23、灵活且数据感知的业务流程引擎通用框架

灵活且数据感知的业务流程引擎通用框架

1. 流程定义：DeciClare

DeciClare 是一种混合视角的声明式流程和决策建模语言，专门针对松散框架的知识密集型流程（KiPs）。它可用于创建这些流程在控制流、数据和资源方面的详细模型。目前它采用抽象语法的直接实例化（即文本格式的临时可视化语法），因为真正的可视化语法尚未开发出来。

DeciClare 基于 Declare 语言及其大部分扩展，Declare 模型可轻松转换为等效的 DeciClare 模型。此外，它还添加了更多视角以及 DMN 语言的概念，使其具有“数据感知”能力，能根据特定执行上下文使用数据值来激活或停用约束，并对通常支配 KiPs 的决策逻辑进行建模。

DeciClare 支持 36 种约束模板，分为四个模板类：存在性、关系、资源和数据。其中 26 个模板具有时间参数，用于表示约束适用的时间间隔。

当前实现的 DeciClareEngine 工具支持 DeciClare 的 18 个最重要的约束模板。一个 DeciClare 模型可以包含满足相关要求的所有必要信息，能够对活动、资源及其所有关系进行全面建模，并可根据数据元素丰富约束的激活和停用决策，以实现与现实高度匹配的细节水平。

2. 演示：DeciClareEngine

DeciClareEngine 工具（可在 github.com/stevmert/DeciClareBPMS/blob/master/engine/releases/DeciClareEngine.jar 找到，代码也可在该 GitHub 上获取）用于演示上一节的通用框架如何实现。它是一个数据感知的声明式业务流程引擎（BPE），以 DeciClare 模型作为输入，支持给定流程模型的控制流、决策逻辑、时间限制、资源授权和资源使用。

启动 BPE 时，用户需先选择在流程实例中要承担的角色，然后主界面才会打开。屏幕顶部显示当前时间、用户（即当前资源）以及当前部分轨迹。屏幕中间显示 A 到 E 层。屏幕底部列出模型中使用的所有数据元素，并提供为当前实例添加或更改这些元素的选项。

用户可以通过点击 A 层或 B 层的活动来执行它，这会弹出一个屏幕，用户可以输入活动的持续时间并在活动执行过程中更改数据元素。B、C、D 和 E 层活动旁边的“解释”按钮会向用户展示导致该活动被放置在该特定层的一组特定约束（即未来限制或违规情况）。活动名称旁边会显示延迟和截止日期，并且可以随时查看其当前状态。用户可以点击屏幕底部或相应活动旁边的“相关模型”按钮，获取当前活动的约束子集。

下面以治疗手臂相关骨折的医疗流程为例进行演示：
|活动|S0|S1|S2|S3|S4|S5|S6|S7|S8|S9|S10|S11|S12|S13|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|Register patient|B|B|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|
|Take medical history of patient|C|E|C|B|B|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Clinical examination of patient|C|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Doctor consultation|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Take X-ray|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Take CT scan|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Prescribe NSAID painkillers|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Prescribe SAID painkillers|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Prescribe anticoagulants|E|E|E|E|E|B|D|D|D|D|D|D|D|E|
|Prescribe stomach protecting drug|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Prescribe rest (=no treatment)|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Apply ice|C|E|C|B|B|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Apply cast|E|E|E|E|E|E|E|E|B|B|B|B|C|E|
|Remove cast|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|
|Apply splint|C|E|C|B|B|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Apply sling|C|E|C|B|B|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Apply fixation|E|E|E|E|E|E|E|E|B|B|B|B|C|E|
|Remove fixation|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|E|
|Apply bandage|C|E|C|B|B|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Apply figure of eight bandage|E|E|E|E|E|E|E|E|B|B|B|B|C|E|
|Perform surgery|E|E|E|E|E|E|E|E|B|B|B|B|C|E|
|Apply intra - compartmental pressure monitor|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Let patient rest|C|E|C|B|B|B|B|B|B|B|B|B|B|E|
|Stay in patient room|E|E|E|E|E|B|B|B|B|B|B|B|C|E|
|Unregister patient|E|E|B|C|C|C|C|C|C|C|C|C|A|E|

流程步骤如下：
1. 患者因自行车事故手腕疼痛进入急诊室（S0），接待员为活跃用户，但接待员无权执行 8 项可用活动中的 7 项，这些活动都有未来限制。
2. 分诊护士快速查看患者后，确定其情况不危及生命，触发相应数据事件，可用活动减少到 1 项（S1）。
3. 患者在前台登记，接待员设置与流程相关的四个数据属性和使用的资源（S2）。登记后有 7 项活动可用，但接待员仅有权注销患者。
4. 活跃用户切换为医生，医生有权执行其他 6 项活动（S3）。医生查看当前部分实例的未来限制，发现多项活动是当前实例必须执行的。
5. 医生让护士记录患者病史，触发两个数据事件和一个资源事件，解锁了一项新活动（S4）。
6. 医生进行临床检查，触发四个数据事件和两个资源事件（S5）。此时有 18 项可用活动。
7. 医生因患者疼痛给予 NSAID 止痛药，之后有 17 项活动可用（S6）。注意，开抗凝药在 D 层，因为服用 NSAID 止痛药后至少 12 小时才能服用抗凝药。
8. 医生进行冰疗，然后选择进行 X 光检查，触发两个资源事件，新增四项活动（S7 - S8）。
9. 医生进行会诊，确认手腕骨折但无需手术（S9）。此时未来必须应用吊带和石膏/夹板。
10. 医生依次应用夹板和吊带（S10 - S11）。
11. 医生决定让患者回家，活跃用户切换回接待员（S12），注销患者的活动从 D 层移到 A 层。
12. 接待员注销患者，触发两个资源事件，流程成功结束。

