ＳＰＥＭ２ＸＰＤＬ模型轉(zhuǎn)換研究
2007-01-01 00:00:00萬志剛袁峰周津慧
計算機應用研究 2007年4期
摘要：將軟件過程技術與工作流技術相結(jié)合，嚴格定義了SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，設計并實現(xiàn)了一個SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換引擎。此引擎將SPEM描述的軟件過程轉(zhuǎn)換為符合工作流定義（XPDL）的工作流過程，從而可基于工作流管理系統(tǒng)對軟件過程提供執(zhí)行支持。SPEM模型經(jīng)引擎轉(zhuǎn)換后在工作流管理系統(tǒng)Shark上的成功執(zhí)行表明了引擎的可用性。
關鍵詞：軟件過程工程元模型； 可擴展標記語言過程定義語言； 軟件過程； 工作流； 模型轉(zhuǎn)換
中圖分類號：TP31152文獻標志碼：A
文章編號：10013695(2007)04004205
0引言
SPEM(Software Process Engineering Metamodel)[1]是OMG(Object Management Group)在2002年提出的軟件過程建模標準。它定義了軟件過程建模中所需要的元素集合，適合于描述任何軟件過程。近年來，SPEM取得了廣泛應用，出現(xiàn)了很多基于SPEM的軟件過程模型，如IBM的RUP、DMR的Macroscope以及Unisys的QuadCycle等[1]。然而，SPEM側(cè)重于過程建模中的過程描述方面，在過程執(zhí)行支持方面做得不夠[2]。
為了支持軟件過程的執(zhí)行，人們做了大量工作。20世紀90年代后，研究人員發(fā)現(xiàn)盡管軟件過程和工作流各有特點，但它們遵循相同的過程范型[3，4]。人們在將軟件過程模型轉(zhuǎn)換到工作流模型并通過WfMS(Workflow Management System)執(zhí)行方面進行了研究，且取得了一些成果。Ghan D.K.C.等人[5]將ISPW6軟件過程模型轉(zhuǎn)換為用Valmont語言定義的Liaison模型，并在支持該模型的自定義WfMS上執(zhí)行。Barnes A.等人[6]將軟件設計階段的過程模型轉(zhuǎn)換為用WPDL(Workflow Process Definition Language)描述的工作流模型，并在實現(xiàn)工作流參考模型的WfMS上執(zhí)行。由于這些研究通常采用的軟件過程元模型不同，元模型到工作流的轉(zhuǎn)換規(guī)則也不相同，使得它們的研究成果得不到重用，軟件過程模型之間也不好交互。
將SPEM模型轉(zhuǎn)換到XPDL[7]（XML Process Definition Language）模型，并利用成熟的WfMS，如IBM WebSphere MQ Workflow或開源社區(qū)的Shark[8]等，來解決對SPEM模型的過程支持問題。其優(yōu)點表現(xiàn)在：
（1）SPEM作為廣泛應用的軟件過程建模標準，本身可以保證SPEM模型的可重用性以及可交互性，減少了因重復開發(fā)軟件過程元建模所帶來的巨大時間和成本支出。
（2）XPDL作為WfMC(Workflow Management Coalition)制定的工作流過程定義標準，不僅可以帶來工作流所具有的開放性、靈活性、強大的過程支持能力，而且還保證了轉(zhuǎn)換后模型的可重用性以及可交互性。
（3）SPEM與具體的軟件開發(fā)方法無關，可以對任何具體的軟件開發(fā)方法，如XP、RUP等提供過程執(zhí)行支持。
實現(xiàn)SPEM模型到XPDL模型的轉(zhuǎn)換，要解決兩大問題，即模型之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則以及轉(zhuǎn)換的具體實現(xiàn)問題。
1SPEM和XPDL元模型簡介
1.1SPEM
SPEM的核心概念是：軟件過程是ProcessRole之間的協(xié)作，而ProcessRole對WorkProduct執(zhí)行Activity操作。
在SPEM元模型中，SPEM_Extensions包為描述軟件過程模型添加了相應的元素及語義。Process Structure子包包含構(gòu)成過程的主要元素以及元素之間的關系，是SPEM元模型中的主要內(nèi)容，如圖1所示。
圖9中WorkProduct表示過程執(zhí)行中所涉及的任何制品；WorkProductKind表示W(wǎng)orkProduct的類別；WorkDefinition表示過程任務定義，WorkDefinition與ProcessPerformer關聯(lián)，表示該WorkDefinition的執(zhí)行角色。WorkDefinition可包含子WorkDefinition，形成WorkDefinition的層次關系。Activity表示由ProcessRole所執(zhí)行的活動，作為WorkDefinition的子類，Activity同樣也可包含子Activity，從而構(gòu)成Activity之間的層次關系；此外，Activity還可以包含原子元素Step。
1.2XPDL
