制造業(yè)務(wù)過(guò)程動(dòng)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(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048）

制造業(yè)務(wù)過(guò)程動(dòng)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(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048）

對(duì)制造業(yè)務(wù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變更進(jìn)行形式化描述是提高制造企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)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(wù)過(guò)程動(dòng)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(wù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變更歸納為節(jié)點(diǎn)（分支）增加/刪除變更、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變更和復(fù)合變更等三類。構(gòu)建了具體的制造業(yè)務(wù)過(guò)程動(dòng)態(tài)變更模型，并對(duì)其進(jìn)行了形式化描述。最后以制造企業(yè)訂單處理業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)變更為例，驗(yàn)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(wù)過(guò)程；動(dòng)態(tài)變更；形式化描述

0　引言

提高制造業(yè)務(wù)過(guò)程的自動(dòng)執(zhí)行能力一直是人們追求的目標(biāo)。在經(jīng)濟(jì)一體化和競(jìng)爭(zhēng)全球化的大背景下，現(xiàn)代制造企業(yè)面臨著動(dòng)態(tài)多變的內(nèi)外部環(huán)境，這對(duì)業(yè)務(wù)過(guò)程管理提出了更高的柔性要求[1]。為了適應(yīng)內(nèi)外部環(huán)境的變化，并且在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中贏得勝利，制造企業(yè)必須具有調(diào)整自身業(yè)務(wù)過(guò)程的能力。然而，傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)過(guò)程管理系統(tǒng)是按照特定的市場(chǎng)環(huán)境和業(yè)務(wù)過(guò)程開(kāi)發(fā)的，當(dāng)客戶需求或業(yè)務(wù)過(guò)程發(fā)生劇烈變化時(shí)，原有的業(yè)務(wù)過(guò)程管理系統(tǒng)就無(wú)法正常使用了[2]。

導(dǎo)致業(yè)務(wù)過(guò)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(chǎng)需求等的出現(xiàn)，內(nèi)部因素有業(yè)務(wù)過(guò)程本身的需求（如邏輯性設(shè)計(jì)錯(cuò)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(wù)過(guò)程變更可分為發(fā)生在業(yè)務(wù)過(guò)程建模階段的靜態(tài)變更和發(fā)生在業(yè)務(wù)過(guò)程運(yùn)行階段的動(dòng)態(tài)變更兩種[5]。對(duì)制造業(yè)務(wù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變更進(jìn)行形式化描述是提高制造企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程管理水平的前提與基礎(chǔ)，已經(jīng)引起了眾多學(xué)者的研究興趣[6]。

文獻(xiàn)[7]提出了基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言和多色集合的工作流集成建模方法，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)過(guò)程定義階段的形式化建模。文獻(xiàn)[8]提出了工作流實(shí)例遷移方法，并對(duì)常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)變更進(jìn)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(wù)過(guò)程動(dòng)態(tài)變更的形式化描述方法，旨在提高制造業(yè)務(wù)過(guò)程管理的柔性和應(yīng)變能力。

1　基于多色圖的制造業(yè)務(wù)過(guò)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(lái)表示研究對(duì)象及其組成要素的性質(zhì)或?qū)傩訹9]。多色圖包括節(jié)點(diǎn)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(xué)表達(dá)式為：

1）由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多色集合PSA

由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多色集合PSA可描述為：

在式(2)中，A表示節(jié)點(diǎn)集合；F(a)表示節(jié)點(diǎn)個(gè)人著色；F(A)表示節(jié)點(diǎn)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(diǎn)集合與個(gè)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(diǎn)是無(wú)色的，那么F(G)=F(C)。如果多色圖的邊是無(wú)色的，那么F(G)=F(A)。如果多色圖的節(jié)點(diǎn)和邊均是無(wú)色的，那么F(G) = Ф。如果多色圖的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和/或邊的單色圖。

與普通圖和單色圖相比，多色圖具有更強(qiáng)的建模和仿真能力。在用多色圖為現(xiàn)實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)建模時(shí)，式(2)和式(3)中的某些成分可被忽略或展開(kāi)，也可能有一些成分需要添加進(jìn)來(lái)。

1.2制造業(yè)務(wù)過(guò)程的多色圖模型

圖1所示為多色圖與制造業(yè)務(wù)過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。多色圖的節(jié)點(diǎn)表示制造業(yè)務(wù)過(guò)程的任務(wù)，多色圖的節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一顏色描述制造業(yè)務(wù)過(guò)程中任務(wù)的屬性，如運(yùn)行狀態(tài)；多色圖的邊表示制造業(yè)務(wù)過(guò)程的連接器，多色圖的邊的統(tǒng)一顏色描述制造業(yè)務(wù)過(guò)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(wù)過(guò)程模型可描述為：

