Definición y Validación de Procesos Workflow Temporizados Basados en PNwC

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1 Definición y Validación de Procesos Workflow Temporizados Basados en PNwC G. Vilallonga, R. Uzal Universidad Nacional de San Luis - Departamento de Informática Ejército de los Andes San Luis Argentina Tel: + 54 (0) int Fax: + 54 (0) Resumen La Reingeniería de Procesos de Negocios (BPR) es uno de los medios óptimos para la revisión y mejoramiento de los procesos de negocios. Workflow (Wf) es una tecnología que permite la implementación de la BPR. La interface 1 del modelo de referencia de Wf permite la definición de procesos (PD) Wf (WPD), si bien posee elementos para la simulación de estas definiciones, no posee herramientas para la validación. Además de la falta de elementos que permitan el modelado de la variable tiempo. Nuestro trabajo brinda el marco teórico para la validación de la PD de Wf por medio de Redes de Petri con Relojes (PNwC). Nuestro objetivo es la definición de una herramienta, con sólida base teórica, que permita la validación de definiciones de procesos, especialmente aquellos que poseen requerimientos temporales, donde Wf presenta debilidades. Este trabajo presenta la correspondencia entre la PD de Wf y una PNwC. Aquí se especifica que para toda WPD existe una PNwC que contiene igual semántica que la PD. Esta correspondencia es especificada por medio del Lenguaje de Especificación RAISE (RSL). Introducción La Reingeniería de Procesos de Negocios (BPR) se la utiliza como una forma válida de alimentación a la ingeniería de software (SE). Permite el replanteo y rediseño del proceso de negocio para lograr un mejoramiento en las medidas de rendimientos, [1]. Es necesario el replanteo de todas las operaciones y tratar de rediseñarlas de manera que se pueda hacer uso de nuevas tecnologías para el servicio de los clientes [2]. Workflow (Wf) es una de las tecnologías que permite la implementación BPR. Provee la automatización del proceso de negocio, en un todo o en parte. El Modelo de Referencia de Wf surge como la necesidad de definir la interface a los elementos de Wf [3]. La Interface 1: Definición de Procesos (PD) [4] es la encargada de la transferencia de las definiciones de procesos desde las herramientas externas al motor

2 2 G. Vilallonga, R. Uzal de Wf donde éstas son normalizadas. La PD se define como la representación de un BP de forma que soporte manipulación automatizada, tal como el modelado, o la declaración por medio de un Sistema Gestor de Wf (WMS). La PD consiste de una red de actividades y sus relaciones. Wf presenta dos debilidades a la hora de modelar sistemas: la de no poseer elementos que permitan modelar la variable tiempo y no poseer herramientas para la validación de sus modelos [5, 6]. Las PNwC, extensión de las PN, poseen todas las virtudes de estas redes y permiten el modelado de la variable tiempo, por medio de la especificación de relojes, usando invariantes temporales en los lugares y condiciones temporales en las transiciones. Las PNwC poseen un método de análisis de las restricciones temporales en el espacio de estado que se genera a partir de la red definida [7, 8]. Nuestro trabajo se centra en la obtención de la gramática extendida para la especificación de procesos Wf con tiempo para una posterior correspondencia con una PNwC con igual comportamiento. De esta manera se puede validar el proceso definido en la Interface 1 del Modelo de Referencia de Wf. El establecimiento de la correspondencia de una WPD y una PNwC ha sido especificada para cada caso en un lenguaje riguroso como lo es RSL, RAISE Specification Language, dotando a nuestro trabajo de un marco formal. 1 RAISE RAISE provee un método formal completo, junto con herramientas de soporte, para la aplicación de un acercamiento formal a la especificación, diseño e implementación de software [9]. RAISE proviene de su sigla en inglés de Rigurous Approach to Industrial Software Engineering. El objetivo del proyecto RAISE fue desarrollar una notación, técnicas y herramientas que habilitaran al uso industrial de un método formal en la construcción de sistemas de software. El Lenguaje de Especificación RAISE, RSL, provee una notación basada en matemática, la cual es útil para especificar, diseñar y desarrollar formalmente software [10]. RSL permite especificar abstracciones, sistemas con especificaciones secuenciales como así también sistemas concurrentes, sistemas de gran tamaño a ser modularizados, y la separación de subsistemas que serán desarrollados por separado. RSL permite el diseño operacional de bajo nivel que será expresado a un nivel de detalle desde el cual se hace la extracción de código final. Permite la construcción desde la especificación al diseño usándose un único formalismo Especificaciones orientadas a la propiedad En los lenguajes de especificación algebraica las posibles denotaciones de tipos (types) y valores (values) son restringidas por medio de axiomas (axioms). En el estilo usual de especificación algebraica los axiomas individuales pueden afectar las posibles notaciones de los nombres de valores y tipos. La estructura de la denotación del nombre de un tipo (sorts) está implícito derivado de los axiomas. También el uso de axiomas, en contraste con las definiciones de tipos y valores explícitos (incluyendo funciones), puede resultar en una falta de especificación (under-specification).

