Caracterização de Processos de Negócio utilizando Sistemas de

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1 Caracterização de Processos de Negócio utilizando Sistemas de Transições Rodrigo C. Teixeira Jr. 1, Thanner S. Silva 1, Gabriel M. Miranda 1, Leonardo Vencioneck 1, Jugurta R. Montalvão 2, Mateus B. Costa 1 1 Informática - Instituto Federal do Espírito Santo Serra ES Brazil 2 Universidade Federal de Sergipe (UFS) Aracaju SE Brasil {rodrigo.c.t.j,thannersoares, gabrielmmiranda}@gmail.com leduven@gmail.com, jugurta.montalvao@gmail.com, mcosta@ifes.edu.br Abstract. In this paper we discuss an approach for representing and evaluating business processe s quantitative parameters by means of transition systems. A major aspect of such an approach consists in enabling the representation of task execution s costs as metrics dependent on the process execution state. For such discussion we consider the modeling of operational processes by means of Workflow-type diagrams. The main contributions of this work are to present a method for determining process models execution flows and representing them as transition systems, and a cost model in which it is possible to describe the effect of the overall process tasks on each individual task. Resumo. Nesse artigo discutimos uma abordagem de representação e avaliação de parâmetros quantitativos de processos de negócio por meio de sistemas de transições. A principal vantagem dessa abordagem é permitir que o custo de execução de tarefas presentes nesses processos sejam métricas dependentes do estado de execução do processo. Para esta discussão consideramos a modelagem de processos operacionais por meio digramas baseados em Workflow. As principais contribuições desse trabalho são: a apresentação de um método para determinação de fluxos de execução de modelos de processo, sua representação como sistemas de transição e a apresentação de um modelo de custos para processos de negócio no qual é possível descrever o efeito que o conjunto total de tarefas do processo exerce sobre cada tarefa individual. 1. Introdução As necessidades relacionadas à manutenção de vantagens competitivas e expansão de mercados têm levado organizações a buscarem constantemente a otimização de métricas, tais como custos operacionais, tempo, alocação de recursos humanos e qualidade de produtos/serviços [Aaker 2001]. Nesse contexto, a Gestão dos Processos de Negócio (GPN) possui papel fundamental, dado que, em última análise, seu objetivo é buscar adequar tais métricas aos objetivos da organização. Um processo de negócio pode ser visto como um agrupamento de atividades sistêmico que incorpora, de forma integrada, os elementos consumidores de recursos e 50

2 os meios de agregação de valor relacionados a um objetivo organizacional. Ou seja, modelos de processo de negócio estabelecem uma estrutura global que interfere tanto nos benefícios produzidos quanto nos recursos consumidos pelas atividades individuais que o constituem. Sendo assim, o modelo do processo e, em particular, os estados que podem ser alcançados pela execução de instâncias desse modelo, são determinantes para o desempenho individual das atividades que o compõem. Considerando essa visão, neste trabalho discutimos uma abordagem que permite avaliar modelos de processo considerando o impacto do estado atual de instâncias de processos no momento da execução de suas tarefas individuais. A abordagem que discutimos considera processos de negócio operacionais estruturados, os quais podem ser modelados por meio de diagramas de workflow [van Der Aalst et al. 2009]. Para apoiar a discussão dessa abordagem foi desenvolvido um método para a transformação de modelos workflow em um modelo de sistema de transições, e um modelo de custos. O modelo de custos proposto estabelece um modo de descrever o impacto da execução de um tarefa sobre outra. Unindo-se o modelo baseado em sistema de transições com o modelo de custos proposto, pode-se realizar estudos que incorporem, a modelos de processo, métricas dependentes do estado e verificar, de forma mais específica, medidas como o custo total de cada fluxo permitido pelo modelo. O restante do artigo está organizado da seguinte forma: na Seção 2 discutimos sistemas de transições e um modelo de representação para estes sistemas denominado matriz de transição. Na Seção 3 é apresentado o modelo e método para descrição de comportamento de modelos de processo baseados em Workflow; Na Seção 4 introduzimos um modelo de custos de execução de tarefas e discutimos a sua integração com o modelo de comportamento. Na Seção 5 o método proposto é ilustrado por meio de um exemplo. Na Seção 6 concluímos o artigo e apresentamos alguns trabalhos futuros. 