董延昊，滕東興

（1.中國(guó)科學(xué)院軟件研究所 人機(jī)交互技術(shù)與智能信息處理實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100190）

0 引 言

工作流技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著社會(huì)生產(chǎn)的規(guī)范化和流程化趨勢(shì)日益明顯，工作流技術(shù)在制造業(yè)、金融、物流、醫(yī)療、通信等各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［1］。對(duì)工作流提供有效的觀察和監(jiān)控手段成為企業(yè)信息化建設(shè)的關(guān)鍵目標(biāo)之一。目前的工作流系統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)業(yè)務(wù)流程的規(guī)范提供了有效支持，在任務(wù)間信息傳遞方面提高了效率［2］，但缺乏面向管理人員的對(duì)大量工作流實(shí)例的宏觀展示方法以及監(jiān)控手段。原因在于，現(xiàn)有工作流管理系統(tǒng)呈現(xiàn)界面元素時(shí)只關(guān)注當(dāng)前角色和當(dāng)前單個(gè)實(shí)例，而在宏觀層面表現(xiàn)力不足，同時(shí)缺乏有效的多流程實(shí)例呈現(xiàn)手段，使管理人員容易陷入顧此失彼的大量流程和任務(wù)之間的切換查看中，降低了工作效率和決策能力。

目前信息可視化領(lǐng)域中，在流程可視化的研究和應(yīng)用方面取得了較大的進(jìn)展［3－4］，尤其是在展示靜態(tài)流程信息方面較為突出［5－7］，但忽略了可視形態(tài)的用戶交互模塊，面向管理人員操縱工作流的交互研究仍然不足，主要表現(xiàn)在對(duì)于交互任務(wù)缺乏深入研究，沒有從用戶目標(biāo)的角度思考交互目標(biāo)和構(gòu)建交互任務(wù)集。必須對(duì)大量工作流實(shí)例的可視形態(tài)添加動(dòng)態(tài)交互功能，才能真正為管理人員的監(jiān)控活動(dòng)提供有力的支持［8］。

本文基于信息可視化技術(shù)，提出一種基于三維管道隱喻可視化方法：對(duì)工作流數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，繼而通過(guò)合適的可視隱喻策略，將工作流數(shù)據(jù)映射到三維可視形態(tài)中，對(duì)工作流數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，增強(qiáng)信息工作者對(duì)數(shù)據(jù)的把握能力，提高對(duì)工作流數(shù)據(jù)檢索、分析的效率，同時(shí)提供自然便捷的交互方式，從而提供一個(gè)對(duì)工作流數(shù)據(jù)分析利用的有力工具。

1 研究現(xiàn)狀

在信息可視化領(lǐng)域中，針對(duì)流程可視化已經(jīng)提出了若干可視形態(tài)和映射方法。目前處理方法主要有樹結(jié)構(gòu)記錄流程、三視圖的方式（數(shù)據(jù)視圖、知識(shí)視圖和過(guò)程視圖）實(shí)現(xiàn)流程追蹤和再現(xiàn)［9］（如圖1所示）。此外，可視化領(lǐng)域提出了一種可視化工作流管理系統(tǒng)的總體框架，討論了框架中各模塊組成和功能，但其可視化功能主要集中于流程定義即工作流設(shè)計(jì)階段，沒有涉及運(yùn)行時(shí)的呈現(xiàn)手段和監(jiān)控方法?？梢暬I(lǐng)域還提出借助過(guò)程流網(wǎng)（process flow network）來(lái)描述工作流過(guò)程，以及相應(yīng)的建模方法，但并未討論工作流模型與可視形態(tài)的映射策略以及可視形態(tài)的具體形式。

本文認(rèn)為，工作流可視化的重點(diǎn)在于對(duì)運(yùn)行階段的大量工作流實(shí)例進(jìn)行呈現(xiàn)，而不僅僅是對(duì)單個(gè)工作流實(shí)例的圖形化定義和展示。本文首先從工作流特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、分類，繼而對(duì)其建模，將模糊的、抽象的工作流數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化；然后提出可視隱喻策略和一套三維工作流符號(hào)集，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)到三維可視形態(tài)中圖元的映射，從而將大量工作流實(shí)例映射到三維空間可視形態(tài)中，在三維形態(tài)基礎(chǔ)上給出交互目標(biāo)和相應(yīng)的交互任務(wù)集；最后面向具體應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)原型系統(tǒng)，對(duì)上述方法和內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 Aruvi界面

