Логико-языковые средства автоматизации производственных процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат физико-математических наук Шундеев, Александр Сергеевич

• Шундеев, Александр Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шундеев, Александр Сергеевич

1 Основные положения технологии автоматизации производственных процессов

1.1 Области применения.

1.2 Две парадигмы (коммуникационный и операционный подход)

1.3 Общепринятая классификация.

2 Современные логико-языковые средства описания и верификации автоматизированных процессов

2.1 Направления развития и вопросы стандартизации.

2.2 Язык XPDL.

2.3 Оценка выразительности языков описания определений процессов

2.4 Математические методы моделирования и анализа производственных процессов.

2.4.1 Типы анализа.

2.4.2 Сети Петри.

2.4.3 Редукция графов.

2.4.4 Выводы.

2.5 Обзор промышленных систем автоматизации производственных процессов

2.5.1 COSA.

2.5.2 MQSeries/Workflow.

2.5.3 StafFware.

2.5.4 InConcert.

2.5.5 Выводы.

3 Разработка основанного на XML языка описания определений и реализаций процессов

3.1 Синтаксис языка XPDIL.

3.1.1 Элемент Process.

3.1.2 Элементы Data и Parameter

3.1.3 Элемент Participant.

3.1.4 Элемент Step.

3.1.5 Элемент Transition.

3.2 Семантика (формальная модель) языка XPDIL.

3.2.1 Статическая составляющая формальной модели

3.2.2 Динамическая составляющая формальной модели

3.3 Выразительность языка XPDIL.

3.3.1 Шаблон последовательности.

3.3.2 Поддерживаемые шаблоны, основанные на понятии нити управления.

3.3.3 Контрпример для шаблона синхронизирующего соединения

3.3.4 Не поддерживаемые шаблоны, использующие множественную реализацию шагов процесса.

3.3.5 Не поддерживаемые шаблоны, использующие дополнительные условия на смену промежуточных этапов реализаций процессов.

3.3.6 Шаблоны, регламентирующие завершение реализации процесса.

3.3.7 Теорема о выразительности языка XPDIL.

3.4 Выводы.

4 Архитектурно-технологические аспекты программной системы

4.1 Основные черты специализированной системы автоматизации производственных процессов.

4.2 Модуль разработки определений процессов.

4.3 Модуль автоматизации.

4.4 Модуль управления задачами пользователей.

4.5 Результаты опытной эксплуатации.

5 Математические методы валидации

5.1 Неформальное описание подхода.

5.2 Формализация понятия «нить управления».

5.3 Регулярность языков управления для ограниченных сетей Петри.

5.4 Пример нерегулярного языка управления.

5.5 Конъюктивные регулярные тесты.

5.6 Направление дальнейшего развития подхода.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Логико-языковые средства автоматизации производственных процессов»

Актуальность темы

Высокие темпы развития мирового информационного пространства на базе Метасети Интернет и активное использование компьютерных технологий во многих, в том числе национально значимых, сферах человеческой деятельности выдвигают на первый план проблемы автоматизации процессов, сопровождающих эти сферы деятельности. Возможности используемых для этих целей технологий, уровень средств и систем автоматизации во многом определяют состояние научно-технического прогресса в той или иной стране и в мировом сообществе в целом. Отмеченные обстоятельства определяют важную роль исследований, связанных с поиском эффективных математических моделей, алгоритмического и программного обеспечения технологий автоматизации процессов (или производственных процессов1 в нотации принятой в данной научно-технической области).

В настоящее время технология автоматизации производственных процессов получила широкое распространение — от электронного документооборота до областей, связанных с интеграцией информационных и производственных ресурсов. Несмотря на то, что данная технология бурно развивается с 70-х годов прошлого столетия, и уже более 10 лет идет процесс ее стандартизации, многие важные проблемы на сегодняшний день имеют либо частичное, либо неудовлетворительное решение. Это прежде всего касается разработки стандартных средств документирования автоматизированных производственных процессов и оценки их выразительности. Отсутствие широко признанных адекватных математических моделей приводит к тому, что семантика основных структурных составляющих языков документирования подчас остается неопределенной. В результате практическое использование средств документирования, а тем более их повсеместное внедрение, оказывается затруднительным. Другой важный блок вопросов связан с проверкой корректности и адекватности формальных моделей автоматизированных производственных процессов (адекватности реальным процессам, которые они моделируют). Существующие математические модели и реально использующиеся на практике программные средства позволяют оценивать лишь ограниченный стандартный набор свойств процессов. При этом важный этап анализа, связанный с проверкой адекватности сводится к рутинному пошаговому выполнению тестовых запусков реализаций процессов. Необходимость решения обозначенных проблем, связанных с разработкой средств документирования, построением и исследованием адекватности математических моделей автоматизированных производственных процессов, определяет актуальность диссертационной работы.

