李孝忠,張德龍
(天津科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,天津 300222)
在當(dāng)前,隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,人們普遍認(rèn)為下一代信息系統(tǒng)是以BPM(business process management)為核心,BPM已經(jīng)成為今后企業(yè)面臨的重點(diǎn)課題之一[1].隨著商業(yè)市場的多變性,企業(yè)對流程可變性的要求越來越高,BPM作為管理流程的系統(tǒng),其可變性功能的實(shí)現(xiàn)對企業(yè)成功實(shí)施流程的影響也逐漸增加.但是,當(dāng)前對于BPM的研究主要集中在系統(tǒng)框架[2]、流程實(shí)施管理[3]、資源管理[4]以及信息集成技術(shù)[5]等方面,文獻(xiàn)[2]和[6]雖從一定角度描述了BPM中流程的可變性問題,但主要以處理流程異常為主要討論對象,并沒有考慮到外界環(huán)境變化對正常運(yùn)行流程的影響.建立一個(gè)可以反映BPM系統(tǒng)運(yùn)行特性的過程模型對于BPM系統(tǒng)在企業(yè)應(yīng)用與理論研究上有著重要的意義.但是,當(dāng)前關(guān)于BPM系統(tǒng)的模型研究一般只以描繪BPM系統(tǒng)框架為主,無法直觀地表現(xiàn)出BPM系統(tǒng)的運(yùn)行過程.Petri網(wǎng)具有描述異步并發(fā)系統(tǒng)的能力,但是普通Petri網(wǎng)描述BPM這種大型系統(tǒng)時(shí)存在著狀態(tài)空間“爆炸”等問題.面向?qū)ο驪etri網(wǎng)具有模塊化、消息傳遞等特征,適于大型系統(tǒng)建模.
文中提出一種支持流程運(yùn)行時(shí)可變的BPM系統(tǒng)架構(gòu),并采用建模的方式描述此架構(gòu)的運(yùn)行過程;運(yùn)用面向?qū)ο驪etri網(wǎng)對BPM系統(tǒng)建模,并引入仿真技術(shù),直觀地表現(xiàn)出所建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及動(dòng)態(tài)特征.
20世紀(jì)90年代Michael Hammer和James Champy提出了企業(yè)業(yè)務(wù)流程再造(business process reengineering,BPR)的概念.歷經(jīng)十幾年的研究和實(shí)踐,人們提出了將階段性重組和持續(xù)改進(jìn)相結(jié)合,根據(jù)業(yè)務(wù)環(huán)境的變化,推進(jìn)人和系統(tǒng)相互之間的整合集成及協(xié)作機(jī)制,稱為業(yè)務(wù)流程管理(BPM).BPM為企業(yè)提供定義、執(zhí)行和管理流程的能力,其生命周期包括流程建模、執(zhí)行、管理、優(yōu)化4個(gè)部分[7],實(shí)現(xiàn)對流程持續(xù)的改進(jìn).
由于BPM的理念是從工作流技術(shù)發(fā)展而來[8],很多廠家通過對工作流進(jìn)行包裝,從而將其產(chǎn)品定位為BPM.例如文獻(xiàn)[1]中將數(shù)據(jù)集成能力和面向服務(wù)架構(gòu)(service oriented architecture,SOA)服務(wù)組件能力引入工作流中所形成的BPM系統(tǒng),此類系統(tǒng)流程一般比較固化,但目前企業(yè)所處的外部環(huán)境是時(shí)常發(fā)生變化的,固化的流程無法使企業(yè)獲得穩(wěn)定的收益.
因此,隨著BPM理論的發(fā)展,BPM中流程可以隨外界的變化而改變,即BPM系統(tǒng)的可變性越來越受到人們的重視.文獻(xiàn)[9]總結(jié)了企業(yè)實(shí)施BPM的成功要素,指明了企業(yè)實(shí)施的BPM必須要適應(yīng)企業(yè)所處的環(huán)境并進(jìn)行持續(xù)性的更新與優(yōu)化.
