автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Модели и методы синтеза оптимальных модульных диалоговых систем обработки данных в автоматизированных банковских системах

российская академия наук

институт проблем управления ран

На правах рукописи

ВОЛКОВ Андрей Евгеньевич

Модели и методы синтеза оптимальных модульных диалоговых систем обработки данных в автоматизированных банковских системах

Специальность 05.13.06 -"Автоматизированные системы управления"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Институте проблем управления (автоматики и телемеханики) Российской Академии Наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кульба В.В.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Соловьев М.М.;

-доктор физико-математических наук, профессор Герасимов А.А Ведущая организация: Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН.

Защита состоится "8" декабря 1997г. в 14:00 час, на заседании Диссертационного совета N1 (Д.002.68.02) Института проблем управления РАН по адресу: Москва, 117806, Профсоюзная ул., 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления РАН.

Автореферат разослан "_"_199г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

В.К.Акинфиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основным содержанием современного этапа развития человечества является переход к обществу, в котором определяющая роль принадлежит информации. Информация становится стратегическим ресурсом. Инфраструктуру общества формируют способы и средства сбора,, обработки, хранения и распределения информации. Информация, информационный фонд в условиях создания, функционирования и развития систем управления банковской деятельностью являются главным источником эффективного принятия решений.

В этих условиях одной из. характерных особенностей современного этапа научно-техничёск'ргй 1фогр*есс'а является широкое и интенсивное использование математических методов, срёдств информатики и вычислительной техники в банковский системах.. Разрабатывается, вводится в действие и модернизируется большое число автоматизированных банковских систем (АБС) в самых различных городах России и стран СНГ. Поэтому повышение качества и эффективности создаваемых систем, сокращение сроков и затрат на их разработку и внедрение являются важными народнохозяйственными задачами.

Эффективное использование вычислительной техники в банковских системах управления требует значительных трудозатрат на создание программного и информационного обеспечения соответствующих систем обработки данных. Одним из направлений повышения эффективности создаваемых в массовом масштабе систем является использование при их разработке формальных методов и моделей проектирования программного и информационного обеспечения современных диалоговых модульных систем обработки данных, начиная с диагностического анализа существующих систем управления и завершая разработкой и внедрением программного и информационного обеспечения этих систем.

Общее время и затраты на разработку диалоговых систем с использованием методов и средств анализа и синтеза модульных АБС сокрагца-югся в 2-5 раз в зависимости от их'сложности.

Использование формальных моделей и методов анализа и синтеза диалоговых модульных АБС позволяет алгоритмизировать и автоматизировать технологию проектирования этих систем, предназначенных для решения прикладных задач обработки данных и управления в заданной предметной области.

Большие масштабы работ по созданию и внедрению АБС на базе современных вычислительных систем, необходимость разработки и развития теоретических основ, моделей и методов формализации и автоматизации этапов проектирования модульных АБС, обусловливает высокую актуальность выполненных научных исследований.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационными планами, научных исследований РАН по комплексной проблеме "Кибернетика" (раздел 1.12.4. "Разработка методологии проектирования проблемно-ориентированных АСУ"), планами работ Института проблем управления РАН по темам 320-94/20 "Разработка теоретических основ, методологии и промышленной технологии автоматизированного проектирования информационно-управляющих систем", 32095/20 "Разработка теории и методологии исследования организационных и структурных механизмов и проектирования автоматизированных систем управления социально-экономическими системами в условиях неполной информации", а также планами работ Международной Академии Бизнеса и Банковского Дела (г.Тольятти).

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка моделей, методов и инструментальных средств создания диалоговых модульных автоматизированных банковских систем и их использование при проектировании систем данного класса.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной

!

работы получены и математически обоснованы с использованием аппарата теории исследования операций, теории массового обслуживания, теории графов, оптимизации на сетях и других разделов современной теории управления, атакже- путем* проведения .практических и экспериментальных расчетов- на ЭВМ

Научная новизна,- В результате проведенных исследований, анализа И обобщения опыта проектирования и эксплуатации автоматизированных банковских систем управления разработаны теоретические положения, модели и методы анализа и синтеза диалоговых модульных АБС.

На основе единой методологии и принципов модульности разработаны комплексный подход, методы формализации, модели, алгоритмы и программы проектирования оптимальных модульных АБС, обеспечивающие: формальный анализ технологии обработки данных с использованием графовых и матричных моделей; представление, упорядочение и анализ сценариев диалога; построение интегрированного сценария диалога в АБС в целом и определение его основных характеристик; синтез оптимальной функциональной структуры диалоговой системы по критерию оптимизации, учитывающему эффективность дальнейшей разработки и внедрения и формулируемому как минимум суммарного числа информационных связей между выделяемыми элементами или минимум общего времени обмена с внешней памятью ЭВМ при обработке множества запросов пользователей к диалоговой системе. Рассмотрены постановки динамических задач синтеза структуры программного обеспечения диалоговых систем, представленных в виде стохастической замкнутой сети средств массового обслуживания. В качестве показателей эффективности синтеза предложено использовать следующую совокупность критериев оптимизации: максимум общего числа обработанных запросов пользователей в единицу времени; минимум среднего времени ожидания запросом пользователя досту-

па к ресурсам системы; минимум среднего времени пребывания запроса, пользователя в системе; минимум времени реакции диалоговой системы на запросы пользователей.

