Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИМЕНЕНИЕ СИНЕРГЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

В.М. Левыкин, М.В. Евланов, Л.М. Кондратьева

Аннотация

Обоснована применимость моделей динамической теории информации для описания процессов обследования предприятия, проектирования функциональной структуры и обеспечивающей части информационной системы. Предложен вариант применения математической модели генерации новой информации для формирования моделей потоков данных информационной системы. Рассматриваемый в статье материал может быть использован для создания принципиально новых методов и средств проектирования крупных информационных систем

1. Актуальность проблемы

В настоящее время существует несколько определений понятия «информация», однако ни одно из них не является общепринятым. Термин «информация» использовался в обыденной жизни и в практических задачах (осуществление связи, шифрования и т.д.) на уровне интуитивного или прикладного понимания. Попытки связать информацию с обычными понятиями «материя» или «энергия» не имели успеха. Ограниченный успех имели попытки связать понятия «информация» и «энтропия». Поэтому вопрос об определении понятия информация остается открытым [1, 2]. Между тем, широкое использование систем управления предприятиями, которые построены на методах обработки информации, требует постоянного переосмысления термина «информация» в соответствии с новыми возможностями информационных систем (ИС).

Особенно важной проблема переосмысления понятия «информация» становится при решении задач создания и эксплуатации ИС в условиях постоянного изменения автоматизируемых бизнес-процессов. Необходимо отметить, что такие условия могут быть вызваны как внешними причинами (изменение политического курса, изменение условий и правил осуществления экономических процессов, изменения спроса на выпускаемые изделия и т.д.), так и внутренними причинами (высокая текучесть кадров, отсутствие на предприятии единых стандартов и технологий обработки информации, нестабильность систем внутреннего и внешнего документооборота и т.д.). Поэтому актуальность формулирования новых теоретических представлений понятия «информации» и практических методик моделирования и управления информацией не вызывает сомнений.

2. Анализ существующих решений и публикаций в данной области

Анализируя современное состояние проблемы в данной области, необходимо отметить, что большинство существующих структурных представлений ИС в настоящее время рассматривают данные системы как равновесные устойчивые системы. Появление в 1990-х гг. языка визуального объектно-ориентированного моделирования UML позволило описывать исследуемые системы (главным образом, программные системы), с одной стороны, как статические, а с другой стороны - как системы, в которых присутствуют динамические процессы [3]. Данные процессы описываются в UML как диаграммы перехода из одного состояния в другое [3, 4] и, по своей сути, являются визуальным отображением некоего детерминированного автомата, который затем используется для построения исходного кода программной системы [5].

Однако такой подход, как показала практика [4], применим, главным образом, для проектирования программного обеспечения ИС. Между тем, вопросы взаимодействия таких элементов ИС, как программные интерфейсы пользователей, база данных, серверы и клиентские ЭВМ, а также связывающая их компьютерная сеть, остаются вне рассмотрения и моделирования. Следует признать, что практически все современные методики проектирования ИС рассматривают вопросы проектирования видов обеспечений ИС по отдельности, не затрагивая проблемы интеграции проектных решений и совместной разработки элементов обеспечивающей части ИС.

Причиной такого похода следует считать отказ от комплексного рассмотрения компонентов ИС и применение до сих пор таких терминов, как «вид обеспечений ИС». В работе [6] двумя авторами данной статьи предложено использовать вместо данного термина термин «обеспечивающий комплекс» - совокупность интегрированных проектных решений по видам обеспечений, призванных автоматизировать выполнение задач, поставленных перед ИС в соответствии с типами автоматизации и структурой создаваемой ИС. При этом и функциональную структуру ИС, и каждый из обеспечивающих комплексов можно рассматривать как аналог оптимизационных задач, допускающих многовариантность существующих решений по каждому из видов обеспечения. Главная задача проектировщиков ИС в этом случае состоит в необходимости нахождения допустимого компромиссного решения этой задачи, которое наиболее полно удовлетворяет требованиям, выдвинутым всеми этапами разработки.

