Методология IDEF3

IDEF3 является стандартом документирования технологических процессов, происходящих на предприятии, и предоставляет инструментарий для наглядного исследования и моделирования их сценариев [7 – 9]. Сценарием (Scenario) называется описание последовательности изменений свойств объекта, в рамках рассматриваемого процесса (например, описание последовательности этапов обработки детали в цехе и изменение её свойств после прохождения каждого этапа). Исполнение каждого сценария сопровождается соответствующим документооборотом, который состоит из двух основных потоков: документов, определяющих структуру и последовательность процесса (технологические карты, стандарты и т.д.), и документов, отображающих ход его выполнения (результаты тестов и экспертиз, отчеты о браке, и т.д.). Для эффективного управления любым процессом, необходимо иметь детальное представление об его сценарии и структуре сопутствующего документооборота.

Средства документирования и моделирования IDEF3 позволяют выполнять следующие задачи:

1. Документировать данные о технологии процесса.

2. Определять и анализировать точки влияния потоков сопутствующего документооборота на сценарий технологических процессов.

3. Определять ситуации, в которых требуется принятие решения, влияющего на жизненный цикл процесса, например изменение конструктивных, технологических или эксплуатационных свойств конечного продукта.

4. Содействовать принятию оптимальных решений при реорганизации технологических процессов.

5. Разрабатывать имитационные модели технологических процессов, по принципу "КАК БУДЕТ, ЕСЛИ..." Такая возможность существует при использовании, например, системы имитационного моделирования ARENA.

Существуют два типа диаграмм в стандарте IDEF3, представляющие описание одного и того же сценария технологического процесса в разных ракурсах. Диаграммы, относящиеся к первому типу, называются диаграммами потокового описания процесса (Process Flow Description Diagrams, PFDD), а ко второму – диаграммами сети изменения состояний объектов (Object State Transition Network, OSTN).

Рассмотрим пример [9, 10]. Предположим, требуется описать процесс окраски детали в производственном цехе на предприятии. С помощью диаграмм PFDD документируется последовательность и описание стадий обработки детали в рамках исследуемого технологического процесса. Диаграммы OSTN используются для иллюстрации трансформаций детали, которые происходят на каждой стадии обработки. На следующем примере, опишем, как графические средства IDEF3 позволяют документировать вышеуказанный производственный процесс окраски детали. В целом, этот процесс состоит непосредственно из самой окраски, производимой на специальном оборудовании и этапа контроля ее качества, который определяет, нужно ли деталь окрасить заново (в случае несоответствия стандартам и выявления брака) или отправить ее в дальнейшую обработку.

Рисунок 3.9. Пример PFDD диаграммы

На рис.3.9 изображена диаграмма PFDD, являющаяся графическим отображение сценария обработки детали. Прямоугольники на диаграмме PFDD называются функциональными элементами или элементами поведения (Unit of Behavior, UOB)^[1] и обозначают событие, стадию процесса или принятие решения. Каждый UOB имеет свое имя, отображаемое в глагольном наклонении и уникальный номер. Этот номер не используется вновь даже в том случае, если в процессе построения модели действие удаляется. В диаграммах IDEF3 номер действия, полученного в результате декомпозиции, обычно предваряется номером его родителя (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Изображение и нумерация действия в диаграмме IDEF3

Существенные взаимоотношения между действиями изображаются с помощью связей. Все связи в IDEF3 являются однонаправленными, и хотя стрелка может начинаться или заканчиваться на любой стороне блока, обозначающего действие, диаграммы IDEF3 обычно организуются слева направо таким образом, что стрелки начинаются на правой и заканчиваются на левой стороне блоков. В табл. 3.4 приведены три возможных типа связей. Стандарт предусматривает и другие типы стрелок [8, 11], но они малоприменимы и не поддерживаются CASE‑системами

Таблица 3.4. Типы связей IDEF3

Изображение	Название	Назначение
	Временное предшествование (Temporal precedence)	Исходное действие должно завершиться, прежде чем конечное действие сможет начаться
	Объектный поток (Object flow)	Выход исходного действия является входом конечного действия (исходное действие должно завершиться, прежде чем конечное действие сможет начаться)
	Нечеткое отношение (Relationship)	Вид взаимодействия между исходным и конечным действиями задается аналитиком отдельно для каждого случая использования такого отношения

Связь типа "временное предшествование" показывает, что исходное действие должно полностью завершиться, прежде чем начнется выполнение конечного действия.

Связь типа "объектный поток" используется в том случае, когда некоторый объект, являющийся результатом выполнения исходного действия, необходим для выполнения конечного действия. Обозначение такой связи отличается от связи временного предшествования двойной стрелкой. Наименования потоковых связей должны четко идентифицировать объект, который передается с их помощью. Временная семантика объектных связей аналогична связям предшествования, это означает, что порождающее объектную связь исходное действие должно завершиться, прежде чем конечное действие может начать выполняться.

