Entwurf und Transformationskonzepte für flexible klinische Workflow ModelleMarkusBandtUniversität RostockRobertKühnIT Science Center RügenPeterForbrigUniversität RostockSebastianSchickUniversität RostockIlvioBruderbruder@it-science-center.deIT Science Center RügenAndreasHeuerUniversität Rostock25.-28.05.2010Bad HelmstedtGermanyEntwurf und Transformationskonzepte für flexible klinische Workflow Modelle230310BB4D8BD8C944CB7F75B47F4FEFGROBID - A machine learning software for extracting information from scholarly documentsHOPSYAWLworkflowbasiertes AssistenzsystemWorkflows
Workflow-Management-Methoden sind eine bewährte Möglichkeit Vorgänge der realen Welt informationstechnisch zu erfassen. Besonders geeignet sind dabei natürlich exakt strukturierte Abläufe, wie bspw. Arbeits-und Geschäftsprozesse in der Industrie. Aber auch in ungenauen, hochdynamischen und flexiblen Umgebungen, wie dem hier gewählten Einsatzfeld perioperativer klinischer Prozesse, ist Workflow-Management geeignet. Im Umfeld eines operativen Zentrums einer Klinik hat man es mit komplexen Koordinationsvorgängen zu tun. Dabei spielen das zeitliche sowie räumliche Management von Personal, Räumen, Geräten und Material eine wesentliche Rolle. Dynamische Änderungen der Arbeitsabläufe sind aufgrund von Notfällen, Ausfällen, unvorhergesehenen Komplikatio-Das Projekt Perikles wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen "01S09009" gefördert.
nen und Verschiebungen notwendig. Um diese Herausforderungen adäquat umsetzen zu können, werden in diesem Artikel die Aspekte des Entwurfs eines solchen Assistenzsystems sowie geeignete Flexibilisierungskonzepte für das Workflow-Management vorgestellt und diskutiert. Im folgenden sollen diese Aspekte anhand des Projektes Perikles (Unterstützung perioperativer klinischer Prozesse durch kooperierende flexible Workflows und AutoID-Sensorsysteme) vorgestellt werden. Als Modellierungssprache dient HOPS (Higher-Order Process Specification), zur Spezifikation der Workflows wird YAWL (Yet Another Workflow Language) genutzt. Auf Basis von YAWL sollen benötigte Flexibilisierungskonzepte analysiert und umgesetzt werden. Das Ziel von Perikles ist die Bereitstellung eines workflowbasierten Assistenzsystems, um das OP-Management zu entlasten und wichtige Aufgaben wie Planung, Koordinierung, Kommunikation und Überwachung des perioperativen Prozesses zu vereinfachen.
ENTWURF MIT HOPS
Vorgehensweise. Ein wesentlicher Teil von Perikles, ist die Aufgabenanalyse, welche sich an dem szenariobasierten Ansatz von Carroll & Rosson [3] orientiert. Ziel der Aufgabenanalyse ist es, die Arbeitsabläufe im perioperativen Prozess zu verstehen und die beteiligten Akteure bzw. deren Aufgaben zu beobachten. Dies ist wichtig, da der perioperative Prozess aus sehr vielen komplexen Arbeitsschritten besteht, bei denen viele Akteure miteinander interagieren. [
HOPS. HOPS ist eine universelle Spezifikationssprache zur
Beschreibung der Interaktion zwischen kooperativen Systemen. Diese werden als Prozesse beschrieben. Ein Prozess P besteht aus mehreren Komponenten, bei denen es sich um eigenständige Prozesse handelt. Diese existieren parallel zu P und besitzen ein eigenständiges Verhalten. Darüber hinaus hat Prozess P mehrere atomare Operationen, mit denen das Verhalten des Systems beschrieben werden kann. Zusätzlich können Vor-oder Nachbedingungen spezifiziert werden, welche vor oder nach der Ausführung der Operation erfüllt sein müssen. Ein Prozess gliedert sich in mehrere Teilprozesse auf, welche aus einer Folge von Operationen oder Teilprozessen bestehen. Zusätzlich bietet HOPS mehrere temporale und strukturelle Operatoren an, welche die Ausführungsreihenfolge der Operationen beeinflussen können. So ist es möglich Teilverhalten eines Prozesses zu modellieren und modular zu einem Gesamtprozess zusammenzusetzen. Eine formale Einführung in das Konzept der Prozesse höhe-rer Ordnung und eine ausführliche Beschreibung von HOPS wird in [5]
UMSETZUNG PERIOPERATIVER PROZESSE MIT YAWL
YAWL -Formale Grundlagen.