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых логико-языковых средств анализа и управления автоматизированными производственными процессами, построение на их основе специализированной программной системы для управления автоматизированными производственными процессами в области материаловедения и механики.

Основные результаты работы

В рамках диссертационной работы были получены следующие результаты.

• Разработан и программно реализован язык XPDIL, составляющий основу логико-языковых средств автоматизации производственных процессов, который позволяет, как определять, так и реализовывать такие процессы.

• На основе аппарата сетей Петри разработан и обоснован метод проверки адекватности определений производственных процессов их реальным аналогам.

• На базе языка XPDIL спроектирован и построен программный комплекс для автоматизации процессов сопровождения научных исследований и экспериментов, апробированный на примере механики деформируемого твердого тела и материаловедения.

Методы исследования

Результаты диссертационной работы получены с использованием методов теории формальных языков, методов теории сетей Петри и современных средств программирования.

Научная новизна работы

Отличительной особенностью языка XPDIL является возможность в единообразном виде описывать схему выполнения и промежуточные состояния реализаций автоматизированного производственного процесса. Данная особенность позволила, по всей видимости впервые, свести функционирование системы автоматизации производственных процессов к манипулированию XML документами. Как результат, — появилась возможность одновременно осуществлять автоматизацию различных классов производственных процессов — продукционных и специализированных.

Новая математическая модель автоматизированных производственных процессов позволила формализовать метод Ван-дер-Альста и Хофстеда (изначально нестрого формализованный с математической точки зрения) оценки выразительности средств описания автоматизированных производственных процессов. В рамках данной математической модели проведено исследование свойств и выразительности языка XPDIL.

На базе аппарата сетей Петри и теории регулярных языков были созданы новые методы проверки адекватности (валидации) моделей автоматизированных производственных процессов. Отличительной чертой данных методов является возможность средствами соответствующего регулярного языка описывать и проверять поведение целого набора реализаций процессов, без осуществления их тестовых запусков.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании" (2001 г.), на школе-семинаре по компьютерной автоматизации и информатизации ACS'2002 (2002 г.), на научной конференции "Ломоносовские чтения" (2001 г. и 2004 г.), на международной научной конференции "Мальцевские чтения" (2003 г.), на механико-математическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова на семинаре "Современные сетевые технологии" под руководством проф. В. А. Васенина (2001 г. и 2004 г.), в ВИНИТИ РАН на семинаре "Логические проблемы интеллектуальных систем" под руководством проф. В. К. Финна (2004 г. и 2005 г.), на факультете вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М. В. Ломоносова на семинаре "Современные методы и средства моделирования систем обработки и передачи данных" под руководством проф. Р. Л. Смелянского (2004 г.), на семинаре "Автоматизация программирования" под руководством проф. М. Р. Шура-Бура (2005 г.).

По материалам диссертации опубликовано семь печатных работ [70], [71], [72], [73], [74], [75], [76].

Практическая значимость

Разработан прототип системы автоматизации производственных процессов, основанный на языке XPDIL. Данная система предназначена для автоматизации исследований структурно-механических свойств материалов, проводимых в Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова.

Структура и содержание настоящей работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Главы разбиты на разделы, а наиболее крупные разделы делятся на подразделы. Общий объем диссертации — 168 страниц, из них 8 страниц занимают приложения. Диссертация содержит 21 рисунок и 39 таблиц. Список литературы содержит 75 наименований. Изложение диссертации структурировано следующим образом.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Шундеев, Александр Сергеевич

Заключение

В заключение приведем основные результаты диссертационной работы.

• Разработан и программно реализован новый язык XPDIL описания определений и реализаций производственных процессов, обоснованы подходы и на их основе получены оценки выразительности языка XPDIL.

