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(yè)務過程動態(tài)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(yè)務過程的動態(tài)變更進行形式化描述是提高制造企業(yè)業(yè)務過程管理水平的前提與基礎(chǔ)?；诙嗌虾投嗌珗D理論，提出制造業(yè)務過程動態(tài)變更的形式化描述方法。結(jié)合順序、并行、選擇和迭代等四種基本模型結(jié)構(gòu)，將制造業(yè)務過程的動態(tài)變更歸納為節(jié)點（分支）增加/刪除變更、節(jié)點結(jié)構(gòu)變更和復合變更等三類。構(gòu)建了具體的制造業(yè)務過程動態(tài)變更模型，并對其進行了形式化描述。最后以制造企業(yè)訂單處理業(yè)務的動態(tài)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(yè)務過程；動態(tài)變更；形式化描述

0　引言

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

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

文獻[7]提出了基于統(tǒng)一建模語言和多色集合的工作流集成建模方法，實現(xiàn)了業(yè)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(tài)變更進行了形式化描述。本文在此基礎(chǔ)上，提出基于多色圖的制造業(yè)務過程動態(tài)變更的形式化描述方法，旨在提高制造業(yè)務過程管理的柔性和應變能力。

1　基于多色圖的制造業(yè)務過程模型

1.1多色集合與多色圖

傳統(tǒng)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(zhì)或?qū)傩訹9]。多色圖包括節(jié)點和邊兩類要素，它們均構(gòu)成多色集合。經(jīng)典多色圖的數(shù)學表達式為：

1）由節(jié)點構(gòu)成的多色集合PSA

由節(jié)點構(gòu)成的多色集合PSA可描述為：

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

2）由邊構(gòu)成的多色集合PSC

由邊構(gòu)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(tǒng)一著色F(G)

如果多色圖的節(jié)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(jié)點和邊均是無色的，那么F(G) = Ф。如果多色圖的節(jié)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(jié)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(xiàn)實復雜系統(tǒng)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(yè)務過程的多色圖模型

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

圖1　多色圖與制造業(yè)務過程的對應關(guān)系

在式(4)中，A表示制造業(yè)務過程的任務集合，即：

F(A)表示制造業(yè)務過程的任務所處的運行狀態(tài)集合，如初始化、執(zhí)行、掛起、補償、放棄或結(jié)束等，可表示為：

[A×F(A)]表示制造業(yè)務過程任務的運行狀態(tài)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(tài)為元素值由si,j=1變?yōu)閟i,q=1，表明任務ai的運行狀態(tài)發(fā)生了變化，由變?yōu)?/p>

C表示制造業(yè)務過程的連接器集合，即：

在實際運算操作中，制造業(yè)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(yè)務過程的連接器集合C。

F(C)表示制造業(yè)務過程的連接器的關(guān)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(yè)務過程連接器及其關(guān)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(guān)系類型為

根據(jù)式(5)～式(11)，基于多色圖構(gòu)建的制造業(yè)務過程模型可進一步描述為：

除了運行狀態(tài)以外，制造業(yè)務過程的任務還有數(shù)據(jù)、時間、資源、角色等屬性，本文重點研究因結(jié)構(gòu)變化而引起的制造業(yè)務過程動態(tài)變更，因此制造業(yè)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(yè)務過程的任務集合A與其自身的笛卡爾積。

2　制造業(yè)務過程基本模型結(jié)構(gòu)

“連接弧”、“與分”、“與合”、“或分”和“或合”等制造業(yè)務過程連接器的關(guān)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(tǒng)一顏色表示，形成制造業(yè)務過程連接器的關(guān)系類型集合F(C)，即：

表1　制造業(yè)務過程連接器的關(guān)系類型

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

表2　制造業(yè)務過程的四種基本模型結(jié)構(gòu)

3　制造業(yè)務過程的動態(tài)變更及其形式化描述

結(jié)合順序、并行、選擇和迭代等四種基本模型結(jié)構(gòu)，制造業(yè)務過程的動態(tài)變更主要包括三類：節(jié)點（分支）增加/刪除變更、節(jié)點結(jié)構(gòu)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(jié)點（分支）增加/刪除變更

對應于制造業(yè)務過程的四種基本模型結(jié)構(gòu)，節(jié)點（分支）增加/刪除變更有四種形式：增加/刪除順序節(jié)點、增加/刪除并行節(jié)點（分支）、增加/刪除選擇節(jié)點（分支）和增加/刪除迭代節(jié)點（分支）。下面以增加/刪除并行節(jié)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(jié)點構(gòu)成的并行結(jié)構(gòu)和五個節(jié)點構(gòu)成的并行結(jié)構(gòu)。由圖2(a)到圖2(b)的動態(tài)變更，表示在并行結(jié)構(gòu)中增加分支節(jié)點ai；反之，表示在并行結(jié)構(gòu)中刪除分支節(jié)點ai。

圖2　并行分支的增加與刪除

3.2節(jié)點結(jié)構(gòu)變更

如圖3所示，節(jié)點結(jié)構(gòu)變更表示節(jié)點結(jié)構(gòu)由一種基本模型結(jié)構(gòu)動態(tài)改變?yōu)榱硗庖环N基本模型結(jié)構(gòu)，而節(jié)點本身沒有變化。對應于制造業(yè)務過程的四種基本模型結(jié)構(gòu)，節(jié)點結(jié)構(gòu)變更有十二種形式。下面以并行結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)之間的動態(tài)變更為例進行說明。

圖3　節(jié)點結(jié)構(gòu)變更

圖4(a)和圖4(b)所示分別為并行結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)，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(fā)生了節(jié)點結(jié)構(gòu)變更，任務節(jié)點a2和a3由并行執(zhí)行變?yōu)檫x擇執(zhí)行；反之，表示任務節(jié)點a2和a3由選擇執(zhí)行變?yōu)椴⑿袌?zhí)行。

圖4　并行結(jié)構(gòu)與選擇結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)變更

3.3復合變更

節(jié)點（分支）增加/刪除變更和節(jié)點結(jié)構(gòu)變更可以復合為更加復雜的制造業(yè)務過程動態(tài)變更。

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

圖5　任務節(jié)點取代變更

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

圖6　取代變更與結(jié)構(gòu)變更形成的復合變更

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

圖7　任務節(jié)點交換變更

4　應用實例分析

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

圖8　變更前的訂單處理業(yè)務過程

表3　任務節(jié)點的含義

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

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

圖10所示為動態(tài)變更發(fā)生后，制造企業(yè)訂單處理業(yè)務過程對應的矩陣模型。

5　結(jié)束語

對制造業(yè)務過程的動態(tài)變更進行形式化描述是實現(xiàn)業(yè)務過程管理以及業(yè)務過程自動化的核心技術(shù)。本文基于多色集合和多色圖理論，提出制造業(yè)務過程動態(tài)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將制造業(yè)務過程的動態(tài)變更歸納為節(jié)點（分支）增加/刪除變更、節(jié)點結(jié)構(gòu)變更和復合變更等三類。分別構(gòu)建了這三類制造業(yè)務過程的動態(tài)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(yè)務過程動態(tài)變更建模方法，在問題的形式化描述方面優(yōu)勢明顯，對于實現(xiàn)制造業(yè)務過程的自動執(zhí)行以及提高制造業(yè)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(yè)務過程

圖10　變更后訂單處理業(yè)務過程的矩陣模型

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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(chuàng)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(yè)務過程管理等。