Усовершенствование диаграмм business process model and notation с помощью подхода «узел – функция – объект»

Введение. Информационные системы и технологии обеспечивают обязательную для современной экономики автоматизацию технологических процессов и производств [1]. Так, в 2024 году аналитический портал IaaSSaaSPaaS сообщил, что BPM-системами (от англ. business process management system) в России пользуются около 12 тыс. организаций, внедрением занимаются сотни ИТ-компаний¹.

Неотъемлемая часть процедуры создания таких решений — формулирование требований к ним. Это важный элемент проектирования [2], который базируется на моделировании и анализе автоматизируемых процессов [3]. Анализ выполняется как с помощью математического инструментария, так и графических нотаций (семейства IDEF, DFD, EPC, BPMN и т. д. [4]). У каждой из перечисленных групп есть особенности [5], которые по-разному оцениваются исследователями и пользователями [6].

Одна из самых популярных нотаций — BPMN (от англ. BPMN specification — business process model and notation)². По данным статистического отчета компании «Логика бизнеса», BPMN широко применяется для описания бизнес-процессов и занимает более половины рынка — 54 % [7]. Именно ее рекомендуют использовать, например, в работе [8]. При этом у BPMN есть существенные недостатки³, и они неоднократно обсуждались в литературе. Ниже перечислены некоторые из них:

• сложная семантика и методы моделирования [8];
• трудночитаемые линейные схемы при использовании нескольких дорожек [9];
• невозможность указать стоимость исполнения действий в денежном эквиваленте [10];
• соединяющие элементы не отображают материальные и информационные потоки [10];
• сложно моделировать большие иерархические системы, к которым относятся крупные организации [11].

Специалисты по моделированию бизнес-процессов признают, что из-за таких недостатков при построении диаграмм в нотации BPMN часто возникают ошибки. Диаграммы бывают непонятными. Это усложняет взаимодействие между разработчиками и может стать причиной нарушения сроков проектирования^4,5. Были даже предложения отказаться от BPMN. Автор одной такой работы⁶ утверждает, что у рассматриваемой нотации нет особых преимуществ. Он сравнивает BPMN с карго-культом, т. е. механическим копированием действий без понимания сути процессов. Отмечается, что систему предложили не практики бизнеса, а специалисты по созданию программного обеспечения.

В BPMN интегрированы средства перевода диаграмм на языки исполнения бизнес-процессов (например, XPDEL) [12], и в литературе есть рекомендации по преобразованию других нотаций в BPMN. Так, в [13] с этой точки зрения рассматривается IDEF0.

Таким образом, недостатки BPMN известны и широко обсуждаются, однако в открытом доступе нет конструктивных предложений по их преодолению. Представленное исследование призвано восполнить этот пробел. Цель данной работы — создать альтернативные, более универсальные нотации, которые позволят снизить влияние перечисленных выше недостатков BPMN при моделировании производственных и технологических процессов. В первую очередь следует решить задачи, связанные со сложностями моделирования и чтения диаграмм.

Материалы и методы. Авторы [14] исследовали графоаналитические нотации как нормативные системы. В этом смысле нотация системно-объектного подхода «узел – функция – объект» (УФО-подход) оказалась более универсальной в сравнении с другими графическим нотациями. В данном случае универсальность обеспечивается представлением любой системы в виде элемента «узел – функция – объект» [10], для которого верны приведенные ниже утверждения.

Узел — структурный элемент надсистемы. Он представляет собой перекресток связей (потоков передаваемых элементов) системы с другими системами в этой надсистеме.

Функция — функциональный элемент. Выполняет определенную роль для поддержания надсистемы путем балансирования данного узла (преобразования входных потоков в выходные).

Объект — субстанциальный элемент. Данная функция реализуется в виде некоторого материального образования, обладающего конструктивными, эксплуатационными и другими характеристиками.

Содержательная классификация связей как потоков элементов предполагает два уровня. В материальных связях выделяют вещественные (S) и энергетические (E). В информационных — связи по данным (D) и по управлению (C).

Анализ существующих графических нотаций показывает, что их алфавит и, соответственно, диаграммы — это перекрестки связей, в которых расположены функциональные элементы, имеющие в некоторых случаях характеристики субстанции. Таким образом, все алфавитные элементы всех графических нотаций представляют собой узлы с функциями и зачастую с объектными характеристиками. Это позволяет рассматривать нотацию УФО-подхода, т. е. УФО-нотацию как универсальную [14].

Ниже перечислены соответствия нотаций BPMN и УФО. Они обнаруживаются при сравнительном анализе и будут базовыми для решения задач преобразований диаграмм и их оценки.