文獻(xiàn)[6]中作者所提出的可變業(yè)務(wù)流程PVOSA(process-variety oriented software architecture)框架,實(shí)現(xiàn)了流程快速建模和流程改變時(shí)快速反應(yīng),但對于流程運(yùn)行時(shí)可變性的支持僅在于當(dāng)服務(wù)發(fā)生異常情況時(shí),系統(tǒng)能夠自動(dòng)更改服務(wù)使得流程能夠繼續(xù)運(yùn)行.這類系統(tǒng)主要關(guān)注于流程運(yùn)行的可實(shí)現(xiàn)性以及異常處理能力,使流程所提供的服務(wù)能夠順利運(yùn)行為主要目的,其運(yùn)行周期較短,外界環(huán)境變化對其影響較少.但對于制造型企業(yè),其流程運(yùn)行周期比較長,流程運(yùn)行時(shí),外界環(huán)境的變化會對流程運(yùn)行造成持續(xù)性的影響.對于這類企業(yè)來說,其BPM流程運(yùn)行時(shí)的可變性,應(yīng)同時(shí)體現(xiàn)在2方面,一方面是在流程運(yùn)行期間,由于系統(tǒng)各種因素的影響而導(dǎo)致流程出現(xiàn)異常,無法繼續(xù)運(yùn)行的情況下,BPM系統(tǒng)可以通過修改配置文件等方式使得流程能夠順利運(yùn)行,以達(dá)到預(yù)期目標(biāo);另一方面是當(dāng)流程正常運(yùn)行時(shí),由于外界環(huán)境的變化,按照原定計(jì)劃執(zhí)行流程已經(jīng)無法取得預(yù)期收益,此時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地調(diào)整流程的運(yùn)行步驟或執(zhí)行規(guī)則,使得流程能夠盡快適應(yīng)新的環(huán)境,繼續(xù)有效地運(yùn)行并取得相應(yīng)的收益.
建立一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)流程運(yùn)行時(shí)可變的BPM系統(tǒng),關(guān)鍵是BPM系統(tǒng)規(guī)則庫管理模塊的實(shí)現(xiàn).業(yè)務(wù)人員將制訂好的業(yè)務(wù)規(guī)則存入規(guī)則庫中,流程運(yùn)行時(shí)依據(jù)相應(yīng)的匹配算法,通過規(guī)則引擎不斷讀取業(yè)務(wù)規(guī)則,實(shí)現(xiàn)流程的數(shù)據(jù)處理和路由選擇,一旦流程發(fā)生異?;蛘咄饨绛h(huán)境發(fā)生變化,業(yè)務(wù)人員可以通過修改規(guī)則庫來改變流程的運(yùn)行狀況,從而實(shí)現(xiàn)了流程運(yùn)行時(shí)的可變.因此,要實(shí)現(xiàn)流程的運(yùn)行可變性,一個(gè)功能完善的規(guī)則管理模塊是必不可少的.基于以上分析,文中提出一種可實(shí)現(xiàn)流程運(yùn)行可變的BPM系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示.
在此結(jié)構(gòu)中,規(guī)則庫存儲流程的相關(guān)約束及運(yùn)行規(guī)則.業(yè)務(wù)人員通過流程建模建立起企業(yè)的流程體系.流程引擎通過企業(yè)總線調(diào)用相關(guān)功能驅(qū)動(dòng)流程的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對流程的管理,并根據(jù)流程的運(yùn)行情況加載規(guī)則庫中的規(guī)則,控制流程的運(yùn)行.在流程的運(yùn)行過程中,系統(tǒng)一方面對運(yùn)行中的各種異常進(jìn)行處理,另一方面根據(jù)流程運(yùn)行環(huán)境的變化更改規(guī)則庫中的規(guī)則,調(diào)整流程的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)流程的運(yùn)行可變功能.流程運(yùn)行結(jié)束后,分析流程執(zhí)行的數(shù)據(jù)并對流程進(jìn)行優(yōu)化,再繼續(xù)新一輪的循環(huán).