下面是该流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([患者进入急诊室]):::startend --> B(分诊护士评估):::process
    B --> C(患者登记):::process
    C --> D(医生接手):::process
    D --> E(护士记录病史):::process
    E --> F(医生临床检查):::process
    F --> G(给予止痛药):::process
    G --> H(冰疗):::process
    H --> I(X光检查):::process
    I --> J(医生会诊):::process
    J --> K(应用夹板):::process
    K --> L(应用吊带):::process
    L --> M(医生决定患者回家):::process
    M --> N(接待员注销患者):::process
    N --> O([流程结束]):::startend

3. 相关研究

现有的业务流程引擎（BPE）可根据其最适合的流程可预测性频谱进行分类。下面详细对比 DeciClareEngine 工具与其他针对松散框架流程的现有 BPE 的差异：
| BPE 名称 | 特点 | 与 DeciClareEngine 的差异 |
| ---- | ---- | ---- |
| DECLARE 框架 | 基于 Declare 语言，有高效验证（MP - ）Declare 约束的技术 | DeciClareEngine 除了能表达 DECLARE 框架的内容外，还考虑了决策逻辑、资源、截止日期和延迟 |
| MP - Declare 语言的 BPE | 将约束映射到 Alloy 并使用相应的可满足性求解器，可防止活锁和死锁，但仅适用于非常小的模型 | DeciClareEngine 目前不支持此功能，但未来会重新审视，后续会研究部分或启发式版本的这些功能 |
| ReFlex | 使用基于图的规则引擎克服线性时态逻辑（LTL）的某些限制，使用 7 种类型的边对应 Declare 的 6 种约束模板和 1 种额外约束类型，卖点是检测活锁和死锁 | DeciClareEngine 支持这 7 种类型的约束，还提供对时间延迟、截止日期以及数据和资源视角的支持 |
| DCR Graphs | 有在线平台，其图编辑器包含 BPE 用于模拟，DCR 语言有 6 种关系，简单的视觉语法支持层次建模，最近添加了数据视角和一些时间概念 | DeciClareEngine 支持更复杂的约束、一般上下文数据元素、在流程执行期间更改数据属性值以及截止日期，且提供了一个新的通用框架 |

4. 结论与未来研究

提出的通用框架可用于创建数据感知的声明式 BPE，并通过创建 DeciClare 流程建模语言的 BPE 进行了演示。基于该框架的 BPE 可以支持现实生活中松散框架的 KiPs 的执行，同时考虑控制流、数据和资源视角以及相应的决策逻辑。

使用 BPE 执行流程有诸多优势：
- 执行支持 ：在流程模型执行期间，BPE 可以为流程参与者提供支持，展示已完成的操作、下一步可执行或不可执行的操作以及未来必须或不能发生的事情，确保符合预定义的流程模型。
- 灵活性 ：BPE 是构建真正灵活的信息系统的基础，它允许在动态环境中快速部署流程更改，通过修改底层流程模型并将更改传达给所有流程参与者，同时确保更改正确实施。
- 模拟分析 ：BPE 是流程模拟的重要工具，可分析不同运行时决策或流程模型更改对流程结果或特征的影响，还可用于验证通过流程挖掘或访谈得到的模型。
- 教育用途 ：对于医生和其他医疗人员的培训，教育模拟器可以让学员在无风险的环境中学习医院的操作流程，甚至有可能揭示有经验同事的隐性知识。

未来，DeciClareEngine 将进行以下改进：
1. 功能完善 ：添加对缺失约束模板和停用决策的支持。
2. 资源管理 ：添加对流程实例级动态资源可用性的支持。
3. 并行处理 ：添加对活动并行执行的支持。
4. 死锁处理 ：研究部分活锁或死锁检测或预防机制。

下一步，将使 DeciClareEngine 的运行时支持更加智能。目前已进行了初步实验，并将使用 DeciClare 和 DeciClareEngine 工具重复该实验。未来，会在 DeciClareEngine 提供的未排序的可能下一步活动集合基础上，增加一个额外的层，根据历史概率或特定优化目标对活动进行排名和注释。

下面是未来改进步骤的 mermaid 流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([当前 DeciClareEngine]):::startend --> B(添加缺失约束模板和停用决策支持):::process
    A --> C(添加动态资源可用性支持):::process
    A --> D(添加活动并行执行支持):::process
    A --> E(研究死锁检测或预防机制):::process
    B --> F(使运行时支持更智能):::process
    C --> F
    D --> F
    E --> F
    F --> G([改进后的 DeciClareEngine]):::startend