В связи с этим возникает проблема рассмотрения вопросов согласования описаний обеспечивающих комплексов ИС для организации совместной разработки обеспечивающей части ИС. При этом проблема переосмысления понятия «информация» приобретает прикладное значение как один из способов выработки новых языков метаописания предметной области и моделирования различных обеспечивающих комплексов ИС.

Как один из подходов к решению данной проблемы, в работах [1, 2] предлагается динамическая теория информации. Динамическая теория информации основана на идеях, концепциях и моделях синергетики, отражающих поведение неравновесных систем различной природы и к настоящему времени является не полностью законченным научным исследованием. Между тем, полученные в работе [2] результаты позволяют утверждать, что существует целый ряд практических подтверждений данной теории.

3. Выделение нерешенных ранее частей проблемы

Использование для моделирования ИС традиционных формализованных методов и способов описания информации за последние годы уже не дают принципиально новых решений. Одой из причин такого положения является то, что традиционная теория информации имеет дело преимущественно с проблемами передачи информации, ее сохранения и получения (рецепции). С появлением синергетики и внедрением ее в информатику начались исследования вопросов эволюции информации и физических механизмов, лежащих в основе рецепции, запоминания и обработки информации. Использование положений синергетики для решения практических задач моделирования, проектирования, внедрения и сопровождения ИС позволяет решать принципиально новые исследовательские и проектные задачи.

В работе [2] рассматривается использование синергетических моделей для описания процессов генерации и распространения информации в таких специализированных информационных технологиях, как нейронные сети. Отдавая должное данному виду информационных технологий, следует отметить, что нейронные сети являются лишь одним из многочисленных инструментальных средств решения проблем автоматизированного информационного управления объектами предметной области. Поэтому проблема формирования синергетических моделей ИС и ее обеспечивающих комплексов, а также трактовка данных моделей с точки зрения процессов проектирования и внедрения ИС требует дальнейших теоретических исследований и практических работ.

4. Постановка задачи исследования

Особенностью синергетических моделей неравновесных систем является их ориентация на предметные области с весьма характерными особенностями. Синергетика как наука возникла на результатах исследований химических и физических процессов [1, 7]. Поэтому для применения синергетических моделей при описании и изучении ИС и ее обеспечивающих комплексов необходимо вначале проверить их соответствие принципам построения математических моделей, изложенных в [8].

Целью данной статьи является подобная проверка синергетических моделей процесса генерации информации, предложенных в работах [1, 2], с точки зрения соответствия данных моделей задачам исследования объекта автоматизации и проектирования ИС и ее обеспечивающих комплексов.

5. Изложение материала исследования

Основой математического представления синергетических процессов, в соответствии с [1, 2], является система дифференциальных уравнений вида

, (1)

где - переменная, описывающая информацию i-го типа, ; - функции, описывающие взаимодействие переменных ; - характерное время изменения значений переменных ; - описание распространения динамических переменных в пространстве (в частности, диффузии).

Динамическая теория информации предлагает использовать синергетические модели системы с учетом следующих допущений [1, 2]:

- информация понимается как выбор одного из возможных вариантов и запоминание выбранного варианта;

- рассматриваются автономные динамические системы;

- система должна состоять из элементов , , нескольких (по крайней мере двух) различных типов, принадлежащих одному множеству ;

- рассматриваемая система является мультистабильной (то есть у системы имеются несколько стационарных состояний), при этом свойство мультистабильности зависит от взаимодействия элементов;

- информация, которой обладают элементы системы, в отдельных случаях может по качеству совпадать с информацией, которой обладает вся система;

- система должна быть симметричной по отношению к перестановкам своих элементов в множестве , должна предусматривать возможность описания процессов генерации и удаления элементов одного типа, должна предусмотреть возможность описания процессов автокаталитического воспроизводства элементов одного типа;

- для описания процесса генерации информации необходимо, чтобы в системе существовало неустойчивое состояние.