XPDL元模型描述了工作流過程定義中要用到的實體以及實體屬性。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2中Workflow Process Definition實體為過程中的其他實體提供上下文信息。Workflow Process Activity由一個或多個活動組成。活動可以是BlockActivity，它與Activity Set相關聯(lián)；也可以是SubProcesss Definition，它與其他Workflow Process Definition相關聯(lián)；還可以是Atomic Activity，只負責在輸入轉(zhuǎn)移和輸出轉(zhuǎn)移中進行路由。Transition Information描述活動間的轉(zhuǎn)移信息。Workflow Participant Specification描述在過程定義中各個活動的執(zhí)行者所需要的資源。Workflow Application Specification描述工作流執(zhí)行時需要調(diào)用的應用程序或者接口。Workflow Relevant Data描述工作流執(zhí)行時，每個過程實例都需要用到的或創(chuàng)建的數(shù)據(jù)。
2SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換規(guī)則
實現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換，首先要確定模型之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，即要確定SPEM模型元素到XPDL模型元素的轉(zhuǎn)換規(guī)則以及SPEM模型元素關系到XPDL模型元素關系的轉(zhuǎn)換規(guī)則。因此，SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換規(guī)則包括兩類，即元素的轉(zhuǎn)換規(guī)則和關系的轉(zhuǎn)換規(guī)則。
2.1元素轉(zhuǎn)換規(guī)則
當模型元素被轉(zhuǎn)換時，元素的屬性也要同時被轉(zhuǎn)換。主要元素轉(zhuǎn)換規(guī)則如下（SPEM->XPDL）：
（1）Package， Discipline， Phase， Lifecycle->Package
利用XPDL Package元素的擴展屬性來標志不同SPEM元素。例如＜ExtendedAttribute Name=\"type\" Value=\"Phase\"/＞表示SPEM Package元素。
（2）Process->WorkflowProcess
將SPEM Process元素轉(zhuǎn)換為XPDL中的WorkflowProcess元素。
（3）Iteration， Activity， Step->Activity
Iteration轉(zhuǎn)換為XPDL中實現(xiàn)類型為“Subflow”的Activity；包含Step的Activity轉(zhuǎn)換為XPDL中活動類型為“BlockActivity”的Activity，包含子Activity的Activity轉(zhuǎn)換為實現(xiàn)類型為“Subflow”的Activity；Step轉(zhuǎn)換為普通Activity。
（4）WorkProduct，WorkProductKind->ExtendedAttribute
WorkProduct和WorkProductKind均轉(zhuǎn)換為XPDL活動的擴展屬性。擴展屬性名分別為“WorkProduct”和“WorkProductKind”。
（5）ProcessPerformer->Participant
轉(zhuǎn)換為過程執(zhí)行者，并設置執(zhí)行者的類型屬性為“Role”。
（6）ProcessRole->ExtendedAttribute
轉(zhuǎn)換為過程活動的擴展屬性。擴展屬性名為“Assistant”。
為支持工作流過程的執(zhí)行，在XPDL的Activity元素中存在一些過程執(zhí)行屬性，而它們在SPEM模型中沒有對應表示。對于這種屬性，本文為其設定了默認值。比如XPDL Activity中的Start Mode屬性默認設置為“Manual”；Transition Restrictions屬性默認設置為“AND Join”和“AND Split”。
2.2關系轉(zhuǎn)換規(guī)則
在SPEM中，活動之間的關聯(lián)關系有多種，而XPDL中活動的關聯(lián)關系只有一種，即活動的轉(zhuǎn)換關系。因此，需要解決SPEM的多種關聯(lián)關系與XPDL的單一關聯(lián)關系的映射問題。為此，將SPEM活動關系分類，針對每個分類，建立它到XPDL活動關系的轉(zhuǎn)換規(guī)則。
（1）層次關系(LR)
層次關系有兩種，即Package和其包含元素的所屬關系以及Activity和Step之間的包含關系。在XPDL中，層次關系表現(xiàn)為Package以及ActivitySet與Activity之間的關系。
（2）轉(zhuǎn)換關系(TR)
轉(zhuǎn)換關系有兩種：活動之間的Precedes關系和活動—產(chǎn)品關系。活動—產(chǎn)品關系要求活動a1的輸出產(chǎn)品w是活動a2的輸入產(chǎn)品。在XPDL中，轉(zhuǎn)換關系對應于活動之間的Transition關系。
（3）角色—活動關系(RAR)
角色—活動關系有兩種：WorkDefinition和ProcessPerformer之間的Perform關系；Activity和 ProcessRole之間的Assistant關系。在XPDL中，前者表現(xiàn)為活動的執(zhí)行者，后者對應于活動的擴展屬性。
（4）其他關系(OTR)
