制造業務過程動態變更及其形式化描述方法

高新勤，劉 永，楊明順，郭偉超

（西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048）

制造業務過程動態變更及其形式化描述方法

高新勤，劉 永，楊明順，郭偉超

（西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048）

對制造業務過程的動態變更進行形式化描述是提高制造企業業務過程管理水平的前提與基礎?；诙嗌虾投嗌珗D理論，提出制造業務過程動態變更的形式化描述方法。結合順序、并行、選擇和迭代等四種基本模型結構，將制造業務過程的動態變更歸納為節點（分支）增加/刪除變更、節點結構變更和復合變更等三類。構建了具體的制造業務過程動態變更模型，并對其進行了形式化描述。最后以制造企業訂單處理業務的動態變更為例，驗證了所提理論和方法的正確性和可行性。

多色集合；多色圖；制造業務過程；動態變更；形式化描述

0　引言

提高制造業務過程的自動執行能力一直是人們追求的目標。在經濟一體化和競爭全球化的大背景下，現代制造企業面臨著動態多變的內外部環境，這對業務過程管理提出了更高的柔性要求[1]。為了適應內外部環境的變化，并且在激烈的競爭中贏得勝利，制造企業必須具有調整自身業務過程的能力。然而，傳統的業務過程管理系統是按照特定的市場環境和業務過程開發的，當客戶需求或業務過程發生劇烈變化時，原有的業務過程管理系統就無法正常使用了[2]。

導致業務過程變更頻繁發生的因素很多，外部因素有新的技術、新的法規、新的市場需求等的出現，內部因素有業務過程本身的需求（如邏輯性設計錯誤和技術陳舊等）和執行中的異常情況等[3,4]。按照發生的階段不同，業務過程變更可分為發生在業務過程建模階段的靜態變更和發生在業務過程運行階段的動態變更兩種[5]。對制造業務過程的動態變更進行形式化描述是提高制造企業業務過程管理水平的前提與基礎，已經引起了眾多學者的研究興趣[6]。

文獻[7]提出了基于統一建模語言和多色集合的工作流集成建模方法，實現了業務過程定義階段的形式化建模。文獻[8]提出了工作流實例遷移方法，并對常見的動態變更進行了形式化描述。本文在此基礎上，提出基于多色圖的制造業務過程動態變更的形式化描述方法，旨在提高制造業務過程管理的柔性和應變能力。

1　基于多色圖的制造業務過程模型

1.1多色集合與多色圖

傳統集合中的元素僅僅是名字不同。在多色集合中，集合整體和組成集合的元素被涂上一些不同的“顏色”，用來表示研究對象及其組成要素的性質或屬性[9]。多色圖包括節點和邊兩類要素，它們均構成多色集合。經典多色圖的數學表達式為：

1）由節點構成的多色集合PSA

由節點構成的多色集合PSA可描述為：

在式(2)中，A表示節點集合；F(a)表示節點個人著色；F(A)表示節點統一著色；布爾矩陣[A×F(a)]、[A×F(A)]和[A×A(F)]分別表示節點集合與個人著色、統一著色以及統一著色的體之間的關系。

2）由邊構成的多色集合PSC

由邊構成的多色集合PSC可描述為：

在式(3)中，C表示邊的集合；其他組成成分的含義與公式(2)類似。

3）多色圖的統一著色F(G)

如果多色圖的節點是無色的，那么F(G)=F(C)。如果多色圖的邊是無色的，那么F(G)=F(A)。如果多色圖的節點和邊均是無色的，那么F(G) = Ф。如果多色圖的節點和/或邊只能被涂上一種顏色，那么該多色圖稱之為包含節點和/或邊的單色圖。

與普通圖和單色圖相比，多色圖具有更強的建模和仿真能力。在用多色圖為現實復雜系統建模時，式(2)和式(3)中的某些成分可被忽略或展開，也可能有一些成分需要添加進來。

1.2制造業務過程的多色圖模型

圖1所示為多色圖與制造業務過程的對應關系。多色圖的節點表示制造業務過程的任務，多色圖的節點的統一顏色描述制造業務過程中任務的屬性，如運行狀態；多色圖的邊表示制造業務過程的連接器，多色圖的邊的統一顏色描述制造業務過程中連接器的屬性，如關系類型?；诙嗌珗D構建的制造業務過程模型可描述為：

