基于管道隐喻的工作流可视化方法

董延昊，滕东兴

（1.中国科学院软件研究所 人机交互技术与智能信息处理实验室，北京100190；2.中国科学院研究生院，北京100190）

0 引 言

工作流技术是当前计算机应用领域的一个热点。随着社会生产的规范化和流程化趋势日益明显，工作流技术在制造业、金融、物流、医疗、通信等各个行业得到了广泛应用，并发挥着越来越重要的作用［1］。对工作流提供有效的观察和监控手段成为企业信息化建设的关键目标之一。目前的工作流系统产品对业务流程的规范提供了有效支持，在任务间信息传递方面提高了效率［2］，但缺乏面向管理人员的对大量工作流实例的宏观展示方法以及监控手段。原因在于，现有工作流管理系统呈现界面元素时只关注当前角色和当前单个实例，而在宏观层面表现力不足，同时缺乏有效的多流程实例呈现手段，使管理人员容易陷入顾此失彼的大量流程和任务之间的切换查看中，降低了工作效率和决策能力。

目前信息可视化领域中，在流程可视化的研究和应用方面取得了较大的进展［3－4］，尤其是在展示静态流程信息方面较为突出［5－7］，但忽略了可视形态的用户交互模块，面向管理人员操纵工作流的交互研究仍然不足，主要表现在对于交互任务缺乏深入研究，没有从用户目标的角度思考交互目标和构建交互任务集。必须对大量工作流实例的可视形态添加动态交互功能，才能真正为管理人员的监控活动提供有力的支持［8］。

本文基于信息可视化技术，提出一种基于三维管道隐喻可视化方法：对工作流数据进行建模，继而通过合适的可视隐喻策略，将工作流数据映射到三维可视形态中，对工作流数据进行可视化展示，增强信息工作者对数据的把握能力，提高对工作流数据检索、分析的效率，同时提供自然便捷的交互方式，从而提供一个对工作流数据分析利用的有力工具。

1 研究现状

在信息可视化领域中，针对流程可视化已经提出了若干可视形态和映射方法。目前处理方法主要有树结构记录流程、三视图的方式（数据视图、知识视图和过程视图）实现流程追踪和再现［9］（如图1所示）。此外，可视化领域提出了一种可视化工作流管理系统的总体框架，讨论了框架中各模块组成和功能，但其可视化功能主要集中于流程定义即工作流设计阶段，没有涉及运行时的呈现手段和监控方法。可视化领域还提出借助过程流网（process flow network）来描述工作流过程，以及相应的建模方法，但并未讨论工作流模型与可视形态的映射策略以及可视形态的具体形式。

本文认为，工作流可视化的重点在于对运行阶段的大量工作流实例进行呈现，而不仅仅是对单个工作流实例的图形化定义和展示。本文首先从工作流特点出发，对数据进行分析、分类，继而对其建模，将模糊的、抽象的工作流数据结构化；然后提出可视隐喻策略和一套三维工作流符号集，实现模型数据到三维可视形态中图元的映射，从而将大量工作流实例映射到三维空间可视形态中，在三维形态基础上给出交互目标和相应的交互任务集；最后面向具体应用场景开发原型系统，对上述方法和内容进行验证。

图1 Aruvi界面

2 可视形态设计与实现

2.1 可视化方法架构

整个方法在层次上分为四层，分别对应数据采集、模型构建、可视形态和用户交互，其结构如图2所示。

图2 可视化工具系统架构

2.2 工作流数据的分类与建模

2.2.1 工作流模板模型

工作流数据主要分为两个阶段：设计阶段数据和运行阶段数据，因此这两种类型数据，分别称之为工作流模板数据和工作流实例数据。

工作流模板即对工作流的过程定义，是业务过程的一种表示，这种表示以计算机可理解的形式来描述，具有支持自动流水执行的性质。业务人员根据工作内容定义业务流程，描述任务序列和逻辑规则，从而形成了工作流模板。工作流模板是一种静态的、一般不改变的知识，它包含了任务执行过程中可能遇到的所有情况和对应的执行路径、处理规则。工作流模板需要具备以下3个性质：

（1）完整性：工作流模板必须覆盖流程执行过程中可能遇到的所有情况，不完整的模板定义如语义缺失、逻辑混乱等，会导致工作流实例在运行过程中无法选择路径或陷入死锁［10］。

（2）无二义性：工作流模板中，活动间的变迁条件必须唯一明确，无语义重叠，否则在工作流实例运行时会出现不期望的路由路线。

（3）极小性：在同一个业务过程可能出现的多种完整的描述方法中，工作流模板采用内容最少的描述方式。

2.2.2 工作流实例模型

工作流实例是指实际运行的一项具体业务，是在执行期根据工作流模板生成的一系列活动集合体，如某位患者的诊疗流程，某项外销合同的执行过程等。工作流实例具体由若干活动实例组成，但一个活动实例不能同时属于几个工作流实例。对工作流实例进行建模，这里将其定义为一个五元组：

