Моделі, методи та інформаційні технології інтелектуального аналізу бізнес-процесів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.13.06 "Інформаційні технології" (122 – Комп’ютерні науки). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Об’єкт дослідження – процеси підтримки прийняття рішень щодо управління бізнес-процесами із змінною структурою в умовах невизначеності. Предмет дослідження – інформаційна технологія інтелектуального аналізу гнучких бізнес-процесів в умовах неконтрольованих змін зовнішнього середовища. Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-практичної задачі забезпечення ефективності функціонування підприємств в умовах неконтрольованих змін зовнішнього середовища шляхом розробки і використання інтелектуальних інформаційних технологій на основі ситуативно-сценарних моделей. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв’язок роботи з науковими темами, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання, апробацію результатів та їх висвітлення у публікаціях. У першому розділі роведено аналіз та класифікацію задач організаційного управління та підтримки прийняття рішень, визначено особливості управління в розподілених організаційних структурах та динамічних середовищах, досліджено задачу аналізу бізнес-процесів (БП) на підприємстві, проведено аналіз можливостей сучасних інформаційних технологій. Інтелектуальний аналіз процесів полягає у виявленні, дослідженні ефективності та оптимізації бізнес-процесів. Аналіз процесів спрямований на побудову та вдосконалення моделей функціонування взаємодіючих фізичних або інформаційних об’єктів на основі обробки інформації, що фіксує таку поведінку. Необхідність автоматизації виконання бізнес-процесів привела тісної взаємодії бізнесу та інформаційних технологій. Таким чином, у роботі поставлено задачу забезпечення ефективності функціонування підприємства в умовах неконтрольованих змін зовнішнього середовища, яка складається з таких етапів: 1) розробка концептуальної моделі гнучкого БП у розподіленому віртуальному середовищі; 2) розробка моделі взаємодії замовників та виконавців на основі ситуативно-сценарного підходу; 3) розробка математичної моделі управління гнучким БП; 4) розробка методу формування організаційної структури виконання робіт; 5) розробка методу формування адаптивної команди виконавців; 6) розробка прикладних засад побудови багатоагентної системи як базису інформаційної технології інтелектуального аналізу БП. У другому розділі проаналізовано основні принципи аналізу та оптимізації бізнес-процесів, обґрунтовано вибір математичного інструментарію, запропоновано комплекс моделей управління гнучкими БП на основі ситуативно-сценарного підходу, розроблено модель організаційної структури виконання робіт на основі взаємодії мережі агентів потреб та можливостей. В роботі запропоновано вербальну модель аналізу гнучких БП, які функціонують в динамічних бізнес-середовищах; розроблено комплекс концептуальних моделей управління та представлення гнучких БП; запропоновано формальну модель агентної системи на основі імітаційного моделювання взаємодії агентів потреб та агентів можливостей, що дозволяє проводити аналіз та оперативну реорганізацію БП відповідно до змін внутрішнього або зовнішнього середовища; визначено стандарт FIPA як основу для проектування архітектури агентної платформи; запропоновано підхід на основі опису правил продукцій мовою алгебри скінченних предикатів для представлення ситуацій, що виникають під час виконання БП. В роботі показано, що дієвим інструментом аналізу БП є імітаційне моделювання. Проведено аналіз математичних засобів подання об’єктів предметної області аналізу бізнес-процесів. Обґрунтовано використання математичного апарату алгебри скінченних предикатів (АСП). В роботі розроблено метод ідентифікації інформації для підтримки прийняття рішень на основі використання апарату алгебри скінченних предикатів. Описано за допомогою мови АСП поточний стан БП та можливі ситуації відповідно до альтернативних рішень управління БП. Прийняття рішень щодо управління БП здійснюється шляхом аналізу поточного стану БП та виявлення ситуації. Аналітичне рішення такого класу задач неможливо, тому в роботі пропонується імітаційна модель на основі багатоагентного підходу. азовим інструментом розробки інтелектуальних багатоагентних систем, що дозволяє створювати, знищувати, інтерпретувати, запускати і переміщати агентів, є агентна платформа. В роботі запропоновано використання стандартів FIPA, які надають базові визначення понять комунікації агентів. На основі аналізу існуючих підходів до проектування агентно-орієнтованих програмних систем та специфікацій стандартів багатоагентних систем були виділені підходи для побудови архітектури агентної платформи та відповідні вимоги. Еталонна модель агентної платформи складається з таких компонентів: 1) агент – це обчислювальний процес, який реалізує автономну комунікаційну функціональність програми; 2) фасилітатор каталогів, який надає послуги «жовтих сторінок» іншим агентам; 3) система управління агентом – обов’язковий компонент, який здійснює контроль за доступом до агентної платформи та його використанням; 4) служба транспортування повідомлень – це метод зв’язку за замовчуванням між агентами на різних агентних платформах. Запропонована в роботі формальна модель агента використана для побудови моделі взаємодії двох типів агентів: агентів потреб та агентів можливостей. Показано, що імітаційна модель взаємодії агентів потреб та агентів можливостей дозволяє побудувати модель управління гнучким БП на основі ситуативно-сценарного підходу. У третьому розділі