1. Activity (от англ. активность), BPMN соответствует УФО-элемент, у которого определены и узел, и функция, а также присвоено имя «Подпроцесс». На диаграмме декомпозиции такого элемента располагаются УФО-элементы с названием «Задачи». Пулу или дорожке BPMN как контексту подпроцессов соответствует УФО-элемент, у которого определены и узел, и функция, и объект.
2. Gateway (от англ. шлюз) BPMN соответствует УФО-элемент, у которого определены и узел, и одна из логических функций: «И», «ИЛИ», «Исключительное ИЛИ», «Комплекс» и т. п.
3. Sequence Flow (от англ. последовательность потока) BPMN соответствует связи УФО-нотации с именем «Передача управления».
4. Message Flow (от англ. поток сообщений) BPMN соответствует связи УФО-нотации с именем «Сообщение».
5. Event (от англ. событие) BPMN соответствует связи УФО-нотации с именем соответствующего события.

Для визуализации задействовали CASE-инструмент (от англ. computer aided software engineering) UFO-toolkit (от англ. набор инструментов УФО) и программу Stormbpmn в соответствии с правилами BPMN.

Итак, согласно заявленной цели исследования задействуем перечисленные материалы и методы, чтобы оценить потенциал преобразований диаграмм УФО в диаграммы BPMN и обратно. Рассмотрим возможность полноценного замещения диаграмм BPMN УФО-диаграммами. Выясним, во-первых, насколько УФО-подход способен устранить недостатки диаграмм BPMN. Во-вторых, изучим задачу описания УФО-диаграмм на языке XPDL⁷.

Результаты исследования. Для реализации задач и цели работы смоделируем производственную ситуацию: покажем схему взаимодействия подразделений, связанных с выпуском комплектующих.

Преобразование диаграммы УФО в BPMN. Преобразование диаграмм в системно-структурных нотациях (в частности, в DFD и IDEF0) в УФО-диаграммы не требует разработки специальной процедуры. УФО-диаграмма, в которой УФО-элементы — это функциональные узлы (без определения объектов), эквивалентна DFD-диаграмме. УФО-диаграмма, в которой УФО-элементы определены до уровня объектов и отсутствует связь «механизм», эквивалентна IDEF0-диаграмме. Таким образом, для рассматриваемой ситуации вместо разработки рекомендаций по преобразованию различных нотаций в BPMN нужен способ преобразования УФО-диаграмм в BPMN. Данная трансформация обеспечивается выполнением шести операций, которые описаны ниже. Соответствие элементов BPMN и УФО приводится в разделе «Материалы и методы». Знак логической операции «®» (импликация) означает замену объекта, находящегося слева от знака, на объект, находящийся справа от него.

1. Контекстная УФО-диаграмма преобразуется в пул BPMN.

1.1. Контекстный УФО-элемент как процесс или объект ® открытый пул BPMN-диаграммы.

1.2. Внешние сущности контекстной УФО-диаграммы ® закрытые пулы BPMN-диаграммы.

1.3. Функциональные (внешние) связи контекстного УФО-элемента как процесса или объекта, не связанные с внешними сущностями (или показывать эти сущности не целесообразно), ® начальные или конечные события в открытом пуле BPMN.

2. Процессы на декомпозиции контекстного объекта УФО-диаграммы преобразуются в подпроцессы BPMN или в дорожки пула.

2.1. Процессы на декомпозиции контекстного УФО-элемента как процесса или объекта ® подпроцессы BPMN, если у открытого пула одна дорожка.

2.2. Процессы на декомпозиции контекстного УФО-элемента как процесса или объекта ® дорожки открытого пула BPMN, если у открытого пула несколько дорожек.

3. Связи УФО-диаграммы преобразуются в связи на диаграмме BPMN.

3.1. Информационные связи (потоки) по данным УФО-диаграммы ® потоки сообщений или объекты данных BPMN.

3.2. Информационные связи (потоки) по управлению УФО-диаграммы ® потоки операций BPMN.

3.3. Материальные связи (потоки) УФО-диаграммы ® потоки операций BPMN с соответствующими наименованиями.

4. Множественные входные и выходные связи УФО-элементов как процессов присоединяются к подпроцессам BPMN через шлюзы.

4.1. Если у УФО-элемента несколько входных стрелок, то они подсоединяются через шлюз, логическая функция которого определяется значением входных связей.

4.2. Если у УФО-элемента несколько выходных стрелок, то они выходят через шлюз, логическая функция которого определяется значением выходных связей.

5. Если УФО-элементы, соответствующие подпроцессам, декомпозированы, то процессы в этих декомпозициях ® задачи BPMN.

6. На связях устанавливаются соответствующие наименованиям связей маркеры, если в этом есть смысл.