2. Sistema de Transições Um sistema de transições [Van der Aalst 2011] pode ser definido como uma tripla T S = (S,A,T), onde S é o conjunto de estados, A é o conjunto de tarefas (frequentemente referidas como ações ou atividades), e T S A S é o conjunto de transições. Start S é o conjunto de estados iniciais, e End S é o conjunto de estados finais. Em princípio, S pode ser infinito. Contudo, para a maioria das aplicações práticas S é finito. Dada uma representação de um modelo de processos por meio de um sistema de transições, pode-se inferir o seu comportamento. As transições iniciam-se a partir de um dos estados iniciais. Qualquer série de transições válidas, iniciada a partir de um estado inicial, corresponde a uma possível sequência ou fluxo de execução do processo. Um fluxo termina com sucesso se ele acabar em um dos estados finais. Qualquer modelo de processo estruturado, e.g. processos operacionais, pode ser mapeado em um sistema de transições e vice-versa. Dentre as propriedades que podem ser analisadas por meio de sistemas de transições está a equivalência de rastreamento, que permite determinar quando dois processos são análogos segundo um ponto de vista comportamental. Equivalência de rastreamento entende dois sistemas de transição como equivalentes se suas sequências de execução são as mesmas. Sistemas de transição oferecem uma forma de representação extremamente sim- 51

3 ples e poderosa. van der Aalst [Van der Aalst 2011], aponta uma limitação para Sistemas de Transições, relativa ao crescimento exponencial do número de estados. Por exemplo, suponha que existam em um modelo de processo n tarefas paralelas, isto é, todas as n tarefas precisam ser executadas, mas qualquer ordem é permitida. Neste caso, existem n! possíveis sequências de execução possíveis, o sistema de transição requer 2 n estados e n(2n 1) transições. Esse é um exemplo do problema de explosão de estados. Entretanto, embora esta seja uma limitação teórica, observa-se com facilidade que na modelagem de processos, quando exercida de forma pragmática, o problema de explosão de estados é minimizado pelo fato de que as restrições desses modelos tendem a reduzir significativamente o número de estados válidos e de transições entre esses estados. Por exemplo, suponha um modelo composto por 4 tarefas (A, B, C, D). Este modelo possui 24 sequências de execução possíveis. Contudo, a existência de apenas uma restrição onde a tarefa D só possa ocorrer após a execução da tarefa C leva à redução das sequências de execução possíveis para 12. Por essa via de raciocínio, percebe-se que até mesmo restrições simples, como a de ordenação parcial de tarefas (que é típica em modelos realistas de processos), reduzem significativamente o número de estados. Nesses casos de interesse prático, a redução do número de estados reabilita os sistemas de transição como modelo competitivo, em relação aos demais modelos Matriz de Transições Uma possível implementação para sistemas de transições é utilizando matrizes de transições. Uma matriz de transições T é uma matriz de dimensões 2 n 2 n, onde n é o número de tarefas existentes no modelo do processo e2 n corresponde ao número de estados do modelo. Cada estado pode ser representado por uma cadeia binária de tamanho n. Para o estado e x = [t n..t 1 ], t i = 0 indica que a tarefa t i não se encontra executada naquele estado. t i = 1 indica que a tarefa t i está executada no estado e x. As transições são indicadas pelos valores das células da matriz. T[e x,e y ] indica se há ou não uma transição do estadoe x para o estadoe y. Suponha um modelo de processo que possui 3 tarefas A, B e C em que a tarefa A