Основой предложенной методологии и комплексного подхода является последовательное применение взаимосвязанных моделей, методов и алгоритмов, учитывающих особенности отдельных этапов проектирования и эксплуатации программного и информационного обеспечения диалоговых модульных АБС, требования пользователей к информации, хранимой в базах данных, специфику предметной области и характеристики общесистемных программных и технических средств обработки данных. ,

Комплексный подход, модели и методы, изложенные в диссертации, позволяют формализовать, алгоритмизировать, оптимизировать и в большинстве случаев автоматизировать процесс проектирования диалоговых модульных АБС, что обеспечивает существенное повышение эффективности и качества создаваемых систем.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации комплексный подход, модели и методы проектирования диалоговых модульных АБС позволяют оптимизировать структуру их информационного и программного обеспечения, сократить затраты и сроки создания таких систем в два-пять и более раз в зависимости от их состава и сложности, повысить эффективность и качество автоматизированных банковских систем за счет оптимизации проектных и эксплуатационных характеристик создаваемых Ьистем.

Разработанные методы, алгоритмы и программные средства могут быть использованы при создании диалоговых модульных АБС в научно-исследовательских институтах, проектных организациях и вычислительных центрах, разрабатывающих, внедряющих и эксплуатирующих системы обработки данных и методы их автоматизированного проектирования.

Внедрение. Эффективность разработанных в диссертации моделей и методов проектирования диалоговых модульных АБС подтверждена поло-

жительным опытом их Применения в различных организациях банковской сферы. При непосредственном участии автора они внедрялись при разработке:

информационной системы в промышленно-коммерческом "АвтоВАЗбанке" (г.Тольятти);

- информационной системы инкассации филиалов промышленной группы "Август" (г.Тольятти);

- информационно-расчетной системы аудиторской фирмы "Дельта" (г.Самара).

Использование разработанных методов, алгоритмов и программ' позволило сократить сроки проектирования и внедрения прикладного программного обеспечения и информационной базы данных в 1,5-5 раз по сравнению с традиционными способами их разработки, определить оптимальный состав и структуру вычислительной сети массового обслуживания путем распределения функциональных модулей и массивов базы данных по ее узлам, что на 50% снизило общие затраты на эксплуатацию системы.

Личный вклад. Все основные положения и результаты, выносимые чя защиту, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывалась и обсуждались на Ученом Совете Международной Академии Бизнеса и Банковского Дела, на международных конференциях " Управление в чрезвычайных ситуациях" (г.Москва, 1995 г., 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 235 стр. машинописного текста, 27 рис., 7 таблиц, а также список литературы (128 наименований).

Содержание работы.

Во введении обосновывается выбор цели и актуальность рассматриваемых в работе задач, приведекы основные положения диссертационной работы.

В первой главе приведены результаты анализа коммерческих банков как объектов автоматизации, рассмотрены особенности основных банковских операций с точки зрения возможности и эффективности их автоматизации.

В деятельности российских банков в настоящее время происходят существенные изменения: постепенно они восстанавливают свой коммерческий облик. Из учреждений, занятых, главным образом, распределением долгосрочных и краткосрочных кредитов между хозяйственными организациями, коммерческие банки превращаются в специализированные рыночные структуры, выполняющие, наряду с традиционными, более широкий круг операций и услуг.

В современных условиях коммерческие банки занимаются самыми разнообразными видами операций: организация денежного оборота и кредитных отношений; финансирование объектов народного хозяйства; страховые операции; купля-продажа и выпуск ценных бумаг; посреднические сделки и управление имуществом и др. Кроме того, они выступают в качестве консультантов, участвуют в обсуждении и финансировании программ и проектов различного уровня, ведут статистику, имеют свои дочерние предприятия и т.п. Банк, как и любое предприятие, является самостоятельным хозяйственным субъектом, обладает правами юридического лица, производит и реализует специфический продукт, оказывает услуги, действует на принципах хозрасчета.

Конкурентоспособность конкретного банка зависит, прежде всего, от качества информационного обеспечения и инструментальных средств поддержки управленческих решений. Анализ показывает, что первоочередные возможности автоматизации банковской деятельности связаны с

автоматизацией межбанковских расчетов, расчетов банка со своими клиентами, а также с созданием автоматизированной банковской системы, обслуживающей запросы различных рыночных структур и физических лиц.

Целью систем такого класса является реализация высокоэффективной информационной технологии (ИТ) банковского обслуживания юридических и физических лиц и получение на этой основе доходов Н прибыли, достаточных для их функционирования, широкого развития и совершенствования. Под высокоэффективной ИТ понимается представление пользователям в регламентном режиме и по запросам информационных продуктов (ИП), обладающих свойствами полноты, достоверности и надежности, актуальности и оперативности, простоты и удобства использования. Критерием эффективности функционирования таких систем в целом, так и их отдельных составных частей или реализации заданного множества транзакций является отношение чистой прибыли к суммарным затратам за установленный период времени. При этом чистая прибыль представляет со-ббй полный доход за вычетом всех связанных с его получением затрат -капитальных затрат, различного рода инвестиций, эксплуатационных расходов, налогов и других платежей в бюджет.

Как правило, АБС должны проектироваться как трехуровневые системы, включающие в свой состав центральное и региональные звенья (отделения), а также конечных пользователей (клиентов). Взаимодействие пользователей с системой осуществляется через собственные АРМы, региональные звенья или путем передачи заявок внешним путем (почтовая связь, телеграф, телефон, электронная почта и т.п.).

С точки зрения технологии переработки информации АБС должна предоставлять пользователям следующие виды услуг: организация и автоматизация платежного документооборота, межбанковское взаимодействие, организация работы отделений и филиалов, проведение валютных

операций, кредитио-плановая деятельность, работа с частными вкладами, проведение депозитарных операций.

