基于面向对象分层Petri网的研发设计工作流柔性建模方法

摘要

本发明公开了一种基于面向对象分层Petri网的研发设计工作流柔性建模方法。该方法首先明确任务的需求并确定总目标，其次将总目标分解为几个分目标，然后对复杂的分目标进一步层层分解为更低层级的子网对象，得到具有清晰层级结构的子网对象集合，再组织各层级人员根据自身职责对子网对象进行详细建模，根据对象之间的连接关系，将所有对象进行集成；最后对得到的模型中节点的相关属性进行实例化，面向对象分层Petri网模型建模完成。本发明能够解决复杂产品研发设计工作流模型建模，并使模型具有柔性，以支持运行过程中对例如资源调度、动态选择和异常响应动态变化的柔性处理，使产品研发设计工作流管理系统具备动态适应能力。

说明书

技术领域

本发明属于企业信息化领域，具体涉及产品研发设计工作流建模方法，特别是涉及一种基于面向对象分层Petri网(Object Oriented Hierarchical Petri Nets forProduct Development Design Workflow，OOHPN_PDDW)的产品研发设计工作流的柔性建模方法。

背景技术

复杂产品的研发设计流程在定义阶段面临很多不确定性，在执行阶段可能会出现时间、资源约束下的冲突情况。如航天产品研发设计流程有着典型的多型号并行、多级协同的特点，在流程运行过程中可能会出现同一资源同时被多个型号任务占用的冲突情况和各种突发异常，调度的复杂性高、难度大。工作流是一种实现面向过程的系统集成技术，是业务过程的计算机实现。工作流模型是工作流管理系统的核心，为使产品研发设计工作流管理系统具备动态适应能力，产品研发设计工作流模型不仅要解决复杂建模的问题，模型还应具有柔性，以支持运行过程中对动态变化的柔性处理。

目前，对工作流的建模方法主要有UML、有向图、图示评审技术、随机网络技术、Petri网等。其中Petri网是一种有严格数学语义规范和丰富表达能力的图形化建模工具，是一种比较成熟的工作流建模技术，现已广泛应用于离散事件系统的建模、分析与设计。

在采用Petri网对复杂工作流建模的研究中，为避免产生状态空间爆炸等问题，学者们对经典Petri网进行了多种扩展研究，以提高Petri网对复杂工作流的描述和分析能力，并在实际应用中证明了可行性与有效性。王磊,王弼陡,罗刚银等在(时间Petri网在即时检验流程建模中的应用[J].计算机应用)中对经典Petri网进行了时间扩展，提出了基于时间Petri网的即时检验流程建模方法，通过案例的仿真与分析，验证了该方法有较好的实用价值。王攀在(军用飞机修理线建模与修理能力分析[J].系统工程与电子技术)中采用了分层赋时Petri网对军用飞机大修过程进行了建模，在时间Petri网的基础上结合分层思想，使得整个模型层次清晰，在较高层次可以描述整体业务流程，在较低层次可以描述业务细节。汤莹莹在(面向对象资源Petri网业务流程模型的研究[D])中将具有模块化、可重用性的面向对象技术与Petri网技术相结合，提出了一种面向对象资源Petri网建模方法，通过软件仿真，证明了模型的稳定性和可用性。但是不同的学者对Petri网的扩展定义各不相同，并且在定义中扩展的其他元素定义也增加了工作流模型的复杂性。因此，应该有一种较为简洁的扩展Petri网来解决以上问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于面向对象分层Petri网的研发设计工作流柔性建模方法，能够解决复杂产品研发设计工作流模型建模，并使模型具有柔性，以支持运行过程中对例如资源调度、动态选择和异常响应动态变化的柔性处理，使产品研发设计工作流管理系统具备动态适应能力。

一种基于面向对象分层Petri网的研发设计工作流柔性建模方法，包括以下步骤：

步骤101:明确任务的需求并确定总目标，总目标是0级子网对象；

步骤102:将总目标分解为几个分目标，也就是一级子网对象；

步骤103:对复杂的分目标进一步层层分解为更低层级的子网对象，得到具有清晰层级结构的子网对象集合；其中，工作流模型任意细化直至最末级的原子任务活动，实际的细化程度以满足具体企业对研发设计流程建模和控制的要求为原则；

