CC BY
58
Новые и перспективные разработки
УДК 004.942
Исследование оптимального распределения ресурсов эвристическим методом
М.В. Овсянников, В.В. Таратухин, И.А. Стогний
В работе описан подход к управлению бизнес-процессами в интегрированных информационных системах, объединяющий моделирование бизнес-процессов, управление проектами и управление потоками работ. В рамках данного подхода ставится задача распределения ресурсов и исследуется возможность ее решения эвристическим методом.
Ключевые слова: управление бизнес-процессами, интегрированные информационные системы, моделирование бизнес-процессов, управление проектами, управление потоками работ, распределение ресурсов.
The article describes an approach to the management of business processes in integrated information systems, combining the simulation of business processes, project management and job flow control. Within the frameworks of this approach the problem of resources allocation is posed and a possibility of its solution by heuristic method is investigated.
Keywords: business processes management, integrated information systems, business processes simulation, project management, job flow control, resources allocation.
Описание проблемы
/^ложность управления бизнес-процессами в корпоративных информационных системах, таких как BPM-системы (Business-process management) обуславливает необходимость применения следующих технологий:
ОВСЯННИКОВ Михаил Владимирович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Компьютерные системы автоматизации производства» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
ТАРАТУХИН Виктор Владимирович
кандидат технических наук, доктор философии (PhD), профессор базовой кафедры корпоративных информационных систем (ГУ - ВШЭ)
СТОГНИИ Игорь Александрович
аспирант кафедры «Компьютерные системы автоматизации производства» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Известия высших учебных заведений
— моделирование бизнес-процессов — построение модели типового бизнес-процесса на основе обследования предприятия и моделей-прототипов. В настоящий момент существуют информационные системы, позволяющие автоматизировать процесс моделирования (системы реинжиниринга бизнес-процессов (РБП)). Модели-прототипы, разработанные применительно к реальным условиям (лучшие образцы практики) или построенные теоретически, документируют ноу-хау процесса, которое используется для моделирования [1];
— управление проектами — индивидуализация типового процесса по мере появления условий его запуска. При этом уточняется модель процесса, назначаются конкретные параметры отдельных задач и распределяются ресурсы на эти задачи;
— workflow — реализация процесса средствами автоматизированной системы управления потоком работ, используя возможность автоматизированной выдачи заданий исполнителям, интеграции входных и выходных данных и автоматизированного запуска соответствующих приложений.
Под бизнес-процессами в данной работе понимается последовательность операций выполняемых на предприятии в целях получения прибыли. Основой для создания моделей потоков операций являются правильно структури-
Текущее состояние-процессов
Изменение условий
Эталонные модели
Состояние ресурсов
Уточнение параметров модели
1
Построение Исходный вариант
модели для оптимизации
«Как есть» модели процессов
+
Оптимизация модели Состав работ
процессов проектов Мониторинг
1 состояния
Генерация Распределение процессов
и управление ресурсов
проектами
Формирование и реализация Указания исполнителя
потоков работ
Рис. 1. Интегрированный подход к управлению процессами
рованные модели процессов [2]. Интеграция этих трех технологий позволит объединить разрозненные этапы управления процессами в единый процесс (рис. 1).
Идея данного подхода не нова. В частности, в работе [1] автор предлагает обобщенную систему управления процессами, которая объединяет обозначенные три технологии управления. Однако управление проектами используется для совершенствования бизнес-процессов, но не для формирования потока операций [3].
Предлагаемая интеграция создания бизнес-процессов, управления проектами, управления потоками операций требует постановки и решения новых оптимизационных задач, решение которых, с одной стороны, позволит повысить эффективность общего управления процессами, а, с другой стороны, требует создания интерфейсов между разнородными моделями, описывающими процессы [4].
В информационных системах, реализующих технологию workflow, конкретная модель реализации процесса для управления потоком работ (этап workflow) строится на основе модели бизнес-процесса в нотации eEPC или собственной нотации, подобной IDEF3 или DFD (шаблон процесса). При этом, назначение исполнителей на операции осуществляется вручную при запуске процесса.