AUSBLICK
Die im Artikel beschriebenen Arbeiten haben gezeigt, dass kritische, klinische Prozesse mit ihrer hohen Flexibilität mittels Workflows umfassend beschreibbar sind. Dabei konnte hier ein adäquater Entwurfsprozess definiert und nötige Transformationen beschrieben werden. Die Umsetzung der Flexibilisierungskonzepte hat gezeigt, dass Workflow-Sprachen prinzipiell geeignet sind, aber dahingehend erweitert werden müssen. Zukünftig muss der Entwurfsprozess konsequent bis zur lau-fenden Anwendung weiter entwickelt werden. Dazu steht im nächsten Schritt die Umsetzung der Workflows in einer Simulationsumgebung an. Auch hier ist wieder zu überprüfen, ob die Flexibilisierungskonzepte die realen Bedingungen abbilden können. Mit dem entwickelten Assistenzsystem sind anschließend auch Tests im klinischen Umfeld geplant.
LITERATUR
Abbildung 1: Vorgehensweise und Beschreibungsmittel für die Anforderungsanalyse (nach[4])Abbildung 2: HOPS-Prozess TelefonierenAbbildung 3: YAWL Architektur (abgewandelt aus[11])
Condition wird der Status eines Prozesses abgebildet. Jedem Arbeitsablauf sind außerdem eine Input-und Output Condition zugeordnet die jeweils den Beginn und das Ende eines Prozesses beschreiben. Eine Multiple Instance Task ermöglicht das gleichzeitige Ausführen mehrerer Instanzen einer Task. Neben den bereits genannten Elementen werden verschiedene Split-und Join-Typen unterstützt. Der AND-Split aktiviert alle ausgehenden Kanten und entsprechend wird der AND-Join über alle eingehenden Kanten aktiviert. Ähnlich verhält sich der OR-Split, wobei hier mindestens eine Kante aktiviert wird. Beim OR-Join muss mindestens eine der eingehenden Kanten aktiviert sein. Der XOR-Split aktiviert genau eine Kante und der XOR-Join wird durch genau eine Kante aktiviert. Als weiteres Sprachelement bietet die Cancelation Region die Möglichkeit definierte Bereiche innerhalb eines Prozesses in Abhängigkeit einer Bedingung abzubrechen. Der Bereich kann sich auf eine atomare Task aber auch auf vollständige Netze beziehen. YAWL bietet neben der Kontrollflussperspektive auch die Möglichkeit Daten zu modellieren und z.B. für den Kontrollfluss zu nutzen. Hierfür stehen eine Menge von Standard XML-Datentypen zur Verfügung. Wobei das Typsystem von YAWL XML-Schema verwendet, welches um eigene Typen erweitert werden kann. Variablen werden entweder einem Netz oder einer Task zugeordnet. Diese Zuordnung beschreibt zugleich auch den Sichtbarkeitsbereich der Daten. Task-Variablen sind immer als Abbildung von bzw. auf Netz-Variablen unter Verwendung der XML-Anfragesprachen XPath/XQuery beschrieben. Der interne Datentransfer findet immer vom Netz zur Task oder umgekehrt statt. Ein Transfer der Daten von einer Task zu anderen ist nicht erlaubt, da der Sichtbarkeitsbereich einer Task-Variablen lokal zur Task ist. Der externe Datentransfer muss immer über Task-Variablen durchgeführt werden. Neben dem Datenaustausch können die Daten auch für den Kontrollfluss verwendet werden. Hierbei besteht die Möglichkeit ausgehende Kanten eins XOR-Splits oder OR-Splits mit Bedingung auf Netz-Variablen zu erweitern. Hierbei werden dann entsprechend der Bedingungen nur einzelne Kanten aktiviert.
