Методи і моделі системологічного імітаційного моделювання розробки компонент інформаційних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОДИ І МОДЕЛІ СИСТЕМОЛОГІЧНОГО ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ РОЗРОБКИ КОМПОНЕНТ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ

Кулібаба Володимир Володимирович

05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Харків - 2006

Анотація

Кулібаба В.В. Методи і моделі системологічного імітаційного моделювання розробки компонент інформаційних систем. - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2006.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню побудови імітаційних моделей з використанням системно-об'єктного підходу та методів моделювання складних інформаційних програмних систем. Розв'язано наступні задачі: розроблена модель знань про інформаційні програмні системи та їхні компоненти з метою їхнього подальшого використання в процесі розробки інформаційних програмних систем; спеціалізована модель знань, яка використовується в системно-об'єктному підході для відображення інформаційних процесів; розроблена імітаційна модель для зображення інформаційних процесів, що протікають у часі. Отримані результати застосовані при розробці прототипу системи підтримки імітаційних моделей з метою автоматизації процесу проектування та імітаційного моделювання інформаційної системи.

У роботі отримано новий розв'язок науково-практичного завдання розробки знання-орієнтованих моделей і методу імітаційного моделювання на основі системологічного класифікаційного аналізу і системно-об'єктного підходу, що дозволило підвищити ефективність проектування складних інформаційних систем шляхом імітації їхнього функціонування на ранніх стадіях розробки.

Ключові слова: системологія, системно-об'єктний підхід, моделювання, імітаційна модель, інформаційна програмна система, програмний компонент, повторне використання, програмний інструментарій, програмне забезпечення.

Аннотация

Кулибаба В.В. Методы и модели системологического имитационного моделирования разработки компонент информационных систем. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2006.

Целью диссертационного исследования является исследование методов построения имитационных моделей с применением системно-объектного подхода и методов моделирования сложных информационных систем. Несмотря на стремительное развитие информационных технологий и CASE-систем остаются актуальными вопросы, касающиеся разработки информационных систем: снижение экономической составляющей разрабатываемой системы, сокращение времени разработки системы, сокращение количества используемых трудовых ресурсов, разработка программного обеспечения, соответствующего непостоянным требованиям заказчика.

В первом разделе работы приведены результаты анализа наиболее перспективных направлений в инженерии программного обеспечения, в рамках которых возможно разрешить вышеотмеченные задачи.

Во втором разделе рассмотрено использование системологического подхода для моделирования информационных программных систем, рассмотрена целесообразность использования системологического классификационного анализа при каноническом описании системы, предложен метод описания динамики функционирования системы, основанный на использовании системно-объектного подхода.

Проведен системологический классификационный анализ компонент информационной системы, разработана классификация объектов данных и функций информационной системы. Полученные результаты, с использованием теории паттернов, помогли в специализации семантической модели (библиотеки программных компонент) программных компонент, которая использована при разработке имитационной модели информационной системы.

В третьем разделе приведена математическая модель библиотеки программных компонент; приведен пример дальнейшего развития системно-объектного подхода; описан метод имитационного моделирования информационной системы; определены правила работы с моделями. В качестве математического аппарата, описывающего динамику функционирования информационной системы, выбран математический аппарат агрегативные схемы. Имитационная модель строится на основе базового элемента - агрегата (УФО-элемента), который рассматриваться как агрегативная схема, состоящая из агрегатов нижнего уровня. Используемый математический аппарат получил дальнейшее развитие с помощью использования семантической модели и системно-объектного подхода, теории паттернов, путем изменения природы и принципов интерпретации сигнала, проходящего между элементами в имитационной модели. Внесенные изменения позволили использовать единую динамико-статическую модель при проектировании информационной программной системы.

В четвертом разделе рассматривается использование разработанных методов и математических моделей для практического решения задач: имитационного моделирования проектной модели информационной программной системы, хранение и систематизация программных компонент; проводиться анализ результатов внедрения; рассматривается прототип инструментария имитационного моделирования.

Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе ХНУРЭ по специальностям 8.000012 "Консолидированная информация" и 7.080403 "Программное обеспечение автоматизированных систем", в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании, а также в научной работе студентов. Практическое внедрение и апробацию результаты диссертационного исследования получили на предприятии "ФОСС-Он-Лайн" в ходе разработки методов имитационного моделирования. Использование вышеописанных средств позволило повысить эффективность исполнения этапов анализа и проектирования системы; эффективность работы разработчика; гарантировать адекватность разрабатываемого продукта требованиям заказчика; сократить время разработки и снизить её экономическую составляющую.

В работе получено новое решение научно-практических задач разработки знание-ориентированных моделей и методов имитационного моделирования на основе системологического классификационного анализа и системно-объектного подхода, что позволило повысить эффективность проектирования сложных информационных систем путем имитации их функционирования на ранних стадиях разработки системы.

Ключевые слова: системология, системно-объектный подход, моделирование, имитационная модель, информационная программная система, программный компонент, повторное использование, программный инструментарий, программное обеспечение.

інформаційний імітаційний бібліотека

Abstract

Kulibaba V.V. The methods and models of systemological simulation modeling for development of the information systems component. - Manuscript

Dissertation for a candidate of technical science (Ph.D.) degree in specialty 05.13.23 - Automated management system and progressive information technologies. - Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkiv, 2006.