圖1 流程可變的BPM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Petri網(wǎng)是一種用于描述離散的、分布式系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模工具,適合于信息流系統(tǒng)的建模,也被用于測試系統(tǒng)的建模與分析[10].但是傳統(tǒng)Petri網(wǎng)具有封閉、狀態(tài)空間爆炸等缺點(diǎn).為此,研究者們將面向?qū)ο蠼<夹g(shù)與Petri網(wǎng)相結(jié)合,就形成了面向?qū)ο驪etri網(wǎng)(object oriented Petri net,OOPN),這種方法既增強(qiáng)Petri網(wǎng)模型的模塊化、可重用等特性,又有效地解決狀態(tài)空間爆炸等問題,更適用于對復(fù)雜系統(tǒng)的建模.
定義1 一個(gè)對象可表示為一個(gè)8元組:OPi={Pij,Tij,IMi,OMi,F(xiàn),C,E,M0},OPi為系統(tǒng)的第i個(gè)對象,其中:Pij是對象內(nèi)部位置有限集合,其中i表示該庫所所屬對象,j表示該庫所在對象內(nèi)部的位置;Tij是對象內(nèi)部變遷有限集合,其中i表示該變遷所屬對象,j表示該變遷在對象內(nèi)部的位置;IMi是OPi的輸入信息庫所的有限集合;OMi是OPi的輸出信息庫所的有限集合;F是庫所與變遷之間的有向弧(流關(guān)系)集合;C是由不同顏色組成的有限集合;E是定義在弧集合F上的表達(dá)式函數(shù);M0是定義在P上的初始標(biāo)識.
定義2 消息傳遞關(guān)系可定義為一個(gè)5元組:Rij={OMi,Gij,IMi,Iij,Oij},其中:OMi為對象 OPi的輸出消息庫所的有限集合;Gij是OPi與OPj之間消息傳遞的變遷有限集合,該類變遷稱之為門變遷;IMi為對象OPi的輸入消息庫所的有限集合;Iij是從輸出消息庫所到門遷移Gij的輸出映射;Oij是從門遷移Gij到輸入消息庫所的輸入映射.
定義3 令OOPN={O,R},O為系統(tǒng)中的對象集合,O={OP1,OP2,…,OPn};R 為系統(tǒng)中對象之間消息傳遞關(guān)系集合.
(3)現(xiàn)場文件。重視現(xiàn)場管理工作及文件,應(yīng)根據(jù)通信類建設(shè)項(xiàng)目的檔案規(guī)定,要求監(jiān)理單位牽頭,同施工設(shè)計(jì)等單位一起做好施工過程記錄。
從此定義可以看到,面向?qū)ο驪etri網(wǎng)利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)把Petri網(wǎng)分解為各個(gè)對象子網(wǎng),使系統(tǒng)模型既具有面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn),又繼承了Petri網(wǎng)的基本特性,豐富了其系統(tǒng)表達(dá)能力[11].
文中以美國約翰迪爾公司為背景建立BPM系統(tǒng)模型,約翰迪爾公司主要以資源采集與存儲,產(chǎn)品生產(chǎn)與加工等為其核心的業(yè)務(wù)流程,其整個(gè)流程運(yùn)行周期一般較長,在流程實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生各種系統(tǒng)異常,外界環(huán)境可能會發(fā)生各種變化.為此,文中將上文所建立的BPM系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用于約翰迪爾公司中,來管理企業(yè)的流程運(yùn)行.并應(yīng)用面向?qū)ο驪etri網(wǎng)對此BPM系統(tǒng)進(jìn)行建模,將架構(gòu)中的每個(gè)功能模塊化為一個(gè)對象Petri網(wǎng),各個(gè)模塊通過門變遷進(jìn)行消息傳遞.其頂層對象模型如圖2所示.