Предлагаемый авторами интегрированный подход предназначен для повышения эффективности использования ресурсов при управлении процессами (рис. 2).
Рис. 2. Реализация интегрированного подхода
Постановка задачи распределения ресурсов
Рассмотрим две постановки задачи оптимального распределения ресурсов по задачам.
Введем следующие обозначения:
— экземпляр задачи ^ (/ = 1 ,..., I). Например: проектирование вала, проектирование шестеренки и т. д.;
— трудоемкость выполнения /-го экземпляра задачи — т,;
— экземпляр ресурса Яп (п = 1 ,..., М). Например: Иванов, Петров и т. д.;
— стоимость п-го экземпляра ресурса —
ОЯп;
— тип ресурса Яу (у = 1 ,..., У). Например: Конструктор, Технолог и т. д.;
— количество ресурса у-го типа, выделяемого на /-й экземпляр задачи — МЯу,;
— тип задачи Ьт (т = 1 ,..., М). Например: Проектирование КД, проектирование ТД и т. д.;
— производительность п-го экземпляра ресурса при выполнении задачи т-го типа — Рпт.
Тогда задачи формулируются следующим образом. Пусть имеется ациклический И-граф (сетевой график), вершинами которого являются события, а дугами экземпляры задач а/. Каждому экземпляру задач а1 соответствует своя трудоемкость выполнения т,. Необходимо найти такое распределение экземпляров ресурсов Яп, стоимостью 8Яп на экземпляры задач а,, при котором:
задача 1. Затраты на выполнение процесса О принимают минимальное значение.
задача 2. Время выполнения процесса Т
При условии, что количество ресурса у-го типа, выделяемого на /-й экземпляр задачи (№Яу ) не отрицательно, и что производительность п-го экземпляра ресурса при выполнении задачи т-го типа (Рп т) положительна.
Эвристический метод распределения ресурсов
По определенным ранее приоритетам происходит выбор решающего правила. После это-
го проводится имитация — расчет с учетом решающих правил. Далее анализируется, если результат неудовлетворительный, то выбирается другой набор решающих правил с другими приоритетами. На предварительном этапе должна быть сформирована база решающих правил. Решающие правила делятся на простые и комбинированные. Простые правила состоят из одного предусловия. Комбинированные правила состоят из нескольких предусловий [5].
Достоинством эвристических методов является удобство их реализации на ЭВМ даже при решении громоздких задач, а также быстрое время работы. Недостатки эвристических методов заключаются в сложности оценки близости полученных расписаний к оптимальному. Кроме того, для каждой функции предпочтения существуют задачи, для которых применение данной функции приводит к плохим результатам. Один из путей совершенствования метода функций предпочтения состоит в их привязке к классам задач.
Исследование оптимального распределения ресурсов эвристическим методом
В качестве исходных данных была рассмотрена модель процесса конструкторско-техно-логической подготовки, составленная на основе экспертных данных. Было проведено исследование влияния весовых коэффициентов комбинированного приоритетного правила на получаемые результаты (время выполнения и затраты на выполнение задач). Использовались следующие комбинированные правила:
„ _ £1,1 + £1,п1 . , , Оу ,1 + Оу пу _ О з _ »1 +•••+„ »у ;
п1
пу
^ , а, , а2 , а3 , а4 ,
КиЫа8к = —— к + к2 + —— к. + к4
к 1 к 2 3 к1,тах к2
к 3 к
2,тах 3,тах 4,тах
и
Известия высших учебных заведений
а 5 / \ а 6 ЯШигаюш*« = --{к^ - к5) + к-кб.
