Моделі та інформаційна технологія аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів складних систем

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 "Комп’ютерні науки". – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Об’єктом дослідження є процес синтезу структури та реструктуризації бізнес-процесів складних систем. Предметом дослідження є моделі та інформаційна технологія аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів на основі використання різних нотацій моделювання. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі – розробці моделей та інформаційної технології аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів складних систем. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дослідження та їх висвітлення у публікаціях. Приводяться відомості щодо структури та обсягу дисертаційної роботи. У першому розділі проведено аналіз процесу синтезу структури та реструктуризації бізнес-процесів складних систем як об’єкта дослідження. Виділені проблеми, які в даний момент ще не вирішені і є актуальними з точки зору аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів. Детально розглянуті найбільш популярні та поширені нотації опису структури бізнес- процесів (BPMN, EPC, IDEF0 та DFD); сучасні підходи щодо накопичення та аналізу колекцій моделей бізнес-процесів з метою їх повторного використання; формати представлення структури бізнес-процесів (XPDL, AML, BPMN 2.0). Розглянуто існуючі методи та засоби аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів. В результаті здійсненого огляду було визначено, що у розглянутих літературних джерелах не представлені формальні методи, які б дозволили виявити порушення правил побудови структури бізнес-процесів, представлених за допомогою різних нотацій моделювання, та сформувати рекомендації щодо їх усунення. Сформульовано постановку задачі дослідження проблем, які було виявлено під час аналізу процесу синтезу структури та реструктуризації бізнес-процесів складних систем в ролі об’єкта дослідження. Основними з даних проблем є: формалізація правил побудови моделей бізнес-процесів на основі різних нотацій моделювання; розробка узагальненого критерію якості моделей бізнес-процесів; формування методу аналізу та вдосконалення структури бізнес-процесів; розробка моделей, призначених для формування рекомендацій щодо усунення виявлених порушень правил побудови моделей бізнес-процесів; розробка інформаційної технології аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів. У другому розділі сформовано теоретичні основи аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів. На основі рекомендацій щодо побудови моделей бізнес-процесів визначено та формалізовано правила побудови моделей бізнес-процесів з використанням різних нотацій моделювання. Сформовано окремі критерії та розроблено узагальнений критерій якості моделей бізнес-процесів на основі методу адитивної згортки критеріїв. На основі виконаних досліджень отримали подальший розвиток: – метод кількісного аналізу структури бізнес-процесів за рахунок формування коефіцієнтів збалансованості, які, на відміну від існуючого, враховують різні елементи структури бізнес-процесу та особливості їх з’єднання, що дозволяє застосувати сформовані коефіцієнти для аналізу моделей бізнес-процесів у різних нотаціях з метою визначення їх відповідності правилам побудови; – метод оцінки якості моделей бізнес-процесів за рахунок формалізації правил побудови та формування узагальненого критерію якості замість окремих метрик якості моделей бізнес-процесів у певних нотаціях, що дозволяє оцінити якість моделі бізнес-процесу на основі єдиного кількісного показника. Третій розділ присвячено розробці моделей аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів. Було розглянуто метод аналізу та вдосконалення структури бізнес-процесів, який дозволяє виявити та усунути порушення правил побудови моделей бізнес-процесів при використанні різних нотацій моделювання, та відповідні моделі, призначені для формування рекомендацій щодо усунення виявлених порушень правил побудови моделей бізнес-процесів (необхідні зміни у кількості відповідних елементів структури бізнес-процесу та зв’язків між ними), що дозволяє підвищити їхню якість. Оптимізаційні задачі вирішуються на основі використання методу градієнтного спуску. Метод аналізу та вдосконалення структури бізнес-процесів базується на людино- машинній процедурі прийняття рішень, тому було запропоновано процедуру формування зрозумілих людині рекомендацій у вигляді текстових вказівок щодо вдосконалення структури бізнес-процесів на основі результатів вирішення оптимізаційних задач. З метою повторного використання досвіду щодо підвищення якості моделей бізнес-процесів було розроблено процедуру їх групування за подібністю щодо відповідності правилам побудови структури бізнес-процесу. В результаті виконаних досліджень було вперше: – розроблено метод аналізу та вдосконалення структури бізнес-процесів, що дозволяє виявити та усунути порушення правил побудови моделей бізнес-процесів при використанні різних нотацій моделювання; – розроблено моделі, призначені для формування рекомендацій щодо усунення виявлених порушень правил побудови моделей бізнес-процесів, що дозволяє підвищити якість структури бізнес-процесів. У четвертому розділі на основі опису процесу аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів були визначені функціональні можливості та сформульовані вимоги до інформаційної технології. Архітектура інформаційної технології базується на використанні сучасних технологій вилучення, обробки та збереження інформації про структуру бізнес-процесів. Робота користувача з отриманими результатами може здійснюватися як через веб-інтерфейс, так і на основі використання аналітичної приладової панелі, яка демонструє узагальнені результати аналізу та забезпечує підтримку прийняття рішень щодо підвищення якості структури бізнес-процесів. Працездатність розробленої інформаційної технології було перевірено на заздалегідь підготовлених моделях бізнес-процесів у різних нотаціях, в яких було навмисно допущено структурні помилки, які порушують правила побудови структури бізнес-процесів у нотаціях BPMN, EPC, IDEF0 та DFD, а також на повнорозмірній вихідній інформації щодо структури бізнес-процесів у різних нотаціях та різної галузевої приналежності. В результаті було удосконалено інформаційну технологію аналізу та підвищення якості структури бізнес-процесів, яка базується на використанні розроблених методу та моделей замість існуючих рішень, що дозволяє автоматизувати виявлення та усунення порушень правил побудови моделей бізнес-процесів при використанні різних нотацій моделювання. Аналіз отриманих результатів дослідження показав, що розроблений метод та моделі, на яких базується інформаційна технологія, на відміну від існуючих формальних методів та засобів, дозволяють не лише більш точно виявити помилки у структурі бізнес-процесів, поданих у нотаціях BPMN, EPC, IDEF0 та DFD, а й оцінити якість структури бізнес-процесу на основі єдиного кількісного показника та отримати рекомендації щодо її підвищення шляхом внесення необхідних змін у кількості відповідних елементів структури бізнес- процесу та зв’язків між ними. Наведено результати впровадження дисертаційного дослідження у ТОВ "Науковий Парк НТУ "ХПІ" (м. Харків), у Інституті монокристалів НАН України (м. Харків), у науково-дослідних роботах та навчальному процесі кафедри програмної інженерії та інформаційних технологій управління Національного технічного університету "ХПІ".Thesis for obtaining the philosophy doctor scientific degree on the specialty 122 “Computer sciences”. – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2020. Object of research is the process of synthesis and redesign of the business process structure of complex systems. Subject of research includes models and information technology of analysis and quality improvement of the business process structure based on the using of various modeling notations. The dissertation is devoted to the solution of the scientific and practical problem – development of the models and information technology of analysis and quality improvement of the business process structure of complex systems. The introduction substantiates the relevance of the topic of the dissertation, indicates the relationship with scientific topics, the purpose and objectives of the study are formulated, the object, subject and methods of research are identified, the scientific novelty and practical significance of the obtained results is shown, the information on practical use, personal contribution of the applicant, validation of the research results and their coverage in publications are provided. Information about the structure and scope of the dissertation is given. The first section analyzes the process of synthesis and redesign of the business processes structure of complex systems as a research object. Issues that have not yet been resolved and are relevant in terms of analysis and improvement of the quality of business processes are denoted. The most popular and widely used notations (BPMN, EPC, IDEF0, and DFD) that serve to describe business process structure, modern approaches to storing and analyzing business process model collections for their further reuse, business process structure representation formats (XPDL, AML, BPMN 2.0) are discussed in detail. Existing methods and tools of analysis and improvement of quality of business process structure are considered. As a result of the review, it was determined that the reviewed literature sources are not present formal methods that would allow to identify violations of the rules of structure of business processes, represented by various notations of modeling, and to generate recommendations in order to their elimination. The research problem related to those issues, which were revealed during the analysis of the process of synthesis and restructuring of the structure of business processes of complex systems as a research object, is formulated. The main of these problems are: formalization of rules of business process model design based on different modeling notations; development of the generalized quality criterion for business process models; formation of the method of analysis and improvement of a business process structure; development of the models, which are intended to form recommendations for elimination of revealed violations of business process model design rules; development of the information technology of analysis and quality improvement of the business process structure. The second section describes the theoretical foundations of the analysis and improvement of the quality of the structure of business processes. Based