Petri Net-based Combination and Integration of Agents and Workflows

Abstract

Agents, on the one hand, represent autonomous components, which means they emphasise the structure of a software system. Workflows, on the other hand, represent processes, meaning that they emphasise the behaviour of a software system. These emphases enable certain strengths in both agents and workflows. Agents excel at representing and modelling structural aspects, while workflows excel at representing and modelling behavioural aspects. This thesis researches, develops and provides a combination and integration of agents and workflows. This combination and integration enables the strengths for both structure and behaviour simultaneously and creates novel and beneficial synergies.

The main result of this thesis is a combined and integrated model for the desired integration. The conceptual model is called the Agent-Activity integration approach. This approach is practically implemented in a technical proof-of-concept, called the Processes and Agents for a Full Integration-System (Paffin-System). Both the Agent-Activity integration approach and the Paffin-System are modelled with reference nets, a Petri net formalism following the nets-within-nets principles. Using Petri nets allows for a clear specification of all models and also facilitates the integration by providing a shared foundation for modelling both structure and behaviour. That foundation is complemented by the use of previously-existing, well-established individual Petri net models for agents and workflows.

The core of the Agent-Activity integration approach is the Agent-Activity modelling construct. The modelling construct combines a set of agent actions and workflow operations into an internal, ordered process describing an abstract, complex task. That task is executed by a so-called integrated entity. An integrated entity can act as and be interacted with as agent, workflow, both or a hybrid in between, depending on the set and order of the agent actions and workflow operations within the Agent-Activities it executes. Agent-Activities containing only agent actions implement entities as agents, Agent-Activities containing only workflow operations implement workflows and Agent-Activities containing both agent actions and workflow operations implement hybrids of agents and workflows. Finally, if multiple Agent-Activities are executed concurrently the integrated entity can be both agent and workflow at the same time. The unification of the different concepts into one integrated entity concept allows for various synergies of the integration to be realised and utilised.

A system featuring an integration based on Agent-Activities requires a specific form and construction. That form and construction, including the required management facilities, is captured in a reference architecture. The Paffin-System prototype implements that reference architecture. It is technically based on the Capa agent framework and adapts that framework for the integration mechanisms by adding workflow and hybrid management functionality. Ultimately, the Paffin-System prototype represents a full-fledged development framework for the creation of applications utilising agents, workflows and hybrids of both.

The conceptual and technical results of the thesis are complemented by a number of application prototypes, as well as extensive and detailed discussions. These provide a basis for the evaluation and assessment of the Agent-Activity integration approach and Paffin-System prototype.

Agenten repräsentieren selbstständige, autonome Komponenten, welche die Struktur eines Softwaresystems hervorheben. Workflows repräsentieren Prozesse, welche das Verhalten eines Softwaresystems betonen. Diese beiden Schwerpunkte ermöglichen bestimmte Stärken, sowohl in Agenten als auch in Workflows. Agenten zeichnen sich durch die Möglichkeiten zur Darstellung und Modellierung von Struktur aus, während Workflows sich durch die Möglichkeiten zur Darstellung und Modellierung von Verhalten auszeichnen. In dieser Dissertation wird eine Kombination und Integration von Agenten und Workflows erforscht, entwickelt und bereitgestellt. Dies geschieht, um sowohl die Stärken für die Struktur, als auch die für das Verhalten, gleichzeitig zu nutzen und dadurch entstehende, vorteilhafte Synergien zu ermöglichen.

Das Hauptergebnis dieser Dissertation ist ein kombiniertes und integriertes Modell der angestrebten Integration. Dieses Modell wird auf der konzeptionellen Ebene durch den Agent-Activity Integrationsansatz realisiert. Dieser Ansatz ist praktisch in einem technischen Konzeptnachweis implementiert, dem sogenannten Processes and Agents for a Full Integration-System (Paffin-System). Sowohl die Konzepte, als auch die praktischen Systeme, sind mit Referenznetzen modelliert. Referenznetze sind ein erweiterter Petrinetzformalismus, welcher das Netze-in-Netzen Prinzip verfolgt. Die Petrinetzbasis erlaubt eine klare Spezifikation aller Modelle und unterstützt die Integration durch die Bereitstellung einer gemeinsamen Grundlage für die Modellierung von Struktur und Verhalten. Diese Grundlage wird weiterhin durch die Verwendung von existierenden und bewährten, individuellen Petrinetzmodellen für Agenten und Workflows ergänzt.

Der Kern des Agent-Activity Integrationsansatzes ist das gleichnamige Modellierungskonstrukt. Dieses Modellierungskonstrukt kombiniert eine Menge von Agentenaktionen und Workflowoperationen in einem internen, geordneten Prozess einer abstrakten und komplexen Aufgabe. Diese Aufgabe wird von einer sogenannten integrierten Einheit ausgeführt. Je nachdem was für Aktionen und Operationen in einer Agent-Activity ausgeführt werden, kann die integrierte Einheit als Agent, Workflow, beides oder ein Hybrid agieren und interagieren. Eine Agent-Activity, die nur Agentenaktionen enthält, realisiert eine Einheit als Agent, eine Agent-Activity, die nur Workflowoperationen enthält, realisiert einen Workflow und eine Agent-Activity, die sowohl Agentenaktionen als auch Workflowoperationen enthält, realisiert einen Hybrid zwischen Agent und Workflow. Falls Agent-Activities gleichzeitig oder nebenläufig ausgeführt werden, ist die ausführende integrierte Einheit sowohl Agent, als auch Workflow. Die Vereinheitlichung von den verschiedenen Konzepten in einem Konzept für integrierte Einheiten, ermöglicht viele Synergien der Integration zu realisieren und zu nutzen.

Ein System, welches dem Agent-Activity Integrationsansatz folgt, benötigt einen bestimmten Aufbau. Dieser Aufbau, inklusive der benötigten Managementfunktionalität, ist in einer Referenzarchitektur abgebildet. Das Paffin-System implementiert diese Referenzarchitektur prototypisch. Technisch basiert das Paffin-System auf dem Capa-Agentenframework. Dieses wurde für die Verwendung von Integrationsmechanismen adaptiert und um die benötigte Workflow- und Hybrid-Managementfunktionalität erweitert. Schlussendlich repräsentiert das Paffin-System ein vollständiges Entwicklungsframework für die Erstellung von Anwendungen, welche Agenten, Workflows und Hybride von beiden verwenden können.

Die konzeptionellen und technischen Ergebnisse der Dissertation werden durch weitere Anwendungsprototypen, sowie ausführliche und detaillierte Diskussionen ergänzt. Diese stellen die Basis der Evaluierung und Einschätzung des Agent-Activity Integrationsansatzes und des Paffin-Systems dar.