圖1　多色圖與制造業務過程的對應關系

在式(4)中，A表示制造業務過程的任務集合，即：

F(A)表示制造業務過程的任務所處的運行狀態集合，如初始化、執行、掛起、補償、放棄或結束等，可表示為：

[A×F(A)]表示制造業務過程任務的運行狀態及其變化情況，即：

在式(4)中，元素si,j=1表明任務ai當前的運行狀態為元素值由si,j=1變為si,q=1，表明任務ai的運行狀態發生了變化，由變為

C表示制造業務過程的連接器集合，即：

在實際運算操作中，制造業務過程的連接器集合通過布爾矩陣[A×A]獲得，即：

在式(9)中，ci,j=1的所有元素組成制造業務過程的連接器集合C。

F(C)表示制造業務過程的連接器的關系類型集合，如“連接弧”和“與分”等，可表示為：

[C×F(C)]表示制造業務過程連接器及其關系類，即：

在式(11)中，元素ri,k=1表明任務ai與任務aj之間的連接器ci,j的關系類型為

根據式(5)～式(11)，基于多色圖構建的制造業務過程模型可進一步描述為：

除了運行狀態以外，制造業務過程的任務還有數據、時間、資源、角色等屬性，本文重點研究因結構變化而引起的制造業務過程動態變更，因此制造業務過程的多色圖模型還可以簡化為：

在式(11)中，(A×A)表示制造業務過程的任務集合A與其自身的笛卡爾積。

2　制造業務過程基本模型結構

“連接弧”、“與分”、“與合”、“或分”和“或合”等制造業務過程連接器的關系類型的圖形符號如表1所示，它們依次用多色圖的邊的統一顏色表示，形成制造業務過程連接器的關系類型集合F(C)，即：

表1　制造業務過程連接器的關系類型

如表2所示，制造業務過程的任務和連接器可以構成順序結構、并行結構、選擇結構和迭代結構等四種基本模型結構，它們可以相互嵌套，形成結構更加復雜的制造業務過程模型。

表2　制造業務過程的四種基本模型結構

3　制造業務過程的動態變更及其形式化描述

結合順序、并行、選擇和迭代等四種基本模型結構，制造業務過程的動態變更主要包括三類：節點（分支）增加/刪除變更、節點結構變更和復合變更，下面分別對它們進行建模和形式化描述。

3.1節點（分支）增加/刪除變更

對應于制造業務過程的四種基本模型結構，節點（分支）增加/刪除變更有四種形式：增加/刪除順序節點、增加/刪除并行節點（分支）、增加/刪除選擇節點（分支）和增加/刪除迭代節點（分支）。下面以增加/刪除并行節點（分支）為例進行說明。

圖2所示為并行分支的增加與刪除變更。圖2(a)和圖2(b)分別為由四個節點構成的并行結構和五個節點構成的并行結構。由圖2(a)到圖2(b)的動態變更，表示在并行結構中增加分支節點ai；反之，表示在并行結構中刪除分支節點ai。

圖2　并行分支的增加與刪除

3.2節點結構變更

如圖3所示，節點結構變更表示節點結構由一種基本模型結構動態改變為另外一種基本模型結構，而節點本身沒有變化。對應于制造業務過程的四種基本模型結構，節點結構變更有十二種形式。下面以并行結構和選擇結構之間的動態變更為例進行說明。

圖3　節點結構變更

圖4(a)和圖4(b)所示分別為并行結構和選擇結構，圖4(c)和圖4(d)所示為它們對應的矩陣模型。由圖4(a)變換為圖4(b)，表示發生了節點結構變更，任務節點a2和a3由并行執行變為選擇執行；反之，表示任務節點a2和a3由選擇執行變為并行執行。

圖4　并行結構與選擇結構之間的結構變更

3.3復合變更

節點（分支）增加/刪除變更和節點結構變更可以復合為更加復雜的制造業務過程動態變更。

圖5所示為節點取代變更。先從圖5(a)所示的選擇結構中刪除任務節點ai，變更為圖5(b)所示的順序結構，然后在該順序結構中增加任務節點aj，變更為圖5(c)所示的選擇結構，從而實現了任務節點ai被任務節點aj取代的動態變更。

圖5　任務節點取代變更

圖6所示為取代變更與結構變更同時發生形成的復合變更。先從圖6(a)所示的選擇結構中刪除任務節點ai，變更為圖6(b)所示的順序結構，然后在該順序結構中增加任務節點aj，變更為圖6(c)所示的并行結構，從而實現了任務節點ai被任務節點aj取代且結構由選擇變換為并行的動態變更。