This dissertation researches imitative models and complex software information systems modeling. It provides new solution for the customer requirements analysis task and allows to improve requirements of safety and development time characteristics and, as result, it provides a way for improving the business efficiency. The dissertation is based on the systemologic imitative modeling, objective system approach, systemologic classification analysis and correspondent modeling tools.

The proofed efficiency and expediency of the systemologic approach and imitative modeling was fixed was applied in the products of the Foss-on-line software development company. As result of the described above work, this company have reached much better completive and efficient results in development process and reach more impressive presentation level in exhibitions. This complex of in-fact inculcated software development features affected to the whole development efficiency and allowed to reach the real adequacy to the requirements of the numerous company's customers.

Key words: Systemology, objective systemologic approach, modeling, imitative model, informational model, information software, component, reusing, software tools, software products.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Становлення України як самостійної держави, динамічні суспільно-економічні процеси та бурхливий науково-технічний прогрес неможливо уявити без використання обчислювальних ресурсів, що дозволяють автоматизувати обробку інформації, підвищити продуктивність праці людини в сферах діяльності, залежних від інформації, яку використовують, і т.д. Зазначене останнім часом зростання інформації і розширення використання обчислювальних ресурсів привели до зміни ролі інформації і інформаційних систем у суспільстві: інформація перетворилась на один з основних ресурсів, який використовується і виробляється сучасним суспільством, інформаційні системи - основний засіб обробки інформації. Тому підвищились вимоги до якості та ефективності створюваних інформаційних систем, які отримали ознаки нового класу складних систем (складні чи великі інформаційні системи, що характеризуються: широкою галуззю застосування; чималим часом життя; слабкоструктурованою предметною галуззю, з якої надходить замовлення на розробку; складністю розробки), це зумовило необхідність розвитку методів проектування та підвищило роль начальних етапів розробки.

Великий внесок у вивчення та аналіз перспективних інформаційних технологій та систем, розвиток системології як сучасного системного підходу і технологій моделювання складних програмних систем зробили Буч Г., Йордан Є., Крачтен Ф., Брукс Ф., Шлеер І., Попов Е.В., Бусленко М.П., Палагін О.В., Ющенко К.Л., Бондаренко М.Ф., Пасічник В.В., Левикін В.М., Сіроджа І.Б, Годлевський М.Д., Мельніков Г.П., Соловйова К.О., Маторін С.І., Перевозчикова О.Л., Петровський О.Б., Вендров А.М., Калянов Г.Н., Осипов Г.С. та інші.

Вчені підкреслюють, що "складність є аж ніяк не випадковою властивістю" інформаційних систем, відокремлюючи природний і штучний характер складності. Негативний вплив "складності" знижується шляхом використання об'єктно-орієнтованої методології, технологій, інструментальних засобів моделювання і проектування програмних систем, залученням до процесу розробки методів, орієнтованих на використання знань. Однак перспективна об'єктно-орієнтована методологія не дозволяє досягти високої якості розв'язку через залежність існуючих методів від знань й світогляду дослідника. Запропоновані у межах об'єктно-орієнтованої методології засоби моделювання відображають статичний та псевдодинамічний аспекти програмної системи (наприклад, Unified Modeling Language -- UML), не завжди мають зв'язок між собою, потребують багато часу на їх побудову, не дозволяють побачити стан програмної системи у часі. Зменшити залежність моделі системи від світогляду дослідника, збудувати єдину статично-динамічну модель та побачити стан системи у часі допоможе використання імітаційного моделювання, але його впровадження потребує розв'язання низки практичних задач: узгодження статичних і динамічних аспектів моделі, розробка сховища компонент інформаційної системи для їх подальшого використання підчас імітаційного моделювання тощо. Ефективність повторного використання коду, якому сприяє об'єктно-орієнтована розробка програм, залежить від методів подання і накопичування знань.

Дисертаційна робота вносить вклад у вирішення цих проблем, тому що поєднує імітаційне моделювання з об'єктно-орієнтованою методологією і долучає моделі знань до побудови імітаційної моделі, що значно підвищує ефективність початкових етапів розробки інформаційної системи. Актуальність роботи визначається перспективністю застосування системно-об'єктного підходу до розробки імітаційних моделей інформаційних систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження здійснювалося в рамках основних наукових напрямів науково-учбової лабораторії придбання знань кафедри соціальної інформатики Харківського національного університету радіоелектроніки і пов'язано з науково-дослідними роботами за замовленням Міністерства освіти і науки України за такими пріоритетними напрямами: №0197U014157 "Розробка системологічних методів і інтелектуальних програмних засобів експертного аналізу навколишнього середовища і надзвичайних ситуацій", №0100U001501 "Системологічна технологія концептуального моделювання проблемної галузі зі слабою формалізацією", №0197U014158 "Обґрунтування і розробка нового методичного і інтелектуального програмного забезпечення для комп'ютерно-орієнтованих навчаючих систем засадам дисциплін", №0197U014158 "Розробка системологичної концепції інформаційно-аналітичної підтримки процесів функціонування складних організаційних об'єктів", №0197U014158 "Розробка програмних засобів допомоги медпрацівникам на базі методів системного аналізу і обробки інформації", №0103U003655 "Розробка системологічної технології моделювання та проектування бізнес-систем", у яких автор брав участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є заощадження часу, коштів та трудових ресурсів при розробці інформаційних систем, завдяки розвитку і дослідженню системологічного імітаційного моделювання розробки компонент інформаційної системи.