2 可視形態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 可視化方法架構(gòu)

整個(gè)方法在層次上分為四層，分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建、可視形態(tài)和用戶交互，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可視化工具系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 工作流數(shù)據(jù)的分類與建模

2.2.1 工作流模板模型

工作流數(shù)據(jù)主要分為兩個(gè)階段：設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)和運(yùn)行階段數(shù)據(jù)，因此這兩種類型數(shù)據(jù)，分別稱之為工作流模板數(shù)據(jù)和工作流實(shí)例數(shù)據(jù)。

工作流模板即對(duì)工作流的過(guò)程定義，是業(yè)務(wù)過(guò)程的一種表示，這種表示以計(jì)算機(jī)可理解的形式來(lái)描述，具有支持自動(dòng)流水執(zhí)行的性質(zhì)。業(yè)務(wù)人員根據(jù)工作內(nèi)容定義業(yè)務(wù)流程，描述任務(wù)序列和邏輯規(guī)則，從而形成了工作流模板。工作流模板是一種靜態(tài)的、一般不改變的知識(shí)，它包含了任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中可能遇到的所有情況和對(duì)應(yīng)的執(zhí)行路徑、處理規(guī)則。工作流模板需要具備以下3個(gè)性質(zhì)：

（1）完整性：工作流模板必須覆蓋流程執(zhí)行過(guò)程中可能遇到的所有情況，不完整的模板定義如語(yǔ)義缺失、邏輯混亂等，會(huì)導(dǎo)致工作流實(shí)例在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法選擇路徑或陷入死鎖［10］。

（2）無(wú)二義性：工作流模板中，活動(dòng)間的變遷條件必須唯一明確，無(wú)語(yǔ)義重疊，否則在工作流實(shí)例運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)不期望的路由路線。

（3）極小性：在同一個(gè)業(yè)務(wù)過(guò)程可能出現(xiàn)的多種完整的描述方法中，工作流模板采用內(nèi)容最少的描述方式。

2.2.2 工作流實(shí)例模型

工作流實(shí)例是指實(shí)際運(yùn)行的一項(xiàng)具體業(yè)務(wù)，是在執(zhí)行期根據(jù)工作流模板生成的一系列活動(dòng)集合體，如某位患者的診療流程，某項(xiàng)外銷合同的執(zhí)行過(guò)程等。工作流實(shí)例具體由若干活動(dòng)實(shí)例組成，但一個(gè)活動(dòng)實(shí)例不能同時(shí)屬于幾個(gè)工作流實(shí)例。對(duì)工作流實(shí)例進(jìn)行建模，這里將其定義為一個(gè)五元組：

WorkflowInstance＝＜Node，Transition，Role，Data，Time＞，以下對(duì)五元組進(jìn)行詳細(xì)介紹：

（1）Node是流程中的步驟即節(jié)點(diǎn)，流程中的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)和性質(zhì)不同分為幾類：

任務(wù)節(jié)點(diǎn)：在該節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完定義好的任務(wù)，然后向下流轉(zhuǎn)；

或分支節(jié)點(diǎn)：流程的執(zhí)行路徑在或分支節(jié)點(diǎn)處發(fā)生分裂，拆分成若干條線并行，流程沿某一條路線前進(jìn)；

或歸并節(jié)點(diǎn)：同或分支節(jié)點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)，在二者之間的多條路徑中，只要有一條被執(zhí)行，就繼續(xù)向后路由，不管其它路徑是否被執(zhí)行；

與分支節(jié)點(diǎn)：流程的執(zhí)行路徑在或分支節(jié)點(diǎn)處發(fā)生分裂，拆分成若干條線并行，后續(xù)的幾個(gè)并行任務(wù)都需要被執(zhí)行；

與歸并節(jié)點(diǎn)：同與分支節(jié)點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)，在二者之間的多條路徑中，等到所有路徑均執(zhí)行完畢，才可以繼續(xù)向后路由，否則處于等待狀態(tài)；

