Workflow és Petri hálók. Algoritmusok tervezése és elemezése MSc

Átírás

1 Workflow és Petri hálók Algoritmusok tervezése és elemezése MSc Brájer Gábor 2015

2 Workflow Tekintsünk egy megoldandó feladatot. A feladat komplexitását tekintve lehet egyszerű vagy nagyon bonyolult, de fel lehet bontani jól definiálható részfeladatokra. A feladatok végrehajtása valamilyen cél elérése érdekében történik. A workflow (munkafolyamat) adott feladatok ezek rendszerint mintaszerű, ismételten előforduló feladatok logikus szervezése, irányítása. Matematikailag tekintsük a workflow-ot egy G összefüggő, irányított gráfnak, ahol G pontjai lehetnek feladatok, állapotok vagy események (az előbb leírt jól definiált részfeladat); élei pedig ezeket a pontokat kötik össze. Az élekhez rendelhetünk feltételeket. G gráf tartalmazhat köröket. G gráf pontjainak típusai: Belépési pont: Legalább egy ilyennek kell lennie a gráfban. Kiváltója valamilyen külső esemény (trigger). Kilépési pont (végállapot): Befoka legalább egy, kifoka nulla. Ezek a pontok reprezentálják a kitűzött célt. A belépési pont(ok)hoz hasonlóan lehet több, de nem jellemző. Belső pont: A gráf egyéb pontjai. Ki- és befoka legalább egy. A workflow jelöli ki, hogy milyen módon járhatjuk be a gráfot adott feladat elvégzéséhez. Iránymutatást ad arra, hogy adott pontból milyen más pontokba juthatunk el (esetlegesen adott feltételek mellett). A workflow a valódi munkamenet absztrakciója. Egy- vagy több előforrás (például személy) hajtja végre az adott feladatot. Nevezzük flowoknak a gráf olyan részgráfjait, amik legalább egy pontot és legalább egy élt tartalmaznak. Workflow tervezése során 4 fajta útvonaltervezési módszert használhatunk: Szekvenciális végrehajtás: A pontok végrehajtása egymás után történik, az ábrán A után B és végül C. Párhuzamos végrehajtás: Több folyamat paralell végrehajtása egymástól függetlenül. Vizsgáljuk meg külön az

3 elválási- és a találkozási pontokat az ábra szerint: AND split: B és C végrehajtódhat, ha A végrehajtódott. AND join: Szinkronizálja a párhuzamos szálakat. D végrehajtódhat, ha B és C is befejeződött. Elágazás: Elágazás, egy pont kifoka nagyobb, mint egy. Ekkor a kivezető élekhez szabályokat rendelünk, amikkel próbáljuk lefedni a teljes eseményteret. Leggyakoribb példa erre, ha a pontban egy kérdés áll, a kivezető élek szabályai pedig az igen és nem. A mellékelt ábrán A után vagy csak B, vagy csak C hajtódik végre, amiből eljutunk D-be. Az előző módszerhez hasonlóan két részre oszthatjuk: OR-split: A után kiértékeljük, hogy merre kell mennünk; vagy csak B-be, vagy csak C-be. OR-join: D végrehajtása akkor kezdődhet, ha B vagy C végrehajtódott. Iteráció: Ha egy részfeladatot többször végre kell hajtanunk, akkor iterációt használunk. Leggyakoribb esete ennek,ha valamilyen hibába ütköztünk és visszább kell lépni a folyamatban.

