基于紧密度的配置业务流程模型一致性分析*

高雅楠，方贤文，王丽丽

（安徽理工大学 理学院，安徽 淮南 232001）

基于紧密度的配置业务流程模型一致性分析*

高雅楠，方贤文，王丽丽

（安徽理工大学 理学院，安徽 淮南 232001）

分析业务流程模型的一致性是业务流程模型管理的主要组成部分，现有的研究主要单一考虑流程模型的结构一致性分析。然而，对于一个模型，考虑配置的时候可能是不一致的。因此，研究方法应该结合配置信息的影响分析业务流程模型的一致性。对配置业务流程一致性分析进行研究，提出了一种基于紧密度的配置业务流程模型一致性分析方法。首先给出控制流Petri网模型与数据流Petri网模型的定义及酒店预订系统的模型，然后给出配置及紧密度的相关知识，同时提出配置业务流程模型一致性度的计算方法，最后通过计算酒店预订系统的一致性度，验证了该方法的可行性。

业务流程；Petri网；紧密度；一致性；配置

0 引 言

在分析一致性时，大多数研究只关注业务流程控制流的一致性分析，却对存在配置信息的业务流程一致性分析存在一定的不足。在带配置的业务流程中，配置信息可以阻塞变迁发生﹑隐藏变迁发生﹑允许变迁发生以及升级变迁。这些变迁会影响行为的结构或数据信息的传递，因此业务流程配置一致性分析尤为重要。

目前，对于业务流程交互的一致性分析主要是在给定目标模型的背景下，通过Petri网的基础知识，利用行为轮廓研究，找到流程模型变化的原因。主要的解决流程模型变化问题的方法有：分析语言学和流程行为方面，比较流程模型之间流程一致性或相似性，建立约束模型和语言等。文献[1]基于迹等价的方法，提出了比较流程模型之间的句法和语义的等价标准，寻找流程模型的不同之处，即变化区域。文献[2]在文献[1]的基础上，利用匹配流程模型的同步原理，管理控制具有不同抽象等级的流程模型之间的变化，但其普遍性还需进一步完善。文献[3]中，Weidlich等在研究模型的一致性测量时，将行为轮廓与迹等价比较，提出行为轮廓在测量上的优势。文献[4]是基于行为轮廓的模型的服从度测量。对于没有给定目标模型的业务流程一致性分析，主要通过过程挖掘技术挖掘日志记录文件的信息构建出原模型，从而分析模型之间的一致性，主要通过挖掘技术和算法来实现。文献[5]提出解决一致性分析问题中处理模型结构问题的基于遗传算法的挖掘算法。这种算法能够在一定程度上处理信息的噪音，并且能够处理重复任务﹑隐藏任务以及非自由选择的结构，但在某些方面仍有缺陷。文献[6]提出了使用五个指标来判定一致性程度，包括四个基本质量维度和一个第五维度，分别是适合性﹑精确性﹑简单性﹑概括性和结构相似性。通过观察到的行为改进业务流程，使其与实际更适合，但这种方法基于被发现的偏离是合法的假设基础上，具有一定的局限性。文献[7]在假定配置流程模型是行为合理的情况下，提出了allowed（允许）变迁﹑hidden（隐藏）变迁﹑blocked（阻塞）变迁。文献[8]提出了一种可以通过合作伙伴确保流程配置过程中正确性的方法。文献[9]则提出了通过应用配置对业务流程的活动﹑资源和数据对象进行不同设置，从而满足个别客户的任务需求。文献[10]提出一种基于本体论的语义验证方法，提高了对可配置的业务流程模型的验证。文献[11]提出了一种基于数据流的可配置的业务流程模型的验证方法，通过处理数据语义对可配置的业务流程模型进行验证。

基于上述研究，本文的主要结构安排如下：第一部分主要介绍与本文相关的基本定义；第二部分阐述紧密度的概念及其计算方法；第三部分提出配置业务流程的一致性度的计算方法；第四部分则应用实例说明该方法的可行性；本文的总结及未来工作放在第五部分。

