Метамодель функциональной структуры информационной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метамодель функциональной структуры информационной системы

В.М. Левыкин, М.В. Евланов

Рассмотрены особенности моделирования функциональной структуры информационной системы. Предложена теоретико-категорная модель функциональной структуры, основанная на положениях общей теории систем и динамической теории информации.

Ключевые слова: функциональная структура, метамодель, категория, I-система.

Постановка проблемы моделирования информационных систем

В настоящее время можно выделить два основных направления разработки моделей информационной системы (ИС) и ее элементов:

- разработка аналитических моделей;

- разработка визуальных моделей.

Аналитические модели используют для описания ИС и ее элементов различные математические аппараты. Будучи сравнительно точными, такие модели часто предполагают возможность решения задач оптимизации структур и содержания ИС. Однако представление данных моделей и результатов решения подобных задач оптимизации также является аналитическим и для неспециалистов в соответствующих областях математики весьма неудобно для восприятия. Кроме того, процессы проектирования ИС зачастую не позволяют в полной мере использовать аналитические модели, поскольку объекты автоматизации (ОА) практически никогда не являются полностью идентичными друг другу.

Визуальные модели используют для описания ИС и ее элементов ряд геометрических двумерных конструкций (фигур). Чаще всего визуальные модели базируются на сравнительно простых математических аппаратах (теория графов, теория сетей Петри и т.д.), хорошо разбираться в которых разработчикам ИС не обязательно. Легкие для восприятия, визуальные модели, однако, практически никогда не позволяют проводить оптимизацию создаваемых ИС и их элементов.

Таким образом, следует признать существование проблемы разработки таких моделей ИС и ее элементов, которые, с одной стороны, сохраняли бы преимущества визуальных моделей, а с другой стороны - предоставляли бы разработчикам возможность использования результатов аналитической обработки полученных результатов визуального моделирования ИС.

Анализ существующих подходов к описанию и моделированию функциональных структур информационных систем

В настоящее время для описания функциональной структуры (ФС) ИС используются следующие подходы:

- традиционное представление ФС ИС в виде совокупности функциональных подсистем;

- представление ФС ИС в виде совокупности функциональных контуров, каждый из которых охватывает весь ОА и включает в себя функции управления отдельным видом ресурсов [1];

- представление ФС в виде совокупности отдельных функциональных модулей, каждый из которых охватывает отдельные подразделения и фрагменты бизнес-процессов ОА и включает в себя набор функций управления данным участком бизнес-процесса.

При этом подавляющее большинство современных методик проектирования ФС ИС вне зависимости от выбранного подхода к ее описанию использует результаты визуального моделирования процессов обработки данных на ОА. Хотя в настоящее время существуют две противоположные парадигмы визуального моделирования - структурная и объектно-ориентированная, - практика показывает, что для описания ФС ИС необходимо разумная интеграция визуальных моделей, построенных в соответствии с данными парадигмами. Так, один из способов такой интеграции предусматривает для моделирования границ ИС использовать структурные модели потоков данных, а для моделирования конкретных правил решения функциональных задач (ФЗ) ИС использовать объектно-ориентированные модели бизнес-прецедентов и классов [2].

Выделение нерешенных частей проблемы моделирования функциональной структуры информационной системы

В настоящее время существует множество различных методов, методик и технологий проектирования ИС. Однако практически все современные методы, методики и технологии реализуют такую последовательность задач проектирования ИС:

- задача 1, которая заключается в синтезе компромиссных моделей данных ИС и моделей процессов обработки данных ИС, которые учитывали бы большинство требований пользователей к ИС и отражали бы приемлемую для пользователей и разработчиков точку зрения на ФС ИС и ее компоненты;

- задача 2, которая заключается в синтезе оптимальной физической реализации компромиссной модели данных ИС в виде базы данных, оптимизированной под конкретную СУБД;

- задача 3, которая заключается в синтезе оптимальной физической реализации компромиссной модели обработки данных в виде программной системы, оптимизированной в ходе проектирования и компиляции.

При этом задачи синтеза проектных решений по другим видам обеспечения рассматриваются как ограничения, накладываемые на решения задачи 2 и задачи 3.