Эти допущения позволяют описать процесс генерации новой информации для элемента , , как динамическую систему вида

, (2)

где - количество элементов , обладающих информацией i-го типа; - структурный элемент модели, описывающий автокаталитическое воспроизводство элементов ; - структурный элемент модели, описывающий антагонистическое взаимодействие элементов и ; - структурный элемент модели, описывающий антагонистическое взаимодействие двух элементов .

Предположим, что параметры , , одинаковы и не зависят от типа информации. Это означает, что динамическая модель системы состоит из равноправных элементов. Введем переменные , , . Тогда уравнение (2) можно записать в безразмерном виде

, (3)

а с учетом наличия диффузионного слоя модель динамической системы (1) примет следующий вид (здесь и далее штрихи опущены для удобства чтения моделей) [1, 2]:

, (4)

где D - коэффициент диффузии.

Такое описание процесса генерации новой информации позволяет разделить процесс развития динамической ИС на следующие этапы [1, 2]:

- образование «чистых» областей (кластеров), в которых преобладают элементы определенного типа (разные для разных кластеров);

- расширение кластеров до момента, когда все пространство будет покрыто мозаикой из «чистых» областей и границ между ними;

- превращение выпуклых или вогнутых границ между областями в плоские (при этом ареал обитания кластера, имеющего выпуклые границы, уменьшается, а кластеры, которые всюду имеют выпуклые границы, исчезают);

- антагонистическое взаимодействие на фронтах раздела между кластерами, в котором побеждает кластер с большим ареалом обитания.

Рассмотрим модель процесса генерации новой информации в динамической ИС с точки зрения системного аналитика, занимающегося предпроектным обследованием предприятия с целью определения наиболее предпочтительной функциональной структуры проектируемой ИС. При этом вводятся следующие допущения:

- принципиальное решение о необходимости и целесообразности автоматизации бизнес-процессов предприятия принято руководством данного предприятия;

- выявлены бизнес-процессы, автоматизация которых с экономической точки зрения необходима, а также бизнес-процесса, автоматизация которых с экономической точки зрения достаточна (это допущение позволяет определить нижний и верхний пределы, между которыми находится количество подлежащих автоматизации элементов бизнес-процессов).

- рассматривается процесс предпроектного обследования для последующего проектирования ИС только для конкретного предприятия; процессы предпроектного обследования с целью выявления возможности внедрения на предприятии типовой ИС в данной статье не рассматриваются.

Главными задачами аналитика в этом случае являются: определение бизнес-процессов, подлежащих автоматизации; определение границ проектируемой ИС; анализ и синтез функциональной структуры проектируемой ИС. Для решения этих задач аналитик использует методы формирования требований к будущей системе, а также методы формирования и корректировки визуальных моделей исследуемых бизнес-процессов и потоков данных. При этом в большинстве случаев аналитик формирует вначале модели бизнес-процессов предприятия и модели потоков данных, описывающие текущее состояние изучаемой предметной области, а затем, основываясь на своем опыте и интуиции, формирует варианты моделей, описывающих состояние предметной области после внедрения проектируемой ИС. Количество вариантов моделей определяется количеством возможных вариантов функциональной структуры проектируемой ИС.

Существующие методы формирования требований к системе базируются на следующих основных типах источников [4]:

- сотруднике обследуемого предприятия;

- системе документооборота данного предприятия;

- ИС, эксплуатируемой на данном предприятия или выступающей в качестве системы-прототипа;

- предлагаемых в качестве прототипа отдельных проектных решениях разработчиков.

Однако необходимо отметить, что вне зависимости от типа источников, получаемые аналитиком сведения обладают следующими особенностями:

- сотрудники предприятия предоставляют наиболее ценную информацию о правилах работы с данными, однако их описания потоков данных неполны и отражают субъективную точку зрения опрашиваемого сотрудника;

- остальные источники сведений предоставляют наиболее ценную информацию о существующей на предприятии схеме и структуре потоков данных, однако их описания правил работы с этими данными изначально неполны.

