第 2 项是为了能更好的消除“没必要的条件和任务”.
  
  因为任何一个被 WF-net 过程处理过的实例都会在它本身进入工作流管理系统时被自动创建,并且一经被工作流管理系统处理完成就马上被自动删除; 换句话说,WF-net 定义了一个实例的生命周期。
  
  每个 WF-net 都包含一个输入库所 i 和一个输出库所 o,因此所有的活动与条件都位于起始点到终止点的通道上。
  
  2 基于 Petri 网的工作流模型设计
  
  2.1 电子政务办公系统中的工作流程
  
  对业务实现和业务过程逻辑进行分离是设计办公系统的主要理念,也是基于工作流的电子政务办公系统的设计理念,所以设计电子政务系统需要解决的关键问题是怎样来构建电子政务的业务过程逻辑。电子政务办公系统中的工作流模型描述的是政府部门和机关事业单位日常办公业务流程,对象是面向政府工作人员。本文以江西吉安市的电子政务办公系统为例,将办公系统分为以下几个模块,包括公文管理、内部事务、领导指示、会议通知、个人资料、内部邮件等模块,其中公文管理是电子政务办公系统中的核心部分,包括收文、发文等模块。本文以某委办局发文流程为例进行描述。
  
  如图 1 所示,是一个电子政务办公系统发文的流程实例。从科室开始撰稿,提交科室领导会签后,经过分管领导审核、局领导审批,最后到办公室发文及归档。其中科室领导会签是选择路径走向,局办公室领导批阅并提交给分管领导时是并行路由,以上流程是比较理想、顺利的工作流程模型。
  
  2.2 模型设计
  
  将系统中的工作流模型转化成 Petri 网的原则[4]是在遵守原系统的原有逻辑顺序的基础上,把工作流中的活动映射为 Petri 网中的库所,对象的操作映射为 Petri 网模型中的变迁,工作流模型中的开始标记是对应 Petri 网中的无输入变迁和该变迁的输出库所,当它受外界因素的控制,会自动产生令牌,激活整个 Petri 网,工作流中的结束标记是对应Petri 网中的无输出库所的变迁和该变迁的输入库所。基于以上理论,并结合 Petri 网的相关定义和工作流中概念之间的映射关系,下面构建一个电子政务办公系统的发文 WF-net 模型。
  
  根据图 1 发文管理的工作流程,通过工作流和Petri 网之间的映射关系,结合工作流建模中的四种路由结构( 顺序路由、并行路由、选择路由和循环路由) ,设计出了发文管理的 WF-net 模型如图 2 所示。
  
  在该模型中引入了或汇聚结构( and-join) ,或分离结构( or-split) ,并汇聚结构( and-join) ,并分离结构( and-split) 这四种基本的工作流的结构概念。其中 or-split 用符号 <表示变迁的输入端,or-join 用符号 >表示变迁的输出端; and-split 用符号 <表示变迁的输出端,and-join 用符号 >表示变迁的输入端。如图 2 所示,T 表示发文流程中的工作流任务: T1 表示撰写公文; T2 表示科室 A 领导批阅及选择会签人员; T3 表示重新撰稿; T4 表示科室 B 领导会签; T5 表示科室 C 领导会签; T6 表示科室 A 领导审核; T7 表示局办公室领导批阅并提交给分管领导;T8 表示分管领导 A 批示; T9 表示分管领导 B 批示;T10 表示局领导审批; T11 表示局办公室发文; T12 表示局办公室归档; T13 表示局办公室领导签发。
  
  在科室 A 撰稿完成交科室领导批阅时,如果批阅不通过,则返回科室 A 重新撰稿,如果批阅通过,有以下两种情况,一种是科室 A 领导选择相关的科室会签,另一种是直接报给局办公室领导批阅。因此,在变迁 T2 的输出端为分离结构,即 or-split,此输出端增加了两条输出路由。公文经由相关科室会签后,由科室 A 重新审核,再交给局办公室领导批阅,往下走也有两种情况,一种是局办公室领导批阅后提交分管领导,另一种是局办公室领导批阅不通过,则需返回科室 A 重新起草。因此变迁 T7 输出端为分离结构,即 or-split,此输出端也应增加一条输出路由,因此 T2 和 T7 输出端为 or-split 结构。
  
  3 模型的正确性验证
  

  3.1 可达性验证
  
  如何判定一个 Petri 网的可达性[5],定义当且仅当给定的初始标识 M1 和目标标识 Mn 存在一个启动序列 δ,这个序列 δ 可以将 M1 变迁为 Mn,则称M1 到 Mn 是可达的,用 M1->M2或者 M1[δ>Mn]表示,其中 δ=t1,t2……tn.
  
