Visualization of Business Process Models

Abstract

The concept of visualization includes the goal of representing data of various kinds graphically. In many cases, the graphical, or visual, display facilitates conveying of information to the viewer, i.e., compared to a verbal description. Also, additional information in the visualization may be included by the use of shape and structures, by special arrangement of elements or by the use of colors. In this work, the concept of visualization is applied to business process models. Techniques from the field of graph drawing are used. Process models can be mapped to general graphs and, thus, the methods and frameworks of graph drawing can be transferred through extensions and modifications to process models. For the acceptance of visualizations of special graphs, such as process models, the support of layout criteria is crucial. Layout criteria express additional requirements to a visualization technique, e.g. the drawing is calculated such that graph edges do not cross. This work presents several novel algorithms for the visualization of business process models. For the modeling of business processes, we focus on the de–facto standard notation BPMN and BPEL (business process model and notation, business process execution language). The algorithms are optimized to support layout criteria. To provide the necessary layout criteria for business process models, we present the results of a specially conducted study at the beginning. As a projection space, the visualization algorithms support both the two–dimensional plane and three–dimensional space. Since the approaches have major dierences in the requirements on the algorithms, we devote every display option a dedicated part of the work. In the the two–dimensional plane, we extend the Kandinsky model such that we obtain partitions in drawings, which support the structural elements of swimlanes and pools in BPMN. Furthermore, we introduce three layout patterns that should support the semantics of BPMN diagrams. This is a new approach and can not be achieved from previous, structurally oriented layout criteria. For the process notation language BPEL, we also develop a novel layout algorithm, which is based on the Sugiyama framework, a commonly used framework with support for the hierarchical and nested structure of BPEL processes. For the three–dimensional space, three dierent approaches to visualization of BPMN models are presented. The first approach is based on an extension of the above–mentioned two–dimensional algorithm of the extended Kandinsky model. The second approach is to model the three–dimensional visualization problem as an integer linear program (ILP). For the third approach, we modify a two–dimensional approach of our own work such that a projection to the three–dimensional space is possible, and the requirements of the layout criteria can also be met in the three–dimensional visualization. All three approaches are described in detail. The analysis comprises a performance evaluation and an evaluation for compliance with the required layout criteria. There, we find a distinct advantage of the third approach with respect to both, to the performance and to the conformity of layout criteria. All the described algorithms for the modeling language BPMN were newly developed and integrated in a software tool called BPMN–Layouter. The tool aims at good usability and, in addition, at the support of visualizing and modeling of business process models in BPMN. For this purpose, an interactive user interface with three–dimensional display support for rendering the process models was implemented. In addition to the algorithms for the visualization of business process models, we provide further results of related visualization projects.

Das Konzept der Visualisierung beinhaltet das Ziel, Daten unterschiedlichster Art grafisch darzustellen. In vielen Anwendungsfällen erleichtert die grafische, oder visuelle, Darstellung dem Betrachter die Verarbeitung von Information, z.B. im Vergleich zu einem Fließtext. Außerdem kann bei der Visualisierung zusätzliche Information durch die Verwendung von Form und Struktur eingebunden werden, z.B. durch spezielle Anordnung von Elementen oder das Verwenden von Farben. In dieser Arbeit wird das Konzept der Visualisierung auf Geschäftsprozessmodelle angewandt. Dazu werden Techniken aus dem Gebiet des Graphenzeichnens verwendet. Prozessmodelle können auf allgemeine Graphen abgebildet werden und somit sind die Methoden und Frameworks des Graphenzeichnens durch Erweiterungen und Modifikationen auf Prozessmodelle übertragbar. Entscheidend für die Akzeptanz von Visualisierung von speziellen Graphen wie Prozessmodellen ist die Unterstützung von Layoutkriterien. Layoutkriterien formulieren die Anforderungen von Zusatzinformationen an eine Visualisierungstechnik, z.B. die berechnete Zeichnung soll möglichst wenig Kreuzungen von Graphkanten haben. Die vorliegende Arbeit stellt zahlreiche neuartige Algorithmen für die Visualisierung von Geschäftsprozessmodellen vor. Bei der Modellierung von Geschäftsprozessen fokussieren wir uns auf die de–facto Standardnotationen BPMN und BPEL (business process model and notation, business process execution language). Die Algorithmen sind optimiert auf die Unterstützung von Layoutkriterien. Um die notwendigen Layoutkriterien für Geschäftsprozessmodelle zu benennen, stellen wir zu Beginn die Ergebnisse einer eigens hierfür durchgeführten Studie vor. Als Projektionsfläche der Visualisierungen unterstützen die Algorithmen sowohl die zweidimensionale Ebene als auch den dreidimensionalen Raum. Da diese Ansätze große Unterschiede hinsichtlich der Anforderungen an die Algorithmen aufweisen, widmen wir jeder Darstellungsmöglichkeit einen dedizierten Teil der Arbeit. In der zweidimensionalen Ebene erweitern wir zuerst das Kandinsky–Modell so, dass wir Partitionen in Zeichnungen erhalten können, womit wir die strukturellen Elemente der Swimlanes und Pools in BPMN unterstützen. Weiterhin führen wir drei Layoutpatterns ein, die die Semantik von BPMN–Diagrammen erhalten sollen. Dies ist ein neuer Ansatz und kann von den bisherigen, strukturell ansetzenden Layoutkriterien nicht erreicht werden. Für die Prozessnotation BPEL entwickeln wir ebenfalls einen neuartigen Layoutalgorithmus, der auf dem häufig verwendeten Sugiyama–Framework basiert und der die hierarchische und geschachtelte Struktur von BPEL–Prozessen in der Visualisierung heraushebt. Für den dreidimensionalen Raum werden drei unterschiedliche Ansätze zur Visualisierung von BPMN–Modellen vorgestellt. Der erste Ansatz basiert auf einer Erweiterung des oben erwähnten, interaktiven, zweidimensionalen Algorithmus des erweiterten Kandinsky–Modells. Der zweite Ansatz ist eine Modellierung des dreidimensionalen Visualisierungsproblem als ganzzahliges, lineares Programm (ILP). Für den dritten Ansatz modifizieren wir einen zweidimensionalen Ansatz aus einer eigenen Arbeit so, dass eine Projektion in den dreidimensionalen Raum möglich ist und die Anforderungen der Layoutkriterien in der dreidimensionalen Visualisierung erfüllt werden können. Alle drei Ansätze werden detailliert beschrieben. Die Analyse umfasst eine Laufzeitauswertung und eine Evaluation hinsichtlich der Einhaltung geforderter Layoutkriterien. Dabei stellt sich ein deutlicher Vorteil des dritten Ansatzes heraus, sowohl hinsichtlich der Laufzeit also auch der Konformität der Layoutkriterien. Alle beschriebenen Algorithmen für die Modellierungssprache BPMN wurden in ein neuentwickeltes Softwarewerkzeug namens BPMN–Layouter integriert, das auf gute Bedienbarkeit hin entwickelt wurde und neben der Visualisierung auch die Modellierung von Geschäftsprozessmodellen in BPMN unterstützt. Dazu wurde unter anderem eine interaktive, 3D–fähige Benutzeroberfläche für das Rendern der Prozessmodelle im dreidimensionalen Raum implementiert. Neben den Algorithmen zur Visualisierung von Geschäftsprozessmodellen stellen wir abschließend weitere Ergebnisse von verwandten Visualisierungsprojekten vor, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit zu Publikationen geführt haben.