• На базе языка XPDIL спроектирован и построен программный комплекс для автоматизации процессов сопровождения распределенных научных исследований в области механики (механика деформируемого твердого тела) и материаловедения.

• Создан и формально обоснован метод проверки адекватности математических моделей автоматизированных производственных процессов их реальным аналогам.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шундеев, Александр Сергеевич, 2005 год

1. Васенин В.А., Афонин С.А., Коршунов А.А. К созданию концепции интегрированной системы распределенных информационных ресурсов Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001. — 112 с.

2. Коршунов А.А. Система управления содержанием корпоративного портала // Новые информационные технологии в университетскомобразовании: Тезисы международной научно-методической конференции. — Новосибирск, 2001. — С. 200-202.

3. Котов В.Е. Сети Петри. — М.: Наука, 1984. — 160 с.

4. Кулопулос Т.М. Необходимость workflow. Решения для реального бизнеса. — М.: Весть-Метатехнология, 2000. — 384 с.

5. Мальцев А.И. Алгоритмы и рекурсивные функции: 2-е изд. — М.: Наука, 1986. — 368 с.

6. Марков А.А., Нагорный Н.М. Теория алгорифмов: 2-е изд., испр. и доп. М.: ФАЗИС, 1996. - 448 с.

7. Роджерс С. Теория рекурсивных функций и эффективная вычислимость. — М.: Мир, 1972. — 624 с.

8. Филлипс Д., Гарсиа-Диас А. Методы анализа сетей: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. 496 с.

9. Хопкрофт Д.Э., Мотвани Р., Ульман Д.Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. — М.: Вильяме, 2002. — 528 с.

10. Эммерих В. Конструирование распределенных объектов. Методы и средства программирования интероперабельных объектов в архитектурах OMG/CORBA, Microsoft/COM и Java/RMI. Пер. с англ. М.: Мир, 2002. - 510 с.

11. Aalst W.M.P. van der. Putting Petri nets to work in industry // Computers in Industry. — 1994. — Vol. 25, №1. — pp. 45-54.

12. Aalst W.M.P. van der. Three good reasons for using a Petri-net-based workflow management system // Information and process integration in enterprises: Proceedings of the international working conference. — Camebridge Massachusetts, 1996. — pp. 179-201.

13. Aalst W.M.P. van der. Verification of workflow nets // Application and theory of Petri nets / Azema P. and Balbo G. (Ed.) — Lecture notes in computer science. — 1997. — №1248. — pp. 407-426.

14. Aalst W.M.P. van der., Hauschildt D., Verbeek H.M.W. A Petri-net-based tool to analyze workflows // Petri nets in system engineering: Proceedings of the conference. — Hamburg, 1997. — pp. 78-90.

15. Aalst W.M.P. van der. The application of Petri nets to workflow management // Journal of circuits, systems and computers. — 1998. — Vol. 8, №. pp. 21-66.

16. Aalst W.M.P. van der., Hofstede A.H.M. ter. Verification of workflow task structures: a Petri-net-based approach // Information systems. — 2000.- Vol. 25, №. — pp. 43-69.

17. Aalst W.M.P. van der., Hofstede A.H.M. ter., Kiepuszewski В., Barros A. P. Advanced workflow patterns // Cooperative information systems: Proceedings of the 7th international conference. — 2000. — pp. 18-29.

18. Aalst W.M.P. van der., Hofstede A.H.M. ter., Kiepuszewski В., Barros A.P. Workflow patterns // Distributed and parallel databases.- 2003. Vol. 14, №. - pp. 5-51.

19. Aalst W.M.P. van der. Patterns and XPDL: A critical Evaluation of the XML Process Definition Language. — Technical report FIT-TR-2003-06.- Queensland University of Technology, 2003. — 30 p.

20. Afonin S.A., Shundeev A.S., Roganov V.A. Semistructured data search using dynamic parallelisation technology // MIPRO-2003: Proceedings of the 26th international convention. — 2003. — pp. 152-157.

21. Bracchi G., Pernici B. The design requirements of office systems // ACM Transactions on office information systems. — 1985. — Vol. 2, J№2. — pp. 151-170.