Следует признать, что единственным способом согласования проектных решений задачи 2 и задачи 3 является разработка таких компромиссных моделей данных и моделей обработки данных ИС, которые позволили бы формировать единый способ описания проектных решений любого вида обеспечений. Следует также признать, что в настоящее время большинство организаций-разработчиков ИС ориентируются на создание типовых модулей ФС ИС, предназначенных для эксплуатации на предприятиях определенных типов (а в некоторых случаях - и размеров). Решение задачи 1 в этом случае требует учитывать не только точки зрения отдельных пользователей и разработчиков ИС, но и необходимость жесткой стандартизации интерфейсов отдельных модулей, дабы из них можно было бы компоновать варианты ФС ИС, удовлетворяющие требованиям различных предприятий. информационная система моделирование

Постановка задачи моделирования функциональной структуры динамической информационной системы

Из сказанного выше следует, что существует необходимость разработки специальных моделей ФС, которые не только бы позволяли формализовать описания различных вариантов ФС проектируемой ИС, но и позволяли бы решить проблему интеграции локальных моделей данных и локальных моделей процессов обработки данных в общесистемные компромиссные модели ИС. Такие модели ФС, согласно определениям М. Месаровича и М. Фаулера, будут являться метамоделями, определяющими синтаксис и семантику конкретных реализаций ИС и ее компонентов [3, 4].

Изложение основных материалов исследования

В процессе разработки метамоделей ФС ИС мы исходим из разработанного авторами статьи подхода к моделированию ИС на основе общей теории систем Ю.А. Урманцева. Согласно данному подходу, ИС следует представлять как I-систему, первичными элементами которой должны являться обеспечивающие комплексы ИС, их описания и механизмы интеграции отдельных обеспечивающих комплексов в единую целостную обеспечивающую часть ИС. Такую I-систему можно формализованно описать следующим образом [5]:

, (1)

где - обозначение метамодели ИС как I-системы; - универсум (вся совокупность) всех возможных первичных элементов I-системы; - операция выделения множества «первичных элементов» из универсума U по основаниям множества оснований ; - операция единства первичных элементов m множества и отношений r множества отношений ; - операции назначения основания a множества , по которому будет выделяться первичный элемент m множества либо законов композиции z множества законов композиции , по которым будет осуществляться единство конкретных первичных элементов m множества и отношений r множества .

Обеспечивающие комплексы ИС как объекты-системы, которые образуют , можно формализованно описать следующим образом [5]:

. (2)

Описание элементов выражения (2) в общем случае аналогичен подобному описанию элементов выражения (1) и подробно рассмотрен в работе [5].

Представление ИС как I-системы метамоделей возможно лишь в том случае, если будут существовать подмножества «первичных» элементов , отношений и законов композиций , которые будет являться общим для всех объектов-систем, образующих ИС как I-систему. Основываясь на представлении ИС как динамической мультистабильной системы [6], подмножество «первичных» элементов , следует рассматривать как подмножество макроинформации, то есть подмножество устойчивых состояний, которые являются общими для всей ИС. Под макроинформацией будем понимать изначально случайный, а затем запомненный выбор одного или нескольких осуществленных вариантов из всей совокупности возможных и равноправных [6]. Подмножество отношений в этом случае следует рассматривать как подмножество операций над макроинформацией. Тогда подмножество законов композиций должно содержать законы композиции макроинформации и операций над ней, которые определяют единство данных элементов в рамках ИС. Такими законами для всей ИС являются законы построения ее ФС.

Таким образом, для использования формализованного описания ИС (1) и формализованного описания обеспечивающих комплексов ИС (2) становится необходимой разработка моделей операций, составляющих подмножество . Такие операции в работе [5] получили название операций микроуровня. Основываясь на положениях динамической теории информации [6], все многообразие операций микроуровня можно свести к трем основным типам:

- операции генерации новой информации;

- операции рецепции информации;

- операции хранения информации.

Тогда становится возможным выделение операционной модели ИС, которая будет определять состав ФС ИС. Данная операционная модель ИС будет иметь следующий вид

, (3)

где - обозначение метамодели ИС как I-системы; - универсум (вся совокупность) всех возможных ФЗ, которые могут быть реализованы в ИС; - операция выделения множества из универсума U исходя из функциональных требований (оснований) множества ; - операция единства первичных элементов m множества и отношений r множества ; - операции назначения функционального требования (основания) a множества , по которому будет выделяться первичный элемент m множества либо законов композиции z множества , по которым будет осуществляться единство конкретных первичных элементов m множества и отношений r множества .

