Kopplung von zeitdiskreten, domänenspezifischen Simulationsmodellen an Prozessmodelle der BPMN 2.0

Abstract

Geschäftsprozesse sind naturgemäß einer Umgebung ausgesetzt. Sie besitzen nicht nur einen Ein- und Ausgang, sondern interagieren auch zur Laufzeit mit anderen Systemen, welche mit den Mitteln der Prozessmodellierung nicht adäquat repräsentierbar sind. Dies können entweder im jeweiligem Betrieb befindliche Systeme, wie Maschinen oder Lager, oder auch externe Systeme, wie Logistiknetze oder Wettereinflüsse sein. Die Interaktionsbeziehungen zwischen Prozessen und umliegenden Systemen sind in einigen Fällen bidirektional und kybernetisch. Bei der Simulation von Geschäftsprozessen wurde diesem Aspekt bisher keine Rechnung getragen, obwohl diese Systemumgebung für eine umfassende Leistungsmessung der Prozesse branchenabhängig eine entscheidende Rolle spielen kann.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verknüpfung von in der BPMN 2.0 modellierten Prozessen mit domänenspezifischen Simulationsmodellen. Als Voraussetzung f\"ur die verknüpften Modelle wird lediglich gestellt, dass diese zeitdiskret sind und auf den gleichen Simulationskern wie die Prozesssimulation zugreifen. Zu diesem Zweck werden diejenigen Elemente der BPMN 2.0 identifiziert, die unter Einhaltung der Spezifikation der OMG erweitert werden können, um Interaktionsbeziehungen zu domänenspezifischen Systemen darzustellen. Die Verknüpfungen zu den Teilmodellen können hierdurch in bestehende Prozessdefinitionen integriert werden. Es wird erläutert, welche Arten von Interaktionsbeziehungen zwischen heterogenen Teilmodellen und Prozessmodellen grundsätzlich darstellbar und für die Simulation nutzbar sind. Eine Benutzeroberfläche wird entworfen, über welche der Anwender die Kopplung von Prozessmodellen an konkrete Teilmodelle oder Entitäten der Teilmodellen konfigurieren kann, so dass dynamische Interaktionsbeziehungen während der Simulation ermöglicht werden. Ein Mechanismus zur entsprechenden Parametrierung, Generierung und Verknüpfung der Simulationsmodelle wird vorgestellt. Hierbei werden die Prinzipien der komponentenbasierten Entwicklung angewandt. Dadurch entsteht ein Softwarerahmenwerk, welches durch Hinzufügen von Erweiterungen ohne Änderung an der bestehenden Code-Basis für verschiedene Branchenlösungen angepasst werden kann. Die Konzepte werden prototypisch mit der Rahmenanwendung Empinia und der Simulationsbibliothek DESMO-J implementiert. Anhand eines Fallbeispiels aus dem Forschungsprojekt \"Systemoptimierung Offshore Wind\"\' wird der Prototyp und somit die vorgestellten Konzepte evaluiert.

Das Ergebnis ist ein für verschiedene Branchen adaptierbares Kollaborationsrahmenwerk. Es eignet sich zur kostengünstigen und risikolosen Leistungsmessung von Prozessen mit Hilfe von Simulationsexperimenten im Rahmen von Business Process Improvement-Projekten, bei denen domänenspezifische Teilmodelle eine entscheidende Rolle für das Laufzeitverhalten der Prozesse spielen. Die Erweiterbarkeit der Software vergrößert dabei das mögliche Einsatzfeld der Prozesssimulation im erheblichen Maße.

Intrinsically, business processes are exposed to an environment. In addition to their input and output, they interact with other systems at runtime, which are not adequately representable with the traditional means of process modeling. These may either be internal systems applied in particular companies, such as machines or stocks, or external systems, such as logistics networks or weather conditions. In some cases, interaction relationships between processes and surrounding systems may be bidirectional and cybernetic. In business process simulation this has not been sufficiently considered so far, even though the system environment may play a decisive role for comprehensive performance measurements of processes.

This work is concerned with linking up processes modeled by BPMN 2.0 with domain-specific simulation models. The only preconditions for the linked models are that they ought to be time-discrete and that they shall refer to the same simulation core as the process simulation does. For this purpose, those elements of BPMN 2.0 are identified which can be extended while complying the specification of the OMG, to represent the interaction relationships with domain-specific systems. Hereby, links to partial models can be integrated into existing process definitions. It is elucidated, which types of interaction relationships between heterogeneous models are generally representable and utilizable for the simulation. A user interface is designed, through which the user can configure the coupling of process models with concrete partial models or entities out of these partial models in such a way that dynamic interaction relationships are enabled during the simulation. A mechanism for the corresponding parametrization, generation, and linkage of simulation models is presented. The principles of component-based development are applied consistently. From this approach, a software framework was obtained that can be adjusted for different industries by adding extensions without changing the existing code base. The concepts are prototypically implemented using the framework application Empinia and the simulation library DESMO-J. The prototype and the presented concepts are evaluated by means of a case study from the research project “System Optimization Offshore Wind”.

The result is a collaboration framework that is adaptable for various industries and that is suitable for cost-efficient and risk-free performance measurement of processes with the help of simulation experiments within business improvement projects in which domain-specific partial models play a decisive role for the runtime behavior of the processes. Thereby, the expandability of the software increases the potential range of application significantly.