Общая типовая структура АБС включает технологическую и прост--ранственно-коммуникационную инфраструктуры, логическую структуру используемых баз данных, структуру комплексов технических средств. Состав и взаимосвязи основных компонентов общей структуры и последовательность их проектирования приведены на рис. 1. Технологическая инфраструктура включает поставщиков и потребителей информации, информационное пространство, модели, методы и алгоритмы обработки информации, АРМы, средства теледоступа и управления. Основой пространственно-коммуникационной инфраструктуры АБС является информационно-вычислительная сеть (ИВС), которая в соответствии с требованиями эталонной модели архитектуры взаимодействия открытых систем, разработанной международной организацией стандаргов, рассматривается в виде ассоциаций логических систем, делящихся, в зависимости от вычислительных функций, на три вида: абонентские, интерфейсные и коммуникационные.

Основными логическими элементами ИВС являются - ассоциация коммуникационной и рабочей систем (логический узел), терминальная система и коммуникационные сети. Последние подразделяются на магистральную коммуникационную сеть, соединяющую логические узлы между собой, и локальную абонентскую коммуникационную сеть, соединяющую логические узлы и терминальные системы.

1t

Технологическая инфраструктур»

Стандартизация технологической схемы

Технологическая инфраструктура

Клиенты:

банки, биржи,

государстве™ ые

органы управления

Информационно« поле-

1 Г

Модели, методы и алгоритмы обработки ■ информации

Клиенты:

крупные

предприятие,

коммерческие

структуры,

физические

лица

АРМы, средства теледоступа и управления

Логическая структура баз данных, технические 1 средства ¡ реализации

Логическая структура данных и технических средств реализации

Стандарпшши в ычислительных платформ, структур данных и программных средств

Пространственно-коммуникационная инфраструктура

Пространственно-коммуникационная

инфраструктур8

Стандартизация протоколов обмена информацией

()i<C. I

Разветвленная сетевая архитектура и требования структурного единства информационной базы системы предполагают использование в качестве ее основы распределенной базы данных (РБД), включающей базы данных центральных и территориальных звеньев АБС, а также локальные базы данных АРМов пользователей системы как источников и потребителей информации.

Таким образом, технология функционирования АБС включает процессы сбора информации от ее источников, передачи в узлы (звенья) системы, обработки по заданным алгоритмам и выдачи пользователям в соответствии с их запросами (заявками), формируемыми в диалоговом режиме.

АБС, как правило, должна функционировать в режиме реального времени. Работа в этом режиме означает, что все изменения, проведенные пользователем с рабочей станции, сразу становятся доступны другим пользователям. Обработка текущих данных в АБС должна одновременно вестись в различных подсистемах (подсистема работы со счетами банка, подсистема обработки платежного документооборота и т.д.). Поэтому система должна располагать развитыми средствами администрирования, позволяющими предотвратить несанкционированный доступ к ее данным и узлам.

Рост числа решаемых в АБС диалоговых задач, их сложности, повышение требований к своевременности, достоверности и полноте представляемой информации обусловливает необходимость существенного совершенствования методологии их проектирования, которая должна учитывать не только особенности "человеческого фактора", но и требования по обеспечению максимальной эффективности использования технического, программного и информационного обеспечения диалоговых систем.

Разработка эффективных диалоговых АБС представляет собой комплексную проблему, включающую в себя анализ и типизацию информационных требований пользователей, синтез типовой модели диалога для

заданного множества пользователей, информационные запросы которых принадлежат одной предметной области, синтез информационного и при кладного модульного программного обеспечения диалоговых систем, оптимального по заданным критериям эффективности.

Во второй главе рассмотрены особенности разработки и предложены методы предпроектного анализа диалоговых систем в банковской сфере. Приведена классификация диалоговых систем и их основные характеристики. Для каждой из стадий разработки диалоговых систем определены основные модели и методы их проектирования. С учетом результатов анализа требований пользователей и информации о локальных сценариях диалога предложена процедура формирования общего (интегрированного) сценария диалога всей системы в целом. Разработаны методы представления, упорядочения, анализа и оптимизации локальных сценариев диалога, а также интегрированных сценариев. Схема решения каждой диалоговой задачи представляется в виде совокупности взаимосвязанных таблиц решений, однозначно определяющих граф локального сценария диалога. С помощью методов оценки ГЕРТ-сетей определяются основные характерн-сТикн сценариев диалога.

Схему решения каждой п-й задачи предлагается описывать в виде множества Ь1Ш1(п = 1,Н; т=1,М) связанных модифицированных таблиц

решений (ТР). Такое описание схемы решения отдельной задачи Ь^ назовем локальным сценарием (ЛС) диалога пользователя с диалоговой системой (ДС) при решении данной задачи. Множество локальных сценариев Ьшп(п = ш= 1,М) и их характеристики являются исходными для разработки и определения характеристик сценария С диалоговой системы в целом. Каждая таблица решений Ь^ описывает отдельный я-й

шаг диалога к-го пользователя с ДС при решении Ь-ой задачи.

В качестве формального представления локального сценария С^ будем использовать обобщенный сетевой граф =(УЫс,ЬЫс), который

назовем графом локального сценария (ГЛС) диалога к-го пользователя при решении Ь-й задачи (к = 1,К; Ь = 1,Нк).

Построение ГЛС производится в соответствии со следующими правилами. На множестве таблиц решений локального сценария диалога {ТчЫс;я=1,дЬк} и множестве = {у^; 4 = 1,0^} вершин графа определяется взаимно однозначное отображение у такое, что каждой q-й таблице решений Т^ однозначно соответствует одна q-я вершина у^, то есть П/(Т'1к)=у^) и наоборот, каждой I-й вершине у^ однозначно соответствует одна I -я таблица решений Т^, то есть ^"'(у^) = Т^к, где у-' - отображение, обратное у. При этом каждая ссылка из од|<ой ТР на другую, например, из 1}Ьк на Т-* .однозначно отображается в дугу графа

в, направленную из узла, соответствующего первой ТР, в узел, соответствующий второй ТР, то есть в дугу, ведущую из у|* в у-^, где

Для упорядочения и упрощения структуры ГЛС, выделения в нем источников, стоков и промежуточных узлов, определения последовательностей их прохождения и выделения контуров графа, для анализа взаимосвязей между шагами диалога в целях дальнейшего построения интегрированного графа 0°диалога используются процедуры формирования и последовательных преобразований матрицы достижимости графа локального сценария диалога.