除了上述關系之外，其他關系均用OTR進行描述。其中如WorkProduct之間的Trace、Impact等關系，由于缺少對應語義，將不能轉(zhuǎn)換到XPDL中。
3SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換引擎
3.1系統(tǒng)架構(gòu)
基于SPEM和XPDL元模型結(jié)構(gòu)以及模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，本文設計并實現(xiàn)了一個SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換引擎。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。
SPEM模型和XPDL模型一般存儲為XML文件格式。而模型在引擎內(nèi)部會被表示為DOC形式（XML文件在內(nèi)存中的組織形式，可通過DOM、SAX等文檔解析技術對它進行操作）以及Java對象形式。
SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換引擎按功能主要分為：
（1）預處理器。由SPEM輸入預處理器和XPDL輸出預處理器組成。SPEM輸入預處理器負責將SPEM模型（XML格式）轉(zhuǎn)換為SPEM DOC；XPDL輸出預處理器負責將XPDL DOC轉(zhuǎn)換為XPDL模型（XML）。
（2）SPEM對象生成器。負責將SPEM DOC轉(zhuǎn)換為SPEM Java對象。
（3）XPDL DOC生成器。負責將XPDL Java對象轉(zhuǎn)換為XPDL DOC。
（4）轉(zhuǎn)換規(guī)則庫。定義SPEM Java對象到XPDL Java對象的轉(zhuǎn)換規(guī)則。
（5）對象轉(zhuǎn)換器。依據(jù)轉(zhuǎn)換庫中定義的轉(zhuǎn)換規(guī)則，負責執(zhí)行對象轉(zhuǎn)換。
3.2系統(tǒng)各部分實現(xiàn)
（1）預處理器
SPEM2XPDL預處理器分為兩個部分，即SPEM模型輸入預處理器和XPDL模型輸出預處理器。
SPEM模型一般是在UML CASE工具中建立的，但具體實現(xiàn)時各工具通常在模型中添加了與工具相關的模型信息。例如與模型顯示相關的坐標信息等。因此各工具產(chǎn)生的SPEM模型文件并不一樣。SPEM模型輸入預處理的目的是將SPEM模型文件中與工具相關的內(nèi)容清除，以得到真正有效的SPEM模型文件。其工作流程如圖4所示。
SPEM XML文件經(jīng)過XML凈化后得到簡潔有效的XML文件。此文件如果通過XML格式驗證，則進行XML解析后得到SPEM DOC；否則，系統(tǒng)提示“SPEM文件格式不正確”出錯信息。XML凈化指通過配置文件來配置UML CASE工具對應的XSL文件，然后對SPEM XML文件進行格式轉(zhuǎn)換；XML格式驗證指檢查文件是否符合SPEM DTD或Schema定義；XML解析指解析XML文件為內(nèi)存中DOC對象，以dom4j編程實現(xiàn)。
類似地，XPDL輸出預處理器工作流程如圖5所示。
XML填充指根據(jù)內(nèi)存DOC對象構(gòu)建XML文件，以dom4j編程實現(xiàn)。
（2）SPEM對象生成器
SPEM對象生成器將SPEM DOC轉(zhuǎn)換為SPEM模型在引擎中的對象表示，即SPEM Java對象。本文對SPEM模型進行了面向?qū)ο蠼＃漕惤Y(jié)構(gòu)如圖6所示。SPEM Java對象就是這些類的運行實例。
接口AssociationEnd表示關聯(lián)關系的關聯(lián)端，其特定子類分別定義特定的關聯(lián)端類型。例如Actor表示過程執(zhí)行者，是對ProcessPerformer、ProcessRole元素的建模；WorkProduct代表活動的工作產(chǎn)品，是對WorkProduct、WorkProductKind元素的建模；AbstractActivity類的具體子類Activity以及Step則分別表示過程活動以及過程步驟，類Activity以及Step則分別表示過程活動以及過程步驟，是對Iteration、Activity元素以及Step元素的建模。抽象類Association表示關聯(lián)關系，其特定子類分別定義特定的關聯(lián)關系。例如PerformAssociation、AssistAssociation描述了Actor與WorkProduct之間的RAR關系；PrecedeAssociation、StepAssociation、InputAssociation以及OutputAssociation關系則分別描述了Activity與Activity、Step與Step、WorkProduct與Activity之間的TR關系；LR關系則通過Package與Activity之間的包含關系，Activity與Activity之間的包含關系，Activity與Step之間的包含關系來表示；最后，由于OTR關系不能轉(zhuǎn)換到XPDL模型中，因此沒有對OTR關系進行建模。類Package用于描述SPEM模型中Package、Discipline、Phase、Lifecycle、Process元素，它包含屬于這些元素的元素列表以及關系列表對象。
在SPEM對象生成器的具體實現(xiàn)中，由SPEMParser類提供從SPEM DOC到SPEM Java對象的解析方法。例如：
List getSteps()//解析出Step對象列表
List getPackages()//解析出Package對象列表