На рис. 1–3 показан пример преобразования УФО-диаграммы в диаграмму BPMN с использованием представленной выше процедуры. УФО-диаграммы (рис. 1 и 2) выполнены с помощью CASE-инструмента UFO-toolkit, диаграмма BPMN (рис. 3) — c помощью программы Stormbpmn в соответствии с правилами BPMN.

По рис. 3 хорошо видна проблема наглядности и понятности диаграммы BPMN. Причина — интегрированное в BPMN требование стандарта IDEF3 о наличии только одного входа и одного выхода. Дело в том, что каждый организационно-деловой и производственно-технологический процесс предполагает не только преобразование входного продукта в выходной, но еще и документооборот. Таким образом, любой процесс должен иметь как минимум два входа и два выхода: продуктовый (материальный или информационный) и документальный (информационный). Это не учитывают программисты — авторы BPMN. К тому же рис. 3 позволяет утверждать, что значки маркеров событий, по сути, ничего не добавляют к содержанию диаграммы, ведь все связи подписаны. При этом графическими элементами пользоваться сложнее. Нужно запомнить и их значение, и правила размещения.

Преобразование диаграммы BPMN в УФО. Перечисленные ниже четыре операции позволяют преобразовать диаграмму BPMN в УФО. Соответствие элементов BPMN и УФО представлено в разделе «Материалы и методы». Знак логической операции «®» (импликация) означает замену объекта, находящегося слева от знака, на объект, находящийся справа от него.

1. Пул BPMN со связями преобразуется в контекстную УФО-диаграмму.

1.1. Пул ® контекстный УФО-элемент, определенный до уровня объекта.

1.2. Начальное событие и конечное событие (события) пула ® функциональные связи контекстного УФО-элемента, соответствующие классификации связей УФО-подхода.

1.3. Если кроме пула есть связанные с ним дорожки, то связи пула с дорожками ® функциональные связи контекстного УФО-элемента, соответствующие классификации.

1.4. Внешние для пула дорожки ® УФО-элементы (определенные до уровня объекта) как внешние сущности по отношению к контекстному УФО-элементу.

1.5. Если на внешних дорожках есть элементы BPMN, то эти дорожки ® УФО-элементы с последующей декомпозицией.

2. Дорожки пула BPMN преобразуются в диаграмму декомпозиции контекстного УФО-элемента, соответствующего пулу BPMN.

2.1. Дорожки пула ® элементы декомпозиции контекстного УФО-элемента, соответствующего пулу BPMN.

2.2. Каждая дорожка BPMN ® УФО-элемент, определенный до уровня объекта.

2.3. Начальное событие (события) и конечное событие (события) дорожки, а также связи с другими дорожками (если они есть) ® функциональные связи УФО-элемента, соответствующего дорожке из классификации связей УФО-подхода.

3. Подпроцессы на дорожке BPMN преобразуются в диаграмму декомпозиции УФО-элемента, соответствующего дорожке BPMN.

3.1. Подпроцессы на дорожке BPMN ® элементы декомпозиции УФО-элемента, соответствующего дорожке BPMN.

3.2. Каждый подпроцесс BPMN ® УФО-элемент, определенный до уровня функции.

3.3. Связи подпроцессов ® связи из классификации связей УФО-подхода с учетом триггеров событий BPMN.

3.4. Шлюзы дорожки BPMN ® УФО-элементы с определенными логическими функциями.

3.5. Связи шлюзов ® связи из классификации связей УФО-подхода с учетом триггеров событий BPMN.

4. Задачи подпроцесса BPMN преобразуются в диаграмму декомпозиции УФО-элемента, соответствующего подпроцессу BPMN.

4.1. Задачи подпроцесса BPMN ® элементы декомпозиции УФО-элемента, соответствующего подпроцессу BPMN.

4.2. Каждая задача BPMN ® УФО-элемент, определенный до уровня функции.

4.3. Связи задач ® связи из классификации связей УФО-подхода с учетом триггеров событий BPMN.

4.4. Шлюзы подпроцесса BPMN ® УФО-элементы с определенными логическими функциями.

На рис. 4–9 — пример преобразования диаграммы BPMN в УФО с использованием представленной выше процедуры. Здесь диаграмма BPMN (рис. 4) тоже выполнена с помощью программы Stormbpmn в соответствии с правилами BPMN. Для построения УФО-диаграммы (рис. 5–9) использовали CASE-инструмент UFO-toolkit.

Показана схема производства пластмассовых комплектующих от требования на разработку технологического процесса до выдачи изделий. В данном случае учтены:

• разработка, анализ и донастройка техпроцесса изготовления детали на термопластавтомате;
• параметры настройки термопластавтомата;
• получение пластмассы;
• загрузка автомата;
• нагрев пластмассы до заданной температуры;
• формирование и выдача изделий.