3 Definición y Validación de Procesos Workflow Temporizados Basados en PNwC 3 Ya que los sorts, eventualmente, tiene que ser implementados, la posible denotación debe ser extraída de los tipos los cuales podrían ser explícitamente definidos. De esta manera las especificaciones orientadas a la propiedad pueden fácilmente ser formalmente encadenadas a los diseños orientados al modelo. En RSL existen dos tipos de módulos, objetos (objects) y esquemas (schemes). Un esquema representa una clase (class), posiblemente parametrizada, de modelos, mientras que un objeto representa un modelo simple perteneciente a una clase especificada o un arreglo de dichos modelos. Las expresiones de clases básicas en RSL corresponden a la presentación de teoría (signatura+axiomas) en lenguajes de especificación algebraica. Extend corresponde al concepto de enriquecimiento de una clase padre. 2 - Redes de Petri con Relojes Una PNwC [11, 7, 8] es una PN con Relojes, una PN extendida, basada en grafos temporizados [12, 13, 14, 15], con un conjunto finito de Relojes cuyos valores son incrementados uniformemente con tiempo. Las restricciones asociadas con el sistema son expresadas por medio de invariantes en los lugares y una condición de habilitación por cada transición. La reinicialización de un reloj puede ser especificada en cada transición. También, el disparo de una transición es una acción instantánea que no consume tiempo. El tiempo corre solo en los lugares, no mas allá de lo establecido en el invariante del lugar. Formalmente la estructura de una PNwC es una n-upla: PNwC = <S, X, Inv, C, A > donde : S, estructura de una PN estándar, X conjunto finito de relojes, variables reales positivas, del sistema, Inv: P Ω, asocia a cada lugar p i P, un predicado restringido Ω Ω X llamado invariante del lugar. C: T Ψ, asocia a cada transición t T, un predicado restringido Ψ Ψ X llamada condición de la transición. A: T w, conjunto de relojes de la transición que son inicializados en cero w X. Predicados Restringidos Ω X Ω X es un conjunto de predicados restringidos definidos sobre un lugar como una combinación booleana de átomos que toman la forma x # c, donde x X, # es una relación binaria sobre el conjunto {<,, >,, =, } y c R +0. Predicados Restringidos Ψ X Ψ X es un conjunto de predicados restringidos, definidos como una combinación booleana de átomos Expr de la forma x # c, donde x X, # es una relación binaria del conjunto {=,,<,, >, }, c R +0. Luego el predicado tendrá la forma:

4 4 Expr k, o k, donde k R es un operador binario que pertenece al conjunto { <, }. Al menos un reloj que participa en Ψ x debe poseer cota superior. Valuación VaL VaL es el conjunto de todos los vectores de dimensión k, donde k es la cardinalidad del conjunto X, y cada elemento del vector pertenece a R +0, y representa el valor del correspondiente reloj en un determinado estado del sistema, VaL = {v / v = (v 1,, v k ) k = X j, 1 j k v j R +0 } Predicado aplicado a una Valuación Φ[v] Φ[v] ((x i # c) está en Φ) se cumple v(i) # c, donde x i X, # es una relación binaria sobre el conjunto {<, >, =,,, }, c R +0. Estado q Un estado de una PNwC es un par q = (µ, v), µ M y v VaL, donde la valuación v de los relojes satisface el invariante de los lugares de la red. Conjunto de todos los estados Z El conjunto de todos los posibles estados de una PNwC es representado por medio de Z Q x VaL, tal que: Z = {(µ, v) µ Q se cumple InvM(µ)[v] } La marca µ es un n-vector µ = (µ 1, µ 2 µ n ), con n = P y µ i 1atcon 1 i n, definida de igual manera que para PN estándar. El conjunto de todas las marcas Q, es el conjunto de todos los vectores de dimensión n, Q Nat n. Invariante de una Marca InvM(µ) en un estado q=(µ, v) El invariante de una marca InvM(µ), que pertenece a un estado q=(µ, v), es la conjunción de los invariantes de los lugares donde el número de elementos es mayor que cero evaluados en el estado q. InvM(µ) Λ EvaPredOmega(Inv(p i ), v) donde p i P µ(p i ) > 0 Red de Petri con Relojes Marcada MPNwC Una PNwC Marcada es definida como MPNwC = < S, X, Inv, C, A, (µ, v) > donde S, X, Inv, C y A forman la estructura básica de la red, y (µ, v) Z, µ M y v VaL. Luego, un estado de una PNwC q = (µ, v), µ M y v VaL cumple InvM(µ)[v]. Transición habilitada en MPNwC E(t, q)