Структура любого потока данных может быть описана как документ, представляющий собой анкету, таблицу, текст или различные соединения этих структур [9]. В общем случае структура документа может иметь вид, показанный на рис. 1 [10].

На рис. 1 приняты следующие обозначения: - заголовок, однозначно идентифицирующий тип документа; - информационные атрибуты документа, относящиеся к типу “анкета” (их значения встречаются в каждом конокретном экземпляре документа только один раз); - информационные атрибуты документа, относящиеся к типу “таблица” (их значения встречаются в каждом конокретном экземпляре документа несколько раз); - информационные атрибуты документа, относящиеся к типу “текст”.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Представление документа в информационной системе

Такой подход к представлению структуры потока данных позволяет определить любой элемент динамической ИС как элемент следующего множества:

, (5)

где - множество атрибутов всей совокупности документов проектируемой ИС; - подмножество атрибутов, описывающих заголовки документов проектируемой ИС; - набор элементов множества , описывающих структуру документа с заголовком ; - подмножество атрибутов типа «анкета» документа с заголовком проектируемой ИС, ; - подмножество атрибутов типа «таблица» документа с заголовком проектируемой ИС, ; - подмножество атрибутов типа «текст» документа с заголовком проектируемой ИС, .

Представление элементов динамической ИС выражением (5) позволяет ввести понятие «кластер атрибутов». Кластером атрибутов здесь и в дальнейшем будем называть совокупность атрибутов документа с общими динамическими характеристиками (например, источник и время возникновения), которые поодиночке не имеют семантической ценности. Такие кластеры атрибутов (в зависимости от целей исследования) могут определять:

- структуру документа с заголовком ;

- структуру элемента типа «анкета» документа с заголовком ;

- структуру элемента типа «таблица» документа с заголовком ;

- структуру элемента типа «текст» документа с заголовком .

Использование понятия «кластер атрибутов» позволяет использовать модель генерации информации в динамической ИС (4) для описания следующих процессов:

- генерации новых экземпляров документов;

- генерации новых элементов рассмотренных выше типов структуры документа;

- генерации новых значений отдельного атрибута документа.

При этом процесс построения модели потоков данных будет состоять из следующих этапов.

Этап 1. На выделенной рабочей области, задающей границы моделируемой системы, формируются графические обозначения работ (Activities), внешних сущностей (Entities) и хранилищ данных (Data Storages), которые визуально определяют границы моделируемых кластеров однотипных элементов. Следует отметить, что на данном этапе возможно как взаимное наложение структур кластеров друг на друга, так и наличие свободного информационного пространства (пространства, не принадлежащего ни одному из кластеров). При этом потоки данных следует определять только как входящие или выходящие для каждой из отмеченных выше визуальных моделей кластеров однотипных элементов. Вид, который приобретает модель потоков данных, показан на рис. 2.

Рис. 2 Модель потоков данных на первом этапе формирования динамической информационной системы

Как показано на рис. 2, кластеры элементов информационной системы определяются формируемыми документами (потоками данных). Однако формируемые кластеры не перекрывают все пространство рабочей области моделирования. Практическое значение данного этапа заключается в формировании перечня всех элементов динамической информационной системы, взаимодействующих тем или иным образом с вводимой в ИС информацией. Показанные на рис. 2 стрелками потоки данных определяют основное направление будущего расширения кластеров.

Этап 2. Осуществляется объединение работ, внешних сущностей и хранилищ данных с помощью потоков данных. Таким образом происходит расширение кластеров. При этом направление потоков данных определяют направление расширения кластера, из которого исходит данный поток. Надо отметить, что привязка элементов модели, а, следовательно,и кластеров к определенной позиции рабочей области не является жесткой. Поэтому в ходе выполнения второго этапа отдельные элементы модели потоков данных могут изменить свое положение на рабочей области. Результат выполнения второго этапа показан на рис. 3.