Матрица достижимости определяется на основе квадратной матрицы смежности В = ||Ьу|| размерности С} х <3, строки и столбцы которой

также проиндексированы одинаковым образом множеством V вершин ГЛС в. Элемент = матрицы В равен 1, если в графе в существует дуга, идущая из узла у; в узел у^, что соответствует наличию в ТР, сопоставленной узлу у(, ссылки на ТР, соответствующей узлу у^ в противном случае Ь^=0.

. Матрица достижимости для ГЛС в совпадает с матрицей смежности В" графа в*, являющегося транзитивным замыканием графа в. Ма-

трица В* строится с помощью алгоритма Уоршалла путем вычисления по следоватсльности квадратных матриц К^Д1,..,!^ размерности О х (), где- К = В, Ту = г?:1 ©[г^&г^1] (Чл.| = Щ, = К4

Анализ структуры ГЛС 0=(У, Ь), определение и анализ его характеристик, выделение в графе источников, стоков и промежуточных узлов упрощается, если элементы построенной матрицы достижимости V/ этого I рафа упорядочить по уровням (этапам) их прохождения, что, в свою оче-рЬпь, приводит к упорядочению структуры ГЛС.

На основе полученного множества упорядоченных по уровням графов локальных сценариев диалога О** = (Уьк,Ь!)к), не имеющих контуров. строится интегрированный граф в" =(У°,Ь0),имеющий .меньшую размерность, упорядоченный по уровням и являющийся формальным представлением сценария С диалоговой системы в целом, в соответствии

с которым ДС взаимодействует с заданным множеством пользователей

_ к

;г-(лк, к= I,К) при решении ими множества задач Ф = ( и^к)® Диало-

к=1

говом режиме.

Построение интегрированного графа, отображающего общую структуру решения множества диалоговых задач, проводится при помощи спе-/

пнальным образом определенных операций "выравнивания" и "наложения" упорядоченных графов отдельных задач.

В результате формируется интегрированный граф в0 =(У°,Ь°)сце пария диалоговой системы в целом, упорядоченный по уровням, в котором могут существовать несвязные компоненты, соответствующие отдельным подсистемам ДС.

Интегрированный граф в0 = (У',Ь°)сценария диалоговой системы

обеспечивает такое функционирование ДС, при котором она предоставляет каждому пользователю я к средства решения каждой из его задач ^ в соответствии с определенным им локальным сценарием диалога Ськ.

Предложенные в работе методы анализа позволяют оценить такие характеристики локальных сценариев диалога и сценария всей ДС, как условная вероятность завершения решения задачи в заданном узле графа; математическое ойсидание и дисперсия значения некоторой характеристики (например, времени завершения решения задачи в заданном узле графа), обладающей свойством аддитивности по дугам любого пути графа.

Узлы уп еУ]° = {уп;п = 1,>*}графа в интерпретируются как состояния системы или события, а дуги £т еЬ° = {£П1;т = 1,М}как переходы системы из одного состояния V; в другое - Переходы ^рассматриваются как выполнение обобщенных операций или работ по обработке запросов пользователя, которые, в свою очередь, характеризуются:

- условной вероятностью ру того, что операция (дуга)

■ £т = (У|,ур будет выполнена при условии, что исходное событие vi произошло;

- параметром уу, обладающим аддитивностью по дугам любого пути графа в0.

Параметр у у является случайной величиной, которая определяется: условной вероятностью ^ в дискретном случае; плотностью ^(у) или функцией ^ (у) распределения в Непрерывном случае при условии, что событие У( произошло.

В частности, в качестве характерного параметра у^ дуги (,)рассматривается время ^ выполнения операции 1т

Каждый узел графа 0° характеризуется типом входной и выходной функции. В узлах графа могут выполняться три типа входных функций и два типа выходных.

Входными функциями являются:

вход "И" - событие, соответствующее данному узлу, считается происшедшим, если выполнены все входящие в узел дуги (или операции);

"включающий вход" - событие, соответствующее данному узлу, считается происшедшим, если выполнена, по крайней мере, одна из входящих в узел дуг (операций);

"исключающий вход" - событие, соответствующее данному узлу, считается происшедшим, если выполнена ровно одна дуга, входящая в него.

К выходным функциям относятся:

"детерминированный выход" - все дуги, выходящие из узла, выполняются, если этот узел выполнен;

"вероятностный выход" - если узел выполнен, то выполняется ровно одна дуга, выходящая из него, с некоторой вероятностью.

Таким образом, каждый узел О0 принадлежит одному из шести различных типов, приведенных на рисунке 2.

. Считается, что узел графа, имеющий одного предшественника, обладает Е-входом^а узел, имеющий одного потомка, обладает С-выходом.

Сделаем следующие предположения:

1. Для каждой дуги (V;, у^),ру > 0.

2. Операции (дуги) в 0° независимы друг от друга (в вероятностном смысле).

3. 0° имеет только один источник и не менее одного стока, и при каждой реализации сценария (решении задачи в соответствии

Вход Выход

"И" "ИЛИ" "Е"

СО <ф ю О

о <1> к> С

рис.2.

с этим сцеиарием) реализуется (достигается) только один ш стоков.

4. Каждый узел в0 достижим из источника, и из каждого узла достижим по крайней мер$ один сток.