розглянуто комплексний підхід до вирішення задачі забезпечення ефективності функціонування підприємства в умовах динамічного бізнес-середовища. Розроблено метод формування організаційної структури виконання робіт в умовах динамічного середовища. Розроблено ситуативно-сценарну модель управління БП для вирішення задачі формування та реорганізації оргструктури виконання робіт з урахуванням даних, отриманих у реальному часі. Запропоновано концептуальні засади створення спеціалізованої інформаційної технології інтелектуального аналізу БП. В роботі показано, що зниження ефективності існуючих систем управління складними організаційними структурами пов’язане з ізольованістю підсистем, які входять до неї. Методи побудови організаційних структур, які використовуються в даний час, не відповідають складності і динамічності навколишнього середовища. Для побудови структури управління необхідно вирішити кілька подібних завдань, що визначаються кількістю рівнів ієрархії, кількістю вершин графа цілей і робіт. При побудові організаційної структури часто необхідно оцінити та проаналізувати вже існуючу структуру управління. Для цих цілей в роботі запропоновано модель аналізу структури управління. Для адаптивних команд проекту додається умова можливості реалізації претендентом декількох функцій, тобто володіння кількома професійними компетенціями. Розроблено метод формування організаційної структури робіт для підтримки прийняття рішень в умовах динамічного середовища за рахунок реалізації ситуативно-сценарного підходу та формалізації інтелектуальних процесів прийняття рішень на основі агентної моделі, який дозволяє забезпечити адаптацію процесу до поточних даних та неконтрольованих змін зовнішнього середовища. Розроблені в роботі моделі та метод, спрямовані на аналіз та формування гнучкої організаційної структури робіт, покладено в основу інформаційної технології. Четвертий розділ присвячено удосконаленню інформаційної технології на основі багатоагентної моделі управління БП за рахунок методу відображення поточного стану ситуації у продукційній базі знань. Запропоновано прототип системи імітаційного моделювання виконання БП на базі застосування агентних технологій. Розроблено архітектуру програмної системи агентної платформи, проведено дослідження надійності розроблених компонентів. Проведено апробацію розроблених моделей, підходів та інформаційної технології в існуючі інформаційні системи сучасних підприємств. Розроблено прототип агентної платформи для реалізації моделі управління та аналізу БП на основі використання формальних методів проектування багатопоточних систем. Для реалізації прототипу агентної платформи обрано об’єктно-орієнтовану мову програмування Java, статично типізовану мову програмування Kotlin. Реалізацію прототипу програмної системи розглянуто для наступної постановки задачі. Дано два типи ролей у БП: замовник та виконавець. Кожен замовник формує множину вимог щодо завдання, яке необхідно виконати. Кожен виконавець характеризується множиною обмежень (компетентностей) щодо можливостей виконання по кожному типу завдань. Вимоги до потреб та обмеження можливостей задані системою предикатних виразів та зберігаються у замовника та виконавця відповідно. Багатоагентна система комунікації замовників та виконавців дозволяє при додаванні виконавця змінювати поточний стан та здійснювати реорганізацію структури виконання робіт за рахунок реалізації функціоналу «перемов», тобто кожний замовник має змогу «домовитись» із новим виконавцем. Відповідно, при додаванні замовника кожний виконавець має змогу «домовитись» про виконання нового завдання. Для оцінки прототипу агентної платформи запропоновано оцінити такі параметри, як обсяг виділеної оперативної пам’яті, обсяг навантаження процесора та кількість виділених потоків. Результати експериментів показують, що навіть при двох мільйонах створених агентів, використання процесора було у середньому близько 34%, а максимальне використання процесора – 65%. Це підтверджує припущення щодо ефективності реалізації архітектури багатоагентної системи на основі використання пакету розробки співпрограм Kotlin-coroutines. Зроблено висновок, що кількість агентів є головним параметром, який впливає на надійність та ефективність розробленої агентної платформи. Оскільки запропонована архітектура використовує неблокуючу структуровану багатонитковість і не використовує рефлексію виконання для синхронізації функцій вводу/виводу повідомлень та розподілу пам’яті, розроблене рішення демонструє певні переваги в контексті навантаження центрального процесору та використання пам’яті. З урахуванням технічних обмежень середовища тестування зроблено висновок, що розроблений прототип задовольняє висунутим вимогам та результати тестування є задовільними. Таким чином, інформаційна технологія інтелектуального аналізу бізнес-процесів вдосконалює та доповнює існуючий підхід до управління БП і не суперечить існуючій практиці, що свідчить про її практичну цінність та обґрунтованість використання. Проведено апробацію розроблених моделей, підходів та інформаційної технології в існуючі інформаційні системи ТОВ "ОПТІ КЛІМАТ", ТОВ Птахоцентр, ТОВ "Електронний світ". Отримані теоретичні та практичні результати використані у ХТТК НТУ "ХПІ" та впроваджено у навчальний процес на кафедрі програмної інженерії та інформаційних технологій управління НТУ "ХПІ".Thesis for the degree of candidate of technical sciences (philosophy doctor) in specialty 05.13.06 – "Information technologies" (122 – Computer Sciences). -National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to the solution of an important scientific and practical problem of ensuring the efficiency of enterprises in the conditions of uncontrolled changes in the external environment through the development and use of intelligent information technologies on the basis of situational and scenario models. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, indicates the relationship of work with scientific topics, formulates the purpose and objectives of the study, defines the object, subject and methods of research, shows the scientific novelty and practical significance of the results, provides information on practical use, approbation of results and their coverage in publications. The first section analyzes and classifies the tasks of organizational management and decision support, identifies features of management in distributed organizational structures and dynamic environments, explores the problem of business process analysis (BP) at the enterprise, analyzes the capabilities of modern information technology. Intelligent process analysis is to identify, study the effectiveness and optimization of business processes. Process analysis aims to build and improve models of functioning of interacting physical or information objects based on the processing of information that captures such behavior. The need to automate the implementation of business processes has led to close interaction between business and information technology. Thus, the paper sets the task of ensuring the efficiency of the enterprise in the conditions of uncontrolled changes in the external environment, which consists of the following stages: 1) development of a conceptual model of a flexible PSU in a distributed virtual environment; 2) development of a model of interaction between customers and performers on the basis of situational-scenario approach; 3) development of a mathematical model of flexible BP control; 4) development of a method of formation of organizational structure of performance of works; 5) development of a method of forming an adaptive team of performers; 6) development of applied bases of construction of multiagent system as a basis of information technology of intellectual analysis of BP. The second section analyzes the basic principles of analysis and optimization of business processes, substantiates the choice of mathematical tools, proposes a set of models for managing flexible BP based on situational-scenario approach, developed a model of organizational structure based on the interaction of agents and needs. The paper proposes a verbal model of analysis of flexible PSUs that operate in dynamic business environments; developed a set of conceptual models of management and representation of flexible PSUs; a formal model of the agent system is proposed on the basis of simulation modeling of the interaction of agents of needs and agents of capabilities, which allows to analyze and promptly reorganize the BP in accordance with changes in the internal or external environment; the FIPA standard is defined as a basis for designing the architecture of the agent platform; an approach based on the description of product rules in the language of finite predicate algebra is proposed to represent the situations that arise during the execution of BP. The paper shows that simulation is an effective tool for BP analysis. The analysis of mathematical means of representation of objects of the subject area of the analysis of business processes is carried out. The use of the mathematical apparatus of finite predicate algebra (FPA) is substantiated. The paper develops a method of information identification to support decision-making based on the use of the apparatus of algebra of finite predicates. The current state of the PSU and possible situations in accordance with alternative BP management solutions are described with the help of the FPA language. Decision-making on BP management is carried out by analyzing the current state of BP and identifying the situation. Analytical solution of this class of problems is impossible, so the paper proposes a simulation model based on a multi-agent approach. The agent platform is an basic tool for developing intelligent multi-agent systems that allows you to create, destroy, interpret, run and move agents. The paper proposes the use of FIPA standards, which provide basic definitions of agent communication concepts. Based on the analysis of existing approaches to the design of agent-oriented software systems and specifications of standards for multi-agent systems, approaches to building the architecture of the agent platform and the corresponding requirements were identified. The reference model of the agent platform consists of the following components: 1) the agent is a computational process that implements the autonomous communication functionality of the program; 2) directory facilitator, which provides "yellow pages" services to other agents; 3) agent management system – a mandatory component that controls access to the agent platform and its use; 4) message transport service is a default method of communication between agents on different agent platforms. The formal model of the agent proposed in the work is used to build a model of interaction of two types of agents: agents of needs and agents of capabilities. It is shown that the simulation model of interaction of agents of needs and agents of opportunities allows to build a model of management of flexible BP on the basis of the situational-scenario approach. The third section considers a comprehensive approach to solving the problem of ensuring the