on the recommendations of business process model design, the rules of business process model design using different modeling notations are defined and formalized. Individual criteria have been formed, as well as the generalized quality criterion for business process models has been developed, which is based on the multi-criteria decision making method. The research presented in the second section has allowed elaborating: – the method of quantitative analysis of the business process structure is elaborated through the formation of balance coefficients, which, unlike the existing one, take into account different elements of the business process structure and features of their interrelations, which allows to apply the formed coefficients for the analysis of business process models in different notations in order to determine their compliance with the design rules; – the method of business process model quality assessment is elaborated by formalizing the design rules and generating a generic quality criterion instead of individual business process model metrics for certain notations, which allows to evaluate the business process model quality using a single quantitative metric. The third section is devoted to the development of models of analysis and improvement of the business process structure. There were considered the method of analysis and improvement of the business process structure, which allows detecting and eliminating violations of business process model design rules when using different modeling notations, and the models used to form recommendations for elimination of detected violations of business process model design rules (necessary changes in the number of certain elements of the business process structure and connections between them), which allows to improve the business process structure quality. The corresponding optimization problems are solved using the gradient descent method. The method of analyzing and improving the business process structure is based on the human-machine decision-making process, so it was proposed the procedure for formulating recommendations in the form of understandable text instructions for improving the business process structure based on the results of optimization problem solutions. In order to reuse the experience of improving the business process model quality, the procedure for grouping them by similarity in the context of fulfillment to the rules of business process structure design was developed. As the result of research, for the first time were obtained: – the method of analysis and improvement of the business process structure, which allows identifying and eliminating violations of the rules of building business models when using different modeling notations; – the models designed to formulate recommendations for eliminating identified violations of business process model design rules, which can improve the quality of the business process structure. In the fourth section on the basis of a detailed description of the process of analysis and improvement of the business process structure quality, functional capabilities and requirements for the information technology were defined. The information technology architecture is based on the use of modern technologies for extracting, processing and storing information about the business process structure. User work with the obtained results can be performed either through the web interface or through the analytical dashboard, which demonstrates generalized analysis results and provides decision support for improving the quality of the business process structure. The information technology was validated using prepared business process models provided in various notations, in which structural errors that violate certain business process structure design rules of BPMN, EPC, IDEF0, and DFD notations were intentionally injected; and using the full scale input information on the business process structure provided in different notations and domains. As the result there were improved the information technology of analysis and improvement of quality of business process structure, which is based on the developed method and models instead of existing solutions, which further allows automating detection and elimination of violations of business process models design in various notations. The analysis of the research results has shown that the formed method and the developed models, on which the information technology is based, unlike the existing formal methods and tools, allow not only to more accurately detect errors in the business process structure described using BPMN, EPC, IDEF0, and DFD notations, but also to evaluate the quality of the business process structure on the basis of a single quantitative indicator and obtain recommendations for its improvement by making necessary changes in the number of certain elements of the business process structure and the relations between them. Thesis research results were implemented at the “Scientific Park of NTU “KhPI” LLC (Kharkiv), state scientific institution “Institute for Single Crystals” of National Academy of Science of Ukraine (Kharkiv), in scientific research works and educational process of the Department of Software Engineering and Management Information Technologies of National Technical University “KhPI”.