IoT感知的业务微流程建模.pdf
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1、第 56 卷第 2 期郑 州 大 学 学 报(理 学 版)Vol.56 No.22024 年 3 月J.Zhengzhou Univ.(Nat.Sci.Ed.)Mar.2024收稿日期:2022-10-31基金项目:国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(62061136006);国家自然科学基金重点项目(61832004)。第一作者:王潇璇(1997),女,硕士研究生,主要从事软件服务工程研究,E-mail:wangxiaoxuan2603 。通信作者:王桂玲(1978),女,研究员,主要从事服务计算、分布式计算、大数据研究,E-mail:wangguiling 。IoT 感知的业务微流
2、程建模王潇璇1,2,王桂玲1,2(1.北方工业大学 信息学院北京 100144;2.大规模流数据集成与分析技术北京市重点实验室北京 100144)摘要:基于物联大数据赋能的业务流程能够更快更准地感知物理世界并及时做出响应的需求突现,提出一种物联网(Internet of Things,IoT)感知的业务微流程建模方法。首先,以单个 IoT 对象为中心建模,融合 MAPE-K(monitor,analysis,plan,execution and knowledge base,MAPE-K)模型思想,将 IoT 对象实例生命周期的行为状态与微流程实例状态一一映射,实现对单个 IoT 对象的环形自
3、动监控和调节;其次,基于从 IoT 传感设备获取的数据,定义基于SASE+语言的业务规则,提取对业务流程有意义的业务事件,避免了无关事件对宏流程的干扰;最后,通过设计一个微流程建模工具原型系统,结合真实案例分析,验证了提出建模方法的有效性,实现了业务流程与 IoT 实时流式感知数据的结合,并显著减少了宏流程需要处理的业务事件数量。关键词:IoT 流式感知数据;业务规则;环形自动监控调节;微流程中图分类号:TP18文献标志码:A文章编号:1671-6841(2024)02-0026-08DOI:10.13705/j.issn.1671-6841.2022317 An IoT-aware Busi
4、ness Micro-process Modeling MethodWANG Xiaoxuan1,2,WANG Guiling1,2(1.School of Information,North China University of Technology,Beijing 100144,China;2.Beijing Key Laboratory on Integration and Analysis of Large-scale Stream Data,Beijing 100144,China)Abstract:A method of modeling IoT-aware business m
5、icro-processes was proposed,which could empow-er business processes to perceive the physical world faster and more accurately,and respond to emerging demands in a timely manner based on IoT big data.Firstly,a single IoT object was modeled as the cen-ter,and the MAPE-K model was integrated to map the
6、 behavioral states of IoT object instances in the life-cycle to the micro-process instance states,achieving automatic monitoring and regulation of a single IoT object in a circular manner.Secondly,based on the data obtained from IoT sensing devices,business rules were defined by using SASE+language,
7、and meaningful business events relevant to the macro-process were extracted to avoid interference from irrelevant events.Finally,a micro-process modeling tool prototype system was designed,and the proposed modeling method was validated through real case analy-sis,realizing the integration of busines