¡В случае, если в0 имеет несколько источников предположение 3 выполняется путем введения фиктивного узла V, - источника ГСД, соединенного с каждым узлом = 1,М) дугой имеющей нулевое значение характеристики у^.

Для И-узлсй и ШШ-узлов в0 должны выполняться следующие условия:

для дуг (операций), входящих в ИЛИ-узел или И-узел, существует конечный интервал времени, за который все дуги будут выполнены;

множество входящих в Е-узел дуг таково, что в один момент времени может заканчиваться не более одной дуги.

Для выполнения этих условий введен ряд ограничений на структуру в0 в виде семи типов допустимых структур - базисных элементов (БЭ), в состав которых могут входить И-узлы и ИЛИ-узлы.

Для анализа таких характеристик стохастического в0- С = (У',Ь'), как математическое ожидание М, и дисперсия ст* значения у (например, времени завершения решения задачи в заданном стоке V,), используем методы оценки ГЕРТ-сетей. .

Для случайной величины у у определим \¥-функцию в виде:

= РуМу($),

гдсМу^) - условная производящая функция моментов случайной

Цу..

величины у у, которая вычисляется по формуле: Му(^) = Е(е '). Здесь

Еу.. •

Е(е 11) - математическое ожидание случайной величины е 4, то есть

Му(£) = /е^'^уу^уу, если Уу непрерывна;

Му(£) = £е^д -Г(уу), если уц дискретна,

где суммирование производится по всем значениям случайной величины Уу.

В частности, = Е(е^) = при уу=а=соп51. Если а=0, то

С помощью этого преобразования можно перейти от С = (У,Ь') к графу сценария диалога С =(У",Ь"), имеющему идентичную с Сструк-туру, каждая дуга которого характеризуется не двумя параметрами р^и у у, а одним параметром ^.

Таким образом совокупность описанных выше взаимосвязанных формальных моделей и методов позволяет на основе локальных сценариев диалога пользователей и их требований к характеристикам реализации диалога построить интегрированный упорядоченный граф сценария диалоговой системы в целом, а также оценить такие характеристики ДС, как математическое ожидание и дисперсия времени завершения диалога в заданном стоке сценария ДС, вероятность завершения диалога в заданном стоке сценария, распределение длительности диалога и др.

Полученный интегрированный граф сценария ДС, значения указанных выше характеристик, а также требования пользователей используются в качестве исходных данных и ограничений в формальных моделях и методах синтеза оптимальных структур программного и информационного обеспечения ДС в АБС.

В третьей главе рассматриваются задачи синтеза оптимальной функциональных структур модульных диалоговых систем. Рассмотрена задача синтеза, связанная с разбиением ДС на подсистемы по критерию оптимизации, учитывающему удобство дальнейшей разработки и внедрения - минимуму суммарного числа информационных связей между выделяемыми подсистемами. В графовой интерпретации задача оптимального выделения подсистем ДС в соответствии с определенными локальными сценариями диалога состоит в разбиении мультиграфа в с помеченными или раскрашенными дугами на подграфы, обеспечивающем минимум суммарного веса дуг различного цвета, связывающих подграфы, при ограничении на общее число выделяемых подграфов или подсистем, на общее число

дуг и вершин каждого подграфа, число или суммарный вес связей между отдельными подграфами.

Задача сформулирована следующим образом. Пусть D = {&t, i - 1,L} - множество всех информационных элементов, используемых процедурами ДС; которыми помечены дуги графа G; А = {ar, г = 1,R}- множество процедур обработки данных в ДС; Mv-подмножество (модуль) процедур системы (v = l,V; 1 ^ V ä R); pqi-

вероятность перехода от q к i в графе G; W(r, q) - все дуги графа G.

!1, процедура г входит в состав модуля v, п

О, в противном случае;

,если выбирается переход от ц к 1;

[ 0, в противном случае;

1,если элемент <1, используется процедурой аг;

( 0, в противном случае;

Необходимо: R R L V V

I I Z I Z x^WrfXqjW^WO-.q)-» min ; (1)

r=l q=l/q*rf=l v=l i=l/i*v (xrv)

при ограничениях

- на число процедур в составе одного модуля

1<1х„<М; (2)

Г=1

- на число информационных элементов, обрабатываемых процедурами одного модуля

Zy,v<L, v = CV; где (3)

t~\

1,если информационный элемент d, используется я

У/у = 1 в модуле Му,т.е . > 1;

Г=|

О, в противном случае;

- на количество информационных связей между отдельными модулями.

I.

X У л,- У 1ч" 2 V" . ПРИ заданных V' и V"; (4)

- на число выделяемых в системах модулей и совместимость процедур п одном модуле:

У< V, х,.у +хг„у <1. (5)

Сформулированная задача (Г) - (5) является задачей целочисленного нелинейного (квадратичного) программирования. Введением дополнительных переменных и ограничений эту задачу можно привести к линейному виду, что позволяет применять для решений стандартные пакеты прикладных программ.

Для решения задач большой размерности разработаны процедуры предварительной обработки данных и алгоритм решения, использующий комбина1х)рные особенности задачи и схему "ветвей и границ".

При оценке качества функционирования синтезированной ДС и взаимодействия с ней пользователей существенны такие критерии оптимизации как минимум среднего времени решения диалоговых задач в соответствии с локальными сценариями диалога, минимум среднего времени ожидания запросом пользователя доступа к ресурсам системы, минимум нремени реакции ДС на запрос пользователя, максимум информационной производительности ДС, минимум времени обращения к периферийному оборудованию при обработке запросов и т.д.