pode ser executada sem nenhuma restrição a partir de um estado inicial [000]. Já para a execução da tarefa B, é necessário que a tarefa A tenha sido previamente executada. Finalmente, temos que a tarefa C só pode ser executada após a execução da tarefa B. A matriz de transições correspondente a este modelo é a seguinte: T = Esse exemplo ilustra que matrizes de transições são representáveis por matrizes esparsas, dado que a maioria dos pares (e x,e y ) são transições nulas. De fato, quanto maior o número de restrições impostas ao processo, mais esparsa será T. Novamente, essa relação, que é mais relevante em processos realistas, também induz ao uso de matrizes T representadas de forma computacionalmente eficiente. 52

4 3. Modelo de Comportamento baseado em Estados de Processos Um estado de execução pode portanto ser representado por uma cadeia binária que indica tarefas feitas e não feitas. O conceito de estado de execução quando utilizado para representar fluxos permitidos por um modelo torna possível o registro do histórico de execução de um processo de negócio. Por meio desses fluxos é possível quantificar métricas relacionadas a execução de tarefas como dependentes desse histórico, visto que em cada transição o resultado quantificável da execução de uma tarefa depende explicitamente do estado atual. A figura 1 apresenta um exemplo de sequência linear de tarefas contendo dois possíveis fluxos obtidos a partir de um mesmo modelo. O modelo é representado como um grafo direcionado onde os vértices representam tarefas e as arestas representam possíveis caminhos de execução. A diferença entre o modelo de grafo e os de fluxo de execução é que, a cada transição do processo, a primeira leva em consideração apenas a tarefa, ao passo que a segunda também permite considerar o comportamento global do processo. Por exemplo, ao se modelar os fluxos, a execução da tarefa C, pode considerar o fato de seu estado anterior é o estado[ae] ou [AB]. Figura 1. Exemplo de sequência e fluxos de tarefas O sistema de transições permite, por exemplo, atribuir custos de transição como variáveis dependentes do estado atual, o que é equivalente a atribuir custos dependentes do histórico de tarefas. Por exemplo, a transição envolvendo a tarefa C está presente nos dois fluxos, porém pertencem a estados de execução diferentes. Sendo assim, poderão apresentar custos diferentes. Numa ilustração simples da utilidade do custo assim definido, podemos imaginar uma instalação industrial em que a tarefa C corresponde a transportar tonéis, enquanto a tarefa E corresponde a esvaziar os tonéis de seus respectivos fluidos. Se o custo em questão for a energia gasta na tarefa C, é evidente que esse custo deve variar em função da tarefa E preceder ou não a tarefa C Obtenção do Sistema de Transições Para ilustrar e avaliar a viabilidade da adoção de sistemas de transição na caracterização de processos de negócio, foi desenvolvida uma aplicação protótipo voltada para modelos descritos em Business Process Modeling and Notation (BPMN) [BPMI 2004]. A aplicação recebe como entrada modelos BPMN no formato XPDL [WfMC 2014] e gera o sistema de transições equivalente a todos os fluxos de execução permitidos pelo modelo. Para facilitar a manipulação dos modelos de entrada e a adoção de novos formatos, foi feita a opção de utilizar uma representação interna para os modelos descritos em XPDL. Foi desenvolvido um parser XPDL que permitiu o mapeamento desses modelos na representação interna, a qual pode ser observada na tabela 1. 53

5 Sintaxe Definição! Estado Inicial # Estado Final Nome da Tarefa Tarefa + Gateway Paralelo * Gateway Exclusivo / Gateway Inclusivo ; Separador de fluxo entre gateways ( Abertura de uma faixa de permutação ) Fechamento de uma faixa de permutação, Separador de tarefas e conjuntos de tarefas Tabela 1. Representação Interna Figura 2. Exemplo de Modelo de Processo A delimitação de faixa de permutação presente na notação interna permite a posterior determinação dos fluxos de execução. Na notação proposta, as faixas de permutação atuam separando os eventos de execução que serão permutados pelo algoritmo de determinação dos fluxos. Por razões de tamanho do