決策節(jié)點(diǎn)：帶有轉(zhuǎn)移條件的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)流程到達(dá)該節(jié)點(diǎn)時(shí)，按照預(yù)先定義的轉(zhuǎn)移條件決定流程走向的遷移（Transition）路徑，與分支節(jié)點(diǎn)不同的是，分支節(jié)點(diǎn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)并行，決策節(jié)點(diǎn)必須只能在多個(gè)Transition中選擇一個(gè)。

（2）Transition即活動(dòng)連接弧，表示節(jié)點(diǎn)之間的路由關(guān)系和進(jìn)行順序。

（3）Role表示工作流中的角色，Action表示在該節(jié)點(diǎn)處執(zhí)行的操作或完成的任務(wù)。

（4）Data表示工作流表單，從數(shù)據(jù)的維度來(lái)觀察工作流，可以視為一組表單數(shù)據(jù)的流動(dòng)過(guò)程。表單從起始節(jié)點(diǎn)的空白狀態(tài)開始，逐步向后流動(dòng)，按照事先定義好的規(guī)則和路徑進(jìn)行傳遞，每經(jīng)過(guò)某一節(jié)點(diǎn)，就把該任務(wù)信息寫入表單中，表單數(shù)據(jù)獲得一個(gè)增量，如此 “滾雪球”式增長(zhǎng)，直至任務(wù)完成，表單最終生長(zhǎng)為一張完整表單，進(jìn)入歷史庫(kù)。

（5）Time表示活動(dòng)的時(shí)間，時(shí)間屬性往往是容易忽視的一項(xiàng)屬性，同時(shí)也是二維形態(tài)難以展示的一項(xiàng)屬性，三維形態(tài)在這一方面做了一個(gè)有價(jià)值的改進(jìn)，利用Z方向高度信息來(lái)表征這一屬性，使二維空間不能展示的信息得以直觀呈現(xiàn)。

2.3 工作流數(shù)據(jù)的三維可視化呈現(xiàn)方法

2.3.1 三維符號(hào)集

符號(hào)是直觀表達(dá)事物和現(xiàn)象的一種可視化工具［11］，按照上文討論，工作流模型涉及到元素和屬性較多，其映射而成的可視形態(tài)中必定圖元的類型和屬性也較多。符號(hào)集是可視形態(tài)的基礎(chǔ)，符號(hào)影響到形態(tài)的質(zhì)量和對(duì)形態(tài)的理解，符號(hào)設(shè)計(jì)應(yīng)該形象直觀，一目了然。

一個(gè)三維虛擬場(chǎng)景一般由大量不同類型的圖元構(gòu)成，每個(gè)圖元分別代表各自不同的含義。為借助三維形態(tài)展示工作流，首先需要按照工作流特點(diǎn)給出一套三維符號(hào)集（表1），使得模型能夠通過(guò)大量不同的可視符號(hào)表達(dá)出來(lái)。

?

2.3.2 可視隱喻

工作流數(shù)據(jù)是對(duì)工作流進(jìn)行分析的核心，然而重要數(shù)據(jù)常常掩埋在大量數(shù)據(jù)中，以其自身固有形式存在，很少能用于直接展現(xiàn)，關(guān)鍵的方法在于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和呈現(xiàn)。因此，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為形態(tài)的策略至關(guān)重要。上文討論了對(duì)數(shù)據(jù)的建模，將繁雜的工作流數(shù)據(jù)抽象成易于處理的形式，這里給出可視隱喻，完成工作流數(shù)據(jù)模型與可視形態(tài)之間的映射。映射策略相應(yīng)分為兩部分，即模板數(shù)據(jù)的映射和實(shí)例數(shù)據(jù)的映射。

三維空間中，平面z＝z0將空間切割為多個(gè)切片，最底層的切片稱為底面，從高度上來(lái)說(shuō)，將工作流模板數(shù)據(jù)置于底面上，作為所有工作流實(shí)例的視覺對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)。將工作流模板的XPDL描述形式進(jìn)行解析，對(duì)照模板符號(hào)，按照一定布局算法將其布置在XOY平面上。接下來(lái)是工作流實(shí)例的映射，根據(jù)其執(zhí)行節(jié)點(diǎn)路徑將活動(dòng)加入到三維空間中，一個(gè)活動(dòng)實(shí)例映射為三維空間中的一個(gè)膠囊符號(hào)，x和y坐標(biāo)取決于該種類活動(dòng)對(duì)應(yīng)的底面模板x與y坐標(biāo)，而z坐標(biāo)取決于活動(dòng)的開始執(zhí)行時(shí)間，在活動(dòng)映射到空間后，按活動(dòng)間關(guān)系生成連接線，于是形成多條管道，呈現(xiàn)工作流實(shí)例的進(jìn)行歷史。每一個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)又是一個(gè)富信息的圖元，包含了任務(wù)目標(biāo)、角色、操作、表單數(shù)據(jù)等關(guān)聯(lián)內(nèi)容。