5 Definición y Validación de Procesos Workflow Temporizados Basados en PNwC 5 Sea q = (µ, v) un posible estado de una PNwC, donde µ es la marca y v la valuación de los relojes. En q, la valuación de los relojes satisface los invariantes asociados a cada lugar en la marca. Una transición t T en una MPNwC está habilitada E(t, q) en el estado q = (µ, v), E(t, q) p i I(t) µ(p i ) #(p i, I(p i )) se cumple C(t)[v]. Los cambios de estado están regidos por un sistema que especifica la obtención de un nuevo estado a partir de otro por el disparo de una transición. Junto con el disparo de la transición se efectúa el reseteado del subconjunto de relojes asociados por la función A. A esto se le denomina ejecutar la afectación asociada a la transición. Afectación Una afectación α es una relación entre valuaciones, es decir α VaL VaL; Luego la afectación α implica la existencia de un conjunto { x i := 0 x i X X X }, que contiene los relojes afectados, los relojes restantes del sistema permanecen con sus valores. Así una afectación se expresa α(v, v ), donde v es obtenida a partir de v por la afectación α. Una transición, además de su condición, predicado del tipo Psi, Ψ, tiene asociado un subconjunto de relojes del sistema: A: T w, subconjunto de relojes, w X. Informalmente, los relojes asociados a la transición son puestos en cero, mientras que los restantes, relojes del sistema, permanecen con sus valores. Una afectación α es una función α: VaL T VaL α(v, t) = v x i X [x i A(t) v (i) = 0 x i A(t) v (i) = v(i)] La definición de esta función refleja que el conjunto de relojes asociados a una transición son reseteados, toman valor cero, cuando ésta dispara Ejecución de una MPNwC La ejecución de una PNwC está dada por el disparo de transiciones. Los disparos se producen condicionados por si la transición está habilitada para disparar, esto es, si tiene la cantidad necesaria de elementos en los lugares de entrada y se cumple la condición asociada. Dicho disparo provoca un cambio de estado, una nueva marca y una nueva valuación. A continuación se dan una serie de definiciones que formalmente especifican la idea anterior. Sistema de Cambio de Estados El Sistema de Cambio de Estados está representado por la siguiente expresión: SC = Z,

6 6 donde Z es el conjunto de todos los estados. La relación de cambio Z T Z tiene dos tipos de cambios: temporales e instantáneos. La notación es q time q para los cambios temporales y q t q para los cambios instantáneos, donde q, q Z, t T, y time R +. ƒ Cambio de Estado Temporal time El cambio de estado Temporal representa el tiempo transcurrido por un cambio rotulado time desde el estado (µ, v) al (µ, v+time), (µ, v) Z, time R +0. (µ, v) time (µ, v+time) y, y R +0 0 y time se cumple InvM(µ)[v+y]. ƒ Cambio de estado Instantáneo o Discreto (por una transición) t Un cambio de estado instantáneo está dado por la ejecución de la transición t T, donde el cambio es rotulado t, desde el estado (µ, v) al estado (µ, v ). (µ, v) t (µ, v ) E(t, (µ, v)) α(v, t) = v. 3 Workflow Workflow es una de las tecnología que permite la implementación de Reingeniería de Procesos de Negocios, BPR. Permite la automatización del proceso de negocio, durante el cual documentos, información, o tareas son pasadas de un participante a otro, de acuerdo a un conjunto de reglas de procedimiento [3]. Wf normalmente comprende un cierto número de pasos lógicos, donde cada uno de estos es conocido como una actividad. Una actividad puede involucrar interacción manual con un usuario, o participante de Wf, o la actividad puede ser ejecutada usando como recursos a computadoras. El WMS es un sistema que define, crea y maneja la ejecución de Wf a través del uso de software. El Modelo de Referencia de Wf, WMR, surge como la necesidad de definir la interface a los elementos de Wf [4]. Todos los sistemas Wf son orientados a procesos. Una definición y creación de un proceso, o sea una representación de lo que debería ocurrir, comprende algunos subprocesos los cuales involucran actividades. Por lo tanto, Wf ejecuta las actividades automatizadas, mientras que la definición de procesos describe todas las actividades ya sean automatizables o no Definición de Procesos de Wf El Modelo de Referencia de Wf es el modelo que describe las cinco interfaces que representa la Interoperabilidad del Motor de Wf. La definición de la Interface 1 trabaja en el manejo de la transferencia de PD desde herramientas externas al motor de Wf donde estos son normalizados. La WPD describe el proceso en si mismo. En las definiciones de procesos se establecen relaciones entre las diferentes actividades, información de transiciones y la implementación de éstas.