整個(gè)模型分為4個(gè)主要功能模塊:①流程設(shè)計(jì)模塊:業(yè)務(wù)人員以圖形方式進(jìn)行流程設(shè)計(jì),編寫流程配置文件.②流程執(zhí)行模塊:對流程實(shí)施實(shí)例化并配置需資源,向規(guī)則管理模塊提交流程運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行交互,實(shí)現(xiàn)流程行為控制.③ 流程管理模塊:監(jiān)控流程運(yùn)行狀況,進(jìn)行異常處理,并根據(jù)外界情況調(diào)整流程運(yùn)行.④規(guī)則庫管理模塊:對業(yè)務(wù)人員制定的規(guī)則庫進(jìn)行管理,接受流程運(yùn)行數(shù)據(jù),激活相應(yīng)的流程規(guī)則,實(shí)現(xiàn)規(guī)則修改更新等操作.
為實(shí)現(xiàn)流程的運(yùn)行可變功能,文中將規(guī)則庫分為靜態(tài)規(guī)則庫和動(dòng)態(tài)規(guī)則庫.在此系統(tǒng)中,靜態(tài)規(guī)則庫包括流程每一步所需的靜態(tài)數(shù)據(jù)處理規(guī)則,如當(dāng)人員輸入相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲流程運(yùn)行時(shí)所需的路由選取規(guī)則,根據(jù)流程運(yùn)行狀態(tài)選擇流程下一步的執(zhí)行步驟.流程將在這2個(gè)規(guī)則庫的基礎(chǔ)之上運(yùn)行,業(yè)務(wù)人員可以通過在流程運(yùn)行時(shí)更改規(guī)則庫來隨時(shí)調(diào)整流程,實(shí)現(xiàn)流程運(yùn)行時(shí)的靈活可變.
圖2 BPM系統(tǒng)的OOPN對象模型
完成頂層對象Petri網(wǎng)模型后,通過詳細(xì)設(shè)計(jì)各個(gè)對象模型以及之間的消息傳遞關(guān)系,形成整個(gè)BPM系統(tǒng)的OOPN模型.一般的OOPN分析方法有不變量分析法等,但這些分析法只適合對復(fù)雜度不高的模型中某個(gè)具體對象模型的分析,并不適合對整個(gè)OOPN模型進(jìn)行分析.
CPN Tools是一款現(xiàn)今最成熟的CPN建模與仿真工具,可以對Petri模型進(jìn)行精確的仿真.因此,文中嘗試使用此軟件對OOPN模型進(jìn)行建模,其中Pij和Tij表示各模塊內(nèi)部的庫所和變遷,消息傳遞庫所用IMij和OMij表示,其中i代表庫所所屬模塊編號,j代表其在模塊內(nèi)的位置,g1至g11為門變遷.所建模型如圖2所示,其對應(yīng)的庫所和變遷與OOPN模型中的對象內(nèi)部庫所,對象間消息傳遞庫所對應(yīng),其中規(guī)則管理,流程管理模塊和模塊消息庫所和變遷如下:
規(guī)則庫管理模塊:P21,動(dòng)態(tài)規(guī)則庫;P22,靜態(tài)規(guī)則庫;P23,動(dòng)態(tài)規(guī)則修改需求;P24,靜態(tài)規(guī)則庫修改需求;P25,動(dòng)態(tài)規(guī)則庫修改完成;P26,動(dòng)態(tài)規(guī)則庫修改完成信息;P27,靜態(tài)規(guī)則庫修改完成信息;T21,整理規(guī)則庫修改信息;T22,動(dòng)態(tài)規(guī)則庫匹配;T23,靜態(tài)規(guī)則庫匹配;T24,規(guī)則庫修改信息到達(dá);T25,靜態(tài)規(guī)則庫修改;T26,動(dòng)態(tài)規(guī)則庫修改;T27,整理動(dòng)態(tài)規(guī)則庫修改信息.
流程管理模塊:P41,流程當(dāng)前信息分析;P42,流程異常處理;P43,流程運(yùn)行變化分析;P44,流程當(dāng)前運(yùn)行等待;P45,流程規(guī)則無需變更;P46,流程規(guī)則修改請求;T41,開始流程當(dāng)前運(yùn)行信息分析;T42,開始流程異常處理;T43,記錄流程異常處理信息;T44,分析流程變化需求;T45,流程運(yùn)行環(huán)境不變;T46,流程運(yùn)行環(huán)境改變;T47,給出流程繼續(xù)運(yùn)行許可;T48,給出流程規(guī)則修改信息.