圖6　取代變更與結構變更形成的復合變更

圖7所示為任務節點交換變更。先從圖7(a)所示的迭代結構中刪除任務節點ai和aj，變更為圖7(b)所示的順序結構，然后在該順序結構中增加任務節點aj和ai，變更為圖7(c)所示的迭代結構，從而實現了任務節點ai和任務節點aj交換的動態變更。

圖7　任務節點交換變更

4　應用實例分析

圖8所示為某制造企業的訂單處理業務過程，各任務節點的含義如表3所示。當制造企業收到一個新訂單后，首先檢查客戶的信譽狀態，然后根據庫存情況采取庫存直接供貨或組織生產，最后收取貨款并發貨。

圖8　變更前的訂單處理業務過程

表3　任務節點的含義

制造企業因購買先進設備而提高了自身的制造加工能力，其任務節點“預算制造時間（a6）”發生變更，將由新的任務節點“預算制造時間（a19）”取代。同時，組織生產前需要與客戶和制造部門進行多次協商，直到意見一致為止，因此需要增加空活動節點（a20），在邏輯上構成迭代結構。第三，隨著賣方市場向買方市場的發展與轉變，貨到付款將成為制造領域的主流交易方式，制造企業將改進業務流程，將任務節點收款（a13）與發貨（a14）并行執行。

綜上所述，制造企業的訂單處理業務過程同時發生了三項動態變更：節點取代變更、增加迭代分支和節點并行化，如圖9所示（灰色部分）。

圖10所示為動態變更發生后，制造企業訂單處理業務過程對應的矩陣模型。

5　結束語

對制造業務過程的動態變更進行形式化描述是實現業務過程管理以及業務過程自動化的核心技術。本文基于多色集合和多色圖理論，提出制造業務過程動態變更的形式化描述方法。在順序、并行、選擇和迭代等四種基本模型結構的基礎上，將制造業務過程的動態變更歸納為節點（分支）增加/刪除變更、節點結構變更和復合變更等三類。分別構建了這三類制造業務過程的動態變更模型，并對其進行了形式化描述。最后用實例驗證了所提理論和方法的正確性和可行性。本文提出的制造業務過程動態變更建模方法，在問題的形式化描述方面優勢明顯，對于實現制造業務過程的自動執行以及提高制造業務過程管理的柔性和應變能力等都具有重要的意義。

圖9　變更后的訂單處理業務過程

圖10　變更后訂單處理業務過程的矩陣模型

[1] 周建濤,史美林,葉新銘.柔性工作流技術研究的現狀與趨勢[J].計算機集成制造系統,2005,11(11)：1501-1510.

[2] Qiu ZM,Wong YS. Dynamic workflow changes in PDM systems [J].Computers in Industry,2007,58(5)：453-463.

[3] Van der Aalst WMP, Weske M,Wirtz G. Advanced topics in workflow management： issues, requirements,and solutions [J]. Transactions of the SDPS,2003,7(1)： 49-77.

[4] Reichert M,Reichert M, Dadam P. Correctness criteria for dynamic changes in workflow systems： a survey[J].Data & Knowledge Engineering,2004,50(1)：9-34.

[5] Sadiq SW, Orlowska M, Sadiq W.Specification and validation of process constraints for flexible workflows[J].Information Systems, 2005,30(5)：349-378.

[6] Smari WW,Donepudi S, Kim S-Y, et al. Efficient handling of changes in dynamic workflow systems[A].Proceedings of the 2006 International Symposium on Collaborative Technologies and Systems. Piscataway[C].NJ, US：IEEE, 2006：440-449.

[7] 高新勤,李宗斌.基于統一建模語言和多色集合理論的工作流建模方法研究[J].計算機集成制造系統,2006,12(7)：969-975.

[8] 高新勤,李宗斌,杜軒.工作流管理系統動態變更模型與實例遷移方法研究[J].計算機集成制造系統,2008,14(8)：1521-1528.

[9] Xinqin Gao.Lida Xu, Xueping Wang, et al. Workflow process modelling and resource allocation based on polychromatic sets theory[J].Enterprise information systems,2013,7(2)：198-226.

Dynamic changes and formal description method for manufacturing business process

GAO Xin-qin, LIU Yong, YANG Ming-shun, GUO Wei-chao

TH166；TP391

A

1009-0134(2016)07-0112-06

2016-05-25

國家自然科學基金項目（51575443）；陜西省教育廳重點實驗室科學研究計劃項目（16JS075）；西安理工大學青年科技創新團隊建設項目（102-211408）

高新勤（1976 -），男，山西臨縣人，副教授，博士，研究方向為制造信息工程和業務過程管理等。