22. Davulcu H., Kifer M., Ramakrishman C.R., Ramakrishman I.V. Logic based modeling and analysis of workflows // ACM symposium on Principles of database systems. — Seattle, USA, Jun. 1998.

23. Dietz J., Reijswoud van V. DEMO modelling handbook. — 1998. — version 2.

24. Dumas M., Hofstede A.H.M. ter. UML activity diagrams as a workflow specification language // Unified modeling language: Proceedings of the 4th international conference. — Toronto, Canada, 2001. — pp. 76-90.

25. Elis C.A. Information control nets: A mathematical model of office information flow // Simulation, measurement and modeling of computer systems: Proceedings of the conference. — ACM Press, 1979. — pp. 225240.

26. Elis C.A., Nutt G.J. Office information systems and computer science // ACM Computer surveys. — 1980. — Vol. 12, №1. — pp. 27-60.

27. Georgakopoulos D., Hornick M., Sheth A. An overview of workflow management: From process modelling to workflow automation infrastructure // Distributed and parallel databases. — 1995. — Vol. 3, m. pp. 119-153.

28. Giannakopoulou D., Kramer J., Cheung S.C. Analysing the behaviour of distributed systems using tracta // Journal of automated software engineering: Special issue on automated analysis of software. — 1999. — Vol. 6, Ж. pp. 7-35.

29. Hack M. The recursive equivalence of the reachability problem and the liveness problem for Petri nets and vector addition systems. — Project MAC Memo 107. — Cambridge, 1974.

30. Jablonski S., Busslcr C. Workflow Management: Modeling concepts, architecture and implementation. — United Kingdom, International Thomson Computer Press, 1996. — 351 p.

31. Janssen W., Mateescu R., Mauw S., Springintveld J. Verifying business processes using spin // Proceedings of the 4th International SPIN Workshop. — Nov. 1998. — pp. 21-36.

32. Karp R.M., Miller R.E. Parallel program schemata // Journal of computer and system science. — 1969. — №3. — pp. 147-195.

33. Kiepuszewski В., Hofstede A.H.M. ter., Aalst W.M.P. van der. Fundamentals of control flow in workflows // Acta informatica. — 2003.- Vol. 39, №. pp. 143-209.

34. Kosaraju S.R. Decidability of reachability in vector addition systems // Theory of computing: Proceedings of the 14th annual ACM symposium.

35. San Francisco, 1982. pp. 267-281.

36. Lipton R.J. The reachability problem requires exponential space. — Research report №62. — Yale university, 1976.

37. Mayr E.W. An algorithm for the general Petri net reachability problem // SIAM Journal of computing. — 1984. — Vol. 13, №3. — pp. 441-459.

38. McCready S. There is more than one kind of work-flow software // Computer world. — November 2, 1992.

39. Medina-Mora R., Winograd Т., Flores R., Flores F. The ActionWorkflow approach to workflow management technology // Information society. — 1993. №9. - pp. 391-404.

40. Mentzas G., Halaris C., Kavadias S. Modelling business processes with workflow systems: an evaluation of alternative approaches // International journal of information management. — 2001. — №21. — pp. 123-135.

41. Microsoft Corporation. Xlang web services for business process design.

42. Murata Т. Petri nets: properties, analysis and applications // Proceedings of the IEEE. 1989. - Vol.77, №4. - pp. 541-580.

43. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. — М.:Мир, 1984. — 263 с.

44. Petri С.A. Kommunikation mit automaten. — Technische Hochschule Darmstadt, 1962.

45. Rackoff C. The covering and boundedness problem for vector addition systems // Theoretical computer science. — 1978. — №6. — pp. 223-231.

46. Rosier L.E., Yen H.C. A multiparameter analysis of the boundedness problem for vector addition systems // Journal of computer and system science. — 1986. — №32. — pp. 105-135.

47. Sheth A., Aalst W.M.P. van der, Arpinar I. Processes driving the networked economy // IEEE Concurrency. — 1999. — pp. 18-31.

48. Sadiq W., Orlowska M.E. Applying a generic workflow modelling technique to document workflows // Proceedings of the Second Australian Document Computing Symposium. — Melbourne, Australia, 1997.

49. Sadiq W., Orlowska M.E. On correctness issues in conceptual modeling of workflows // Proceedings of the 5th European Conference on Information Systems. — Cork, Ireland, 19-21 June 1997.