8、s processes and real-time stream sensing data from IoT,and signifi-cantly reducing the number of business events that the macro-process needs to process.Key words:IoT streaming sensor data;business rules;circular automatic monitoring and regulation;mi-cro-processes第 2 期王潇璇,等:IoT 感知的业务微流程建模0引言随着物联网技术
9、的发展,将物联大数据技术与业务 流 程 管 理 系 统(business process management system,BPMS)、流程感知的 信息 系 统(process-a-ware information system,PAIS)结合,并基于物联大数据赋能业务流程,使得业务流程能够更快更准地感知物理世界并及时做出响应的需求突现1-2。目前相关研究的主要方向是将业务流程与单个实体对象相关联,根据存储在数据库中的历史结构化静态数据来完成风险预测,对于从 IoT 传感设备获取的实时流式数据还没有一种合理的分析方法和模型,也 使 得 输 出 的 风 险 预 测 结 果 不 具 有 实 时性
10、3-4。其次,当前的业务流程系统要人工干预才能完 成 业 务 事 件 处 理,无 法 实 现 完 全 自 动 化 执行5。最后,针对基于流式实时数据匹配业务事件的业务规则也还没有完善的定义与标准6。因此,本文提出一种基于 MAPE-K 模型的微流程建模方法,实现了对单个 IoT 实体对象的环形自动监控和调节。该方法将实时 IoT 流式感知数据与业务流程结合,对单个 IoT 对象的行为状态进行监控,根据IoT 数据与当前 IoT 对象的行为状态,基于业务规则输出相应的业务事件,并做出分析和决策。对于微流程本身可以自动调节与处理的业务事件,不会向上层宏流程抛出。那么,对于整个宏流程需要处理的业务事
11、件数量将会有明显地减少(宏流程是指以活动为中心建模,描述多个对象交互行为的流程模型7)。本文的主要贡献如下。(1)提出一种融合 MAPE-K 软件自治思想的微流程建模方法,能够紧密集成实时 IoT 流式感知数据和业务流程。当关联的 IoT 对象遇到突发事件时,能够对其进行自动监控与调节。(2)提出一种基于 SASE+语言的业务规则,用于处理复杂数据流背后的业务事件,使微流程能够更好地适应动态多变的环境。(3)将微流程建模与 IoT 对象实例进行关联构造数据模型,并获取 IoT 对象实例的属性关系,利用其属性关系与业务规则相结合输出不同的业务事件,并自动调节处理部分业务事件,对于无法自动调节的业
12、务事件向宏流程抛出并进行处理,减少宏流程处理的业务事件数量。1基于 MAPE-K 的环形自动监控调节的微流程建模原理1.1定义本文提出了一种基于 MAPE-K 的环形自动监控调节的微流程建模方法。首先,将单个 IoT 对象实例与微流程实例关联,融合了 MAPE-K 模型软件自治的思想,将对象实例的生命周期行为状态归纳为监控、分析、决策和执行四种8。其次,该建模方法将实时的 IoT 流式感知数据与业务流程进行结合。在建模时,可以基于 SASE+语言对复杂数据流背后的业务事件进行规则定义,并输出相应的业务事件。定义 1IoT 感知微流程定义为一个四元组,IoTAwareMicroProcess=i
13、d,name,relateInsID,StateList,其中:id 是微流程的唯一标识符;name 是 IoT 感知微流程定义名称;relateInsID 是关联的 IoT 对象实例的 ID;StateList=monitorState,analysisState,plan-State,executeState 是微流程的四个固定状态列表,monitorState 是监控状态,基于输入的 IoT 流式感知数据,对当前环形调节监控系统是否自动进行了调节操作进行判断和监测,analysisState 是分析状态,基于监控状态的输出结果,结合当前关联属性,给出具体的分析结果,planState 是
14、决策状态,进入决策状态表示当前业务流程需要基于监控和分析状态给出合理的决策,executeState 是执行状态,是业务流程的最后一个环节,执行决策状态给出的命令。上述四个状态是微流程的固定结构,且顺序不能改变,形成闭环结构。定义 2状态定义为一个四元组,State=id,name,role,stepList,其中:id 是状态的唯一标识,代表顺序;name 是状态的名 称;role 是 状 态 所 属 的 角 色;stepList=Mi-croStep1,MicroStep2,是状态包含的微步骤结构列表。定义 3业务规则定义为一个三元组,businessRules=relateAttribu
15、teList,symbolList,relateSymbolList,其中:relateAttributeList 是业务规则关联的属性列表,至少包含一个属性字段;symbolList=symbol1,sym-bol2,是属性字段之间的符号列表,由 AND 或OR 表示;relateSymbolList=relateSymbol1,relateSym-bol2,是属性数值比较符号列表,按照顺序对应72郑 州 大 学 学 报(理 学 版)第 56 卷相应的属性数值,由、=表示。在判断输出业务事件时,业务规则将作为 SASE+语言中 WHERE 子句的约束条件存在,联合 SASE+语言中其他约束条