步骤104:组织各层级人员根据自身职责对子网对象进行详细建模，并在建模时考虑动态变更情况，建立备选方案模型，以支持运行阶段动态选择的自动执行；

步骤105:根据对象之间的连接关系，将所有对象进行集成；

步骤106:对上述步骤得到的模型中节点的相关属性进行实例化，面向对象分层Petri网(OOHPN_PDDW)模型建模完成。

进一步地，所述OOHPN_PDDW模型表示为：OOHPN_PDDW＝{PDDWID,PDDWName,Ob,R,Tar,Cr}；其中：PDDWID为模型的编号；PDDWName为名称；Ob是有限子网对象集合，Ob＝{Ob

进一步地，所述步骤102中的一级子网对象是代表任务活动子网的变迁，包含相关属性和方法，或作为独立的模块；在产品研发设计工作流中，将所有的任务活动都描述为分层次的对象，便于多级协同的建模、审阅和调用；Ob

其中变迁是一个四元组T

其中表示子网对象的编号SID必须遵从子网对象的编号规则，所述的子网对象的编号规则，从编号中能获知子网对象的位置和前后任务关系，便于从不同层级对业务流程进行建模、审阅、追溯和查找；子网对象编号规则如图2所示，SID编号中第1～3位是001～999之间的数字，表示当前对象所属层级，第4～8位表示父级对象代号，第9～13位表示当前对象代号；SID中对象代号里的第1位用M和A分别表示主线和辅线任务，第2～3位是00～99之间的数字，表示该对象在当前层级内的次序；第4位用以区分并行任务，并行任务用小写字母a～z表示，表示最大可以有26个并行任务，没有并行任务则是0；第5位是备选方案代号，为0～9之间的数字，0表示没有备选方案，1～9表示同一任务中适应不同条件的备选方案；例如SID为003-M0200-A01a1，表示当前对象在第3层级任务中，父级子网对象代号为M0200，当前对象是当前层级任务中辅线任务的第一个，也是并行任务和备选方案中的第一个。

进一步地，为支持对流程的动态选择状态的柔性描述，设计的变迁触发规则：当同一个库所连接多个优先级不同的变迁时，从优先级最高(1是最高优先级)的变迁开始判断是否满足激活条件，满足则触发该变迁，不满足则接着判断次高优先级的变迁，只要有一个变迁触发的通路就可以正常执行。

进一步地，所述的OOHPN_PDDW模型中的资源包括人力资源、设备资源、知识资源和环境资源等，复杂产品研发中要使用多种资源，资源是一个十元组Res＝{RID,RName,Location,Capacity，State,StateInfo,BookingRecord,Schedul,Conflict,Show},其中：RID代表当前资源编号；RName代表当前资源的名称；Location代表当前资源所在位置；Capacity代表当前资源的能力属性与能力值的集合，用{[能力1,能力1的值],……}形式表示；State代表当前资源的状态，State∈{可用,被占用,暂时不可用,永久不可用}；StateInfo代表资源的状态信息，用[已用工时,可用工时,最大可用工时,普通工时成本,加班工时成本]形式表示，可支持对资源负载、利用率和成本的计算；BookingRecord代表当前资源已被任务预定的起、止时刻记录，用{[PDDWID,TID，预定开始时刻,预定终止时刻],……}形式表示；Schedul代表可调度性，Schedul∈{True,False}；Conflict是冲突标志，Conflict∈{True,False}，如果同一资源被不同任务预定的起、止时刻之间有重叠，则是资源冲突情况；Show代表当前资源的可见性，Show∈{True,False}，用以支持当前资源在系统中对不同用户的可见性，如某些知识资源只对特定用户可见。

其中RID的编号规则如图3所示。RID中的第1位代表当前资源所属单位在集团内的编号。第2位代表当前资源的类型，其中人力资源为P，设备资源为S，知识资源为Z，环境资源为H。第3～4位代表部门或类别编号，如果当前资源是人力资源则为L0～L9的部门编号，如果是物质资源则为所属特征类别的编号，并遵循企业内的标准规范。第5～6位是00～99之间的数字，表示当前资源在部门/类别的顺序编号。例如RID为5-P-L3-01，表示当前资源是属于集团内编号为5的单位中的3部门内编号为01的人力资源。