模塊消息庫所和變遷:IM21,規(guī)則庫修改請求;IM22,動(dòng)態(tài)規(guī)則庫匹配請求;IM23,靜態(tài)規(guī)則庫匹配請求;OM21,規(guī)則庫修改完成信息;OM22,動(dòng)態(tài)規(guī)則庫規(guī)則加載信息;OM23,靜態(tài)規(guī)則庫規(guī)則加載信息;IM41,流程當(dāng)前運(yùn)行信息;IM42,流程規(guī)則修改完成信息;OM41,流程管理信息;OM42,流程規(guī)則修改信息.
OOPN模型中所用到的托肯類型說明如下:n為常量.PH,CS分別為流程顏色集和規(guī)則信息集.變量p和q分別為作用于PH和CS顏色集,ph(1)、ph(2)、ph(3)3個(gè)托肯表示3個(gè)初始流程,cs(1)和cs(2)托肯為靜態(tài)規(guī)則庫和動(dòng)態(tài)規(guī)則庫.Chopsticks(),Chop()函數(shù)分別為流程信息對規(guī)則信息的靜態(tài)匹配和動(dòng)態(tài)匹配,Move()和Move2()函數(shù)分別表示對靜態(tài)規(guī)則庫和動(dòng)態(tài)規(guī)則庫的修改,Qchangep()和Move1()函數(shù)分別表示靜態(tài)規(guī)則庫和動(dòng)態(tài)規(guī)則庫對流程運(yùn)行的規(guī)則加載.完整的模型如圖3所示.
其中,P21和P22為2個(gè)規(guī)則數(shù)據(jù)庫,IM11為系統(tǒng)初始庫所.模型開始運(yùn)行后,流程設(shè)計(jì)模塊通過OM12將流程配置文件傳給流程執(zhí)行模塊的IM31接收并運(yùn)行至P32,之后通過OM31和OM32向規(guī)則管理模塊發(fā)出靜態(tài)和動(dòng)態(tài)規(guī)則加載請求,IM32和IM33接收相應(yīng)規(guī)則信息.此時(shí),流程執(zhí)行模塊通過OM33將流程運(yùn)行信息傳給流程管理模塊IM31,流程管理模塊通過P41分析流程運(yùn)行情況判斷有無異常,對于無異常的情況通過P43來模擬判斷流程運(yùn)行的外界環(huán)境變化,對于發(fā)生變化的情況通過OM42向規(guī)則庫發(fā)出修改請求,以改變規(guī)則來適應(yīng)外界變化.流程管理信息處理完畢后將管理信息通過OM41傳回流程執(zhí)行模塊IM34,之后流程或者通過P35加載已經(jīng)更新過的規(guī)則庫中的規(guī)則繼續(xù)運(yùn)行,或者通過OM34進(jìn)入下次流程運(yùn)行.
圖3 制造企業(yè)的BPM系統(tǒng)OOPN完整模型
采用CPN Tools對此模型進(jìn)行仿真模擬,得出相應(yīng)的報(bào)告.模型有界性分析按照“庫所,上界,下界”給出如下:Pagep421,3,0;…;Pagep211,1,1;Pagep221,1,1;Pagep231,3,0;…;Pagep461,3,0.從仿真結(jié)果可見,該模型中所有的庫所最多為3個(gè),這是由初始的3個(gè)流程所限,所以該模型中所有的庫所都是有界的,符合實(shí)際需求的.
經(jīng)仿真后可知,本模型不存在死標(biāo)識,所有的變遷都是活的,由于BPM系統(tǒng)是一個(gè)需要循環(huán)往復(fù)運(yùn)行的系統(tǒng),所以本模型符合BPM系統(tǒng)要求.
使用CPN Tools的Monitors工具中的Data collection 監(jiān)測 IM21,IM22,IM23,分析數(shù)據(jù)見表 1.