7 Definición y Validación de Procesos Workflow Temporizados Basados en PNwC Actividad de Proceso de Workflow La Definición de Actividad de Wf se usa para definir cada actividad elemental que conforma el proceso de Wf. Los atributos pueden ser definidos para especificar información de control de una actividad, alternativas de implementación, prioridad, y datos usados específicamente en BPR y situaciones de simulación. En general, las restricciones de transiciones pueden ser declaradas a nivel del límite dentro del proceso circundante mientras las condiciones de flujos especializadas (subflujos, loops, o partes internas de una actividad de ruteo) operan internamente a una actividad. La figura 1 muestra la estructura genérica de una actividad y sus variantes: Incoming Incoming Incoming Incoming (Join Activity Body (Join Null (Join Loop Control loop begin transition Loop Body (Join Sub-Flow call Sub-Process (Split (Split (Split (Split return Outgoing Outgoing Outgoing loop end transition Outgoing Generic Activity ROUTE Activity LOOP Activity SUBFLOW Activity Fig. 1. Tipos de Actividades. En caso de existir múltiples transiciones de entrada o salida para una actividad, las opciones para expresar restricciones de flujo de control y semánticas de evaluación de condiciones son provistas en la definición de las actividades. La Restricción de Transición tiene atributos especiales como descripciones de JOIN y SPLIT. El atributo JOIN describe la semántica de múltiples transiciones de entrada. El atributo SPLIT describe la semántica de múltiples transiciones de salida para una actividad. Tiene dos posibles maneras de expresarse: AND SPLIT y XOR SPLIT Información de Transición Las actividades están relacionadas unas con otras por medio de condiciones de control de flujo (información de transición). La Información de Transición describe las posibles transiciones entre actividades, las cuales se habilitan y deshabilitan durante la ejecución del Wf, y las condiciones en que éstas se realizan.

8 8 4 - Correspondencia entre Wf y PNwC El objetivo de nuestro trabajo es la extensión de Wf para que permita la especificación de expresiones temporales. Esto está motivado en dos aspectos, el primero es no poseer elementos para especificar la variable tiempo en sus expresiones. La segunda en la falta de herramientas para la validación y análisis de sus modelos, sin tener que llegar a la fase de simulación. La correspondencia entre Wf y PNwC se formaliza basándose en los esquemas RSL de cada uno de estos. A modo de ejemplo se muestra el método utilizado para establecer la correspondencia entre una actividad de tipo loop repeat-until y su correspondiente red Loop REPEAT-UNTIL En una actividad implementada como un loop REPEAT-UNTIL la evaluación de la condición asociada se realiza al finalizar el primer ciclo. Si la condición se cumple se abandona el ciclo, de lo contrario se seguirá ciclando hasta que la condición sea verdadera. En el siguiente gráfico se muestra la representación de una actividad loop, tipo REPEAT-UNTIL y su correspondiente PNwC. Cuerpo del Loop Join E. Loop Control t loop begin trans. Loop Body b p ts tn tn p p Split E. loop end trans. t c ps Este lugar es el que permitirá especificar la parte restricciones de transiciones de salida de la actividad En las condiciones de estas dos transiciones se refleja la condición y la negación de la condición para el ciclo. Si la condición es Falsa sigue ciclando. Si es Verdadera sale del ciclo. Fig. 2. Loop REPEAT-UNTIL