Рассмотрим задачу синтеза модульной ДС, обеспечивающей минимальное общее время обмена с внешней памятью при обработке множества запросов пользователей. Исходными данными рассматриваемой задачи синтеза ДС являются результаты анализа множества (Ь = 1,Н) диалоговых задач пользователей и требований пользователей к качеству решения этих задач средствами ДС, формально представленными в виде множества {Оь =(УЬ,^)}, стохастических графов локальных сценариев диалога: множества А= {аг, г = 1,Я}процедур обработки данных, исполь-

зуемых в ДС; 0 = {<!,, € = 1, Ь} - множества информационных элементов, обрабатываемых процедурами множества А; множестЬа Ъ - {гу, ] = 1,1} запросов пользователей,системы; множества {1^ = (А, и )} стохастических графов, опксызающих взаимосвязь процедур множества А при обработке запросов пользователей.

Обозначим через \У = |\уг,,| технологическую матрицу смежности,

отражающую взаимосвязь информационных элементов с процедурами ДС, где '

1+1, если (1/ является исходным для процедуры аг, -1, если -результатпроцедуры аг, О, если (1- не используется процедурой аг.

Взаимосвязь информационных элементов с процедурами при считывании и записи описывается посредством матриц = и =

где

1, если элемент А, счнтывзется (записывается) г-ой процедурой п

I 0, в противном случае.

Пусть ту- среднее время считывания у-го модуля Му(у = 1,У)нз внешней памяти в оперативную память ЭВМ; ^ - среднее время считывания Г-го массива из внешней памяти в оперативную память ЭВМ; среднее время записи результатов обработки в Г-ый массив;

1, если г-ая процедура включается в состав модуля у; О, в противном случае (у = 1, V; V < п).

1, если £ ~й информационный элемент включается в £-й массив;

= 1

О, в противном случае.

1, если £-й элемент считывается (записывается)одной из проц*

у-го модуля, т.е. >

г=1

О, в противном случае, т.е. =0;

Г=1

1, если массив используется для считывания (записи) информации у- ым модулем, т.е. ^ '>

0, в противном случае, т.е. £ =0.

• <=1

Дополнительно определяются Р-1 = (г,я = 1,11) , матрица вероятностей переходов по дугам графа и-1 (¡ = 1,,1), описывающего взаимодействие множества процедур системы при обработке запроса Zj; ф^ -интенсивность использования процедуры аг при обработке одного запроса

определяемая из решения4 системы линейных уравнений; Б' = ||ьу (г,я = 1Д)- матрица инцидентности графа у]1 - количество

запросов формулируемых пользователем при решении задачи Гьв соответствии с локальным сценарием диалога в , полученное при решении специальной системы уравнений; Аь - частота решения Ь-ой диалоговой задачи пользователя.

Задача синтеза системы программных модулей ДС и обрабатываемых ими информационных массивов на основе определенных локальных сценариев диалога, обеспечивающей минимальное общее время обмена с внешней памятью ЭВМ при обработке множества запросов пользователей, формулируется следующим образом:

min {ZAhZrjhl I E ф/Хп-0 ~ XqviPiqTv + П2^4? + lf )} =

{х„г1Г} h=l j=l r=lq=lv=l f=l

= min I i IWr.qJx^O-x )R tv + + 4Ф},

{х„2сГ}г=1ч=1У=1 Xrv f=,

(6)

где W(r, q)- вес дуги (r, q) интегрированного графа G. Ограничения задачи аналогичны ограничениям задачи (1)-(5).

При отсутствии временных оценок длительности обращения к внешней памяти ЭВМ для считывания модулей, считывания и записи информационных массивов возможна постановка задачи синтеза модульной ДС, обеспечивающей минимальное число обращений к внешней памяти ЭВМ при функционировании системы. Рассмотрим динамическую задачу синтеза программного обеспечёния ДС при известной структуре и характеристиках информационного обеспечения системы с учетом временных характеристик обслуживания запросов пользователей. Диалоговую систему, реализованную на базе средств вычислительной техники, представим в виде стохастической замкнутой сети систем массового обслуживания (СМО), которая характеризуется числом N входящих в нее СМО, числом тпканалов обслуживания в СМО Sn (n = l,N), интенсивностью рппотоков обслуживания каналов в СМО S„, матрицей Q = |qy|j (i, j= ^^вероятностей передач заявок (запросов пользователей) между СМО сети и числом Z запросов пользователей, циркулирующих в сети СМО.

В качестве СМО сети рассматриваются: процессор (одноканальная СМО) или группа процессоров (многоканальная СМО), дисководы, устройства управления вводом/выводом, устройства печати, каналы связи, дисплеи и т.д.

Условимся, что СМО S, в рассматриваемой сети является терминальным узлом, содержащим Z-терминалов, за которыми работают пользователи ДС. Таким образом, S(- это Z канальная СМО без потерь. Пусть

время реакции каждого пользователя, работающего за терминалом, распределено по показательному закону со средним значением хг = 1/М/-

Время реакции каждого пользователя включает время, затраченное пользователем на анализ информации, полученной от ДС, на принятие решения и формулировку очередного запроса к ДС.

Определим показатели эффективности отдельных СМО сети.

1. Среднее число К| занятых каналов в системе Б{ 0 = 1, N):

К,= 1гР(с1 = г) + т;[1-£гр(с1 = г)],

г=0 г=;0

где Р(с{ = г) - вероятность того; что в системе Si находится г заявок,

а оставшиеся (Ъ - г) заявок распределены среди других систем, т.е. Р(с1 = г) = ЕР(с, ,-,с1=г.....сы.

{с/сеК(г,Ы);с1 = г}

2.Средняя длина очереди в СМО Si @ = 1, N): |(г-ш1)Р(с1=г).

Г=Ш;+1

3.Среднее число с1 заявок в СМО = 1, N): С1 = + Кл Очевидно, что значения с( должны удовлетворять равенству

¡=1 _

4. Интенсивность входящего потока для = 1, М): = К^ц,.