4 Workflow előnyei: Könnyen algoritmizálható: Használhatjuk a gráfalgoritmusokat, a 4 útvonaltervezési módszer könnyen kezelhető programozástechnikai szempontból. Például egy termék gyártási folyamatát DAG-á alakítjuk (ha lehetséges). Áttekinthetőség: Grafikusan ábrázolva az ember által is könnyen megérthető. Megtehetjük azt is, hogy a workflow egyes részeit "elfedve" csak bizonyos flowokat teszünk publikussá adott erőforrásoknak. Például egy külső rendszer elég, ha egy részét látja a workflownak. Analizálás és monitorozás: Nyomon követhetjük az egyes flow-ok terhelését, a pontok végrehajtási idejét, elágazás esetén azt, hogy melyik ágba milyen arányban mentünk be, stb. Nagyon hasznos, ezt a workflow rendszerek biztosítják nekünk, ezekről később lesz szó. Automatizálás: A flow-ok tervezése során törekszünk a minél nagyobb fokú automatizálásra, a kézi (emberi) bevatkozás szükségességének minimalizálásával. Optimalizálás: Az analizálás és monitorozás eredményeképp létrejövő adatok alapján a flow-ok javítása. A flow-ok javítása automatikusan történhet, ha ezzel más flow hatékonyságát nem rontjuk. Workflow rendszerek és üzleti folyamatok A workflow egyik legfelkapottabb felhasználási területe az üzleti folyamatok modellezése. A vállalkozások workflow rendszereket (workflow management system, röviden WFMS) használnak a feladataik tervezésére, irányítására, monitorozására és automatizálására. A workflow célja az, hogy adott erőforrásokból (emberi munkaerő, gépi számítási kapacitás, információ,...) valamilyen folyamattal - amit a workflow gráf ír le egy végterméket állítsunk elő. Ez sokféle lehet, például valamilyen szolgáltatás nyújtása, fizikai termék, információ, stb. Az előző részben már volt szó a workflow-ok előnyeiről, ezeket mind élvezheti az a cég, amelyik workflow alapú megközelítést használ. Az üzleti életben számtalan komplex folyamat van jelen, legyen szó gyártási folyamatról, adminisztrációról vagy a cégen belüli információáramlásról. Fel kell térképezni az ilyen ismétlődően előforduló, a működéshez elengedhetetlen folyamatokat, ami már önmagában is egy nagy projekt lehet. Az üzleti folyamatok menedzselésével, optimalizálásával a Business

5 Process Management (BPI) foglalkozik, ennek a része a workflow alapú tervezés és automatizálás. A BPM célja, hogy minimalizálja az emberi hiba lehetőségét és a kommunikációs félreértéseket a résztvevők feladataira koncentrálva. A workflow rendszer egy szoftver, elvárjuk tőle, hogy adaptív legyen, azaz könnyen tudjon alkalmazkodni a folyamatosan változó igényekhez és magas szinten integrálható legyen. Lehetséges a workflow alapú tervezés workflow rendszer nélkül, azonban ez nem jellemző. Minden üzleti folyamatot érdemes workflow folyamatként ábrázolni? Nem. A következőképpen karakterizálhatjuk a workflow folyamatokat: i., eset-vezéreltek (case driven) ii., alapvető fontosságú iii., explicit definiálható. Nem ajánlatos továbbá workflow-t használni ideiglenes, rövidtávú feladatokra vagy extrém teljesitménycentrikus folyamatoknál. Tekintsük át a workflow rendszerek működését egy vállalaton belül. Adott a workflow rendszer magja (workflow engine), ami egy szolgáltatásba (service) van beágyazva. Érdemes megjegyezni, hogy egy szolgáltatásba több workflow motor is beágyazható, így több részre oszható a workflow menedzselése. Ehhez kapcsolódnak interfészen keresztül a különböző komponensek. Ezek lehetnek folyamatleíró eszközök, adminisztratív és monitorozó eszközök, más workflow rendszerek, meghívott külső alkalmazások vagy workflow kliens alkalamzások. A legtöbb workflow rendszer a következő folyamatleíró eszközöket támogatja: 1. workflow-ok grafikus felületen történő definiálása 2. erőforrás osztályok megadása (szervezeti modell) 3. szimulációs eszköz a workflow analizálásához A végfelhasználó a workflow kliens alkalmazás segítségével kommunikál a workflow rendszerrel. Az adminisztratív és monitorozó eszközök segítségével figyelhetjük a workflow-t, ezekkel rögzíthetjük a változásokat, az esetek előrehaladását és kiszűrhetjük a szűk keresztmetszeteket (bottleneck). Lehetőség van külső workflow rendszerrel való kommunikációra is, ez azonban nem kiforrott technológia, hiányoznak a legfektetett sztenderdek. Később lesz szó a Petri hálókról, amik jó alapot szolgáltatnának egy ilyen sztenderd workflow framework-höz.

6 A szélesebb körben elterjedt üzleti workflow rendszerek: IBM BPM jbpm Microsoft WWF SAP Business Workflow Gyakorlati példa webáruház rendelési folyamata Valós workflow alapján egy egyszerűsített példája az internetes rendelési folyamatnak egy ismert hazai webáruháznak. Az alapok nagyjából minden webáruház esetén hasonlóak: az ügyfél megrendelést ad fel adott termékekre, a webáruház beszerzi a termékeket. Legyen a kiínduló folyamat az, hogy rendelést lehet feladni a webáruházban feltüntetett nem feltétlenül raktáron lévő - termékekre, fizetési módként a készpénz választható, a rendelés feladása után véglegesítés szükséges ( -ben vagy telefonon) a megrendelő részéről. A megrendelés feladása után a megrendelést nem lehet módosítani.

