O potencial das redes de Petri em modelagem e análise de processos de negócio

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  Unfortunately these systems and techniques do not have well-defined syntax and semantic, which makes harder the complex analysis of models. In this case, Petri nets have excellent potential to solve the problem, once they present graphic
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  O POTENCIAL DAS REDES DE PETRI EMMODELAGEM E ANÁLISE DE PROCESSOSDE NEGÓCIO Sílvia Inês Dallavalle de PáduaAndrea Ribari Yoshizawa da SilvaArthur José Vieira Porto Laboratório de Simulação, Departamento de Engenharia Mecânica, Escola deEngenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Avenida TrabalhadorSancarlense, 400, CEP 13566-590, São Carlos, SP,e-mails: arys@sc.usp.br, dallaval@sc.usp.br e ajvporto@sc.usp.br Ricardo Yassushi Inamasu EMBRAPA, Centro Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento de InstrumentaçãoAgropecuária, Rua 15 de Novembro, 1452, CEP 13560-970, São Carlos, SP,e-mail: ricardo@cnpdia.embrapa.brRecebido 28/10/2002Aceito 23/12/2003  Resumo  A tecnologia de gerenciamento workflow  procura oferecer uma solução flexível em apoio aos processos de negócios, por meio da facilitação de modificações e da criação de novos processos. Entretanto, a falta de definição bem formalizadano que se refere à sintaxe e à semântica de tais técnicas dificulta análises mais complexas dos modelos. Nesse caso,redes de Petri atuam com excelente potencial, uma vez que possuem representação gráfica, são de fácil aprendizado, funcionam como linguagem de comunicação entre especialistas de diversas áreas, possibilitam descrever aspectosestáticos e dinâmicos do sistema a ser representado e ainda possuem o formalismo matemático necessário para métodosde análise já consagrados. O presente trabalho tem por objetivo, primeiramente, oferecer uma visão atualizada doestado da arte na área de modelagem de workflow baseada em redes de Petri e expor um exemplo de modelo de workflow com parâmetros de tempo e custo associados às transições da rede. O objetivo secundário é apresentar conceitos importantes de redes de Petri, workflow e rotas de processos.  Palavras-chave: redes de Petri, sistema de gerenciamento de workflow  , modelagem organizacional, workflow  . 1.Introdução Os processos de negócios e seus projetos ganharamimportância desde o início dos anos 90. A habilidade emsimplificar um processo desse tipo, de forma eficiente eflexível, é o fator de sucesso mais difícil de ser alcançadopelas companhias atualmente. Tal dificuldade criou anecessidade de desenvolver e lidar com técnicas e ferra-mentas adequadas para identificar, analisar e simular pro-cessos de negócios (Desel & Erwin, 2000).De acordo com Aalst & Hee (2002), o termo workflow é utilizado na bibliografia com o significado de "processosde negócio". Leymann & Roller (1997) definem workflow como conjunto de atividades que podem, ou não, serexecutadas simultaneamente e possuem, entre as atividadesdo negócio, fluxo de dados e alguma especificação decontrole. Um workflow  cujos componentes são modelageme representação do sistema pode representar vários processose seus relacionamentos.De acordo com Janssens et al. (2000), a estrutura domodelo organizacional é extremamente volátil em razão dasconstantes mudanças nas regras dos negócios. A evoluçãodos sistemas torna-se inevitável, uma vez que os processosdo negócio modificam-se por causa de reformas organi-zacionais e mudanças no ambiente externo. Assim, osmodelos de negócios influenciam dois fatores responsáveispor mudanças: dados sobre o sistema do negócio e regrasdo sistema.Desel & Erwin (2000) elevam a importância dos sistemasde gerenciamento de workflow (SGWF), no atual mercadocompetitivo, por oferecerem apoio às decisões importantes.Entretanto, para que o sistema seja capaz de conduzir algumasavaliações, deve-se empregar requisitos de formalismo naconstrução dos modelos, o que reduz significantemente o risco v.11, n.1, p.109-119, jan.