Development of improved gateway mismatch metric and its software implementation for BPMN models analysis

Abstract

Structural defects in business process models directly affect their understandability, modifiability, and usability. Gateways are one of the key elements of the BPMN notation, defining the splits and joins of sequence flows. Therefore, an imbalance between splits and joins serves as an indicator of structural violations in the model. The existing gateway mismatch metric allows this imbalance to be measured, but it has significant limitations: the lack of a normalized scale makes it impossible to compare models of different sizes, and the metric’s calculation logic does not account for gateways of an undefined type, which correspond to neither splits nor joins but are frequently encountered in BPMN models. Thus, a modified metric was proposed to address these shortcomings. This metric is calculated as the weighted sum of the partial gateway mismatch indicators for each type of logical operator (AND, OR, XOR). The partial indicators take into account the total number of gateways of the corresponding type and additionally assume gateways of an undefined type, ensuring their explicit inclusion as structural defects. The result value ranges from 0 to 1, where 0 corresponds to complete structural consistency and 1 to the maximum level of mismatch. A developed software solution sequentially traverses the elements of a BPMN model, classifies each gateway by type and role, and calculates the values of both the original and modified metrics. Experiments were conducted on an open dataset of 350 structural descriptions of business processes were extracted from 197 English-language models. Analysis of the results demonstrates that the modified metric detects significantly more structural defects: the number of models with a medium level of mismatch increased from 25 to 124, while the number of models with a very low level decreased from 291 to 170. This indicates that the modified metric is more sensitive to defects. The average computation time for the modified metric is 0.0240 ms compared to 0.0225 ms for the original one, confirming the practical suitability of the proposed approach without significant losses in performance.

Структурні дефекти у моделях бізнес-процесів безпосередньо впливають на їх зрозумілість, модифікованість та придатність до використання. Логічні оператори є одним із ключових елементів нотації BPMN, що визначають розгалуження та злиття потоків керування, тому дисбаланс між розгалуженнями і злиттями слугує індикатором структурних порушень у моделі. Існуюча метрика невідповідності логічних операторів дозволяє виміряти цей дисбаланс, проте має суттєві обмеження: відсутність нормованої шкали унеможливлює порівняння моделей різного розміру, а логіка обчислення метрики не передбачає обробки логічних операторів невизначеного типу, які не відповідають ні розгалуженням, ні злиттям, проте часто зустрічаються у BPMN-моделях. Таким чином, було запропоновано модифіковану метрику, яка усуває ці недоліки. Дана метрика обчислюється як зважена сума часткових показників невідповідності для кожного типу логічних операторів (І, АБО, виключне АБО). Частковий показник враховує загальну кількість логічних операторів відповідного типу та додатково враховує логічні оператори невизначеного типу, що забезпечує їх явне включення як структурних дефектів. Результуюче значення належить діапазону від 0 до 1, де 0 відповідає повній структурній узгодженості, а 1 – максимальному рівню невідповідності. Розроблено програмне рішення, що виконує послідовний обхід елементів BPMN-моделі, класифікує кожен логічний оператор за типом та роллю і обчислює значення як оригінальної, так і модифікованої метрики. Експерименти проведено на відкритому наборі даних – зі 197 англомовних моделей вилучено 350 структурних описів бізнес-процесів. Аналіз результатів демонструє, що модифікована метрика виявляє суттєво більше структурних дефектів: кількість моделей середнього рівня невідповідності зросла з 25 до 124, тоді як кількість моделей дуже низького рівня скоротилась з 291 до 170. Це свідчить про вищу чутливість модифікованої метрики до дефектів. Середній час обчислення для модифікованої метрики становить 0,0240 мс порівняно з 0,0225 мс для оригінальної, що підтверджує практичну придатність запропонованого підходу без суттєвих втрат у продуктивності.