7 A fenti ábrán látszik, hogy egy belépési pontja van a folyamatnak és két végállapota: a megrendelés sikeres (csomagolható, átadható szállításra) vagy pedig törlésre kerül. Van egy külső trigger esemény is, ami a megrendelő kérésére azonosítás után töröl egy megrendelést. Egészítsük ki ezt a workflow-ot az online bankkártyás fizetés és az előre utalás lehetőségével. Az előbbi esetben a rendelés feladása után a megrendelőt elirányítjuk egy szerződött bank oldalára, ahol biztonságosan fizethet. Az ilyen fizetési módoknál nem kell explicit véglegesíteni a megrendelést, a pénz beérkezése automatikusan véglegesítést eredményez. Adjunk lehetőséget továbbá a megrendelés módosítására a véglegesítés előtt. A könyebb áttekinthetőség érdekében vezessünk be színezést: a sárga jelenti a megrendelő interakcióját, a zöld pedig a webáruházat üzemeltetők feladatait. Ez a workflow is részben hiányos még, azonban ad egy ötletet arra vonatkozóan, hogy hogyan építsünk fel egy ilyen gráfot. További rendelési státuszok bevezetésével, külső rendszerek felé beküldött rendelésekkel tovább bonyolódik a gráf. Pedig ez egy viszonylag egyszerű üzleti

8 folyamat. Tegyük fel, hogy elemeztük a workflow-ban való eddigi eseteket és azt tapasztaljuk, hogy a rendelések kevesebb, mint 5%-a kerül törlésre végül. Ekkor elgondolkodhatunk azon, hogy a rendelés rögzítésével párhuzamosan berendeljük a rendelésben szereplő készleten nem lévő termékeket, legroszabb esetben törlik a rendelést, a termék pedig ott lesz raktáron. Ezzel időt és pénzt spórolhatunk meg, hiszen az ügyfél hamarabb kapja kézhez a termék(ek)et. Viszonylag adaptív módon sikerült megalkotni az első modellt, a második modellben szinte érintetlenül maradtak az előző változat pontjai. Petri hálók A Petri hálók irányított, páros gráfok, ahol a pontok állapotok (places) vagy átmenetek (trasition) lehetnek. A pontok élekkel vannak összekötve, a pont típusok felváltva követik egymást az élek mentén. A állapotokat körökkel, az átmeneteket téglalappal reprezentáljuk. Formálisan a Petri-háló egy (P, T, F) hármas, ahol P: helyek véges halmaza T: átmenetek véges halmaza (P T = ) F ( P T ) ( T P ) az élek halmaza (flow reláció) A Petri hálókban minden él súlya 1, másnak nem is lenne értelme, hiszen a helyek megfelelnek a feltételeknek. Az állapot meghatározásához tokeneket használunk. Ezeket kis fekete pontokkal jelöljük a helyekben. Tekintsük egy részbenrendezését a pontoknak (az állapotok összehasonlításához). Ekkor például azt az állapotot, hogy az első pontban egy token van, a második pontban két token van, a harmadik pontban szintén egy token van és a negyedik pontban nincs token a következőképp írjuk le: p1 + 2p2 + p3 + 0p4. A nullás tagokat el is hagyhatjuk a felsorolásból. A tokenek száma változhat a háló végrehajtása során. Az átmenetek képezik a háló aktív részét és a következő szabályokkal változtatják az állapotát: 1. Egy t átmenet engedélyezett, ha minden p input helye t-nek legalább egy token-t tartalmaz 2. Egy engedélyezett átmenet végrehajtható. Ha t átmenet végrehajtódik, akkor minden p

9 input helyén t-nek elhasznál egy tokent és minden p output helyén t-nek létrehoz egy tokent A Petri hálókban ugyan azok a konstrukciók léteznek, mint a workflow-ok esetén: szekvenciális végrehajtás, párhuzamos végrehajtás, elágazás és iteráció. A Petri hálókat könnyen átírhatjuk workflow gráfra a megfelelő átalakítások használatával: a helyekből feladatok, az átmenetek pedig feltételek lesznek, a műveletek szinte analóg módon átvihetők. Felhasznált irodalom és források [1] W.M.P. van der Aalst - The Application of Petri Nets [2] [3] [4]