Исходя из отмеченных выше особенностей представления подмножеств и , становится возможным рассмотреть элементы подмножества как структурированные множества входных и выходных данных, необходимых для выполнения каждой операции микроуровня. Тогда составляющую метамодели (3) , которая определяет вид ФС ИС, можно в общем случае (то есть, без учета влияния законов композиции) рассматривать в виде категории структуризованных множеств [7] вида

, (4)

где - обозначение категорного описания ФС ИС; - множество объектов категории , которое состоит из локальных структур входных и выходных данных, необходимых в ходе решения отдельных ФЗ ИС; - множество единичных морфизмов категории , которые описывают операции генерации новой информации; - множество морфизмов категории , которые описывают операции рецепции информации; - множество морфизмов категории , которые описывают операции хранения информации.

Следует отметить, что морфизмы множества по своей природе являются сюрьективными. Морфизмы же множества по своей природе являются инъективными. Только в отдельных случаях морфизмы данных множеств могут быть биективными.

Учет рассмотренных выше способов представления ФС ИС и особенностей решения задачи 1 проектирования ИС приводит к необходимости рассматривать процесс синтеза ФС ИС как результат интеграции отдельных элементов в соответствии с законами композиции подмножества . В качестве таких элементов авторами предлагается рассматривать отдельные ФЗ ИС, из которых следует синтезировать ФС в соответствии с одним из способов ее представления. Тогда процесс формирования конкретного варианта ФС ИС можно рассматривать как выделение на категории (4) класса факторобъектов, возникающих в результате интеграции отдельных ФЗ в функциональную подсистему, функциональный контур или функциональный модуль ИС.

Как следует из положений динамической теории информации и выражений (3) и (4), каждая ФЗ ИС как отдельный и способный существовать самостоятельно элемент разрабатываемой ФС ИС может быть описана подкатегорией вида

, (5)

где - подмножество локальных структур входных и выходных данных, необходимых в ходе решения i-ой ФЗ ИС; - подмножество операций генерации новой информации, выполняемых в ходе решения i-ой ФЗ ИС, определенное как множество единичных морфизмов подкатегории ; - подмножество операций рецепции информации, выполняемых в ходе решения i-ой ФЗ ИС, определенное как подмножество морфизмов подкатегории ; - подмножество операций рецепции информации, выполняемых в ходе решения i-ой ФЗ ИС, определенное как подмножество морфизмов подкатегории .

Тогда реализацию законов композиции предлагается рассматривать как выделение факторобъектов путем назначения плотных коконусов морфизмов, отражающих объекты различных подкатегорий в объект , описывающий совокупность локальных структур входных и выходных данных, необходимых в ходе эксплуатации отдельной составляющей ()функциональной подсистемы, функционального контура или функционального модуля) ФС ИС. Обозначим такие коконусы как , где J - количество выделяемых локальных структур входных и выходных данных. Тогда законы композиции, определяющие один из трех отмеченных выше подходов к представлению ФС ИС могут быть рассмотрены как следующие условия:

; (6)

; (7)

. (8)

Условие (6) используется при выделении функциональных подсистем. Условия (7) используется при выделении функциональных контуров. Условие (8) используется при выделении функциональных модулей.

Выводы из данного исследования и перспективы дальнейших работ в данном направлении

Предлагаемая авторами модель ФС ИС позволит решать в ходе предпроектного анализа и проектирования ИС следующие задачи:

- анализ совместимости функциональных требований заказчика ИС путем имитационного моделирования ФС, содержащей указанные в требованиях ФЗ;

- анализ ФС ИС на непротиворечивость операций микроуровня;

- анализ локальных структур данных на непротиворечивость и избыточность.

Основными перспективами работ в данном направлении следует считать дальнейшую детализацию предлагаемой модели ФС и формализацию ее представлений в виде визуальных моделей; разработку операций автоматизированной проверки отдельных элементов модели ФС на непротиворечивость и реализацию этих операций в виде информационных технологий автоматизации проектирования ИС.

Литература

1. Гудушаури Г.В., Литвак Б.Г. Управление современным предприятием. - М.: Ассоциация авторов и издателей «Тандем», Издательство ЭКМОС, 1998. - 336 с.

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

3. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 312 с.

4. Фаулер М., Скотт К. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования. - М.: Мир, 1999. - 191 с.

5. Евланов М.В. Использование положений общей теории систем для моделирования процессов разработки информационных систем организационного управления // 2-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2005. Сборник научных трудов. Том III. Международная конференция «Информационные системы и технологии». - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2005. - С. 67-70.

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

7. Цаленко М.Ш., Шульгейфер Е.Г. Основы теории категорий. - М.: Наука, 1974. - 256 с.

Размещено на Allbest.ru