artigo o algoritmo não foi apresentado. A título de exemplo, considerando o modelo de processo apresentado na Figura 2, temos a seguinte representação interna:!,a,+(b,c;d)+, (E;F),/(G;H)/,# 3.2. Obtenção dos fluxos de Execução A Figura 3 apresenta os fluxos permitidos para o modelo ilustrado na Figura 2. Figura 3. Fluxos de Execução Para a obtenção dos fluxos, os trechos de fluxos presentes entre gateways paralelos e gateways inclusivos passam por uma permutação, permitindo a criação de todos os possíveis fluxos de tarefas respeitando as pre-condições de execução. São considerados nesse protótipo apenas modelos de processo lineares, sem a presença de loops. 54

6 Para obter as agendas de execução, o algoritmo proposto segue as regras de formação do modelo. Considera-se que todos os gateways são iniciados e fechados. Tomando, como exemplo, a figura 2, tem-se inicialmente a presença de uma atividade simples compreendida na faixa 1, a qual apresenta apenas uma possibilidade de escolha de atividade, visto que o fluxo não é alterado por nenhum gateway. Seguindo a execução, a faixa 2 compreende as atividades paralelas, as quais permitem a execução alternada dos fluxos compreendidos, sendo a execução de um fluxo não dependente do outro, e viceversa. Já na terceira faixa estão presentes as atividades exclusivas, as quais não permitem a execução intercalada de fluxos. Por fim, na quarta faixa apresentam-se as atividades inclusivas. Esse tipo de atividade possui um atributo a mais, que define qual o fluxo obrigatório (padrão) de execução. Sendo assim, é permitida a alternância de fluxo, sempre respeitando a execução obrigatória do fluxo padrão. A última etapa para a obtenção do sistema de transições é a geração das matrizes de transição a partir do conjunto de fluxos do modelo. Para o modelo da Figura 2, a matriz de transições é uma matriz quadrada de dimensão2 8. Na implementação da aplicação, as matrizes de transição são representadas por matrizes esparsas. 4. Representação de Custos Após a obtenção da matriz de transição, a próxima etapa se dá pela inserção de métricas no modelo. Para isso, foram consideradas duas abordagens para se atribuir custos associados a transições. A primeira, denominada Custo de transição Arbitrário, permite atribuir custos diretamente às transições. A segunda, denominada Custo dependente, permite a caracterização detalhada de custos de execução de tarefas, como uma métrica dependente do histórico de execução do processo Custo de transição Arbitrário Nessa abordagem é atribuído um custo pre-determinado para cada transição válida do sistema. Seu objetivo é portanto permitir a representação de métricas diretamente associadas às transições. Para sua representação basta substituir os valores das células T i,j válidas da matriz de transição pelos valores de custo da transição do estado i para o estado j. O custo de um fluxo nesse caso é dado pela soma do custos de cada transição que o mesmo produz Custo Dependente Essa abordagem tem como objetivo descrever o custo da execução de uma tarefa estratificando o impacto da execução das demais tarefas do modelo. Intuitivamente, esse modelo pode ser compreendido como a descrição no modelo de custo do quanto é mais fácil (ou mais difícil) executar uma tarefa dado que outras tarefas foram ou não executadas anteriormente. Ou seja, este modelo de custos tenta capturar o grau de dependência que a execução de uma tarefa tem com relação ao contexto global em que se encontra. Para obtermos essa representação, definimos o custo total de cada tarefa como uma combinação de dois componentes: o componente fixo, pré-estabelecido para cada tarefa, e o componente variável que indica a variação no custo de uma tarefa que as demais tarefas exercem sobre a mesma. Os componentes fixos são representados por um vetor de valores de custo c f = [c 1..c n ], C i R, onde cada c i é o valor de custo fixo de cada tarefa. Os componentes 55