Поставлена мета роботи обґрунтовує такі задачі дослідження:

1. Провести аналіз існуючих процесів розробки складних інформаційних систем.

2. Адаптувати модель знань, яка використовується в системно-об'єктному підході для відображення інформаційних процесів, які протікають у складних інформаційних системах.

3. Розробити понятійну модель компонент інформаційної системи на основі базової ієрархії класів для опису цих компонент з метою їхнього подальшого використання в процесі розробки інформаційних систем.

4. Розробити імітаційну модель для зображення інформаційних процесів, що протікають у часі, у складних інформаційних системах.

5. Розробити алгоритми інформаційної підготовки і підтримки понятійної моделі компонент інформаційної системи для автоматизації процесів її проектування і накопичування інформації для подальшого використання підчас інших розробок.

6. Розробити автоматизовані засоби підтримки імітаційних моделей з метою автоматизації процесу проектування та імітаційного моделювання інформаційної програмної системи.

Об'єкт дослідження - процес розробки компонент інформаційних систем на початкових етапах побудови системи, з використанням об'єктно-орієнтованої методології.

Предмет дослідження - методи і моделі системологічного імітаційного моделювання розробки компонент інформаційних систем.

Методи дослідження - системологічний метод; системологічний класифікаційний аналіз, який використовується для аналізу слабоформалізованих проблемних галузей і розробки понятійних моделей знань; математичний апарат теорії патернів і агрегативних схем (синоніми: А-схема, комбінована модель, кусково-лінійний агрегат), запропонований М.П. Бусленком, який було використано для формалізації опису імітаційної моделі складної інформаційної програмної системи; вУзол-Функція-Об'єкт-технологія (УФО - вУзол/Функція/Об'єкт, УФО - Узел/Функция/Объект, JAO - Junction/Activity/Object); системно-об'єктна технологія моделювання систем.

Наукова новизна отриманих результатів дисертаційної роботи. У процесі вирішення поставлених завдань особисто автором отримані такі результати:

- уперше розроблена модель знань про інформаційні програмні системи та їхні компоненти за допомогою використання системологічного класифікаційного аналізу, що дало можливість повторного використання компонент при подальших розробках;

- уперше розроблена семантична модель програмних компонент, яка була побудована на основі базової ієрархії класів, для відображення (збереження, опису і подальшого використання) компонентних одиниць інформаційної системи, зображених у вигляді УФО-елементів, що дало можливість поліпшити ефективність повторного використання компонент у розробці інформаційних програмних систем;

- уперше розроблена імітаційна модель інформаційної програмної системи з використанням семантичної моделі програмних компонентів, системно-об'єктного методу, теорії патернів та агрегативних схем для відображення динаміки функціонування її компонент, що дало змогу використовувати імітаційне моделювання при об'єктно-орієнтованому проектуванні інформаційної системи на початкових етапах розробки;

- удосконалено математичний апарат агрегативних схем формального зображення процесів функціонування систем шляхом зміни природи та принципів інтерпретації значення сигналів, утворюваних у агрегатних схемах, які було уніфіковано за допомогою розроблених класифікацій інформаційних об'єктів і функцій, завдяки використанню теорії патернів, семантичної моделі та системно-об'єктного методу. Це дало можливість використовувати єдину імітаційно-статичну модель при моделюванні інформаційних програмних систем.

Практичні результати. У ході дисертаційного дослідження автором були отримані такі практичні результати:

- запропоновано засіб організації баз знань з використанням параметричної класифікації, яка дозволяє розробляти інтелектуальні інформаційні системи зберігання знань;

- запропоновано алгоритми методів інформаційної підготовки та підтримки понятійної моделі, яка дозволяє автоматизувати процес накопичування і повторного використання знань на етапах аналізу, проектування, кодування, тестування інформаційної програмної системи;

- запропоновано алгоритми підготовки і підтримки імітаційної моделі, які дозволяють провести верифікацію розробленої моделі інформаційної системи до початку кодування, поєднати динамічні та статичні аспекти в одній моделі;

- розроблено програмний компонент підтримки моделювання інформаційних систем, який дозволяє підвищити ефективність розробки інформаційних систем, працездатність колективу розробників і кожного працівника особисто, зменшити витрати на розробку, поліпшити якість продукції.

Розроблений програмний інструментарій, отримані практичні і наукові результати впроваджені на комерційному підприємстві "ФОСС-Он-Лайн" (довідка про впровадження від 09.10.2005 р).

Основні результати дисертаційного дослідження використовуються в навчальному процесі ХНУРЕ за спеціальностями 8.000012 "Консолідована інформація" та 7.080403 "Програмне забезпечення автоматизованих систем" у лабораторному практикумі, курсовому та дипломному проектуванні, науковій праці студентів, впроваджені в навчальні курси кафедри соціальної інформатики: "Технології менеджменту знань", "Організаційне проектування" та "Об'єктно-орієнтований аналіз та моделювання онтології" (довідка про впровадження від 08.11.2005 р).