aus-gewählt werden. Die Ausführung wird einer speziellen Taskim Workflow zugeordnet.Das Exception-Handling [13] bietet die Möglichkeit auf uner-wartete Ereignisse zur Laufzeit zu reagieren und wird durcheinen vergleichbaren Ansatz wie bei dem vorher vorgestell-ten Late Binding umgesetzt. Die Exlets [2] bieten nebendem Einbinden von Worklets auch die Möglichkeit verschie-dene Ausnahme-Typen zu definieren. Es werden Ereignisseerzeugt, wenn ein Case oder eine Task aufgerufen oder been-det wird. Anhand eines Regelsystems wird dann entschiedenob eine Ausnahme eingetreten ist. Um auf die verschiede-nen Ausnahmen geeignet reagieren zu können, werden ent-sprechende Operationen angeboten. Dabei können einzelneWork-Items oder Cases gelöscht oder angehalten werden.Außerdem kann die Bearbeitung von Work-Items und Ca-ses wieder fortgesetzt oder neu gestartet werden. Über dieOperation Compensate können zum Beispiel Worklets ein-gebunden werden, um bereits ausgeführte Arbeitsschritte zukompensieren.Das Konzept der Jumps [9] bietet die Möglichkeit zur Lauf-zeit in den Kontrollfluss der Instanz einzugreifen und so aufAusnahmesituationen zu reagieren. YAWL unterstützt die-ses Konzept nur zum Teil. Es werden statische Forward-Nachholen" möglich ist. Ein-Jumps ermöglicht, wobei kein " geschränkte dynamische Forward-Jumps sowie eingeschränk-te Backward-Jumps werden auch ermöglicht.
Um dem Umstand Rechnung zu tragen, dass perioperative Prozesse hoch dynamisch und zum Teil nicht planbar sind, muss das verwendete Workflow-Management-System entsprechende Techniken bereitstellen. Hier stellt die flexible Anpassung der modellierten Arbeitsabläufe eine besondere Herausforderung dar. YAWL bietet eine Grundlage, mit der einige Flexibilisierungskonzepte bereits unterstützt werden. Für die Modellierung stellt die Sprache 14 Grundelemente bereit. Die Atomic Task bildet einzelne Arbeitsschritte für Menschen oder Maschinen ab. Die Composite Task bindet andere Prozesse ein. Mit Hilfe derFlexibilität . YAWL unterstützt verschiedene Konzepte der Flexibilität. Während der Modellierungsphase kann durch Unterspezifikation (hier Late Binding) ein gewisser Grad an Flexibilität erreicht werden. Zur Ausführungszeit kann durch Exception-Handling und (eingeschränkt) Jumps Flexibilität auf Ebene der Instanzanpassungen erreicht werden. Late Binding[13] wird in YAWL durch das Konzept der Worklets[1] umgesetzt. Dabei können über die, in YAWL vorhandene, Web-Service-Schnittstelle zur Laufzeit Worklets eingebunden werden. Ein Worklet beschreibt im einfachsten Fall eine atomare Workflow-Task oder eine vollständige Prozessbeschreibung. Anhand von Regeln kann ein Worklet
Worklets: A Service-Oriented Implementation of Dynamic Flexibility in WorkflowsMAdamsAH MTer HofstedeDEdmondWM PVan Der AalstOTM ConferencesLecture Notes in Computer ScienceRMeersmanZTariSpringer20064275Dynamic, Extensible and Context-Aware Exception Handling for WorkflowsMAdamsAH MTer HofstedeWM PVan Der AalstDEdmondOTM ConferencesLecture Notes in Computer ScienceRMeersmanZTariSpringer20074803Requirements Development in Scenario-Based DesignJMCarrollMBRossonGChinJKoenemannIEEE Transactions on Software Engineering24121998Perikles Projektbericht zum MeilensteinADittmar20091A unified description formalism for complex HCI-systemsADittmarPForbrigInternational Conference on Software Engineering and Formal Methods2005Task-based design revisitedADittmarPForbrigEICS '09: Proceedings of the 1st ACM SIGCHI symposium on Engineering interactive computing systemsNew York, NY, USAACM2009The Workflow Reference Model -TC00-1003DHollingsworth1995TMöllerUntersuchung zur Flexibilisierung klinischer Workflows2009Universtity of Rostock, Universtity of RostockDiplomarbeitDealing with Forward and Backward Jumps in Workflow Management SystemsMReichertPDadamTBauerSoftware and System Modeling212003Konzepte für die Integration von XML-Schema und ProzessbeschreibungenLSong2009Universtity of Rostock, Universtity of RostockDiplomarbeitFlexibility as a serviceWM PVan Der AalstMAdamsAH MTer HofstedeMPesicHSchonenbergDASFAA WorkshopsLecture Notes in Computer ScienceLCCLiuQLiuKDengSpringer20095667Declarative workflows: Balancing between flexibility and supportWM PVan Der AalstMPesicHSchonenbergComputer Science -R&D2322009Beyond rigidity -dynamic process lifecycle supportBWeberSWSadiqMReichertComputer Science -R&D2322009