Связь типа "нечеткое отношение" используется для выделения отношений между действиями, которые невозможно описать с использованием связей предшествования или объектных связей. Обычно эти связи указывают, что между объектам существуют некоторые отношения, но на момент описания процесса они не определены.

Объект, обозначенный J1, называется перекрестком (Junction). Перекрестки используются для отображения логики взаимодействия стрелок (потоков) при слиянии и разветвлении или для отображения множества событий, которые могут или должны быть завершены перед началом следующей работы. Различают перекрестки для слияния (Fan-in Junction) и перекрестки для разветвления (Fan-out Junction) стрелок. Перекресток не может использоваться одновременно для слияния и для разветвления. При внесении перекрестка в диаграмму необходимо указать тип перекрестка. Классификация возможных типов перекрестков приведена в табл. 7.5.

Таблица 3.5. Типы перекрестков

Обозначение	Наименование	Смысл в случае слияния стрелок (Fan-in Junction)	Смысл в случае разветвления стрелок (Fan-out Junction)
	Asynchronous AND	Все предшествующие процессы должны быть завершены	Все следующие процессы должны быть запущены
	Synchronous AND	Все предшествующие процессы должны быть завершены одновременно	Все следующие процессы запускаются одновременно
	Asynchronous OR	Один или несколько предшествующих процессов должны быть завершены	Один или несколько следу­ющих процессов должны быть запущены
	Synchronous OR	Один или несколько предшествующих процессов завершаются одновременно	Один или несколько следу­ющих процессов запускаются одновременно
	XOR (Exclusive OR)	Только один предшествующий процесс завершен	Только один следующий про­цесс запускается

Все перекрестки в PFDD диаграмме нумеруются, каждый номер имеет префикс "J".

Сценарий, отображаемый на диаграмме, можно описать в следующем виде. Деталь поступает в окрасочный цех, подготовленной к окраске. В процессе окраски наносится один слой эмали при высокой температуре. После этого, производится сушка детали, после которой начинается этап проверки качества нанесенного слоя. Если тест подтверждает недостаточное качество нанесенного слоя (недостаточную толщину, неоднородность и т.д.), то деталь заново пропускается через цех окраски. Если деталь успешно проходит контроль качества, то она отправляется в следующий цех для дальнейшей обработки.

Описания процессов могут состоять из нескольких сценариев и содержать как диаграммы PFDD, так и OSTN. Для обозначения отношений и связей между UOB различных уровней PFDD и OSTN диаграмм и разных сценариев в IDEF3 используются специальные ссылки (Referents).

Ссылки могут использоваться:

− для обращения к ранее определенному функциональному модулю UOB без повторения его описания;

− для передачи управления или индикации наличия циклических действий при выполнении процесса;

– организации связи между диаграммами описания процесса PFDD и OSTN диаграммами.

Соответственно, выделяют следующие типы ссылок:

GOTO – циклический переход (в повторяющейся последовательности UOW), возможно на текущей диаграмме, но не обязательно. Если все UOW цикла присутствуют на текущей диаграмме, цикл может также изображаться стрелкой, возвращающейся на стартовую UOW. GOTO может ссылаться на перекресток.

UOB – экземпляр другого, ранее определенного UOB, выполняется в определенной точке. Например, UOB "Контроль качества" может быть использован в процессе "Изготовления редуктора" несколько раз, после каждой единичной операции.

SCENARIO – название сценария. Эта ссылка означает, что должна быть произведена активизация всех декомпозиций указанного сценария.

TS (Transition Schematic) – переход на схему. Это ссылка на соответствующую диаграмму, т. е. процесс, на который ссылаются, должен быть инициализирован.

NOTE (примечание) используется для документирования информации, относящейся к каким-либо графическим объектам на диаграмме. Элемент примечание может использоваться как в диаграммах описания процесса, так и объектных диаграммах OSTN. Этот элемент может быть применен к функциональному элементу UOW, перекрестку, связи, объекту или ссылке.

Отметим, что в BPwin используются немного другие ссылки[12].

Методология IDEF3 определяет два вида ссылок по способу запуска. Ссылка "Вызвать и продолжить " (Call and Continue Referent) указывает, что элемент, указанный в ссылке, должен быть активизирован до завершения выполнения действия модулем, к которому относится ссылка. Ссылка " Вызвать и ждать " (Call and Wait Referent), указывает, что элемент, указанный в ссылке, должен начать и закончить выполнение действия до завершения действия модулем, к которому относится ссылка.

Графические обозначения ссылок приведены на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Графическое обозначение ссылок

В основном поле символа ссылки указывается её тип (Referent Type) " UOB ", " SCENARIO ", " TS " или " GOTO " и через дробь " Label " – уникальное наименование блока, сценария, схемы или функции узла, на который указывает ссылка. В поле "Locator" указывается уникальный идентификатор элемента, указанного в ссылке. Пример использования ссылок показан на рис. 3.12 [8].