к 5,тах к 6,тах
где а( — весовой коэффициент [0 ,..., 1]; к( — значение показателя для данного объекта (задачи или ресурса); к/тах— максимальное значение показателя для доступных для выполнения задач или свободных ресурсов. Показатели:
1 — трудоемкость выполнения задачи;
2 — количество ресурсов, назначенных на задачу;
3 — средние затраты на задачу;
4 — полный резерв задачи;
5 — стоимость ресурса;
6 — производительность ресурса. Средние затраты на задачу рассчитываются
следующим образом:
О з =
+ 01,п 1
г 1 +... +
Ъ ,1 + 0
У ,пу
где у — роль (тип) экземпляра ресурса; п — количество экземпляров ресурса у-й роли; 0упу — затраты на один час работы п-го экземплярау-й роли (типа); ^ — трудоемкость выполнения задачи для у-й роли экземпляров ресурсов.
Исследовались две задачи — минимизация затрат и минимизация времени. Ниже приведены результаты для минимизации времени. Исследование состояло из двух этапов. Сначала было просканировано пространство вариантов варьирования весовых коэффициентов, т. е. варьировалось значение весовых коэффициен-
тов от 0 до 1 и рассчитывалось значение времени выполнения процесса. В результате получено (упорядочено в порядке убывания):
Видно, что варьирование коэффициентов при приоритетных правилах существенно влияет на значение целевой функции. Например: при использовании стохастического подхода к назначению ресурсов на операции в самом неблагоприятном случае выполнение данного экземпляра процесса заняло бы 227 условных единиц. Используя разработанную программу, получили решение, которое занимает 178 условных единиц. Таким образом, разница составляет около 25%. Более того разработанная программа позволяет проводить исследования эффективности выбора приоритетных правил. Для анализа влияния весовых значений весовых коэффициентов пространство вариантов было разбито на девять подобластей. В
Рис. 4. Среднее значение коэффициентов для упорядоченного по времени пространства вариантов
п
п
Рис. 3. Результаты сканирования пространства вариантов, упорядоченные по времени выполнения процесса
МАШИНОСТРОЕНИ
228-
218
208
198
178-
•-
Рис. 5. Произвольные пять точек для пространства вариантов упорядоченного по времени
каждой подобласти было рассчитано среднее значение весовых коэффициентов. Графически это можно представить следующим образом.
На приведенных графиках видно, что меньшим значениям целевой функции времени соответствует меньшее значение весового коэффициента для пяти правила и большее значение коэффициента для шестого. Значение весового коэффициента для трех правила изменяется незначительно. Можно сделать предположение, что данное приоритетное правило не оказывает влияние на целевую функцию и его использование является неэффективным.
Также были выбраны пять точек в пространстве вариантов и произведен прогон алгоритма локальной оптимизации. Были получены сле-
дующие результаты, для пространства вариантов, упорядоченного по времени:
На рисунке видно, что ни в одной из пяти выбранных точек не достигается наименьшее значение времени. Более того, видно, что локальный оптимум не намного улучшает исходное значение. Это объясняется тем, что пространство вариантов во многих областях имеет достаточно протяженные «плато» (области с равным значением целевой функции). Отсюда можно сделать вывод, что алгоритм локальной оптимизации нуждается в доработке.
Литература
1. Шеер А.В. Бизнес-процессы. Основные понятия. Теория. Методы / Пер. с англ. М.: АОЗТ «Просветитель», 1999. 152 с.
2. Менеджмент процессов / Под ред. Й. Беккера, Л. Вил-кова, В. Таратухина, М. Кугелера, М. Роземанна; Пер. с нем. М.: Эксмо, 2008. 384 с. (Качественный менеджмент).
3. Аалст В.В., Хей К.В. Управление потоками работ: модели, методы и системы / Пер. с англ. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 316 с.
4. Овсянников М.В., Зобнин С.А. Компьютерная система автоматизации реинжиниринга бизнес-процессов для промышленных предприятий. Сб. трудов XII Научно практической конференции «Реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий. МГУЭСИ М., 2009. С. 207-211.
5. Овсянников М.В., Стогний И.А. Задача распределения ресурсов в интегрированном подходе к управлению процессами. Сб. трудов XIII Научно-практической конференции «Реинжиниринг бизнес-процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями». МГУЭСИ. М., 2010. С. 230-233.
Статья поступила в редакцию 30.03.2011 г.