2.4 工作流可視形態(tài)的交互

2.4.1 交互目標(biāo)

在可視形態(tài)的基礎(chǔ)上，提出用戶的可視交互目標(biāo)，并建立可視交互任務(wù)集。用戶的交互目標(biāo)包括以下3個(gè)方面：

（1）工作進(jìn)度趨勢(shì)查看：管理人員需要具有查看全體工作流實(shí)例進(jìn)展情況的整體概覽視圖，從全局角度掌握當(dāng)前諸多下級(jí)人員個(gè)人工作進(jìn)展情況，進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，使其對(duì)流程是否合理、是否需要優(yōu)化等決策提供直觀感受。

（2）流程活動(dòng)歷史跟蹤：工作流從控制的角度來(lái)看是一組活動(dòng)的有序組合，當(dāng)管理人員關(guān)注某一具體工作流實(shí)例時(shí)，需要清晰的查看到執(zhí)行過(guò)程、路由路徑、已完成活動(dòng)詳情、異常狀態(tài)等信息。管理人員需要對(duì)各實(shí)例進(jìn)行檢索、過(guò)濾、標(biāo)記、回溯等操作。

（3）表單監(jiān)控：工作流從信息的角度看是一個(gè)各角色之間通信的過(guò)程，工作流可以視為一組表單數(shù)組在若干有序活動(dòng)之間流動(dòng)。管理人員需要能夠在可視形態(tài)中很自然便捷的查看所有已完成活動(dòng)的表單數(shù)據(jù)、參與者角色和行為。

2.4.2 交互任務(wù)集

為達(dá)到上述交互目標(biāo)，建立滿足要求的可視交互任務(wù)集，將交互任務(wù)分為視圖操作、圖元操作、內(nèi)容操作和過(guò)程操作四大類。

視圖操作的目的是根據(jù)用戶需求進(jìn)行信息呈現(xiàn)和視圖變換，使用戶能夠通過(guò)一系列操作將視圖調(diào)整到合適的視角；圖元操作包括對(duì)圖元的選擇、標(biāo)記等交互任務(wù)。內(nèi)容操作為用戶提供信息標(biāo)記、批注和搜索等功能，滿足用戶在分析過(guò)程中對(duì)視圖添加附加信息的需求，或當(dāng)前呈現(xiàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)加工；過(guò)程操作指用戶為回顧中間結(jié)論、綜合分析而將可視形態(tài)返回到先前某個(gè)視圖狀態(tài)的操作。通過(guò)以上任務(wù)的組合，提供給用戶對(duì)工作流數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析的有效手段。

交互任務(wù)集見表2。

表2 交互任務(wù)集

3 關(guān)鍵技術(shù)

三維空間中圖元布局算法

為在三維空間中展示可視圖元和工作流符號(hào)，需要解決布局設(shè)置問(wèn)題，即給定有限的布局工具和待布局物體，將待布局物體合理的置于三維空間中，滿足必要的約束，并達(dá)到某種最優(yōu)指標(biāo)，從而在視覺上排布均勻，高效利用有限空間。

對(duì)給定的圖元集合A＝｛a1，a2，…an｝，該序列按圖元的度降序排列，圖元之間的連接關(guān)系為矩陣L

以下給出增量式圖元三維空間布局方法，即在前k－1個(gè)圖元已經(jīng)布置好的基礎(chǔ)上，考慮第k個(gè)圖元的布局。布局算法考察總弧長(zhǎng)和均勻度兩個(gè)方法，給出評(píng)價(jià)函數(shù)：e（a1，a2，…ak）＝g（a1，a2，…ak）＋λh（a1，a2，…ak），其 中，g（a1，a2，...ak）＝·