Особистий внесок здобувача. Усі результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботах, виконаних особисто та у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у такому: у роботах [5,6,9,10,11] здобувачем проведено дослідження використання системологічного класифікаційного аналізу і концептуальних моделей у формуванні баз знань для збереження неформалізованих знань, їх опису і подальшого використання, на основі якого була запропонована модель бази даних для збереження концептуальних моделей (класифікацій, параметричних класифікацій) та алгоритми обробки класифікаційних структур; у роботах [4,7,8] проведено аналіз існуючого стану справ при розробці програмних продуктів; недоліки технологій і методологій, які використовуються при розробці програмних продуктів, та шляхи їх усунення за допомогою системно-об'єктного методу; у роботі [3] здобувачем подано результат дослідження у вигляді розробленої моделі знань про інформаційні програмні системи та їх компоненти, базисом якої є класифікації інформаційних об'єктів даних та функцій, подано результати адаптації базової ієрархії класів для моделювання складних інформаційних програмних систем, тобто запропоновано шлях удосконалення системно-об'єктного методу для його подальшого використання при моделюванні складних інформаційних програмних систем; у роботі [2] -- здобувачем запропоновано складну семантичну модель, яка була побудована на основі базової ієрархії класів, підхід збереження знань про компоненту програмної системи для можливості їх подальшого використання на базі базової ієрархії класів, надані математичні методи, які описують правила збереження знань у базі знань, порцію знань було порівняно з УФО-елементом; у роботі [1] -- описана імітаційна модель інформаційної програмної системи для відображення динаміки функціонування її компонент з використанням семантичної моделі, системно-об'єктного методу і агрегативних схем, та подано опис удосконаленого математичного апарату агрегативних схем, який було поєднано із системно-об'єктним підходом.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних наукових конференціях "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (Харків-Туапсе, 1998, 2002, 2003), 4-й міжнародній конференції "Як нам упорядкувати нашу вищу школу" НУА-2002, конференції "Інтелектуальна обробка інформації ІОІ-2002", науково-методичній конференції "Використання комп'ютерних технологій у навчальному процесі" (Харків, 1998), на Міжнародному молодіжному форумі "Электроника и молодежь в XXI веке" (Харків, 1998), на Українській конференції по автоматичному керуванню "Автоматика_99" (Харків, 1999). Практичні результати дисертації у вигляді програмних засобів були представлені на виставках технічних досягнень, що проводилися у рамках роботи Міжнародного молодіжного форуму "Электроника и молодежь в XXI веке" (Харків, 1998).

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, зазначено зв'язок роботи з науковими темами, сформульовано мету, завдання дослідження, наукову новизну, практичне значення результатів, особистий внесок здобувача та апробацію результатів роботи.

У першому розділі викладено результати аналізу останніх досліджень в галузі інженерії програмного забезпечення, імітаційного моделювання, повторного використання програмних компонентів, використання і розробки CASE-засобів.

Проведений аналіз (таблиця 1.) сучасного стану справ у програмній інженерії показав, що ця інженерна область розвивається шляхом використання методів системного аналізу, штучного інтелекту і повторного використання знань.

Таблиця 1. Погляд фахівців на розв'язання актуальних задач

Явище і задачі	Опис явища або задачі	Можливі шляхи розв'язання
Складність	Має природний і штучний характер. “Складність” - першопричина виникнення багатьох труднощів при розробці інформаційних систем (ІС).	Використання об'єктно-орієнтованої методології (ООМ), методів системного аналізу. Розвиток методологій на основі ООМ, технологій, CASE-засобів.
Адекватність	Розробка ІС, які відповідають вимогам замовника, зниження кількості компонент ІС, які дублюють вже реалізовану функціональність, зниження дублювання інформації (програмного коду, то що).	Використання системного підходу при створенні великих програмних комплексів. Використання імітаційного моделювання. Повторне використання програмного коду.
Економічність	Зниження вартості ІС, витрачених ресурсів на розробку ІС, зменшення часу розробки.	Повторне використання знань і досвіду зменшують час розробки, заощаджують кошти. Правильна розробка ІС (адекватність) не дає збільшуватися бюджету розробки і часу, необхідного на розробку.
Надійність	Розробка ІС без або з обмеженою (невеликою) кількістю критичних помилок.	Повторне використання знань і досвіду підвищують надійність за рахунок використання вже перевірених компонент і досвіду. Використання імітаційного моделювання.

Як правило, розв'язання актуальних завдань (надійність і адекватність вимогам замовника, інформаційних систем що розробляють; економічність розробці; складність предметної області, яку аналізують) з використанням системологічного підходу, імітаційного моделювання, технології повторного використання знань, а також комплексний розгляд усього технологічного процесу не відбувався.

Проведені дослідження, за звичай, проходили за одним вузьким напрямом. Якщо це імітаційне моделювання або створення імітаційної моделі -- отримані моделі, компоненти на етапу аналізу (імітаційного експерименту) зазвичай не можливо було використовувати у наступних етапах проектування системи, якщо це розробка сховищ коду (програмних компонент, коду, тощо) -- не враховувались знання, які містить сутність що зберігається у сховищі, і які б дозволили покращити ефективність його повторного використання у процесі розробки, і т.д. Використання системних методів у об'єктно-орієнтованої методології ставилося під сумнів через різні підходи до аналізу системи.

Проведені дослідження Бондаренко М.Ф., Соловйової К.О., Маторіна С.І. в області системології, системологічного класифікаційного аналізу довели можливість розв'язання вищезазначених задач комплексно, шляхом використання системно-об'єктного підходу (технології УФО), орієнтованого на використання знань. Позитивний результат використання цієї технології досягається за рахунок застосування спеціальних знань про предметну область і моделі маніпулювання ними. Однак з боку наукової громадськості використанню даного перспективного напряму в програмній інженерії не було приділено достатньо уваги.