-abr. 2004  Pádua et al  . – O Potencial das Redes de Petri em Modelagem e Análise de Processos de Negócio110 de decisões errôneas em relação ao projeto do modelo denegócios. Os cenários podem ser executados imediatamentepara discussão e análise.Nesse sentido, de acordo com Samilifard & Wright(2000), as redes de Petri têm sido amplamente estudadas eaplicadas com sucesso na área de sistemas dinâmicos deeventos discretos, que são caracterizados por paralelismo esincronização. Os incentivos que levam a pesquisas nessaárea são a forte fundamentação matemática e a disponibilidadede ferramentas de análise.Modelagem e análise de workflow  baseadas em redesde Petri é uma área de pesquisa ativa. Desde que Zisman(1977) usou redes de Petri para modelar workflow  pelaprimeira vez, muitos autores publicaram trabalhos queprocuravam integrar os dois assuntos. Entre eles pode-secitar: Cindio et al.  (1988), Li et al. (1993), Ferscha (1994),Merz et al.  (1995), Schömig & Rau (1995), Ellis & Nutt(1996), Nutt (1996), Wikarski (1996), Oberweis (1997),Aalst (1998), Adam et al.  (1998), Badouel & Oliver (1998)e Verbeek et al.  (2000).A ausência de técnicas mais complexas para análise dogerenciamento do workflow , principalmente dos modelosorganizacionais, é a principal barreira enfrentada nas pes-quisas desenvolvidas até o presente momento. As redes dePetri têm excelente potencial na minimização desses pro-blemas, uma vez que possuem representação gráfica, são defácil aprendizado, funcionam como linguagem de comu-nicação entre especialistas de diversas áreas, permitem adescrição dos aspectos estáticos e dinâmicos do sistema aser representado e ainda usufruem de um formalismo mate-mático que permite a utilização de diversos métodos deanálise.O presente trabalho tem por objetivos primários ofereceruma visão atualizada do estado da arte na área de mo-delagem de workflow  baseada em redes de Petri e exporum exemplo de modelo de workflow com parâmetros detempo e custo associados às transições da rede. Comoobjetivos secundários serão apresentados os conceitosimportantes de redes de Petri, workflow  e rotas de processos.O trabalho está estruturado em oito seções, incluindo estaintrodução. Na seção 2, apresentam-se conceitos importantesrelacionados a redes de Petri. A seção 3 é voltada à apre-sentação de workflow . Na seção 4, faz-se uma exposição deredes de Petri no contexto de workflow  e do estado da artenessa área de pesquisa. As seções 5 e 6 apresentam, respec-tivamente, workflow-net e mapeamento dos conceitos deprocessos de negócio em redes de Petri. A seção 7 apresentaum exemplo da modelagem de workflow utilizando redes dePetri (com parâmetros de tempo de custo). As consideraçõesfinais são apresentadas na seção 8. 2.Redes de Petri A teoria inicial das redes de Petri foi apresentada em1962, na tese de doutorado Kommunikatin mit Automaten defendida por Carl Adam Petri na Faculdade de Matemáticae Física da Universidade de Darmstadt, Alemanha. Como já mencionado neste trabalho, para Peterson (1981), aaplicabilidade das redes de Petri como ferramenta paraestudo de sistemas é importante por permitir representaçãomatemática, análise dos modelos e fornecer informaçõesúteis sobre a estrutura e o comportamento dinâmico dossistemas modelados. Como admitem a introdução de alte-rações, as aplicações das redes de Petri podem se dar emmuitas áreas diferentes (sistemas de manufatura, desen-volvimento de software , sistemas administrativos, etc.).De acordo com Murata (1989), as redes de Petri sãoformadas por dois tipos de componentes: a transição, com-ponente ativo correspondente a alguma ação realizada dentrodo sistema, e o lugar, passivo e relacionado a alguma variávelde estado do sistema. A realização das ações está associadaa pré-condições ou condições das variáveis de estado dosistema, isto é, há uma relação entre lugares e transições, aqual possibilita realizar determinada ação. Da mesma forma,após realizar uma ação, as informações de alguns lugares (pós-condições) são alteradas. Graficamente, lugares sãorepresentados por círculos e transições, por traços ou barras(Figura 1).Lugares e transições são vértices do grafo associado àsredes de Petri e interligam-se por arcos direcionados. Arcosque ligam lugares a transições representam relações entrecondições verdadeiras e possibilitam que, em algum mo-mento, ações sejam executadas dentro do sistema. Arcosque ligam transições a lugares representam relações entreações e condições que se tornam verdadeiras com a exe-cução das ações. Figura 1 – Elementos básicos das redes de Petri.  GESTÃO & PRODUÇÃO, v.11, n.1, p.109-119, jan.