1 基本概念

定义1[12]：（控制流Petri网）一个网N=(P,T;F)称为Petri网，当其满足以下条件：

（1）P为控制库所集，P≠∅；

（2）T为控制变迁集，T≠∅；

（3）P∩T=∅；

（4）F=(P×T)∪(T×P)为控制库所和控制变迁之间的流关系。

类似的，数据流Petri网可以类似于控制流Petri网得到，即当满足：

（1）数据库所集Pd，Pd≠∅；

（2）数据变迁集Td，Td≠∅；

（3）Pd∩Td=∅；

（4）数据库所和数据变迁之间的流关系Fd=(Pd×Td)∪(Td×Pd)。

定义2[13]：（带配置的业务流程Petri网）G=(P,T;F)是业务流程Petri网，CN是业务流程Petri网的配置。配置的网βN(N,CN)=(PC,TC,FC)被定义为：

2 控制流Petri网模型与数据流Petri网模型

图1给出了一个描述网上预订酒店的业务流程实例。图中反映了两个方面的信息：控制流方面的信息和数据流方面的信息。控制流方面的信息主要是用来约束流程模型结构，满足服务的行为。例如，客户登录酒店预订系统后选择酒店，经过身份验证后即可生成订单，之后进行付款，支付中心收到付款后才会发送短信通知客户预订成功；数据流方面的信息，如商品的价格可以分为普通用户的商品原价和VIP用户的优惠价，预订酒店的总消费价格及账单上返回的消费金额等。

图1 酒店预订流程

上述是用BPM语言描述的业务流程。为了简便﹑直观，可以将上述流程转换成Petri网模型进行分析，而一个Petri网模型通常又可以分为控制流Petri网和数据流Petri网两个Petri网模型。

2.1 控制流Petri网模型

控制流Petri网描述的是控制流在网中的运行情况，体现对网模型的结构约束关系。控制流一般是前提条件或期望效果。例如图1中，只有在顾客选完房间提交订单后，系统才会显示订单，即选择房间是出订单的前提条件，或出订单是选择房间的期望结果。因此，可以看出控制流Petri网是网N的一个子集。酒店预订系统的控制流Petri网模型如图2所示。

图2 控制流Petri网

2.2 数据流Petri网模型

数据流Petri网描述的是网中各种数据信息在网运行过程中发生变化的情况。一般，数据信息在网中不会发生变化，只是数据信息随着序列的发生传递到下一个数据库所中，且不是所有的数据库所里所含的数据信息都一样，数据库所里的信息与其输入和输出有关。例如图1中，酒店预订系统针对顾客和会员顾客对房间的标价不同，当登陆顾客在身份识别时显示为普通顾客，即决定购买的房间价格为138元；为会员顾客，酒店预订系统给出8.5折优惠。随后，酒店预订系统返回的账单也是不一样的消费金额。此外，数据信息也会因为网所处的环境和网自身的结构而发生变化。酒店预订系统的控制流Petri网模型如图3所示。

图3 数据流Petri网

3 基于紧密度的配置流程模型一致性分析

3.1 配置信息的相关知识

一个业务流程模型的集合是一个可配置的业务流程模型，即一个业务流程模型能够通过配置信息根据特定的要求进行定制。配置信息包括隐藏﹑阻塞﹑允许和升级，通过隐藏或阻塞流程模型的某一部分配置流程模型，对模型需要的行为进行选择，隐藏或阻塞不需要的行为；通过对模型行为进行升级，升为更高的级别。对于一般的BPM流程来说，可配置的流程模型可以看作是添加一些“内容”到系统中。建立的一般流程模型反映不出一些企业或组织想要的状态和信息，在此基础上加入阻塞﹑隐藏或升级的内容对业务流程进行定制化，使模型得到优化。

在支付过程中，对于信用度低的顾客，在支付时只能选择全额支付，这样的情况可以在业务流程中通过添加配置信息来实现信用度低的顾客只能全额支付的功能，如图4所示。

图4 信用度低的顾客支付流程

3.2 紧密度的相关知识

模型与模型的紧密度是用k阶继承关系来测量两模型中对应元素间的行为距离，可用来检测模型行为关系是否符合控制流与数据流模型的一致性。通过计算模型与模型的紧密度，可以得到完整的模型更符合哪个模型的行为关系。

定义3[14]：（k阶继承关系）设N=(P,T,F,C)为一个流程模型的Petri网，则σ∈N中的变迁对之间的k阶继承关系满足如下条件：

其中，k=1,2,3…。

定 义4[14]：（ 紧 密 度） 设N=(P,T,F,C)和N'=(P',T',F',C')是两个业务流程Petri网模型。， (x, y)是N'=(P',T',F',C')中的任意一对变迁，且，则(x, y)间的紧密度用c(x, y)表示，定义为：