50. Sadiq W., Orlowska M.E. Analyzing process models using graph reduction techniques // Information systems. — 2000. — Vol. 25, №2. — pp. 117-134.

51. Sadiq W., Orlowska M.E. On business process model transformations // Proceedings of 19th International Conference on ER. — USA, Salt Lake City, 8-12 October 2000.

52. Tsichritzis D. Form management // Communications of the ACM. — 1982. Vol. 25, №. - pp. 453-478.

53. Ullmann J.R. An algorithm for subgraph isomorphism // J. ACM. — 1976. №23. - pp. 31-42.

54. Verbeek H.M.W., Aalst W.M.P. van der. Diagnosing workflow processes using Woflan. — Computing science report 99/02. — Eindhoven University of Technology, 1999.

55. Voorhoeve M., Aalst W.M.P. van der. Ad-hoc workflow: problems and solutions // Proceedings of 8th DEXA Workshop on Database and Expert Systems Applications. — France, Toulouse, 1997. — pp. 36-41.

56. Wohed P., Perjons E., Dumas M., Hofstede A.H.M. ter. Pattern-based analysis of EAI languages: the case of the business modeling language // Proceedings of 5th International Conference on Enterprise Information Systems. — France, Angers, 2003.

57. Workflow Management Coalition. The workflow reference model. — TC00-1003. — Jan. 1995. — Issue 1.1. — 55 p.

58. Workflow Management Coalition. Workflow standard — interoperability abstract specification. WfMC-TC-1012. — Oct. 1996. — Version 1.0. — 68 p.

59. Workflow Management Coalition. Programming interface (interface 2 & 3) specification. WfMC-TC-1009. - Jul. 1998. - Version 2.0. - 171 p.

60. Workflow Management Coalition. Audit data specification. — WfMC-TC-1015. Sep. 1998. - Version 1.1. - 51 p.

61. Workflow Management Coalition. Terminology and glossary. — WFMC-TC-1011. Feb. 1999. - Issue 3.0. - p. 65.

62. Workflow Management Coalition. Interface 1: process definition interchange. Process model. WfMC-TC-1016-Р. — Oct. 1999. — Version 1.1. - 103 p.

63. Workflow Management Coalition. Workflow process definition interchange- XML Process definition language. WFMC-TC-1025. - Oct. 2002. — Version 1.0. — 87 p.

64. World Wide Web Consortium. Extensible markup language (XML) 1.0 (second edition). — W3C recomendation. — 6 October 2000. — p. 59.

65. Zisman M.D. Representation, specification and automation of office procedures: Ph.D. thesis. — University of Pennsylvania, Wharton School of Business, 1977.

66. Васенин В.А., Шундеев А.С., О выразительности языка описания определений и реализаций процессов // Вычислительные системы: Математические модели и вычислительные структуры. — Новосибирск, 2004. Вып. 173. — С. 3-31.

67. Васенин В.А., Васин Р.А., Козицын А.С., Шундеев А.С., Информационно-экспертная система для исследования структурных и механических свойств материалов // Автоматика и телемеханика, 2005. — №7. (в печати).

68. Мартынова O.J1., Шундеев А.С. Моделирование и анализ бизнес-процессов с помощью сетей Петри // Труды школы-семинара по компьютерной автоматизации и информатизации ACS-2002. — Москва, 2003. С. 110-115.

69. Шундеев А.С. Интеграция информационных ресурсов и workflow-системы // Новые информационные технологии в университетском образовании: Тезисы международной научно-методической конференции. — Новосибирск, 2001. — С. 168-170.

70. Шундеев А.С. Управление автоматизированными бизнес-процессами на основе XML // Информационные технологии и программирование.- М.: МГИУ, 2003. Вып. 1, Ж. - С. 31-44.

71. Шундеев А.С. Математические методы валидации формальных моделей автоматизированных бизнес-процессов // Информационные технологии и программирование. — М.: МГИУ, 2004. — Вып. 2, №11. — С. 41-54.

72. Shundeev A.S. Workflow system // Finish Data Processing Week 20012002: Proceedings of the conference. — University of Petrozavodsk, 2003. Vol. 4. - pp. 109-115.