Рис. 3.12. Примеры использования ссылок

Каждый функциональный блок UOB может иметь последовательность декомпозиций, и, следовательно, может быть детализирован с любой необходимой точностью. Под декомпозицией мы понимаем представление каждого UOB с помощью отдельной IDEF3 диаграммы. Например, мы можем декомпозировать UOB "Окрасить Деталь", представив его отдельным процессом и построив для него свою PFDD диаграмму. При этом эта диаграмма будет называться дочерней, по отношению к изображенной на рис. 3.9, а та, соответственно родительской. Номера UOB дочерних диаграмм имеют сквозную нумерацию, т.е., если родительский UOB имеет номер "1", то блоки UOB на его декомпозиции будут соответственно иметь номера "1.1", "1.2" и т.д. Применение принципа декомпозиции в IDEF3 позволяет структурировано описывать процессы с любым требуемым уровнем детализации. На рис. 3.13 приведен пример декомпозиции модулей (UOB) и принцип формирования их номеров. Для наглядности все модули представлены на одном рисунке, но в IDEF3 они отображаются в трех диаграммах.

Рис. 3.13. Декомпозиция функциональных блоков

Методология IDEF3 позволяет декомпозировать работу многократно, т. е. работа может иметь множество дочерних работ. Возможность множественной декомпозиции отражается в нумерации работ: номер работы состоит из номера родительской работы, номера декомпозиции и номера работы на текущей диаграмме. На рис. 7.14 представлен пример двух вариантов декомпозиции родительского модуля [8].

Рис. 3.14. Пример двух вариантов декомпозиции модуля

Если диаграммы PFDD описывают технологический процесс "с точки зрения наблюдателя", то другой класс диаграмм OSTN – диаграммы сети изменения состояний объектов (не поддерживаются в BPwin) позволяет рассматривать тот же самый процесс " с точки зрения объекта ". С ее помощью можно графически представить, как одни виды объектов преобразуются в другие или изменяют свое состояние в ходе выполнения рассматриваемого процесса.

На OSTN состояния объектов изображаются окружностями с именем объекта внутри, а изменения состояний − соединительными линиями. Состояние объекта описывается фактами и ограничениями, которые должны выполняться, чтобы объект находился в данном состоянии. Требования для перехода объекта в заданное состояние определяются условиями входа. Условия выхода говорят о ситуации, в которой объект выходит из заданного состояния. Эти ограничения описываются в списке свойств. Связи переходов состояний задают возможные способы изменения состояний объектов.

Для изображения последовательностей переходов объектов из одного вида в другой и изображения перехода одного и того же объекта из одного состояния в другое в диаграммах OSTN используются связи переходов (Transition Links), которые бывают слабыми (Weak Transition Link) и сильными (Strong Transition Link). Слабые связи переходов изображаются сплошными одинарными стрелками (рис. 3.15) и показывают, что объекту вида В предшествует объект вида А или что состоянию В некоторого объекта предшествует его состояние А.

Рис. 3.15. Пример слабой связи переходов

Сильные связи переходов изображаются двойными однонаправленными стрелками (рис. 3.16) и подчеркивают, что объекту вида В должен предшествовать объект вида А или что состояние В объекта достижимо только из состояния А.

Рис. 3.16. Пример сильной связи переходов

В диаграммах OSTN используются те же виды ссылок, что и в диаграммах PFDD. Исключение составляет лишь ссылка типа GOTO, которая используется только в диаграммах потоковых процессов PFDD. Ссылки могут относиться как к символу объекта, так и к связи перехода. Соответственно, они интерпретируются как действия, которые необходимо осуществлять для поддержания объекта в данном виде или состоянии, или как действия, которые необходимы для преобразования вида или состояния объекта. Так как процессы поддержания объекта в определенном состоянии и его преобразования могут быть сложными, то допускается использование нескольких ссылок к любому элементу OSTN диаграммы.

На диаграммах OSTN могут использоваться перекрестки. Перекресток изображается кружком, внутри которого содержится условное обозначение логической функции, реализуемой перекрестком В качестве логических функций могут использоваться И (&), ИЛИ (O) и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (X). Как и на диаграммах PFDD, узлы перехода могут означать слияние и разветвление. Но на диаграммах OSTN перекрестки не делятся на асинхронные и синхронные. На рис. 3.17 показан пример использования узла разветвления с логической функцией ИЛИ.

Рис. 3.17. Пример перекрестка с логической функцией ИЛИ

Диаграмма рис. 3.17 означает, что под действиями UOB с именем P объект из состояния А может перейти в одно или сразу несколько состояний из множества возможных: B₁, В₂, …, В_n. Если бы в качестве логической функции использовалась функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, то это говорило бы, что возможен переход только в одно из возможных состояний B₁, В₂, …, В_n. Использование же функции И в перекрестке отображало бы переход объекта из состояния А сразу во все состояния B₁, В₂, …, В_n.

На рис.3.18 представлено отображение процесса окраски с точки зрения OSTN диаграммы.

Рис. 3.18. Пример OSTN диаграммы

BPwin имеет возможность преобразования диаграмм IDEF3 в имитационную модель популярной системы моделирования Arena [13 – 14]. Идея преобразования описана в [2, 3], подробное описание дано в фирменной документации [12].