式（1）反應(yīng)了布局均勻度，rx，ry，rz分別表示空間3個(gè)方向最大坐標(biāo)與最小坐標(biāo)之差，h越小，表示圖元占據(jù)的空間越接近正方體，當(dāng)變焦放縮到合適比例時(shí)，能夠更大限度的充分利用各個(gè)方向顯示空間。算法首先根據(jù)當(dāng)前已有的k－1個(gè)圖元的圖重心位置，為第k個(gè)圖元給出一組候選位置坐標(biāo)，然后對(duì)每個(gè)候選坐標(biāo)計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)，函數(shù)值最小的坐標(biāo)作為該圖元的坐標(biāo)。

4 系統(tǒng)實(shí)例

診療流程是具有典型工作流特征的活動(dòng)集合，在醫(yī)療工作流中，各醫(yī)務(wù)人員要跟蹤并掌握大量患者的治療經(jīng)過(guò)、醫(yī)學(xué)檢查結(jié)果、用藥方案、健康狀態(tài)等信息以及這些信息的實(shí)時(shí)變化情況，這給醫(yī)務(wù)人員帶來(lái)了繁重的認(rèn)知負(fù)擔(dān)和工作壓力。在上文基礎(chǔ)上，開發(fā)了面向醫(yī)療工作流數(shù)據(jù)的可視形態(tài)，并在其基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)醫(yī)療工作流查看分析系統(tǒng)，為管理人員提供易于認(rèn)知的工作流信息表現(xiàn)形態(tài)以及友好的操作界面，對(duì)當(dāng)前活躍的工作流進(jìn)行直觀展示，輔助管理者自然、高效地完成分析決策任務(wù)。

工作流可視形態(tài)示意如圖3所示。

圖3 工作流可視形態(tài)

醫(yī)療工作流可視化工具如圖4所示。

圖4 醫(yī)療工作流可視化工具

系統(tǒng)構(gòu)建了心臟動(dòng)脈導(dǎo)管未閉診療工作流，多名患者數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在不同高度的三維管道上，可視形態(tài)中，不同的患者使用不同顏色的管道表示，z坐標(biāo)較低的是發(fā)生時(shí)間較早的活動(dòng)；同一名患者的診療活動(dòng)從左向右進(jìn)行，管道最右側(cè)的活動(dòng)是患者當(dāng)前處于的活動(dòng)（包括康復(fù)出院）。在該系統(tǒng)中，可以一目了然看到當(dāng)前本醫(yī)院所有該疾病患者的診療經(jīng)過(guò)概況，既可以橫向的觀察某位患者治療歷史，也可以縱向觀察某一活動(dòng)的執(zhí)行次數(shù)與時(shí)間，如最近ASD手術(shù)進(jìn)行了幾例等。

聚集形態(tài)反應(yīng)出的宏觀視圖可以提煉出運(yùn)行趨勢(shì)的信息。形態(tài)中，體積較大的節(jié)點(diǎn)表示該活動(dòng)出現(xiàn)頻率較高，較粗的管道反映出該路徑的執(zhí)行頻率較高，出現(xiàn)頻率較高的路線說(shuō)明該種治療方案具備典型意義。通過(guò)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，ST段有持續(xù)性抬高，并符合溶栓指征的情況下，大多采用靜脈溶栓而不是內(nèi)科保守治療。管理人員可以從中提煉出該疾病的一般診療過(guò)程，從而為制定臨床路徑提供依據(jù)。

總的來(lái)看，所構(gòu)建的系統(tǒng)能夠以合理的方式對(duì)流程實(shí)例進(jìn)行顯示，直觀的呈現(xiàn)總體視圖，減輕分析決策過(guò)程中醫(yī)務(wù)人員的認(rèn)知和記憶負(fù)擔(dān)，為臨床路徑的制定提供決策支持，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)工作流數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)問(wèn)題，提出基于三維管道隱喻的可視化方法，根據(jù)流程型數(shù)據(jù)特點(diǎn)提出一個(gè)有針對(duì)性的可視形態(tài)，將數(shù)據(jù)映射到三維空間中，以信息密度高的三維形態(tài)呈現(xiàn)多工作流實(shí)例視圖，為分析利用大量工作流數(shù)據(jù)提供支持，在工作流數(shù)據(jù)展示、工作流監(jiān)控和性能分析方面具有參考價(jià)值。目前流程可視化的研究仍處于探索階段，可視化形態(tài)的交互和分析等問(wèn)題，都需要進(jìn)一步研究解決。

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