5. Среднее время toi ожидания и пребывания ^ в системе

Используя показатели эффективности отдельных СМО сети, определим показатели эффективности проектируемой ДС.

6. Производительность ДС (число обработанных запросов пользователей в единицу времени):

А.! = Х2/с4 =...= *.„/а;, (7)

где а„, п = 2.И - коэффициент передачи выходящего из потока заявок на вход СМО Бп.

7. Среднее время 10 ожидания запросом пользователя доступа к

ресурсам ДС за время пребывания в системе:

10 = 1а|1ы. (8)

1=1

8. Среднее время 1п пребывания запроса пользователя в системе, равное среднему интервалу времени между моментами выдачи пользователем двух последовательных запросов:

\п = Миг (9)

¡=1

9. Среднее время 1от реакции ДС (среднее время ожидания ответа на запрос пользователя):

1от=£сфп, (10)

1=2

Показатели эффективности (7)-(10) используются в качестве

критериев оптимизации при синтезе структуры программного

обеспечения ДС при ограничениях:

на среднее время решения Ь-й (Ь = 1,Н) диалоговой задачи в

соответствии с локальным сценарием диалога или на среднее время 1р

решения произвольной задачи из множества Ь= 1,Н)

рассматриваемых диалоговых задач системы

= (И)

Ь = 1,Н,1р=(ХДьф/ ХАЬ< 1Р; (12)

Ь=1 Ь=1

на число модулей в системе

1<V; (1 <V<Я); (13)

на кратность вхождения процедур в модули системы

1хгу<хг;(г = 1Д;1<Хг<У); (14)

У-1

на общее число процедур в модуле

1хгу^х,;(у=1Д); (15)

Г=1

на размещение модулей по внешним устройствам

С' =с; =0; 1С; = 1;(у = 1Л0, (16)

а также ограничениях на количество массивов, используемых одним модулем.

Например, задача выбора модульной структуры ДС,

обеспечивающей минимальное время реакции системы при выполнении

запросов пользователей при заданной структуре и характеристиках

информационного обеспечения имеет следующую формулировку:

необходимо таким образом распределить процедуры обработки данных по

модулям ДС и модули разместить по внешним запоминающим

устройствам, чтобы достигался минимум времени реакции ДС на запрос

пользователя, т.е.: n

*от= £a!tni-> min (17)

i=2 <v-c;n>

при ограничениях (10)-(16).

Задача синтеза модульной структуры программного обеспечения ДС но критерию максимума производительности системы формулируется

следующим образом:

-> шах (18)

{* .с' } rv vn

при ограничения (10)-(16).

Аналогично формулируются задачи с использованием критериев (8)

и (9;.

Задача синтеза модульной структуры ДС, обеспечивающей

возможность одновременной работы максимальному количеству

пользователей сводится к решению конечного числа оптимизационных

задач вида (18) при ограничениях (11)-( 16) и имеет формулировку:

_тах (19)

{z= 1,2,3,...}

при ограничениях (11)-(16) и ограничении на производительность системы X , т.е.

(20)

или на время реакции ДС на запрос пользователя:

torStSr (21)

Сформулированные задачи синтеза оптимальной структуры программного и информационного обеспечения ДС с критериями оптимизации (1) и (6) усрешно решаются с использованием схемы "ветвей и границ". В общем случае для решения динамических задач синтеза структуры ДС применяются эвристические алгоритмы, основанные на использовании свойств модульных диалоговых систем обработки данных.

В четвертой главе рассмотрены назначение и основные особенности создания автоматизированных модульных • диалоговых систем обеспечения безопасности коммерческого банка в экстремальных ситуациях. Рассмотрены особенности функционирования основных подразделений службы безопасности коммерческого банка в условиях угрозы и фактов возникновения чрезвычайных ситуаций различной природы и типов. На основе результатов анализа сформулированы основные требования к функциональной структуре подсистемы обеспечения безопасности коммерческого банка. Рассматриваются основные источники угроз информационным ресурсам коммерческого банка и варианты воздействия на объекты защиты в локальных вычислительных сетях, включая несанкционированный диалог со средствами технического и программного обеспечения АБС.

Рассмотрены постановка и решение задач выбора оптимальной совокупности методов защиты, обеспечивающей экстремальное значение некоторой заданной характеристики системы защиты программных модулей и информационных массивов АБС при ограничениях на ряд других характеристик. В данных постановках в качестве показателей эффективности защиты рассматриваются стоимостные и временные затраты на разработку и эксплуатацию методов защиты, различные типы потерь от «взлома» системы защиты и вероятность несанкционированного доступа к объектам защиты. Задачи синтеза систем защиты являются задачами линейного целочисленного программирования с булевыми переменными. Результаты решения задач синтеза систем зашиты

использованы для проектирования функциональной структуры, программного и информационного обеспечения диалоговой модульной подсистемы планирования и управления безопасностью коммерческого банка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

■ В результате проведенных исследований получены следующие теоретические, методологические и практические результаты:

1. На основе исследования коммерческого банка как объекта управления разработаны модели, методы и инструментальные средства создания диалоговых модульных автоматизированных банковских систем, которые использованы при разработке подсистемы управления безопасностью коммерческих банков.

2. Проведен анализ коммерческих банков и их организационных структур как объектов автоматизации. Рассмотрены особенности автоматизации основных банковских "операций и определены требования к их реализации в автоматизированных банковских системах. Определены назначение, принципы создания и функционирования автоматизированных банковских систем. Предложена общая типовая структура ' комплекса технических средств и распределенной информационной . базы автоматизированной банковской системы. Поставлены основные проблемы и задачи анализа и синтеза диалоговых систем обработки данных в банковской сфере.