模型N'=(P',T',F',C')到N=(P,T,F,C)的紧密度为：

3.3 配置流程模型一致性计算方法

在判定模型间的一致性时，可以用紧密度反映两个模型的一致性程度。在计算一致性度时，本文在最小k阶继承关系及紧密度定义的基础上，得出一致性度的计算方法。

定义5[15]：（变迁匹配）设N1=(P1,T1,F1,C1)和N2=(P2,T2,F2,C2)是两个业务流程Petri网模型，用表示变迁之间的对应关系，T1的匹配变迁集，T2的匹配变迁集。

定义6：（一致性度）设N=(P,T,F,C)和 N'=(P',T',F',C')分别是业务流程Petri网模型﹑带配置的业务流程Petri网模型。模型N'=(P',T',F',C')到N=(P,T,F,C)的一致性度为：

其中ρ(N,N')是存在差异的变迁对之间的紧密度，∑(x,y)表示存在差异的变迁对总和。

一致性度的计算方法如下：

（1）建立包含控制流Petri网模型和数据流Petri网模型的初始模型M0，对初始模型M0中不符合实际系统的位置添加配置信息，得到尽可能符合实际系统的模型M1；

（2）根据定义4得到模型M1中所有变迁的最小k阶继承关系；

（3）根据得到的最小k阶继承关系及定义5，计算模型M1与模型M0中存在不同最小k阶继承关系的变迁对之间的紧密度c(x,y)；

（4）根据定义6的公式，计算模型M1与M0的一致性度。

4 实例分析

用上述的业务流程图实例验证方法的可行性。针对上述控制流Petri网与数据流Petri网的定义，得到的酒店预订系统的初始模型如图5所示。

图5 初始的酒店预订系统

图5的酒店预订系统的业务流程模型中的行为映射关系如表1所示。

在这个预订系统中，若普通用户也想升级为VIP用户享受折扣优惠，普通用户和VIP用户只能分开执行；若有黑客接收到支付中心的消费信息，修改付款总价格，且向支付中心付款的价格较低，此时支付中心通知酒店已收到付款后，随即将酒店预订成功短信发送给客户包括酒店价格，可酒店系统并没有检查支付中心的付款数额，造成酒店实际只获得了85元，却在短信中显示100元。

图6是完整的酒店预订系统的流程图，通过添加配置信息完善了业务流程模型。对于普通用户，实现了升级为VIP用户的功能；在发送预订成功短信时，为了避免短信中预订酒店价格信息的金额和收到的金额不一致，需要对该金额进行检查。可见，通过配置实现了初始业务流程模型不能实现的功能。

表1 酒店预订系统的行为映射关系

图6 酒店预订系统完整的流程

根据定义，得到图6中模型的最小k阶继承关系，如表2所示。

表2 最小k阶继承关系

根据公式可以得到配置业务流程模型与初始模型的一致性度ξ≈0.80。可以看出，尽管配置业务流程已经尽可能满足实际系统，但两个模型的一致性尚有待进一步提高。

5 结 语

本文基于模型与模型的紧密度对配置业务流程模型进行一致性分析。首先给出控制流Petri网模型与数据流Petri网模型的定义以及酒店预订系统的建模，然后对添加配置信息的酒店预订系统的业务流程模型进行一致性分析。在计算一致性度时，先给出紧密度的定义及计算方法，并在此基础上，给出配置业务流程的一致性度计算方法，同时对酒店预订系统的实例进行一致性分析。结果显示，虽然配置业务流程已经尽可能满足实际系统，但一致性尚有待提高，下一步工作的重点将进一步研究配置业务流程模型的一致性分析。

[1] Gerth C,Luckey M,Küster J M,et al.Detection of Semantically Equivalent Fragments for Business Process Model Change Management[C].In 2010 IEEE International Conference on Services Computing,2010:57-64.

[2] Monika Weidmann,Modood A lvi,Falko Koetter,et al.Business Process Change Management based on Process Model Synchronization of Multiple Abstraction Levels[C].In 2011 IEEE International Conference on Service-Oriented Computing and Applications,2011:1-4.