WorkflowInstance＝＜Node，Transition，Role，Data，Time＞，以下对五元组进行详细介绍：

（1）Node是流程中的步骤即节点，流程中的节点，根据节点的任务和性质不同分为几类：

任务节点：在该节点执行完定义好的任务，然后向下流转；

或分支节点：流程的执行路径在或分支节点处发生分裂，拆分成若干条线并行，流程沿某一条路线前进；

或归并节点：同或分支节点成对出现，在二者之间的多条路径中，只要有一条被执行，就继续向后路由，不管其它路径是否被执行；

与分支节点：流程的执行路径在或分支节点处发生分裂，拆分成若干条线并行，后续的几个并行任务都需要被执行；

与归并节点：同与分支节点成对出现，在二者之间的多条路径中，等到所有路径均执行完毕，才可以继续向后路由，否则处于等待状态；

决策节点：带有转移条件的节点，当流程到达该节点时，按照预先定义的转移条件决定流程走向的迁移（Transition）路径，与分支节点不同的是，分支节点用来实现并行，决策节点必须只能在多个Transition中选择一个。

（2）Transition即活动连接弧，表示节点之间的路由关系和进行顺序。

（3）Role表示工作流中的角色，Action表示在该节点处执行的操作或完成的任务。

（4）Data表示工作流表单，从数据的维度来观察工作流，可以视为一组表单数据的流动过程。表单从起始节点的空白状态开始，逐步向后流动，按照事先定义好的规则和路径进行传递，每经过某一节点，就把该任务信息写入表单中，表单数据获得一个增量，如此 “滚雪球”式增长，直至任务完成，表单最终生长为一张完整表单，进入历史库。

（5）Time表示活动的时间，时间属性往往是容易忽视的一项属性，同时也是二维形态难以展示的一项属性，三维形态在这一方面做了一个有价值的改进，利用Z方向高度信息来表征这一属性，使二维空间不能展示的信息得以直观呈现。

2.3 工作流数据的三维可视化呈现方法

2.3.1 三维符号集

符号是直观表达事物和现象的一种可视化工具［11］，按照上文讨论，工作流模型涉及到元素和属性较多，其映射而成的可视形态中必定图元的类型和属性也较多。符号集是可视形态的基础，符号影响到形态的质量和对形态的理解，符号设计应该形象直观，一目了然。

一个三维虚拟场景一般由大量不同类型的图元构成，每个图元分别代表各自不同的含义。为借助三维形态展示工作流，首先需要按照工作流特点给出一套三维符号集（表1），使得模型能够通过大量不同的可视符号表达出来。

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2.3.2 可视隐喻

工作流数据是对工作流进行分析的核心，然而重要数据常常掩埋在大量数据中，以其自身固有形式存在，很少能用于直接展现，关键的方法在于数据的转化和呈现。因此，将数据转化为形态的策略至关重要。上文讨论了对数据的建模，将繁杂的工作流数据抽象成易于处理的形式，这里给出可视隐喻，完成工作流数据模型与可视形态之间的映射。映射策略相应分为两部分，即模板数据的映射和实例数据的映射。

三维空间中，平面z＝z0将空间切割为多个切片，最底层的切片称为底面，从高度上来说，将工作流模板数据置于底面上，作为所有工作流实例的视觉对照标准。将工作流模板的XPDL描述形式进行解析，对照模板符号，按照一定布局算法将其布置在XOY平面上。接下来是工作流实例的映射，根据其执行节点路径将活动加入到三维空间中，一个活动实例映射为三维空间中的一个胶囊符号，x和y坐标取决于该种类活动对应的底面模板x与y坐标，而z坐标取决于活动的开始执行时间，在活动映射到空间后，按活动间关系生成连接线，于是形成多条管道，呈现工作流实例的进行历史。每一个活动节点同时又是一个富信息的图元，包含了任务目标、角色、操作、表单数据等关联内容。

2.4 工作流可视形态的交互

2.4.1 交互目标

在可视形态的基础上，提出用户的可视交互目标，并建立可视交互任务集。用户的交互目标包括以下3个方面：

（1）工作进度趋势查看：管理人员需要具有查看全体工作流实例进展情况的整体概览视图，从全局角度掌握当前诸多下级人员个人工作进展情况，进行结果统计，使其对流程是否合理、是否需要优化等决策提供直观感受。

（2）流程活动历史跟踪：工作流从控制的角度来看是一组活动的有序组合，当管理人员关注某一具体工作流实例时，需要清晰的查看到执行过程、路由路径、已完成活动详情、异常状态等信息。管理人员需要对各实例进行检索、过滤、标记、回溯等操作。