Рис. 9. Декомпозиция УФО-элемента «Отдел разработки», соответствующая декомпозиции дорожки пула «Отдел разработки» диаграммы BPMN

Анализ рис. 4–9 позволяет утверждать, что преобразование диаграммы BPMN в диаграммы в УФО-нотации делает описание процесса более понятным, так как позволяет увидеть его не только в целом (в контексте), но и с любой степенью подробности. В данном случае используется меньше значков, и это более удобный вариант, т.к. он не требует запоминания значения графических элементов и правил их размещения.

Описание УФО-диаграмм на языке XPDL. Во «Введении» отмечалось преимущество BPMN по сравнению с другими нотациями: средства перевода диаграмм BPMN на языки исполнения бизнес-процессов (например, XPDEL⁸) позволяют автоматизировать организационно-деловые и производственно-технологические процессы. Однако эта особенность легко переносится на УФО-нотацию. Основные элементы способа описания УФО-диаграмм на языке XPDL представлены в таблице 1 по аналогии с работой А.В. Клименко и соавторов [15].

Таблица показывает, что при преобразовании диаграмм BPMN в УФО сохраняется возможность их трансляции на язык исполнения процессов.

Обсуждение. Итак, в BPM-системах для построения моделей процессов с целью их автоматизации может использоваться не только нотация BPMN, но и УФО-нотация, обеспечивающая более простую процедуру создания моделей и большую их наглядность.

Об адекватности и прикладной ценности такого подхода позволяют судить составленные авторами:

• диаграмма BPMN;
• контекстная УФО-диаграмма с функциональными связями диаграммы BPMN;
• декомпозиция контекстной УФО-диаграммы, соответствующая дорожкам пула диаграммы BPMN;
• декомпозиция УФО-элемента «Термопластавтомат», соответствующая декомпозиции дорожки пула «Термопластавтомат» диаграммы BPMN;
• декомпозиция УФО-элемента «Мастер», соответствующая декомпозиции дорожки.

Иллюстративный материал доказывает плюсы УФО-нотации. Преобразование из BPMN-диаграммы в УФО выявило два преимущества такого подхода. Первое: описание в УФО-нотации открывает возможность анализа процесса в целом (то есть в контексте) и с любой степенью детализации (декомпозиции). Второе: УФО-нотация задействует меньше специальных значков. Это более удобный вариант, т.к.:

• сокращается время, необходимое для запоминания значения графических элементов и правил их размещения;
• снижается риск неверного использования в схемах графических элементов.

Все это хорошо видно на рис. 4–9. К тому же, чтобы показать поступление и отправку материальных ресурсов во внешнюю сущность в рамках BPMN, приходится использовать пунктирную стрелку, предназначенную для обозначения потока сообщений, а не материального потока. Это создает проблемы как на этапе построения модели аналитиком, так и на этапе ее чтения проектировщиком или менеджером. У диаграмм в УФО-нотации нет этого недостатка.

Далее. По УФО-диаграмме лучше видно, из каких ресурсов получается требуемый результат. Это объясняется тем, что УФО-подход изначально ориентирован на учет как материальных, так и информационных потоков (связей). Отсюда еще одно преимущество. Можно проводить функционально-стоимостной анализ с помощью CASE-средства, обеспечивающего построение УФО-диаграмм. Для диаграмм в нотации BPMN это невозможно, потому что в данном стандарте в принципе отсутствует трактовка связи как потока элементов.

Обсуждая данные таблицы 1, целесообразно отметить перспективы русификации материала. Здесь конструкции языка XPDL, естественно, представлены на английском языке. Однако планируется автоматизация исполнения моделей, созданных авторами статьи. И в новых решениях названия процессов будут на русском языке. Как видим, в данном случае кириллицей написан атрибут «Имя».

Заключение. Исследования нормативных систем нотации системно-объектного подхода «узел – функция – объект» (УФО) и BPMN показывают, что УФО-нотация является более универсальной и позволяет устранить ряд недостатков BPMN-диаграмм путем их воспроизведения с помощью УФО-нотации. Итоги представленной работы будут способствовать развитию теории и практики графоаналитического моделирования процессов.

В результате проведенного исследования созданы процедуры взаимного преобразования диаграмм BPMN и УФО. Кроме того, показано описание элементов нотации УФО-подхода на языке исполнения бизнес-процессов XPDL, что уравнивает прикладные возможности УФО-нотации с BPMN. В перспективе конструкции XPDL русифицируются. Предполагается, что модели, созданные авторами данной статьи, будут исполняться программными методами, и названия процессов будут на русском языке.

В целом, применение полученных результатов позволит упростить процедуру построения графических моделей процессов и их автоматизацию.