Згідно з отриманими під час аналізу результатами автором було сформульовано основні завдання дослідження.

У другому розділі розглянуті основні принципи системологічного підходу для моделювання складних інформаційних програмних систем; досліджена доцільність застосування системологічного класифікаційного аналізу при канонічному описі системи; наведені шляхи удосконалення системно-об'єктного підходу; запропонована модель знань про інформаційні програмні системи та їхні компоненти; запропоновано метод опису динаміки функціонування системи, заснований на використанні системно-об'єктного підходу.

Базисом для дисертаційних досліджень стала системологія, засновником якої є Мельников Г.П. Сучасною реалізацією системології є системно-об'єктний підхід, який об'єднав системні методи аналізу з дуже поширеною на теперішній час об'єктно-орієнтованою методологією.

Для проведення аналізу інформаційної системи у системно-об'єктному підході використовують базову ієрархію класів. Її використання при розробці складних інформаційних систем обмежено через відсутність у моделі знань інформації про інформаційні процеси, що протікають у цих системах. Таким чином постає необхідність у адаптуванні цієї моделі знань для використання її у моделюванні інформаційних програмних систем. Для збереження єдиної понятійної системи, систематизації та упорядкування знань необхідно отримані результати надати у вигляді класифікації.

Класифікація застосовується не тільки як засіб для систематизації вже отриманих результатів, а й для одержання нового виду знання. Вона може виступати як засіб збереження і ефективного пошуку інформації, що зберігається в ній самій (прикладом є класифікація Менделєєва). Якісне та ефективне розв'язання задачі побудови класифікації припускає складний системний аналіз, змушує шукати змістовні ознаки, залучаючи тим самим дослідників до пошуку нових властивостей і закономірностей об'єктів. Серед існуючих класифікацій, за науковою цінністю, виділяють природну класифікацію, яка відображає природні закони, має пізнавальну силу, сприяє прогнозуванню нових властивостей досліджуваних об'єктів, гарантує структурування об'єктів за їх суттєвими властивостями. Побудова класифікації, наближеної до природної, визначається її критеріями, які надає системологічний класифікаційний аналіз. Таким чином, необхідність досягнення наукової та практичної цінності одержуваної класифікаційної моделі знань, наближеної до природної, обґрунтовує доцільність використання системологічного підходу і системологічного класифікаційного аналізу.

Для адаптування базової ієрархії класів спеціалізуємо модель знань про інформаційні програмні системи та їхні компоненти, для цього побудуємо класифікації інформаційних об'єктів та функцій перетворювання інформації.

Як об'єкт дослідження виберемо інформаційну програмну систему, що надана у вигляді програмної моделі - відображення проектної моделі, виконаної на будь-якій мові програмування високого ступеня. Тривіально програму можна надати як набір даних і алгоритмів їхньої обробки. У такому випадку можна припустити, що програма -- це інформація про деяку задачу, використовувана для її розв'язання. Серед безлічі об'єктів даних виділяють об'єкти даних, обумовлені програмістом (змінні, константи, масиви) і системою (створювані автоматично віртуальним комп'ютером під час виконання програми: стеки, файловий буфер, списки вільної пам'яті і т.д.). Ми будемо розглядати об'єкти даних, обумовлені програмістом.

Визначивши множину об'єктів даних, необхідно визначити множину операцій над ними, які вказують на можливі маніпуляції (дії) з об'єктами цього типу. Ці операції можуть бути елементарними (заданими явно), тобто бути частиною визначення мови, або можуть визначатися програмістом (заданими абстрактно) у вигляді підпрограм.

Результатом проведеного системологічного класифікаційного аналізу об'єктів даних та операцій над ними є створена модель знань про інформаційні програмні системи ті їхні компоненти. Базис моделі складають класифікації інформаційних зв'язків (функції) та носіїв інформації (об'єкти даних), розроблені за допомогою системологічного класифікаційного аналізу, які використано для адаптування базової ієрархії класів.

У третьому розділі наведено запропонована складна семантична модель програмних компонент на базі УФО-технології; математичну модель бібліотеки програмних компонентів, на базі теорії патернів; запропоновано імітаційну модель компонент інформаційної програмної системи для відображення динаміки їх функціонування з використанням семантичної моделі; визначено правила роботи з моделями; наведено опис щодо удосконалення математичного апарату агрегативні схеми.

Спираючись на отримані результати другого розділу, на проведене дослідження та аналіз сутності "інформація", природи компоненту інформаційної системи та інформаційних об'єктів і зв'язків тощо -- стверджуємо, що УФО-елемент -- це формалізований опис (порція знань) о будь якій задачі, який абстрактно описує задачу незважаючи на її форму подання (код, модуль, бібліотека, закінчений програмний компонент, документ, ідея тощо). Завдяки отриманим результатам було спеціалізовано семантична модель знань, для відображення компонентних одиниць інформаційної системи у вигляді УФО-елементів, тобто для відображення знань про інформаційні процеси, які існують у інформаційних системах.

Спеціалізація семантичної моделі відбувалася шляхом адаптації класифікації базової ієрархії класів інформацією з розробленої моделі знань про інформаційні програмні системи та їхні компоненти, побудованої в другому розділі дисертаційної роботи.