-abr. 2004 111 O disparo das transições (execução das ações) é con-trolado tanto pelo número de marcas quanto pela distri-buição destas nos lugares. Uma transição t está habilitadase, e somente se, todos os lugares de entrada (p i   ∈  P) de tsão tais que M (p i ) > e I (p i , t); essa regra habilita o disparode uma transição, mas não o obriga.Formalmente, a rede de Petri é dada por uma quíntupla,RP = (P, T, F, W, M 0 ), em que (Murata, 1989): • P = {p 1 , p 2 , …, p m } conjunto finito de lugares; • T = {t 1 , t 2 , …, t m } conjunto finito de transições; • F ⊆  (P x T) ∪  (T x  P) conjunto de arcos; • W : F {1, 2, 3, …} função de pesos; • M o : P → {0,1, 2, 3, …} marcação inicial; • P ∩  T = ∅  e P ∪  T ≠   ∅ . Denota-se por (N, M 0 ) uma rede de Petri com marcaçãoinicial. Atualmente, há muitas extensões de rede de Petri,como: colorida, temporizada, estocástica, virtual (Ferraz et al.,  2001; Inamasu, 1995), modular (Inamasu, 1995),entre outras, com finalidade de cobrir algumas deficiênciase limitações existentes em tipos de redes inferiores. Umadas grandes vantagens das redes de Petri é a sua fle-xibilidade e o alto poder de abstração, possibilitandointroduzir e adaptar elementos gráficos e/ou matemáticoscom a finalidade de aproximar usuários de sistemas maisespecíficos.Existe uma série de métodos que permitem analisar umgrande número de propriedades de sistemas. As propriedadesdas redes de Petri podem ser divididas em dois grandesgrupos: as comportamentais, que dependem da marcaçãoinicial, e as estruturais, que não dependem. 3.  Workflow  Vários trabalhos sobre sistemas de gerenciamento de workflow (SGWF – Workflow Management Systems ) estãosendo desenvolvidos. Esse fato trará grande impacto napróxima geração de sistemas de informação (Aalst & Hee,2002). Na década de 1960, um sistema de informação eracomposto de certo número de aplicações stand-alone , e paracada uma desenvolvia-se um sistema de base de dados euma interface. Cada aplicação tinha suas próprias rotinasde interação com o usuário, de armazenamento e de retornode dados. Nos anos 70, os dados representavam o centroda aplicação, o que levou à criação dos sistemas degerenciamento de dados (SGD). Nos anos 80, fato similarocorreu com o gerenciamento da interface para o usuário.O surgimento dos sistemas de gerenciamento de interfacedo usuário (SGIU) habilitou os criadores de aplicações amelhorar a interação entre elas e os usuários. Os anos 90foram marcados pelo surgimento de softwares de workflow ,o que permitiu incorporar procedimentos de negóciodiretamente nas aplicações.A Figura 2 descreve a composição de um SGWFdividindo-o em duas partes: modelo de negócios (definiçãodos processos) e módulo de execução dos negócios (repre-sentação de serviços do negócio). A primeira é utilizadadurante a construção para gerar uma definição compu-tacional de um processo de negócio e fornecer ferramentasgráficas de modelagem, auxiliando o criador durante oprojeto, teste e validação do processo. O módulo deexecução é composto por um conjunto de programas respon-sáveis pela criação e controle de exemplos de processosdurante a execução e fornece a interface necessária aocumprimento de passos específicos do processo (Salimifard& Wright, 2001).Janssens et al . (2000) afirmam que, comparados aosmodelos de base de dados, os modelos de workflow têmmuito a amadurecer, uma vez que estes necessitam depadrões de modelagem. Há grande necessidade de padrõespara modelagem de processos de negócio. Ao investigarsobre o melhor formalismo para servir como possívelpadrão, é bem provável que o formalismo das redes de Petri,que é o mais bem suportado por ferramentas computa-cionais, se torne um padrão.De acordo com Oberweis (1996), processos em aplicaçõesde negócio são coleções de atividades associadas a umafunção de negócio particular, na qual as atividades sãorelacionadas aos objetos, pessoas ou recursos envolvidos.Modelos de processos deveriam incluir uma especificaçãodos seguintes aspectos: 1.atividades e suas sincronizações;2.tarefas e recursos determinados para atividades;3.regras do negócio;4.tratamento de exceções;5.aspectos temporais ( deadline , durações, etc.). Os modelos de processos podem ser simulados e anali-sados para reconhecer e melhorar o processo descrito. Elespodem ser usados, ainda, como base para o planejamentode alocação de recursos. Um sistema de gerenciamento deprocessos de negócio pode utilizar um modelo para moni-torar e controlar o andamento do negócio. 