（3）表单监控：工作流从信息的角度看是一个各角色之间通信的过程，工作流可以视为一组表单数组在若干有序活动之间流动。管理人员需要能够在可视形态中很自然便捷的查看所有已完成活动的表单数据、参与者角色和行为。

2.4.2 交互任务集

为达到上述交互目标，建立满足要求的可视交互任务集，将交互任务分为视图操作、图元操作、内容操作和过程操作四大类。

视图操作的目的是根据用户需求进行信息呈现和视图变换，使用户能够通过一系列操作将视图调整到合适的视角；图元操作包括对图元的选择、标记等交互任务。内容操作为用户提供信息标记、批注和搜索等功能，满足用户在分析过程中对视图添加附加信息的需求，或当前呈现的原始数据进行进一步的统计加工；过程操作指用户为回顾中间结论、综合分析而将可视形态返回到先前某个视图状态的操作。通过以上任务的组合，提供给用户对工作流数据进行可视化分析的有效手段。

交互任务集见表2。

表2 交互任务集

3 关键技术

三维空间中图元布局算法

为在三维空间中展示可视图元和工作流符号，需要解决布局设置问题，即给定有限的布局工具和待布局物体，将待布局物体合理的置于三维空间中，满足必要的约束，并达到某种最优指标，从而在视觉上排布均匀，高效利用有限空间。

对给定的图元集合A＝｛a1，a2，…an｝，该序列按图元的度降序排列，图元之间的连接关系为矩阵L

以下给出增量式图元三维空间布局方法，即在前k－1个图元已经布置好的基础上，考虑第k个图元的布局。布局算法考察总弧长和均匀度两个方法，给出评价函数：e（a1，a2，…ak）＝g（a1，a2，…ak）＋λh（a1，a2，…ak），其 中，g（a1，a2，...ak）＝·

式（1）反应了布局均匀度，rx，ry，rz分别表示空间3个方向最大坐标与最小坐标之差，h越小，表示图元占据的空间越接近正方体，当变焦放缩到合适比例时，能够更大限度的充分利用各个方向显示空间。算法首先根据当前已有的k－1个图元的图重心位置，为第k个图元给出一组候选位置坐标，然后对每个候选坐标计算评价函数，函数值最小的坐标作为该图元的坐标。

4 系统实例

诊疗流程是具有典型工作流特征的活动集合，在医疗工作流中，各医务人员要跟踪并掌握大量患者的治疗经过、医学检查结果、用药方案、健康状态等信息以及这些信息的实时变化情况，这给医务人员带来了繁重的认知负担和工作压力。在上文基础上，开发了面向医疗工作流数据的可视形态，并在其基础上构建了一个医疗工作流查看分析系统，为管理人员提供易于认知的工作流信息表现形态以及友好的操作界面，对当前活跃的工作流进行直观展示，辅助管理者自然、高效地完成分析决策任务。

工作流可视形态示意如图3所示。

图3 工作流可视形态

医疗工作流可视化工具如图4所示。

图4 医疗工作流可视化工具

系统构建了心脏动脉导管未闭诊疗工作流，多名患者数据呈现在不同高度的三维管道上，可视形态中，不同的患者使用不同颜色的管道表示，z坐标较低的是发生时间较早的活动；同一名患者的诊疗活动从左向右进行，管道最右侧的活动是患者当前处于的活动（包括康复出院）。在该系统中，可以一目了然看到当前本医院所有该疾病患者的诊疗经过概况，既可以横向的观察某位患者治疗历史，也可以纵向观察某一活动的执行次数与时间，如最近ASD手术进行了几例等。

聚集形态反应出的宏观视图可以提炼出运行趋势的信息。形态中，体积较大的节点表示该活动出现频率较高，较粗的管道反映出该路径的执行频率较高，出现频率较高的路线说明该种治疗方案具备典型意义。通过系统发现，ST段有持续性抬高，并符合溶栓指征的情况下，大多采用静脉溶栓而不是内科保守治疗。管理人员可以从中提炼出该疾病的一般诊疗过程，从而为制定临床路径提供依据。

总的来看，所构建的系统能够以合理的方式对流程实例进行显示，直观的呈现总体视图，减轻分析决策过程中医务人员的认知和记忆负担，为临床路径的制定提供决策支持，取得了较好的应用效果。

5 结束语

本文针对工作流数据的呈现问题，提出基于三维管道隐喻的可视化方法，根据流程型数据特点提出一个有针对性的可视形态，将数据映射到三维空间中，以信息密度高的三维形态呈现多工作流实例视图，为分析利用大量工作流数据提供支持，在工作流数据展示、工作流监控和性能分析方面具有参考价值。目前流程可视化的研究仍处于探索阶段，可视化形态的交互和分析等问题，都需要进一步研究解决。

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