[3] Matthias Weid lich,Jan Mend ling,Mathias Weske. Efficient Consistency Measurement based on Behavioural Profiles of Process Models[J].Softare Engineeri ng,2011,37(03):410-429.

[4] Matthias Weidlich,Jan Mendling.Perceived Consistency between Process Models[J].Information Systems,2012, 37(02):80-98.

[5] Medeiros A,Weijter A,Aalst W.Gentic Process Mining: A Basic Approach and its Challenges[C].Springer-Verlag:Workshop on Bussiness Process Intelligence, 2006:203-215.

[6] Buijs J C A M,Dongen van B F,Aalst van der W M P.On the Role of Fitness,Precision,Generalization and Simplicity in Process Discovery[C].In Proceedings of CoopIS,2012.

[7] Aalst van der W M P,Dumas M,Gottschalk F,et al.Preserving Correctness during Business Process Model Configuration[J].Formal Aspects of Computing,2010,22 (03-04):459-482.

[8] Aalst van der W M P,Lohmann N,Rosa La M.Ensuring Correctness during Process Configuration via Partner Synthesis[J].Information Systems,2012,37(06):574-592.

[9] Bourne S,Szabo C,Sheng Q Z.Managing Configurable Business Process as a Service to Satisfy Client Transactional Requirements[C].Services Computing (SCC),2015 IEEE In ternationa l Con ference on,2015:154-161.

[10] Huang Y,Feng Z.A Validation Method of Configurable Business Processes based on Data-Flow[C].Service-Oriented Computing-ICSOC 2014 Workshops,Springer International Publishing,2015:323-335.

[11] G ruhn V,Laue R.Redu c ing the Cogn itive Comp lexity of Business Process Models[C].The 8th IEEE International Con ference on Cognitive Informatics(ICCI),2009:339-345.

[12] 吴哲辉.Petri网理论[M].北京:机械工业出版社, 2006:6-42.

WU Zhe-hui.Petri Net Theory[M].Beijing: Mechanical Industry Press,2006:6-42.

[13] Jiménez-Ramírez A,Weber B,Barba I,et al.Generating Optimized Configurable Business Process Models in Scenarios Subject to Uncertainty[J].Information and Software Technology,2015,57(01):571-594.

[14] Kunze M,Weid lich M,Weske M.Querying ProcessModels by Behavior Inclusion[J].Software & Systems Modeling,2015,14(03):1105-1125.

[15] Smirnov S,Weid lich M,Mendling J.Business Process Model Abstraction based on Behavioral Profiles[C]. In ternational Con ference on Service-Orien ted Computing,2010:1-16.

Analysis on Consistency of Business-Process Configuration M odel based on Closeness

GAO Ya-nan, FANG Xian-wen, WANG Li-li

(College of Science, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

The consistency analysis of business-process model is a major part of the business-process model management, and the present research mainly focuses on structural consistency analysis of the process model. As for a model, consideration on the configuration may not be consistent, therefore, the research methods should be combined with the influence of the configuration information for consistency analysis of the business process model. In this paper, the analysis of business process configuration is discussed, and a closeness-based method for consistency analysis of business process configuration model is proposed. Firstly, the definition of the control flow and data flow Petri net model is given, and the model of hotel reservation system described, then the knowledge of configuration closeness expounded, and based on this, the calculation method for consistency degree of the business process configuration model suggested, and finally via calculating consistency of the hotel reservation system, the feasibility of this approach verified.

business process; petri nets; closeness; consistency; configuration

TP301.1

A

1002-0802(2016)-11-1486-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.014

高雅楠（1992—），女，硕士，主要研究方向为Petri网；

方贤文（1975—），男，博士，教授，主要研究方向为Petri网﹑可信软件﹑服务计算；

王丽丽（1982—），女，硕士，讲师，主要研究方向为业务流程分析﹑软件认证。

2016-07-06;

2016-10-19 Received date:2016-07-06;Revised date:2016-10-19

国家自然科学基金（No.61572035，No.61272153，No.61402011）；安徽省自然科学基金（No.1508085MF111）；安徽省高校自然科学基金重点项目（No.KJ2014A067，No.KJ2016A208）

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61572035,No.61272153,No.61402011);Anhui Provincial Natural Science Foundation (No.1508085MF111);Key Project of Natural Science Foundation of Anhui Province(No.KJ2014A067,No. KJ2016A208)