Strukturbasierte Verifikation von BPMN-Modellen

189 Pages·2011·2.136 MB·German

by  Jens Müller (auth.)

Jens Müller
Strukturbasierte Verifikation von BPMN-Modellen
VIEWEG+TEUBNER RESEARCH
Jens Müller
Strukturbasierte
Verifikation
von BPMN-Modellen
VIEWEG+TEUBNER RESEARCH
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1. Auflage 2011
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Lektorat: Ute Wrasmann | Sabine Schöller
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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-1571-2
FürmeineliebeMutterJuttaMüller,
meinenverstorbenenVater
LászlóFerencMüller
(*15.07.1943;†12.10.1999)
undmeinenverstorbenenFreund
Dr.med.dent.ChristianBernardKöstermenke
(*15.04.1922;†20.04.2009)
Danksagung
DievorliegendeArbeitwurdeimRahmeneinesArbeitsverhältnissesbeiderSAPAGin
derAbteilungSAPResearchamStandortKarlsruheerstellt.
ZunächstmöchteichmichherzlichbeiHerrnProf.Dr.rer.nat.WolfgangRosenstielund
HerrnProf.Dr.-Ing.WilhelmG.SpruthfürdiehervorragendeBetreuungmeinerArbeit
bedanken.InsbesonderemöchteichdiefruchtbarenDiskussionen,dieichmitihnenge-
führthabe,undihreUnterstützungauchinschwierigenSituationenhervorheben.
MeinenVorgesetztenHerrnDr.rer.nat.OrestisTerzidis,HerrnDr.-Ing.ElmarDorner,
undHerrnDr.-Ing.ZoltánNochtamöchteichfürdieMöglichkeit,dievorliegendeArbeit
bei der SAP AG durchführen zu können, und für ihre Unterstützung meines Promoti-
onsvorhabens meinen Dank aussprechen. Darüber hinaus möchte ich meinen Kollegen
Herrn Mario Graf und Herrn Thorsten Schneider für ihre große Hilfe bei der Verfeine-
rungundImplementierungdervonmirentwickeltenKonzeptedanken.Fürkonstruktive
inhaltlicheDiskussionenunddieBegutachtungmeinerArbeitmöchteichmichbeimei-
nenKollegenHerrnMichaelAltenhofen,HerrnDr.sc.ETHZürichAchimBruckerund
meinemProjektleiterHerrnDr.sc.ETHZürichHaraldVogtbedanken.
Für die Unterstützung bei der Dokumentation des Ablaufs der Flugzeugwartung als
Grundlage des in dieser Arbeit angeführten Szenarios möchte ich Herrn Hermann
Schmidt-Schieferstein(ehem.Airbus)sowieHerrnStefanSchröderundHerrnDirkHas-
selbringvomDeutschenZentrumfürLuft-undRaumfahrtmeinenDankaussprechen.
Schließlich möchte ich mich herzlich bei meiner Mutter Frau Jutta Müller und Frau
AsmaAlazeibfürihreGeduldundmoralischeUnterstützungbedanken.
JensMüller
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
1.1. Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. LösungsansatzundSzenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. AufbauderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Grundlagen 7
2.1. ModellgetriebeneSoftwareentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1. Metamodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. Geschäftsprozessmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1. Geschäftsprozess-,Workflow-undBusiness-Process-Management. 9
2.2.2. Geschäftsprozess-undWorkflow-Modellierung . . . . . . . . . . . . 10
2.2.3. BusinessProcessModelingNotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3. MethodenwissensbasierterSysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1. WissensbasierteSystemeundExpertensysteme . . . . . . . . . . . 13
2.3.2. FormenderInferenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3. LogikbasierteWissensrepräsentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.4. RegelbasierteSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Szenario: Modellierung und Adaption von Geschäftsprozessmodellen 17
3.1. OrganisationundAblaufderFlugzeugwartung . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2. TeilezweifelhafterHerkunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3. RFID-basierteAuthentifikationvonFlugzeugteilen . . . . . . . . . . . . . 21
3.4. Szenariobeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.1. ModellierungvonProzessmodellenimRahmenderFlugzeugwartung 23
3.4.2. AdaptionvonProzessmodellenimRahmenderFlugzeugwartung 24
3.5. ProblemedurchVerletzungvonAnforderungen. . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.6. AnforderungenaneineSoftwarelösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4. Semantische Geschäftsprozessmodellierung auf Basis von BPMN und MOF 29
4.1. Vergleichzwischen(Meta-)ModellenundOntologien . . . . . . . . . . . . 31
4.1.1. Gemeinsamkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.1.2. Unterschiede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2. RepräsentationvonOntologienaufBasisvonMOF . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1. OntologyDefinitionMetamodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.2. ZugriffaufOWL-OntologienimProcessComposer . . . . . . . . . 36
4.3. InterneRepräsentationsemantischerAnreicherungen . . . . . . . . . . . . 37
x Inhaltsverzeichnis
4.4. Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.1. OWL-undExtendedBPMN-Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4.2. GraphischesModellierungswerkzeugfürOWL-Ontologien . . . . . 40
4.4.3. ModifikationdesModellierungswerkzeugs. . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5. StandderWissenschaftundTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5. Modellierung von Anforderungen an BPMN-Modelle 45
5.1. MethodezurModellierungvonAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.1.1. ModellierungstrukturellerMuster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.2. ModellierungvonBedingungsausdrücken . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2. ProcessPatternModelingLanguage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2.1. GenerischeTasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.2. GenerischeEreignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.3. GenerischeGateways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.4. DivergierenderexklusiverGateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.5. Verbindungsobjekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.6. Ein-undausgehendeMusterkonnektoren . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.7. Musterreferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3. ProcessConstraintModellingLanguage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.1. ExistenzielleBedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.2. TemporaleBedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.3. LogischeOperatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4. Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.1. PatternComposer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4.2. ConstraintComposer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4.3. VerknüpfungvonBPMN-ModellenmitBedingungsausdrücken . . 71
5.5. StandderWissenschaftundTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6. Suche nach Instanzen struktureller Muster in BPMN-Modellen 75
6.1. VerwendungderMOINQueryLanguage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2. VerwendungregelbasierterSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.1. TransformationvonPPML-ModelleninDrools-Regeln . . . . . . . 83
6.2.2. AblaufdermusterbasiertenSuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3. VerwendungvonTechnikenausdemBereichdessemantischenWebs . . . 90
6.3.1. TransformationvonBPMN-ModelleninOWL-Ontologien . . . . . 90
6.3.2. TransformationvonPPML-ModelleninkonjunktiveAnfragen . . 92
6.3.3. BestimmungvonEin-undAusgangsobjekten . . . . . . . . . . . . 95
6.3.4. AblaufdermusterbasiertenSuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.4. Implementierung:MustertransformatorenundMustersucher . . . . . . . . 96
6.5. StandderWissenschaftundTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7. Auswertung musterbasierter Bedingungen an BPMN-Modelle 99
7.1. AuswertungexistenziellerBedingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Inhaltsverzeichnis xi
7.2. AuswertungtemporalerBedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.1. TransformationvonBPMN-ModelleninPROMELA-Programme 101
7.2.2. TransformationmusterbasierterBedingungeninLTL-Formeln . . 107
7.2.3. Direktnachfolger,Direktvorgängerund(negierte)Direktabfolge . 111
7.2.4. Optimierungsmaßnahmen bei der Generierung von PROMELA-
Programmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.3. AuswertungvonBedingungsausdrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4. Implementierung:ConstraintChecker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.4.1. Komponente:ConstraintChecker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.4.2. Komponente:Modellprüfer(Spin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.5. StandderWissenschaftundTechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8. Validierung 123
8.1. AnwendungderentwickeltenKonzepteimRahmendesSzenarios . . . . . 123
8.1.1. Erstellung einer Ontologie zur Beschreibung von Konzepten im
BereichderFlugzeugwartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.1.2. Modellierung musterbasierter Bedingungen an Geschäftsprozess-
modelleimBereichderFlugzeugwartung . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.1.3. ModellierungundautomatischeVerifikationvonGeschäftsprozess-
modellenimBereichderFlugzeugwartung . . . . . . . . . . . . . . 128
8.1.4. AdaptionvonGeschäftsprozessmodellenimBereichderFlugzeug-
wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.2. Leistungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2.1. Vorgehensweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2.2. Testsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.2.3. Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.3. ExterneVeröffentlichungundinterneVerwertungderErgebnisse . . . . . 146
9. Fazit 147
9.1. ZusammenfassungundwissenschaftlicherBeitrag . . . . . . . . . . . . . . 147
9.2. Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
A. Zusätzliche Abbildungen 151
A.1. BPMN-Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
A.2. OWL-Metamodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.3. ExtendedBPMN-Metamodell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.4. ProcessConstraintDefinitionMetamodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
A.5. ÜbersetzunggenerischerEreignisseundGateways . . . . . . . . . . . . . . 157
A.6. Begleitpapiere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Akronyme 159
Literaturverzeichnis 161
Internetseitenverzeichnis 173