16、件共同作为业务事件判断识别的约束条件。1.2建模元素一般来说,工作流程中会存在不同种类的建模元素9。本文提出的微流程中包含的建模元素称为微步骤。定义 4微步骤定义为一个四元组,MicroStep=id,name,type,state,其中:id 是唯一标识;name 是微步骤名称;type 是元素类型;state 表示微步骤所归属状态(归属固定的监控、分析、决策和执行四个状态之一),每个状态都包含一个或多个微步骤。微步骤是一种细粒度的行为活动,用于写入相应属性,分为空微步骤、原子微步骤、特定值微步骤和值步骤。微步骤之间的互连与转移主要通过建模元素微转移实现。微转移可以把微步骤作为源,也可以把值
17、步骤作为源。在微流程实例实际执行时,必须确保前一步的微步骤或值步骤的属性约束达到要求之后,才会执行下一步的微步骤或值步骤,这样可以保证微流程实例的正确执行顺序。表 1 是对微流程基本建模元素的详细说明。表 1基本建模元素说明Table 1Description of basic modeling elements元素描述符号监控状态描述对象实例行为状态的建模元素。不同类型状态由不同的角色管理,监控状态须要判断输入数据流并监测系统行为,有助于确保系统正常运行并及时解决问题,角色可以采取适当措施来处理问题并预防未来出现类似问题分析状态分析状态表示已完成外部数据处理和分析,要基于监控状态的输出结果和
18、已执行的操作给出相应的分析结果决策状态进入决策状态,要基于监控状态与分析状态输出的信息与数据做出合理化决定执行状态执行状态表示进入最后一个环节,去执行决策状态输出的命令或者处理意见微步骤空微步骤用于控制流程的开始与结束,不涉及任何属性引用。原子微步骤和特定值微步骤都用于执行相应的原子操作,二者区别在于原子微步骤要引用 IoT 对象实例属性,对属性值的写入无特定范围的要求,只要求属性值不为空且数据类型符合相应属性的数据类型。而特定值微步骤必须包含两个及以上的值步骤(值步骤表示须要设置特定值的约束),且特定值微步骤对属性值的要求是必须限定在其包含的几个值步骤之中,并要求数据类型符合相应属性的数据类
19、型微转移微转移用于顺序化执行,指示下一执行的状态、原子微步骤和值步骤1.3建模规范总体建模规范要求如下。(1)微流程是以单个 IoT 对象为中心进行建模的。因此,在建模前必须与具体的 IoT 对象实例进行关联。(2)微流程包含四个顺序不可变、且不可删除的状态微步骤:监控、分析、决策和执行。(3)每个状态至少包含一个原子或特定值微步骤。且监控状态必须包含一个开始微步骤,执行状态必须包含一个结束微步骤。(4)引用属性必须注意时序问题。(5)原子微步骤和特定值微步骤必须按照时序顺序引用 IoT 对象实例的属性关系,且在建模时由专业建模人员提前设定属性数值判断条件以及业务事件规则。(6)对于不同状态包
20、含的微步骤中关于属性的引用要求不同,必须确保属性类型和输入数据符合要求。1.4微流程执行1.4.1执行原理及规则微流程的执行是基于当前微流程中建模元素的状态标识,通过状态标识的转换来推动微流程实例的执行。微步骤的标识共有等待、就绪、启用、激活、确认和未确认 6 种状态;状态的标识分为等待、激活和确认 3 种。微流程实例的状态标识包括初始化、运行和已完成 3 种状态。下面,以图 1 所示的监控和自动调节天然气液化气(liquefied natural gas,LNG)罐箱温度的海上运输模82第 2 期王潇璇,等:IoT 感知的业务微流程建模型为例,说明微流程的执行原理及标识转换规则。表 2 为微
21、步骤标识的说明。图 1LNG 罐箱温度自动监控调节案例Figure 1Example of automatic monitoring and regulation of LNG tank temperature表 2微步骤标识表Table 2Micro-step identification table标识符名称描述等待流程实例刚初始化时,所有标识为等待,之后可能会变为激活标识就绪微步骤未引用任何属性被标识为就绪已启用微步骤已引用相关属性,其被标识为已启用激活有下列几种情况下,微步骤将被标识为激活:1)当相应属性的值可用时,微步骤被标记为激活;2)不涉及任何属性的空微步骤立即被标记为激活;3)
22、当对应的谓词评估为真时,值步骤被标记为激活确认微步骤所属的状态已标记从激活至确认,当前标记为“未确认”的所有微步骤将标记更改为“已确认”;即到达微步骤,相应属性值可用。反过来,如果满足相应的谓词,并且值步骤不属于跳过的路径,则值步骤被标记为确认未确认相应属性值是可用的,且其后续微步骤还未引用属性时,被标记为未确认图 1 所示案例在建模前需要与 LNG 罐箱温度传感器进行绑定,以获取所有的属性类型和关系。监控状态由一个空微步骤(即开始微步骤)和一个特定值微步骤(名为 LNG 罐箱温度)组成。特定值微步骤引用 LNG 罐箱温度属性,其包含的五个值步骤可以另外引用属性自动化操作,并通过 AND 与罐
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