4.Redes de Petri no contexto de workflow  Na modelagem de workflow utilizando redes de Petri,cada tarefa é representada por uma transição correspondente.Lugares representam as pré e pós-condições, ou, ainda, osrecursos requeridos para executar determinada tarefa. Osarcos representam relações lógicas entre as tarefas e opróprio fluxo de trabalho (Salimifard & Wright, 2001). Arepresentação gráfica das redes de Petri tem se mostrado  Pádua et al  . – O Potencial das Redes de Petri em Modelagem e Análise de Processos de Negócio112 muito útil, pois permite a visualização dos processos e acomunicação entre eles. As marcas dos lugares podem serabstraídas, representando um estado de determinado evento,por exemplo, documento disponível (lugar com marca) oudocumento indisponível (lugar sem marca).De acordo com Holt (2000), as redes de Petri permitemdesenhar planos de sistemas gerais caracterizados por altonível de concorrência. Na estrutura de workflow , tais planossão esboços globais ou parciais da forma específica derealizar alguns tipos de atividades complexas e, princi-palmente, distribuídas. Essas atividades serão focadascomo específicas (planejamento de recursos de váriostipos) ou como controladoras de falhas, custos ou cargade trabalho. Desde que todo o negócio possa ser con-siderado como sistema que envolve operações complexase concorrentes (produção, marketing, contabilidade,procedimentos financeiros, negociações, etc.), o uso dasredes de Petri em seu planejamento ou análise parece umaidéia natural. Um modelo em rede de Petri da estruturacausal e operacional do workflow pode fornecer fortefundamentação lógica e contexto realístico nas questõesde gerenciamento do negócio, o que permite a aplicaçãode algoritmos provenientes da matemática aplicada, teoriada decisão, teoria de jogos, pesquisa de operação, esta-tística, etc. A chave do sucesso para implantar essesalgoritmos dentro de redes de Petri é a flexibilidade damodelagem de redes do tipo Predicado/Transição.Aalst & Hee (2002) identificam três razões principaispara aplicar redes de Petri na modelagem de workflow : 1.as redes de Petri possuem tanto semântica formal quantonatureza gráfica; 2. elas podem modelar explicitamenteestados do sistema; e 3. há variedade e disponibilidade detécnicas de análise.Oberweis et al.  (1997) identificam outros motivos paraoptar pelo uso de redes de Petri nesse contexto: 1. integraçãode dados e aspectos comportamentais; 2. apoio concorrentee corporativo; 3. níveis diferentes de formalidade; 4. dispo-nibilidade de técnicas de análise; e 5. flexibilidade.Resumindo, a principal vantagem de empregar redes dePetri na modelagem de workflow  é a combinação de fun-damentação matemática, representação gráfica compreensivae possibilidade de simulações e verificações (Merz et al. ,1995).Não há unanimidade sobre quais classes de redes dePetri, entre as de alto e baixo nível, adaptam-se melhor àsnecessidades específicas da modelagem de workflow .Entretanto, um comentário interessante é que, caso inexistaalgum sistema de gerenciamento (ou alguma ferramentacomputacional baseada neste sistema), o bom formalismodas redes de Petri torna-se desvalorizado neste tipo demodelagem. A utilidade de ferramentas computacionaisadequadas é um fator importante no uso prático das redesde alto nível e métodos de análise relacionados (Janssens et al. , 2000).De acordo com Voorhoeve (2000), processos simples de workflow  podem ser modelados diretamente como sistemasde transição. Entretanto, modelar processos mais avançados(com muitos paralelismos) torna-se difícil em razão do grandenúmero de estados. Redes de Petri permitem representaçãomais concisa e natural dos processos. A idéia básica é quea tarefa pode ocorrer quando estão presentes certos objetoscomo materiais, recursos ou permissões. Quando a tarefainicia, esses objetos são consumidos e, no final, novos objetossão produzidos para possibilitar que novas tarefas iniciem.Em Voorhoeve (2000), são tratadas algumas combinaçõesde redes de Petri e álgebra de processo. Figura 2 – Fases e componentes de um sistema de negócios.  Fonte : Salimifard & Wright (2001, p. 666).  GESTÃO & PRODUÇÃO, v.11, n.1, p.109-119, jan.-abr. 2004 113 5.  