Рис 3 Модель потоков данных на втором этапе формирования динамической информационной системы

Этап 3. Осуществляется линеаризация границ выделенных ранее кластеров. При этом границы будут равноудалены от представленных элементов модели потоков данных в следующих случаях:

- когда структуры кластеров полностью не совпадают и антагонистического взаимодействия возникнуть не может;

- когда разнонаправленные потоки данных с полностью схожими структурами связывают два элемента (в этом случае антагонистическое взаимодействие стабилизирует границу кластера).

В тех же случаях, когда структуры кластеров совпадают не полностью, границы кластеров расширяются до тех пор, пока не встречают либо непреодолимого для них препятствия (границы рабочей области моделирования, границы элементов модели потоков данных), либо границы других кластеров. В ситуации, когда встречаются границы двух кластеров, уменьшается ареал выпуклого кластера. В результате выполнения третьего этапа модель примет вид, показанный на рис. 4.

Рис 4 Модель потоков данных на третьем этапе формирования динамической информационной системы

Этап 4. Уточнение положения линеаризированных границ кластеров. На данном этапе определяет доминирующая точка зрения на информационные модели отдельных документов, которая, в свою очередь, определяет правила интеграции отдельных сущностей в рамках построения модели «сущность - связь».

Полученную модель потоков данных можно использовать для имитационного моделирования процессов поступления в ИС новых данных. При этом элемент модели (4) будет являться основой для количественного описания границ кластеров атрибутов модели «сущность - связь» как результата процесса антагонистического взаимодействия элементов различных кластеров модели потока данных. Элемент модели (4) будет являться основой для количественного описания процессов корректировки введенной в ИС информации. Элемент модели (4) будет являться основой для количественного описания процессов организации связей между кластерами атрибутов модели «сущность - связь» как результата проникновения данных из одного кластера в другие кластеры. Таким образом, использование модели (4) позволит проверить корректность сформированных модели потоков данных и модели «сущность-связь».

6. Выводы и перспективы дальнейших исследований

На основании изложенных выше результатов следует признать, что модель динамической ИС (4) применима к процессам исследования объекта автоматизации, проектирования ИС и ее обеспечивающих комплексов.

Основываясь на результатах исследования, приведенных в данной статье, становится необходимым проведение работ по проверке адекватности модели (4) процессам исследования объекта автоматизации, проектирования ИС и ее обеспечивающих комплексов. В том случае, если модель (4) будет признана адекватной процессам данной предметной области, становится возможной постановка задачи практической реализации данной модели в инструментальных средствах проектирования и модернизации ИС и ее обеспечивающих комплексов. Эта реализация позволит значительно сократить время постановки задачи на проектирование элементов ИС за счет проведения экспериментальной проверки корректности построенных моделей потоков данных.

Литература

1. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. М.: Знание, 1990. 48 с.

2. Чернавский Д.С. Синергетика и информация (динамическая теория информации). М.: Едиториал-УРСС, 2004. 288 с.

3. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя. М.: МДК, 2000. 432 с.

4. Мацяшек Л.А. Анализ требований и проектирование систем. Разработка информационных систем с использованием UML. М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. 432 с.

5. Хопкрофт Дж., Мотвани Р., Ульман Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. 528 с.

6. Левыкин В.М., Евланов М.В., Пушкарев А.Н. Технология проектирования обеспечивающих комплексов информационных управляющих систем // Радиоэлектроника и информатика. 2003. № 1. С. 37-40.

7. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. М.: Прогресс, 1986. 432 с.

8. Системный анализ в экономике и организации производства / Под общ. ред. С.А. Валуева. В.Н. Волковой. Л.: Политехника, 1991. 398 с.

9. Евланов М.В. Использование документальной концепции при разработке и модернизации распределенных ИУС // АСУ и приборы автоматики. 1998. Вып. 108. С. 122-130.

10. Евланов М.В., Мухайрат Мохаммад. Элементы технологии определения типов связей в логических моделях распределенных баз данных // АСУ и приборы автоматики, 2001. Вып. 116. С. 54-59.

11. Калянов Г.Н. CASE-технологии. Консалтинг в автоматизации бизнес-процессов. М.: Горячая линия-Телеком, 2002. 320 с.

Размещено на Allbest.ru