List getStepAssociation()//解析出StepAssociation關系對象列表
（3）XPDL DOC生成器
XPDL DOC生成器將XPDL模型在引擎中的對象表示，即XPDL Java對象轉(zhuǎn)換為XPDL DOC。本文對XPDL模型所作的面向?qū)ο蠼＃漕惤Y(jié)構(gòu)如圖7所示。XPDL Java對象就是這些類的運行實例。
抽象類AbstractActivity用于描述XPDL模型中的Activity元素。其特定子類分別定義特定的活動類型：BlockActivity子類是對BlockActivity元素的建模，它與ActivitySet類相關聯(lián)；SubFlowActivity子類是對實現(xiàn)類型為“Subflow”的Activity元素的建模，它與WorkflowProcess類相關聯(lián)；NormalActivity子類是對普通Activity元素的建模。與XPDL元模型結(jié)構(gòu)一樣，AbstractActivity類與Participant類相關聯(lián)，表示活動與參與者之間的關聯(lián)關系；AbstractActivity類與Transition類相關聯(lián)，表示活動與活動之間的轉(zhuǎn)換關系。另外，ExtendedAttribute類用于描述模型中的擴展屬性，它可以與其他各個類相關聯(lián)，表示相應模型元素的擴展屬性。ActivitySet類用于描述ActivitySet元素，該類包含屬于ActivitySet元素的活動列表以及活動之間的轉(zhuǎn)換關系列表。WorkflowProcess類用于描述WorkflowProcess元素，該類包含工作流中的活動（如果活動類型是BlockActivity，那么WorkflowProcess類中還包含有與該BlockActivity所對應的ActivitySet對象）以及活動的Transition關系列表。Package類用于描述Package元素，該類包含屬于此Package元素所在層次的Participant列表以及WorkflowProcess列表。
在XPDL DOC生成器的具體實現(xiàn)中，XPDLCreator類提供由XPDL Java對象到XPDL DOC的生成方法。例如：
void createPackageParticipants(Element root，List participantList)
//創(chuàng)建Participants元素
void createWorkflowProcesses(Element root，List workflowProcessList，List participantList)//創(chuàng)建WorkflowProcesse元素
void createActivitySets(Element workflowProcess， List activitySetList)//創(chuàng)建ActivitySets元素
void createActivities(Element workflowProcess，List activityList)
//創(chuàng)建Activities元素
（4）轉(zhuǎn)換規(guī)則庫
轉(zhuǎn)換規(guī)則庫由SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換規(guī)則組成。在具體實現(xiàn)中，本文根據(jù)模型轉(zhuǎn)換的目標XPDL對象來構(gòu)建轉(zhuǎn)換規(guī)則類。主要包含如下轉(zhuǎn)換類：
①ParticipantRule
定義Participant類的轉(zhuǎn)換規(guī)則，主要方法如下：
Participant convert(Actor aActor)//轉(zhuǎn)換Actor為 Participant
②ActivityRule
定義Activity類的轉(zhuǎn)換規(guī)則，主要方法如下：
//轉(zhuǎn)換spemActivity為 AbstractActivity子類對象
BlockActivity convert2Block(Activity spemActivity， List performAssociationList， List assistAssociationList)
SubFlowActivity convert2Sub(Activity spemActivity， List performAssociationList， List assistAssociationList)
NormalActivity convert2Normal(Activity spemActivity， List performAssociationList， List assistAssociationList)
③ActivitySetRule
定義ActivitySet類的轉(zhuǎn)換規(guī)則，主要方法如下：
//轉(zhuǎn)換Step為NormalActivity
NormalActivity convert2Normal(Activity father，Step step，List performAssociationList)
//轉(zhuǎn)換spemActivity包含的Step為ActivitySet對象
ActivitySet convert(Activity spemActivity， List performerAssociationList， List stepAssociationList)
④WorkflowProcessRule