Складна семантична модель програмних компонент допоможе збудувати сховища програмних компонент інформаційної системи, для подальшого їх використання у розробці інформаційних систем та підчас побудові імітаційній моделі інформаційної системи.

Розроблена модель дозволила адаптувати системно-об'єктний метод для його подальшого використання підчас моделювання складних інформаційних систем. Це дало можливість:

- адаптувати запропонований алфавіт системних компонент на предметну область - програмна інженерія, що дало можливість розширити алфавітний набір елементів і зв'язків, використовуваних для аналізу і проектування;

- забезпечити однаковість розуміння характеристик (властивостей, елементів, зв'язків) об'єктної моделі комп'ютером і людиною;

- формалізувати процеси аналізу і синтезу об'єктів з урахуванням структури об'єктів і структури класів;

- привести до єдиного опису зовнішнє і внутрішнє подання об'єкта (тобто використовувати єдину модель для його опису).

Розглянемо побудову моделі бібліотеки програмних компонентів. Як було відзначено в першому і другому розділах, для опису явищ і взаємодій у модель введені сутності, що допомагають структурувати і формалізувати опис. Набір сутностей змінюється в залежності від моделі, мови моделювання і рівня формалізації опису.

Для можливості оперуванням елементами моделі бібліотеки програмних компонент знань за допомогою теорії патернів, введемо поняття елементарного об'єкта g (утворююча), та запропонуємо процес побудови складних об'єктів на основі елементарних. Елементарний (непохідний, первинний елемент) об'єкт g може об'єднувати множину утворюючих , в які входять непересічні класи утворюючих , , , де - індекс класу утворюючих.

В утворюючої завжди є ознака, однією зі складових якої є індекс класу утворюючої , однак вона може мати й інші складові, що являтимуть більш специфічну інформацію .

Зв'язки описують взаємодію цієї утворюючої з іншими. Для кожної утворюючої ставиться у відповідність кратність , що виражається позитивним цілим числом чи нескінченністю, що показує максимальне число з'єднань, що пов'язують цю утворюючу з іншими:

,

де - кратність утворюючої,

- вхідна кратність утворюючої, кратність вхідних зв'язків,

- вихідна кратність утворюючої, кратність вихідних зв'язків.

Кожному зв'язку відповідає показник зв'язку , , характер якого істотно залежить від прикладної області, на яку він у цьому випадку орієнтований. Сукупність утворюючих та зв'язків називають конфігурацією:

.

Таким чином, для сполучення утворюючих між собою введемо правила на обмеження зв'язків -- , ,

де -- функція, що надає значення .

Сукупність регулярних конфігурацій -- це зображення. Зображення в нашому випадку є процесом вивчення конфігурації (утворюючої) зі специфічними штучними ознаками: мова програмування (C#, Java, C++, т.п.), ступінь закінченості (документ, діаграма, код) та інші. Таким чином, не розглядаючи сукупність штучних ознак, ми можемо оперувати абстрактними описами. Ці властивості використані підчас розробки бібліотеки програмних компонент, та при побудові імітаційної моделі програмного компоненту на базі компонент з сховища компонент.

Наведемо опис для конфігурації (надалі ), яка виконує функції аутентифікації та авторизації користувача системи. Відокремимо з множені термінів класифікації функцій: перевірка (), отримати () тощо.

,

,

,

де -- пусте значення, його поява веде до розриву сполучення з іншими.

.

Аналогічним способом можуть бути описані інші конфігурації які вступають у взаємодію з : () -- керуючий модуль, який дозволяє маніпулювати інформацією щодо користувачів у системі, () -- модуль, який зосереджує інформацію щодо користувача системи, тощо. Об'єднавши конфігурації , , ми отримаємо складну конфігурацію (), яка являє собою інформаційну систему, де:

,

.

Процес імітації функціонування інформаційної системи буде проходити між елементами розглянутої системи, що є, як і сама система, видом програмних компонентів, що у свою чергу можуть бути різновидом зв'язків. У кожного програмного компонента є ознаки які належать тільки йому (чи класу компонентів), та виділяють його з множені припустимих до використання компонентів.

Імітаційна модель описується математичним апаратом агрегативні схеми, який на сьогодні відзначається як найбільш гнучкий та універсальний підхід до моделювання складних систем. Однак, його застосування для імітаційного моделювання інформаційних програмних систем, побудованих з використанням об'єктно-орієнтованої технології, ускладнено застосуванням різних методів аналізу щодо предметної області. Ця складність була зменшена завдяки розробці імітаційної моделі, узгодженої з об'єктно-орієнтованим моделюванням, з використанням семантичної моделі (бібліотеки), системно-об'єктного підходу, теорії патернів та агрегаційних схем.

Імітаційна модель системи будується на підставі базового елемента - агрегату, що за певних умов може розглядатися як А-схема, що складається з агрегатів нижнього рівня:

,

де - інтервал моделювання ;

- множина вхідних сигналів , де n - число контактів;

- множина вихідних сигналів;

- множина станів , де - множина поточних станів, - множина початкових станів, які характеризуються вхідними і вихідними сигналами;

- множина керуючих сигналів , де n - число вхідних керуючих контактів;

- множина операторів перевірки умови ;

- оператор переходу, що змінює значення стану агрегату (визначальний поточний стан агрегату), за передісторією z(t) = H[z(0),t];

- оператор сполучення, що зберігає історію звернень.

