陳 丹，王 勇，王 瑛

（廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州510006）

0 引 言

眾所周知，企業(yè)要成為科技創(chuàng)新主體，企業(yè)科研活動在其中起了關(guān)鍵性的推動作用［1］。在企業(yè)科研協(xié)同工作中涉及到大量系統(tǒng)化、重復(fù)性的流程類活動，需要引入工作流技術(shù)來解決流程處理效率低、管理復(fù)雜的問題。近年來，工作流和科研協(xié)同系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展。文獻(xiàn)［2，3］應(yīng)用協(xié)同工作環(huán)境套件Duckling來實(shí)現(xiàn)計(jì)算化學(xué)、學(xué)術(shù)會議領(lǐng)域的科研協(xié)同系統(tǒng)，并獲得一種社交網(wǎng)絡(luò)和協(xié)作平臺的解決方案；文獻(xiàn)［4］應(yīng)用J2EE 體系架構(gòu)和EJB技術(shù)實(shí)現(xiàn)科研管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)［5］應(yīng)用開源工作流引擎和J2EE 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)科研項(xiàng)目管理，規(guī)范科研管理的業(yè)務(wù)流程和行為。前者的研究主要集中在協(xié)同設(shè)計(jì)、會議和化學(xué)等方面，在企業(yè)科研方面研究甚少，應(yīng)用范圍比較局限；而后者即傳統(tǒng)的工作流科研管理系統(tǒng)更注重固定流程和制度的控制，忽略了企業(yè)科研過程具有業(yè)務(wù)流程易變、部門交互復(fù)雜、資源共享性差和系統(tǒng)安全性低的問題。針對以上不足，本文實(shí)現(xiàn)了以工作流關(guān)鍵技術(shù)為核心，結(jié)合社交網(wǎng)絡(luò)工具和J2EE技術(shù)的科研協(xié)同平臺。

1 工作流關(guān)鍵技術(shù)

工作流是一中重要的人機(jī)協(xié)同工作形式，它使得具有固定流程的業(yè)務(wù)可以進(jìn)行全自動化或半自動化的執(zhí)行，合理運(yùn)用工作流可以達(dá)到提高工作效率的目的，詳細(xì)定義請參見文獻(xiàn)［6］。工作流管理系統(tǒng)是一種能定義、創(chuàng)建和管理工作流執(zhí)行的系統(tǒng)［7］，它的3個主要功能是：建立時，對流程進(jìn)行過程定義、分析和建模；運(yùn)行時，對過程定義進(jìn)行解釋和實(shí)例化及對運(yùn)行實(shí)例進(jìn)行控制；操作時，與用戶和應(yīng)用程序及IT 工具進(jìn)行交互。

1.1 基于Petri網(wǎng)的建模技術(shù)

Petri網(wǎng)，由德國科學(xué)家Carl Adam Petri于1962 年提出，是工作流管理系統(tǒng)建模過程中高效而嚴(yán)密的分析工具［8］。Petri網(wǎng)是一種基于狀態(tài)的建模方法［9］，既有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述和圖形化的表達(dá)方式，又有豐富的系統(tǒng)分析技術(shù)。這些特性使得Petri網(wǎng)成為動態(tài)流程建模的有效手段。

Petri網(wǎng)的4 個基本元素包括：托肯（Token）、庫所（Place）、變遷（Transition）、有向?。―irected Arc）。

Petri網(wǎng)的基本定義是：元組PN＝（P，T，F(xiàn)）滿足3個條件：①P∩T＝；②P∪T≠；③FP×T∪T×P≠。其中，P＝｛P1，P2，…，Pn｝是庫所集，T＝｛T1，T2，…，Tn｝是變遷集，F(xiàn)是庫所和變遷間的有向弧的集合。在典型的Petri網(wǎng)模型中，用一個黑點(diǎn)表示Token，用一個圓圈表示庫所，用長方形表示變遷，用有向弧表示庫所和變遷間的輸入輸出。庫所中可以包括一個或多個Token，一個Token代表工作流中的一個實(shí)例或資源，變遷表示業(yè)務(wù)流程中的任務(wù)，庫所表示業(yè)務(wù)流程實(shí)例被執(zhí)行的狀態(tài)。因此在Petri網(wǎng)中，Token此時的分布狀態(tài)可以直觀的表達(dá)業(yè)務(wù)流程當(dāng)時的執(zhí)行情況。

