KPI-Related Monitoring, Analysis, and Adaptation of Business Processes

201 Pages·2016·1.22 MB·English

KPI-Related Monitoring, Analysis, and
Adaptation of Business Processes
VonderFakultätfürInformatik,ElektrotechnikundInformationstechnikder
UniversitätStuttgartzurErlangungderWürdeeinesDoktorsder
Naturwissenschaften(Dr.rer.nat.) genehmigteAbhandlung
Vorgelegtvon
Branimir Wetzstein
ausOsijek,Kroatien
Hauptberichter: Prof.Dr.Dr.h.c.FrankLeymann
Mitberichter: Prof.Dr.DimkaKarastoyanova
TagdermündlichenPrüfung: 31. Oktober2016
InstitutfürArchitekturvonAnwendungssystemen
derUniversitätStuttgart
2016

C
ONTENTS
1 Introduction 5
1.1 ApplicationArea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 StructureoftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 BackgroundandRelatedWork 15
2.1 BPM,SOA,andWebServices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1 BusinessProcessManagement. . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.2 Service-OrientedArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 WebServices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.4 OrchestrationofWebServices . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.5 ServiceChoreographies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 ProcessMonitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 EventProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 WebServicesDistributedManagement . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 BusinessActivityMonitoring. . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.4 MonitoringofBusinessProcesses . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.5 Cross-OrganizationalProcessMonitoring . . . . . . . . . . 42
iii
2.3 ProcessPerformanceAnalysisandOptimization . . . . . . . . . . 45
2.3.1 ProcessPerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2 Self-AdaptiveProcesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3 ProcessMonitoringinServiceChoreographies 57
3.1 MotivationandObjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2 ChoreographyMonitoringOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.1 MonitoringMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 MonitoringMetamodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.1 Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.2 ResourceTypesinBPEL4ChorChoreographies. . . . . . . 69
3.3.3 ResourceIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.4 Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.5 CustomProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4 AnalyzingtheInfluentialFactorsofBusinessProcessPerformance 91
4.1 MotivationandObjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2 SolutionOverviewandMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.2.1 ClassificationLearningandKPIDependencyAnalysis . . 94
4.2.2 OverviewoftheKPIDependencyAnalysisProcess . . . . 99
4.3 ModelingforKPIDependencyAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1 Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.2 KeyPerformanceIndicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.3 InfluentialFactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.4 GeneratingInfluentialFactorProperties . . . . . . . . . . . 106
4.3.5 AnalysisTasks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4 KPIDependencyAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.1 LearningofKPIDependencyTrees . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
iv Contents
5 RuntimeAdaptationBasedonKPIDependencyAnalysis 115
5.1 MotivationandObjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2 SolutionOverviewandMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3 ModelingforAdaptation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.1 Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.2 AdaptationSubjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.3 Checkpoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.3.4 ConstraintsandPreferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.4 RuntimeAdaptationbasedonKPIPrediction . . . . . . . . . . . . 130
5.4.1 RuntimePredictionofKPIs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4.2 IdentificationofAdaptationRequirements . . . . . . . . . 135
5.4.3 IdentificationandRankingofAdaptationStrategies . . . 138
5.4.4 AdaptationEnactment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6 ImplementationandEvaluation 145
6.1 PrototypicalImplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.1.1 MonitoringFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.1.2 AnalysisandAdaptationFramework . . . . . . . . . . . . . 153
6.2 ExperimentalEvaluation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.2.1 ExperimentalEvaluationoftheKPIDependencyAnalysis 156
6.2.2 ExperimentalEvaluationofPredictionandAdaptation. . 161
6.3 SummaryandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7 ConclusionsandOutlook 167
7.1 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Bibliography 175
ListofFigures 191
ListofTables 193
ListofListings 195
Contents v

