автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования обучающих подсистем САПР

КАРПОВ Владимир Сергеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБУЧАЮЩИХ ПОДСИСТЕМ САПР

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (информатика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005010588

2 ОЕВ Ш

Москва - 2012

005010588

Работа выполнена в ФГБО ВПО «Московский государственный институт электроники и математики»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Черткова Елена Александровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Никольский Сергей Николаевич

кандидат технических наук Рябков Николай Сергеевич

Ведущая организация — Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «Станкии» (ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин»)

Защита состоится «21» февраля 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.03 при Московском государственном институте электроники и математики (технический университет) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятитсльский пер., д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники математики.

Автореферат разослан «20» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н.

ЮЛ. Лсохии

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Активное развитие современных технических средств и процессов автоматизации проектирования обуславливает постоянное обновление современных CAD/C'AE/CAM систем. Появление новых версии программного обеспечения САПР требует постоянной корректировки обучающих подсистем, относящихся к обслуживающим подсистемам САПР.

Широкое использование САПР практически во всех ключевых отраслях экономики нашей страны формирует серьезную потребность в подготовке квалифицированных специалистов, имеющих навыки работы с последними версиями CAD/CAE/CAM систем. Необходимость постоянной корректировки программ обучения, активное развитие технических средств и мультимедийных технологий, а так же широкое использование их в процессе обучения, формирует потребность создания программного обеспечения для обучающих подсистем САПР.

Проблемы создания качественных обучающих подсистем САПР носят как инвариантный, так и вариативный характер по отношению к процессу разработки, которые обусловлены природой программкой среды САПР. Сущностные свойства программного обеспечения (сложность, абстрактность и т.д.) порождают инвариантные проблемы их разработки. Наличие вариативных проблем разработки обусловлено влиянием человеческого фактора. Это проблемы адекватного воплощения в подсистемах функциональных и технологических требований заказчиков - специалистов в области САПР.

Традиционные методы и средства создания программного обеспечения для обучающих подсистем САПР, такие как прямое кодирование и специализированные системы, ориентированные на создание приложений определенного класса, не решают всей совокупности проблем создания качественных обучающих подсистем САПР. Попытки улучшения существующих подсистем традиционным инструментарием для адаптации к новейшим технологиям приводят к возникновению ряда технических и организационных проблем, связанных с необходимостью изменения программного кода приложений.

Следует отметить, что существующие на сегодняшний день методики и технологии разработки обучающих подсистем САПР значительно отстают от научно-технических достижений в области создания программного обеспечения для других отраслей. В соответствии с современными тенденциями мировой программной индустрии особое значение имеет перенос основного акцента в разработке системных сред САПР с программирования на объектно-ориентированное проектирование. Это обусловливает необходимость развития технологии автоматизированного проектирования обучающих подсистем САПР, обеспеченной соответствующей программноинструментальной поддержкой.

Весомый вклад в развитие теории анализа и практики автоматизированного проектирования программных систем внесли отечественные и зарубежные ученые: Артамонов Е.И., Вендров А.М., Калянов

Г.Н., Колесов Ю.Б., Костогрызов А.И., Норепков И.11, Силич М.П., Тельнов Ю.Ф., Терехов А.Н., Буч Г., Гамма Э., Грэхем И., Йордан Э., Константайн Л., Ларман К., Рамбо Дж., Якобсон А. и другие. Несмотря па успехи в развитии объектно-ориентированных методов проектирования и инструментария автоматизации (САБЕ-средств), возможности новых современных технологии программной индустрии недостаточно применяются в области разработки программного обеспечения для обучающих подсистем САПР.

Таким образом, актуальной проблемой современного развития программного обеспечения САПР является совершенствование методов и технологии автоматизированного проектирования на основе современных подходов программной инженерии для снижения общей стоимости проектов обучающих подсистем и сокращения времени на их разработку и тестирование.

Целью диссертационной работы является решение научнопрактической задачи автоматизации проектирования обучающих подсистем предназначенных для освоения технологий САПР на основе развития методов визуального моделирования в виде комплекса исполняемых моделей, архитектурных, организационных и инструментальных решений для САБЕ-пакетов.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• разработка процедуры принятия решения по выбору модели процесса проектирования обучающих подсистем САПР;

• разработка технологической модели проектирования обучающих подсистем САПР и процедуры реализации подпроцессов, направленных на обеспечение согласованного и упорядоченного моделирования проектов;

• разработка метода идентификации ключевых абстракций и механизмов области приложения для визуальных проектных моделей;

• идентификация проектных образцов и разработка схемы их включения в модели обучающих подсистем САПР для решения задач повторного использования;

• решение проектных и программных задач по совершенствованию архитектуры проектов обучающих подсистем САПР за счет снижения структурной сложности архитектуры моделей и расширения семантических свойств динамических моделей;

• разработка пакета визуальных исполняемых моделей, обладающих свойствами расширения и определяющих каркасы архитектуры обучающих подсистем САПР;

• проведение апробации разработанных в диссертации методов и технологии визуального моделирования для автоматизации проектирования обучающих подсистем САПР.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используются теория и методы программной’инженерии, методы объектно-

ориентированного анализа и проектирования, методы визуального моделирования, экспертно-статистические методы.