同時，Petri網(wǎng)很好的支持工作流的4種路由結(jié)構(gòu)，即順序、并行、選擇和循環(huán)。Petri網(wǎng)理論為了描述這4種路由提出6 種 工 作 流原語［10］：與連接（AND－join）、與分支（AND－split）、或連接（OR－join）、或分支（OR－split）、循環(huán)、因果關(guān)系。如圖1所示。

圖1 6種工作流原語

順序路由表示一系列工作任務(wù)要按順序串行執(zhí)行；循環(huán)路由表示工作任務(wù)需要重復(fù)執(zhí)行多次。并行路由表示多條任務(wù)分支可以同時并行執(zhí)行，它又分為與連接和與分支兩種結(jié)構(gòu)。與連接表示多條任務(wù)分支都執(zhí)行完成后，在分支合并處的任務(wù)才能開始執(zhí)行。與分支表示在連接節(jié)點(diǎn)分叉的多條任務(wù)分支可以并行執(zhí)行。選擇路由表示多條任務(wù)分支的執(zhí)行是相互排斥的，只能擇其一執(zhí)行，它又分為或連接和或分支兩種結(jié)構(gòu)?；蜻B接表示在多條任務(wù)分支中選擇一條分支進(jìn)行執(zhí)行，執(zhí)行完成后通過同一連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并?；蚍种П硎驹谶B接節(jié)點(diǎn)分叉的多條任務(wù)分支，只能選擇一條分支繼續(xù)執(zhí)行。

1.2 JBPM 工作流引擎

JBPM 是一套開源的工作流管理軟件包，它采用自己定義的JPDL（JBPM process definition language）語言來描述業(yè)務(wù)流程的圖形化結(jié)構(gòu)。JPDL語言實(shí)際上是一種輕量級的XML結(jié)構(gòu)的流程描述語言，可以明確定義業(yè)務(wù)邏輯的各個組成部分，如表1 用于描述科研立項(xiàng)業(yè)務(wù)的申報(bào)流程。JBPM框架內(nèi)置許多流程定義活動，包括start、state、task、decision、fork－join和end等提供了Java業(yè)務(wù)代碼與業(yè)務(wù)流程無縫銜接的綁定機(jī)制［11］。同時，JBPM 采用了Hibernate提供 的 對 象 關(guān) 系 映 射（object relation mapping，ORM）機(jī)制，在數(shù)據(jù)持久層的角度解決了對象和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射關(guān)系。因此JBPM 能夠兼容大部分?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在事務(wù)處理、數(shù)據(jù)持久化等方面可以與業(yè)務(wù)應(yīng)用程序進(jìn)行靈活的集成。

JBPM 的處理過程主要為以下4個步驟：

（1）發(fā)布（加載）流程定義：指通過JBPM 的designer插件（或JPDL 語言）來定義工作流，生成processDefinition.xml文件，再將其加載到應(yīng)用中的過程［12］。系統(tǒng)流程與業(yè)務(wù)操作的分離使得用戶通過改變流程的定義即可靈活變更業(yè)務(wù)的流程以及動態(tài)調(diào)整任務(wù)的分派。

（2）啟動流程：指在給定的流程定義基礎(chǔ)上，實(shí)際創(chuàng)建相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程實(shí)例（即ProcessInstance類）。

（3）處理任務(wù)：指JBPM 引擎為流程實(shí)例對象生成相應(yīng)任務(wù)的實(shí)例，并對這些任務(wù)實(shí)例進(jìn)行相應(yīng)的操作如：觸發(fā)流程向下流動、獲得待處理的任務(wù)列表等，最后結(jié)束任務(wù)實(shí)例以推動流程的下一步流轉(zhuǎn)。