Кожний вхідний і вихідний сигнал створюють вузол, властивості якого визначаються родо-видовими відмінностями.

Спеціалізуємо деякі із запропонованих С.І. Маторіним у системно-об'єктному підході правила (правила з'єднання, балансу та реалізації), для вирішення нашої задачі - побудова імітаційної моделі: правила з'єднання та реалізації.

Правило з'єднання вузлів. Вхідний сигнал , де , що визначається набором властивостей , може бути об'єднаний з , де , якщо для цього виду сполучення виконується .

Вибір даної властивості визначається такими вимогами:

- тип інформації, яку містять сигнали і , визначений у класифікації вузлів;

- розглянуті типи інформації мають загальний родовий елемент (множина розглянутих родових елементів визначається дотриманням функціональної характеристики розглянутого вузла);

- розглянута властивість входить у множині властивостей роду і виду:

, , .

Використання семантичної моделі (бібліотеки), системно-об'єктного підходу та теорії патернів дозволило удосконалити математичний апарат агрегативних схем:

- вхідні і вихідні сигнали задано за допомогою класифікації інформаційних зв'язків та функцій перетворення інформації;

- спрощено оператор перевірки умов , завдяки використанню теорії патернів;

- обмежено множину станів , завдяки використання теорії патернів та правила з'єднання утворюючих;

- удосконалено оператор переходу , завдяки прогнозуванню можливих результатів роботи, що стало можливим при обмеженні вхідних і вихідних сигналів та множені станів.

Адекватність досліджуваної моделі реальному об'єкту добре описується правилом балансу. Вважатимемо, що чим менше у елементі знаходиться незаповнених зв'язків, тим більш він адекватний досліджуваній системі.

Правило реалізації. Агрегат може бути об'єднаний з , якщо виконується правило з'єднання хоча б для одного вузлового елемента.

Критерій стійкості системи візьмемо на основі правила балансу. Він визначається з підрахунку функціональних станів розглянутого об'єкта (визначаються наявністю вузлів і функцій): необхідних, можливих і внутрішніх. Чим більше у розглянутого об'єкта можливих станів, які не входять до множені необхідних, тим менш стійка система.

Важливим у моделюванні є процес верифікації - визначення коректності побудованої моделі, адекватності даної моделі досліджуваній.

Для контролю над коректністю моделі будемо керуватися такими твердженнями:

- агрегат вважається "повним", якщо в агрегаті замкнені усі вузлові елементи, необхідні для розв'язання даної задачі.

- модель вважається "закінченою", якщо вона складається з "повних" агрегатів.

Перевірка "закінченості" імітаційної моделі визначається на підставі статичної моделі та її перевірки з використанням бази знань та інформації, отриманої в ході імітаційного експерименту, що підтверджує або спростовує коректність створеної моделі.

Здобутий теоретичний матеріал був оформлений у вигляді алгоритмів методів інформаційної підготовки та підтримки понятійної моделі програмних компонентів, використовуваної для автоматизації процесу накопичування й повторного використання знань на етапах аналізу, проектування, кодування й тестування інформаційної програмної системи, що дало можливість побудувати базу знань програмних компонент.

З використанням УФО-елемента стає можливим автоматизувати використання існуючих мір оцінки, тобто одержувати повну інформацію про модель: вартість, витрати на розробку, результати тестування і т.д.

У четвертому розділі розглядається дослідницький прототип інструментарію підтримки моделювання інформаційних систем, який розроблено для реалізації запропонованих задач.

До складу інструментарію увійшли програмні засоби підтримки роботи з базою знань, засоби побудови моделі та імітаційного моделювання. База знань інструментарію організована на основі використання параметричної класифікації (базової ієрархії класів), яка у майбутньому буде використана для організації інтелектуальних інформаційних програмних систем зберігання знань, систем генерації моделей на основі інформації з бази знань. Запропонований засіб програмної організації баз знань з використанням параметричної класифікації (ХНУРЕ, акт впровадження від 08.11.2005р). Отримані результати використовуються в навчальному процесі ХНУРЕ за спеціальностями 8.000012 "Консолідована інформація" та 7.080403 "Програмне забезпечення автоматизованих систем" у лабораторному практикумі, при розробці інтелектуальних інформаційних програмних систем зберігання знань.

Прототип програмного інструментарію пройшов апробацію на підприємстві "ФОСС-Он-Лайн" (акт впровадження від 09.10.2005р) допоміг підвищити продуктивність підприємства й ефективність виробництва (зменшити трудові, грошові і часові витрати), структурувати інформацію для подальшого використання у процесі розробки програмних продуктів. Такий результат було досягнуто за рахунок імітаційного моделювання, бази знань про програмні компоненти і запропонованих у дисертації методів.

У додатках наведені фрагменти класифікацій, акти впровадження теоретичних і практичних результатів дисертаційної роботи.

Висновки

У роботі отримане нове рішення науково-практичного завдання розробки знання-орієнтованих моделей і методу імітаційного моделювання на основі системологічного класифікаційного аналізу і системно-об'єктного підходу, що дозволило підвищити ефективність проектування складних інформаційних систем шляхом імітації їхнього функціонування на ранніх стадіях розробки.

У результаті дослідження отримані такі результати:

1. Уперше розроблена модель знань про інформаційні програмні системи та їхні компоненти, яка заснована на класифікаціях інформаційних об'єктів та функцій. Отримані результати використано для спеціалізації базової ієрархії класів системно-об'єктного методу.