Workflow-net  Workflow-net é uma rede de Petri que representa umprocesso de workflow . A workflow-net   tem apenas um lugarfonte ( source ) e um absorção ( sink  ). Todo nodo é umcaminho do lugar fonte para o lugar absorção. Soundness é um critério de verificação de correção definido para workflow-nets . Uma workflow-net   é sound   se, em qualquercaso, o procedimento termina com uma marca no lugarabsorção e com todos os outros lugares vazios. Além disso,não deve haver nenhuma transição dead (morta) e todas astarefas devem ser passíveis de serem executadas por meiode rota apropriada (Aalst & Hee, 2002).As características de processos de negócio baseados emredes de Petri são mais proeminentes nas fases de projeto eanálise. Seis tipos primitivos de processos de negócioidentificados pela Workflow Management Coalition podemser mapeados dentro de redes de Petri (Figura 3), em que: • Tarefas são mapeadas em transições e relações causaissão representadas no modelo por lugares. • A transição t1 representa, no modelo, a sincronizaçãode dois subfluxos (  AND-join ). • Transições t21 e t22 representam um OR-join : doissubfluxos unidos em um subfluxo. • A transição t3 representa um  AND-split  : um subfluxodividido em dois subfluxos paralelos. • Transições t41 e t42 representam um OR-split  : umaseleção apresentada entre duas alternativas branches . • A iteração pode ser representada pela adição de umatransição de  feedback   (t52). • A conecção de duas transições (t61 e t62) por meio deum lugar intermediário resulta em duas tarefas seqüenciais. A tarefa primária do sistema de gerenciamento de pro-cessos de negócio é representar tais processos direcionadosa determinados casos por meio da junção de várias pers-pectivas. Na modelagem e execução de processos de negóciosão relevantes as seguintes perspectivas: • Fluxo de controle ou processo: perspectivas na qual sãocriadas as definições dos processos para especificarquais tarefas precisam ser executadas e em que ordem. • Recurso: engloba desde recursos humanos até aparelhose representa as especificações da estrutura organizacional. • Dados: trata do controle (introdução de dados compropósito único de gerenciar processos) e produção dosdados; o controle é freqüentemente usado para roteardecisões em OR-split (Figura 3). • Tarefas: descreve o conteúdo dos passos de um processo(características de cada tarefa); unidade lógica detrabalho com características como conjuntos de ope-rações que precisam ser realizadas, descrição, duraçãoesperada, prioridades, disparador (tempo, recurso,mensagem) e classes de recursos requeridas (tarefas eunidades organizacionais).•Operação: descreve ações elementares; uma tarefa podeenvolver muitas operações, que são executadas poraplicações que empregam desde editores de textoaté aplicações construídas para realizar cálculos com-plexos; tais aplicações criam, lêem ou modificam ocontrole e a produção de dados na perspectiva destes. A perspectiva do processo é muito importante, uma vezque o núcleo de qualquer sistema de informação é essen-cialmente formado por processos. Aalst & Hee (2002)explicam que, na dimensão de fluxo de controle, a construçãode blocos  AND-split  ,  AND-join , OR-split   e OR-join  servepara modelar rotas seqüenciais, condicionais, paralelas einterativas. Uma rede de Petri pode ser utilizada para espe-cificar claramente os casos de rotas, assumindo que: 1. um  AND-split corresponde a transições com dois ou mais lugaresde saída; 2. um  AND-join  corresponde a lugares com múl-tiplos arcos de entrada; e 3. OR-split e OR-join correspondema lugares com múltiplos arcos de entrada e saída. 6.Mapeamento dos conceitos deprocessos de negócio emredes de Petri A utilização de um processo em sistema de gerenciamentode processos de negócio indica a necessidade de geren-ciamento em alguma categoria particular. Tal processo definequais tarefas precisam ser executadas. A existência deinformações sobre as tarefas a serem realizadas e sobre ascondições dos processos é importante. Dessa forma, define-se a ordem na qual as tarefas precisam ser executadas. Umgrande processo pode consistir em subprocessos, tarefas econdições.Um determinado estado do sistema pode levar à exe-cução de um processo (disparo de uma transição) que,muitas vezes, depende da disponibilidade de uma pessoa.As condições têm duas funções importantes: assegurar queas tarefas procedam na ordem correta e verificar se o estadodo caso pode ser estabelecido.Aalst & Hee (2002) apresentam um exemplo de especi-ficação do processo de gerenciamento de reclamaçõesusando redes de Petri. A entrada da primeira reclamaçãoé registrada e o cliente que reclamou e o departamentoafetado pela reclamação são informados. O departamento,informado da reclamação, pode ser questionado e o clienteé consultado para fornecer mais informações. Essas duastarefas podem acontecer simultaneamente (em paralelo) ou,
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