（4）流程監(jiān)控及管理：指在流程流轉(zhuǎn)過程中，對流程實(shí)例和任務(wù)實(shí)例等相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行存儲、監(jiān)控和管理。

1.3 增強(qiáng)型RBAC訪問控制模型

工作流的業(yè)務(wù)流程中涉及到大量用戶角色的權(quán)限訪問控制問題，該問題一直都是信息系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。目前，權(quán)限管理策略主要是基于角色的訪問控制模型 （rolebased access control，RBAC）。RBAC的核心思想是對象的訪問權(quán)按角色進(jìn)行分組，資源的使用情況受限于已授權(quán)的關(guān)聯(lián)角色個體，角色成為用戶與權(quán)限的中介［13］。這種方式使得用戶和權(quán)限進(jìn)行分離，可以將特定的權(quán)限分配給兩個或更多的用戶，防止執(zhí)行關(guān)鍵操作的控制權(quán)限漏洞?；镜腞BAC模型如圖2所示，在進(jìn)入系統(tǒng)后，用戶通過JSP頁面的會話機(jī)制（session）來確定當(dāng)前用戶具有的訪問控制權(quán)限。

表1 科研立項(xiàng)申報(bào)流程的XML源碼

圖2 基本的RBAC模型

但是基本的RBAC模型只是一種通用的訪問控制抽象模型，在具體的項(xiàng)目實(shí)施中存在一些不足，如訪問控制粒度太粗、各種約束控制通用性差、安全性低等問題，都不能滿足科研項(xiàng)目群體協(xié)作的要求。在實(shí)際科研協(xié)同平臺中，有這樣一些權(quán)限要考慮：各級用戶的審批權(quán)限、不同部門的成員權(quán)限、特定權(quán)限的轉(zhuǎn)移或委托代理等。針對上述問題，本文提出了具有普遍約束集的增強(qiáng)型RBAC 模型，對用戶操作權(quán)限進(jìn)行了靈活配置和多層次管理，如圖3所示。

科研平臺中的普遍約束集包括責(zé)任分離、權(quán)限委托、協(xié)同約束、時間約束和組織約束。責(zé)任分離約束是在基本RBAC模型中定義的約束，通過角色來設(shè)置用戶的權(quán)限，使得具體用戶個體和責(zé)任權(quán)限進(jìn)行分離。權(quán)限委托表示在特定用戶不能完成權(quán)限工作的時候，將特定權(quán)限轉(zhuǎn)移給其他用戶來完成他的工作。協(xié)同約束主要解決在團(tuán)隊(duì)協(xié)作過程中哪些用戶被授權(quán)操作哪些資源的權(quán)限問題。時間約束主要是為了方便工作流的管理。組織約束定義了基于組織結(jié)構(gòu)的角色。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)科研協(xié)同管理的需求，將平臺的功能模塊分為三大塊：科研項(xiàng)目管理、科研人員管理、科研協(xié)同管理。如圖4所示。

（1）科研項(xiàng)目管理主要通過JBPM 工作流引擎對科研立項(xiàng)、科研結(jié)題等流程活動進(jìn)行協(xié)同管理，對科研經(jīng)費(fèi)、成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和監(jiān)管，對日常消息進(jìn)行瀏覽、查詢和更新。實(shí)現(xiàn)了日常科研申報(bào)工作的電子化和自動化處理，減少手工流轉(zhuǎn)的延遲和損耗。