2. Уперше розроблена семантична модель програмних компонент, яка була заснована на базовій ієрархії класів, для відображення компонент у вигляді УФО-елементів. Розроблена семантична модель підвищує ефективність повторного використання програмних компонент у розробці інформаційних систем, завдяки їх зображенню у вигляді УФО-елементів. Засновані на базі семантичної моделі сховища програмних компонент відрізняються від аналогів, які побудовані на базі класифікацій, тим, що зазначена модель найбільш наближена до природної класифікації.

3. Удосконалено вирішення задачі використання імітаційного моделювання при об'єктно-орієнтованій розробці інформаційних систем шляхом розробки імітаційної моделі, узгодженої з об'єктно-орієнтованим моделюванням, з використанням семантичної моделі, системно-об'єктного підходу і агрегативних схем. Розроблена модель поєднує статичний і динамічний описи системи.

4. Набув подальшого розвитку системно-об'єктний метод шляхом спеціалізації моделі знань для відображення знань про інформаційні процеси, які існують у інформаційних системах, що дало можливість його подальшого використання підчас моделюванні складних інформаційних програмних систем;

5. Удосконалено математичний апарат агрегативних схем, який стало можливим використовувати при моделюванні інформаційної програмної системи шляхом зміни природи та принципів інтерпретації значення сигналу між елементами імітаційної моделі, що дало можливість використовувати єдину динамічну і статичну проектну модель при створенні інформаційних систем.

6. Результати досліджень та запропонований засіб програмної організації баз знань з використанням параметричної класифікації використано в навчальному процесі ХНУРЕ, у лабораторному практикумі, при розробці інтелектуальних інформаційних програмних систем зберігання знань (ХНУРЕ, акт впровадження від 08.11.2005р), а також впроваджено на підприємстві "ФОСС-Он-Лайн".

7. Запропоновані алгоритми методів інформаційної підготовки та підтримки понятійної і імітаційної моделей програмних компонент були програмно реалізовані та впроваджені на комерційному підприємстві "ФОСС-Он-Лайн" (акт впровадження від 09.10.2005р). Результатом впровадження стало поліпшення процесу розробки інформаційної програмної системи на підприємстві, за рахунок систематизації знань, здобутих під час аналізу, проектування, кодування й тестування системи. Це дозволило проводити узгодження вимог між замовником та розробником системи щодо функціональності майбутньої інформаційної системи ще до початку розробки прототипу інформаційної системи, поліпшити ефективність розробки програмних продуктів, працездатність колективу розробників і кожного розробника особисто.

Публікації за темою дисертації

1. Кулiбаба В.В. Імітаційне моделювання складних програмних систем на основі агрегатів з використанням системно-об'єктного підходу // Вісник національного університету "Львівська Політехніка". - 2003. - № 489. - С. 194-202.

2. Кулибаба В.В., Маторин С.И., Соловьева Е.А. Моделирование программных систем в терминах УФО-элементов // Право і безпека. - 2003. - № 2'4. - С. 212-217.

3. Кулибаба В.В., Маторин С.И., Соловьева Е.А. Использование системологического подхода при разработке сложных программных систем // Радиоэлектроника и информатика. - 2003. - № 4 (25). - С. 97-103.

4. Кулибаба В.В. Обоснование использования методологии OMSAD при проектировании case-средств моделирования информационных систем // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник // Проблемы бионики. - 2002. - №57. - С. 27-31.

5. Бондаренко М.Ф., Кулибаба В.В., Соловьева Е.А. Базовый программный инструментарий для построения обучающих систем основам дисциплин "TeachConcept" // Проблемы бионики. - 2001. - №53. - С. 3-7.

6. Соловьева Е.А., Маторин С.И, Вороной М.Ф., Кулибаба В.В., Еременко В.А, Киприч М.С., Ковалев С.А. Разработка интеллектуальной обучающей системы основам произвольной дисциплины // Сб. научных трудов "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". - ХГПУ. - вып. 7, ч. IV. - С. 443-446.

7. Кулибаба В.В., Маторин С.И., Соловьева Е.А. Использование УФО-технологии проектирования сложных программных систем // Материалы 9-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" ИИСТ-2003, Харьков: ХНУРЭ. - 2003. - С. 385-386.

8. Бондаренко М.Ф., Соловьева Е.А., Маторин В.С., Кулибаба В.В. Теория и технология систематизации знаний // Тез. докл. конф. "Интеллектуализация обработки информации ИОИ-2002", Харьков: ХНУРЭ. - 2002. - С. 17-19.

9. Соловьева Е.А., Павлов П.Ф., Кулибаба В.В., Вороная В.А. Компьютерная технология концептуального моделирования с применением гипертекстовых структур // Материалы 8-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" ИИСТ-2002, Харьков: ХНУРЭ. - 2002. - С. 18-20.

10. Кулибаба В.В. Маторин В.С., Попов А.С. О реализации новой информационной технологии обучения основам дисциплин // IX між нар. студ. наук. конф. "Як нам упорядкувати нашу вищу школу" Харків: НАУ. - 2002. - C. 107.

11. Маторин С.И., Кулибаба В.В., Еременко В.А. Базовый программный инструментарий для новой технологии обучения основам дисциплин // Труды 4-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Харьков-Туапсе: ХТУРЭ. - 1998. - С. 259-260.

Размещено на Allbest.ru

...