3. Предложена классификация диалоговых систем, введен ряд терминов и определений, необходимых для формулировки основных задач анализа и синтеза диалоговых систем в банковской сфере. Разработаны методы представления, упорядочения и анализа сценариев диалога. При этом схема решения каждой диалоговой задачи представляется в виде

совокупности взаимосвязанных таблиц решений, однозначно определяющих граф сценария диалога.

4. Для определения основных характеристик сценариев диалога (условная вероятность завершения решения задачи в заданном узле; математическое ожидание и дисперсия значения времени завершения решения задачи в заданном узле графа и др.) предложены методы, основанные на анализе сетей специального вида (ГЕРТ-сетей).

5. Предложена совокупность взаимосвязанных моделей и методов, позволяющих на основе локальных сценариев диалога пользователей и их требований к характеристикам реализации диалога построить интегрированный упорядоченный граф сценария диалоговой системы в целом и оценить ее основные характеристики.

6. Поставлена и решена задача проектирования оптимальной функциональной структуры диалоговой системы по критерию оптимизации, учитывающему удобство дальнейшей разработки и внедрения и формулируемому как минимум суммарного числа информационных связей между выделяемыми элементами. Поставлена и решена задача оптимизации синтеза системы программных модулей диалоговой системы и обрабатываемых ими информационных массивов. В качестве критериев оптимизации используется минимум общего времени обмена с внешней памятью ЭВМ при обработке множества запросов пользователей к диалоговой системе.

7. Рассмотрены постановки динамических задач синтеза структуры программного обеспечения диалоговых систем, представленных в виде стохастической замкнутой сети средств массового обслуживания. В качестве показателей эффективности синтеза предложено использовать следующую совокупность критериев оптимизации: максимум общего числа обработанных запросов пользователей в единицу времени; минимум среднего времени ожидания запросом пользователя доступа к ресурсам системы; минимум среднего времени пребывания запроса

пользователя в системе; минимум . среднего времени реакции диалоговой системы на запросы пользователей.

8. Проведен анализ особенностей функционирования основных подразделений службы безопасности коммерческого банка в условиях угрозы и факторов возникновения чрезвычайных ситуаций различной природы и типов. На основе результатов анализа сформулированы основные требования к функциональной структуре диалоговой модульной подсистемы обеспечения безопасности коммерческого банка.

9. Рассмотрены постановка и решение задач рыбора оптимальной совокупности методов зашиты, обеспечивающей экстремальное значение некоторой заданной Характеристики системы защиты программных модулей й ■ информационных массивов АБС при ограничениях на ряд других характеристик. В постановках задач синтеза системы защиты в качестве ограничений и показателей эффективности защиты рассматриваются стоимостные и временные затраты на разработку и эксплуатацию методов защиты, различные типы потерь от «взлома» системы защиты и вероятность несанкционированного доступа к объектам защиты. Задачи синтеза систем защиты являются задачами линейного целочисленного программирования с булевыми переменными.

Ю.РазработаНы функциональная структура, структура программного и информационного обеспечения диалоговой модульной подсистемы планирования и управления действиями по обеспечению безопасности коммерческого банка.

11 .Основные результаты диссертационной работы внедрены в КБ «АвтоВАЗбанк», п/о «Август» и фирме «Дельта». Суммарный экономический эффект от внедрения этих результатов составляет 555 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волков А. Е. Задачи анализа и синтеза оптимальных модульных диалоговых систем в АСУ деятельности коммерческих банков. Труды III Международной конференции «Управление в чрезвычайных ситуациях».—М., ИПУ, 1995.

2. Волков А. Е., Кульба В. В., Косяченко С. А. Синтез оптимальных модульных систем обработки данных в автоматизированных банковских системах. Препринт-МАБиБД, Тольятти, 1996."

3. Волков А. Е., Кульба В. В., Косяченко С. А., Климов А. А. Модели и методы анализа сценариев диалога в автоматизированных банковских системах., Препринт, МАБиБД, Тольятти, 1994.

4. Волков А. Е., Кульба В. В., Швецов А. Р. Анализ и синтез систем контроля и защиты данных с использованием сетей Петри. МАБиБД, Тольятти, 1997.

5. Волков А. Е., Кононов Д. А., Чернов Й. В. Анализ сценариев диалогов в автоматизированных банковских системах. Труды IV Международной конференции «Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях»—М., ИПУ, 1997.

6. Волков А. Е., Шелков А. Б. Проблема планирования мер по обеспечению безопасности коммерческого банка в чрезвычайных ситуациях. Труды III Международной конференции «Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях»—М., ИПУ, 1995.

7. Волков А. . Е. Некоторые задачи синтеза систем защиты в автоматизированных банковских системах. Труды IV Международной

конференции «Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях»—М., ИПУ, 1996.

8. Волков А. Е., Гуськов Д. А., Островский Б. А. Автоматизация планирования мероприятий по обеспечению безопасности коммерческих банков. Труды IV Международной конференции «Проблемы управления в чрезвычайных ситуациях»—М., ИПУ, 1996.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА В СОВМЕСТНЫЕ РАБОТЫ

Личный вклад автора в совместные публикации: [2] — предложены постановки динамических задач синтеза структуры программного обеспечения диалоговых систем обработки данных в автоматизированных банковских системах; [3] — разработаны процедуры представления и упорядочения сценариев диалога пользователей автоматизированных банковских систем (АБС); [4, 5] — предложены процедуры анализа и постановки задач синтеза структуры диалоговых систем с использованием результатов анализа сценариев диалога пользователей АБС; [6, 8] — разработаны методы автоматизации планирования и контроля реализации мероприятий по обеспечению безопасности коммерческих банков.

-ипу.