A
BSTRACT
In today’s companies, business processes are increasingly supported by IT
systems. They can be implemented as service orchestrations, for example
in WS-BPEL, running on Business Process Management (BPM) systems. A
service orchestration implements a business process by orchestrating a set
ofservices. TheseservicescanbearbitraryITfunctionality,humantasks,or
againserviceorchestrations. Often,thesebusinessprocessesareimplemented
aspartofbusiness-to-businesscollaborationsspanningseveralparticipating
organizations. Service choreographies focus on modeling how processes of
differentparticipantsinteractinsuchcollaborations.
AnimportantaspectinBPMisperformancemanagement. Performanceis
measured in terms of Key Performance Indicators (KPIs), which reflect the
achievementtowardsbusinessgoals. KPIsarebasedondomain-specificmetrics
typicallyreflectingthetime,cost,andqualitydimensions. DealingwithKPIs
involves several phases, namely monitoring, analysis, and adaptation. In a
firststep,KPIshavetobemonitoredinordertoevaluatethecurrentprocess
performance. Incasemonitoringshowsnegativeresults,thereisaneedfor
analyzing and understanding the reasons why KPI targets are not reached.
Finally,afteridentifyingtheinfluentialfactorsofKPIs,theprocesseshavetobe
adaptedinordertoimprovetheperformance.
ThisthesispresentsanapproachhowKPIscanbemonitored,analyzed,and
1
used for adaptation of processes. The concrete contributions of this thesis
are: (i) an approach for monitoring of processes and their KPIs in service
choreographies;(ii)aKPIdependencyanalysisapproachbasedonclassification
learning which enables explaining how KPIs depend on a set of influential
factors;(iii)aruntimeadaptationapproachwhichcombinesmonitoringand
KPIanalysisinordertoenableproactiveadaptationofprocessesforimproving
theKPIperformance;(iv)aprototypicalimplementationandexperiment-based
evaluation.
2 Contents
Z
USAMMENFASSUNG
Die Ausführung von Geschäftsprozessen wird heute zunehmend durch IT-
SystemeunterstütztundaufBasiseinerserviceorientiertenArchitekturumge-
setzt. DieProzessewerdendabeihäufigalsServiceOrchestrierungenimplemen-
tiert,z.B.inWS-BPEL.EineServiceOrchestrierunginteragiertmitServices,die
automatisiertoderdurchMenschenausgeführtwerden,undwirddurcheine
Prozessausführungsumgebungausgeführt. DarüberhinauswerdenGeschäft-
sprozesseoftnichtinIsolationausgeführtsonderninteragierenmitweiteren
Geschäftsprozessen,z.B.alsTeilvonBusiness-to-BusinessBeziehungen. Die
InteraktionenderProzessewerdendabeiinServiceChoreographienmodelliert.
EinwichtigerAspektdesGeschäftsprozessmanagementsistdieOptimierung
derProzesseinBezugaufihrePerformance,diemitHilfevonKeyPerformance
Indicators(KPIs)gemessenwird. KPIsbasierenaufProzessmetriken,dietypis-
cherweisedieDimensionenZeit,KostenundQualitätabbilden,undevaluieren
dieseinBezugaufdieErreichungvonUnternehmenszielen. DieOptimierung
derProzesseinBezugaufihreKPIsumfasstmehrerePhasen. ImerstenSchritt
müssenKPIsdurchMonitoringderProzessezurLaufzeiterhobenwerden. Falls
die KPI Werte nicht zufriedenstellend sind, werden im nächsten Schritt die
Faktorenanalysiert, diedie KPIWertebeeinflussen. Schließlichwerdenauf
BasisdieserAnalysedieProzesseangepasstumdieKPIszuverbessern.
IndieserArbeitwirdeinintegrierterAnsatzfürdasMonitoring,dieAnalyse
3
und automatisierte Adaption von Prozessen mit dem Ziel der Optimierung
hinsichtlich der KPIs vorgestellt. Die Beiträge der Arbeit sind wie folgt: (i)
einAnsatzzumMonitoringvonKPIsübereinzelneProzessehinweginService
Choreographien,(ii)einAnsatzzurAnalysevonbeeinflussendenFaktorenvon
KPIsaufBasisvonEntscheidungsbäumen,(iii)einAnsatzzurautomatisierten,
proaktivenAdaptionvonProzessenzurLaufzeitaufBasisdesMonitoringsund
derKPIAnalyse,(iv)eineprototypischeImplementierungundexperimentelle
Evaluierung.
4 Contents