efficiency of the enterprise in a dynamic business environment. The method of formation of organizational structure of performance of works in the conditions of the dynamic environment is developed. The situational-scenario model of BP management for the decision of a problem of formation and reorganization of organizational structure of performance of works taking into account the data received in real time is developed. Conceptual bases of creation of specialized information technology of intellectual analysis of BP are offered. The paper shows that the decrease in the efficiency of existing management systems of complex organizational structures is associated with the isolation of the subsystems that are part of it. The methods of building organizational structures currently used do not correspond to the complexity and dynamism of the environment. To build a management structure, it is necessary to solve several similar problems, which are determined by the number of levels of the hierarchy, the number of vertices of the graph of goals and works. When building an organizational structure, it is often necessary to evaluate and analyze the existing management structure. For these purposes, the model of management structure analysis is proposed in the work. For adaptive teams of the project the condition of possibility of realization by the applicant of several functions, ie possession of several professional competences is added. A method of forming the organizational structure of work to support decision-making in a dynamic environment through the implementation of situational-scenario approach and formalization of intelligent decision-making processes based on the agent model, which allows to adapt the process to current data and uncontrolled changes in the environment. The models and methods developed in the work, aimed at the analysis and formation of a flexible organizational structure of works, are the basis of information technology. The fourth section is devoted to the improvement of information technology on the basis of a multi-agent model of BP management due to the method of reflecting the current state of the situation in the production knowledge base. The prototype of the system of simulation modeling of BP performance on the basis of application of agent technologies is offered. The architecture of the software system of the agent platform has been developed, the reliability of the developed components has been studied. The developed models, approaches and information technology were tested in the existing information systems of modern enterprises. A prototype of an agent platform for the implementation of the BP management and analysis model based on the use of formal methods for designing multithreaded systems has been developed. An object-oriented Java programming language, the statically typed Kotlin programming language, was chosen to implement the agent platform prototype. The implementation of the software system prototype is considered for the next problem statement. There are two types of roles in the BP: the customer and the executor. Each customer forms a set of requirements for the task to be performed. Each executor is characterized by a set of restrictions (competencies) on the ability to perform each type of task. Requirements for needs and limitations of possibilities are set by the system of predicate expressions and are stored at the customer and the executor accordingly. Multi-agent communication system of customers and contractors allows adding the contractor to change the current state and reorganize the structure of work through the implementation of the functionality of "negotiations", ie each customer has the opportunity to "negotiate" with a new contractor. Accordingly, when adding a customer, each executor has the opportunity to "agree" on a new task. To evaluate the prototype agent platform, it is proposed to evaluate such parameters as the amount of allocated RAM, the amount of CPU load and the number of allocated threads. The results of the experiments show that even with two million agents created, CPU usage averaged about 34% and maximum CPU usage was 65%. This confirms the assumptions about the effectiveness of the multi-agent system architecture based on the use of the Kotlin-coroutines co-development package. It is concluded that the number of agents is the main parameter that affects the reliability and efficiency of the developed agent platform. Because the proposed architecture uses non-blocking structured multithreading and does not use execution reflection to synchronize I / O functions and memory allocation, the developed solution demonstrates certain advantages in the context of CPU load and memory usage. Taking into account the technical limitations of the testing environment, it is concluded that the developed prototype meets the requirements and the test results are satisfactory. Thus, the information technology of intellectual analysis of business processes improves and complements the existing approach to the management of BP and does not contradict the existing practice, which indicates its practical value and validity of use. Approbation of the developed models, approaches and information technology in the existing information systems of LLC "OPTI KLIMAT", LLC "Ptahocentr", LLC "Electronic World" was carried out. The obtained theoretical and practical results were used in KhCTPC NTU "KhPI" and introduced into the educational process at the Department of Software Engineering and Information Technology Management NTU "KhPI".