（2）科研人員管理主要通過用戶、角色和權(quán)限三方面的配置，來對整個系統(tǒng)的用戶權(quán)限進(jìn)行分配、控制和管理。

（3）科研協(xié)同管理主要分為4個模塊即上傳文件、微博互動、博客分享和好友關(guān)注。每一個模塊就代表一種社交網(wǎng)絡(luò)（SNS）工具。其目的是通過這4 種工具來構(gòu)建一個企業(yè)內(nèi)部的社交網(wǎng)絡(luò)，讓科研人員、行業(yè)專家和客戶代表等用戶可以進(jìn)行靈活的動態(tài)交互和資源共享工作。該功能模塊的設(shè)計(jì)思想是：用戶可以通過好友之間的關(guān)注來擴(kuò)大朋友圈，加強(qiáng)信息的交流和互動；通過上傳文件和發(fā)表博客來分享科研信息資源，運(yùn)用微博來了解其他人員的最新科研動態(tài)。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵流程

企業(yè)科研活動一般分為3個階段：前期科研立項(xiàng)申報(bào)階段，中期科研項(xiàng)目組織實(shí)施階段，后期科研項(xiàng)目結(jié)題階段。根據(jù)Petri網(wǎng)的流程建模理論，企業(yè)科研協(xié)同平臺的關(guān)鍵流程模型如圖5所示。

前期的主要業(yè)務(wù)流程是科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行網(wǎng)上立項(xiàng)申報(bào)，填寫項(xiàng)目相關(guān)材料如人員、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)等信息，部門主管進(jìn)行材料真實(shí)性的審核，審核通過后再提交給多位行業(yè)專家進(jìn)行同時評審（用AND－split原語建模）。行業(yè)專家對科研項(xiàng)目的各方面進(jìn)行專業(yè)評審，評審都結(jié)束后意見統(tǒng)一提交給分管經(jīng)理進(jìn)行審批（用AND－join原語建模），經(jīng)理審批結(jié)束有3種結(jié)果（用OR－split原語建模），審批通過則科研立項(xiàng)申報(bào)完成，可以開始組織實(shí)施科研計(jì)劃；審批不通過的項(xiàng)目則要根據(jù)評審意見進(jìn)行相關(guān)材料的補(bǔ)齊重新申報(bào)或不申報(bào)處理，則此次立項(xiàng)申報(bào)也結(jié)束（用OR－join原語建模）。

圖3 增強(qiáng)型RBAC模型

圖4 系統(tǒng)功能模塊

中期科研實(shí)施階段具有較大的易變性和人為性，主要根據(jù)JBPM 技術(shù)解耦系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的特點(diǎn)，通過改變流程的過程定義，來動態(tài)更改業(yè)務(wù)的執(zhí)行流程。后期的項(xiàng)目結(jié)題流程與前期的很相似，在分管經(jīng)理審批通過后，提交給財(cái)務(wù)人員統(tǒng)計(jì)經(jīng)費(fèi)以及科研成果鑒定歸檔，最后科研項(xiàng)目結(jié)題完成。

2.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展功能、可維護(hù)性和可移植性，本系統(tǒng)采用B／S結(jié)構(gòu)模式，以J2EE技術(shù)（即SSH2三大框架）來架構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)共分為4 層，依次是表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)持久層和數(shù)據(jù)庫層。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

表示層主要負(fù)責(zé)頁面顯示和人機(jī)交互的工作，由HTML5、JSP和ExtJS3.4構(gòu)成，使用Struts對用戶界面進(jìn)行管理。業(yè)務(wù)邏輯層是整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理的核心部分，提供了科研協(xié)同平臺的全部業(yè)務(wù)邏輯功能。由Spring管理各種業(yè)務(wù)組件，通過增強(qiáng)型RBAC 對系統(tǒng)的權(quán)限進(jìn)行管理，并交由JBPM 引擎負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)流程的定義和執(zhí)行服務(wù)。數(shù)據(jù)持久層采用Hibernate提供的ORM 框架實(shí)現(xiàn)對象關(guān)系的映射，屏蔽不同數(shù)據(jù)庫底層細(xì)節(jié)的差異；使得數(shù)據(jù)庫操作代碼與業(yè)務(wù)邏輯分離，用戶更專注于上層業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和管理。