进一步的，基于OOHPN_PDDW建立的工作流模型运行于对产品研发设计工作流进行计划和管理的产品研发设计工作流管理系统，通过利用模型中对柔性的相关描述，系统实现对资源调度、动态选择和异常响应的柔性控制，使系统具备对动态变化的响应能力。

进一步地，所述资源调度适用于在时间、资源等约束下的资源冲突情况，通过利用资源的属性，以支持工作流管理系统进行资源调度时对资源属性自动化的检索、筛选和计算，以实现对研发设计流程中资源调度的柔性控制。

资源的Capacity、State、StateInfo、BookingRecord、Schedul、Conflict、Show属性，支持工作流管理系统根据具体约束，对资源能力、能力值、资源的状态、状态信息、预定记录、是否可调度、是否冲突和是否可见进行检索、筛选出可行的资源集，然后对属性进行特定的计算，比如资源的状态信息中的已用工时、可用工时、最大可用工时、普通工时成本、加班工时成本可以计算资源负载、资源利用率、成本。在实际运行环境中，进行资源调度需要考虑能力约束、时间约束、顺序约束、成本约束等。资源调度的目标主要集中在资源能力、成本、资源利用率、资源负载，但是不同单位在不同场景对于资源调度目标的侧重可有所不同。进行资源调度，首先筛选满足资源调度约束的可行资源集，然后通过对资源的属性进行转换计算和多目标加权求和，得到推荐的资源排序，一般情况下选择排序第一的资源即可实现最优的资源调度。如果经检索、筛选后没有可行的资源集，可通过对时间、成本等约束进行最小程度的调整解决冲突，但是这些约束往往不到极特殊情况不建议修改。

进一步地，所述动态选择适用于建模阶段能预测出的动态变更情况，建模者在建模阶段应充分考虑执行时可出现的变化，对备选方案进行建模。当系统在运行阶段遇到动态变更时，根据变迁触发规则，对优先级属性进行查询，从优先级最高的变迁开始，依次判断变迁的激活条件，满足激活条件即可触发执行。只要有一个变迁能触发，工作流就可以通过自动选择路由正常执行。

进一步地，所述异常响应适用于不可预知的异常情况，系统必须提醒相关责任人进行人工干预，对模型进行动态修改。由于子网对象有模块化的特点，模型在运行阶段可以支持对象的修改。动态修改的步骤为：首先提取内部有异常的子网对象，然后将该子网对象的内部异常排除后，替换原来的子网对象，工作流方可正常运行。其中子网对象的选取原则为：在保证对象的对外特性(如输入、输出)不变的前提下，选取最低层级的子网对象，以最小化对整个工作流的影响。

有益效果：

1、本发明提出的基于OOHPN_PDDW的研发设计工作流建模方法中，应用自顶向下的建模方法，利用分层和面向对象的思想，将任务划分为不同层级的子任务，构建OOHPN_PDDW中的子网对象。将总任务分解为嵌套的子网对象集合，降低了工作流建模的复杂度，使建立的模型层次清晰、模块化、便于提取和重用。分解复杂产品研发设计工作流建模的复杂度，便于复杂产品研发工作流中多级协同地对不同层级业务流程、细节进行制定和审阅。

2、本发明利用OOHPN_PDDW定义中相关属性规则提高了工作流模型对柔性的描述能力。模型内包含柔性的属性规则可以支持工作流管理系统在运行中遇到动态变化时，通过对其进行查询、判断，实现对资源调度、动态选择和异常响应的自动化或半自动化的柔性控制，使系统具备对动态变化的适应能力。

3、本发明中的OOHPN_PDDW中的定义较为简洁，仅对结合面向对象和分层思想扩展的经典Petri网中的属性和规则进行了扩展定义，并未添加其他元素，降低了Petri模型本身的复杂度，使之可读性较好。