圖1　多色圖與制造業(yè)務(wù)過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在式(4)中，A表示制造業(yè)務(wù)過(guò)程的任務(wù)集合，即：

F(A)表示制造業(yè)務(wù)過(guò)程的任務(wù)所處的運(yùn)行狀態(tài)集合，如初始化、執(zhí)行、掛起、補(bǔ)償、放棄或結(jié)束等，可表示為：

[A×F(A)]表示制造業(yè)務(wù)過(guò)程任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)及其變化情況，即：

在式(4)中，元素si,j=1表明任務(wù)ai當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)為元素值由si,j=1變?yōu)閟i,q=1，表明任務(wù)ai的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生了變化，由變?yōu)?/p>

C表示制造業(yè)務(wù)過(guò)程的連接器集合，即：

在實(shí)際運(yùn)算操作中，制造業(yè)務(wù)過(guò)程的連接器集合通過(guò)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(wù)過(guò)程的連接器集合C。

F(C)表示制造業(yè)務(wù)過(guò)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(wù)過(guò)程連接器及其關(guān)系類，即：

在式(11)中，元素ri,k=1表明任務(wù)ai與任務(wù)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(wù)過(guò)程模型可進(jìn)一步描述為：

除了運(yùn)行狀態(tài)以外，制造業(yè)務(wù)過(guò)程的任務(wù)還有數(shù)據(jù)、時(shí)間、資源、角色等屬性，本文重點(diǎn)研究因結(jié)構(gòu)變化而引起的制造業(yè)務(wù)過(guò)程動(dòng)態(tài)變更，因此制造業(yè)務(wù)過(guò)程的多色圖模型還可以簡(jiǎn)化為：

在式(11)中，(A×A)表示制造業(yè)務(wù)過(guò)程的任務(wù)集合A與其自身的笛卡爾積。

2　制造業(yè)務(wù)過(guò)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(wù)過(guò)程連接器的關(guān)系類型的圖形符號(hào)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(wù)過(guò)程連接器的關(guān)系類型集合F(C)，即：

表1　制造業(yè)務(wù)過(guò)程連接器的關(guān)系類型

如表2所示，制造業(yè)務(wù)過(guò)程的任務(wù)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(fù)雜的制造業(yè)務(wù)過(guò)程模型。

表2　制造業(yè)務(wù)過(guò)程的四種基本模型結(jié)構(gòu)

3　制造業(yè)務(wù)過(guò)程的動(dòng)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(wù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變更主要包括三類：節(jié)點(diǎn)（分支）增加/刪除變更、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變更和復(fù)合變更，下面分別對(duì)它們進(jìn)行建模和形式化描述。

3.1節(jié)點(diǎn)（分支）增加/刪除變更

對(duì)應(yīng)于制造業(yè)務(wù)過(guò)程的四種基本模型結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)（分支）增加/刪除變更有四種形式：增加/刪除順序節(jié)點(diǎn)、增加/刪除并行節(jié)點(diǎn)（分支）、增加/刪除選擇節(jié)點(diǎn)（分支）和增加/刪除迭代節(jié)點(diǎn)（分支）。下面以增加/刪除并行節(jié)點(diǎn)（分支）為例進(jìn)行說(shuō)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(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的并行結(jié)構(gòu)和五個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的并行結(jié)構(gòu)。由圖2(a)到圖2(b)的動(dòng)態(tài)變更，表示在并行結(jié)構(gòu)中增加分支節(jié)點(diǎn)ai；反之，表示在并行結(jié)構(gòu)中刪除分支節(jié)點(diǎn)ai。

圖2　并行分支的增加與刪除

3.2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變更

如圖3所示，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變更表示節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由一種基本模型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)改變?yōu)榱硗庖环N基本模型結(jié)構(gòu)，而節(jié)點(diǎn)本身沒(méi)有變化。對(duì)應(yīng)于制造業(yè)務(wù)過(guò)程的四種基本模型結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)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(dòng)態(tài)變更為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖3　節(jié)點(diǎn)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(duì)應(yīng)的矩陣模型。由圖4(a)變換為圖4(b)，表示發(fā)生了節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變更，任務(wù)節(jié)點(diǎn)a2和a3由并行執(zhí)行變?yōu)檫x擇執(zhí)行；反之，表示任務(wù)節(jié)點(diǎn)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(fù)合變更

節(jié)點(diǎn)（分支）增加/刪除變更和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變更可以復(fù)合為更加復(fù)雜的制造業(yè)務(wù)過(guò)程動(dòng)態(tài)變更。