系統(tǒng)的整個執(zhí)行過程是首先表示層Struts框架中的actionform 表單封裝WEB瀏覽器發(fā)出的請求參數(shù)，然后對應(yīng)的action類接受用戶請求，并調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層相應(yīng)的service類和下層的DAO（或者Hibernate DAO）類來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯。最后，DAO 對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)操作。在整個過程中，Spring充當(dāng)一個容器管理的角色，它對以上類實(shí)例化的對象及其關(guān)系進(jìn)行配置和管理。該體系結(jié)構(gòu)使得各層之間進(jìn)行解耦，提高了系統(tǒng)的重用性和擴(kuò)展性，同時B／S模式，極大的簡化了客戶端的安裝和維護(hù)。

圖5 科研協(xié)同平臺的關(guān)鍵流程模型

圖6 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述關(guān)鍵技術(shù)的分析，本文采用Java作為開發(fā)語言，Tomcat6.0作為WEB服務(wù)器，MySQL5.1作為后臺數(shù)據(jù)庫。以MyEclipse6.6為集成開發(fā)環(huán)境，在JDK1.6 環(huán)境下開發(fā)了基于工作流的科研協(xié)同平臺。用戶瀏覽器是Microsoft IE8.0或以上版本。

3.1 立項(xiàng)申報(bào)的實(shí)現(xiàn)

以 “admin”身份登錄系統(tǒng)主界面，進(jìn)入科研項(xiàng)目管理下的申報(bào)管理模塊，點(diǎn)擊科研立項(xiàng)申報(bào)，右邊主顯示區(qū)出現(xiàn)立項(xiàng)申報(bào)界面，頁面如圖7所示。用戶錄入科研立項(xiàng)相關(guān)信息，點(diǎn)擊 “發(fā)送”即可呈報(bào)給部門主管審批，審批通過繼續(xù)呈報(bào)給下一個領(lǐng)導(dǎo)審批，直到審批完成或者審批不通過，申報(bào)流程結(jié)束。其中，檔案管理包括經(jīng)費(fèi)管理和成果管理模塊。

圖7 立項(xiàng)申報(bào)界面

3.2 申報(bào)查詢的實(shí)現(xiàn)

該功能在消息管理模塊中，主要用來查看用戶申報(bào)流程的審批狀態(tài)、流轉(zhuǎn)情況和審批意見等信息，同時可以對緊急流程進(jìn)行催辦操作，頁面如圖8所示。其中，消息管理包括我的申請、待我審批、經(jīng)我審批和待我閱讀4個模塊。

圖8 申報(bào)查詢界面

3.3 協(xié)同活動的實(shí)現(xiàn)

為了方便多用戶科研過程的信息交流、資源共享和協(xié)同交互，平臺提供了4種科研協(xié)同工具，頁面如圖9所示。右邊主界面顯示了整站動態(tài)信息，包括好友信息、各種回復(fù)、整站消息、在線成員和上傳文件等動態(tài)。

圖9 協(xié)同活動主界面

4 結(jié)束語

科研活動中涉及大量的信息資源、知識群體和審批環(huán)節(jié)，需要對整個科研過程進(jìn)行流程規(guī)劃、過程管理和控制，以促進(jìn)多領(lǐng)域的科研人員進(jìn)行高效地協(xié)同合作。本文以企業(yè)科研活動的流轉(zhuǎn)過程為研究對象，利用Petri網(wǎng)流程模型可以直觀的表達(dá)流程變遷狀態(tài)的特點(diǎn)和JBPM 工作流引擎具有的流程獨(dú)立的優(yōu)勢，來增強(qiáng)系統(tǒng)動態(tài)流程處理的靈活性。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，采用了J2EE 四層體系架構(gòu)和增強(qiáng)型RBAC機(jī)制，提高了系統(tǒng)的安全性、復(fù)用性和跨平臺性。同時系統(tǒng)中引入了社交網(wǎng)絡(luò)工具，極大提高了資源共享的效率，為網(wǎng)絡(luò)化科研協(xié)同環(huán)境的人員交互提供了重要保障。

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