  如图 2 所示可以知道 P1 至 P2 存在一个过程启动序列 T1,使得 P1 可以变迁为 P2,然后依次类推,逐个验证,P2 到 P4,P2 到 P5 等等,可以从图 2中很直观的看出来,这里不再具体论述验证。由此可见,该模型的 WF-net 构建可以满足可达性的条件约束,该模型具有可达性。
  
  3.2 合理性验证
  
  要证明一个 WF-net 是合理性,根据定理[6]可推出,需要证明该工作流模型是活的并且是有界的,满足条件则这个 WF-net 是合理的。因此要判定一个模型是活的且有界性,根据文献[6]研究,需要从1定一个良构 WF-net 是合理的,也可以在多项式时间内判定一个自由选择 WF-net 是合理的。因此,需要分析该 WF-net 模型的良构性和自由选择性。
  
  假设一个 Petri 网是具有良构性[7]的,那么它的充分必要条件是当且仅当对于任何一个结点 X 和Y,设 X 为库所,Y 为变迁,对于任意的两条初等路径从 X 指向 Y,路径 C1 和 C2,如果满足 α( C1) ∩α( C2) = { X,Y} ( 其中 α( C1) 和 α( C2) 分别为 C1 和C2 上所有结点的集合) ,那么 C1 = C2.由上述定义判定该模型 WF-net 是否具有良构性,从图 2 中可以看出,从 T2 到 T6 有两条选择路由,完全符合定义条件,T7 到 T10 有两条并行路由,完全符合定义条件,其他的选择路由也都是成对出现的,依次得出符合定义中的条件,因此该 WF-net 具有良构性。
  
  假设一个 Petri 网是具有自由选择性[8]的,那么它的充分必要条件是当且仅当对任何一个变迁的T1 和 T2,当·T1∩·T2≠Φ,则·T1 = ·T2.分析可得出诸如这种具有 or-split 结构的变迁都有共享同一个输入库的特性,也即,在该模型的 Petri 网中,如果满足两个变迁 T1 和 T2 具有相同的输入时( ·T1∩·T2≠Φ) ,而它们又是 or-split 结构,则 T1和 T2 的输入是完全匹配的( ·T1=·T2) .由图 2模型可知,T2 和 T7 具有相同的输入库所 P2,T1 和T13 具有相同的输入库所 P8,它们的输入集合都相等,满足自由选择行的条件,因此该 WF-net 满足具有自由选择性。
  
  通过上述的论证,本文创建的工作流模型的结构化特性( 合理性、自由选择性、可达性、良构性) 都能够来证明该工作流模型符合正确性验证。因此,可根据建立的模型,结合 Lotus Domino/Notes 平台技术,进而开发一套高效实用的电子政务办公系统。
  
  4 系统设计与实现
  
  4.1 基于 Petri 网的工作流系统实现算法
  
  在做系统设计时,需要对工作流引擎进行定义,并实现其算法,因为工作流管理系统的核心元素就是工作流引擎,该引擎负责维护工作流相关数据,并对过程进行解释、创建和管理工作流实例等。以本文提出的工作流模型为例,具体工作流实现算法描述如下。
  
  工作流包括 6 个对象,分别是过程、活动、参与者、转换、被调用应用程序、工作流相关数据。假设过程的活动数为 n,n 由第一个活动中的公文撰稿者定义,并设置每个活动的角色,输入数据,然后启动流程,将公文发送到下一个流程环节,依次按图流程走下去直到最后的公文流转程序完成,公文归档。
  
  流程设计的具体算法如下。定义: Activity[i],i= 0,1…,n,Activity[i]为公文流转中的活动;当 i=0,Activity[0]表示流程的第一个活动,该活动主要是进行初始化,输入数据和设置流程等操作。
  
  当 i>0 时,Activity[i]表示第 i 个公文活动,定义 Role[i]为活动参与者的角色名,User[i]定义为具体担任角色的用户名,Status 定义为流程状态跟踪器,当流程到达活动 Activity[i]时,需要 Role[i]、User[i]进行处理,ProcessPlace[i]定义为角色的数据处理区间,它是由多个字段组成,并有两个属性分别为 ProcessPlace[i]. Write 和 ProcessPlace[i].
  