定義WorkflowProcess類的轉(zhuǎn)換規(guī)則，主要方法如下：
List convertProcesses(Activity composite， Package spemPackage//遞歸生成WorkflowProcess對象列表)
⑤PackageRule
定義Package類的轉(zhuǎn)換規(guī)則，主要方法如下：
//轉(zhuǎn)換spemPackage為Package對象
Package convert(com.wzg.spemPackage spemPackage)
（5）對象轉(zhuǎn)換器
對象轉(zhuǎn)換器執(zhí)行對象轉(zhuǎn)換。在實現(xiàn)中，Spem2Xpdl類提供了轉(zhuǎn)換方法。主轉(zhuǎn)換算法如下：
主算法
輸入：SPEM Package對象
輸出：XPDL Package對象
①創(chuàng)建XPDL Package對象。
②將SPEM Package的Actor對象轉(zhuǎn)換為XPDL Participant對象。
③調(diào)用WorkflowProcess生成算法，得到XPDL WorkflowProcess對象列表。
④根據(jù)②、③設置①中的XPDL Package對象。
⑤返回XPDL Package對象。
WorkflowProcess生成算法
輸入：SPEM Package對象
輸出：XPDL WorkflowProcess對象列表
①如果SPEM Package對象的活動列表為空，那么返回NULL。
②否則，創(chuàng)建XPDL WorkflowProcess對象列表wpList。
③創(chuàng)建XPDL WorkflowProcess對象，對于SPEM Package中的每個活動spemActivity：
如果spemActivity的Children屬性不為空，取出spemAcitivity的Children列表，遞歸調(diào)用③；將spemActivity所對應的WorkflowProcess對象添加到wpList；轉(zhuǎn)換spemActivity為SubFlowActivity，并將SubFlowActivity對象添加到WorkflowProcess對象的ActivityList屬性中。
如果該spemActivity的stepList屬性不為空，生成該spemActivity所對應的ActivitySet對象，同時將spemActivity轉(zhuǎn)換為BlockActivity對象；將ActivitySet對象添加到WorkflowProcess對象的ActivitySetList中，同時將BlockActivity對象添加到XPDL WorkflowProcess對象的ActivityList屬性中。
否則，將spemActivity轉(zhuǎn)換為NormalActivity。將NormalActivity對象添加到WorkflowProcess對象的ActivityList屬性中。
④轉(zhuǎn)換SPEM關系對象為Transition，并添加到WorkflowProcess對象的TransitionList屬性中。
⑤將XPDL Workflow對象添加到XPDL WorkflowProcess對象列表中。
⑥返回XPDL WorkflowProcess列表。
4實例研究
為了驗證轉(zhuǎn)換引擎的可用性，以中國科學院軟件所互聯(lián)網(wǎng)軟件實驗室開發(fā)的SoftPM[9]評審過程為例，在Enterprise Architecture中建立了評審過程的SPEM模型，如圖8所示。
在模型中，定義了四種過程角色。這些過程角色通過Perform或者Assist關系與過程活動相連；活動之間通過中間產(chǎn)品或者Precedes關系相關聯(lián)。在本模型中，Prereview活動由包含四個子活動的活動圖來表示，而Independent Review活動又由包含三個活動步驟的狀態(tài)圖來表示。
經(jīng)過SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換引擎轉(zhuǎn)換出來的XPDL模型在Shark中的表示如圖9所示。
圖1中，SPEM模型中PreReview活動被轉(zhuǎn)換為XPDL中類型為SubFlowActivity的活動。PreReview活動包含的子活動被轉(zhuǎn)換到XPDL的WorkflowProcess中；Independent Review活動被轉(zhuǎn)換為XPDL中類型為BlockActivity的活動，Independent Review包含的活動步驟被轉(zhuǎn)換為XPDL中與BlockActivity相關聯(lián)的ActivitySet；SPEM模型中活動的各種關系都被正確轉(zhuǎn)換到XPDL模型中。該XPDL模型可以在Shark中進行過程執(zhí)行，此應用充分驗證了SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換引擎的可用性。
5結(jié)束語
本文建立了SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換規(guī)則，設計實現(xiàn)了SPEM2XPDL模型轉(zhuǎn)換引擎，并通過實例驗證了引擎的可用性。該引擎與SoftPM[9]的過程資產(chǎn)工具結(jié)合，將從過程定義、過程執(zhí)行、過程度量方面對企業(yè)實施過程管理提供全方位支持。
本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。