圖5所示為節(jié)點(diǎn)取代變更。先從圖5(a)所示的選擇結(jié)構(gòu)中刪除任務(wù)節(jié)點(diǎn)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(wù)節(jié)點(diǎn)aj，變更為圖5(c)所示的選擇結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了任務(wù)節(jié)點(diǎn)ai被任務(wù)節(jié)點(diǎn)aj取代的動(dòng)態(tài)變更。

圖5　任務(wù)節(jié)點(diǎn)取代變更

圖6所示為取代變更與結(jié)構(gòu)變更同時(shí)發(fā)生形成的復(fù)合變更。先從圖6(a)所示的選擇結(jié)構(gòu)中刪除任務(wù)節(jié)點(diǎn)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(wù)節(jié)點(diǎn)aj，變更為圖6(c)所示的并行結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了任務(wù)節(jié)點(diǎn)ai被任務(wù)節(jié)點(diǎn)aj取代且結(jié)構(gòu)由選擇變換為并行的動(dòng)態(tài)變更。

圖6　取代變更與結(jié)構(gòu)變更形成的復(fù)合變更

圖7所示為任務(wù)節(jié)點(diǎn)交換變更。先從圖7(a)所示的迭代結(jié)構(gòu)中刪除任務(wù)節(jié)點(diǎn)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(wù)節(jié)點(diǎn)aj和ai，變更為圖7(c)所示的迭代結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了任務(wù)節(jié)點(diǎn)ai和任務(wù)節(jié)點(diǎn)aj交換的動(dòng)態(tài)變更。

圖7　任務(wù)節(jié)點(diǎn)交換變更

4　應(yīng)用實(shí)例分析

圖8所示為某制造企業(yè)的訂單處理業(yè)務(wù)過(guò)程，各任務(wù)節(jié)點(diǎn)的含義如表3所示。當(dāng)制造企業(yè)收到一個(gè)新訂單后，首先檢查客戶的信譽(yù)狀態(tài)，然后根據(jù)庫(kù)存情況采取庫(kù)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(wù)過(guò)程

表3　任務(wù)節(jié)點(diǎn)的含義

制造企業(yè)因購(gòu)買(mǎi)先進(jìn)設(shè)備而提高了自身的制造加工能力，其任務(wù)節(jié)點(diǎn)“預(yù)算制造時(shí)間（a6）”發(fā)生變更，將由新的任務(wù)節(jié)點(diǎn)“預(yù)算制造時(shí)間（a19）”取代。同時(shí)，組織生產(chǎn)前需要與客戶和制造部門(mén)進(jìn)行多次協(xié)商，直到意見(jiàn)一致為止，因此需要增加空活動(dòng)節(jié)點(diǎn)（a20），在邏輯上構(gòu)成迭代結(jié)構(gòu)。第三，隨著賣(mài)方市場(chǎng)向買(mǎi)方市場(chǎng)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(jìn)業(yè)務(wù)流程，將任務(wù)節(jié)點(diǎn)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(wù)過(guò)程同時(shí)發(fā)生了三項(xiàng)動(dòng)態(tài)變更：節(jié)點(diǎn)取代變更、增加迭代分支和節(jié)點(diǎn)并行化，如圖9所示（灰色部分）。

圖10所示為動(dòng)態(tài)變更發(fā)生后，制造企業(yè)訂單處理業(yè)務(wù)過(guò)程對(duì)應(yīng)的矩陣模型。

5　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)制造業(yè)務(wù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變更進(jìn)行形式化描述是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)過(guò)程管理以及業(yè)務(wù)過(guò)程自動(dòng)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(wù)過(guò)程動(dòng)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(wù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變更歸納為節(jié)點(diǎn)（分支）增加/刪除變更、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變更和復(fù)合變更等三類。分別構(gòu)建了這三類制造業(yè)務(wù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變更模型，并對(duì)其進(jìn)行了形式化描述。最后用實(shí)例驗(yàn)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(wù)過(guò)程動(dòng)態(tài)變更建模方法，在問(wèn)題的形式化描述方面優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)于實(shí)現(xiàn)制造業(yè)務(wù)過(guò)程的自動(dòng)執(zhí)行以及提高制造業(yè)務(wù)過(guò)程管理的柔性和應(yīng)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(wù)過(guò)程

圖10　變更后訂單處理業(yè)務(wù)過(guò)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51575443）；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（16JS075）；西安理工大學(xué)青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（102-211408）

高新勤（1976 -），男，山西臨縣人，副教授，博士，研究方向?yàn)橹圃煨畔⒐こ毯蜆I(yè)務(wù)過(guò)程管理等。