7 variáveis são representados por uma matriz Vn n com valores c vij R que indicam a variação de custo da execução de uma tarefa i correspondente ao impacto do evento de execução da tarefa j já ter ocorrido. Finalmente, o custo variável de uma tarefa é definido como: c v (t x ) = f(v[t x,1..n],e a ), onde e a corresponde ao estado atual do sistema de transições, no momento da execução de t x. Ou seja, o custo variável de uma tarefa t x é uma função do seu componente de custo variável e do estado em que o processo se encontra no momento de sua execução. 5. Exemplo Completo Nesta seção resumimos o método de caracterização de processos por meio de um exemplo ilustrativo. Consideramos um modelo de processo representado pela Figura 4. Figura 4. Exemplo Utilizado A primeira etapa do processo é a obtenção do sistema de transições que é realizada segundo os passos a seguir: Parsing XPDL: Com o processamento do arquivo XPDL do modelo, é gerada uma representação interna para o modelo. Para o exemplo utilizado, a seguinte representação foi gerada:!, A, + ( B ; C ) +, D, #. Determinação dos fluxos de Execução: Utilizando a representação interna os seguintes fluxos foram obtidos para o exemplo: f 1 = [A,B,C,D] ef 2 = [A,C,B,D]. Geração da Matriz de Transições: A representação dos fluxosf 1 ef 2 por meio de seus estados alcançáveis é dada por: f 1 = [ ] e f 2 = [ ]. A matriz de transições correspondente ao modelo é uma Matriz representando as transições presentes nesses fluxos. Obtida a matriz de transições, o modelo de custos é associado a mesma. Utilizando-se o modelo de custo fixo, basta substituir os (1s) da matriz de transição pelos valores de custo equivalente. A matriz MC ilustrada abaixo adiciona custos arbitrários à matriz de transições do exemplo. Por se tratar de uma matriz esparsa, os únicos índices exibidos são os que apresentam uma transição feita MC = Partindo da matriz MC, os respectivos custos dos fluxos são: 1 Fluxo: V f1 = ( )+( )+( )+( ) = = 23; 56

8 2 Fluxo: V f2 = ( )+( )+( )+( ) = = 22. Considerando o modelo de custo dependente, consideramos os seguintes valores para os componentes fixos (c f ) e variáveis (V) e para a matriz de transiçõest : c f = [ A B C D ], V = A B C D A 1 0,3 0,4 0,5 B 0,9 1 0,3 0,8 C 0,7 0,4 1 0,2 D 0,7 0,4 0,3 1 e T = Consideramos também que os componentes variáveis são dados como valores percentuais do custo fixo. Assim, a função de custo é dada por C t (t x ) = c f (t x ) D k=a (V[x,k] valor t k (e a )). A função valor tk retorna o estado da tarefa k no estado atual. Como exemplo, temos que o custo total para a execução da tarefa B em cada um dos fluxos é diferente, dado por: c t (B,f 1 ) = 4+4 (0, ,3 0+0,8 0) = 7,6 c t (B,f 2 ) = 4+4 (0, ,3 1+0,8 0) = 8,8 6. Conclusão Nesse artigo apresentamos uma abordagem que permite a caracterização de aspectos quantitativos de processos de negócio. A abordagem proposta possibilita analisar fluxos de execução desses processos considerando os estados de execução, permitindo, por exemplo, determinar o quanto a execução de uma tarefa impacta no custo de execução de outra. A implementação do protótipo de determinação de custos baseado em sistemas de transições permitiu a verificação da viabilidade da abordagem proposta. Durante os testes realizados pode-se verificar que a mesma torna possível a comparação precisa dos custos dos diferentes fluxos de execução de um processo apoiando a tomada de decisão no que diz respeito a escolha entre os diferentes fluxos permitidos, durante a execução do processo. Como trabalhos futuros consideramos fundamental estender a capacidade do sistema implementado para modelos de processo não lineares (com loops). Além dessa iniciativa, está em andamento a realização de um estudo de caso aplicado relacionado ao modelo de custos proposto. Referências Aaker, D. A. (2001). Administração Estratégica de Mercado 9ed. Bookman. BPMI (2004). Business Process Modeling Notation. Specification Version 1.0. Technical report, Business Process Management Initiative - Object Management Group. Van der Aalst, W. (2011). Process mining: discovery, conformance and enhancement of business processes. Springer. van Der Aalst, W. M., Pesic, M., and Schonenberg, H. (2009). Declarative workflows: Balancing between flexibility and support. Computer Science-Research and Development, 23(2): WfMC (2014). Xml process definition language. Technical report, Workflow Management Coalition. [Available:] 57