表1 庫所托肯數(shù)據(jù)分析
其中,IM21是表示流程運(yùn)行期間由于外界變化而需要對規(guī)則庫進(jìn)行修改的請求庫所,IM22和IM23是表示流程運(yùn)行時(shí)對2個(gè)規(guī)則庫進(jìn)行訪問加載規(guī)則的請求庫所.從表1可見,在運(yùn)行了5000步后,流程訪問靜態(tài)規(guī)則庫847次,動(dòng)態(tài)規(guī)則庫324次.在流程運(yùn)行中共有165次對規(guī)則庫進(jìn)行修改,這3者的比大約為1∶2∶4.2個(gè)規(guī)則庫的請求次數(shù)比例是由于在此模型仿真中,設(shè)定其流程運(yùn)行的每一步都需要進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)規(guī)則加載,但不一定每一步都需要進(jìn)行路由選擇規(guī)則所導(dǎo)致的.IM21庫所與規(guī)則庫庫所的托肯比例是由于此模型對于外界環(huán)境是否變化,系統(tǒng)是否異常情況的采用的是等概率方法進(jìn)行模擬造成的.圖4是IM23庫所在此運(yùn)行過程中的托肯流動(dòng)監(jiān)控圖.
圖4 庫所IM23托肯流動(dòng)監(jiān)控表
從圖4可見,在初始3個(gè)流程的情況下,對靜態(tài)規(guī)則庫的訪問極少出現(xiàn)多個(gè)流程同時(shí)發(fā)出請求的情況,另兩個(gè)庫所監(jiān)控圖與此類似,說明在此模型中多個(gè)流程同時(shí)訪問規(guī)則庫的發(fā)生幾率很低,規(guī)則庫模塊的訪問量不大,模型穩(wěn)定性較好,系統(tǒng)不易崩潰.
從上述仿真結(jié)果可以看出,企業(yè)在根據(jù)文中所設(shè)計(jì)的BPM模型構(gòu)建自身的BPM系統(tǒng)時(shí),應(yīng)依據(jù)企業(yè)具體流程運(yùn)行情況,加強(qiáng)對規(guī)則庫管理的重視程度,調(diào)整相應(yīng)的資源配置以適應(yīng)該系統(tǒng)模型對流程運(yùn)行可變性的功能要求,使企業(yè)流程能夠適應(yīng)外界環(huán)境的變化,取得良好的收益.面向?qū)ο驪etri網(wǎng)常采用的不變量分析法和關(guān)聯(lián)矩陣分析法不僅運(yùn)算復(fù)雜,且一般只能通過化簡某個(gè)對象Petri模型來進(jìn)行單個(gè)對象的分析,與此相比,文中利用仿真技術(shù)建立OOPN模型可以對整個(gè)系統(tǒng)模型進(jìn)行性質(zhì)分析,不僅節(jié)約了時(shí)間,提升了分析的效率,而且直觀地描述了系統(tǒng)的運(yùn)行行為,使人更容易理解BPM系統(tǒng)的運(yùn)行過程,解決了企業(yè)在實(shí)施BPM時(shí)由于缺乏有效的建模方法從而無法有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的問題.
1)此BPM模型能夠根據(jù)外界環(huán)境變化實(shí)時(shí)調(diào)整流程的運(yùn)行,使得企業(yè)能夠在激烈的市場競爭中隨時(shí)把握環(huán)境變化所產(chǎn)生的機(jī)遇.
2)采用面向?qū)ο驪etri網(wǎng)對BPM系統(tǒng)進(jìn)行建模,擴(kuò)展了OOPN在大型復(fù)雜系統(tǒng)建模上的作用領(lǐng)域,對于BPM這一新興的企業(yè)管理系統(tǒng)來說,OOPN模型比一般的BPM框架模型更能反映出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的特性,更易使人理解其運(yùn)行的整個(gè)過程.
3)對于大型系統(tǒng)的OOPN模型,仿真技術(shù)的引入能夠減少系統(tǒng)分析的時(shí)間以及不必要的計(jì)算,獲得更加直觀的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).
4)擴(kuò)展了面向?qū)ο驪etri的應(yīng)用范圍,為BPM理論的研究和發(fā)展提供了一些新的途徑和思路.
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