9 Definición y Validación de Procesos Workflow Temporizados Basados en PNwC 9 El axioma RSL que especifica la correspondencia, respeta los identificadores contenidos en la figura. La formalización en RSL es la siguiente: WPD: W.WfPD, a: W.Activity a W.ACT_LIST(WPD) RepeatUntil(a) ( NwC : N.NETwC, p, p', p'', ps: N.Place, tn, tn', ts: N.Trans, t, t': W.TRANSITION, b, c: W.Activity CorrespWf_PNwC(WPD, NwC) p N.P(N.Nt(NwC)) Corresp(WPD, a, NwC, p) CorrespTT(WPD, t, NwC, tn) FromLoopTo(t) a = FromLoop(t) b = To(t) Corresp(WPD, b, NwC, p') p dom N.I(N.Nt(NwC))(tn) p' dom N.O(N.Nt(NwC))(tn) CorrespTT(WPD, t', NwC, tn') FromToLoop(t') c W.ACT_LIST(WPD) c = From(t') a = ToLoop(t') Corresp(WPD,c,NwC,p'') EqualCondTrExp(tn',CondLoop(a)) EqualCondTrExp(ts, Neg(CondLoop(a)))... Split(WPD, a, NwC, ps) ), Conclusiones Nuestro trabajo presenta el marco teórico para la validación de la WPD por medio de PNwC. Se da una sólida base teórica que permite la validación de definiciones de procesos, especialmente aquellos que poseen requerimientos temporales, donde Wf presenta debilidades. La extensión realizada a Wf lo habilita para modelar y validar la variable tiempo, evitando la fase de simulación. Cada una de las correspondencias realizadas ha sido formalizada por medio de RSL, asegurando la solidez de los conceptos incorporados. La obtención de una PNwC partir de una WPD permite que a dicho modelo se le aplique un algoritmo que realiza la validación y chequeo de las restricciones temporales, esto es inconsistencia en invariantes de lugares y condiciones de transiciones, detección de bloqueos temporales y estados temporalmente inalcanzables. Por lo tanto se ha habilitado, por medio de la extensión de Wf, la BPR con restricciones temporales, permitiendo de esta manera el análisis cualitativo de la WPD por medio PNwC.

10 10 Bibliografia 1. Hammer, M. and Champy, J. Reengineering the Corporation: A Manifesto for Business Revolution, Harper Collins Publishing, Inc., Hammer, M, "Beyond Reengineering: How the process-centered organization is changing out work and our lives", Harper Collins, Hollingsworth, D. Workflow Management Coalition. The Workflow Reference Model. Document Number TC Issue 1.1. Jan Workflow Management Coalition. Interface 1: Process Definition Interchange. Process Model. Document Number WfMC TC-1016-P Version 1.1. Oct W. Goebel, K. Messner, B. Schwarzer. Experience in introducing Workflow Management in a Large Insurance Group. 34 th Hawaii ICSS M. Oba, S. Onada, N. Komoda. Evaluating the Quantitative Effects of Workflow System Based on Real Cases. 33 th Hawaii ICSS G. Montejano, D. Riesco, G. Vilallonga, A. Dasso, L. Favre An Analysis Algorithm for Timed Petri Nets Software Engineering (SE 98). International Association of Science and Technology for Development. Las Vegas, USA D. Riesco, G. Montejano, G. Vilallonga, A. Dasso, R. Uzal. "Underlying Formalism for a Timed Petri Net Algorithm", IASTED International Conference Software Engineering and Applications, Octubre de 1999, Scottsdale, Arizona, USA. 9. The RAISE Method Group, "The RAISE Development Method", Prentice Hall, The RAISE Language Group, "The RAISE Specification Language", Prentice Hall, Vilallonga, Gabriel D. Definición de Redes de Petri Temporizadas y Desarrollo de Prototipo del Algoritmo de Análisis. Tesis de Licenciatura. UNSL. San Luis, Argentina Yovine, S. Méthodes et outils pour la vérification symbolique de systémes temporises, Phd thesis, Institut National Polytechnique de Grenoble, France, May Henzinger, Nicollin, Sifakis and Yovine. Symbolic model checking for real-time systems, Information and Computation, 111(2): , Olivero. Modélisation et analyse de systémes temporisés et hybrides. Thése, Institut National Polytechnique de Grenoble, France, September Sifakis and Yovine. Compositional Specifications of Timed Systems. STACS 96.

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