  Read,该两个属性决定区间的可写、可读。Activity[i].operation[1]定义为将流程传送到下一活动的操作,Activity[i].operation[2]定义将流程返回到上一活动的操作。这里的操作主要是给下一个活动者发出相关状态设置等信息。
  
  4.2 系统设计与在电子政务办公系统中的应用
  
  电子政务办公系统采用以 Client/Server 模式为主,Browser/Server 模式为辅的设计模式,这种混合模式的架构体系不但可以满足办公人员的日常复杂工作的需要,再加上处理每个环节合理的方法,将系统设计为六个模块,分别为行政办公、公文管理、内部邮件、政务信息、通知管理、通讯名录。系统运行实例界面如图 3 所示。
  
  具体操作流程是通过系统管理员 admin 用户登录,进入个人工作界面后,根据自己的需要选择相应的操作。首先,在流程选择列表中选择要执行的工作流名称,当选定了工作流是发文流程时,工作流引擎首先以发文流程为索引,在工作流模板库中搜索工作流的定义信息,加载完成后将发文流程实例化并保存在流程管理模块中,然后启动控制模块的搜索功能,找到开始结点,由开始节点获得流程中的第一个结点信息,启动发文流程程序,将第一个结点的信息写入到流转文档中,再将文档发回给第一个结点去执行,待发文流程中的拟稿程序完成后,再选择续办人员及办理方式,这里选择核稿,点击确定完成操作,分别由解析模块,角色模块,控制模块完成相关操作,即解析模块主要是计算出到达核稿人节点的选择路由,而角色解析模块功能是获得核稿活动的执行者,流程控制模块功能是将文件发送给核稿人,把待办事项发送给核稿人,结束控制模块功能是处理节点结束的活动,向当前用户发送提交给下一个处理人的信息。完成上述操作后,换核稿人用户登录时,就可以在待办公文中看到拟稿人发来的文档信息,如图 4 所示。双击提示信息进入到拟稿人的编辑界面,如图 5 所示,进行相关操作,办理完成后一直流转下去,直到流程结束。
  
  4 结语
  
  本文在研究 Petri 网和工作流技术的基础上,通过分析电子政务办公系统中的发文管理工作流程,将Petri 网和工作流等技术应用到电子政务办公系统中,并结合一个具体实例验证了该方案的可行性,验证表明该模型完全可以适用于电子政务办公系统,比传统的电子政务系统更具高效性和实用性。下一步将重点研究该系统的安全体系及稳定性等问题。
  
  参考文献( References) :
  
  [1] 李阳珍。基于随机 Petri 网的物流服务供应链可靠性计算方法[J].西南民族大学学报,2015,41( 6) : 778-783.
  
  [2] 刘飞。Petri 网系统建模与仿真实验课程教学探讨[J].实验室技术与管理,2014,31( 12) : 155-158.
  
  [3] 刘木春,艾玲梅,魏清。基于规范化工作流网建模的模型验证方法[J].陕西师范大学学报,2014,42( 3) : 15-19.
  
  [4] 董霜。基于 petri 网与 Flexsim 的物流仓储系统研究与应用[D].沈阳: 沈阳大学,2014.
  
  [5] 李小鹏,李孝忠。基于随机 Petri 网的流通加工系统建模研究[J].天津科技大学学报,2013,28( 2) : 68-73.
  
  [6] 曾艳林。基于 Petri 网的工作流过程建模的研究[D].大连: 大连海事大学,2007.
  
  [7] 刘磊。基于 Petri 网的工作流模型化方法及其应用研究[D].杭州: 浙江理工大学,2013.
  
  [8] 王翠萍。基于 Petri 网的工作流模型的研究和应用[D].成都: 电子科技大学,2008.


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