附图说明

图1为基于面向对象分层Petri网的研发设计工作流柔性建模方法的步骤流程图；

图2为子网对象编号规则示意图；

图3为资源编号规则示意图；

图4为A产品研发任务分解示意图；

图5为A产品研发的OOHPN_PDDW模型示意图

图6为排除异常后的A产品研发OOHPN_PDDW模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于面向对象分层Petri网的研发设计工作流柔性建模方法，下面以一个简化的A产品研发流程为例，说明基于OOHPN_PDDW的产品研发设计工作流模型的构建过程与支持工作流管理系统如何动态响应的过程。

如图4所示，为A产品研发任务分解示意图。任务分解时，首先由一级设计师将总目标分解成三个分目标：产品设计、产品制造和交付。然后二级设计师将产品设计继续分解形成三个分目标：分系统1设计、分系统2设计和辅助装备设计。最后三级设计师将分系统2设计细化为结构设计、外观设计和仿真实验。如此，将一个总目标进行层层分解、细化成一个个独立的对象。在模型设计过程中尽可能将辅线任务并行到主线任务上以节省时间，在本例中体现在2级任务中将辅助装备设计并行到分系统1设计和分系统2设计两个任务上。

基于以上任务分解，对各个子网对象进行详细建模并设计备选方案，本例中在外观设计节点中设计了备选方案，以备5-P-L3-01资源不可用时支持工作流的动态选择。根据对象的所属层级和前后任务关系，依照编号原则确定每个对象的变迁编号，通过有向弧根据任务节点之间的关系进行连接，建立A产品研发的OOHPN_PDDW模型如图5所示。

根据A产品研发的OOHPN_PDDW模型，对模型中节点的相关属性进行实例化，得到经过资源配置和计划安排的变迁信息如表1所示。

表1 A产品研发的OOHPN_PDDW模型中的变迁信息

基于以上建立的模型，对基于OOHPN_PDDW构建的模型所支持的工作流管理系统在资源冲突、动态变更和异常三种动态变化情况下对工作流的柔性控制的应用方法进行说明。

假设在A产品研发工作流运行过程中，资源5-P-L3-01在2019年1月12日因故障暂时不可用，不能满足变迁003-M01b0-M0201的激活条件，则系统可判断是否满足有次高优先级的变迁003-M01b0-M0202的激活条件，如果满足则自动运行这一分支，整个工作流正常运行。

变迁003-M01b0-M0202的激活条件为[[{5-P-L3-X},2019/01/12 8:00,2019/01/1417:00]]可用，即单位内存在可调度的能进行外观设计的人员，这个判断条件涉及了资源调度，假设当前的调度目标是任务的按时、高质量完成，因此，只关注可调度资源集的RID,RName,Location,Capacity,State,BookingRecord属性。

检索、筛选满足调度约束的可行资源集如表2所示。根据两人外观设计能力值可知，资源5-P-L3-03优于资源5-P-L3-02，则在满足变迁激活条件下，为了更好的完成任务，优先选择外观设计能力更强的资源5-P-L3-03。

表2检索、筛选出的可行资源集

若没有满足条件的资源可供调度，可按异常情况处理。此时，系统可在确保输入、输出不变的前提下，提取内部存在异常的最小层级子网对象002-M0100-M01b0，即分系统2设计。排除异常后替换有异常的子网对象，使工作流正常执行，降低对整个工作流的影响。如图6所示，通过添加一个优先级为3的变迁003-M01b0-M0203来排除异常。

添加的变迁信息如表3所示，表示此处前两个优先级较高的变迁不能执行时，当集团内其他单位存在可调度的能进行外观设计的人员，就执行该变迁。

表3添加的变迁信息

根据上述实施例中的过程和方法建立的产品研发设计工作流模型OOHPN_PDDW，通过将总任务分解为嵌套的子网对象集合，降低了工作流建模的复杂度，使建立的模型层次清晰、模块化、便于提取和重用。通过利用OOHPN_PDDW定义中相关属性规则提高了工作流模型对柔性的描述能力。模型内包含柔性的属性规则可以支持工作流管理系统在运行中遇到动态变化时，通过对其进行查询、判断，实现对资源调度、动态选择和异常响应的自动化或半自动化的柔性控制，使系统具备对动态变化的适应能力。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。