[论文解读] Model Checking of BPMN Models for Reconfigurable Workflows

Juan Carlos Polanco Aguilar, Koji Hasebe+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2016

Business Process Modeling and Analysis参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于模型检测的可重构业务流程模型与符号（BPMN）工作流的形式化验证方法。该方法将BPMN模型转换为Promela规范，并利用SPIN模型检查器验证正确性，特别是死锁自由性、完备性和安全性，确保重新配置的工作流在运行时不会出现错误而保持期望属性。

ABSTRACT

Nowadays, business enterprises often need to dynamically reconfigure their internal processes in order to improve the efficiency of the business flow. However, modifications of the workflow usually lead to several problems in terms of deadlock freedom, completeness and security. A solid solution to these problems consists in the application of model checking techniques in order to verify if specific properties of the workflow are preserved by the change in configuration. Our goal in this work is to develop a formal verification procedure to deal with these problems. The first step consists in developing a formal definition of a BPMN model of a business workflow. Then, a given BPMN model is translated into a formal model specified in Promela. Finally, by using the SPIN model checker, the correctness of the reconfigured workflow is verified.

研究动机与目标

• 解决在动态重新配置的业务工作流中确保正确性的挑战，以避免死锁、不完整性或安全缺陷等问题。
• 提供一种形式化方法，验证工作流重新配置是否保持关键行为属性。
• 弥合直观的BPMN建模与工业工作流系统中严格的形式化验证之间的差距。
• 实现在部署前对重新配置的工作流进行自动化验证，以防止运行时故障。
• 建立一种系统化程序，将BPMN模型转换为机器可检查的形式化模型以供验证。

提出的方法

• 为BPMN模型定义形式化语义，以精确表示业务工作流。
• 将BPMN构造映射为等价的Promela代码，利用SPIN模型检查器的形式化规范语言。
• 使用SPIN对生成的Promela模型执行自动化模型检查。
• 将关键工作流属性（如死锁自由性、活性和安全约束）编码为线性时序逻辑（LTL）属性。
• 通过检查所有可能的执行路径是否满足指定属性，验证重新配置的工作流。
• 确保在重新配置过程中，转换过程保持原始BPMN模型的行为语义。

实验结果

研究问题

• RQ1 BPMN模型能否被形式化地转换为类似Promela的机器可检查规范语言，同时保持其行为语义？
• RQ2 模型检查过程是否能有效检测出重新配置后关键工作流属性（如死锁自由性和完备性）的违反？
• RQ3 自动化验证在多大程度上可预防可重构业务流程中的运行时错误？
• RQ4 SPIN在多大程度上能有效验证重新配置的BPMN工作流中的安全性和活性属性？
• RQ5 所提出的方法在多大程度上可系统性地应用于现实世界的工作流重新配置场景？

主要发现

• 从BPMN到Promela的转换成功捕获了业务工作流的行为语义，从而支持形式化分析。
• 使用SPIN进行模型检查检测到了在人工审查中未被察觉的重新配置工作流中的潜在死锁和不完整性。
• 该方法确保重新配置的工作流保持活性和安全性属性，从而降低运行时故障的风险。
• 形式化验证过程为工作流重新配置的正确性提供了高度信心。
• 该方法在实际工作流场景中具有适用性，如会议论文案例研究所示。
• 通过SPIN将BPMN与形式化方法集成，可在部署前早期检测出设计缺陷。