Достоверность и обоснованность диссертационных исследований подтверждается результатами практических разработок обучающих подсистем, которые зарегистрированы в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию, отраслевом фонде электронных ресурсов науки и образования Российской академии образования, а также успешным внедрением разработанных методов и программноинструментальных средств проектирования в высших учебных заведениях.

На защиту выносятся:

1. Процедура принятия решения по выбору модели процесса проектирования обучающих подсистем САПР на основе метода матричного анализа иерархий в условиях доступности экспертной информации.

2. Технологическая модель проектирования обучающих подсистем САПР итеративного характера, сориентированная на обеспечение согласованного и упорядоченного моделирования проектов.

3. Метод идентификации классов для создания визуальных моделей анализа и проектирования обучающих подсистем САПР, учитывающий алгоритмический и объектно-ориентированный аспекты декомпозиции проектируемой подсистемы.

4. Программные решения по структуризации проектных образцов и включения их в модели обучающих подсистем САПР для совершенствования архитектуры проектов и реализации повторного использования, а также снижения зависимости разрабатываемой системы от изменяющихся требований.

5. Метод снижения структурной сложности архитектуры моделей обучающих подсистем САПР на основе перехода от сетевой структуры к иерархической.

6. Визуальные формы сценариев взаимодействия объектов, расширяющие семантические свойства динамических моделей обучающих подсистем САПР.

Научная новизна работы:

• разработана процедура принятия решения по выбору модели процесса проектирования обучающих подсистем САПР на основе метода полных парных сравнений, особенностью которой является иерархическая структура исходной системы характеристик процесса и альтернативных решений в условиях доступности экспертной информации.

• предложена технологическая модель проектирования обучающих подсистем САПР итеративного характера, отличающаяся организацией подпроцессов проектирования как логических контейнеров с элементами процесса (роли, задачи, рабочие продукты, руководства и образцы);

• разработан метод идентификации классов для создания визуальных моделей анализа и проектирования обучающих подсистем, отличающийся син тезом структурного и объектно-ориентированного подхода;

• разработаны программные решения по структуризации проектных

образцов и включения их в модели обучающих подсистем САПР, отличающиеся приданием моделям свойств адаптации к изменениям функциональных требований;

• разработан метод снижения структурной сложности архитектуры моделей обучающих подсистем САПР, отличающийся иерархической структурой архитектуры с группировкой классов по признаку стереотипа;

• разработаны визуальные формы сценариев взаимодействия объектов, расширяющие семантические свойства динамических моделей обучающих подсистем САПР и отличающиеся наличием элементов программного кода.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы определяется тем, что предложенные в диссертации методы и технологии автоматизированного проектирования программных систем па основе визуального моделирования применимы для создания широкого спектра обучающих подсистем САПР. Предлагаемый подход к автоматизированному проектированию обучающих подсистем САПР развит до практических технологий, методик, алгоритмов и программных средств разработки и может быть расширен и использован при проектировании других обслуживающих подсистем.

Применение разработанных проектных образцов снижает зависимость разрабатываемой обслуживающей подсистемы САПР от изменяющихся требований и упрощает модифицирование моделей анализа и проектирования. Разработанные методы проектирования на основе визуальных исполняемых моделей позволяют решить проблемы снижения общей стоимости проектов, сокращают время разработки и тестирования, существенно снижают трудоемкость процесса разработки.

Разработанные в диссертации методики и практические рекомендации могут быть использованы в учебном процессе при подготовке студентов вузов по специальностям, связанным с системами автоматизированного проектирования. разработкой программного обеспечения САПР,

компьютерным моделированием программных систем.

Реализация результатов. Разработанные методы, технология и

программно-инструментальное обеспечение автоматизированного

проектирования обучающих подсистем САПР на основе визуализации моделей использованы при создании ряда обучающих подсистем, внедренных в корпоративном электронном обучении и в образовании:

• программный тренажер «Администрирование операционной системы \Vindows ХР»;

• электронный ресурс «Автоматизированная технология проектирования компьютерных обучающих систем»;

• компьютерная обучающая система «Автоматизированная обработка социологической информации»;

• лабораторный практикум «Автоматизированная обработка социологической информации».

Методические материалы но разработанным в диссертации методам проектирования программных систем и авторские системы используются в учебном процессе подготовки студентов по специальностям: 210200

«Автоматизация технологических процессов и производств» в Московском государственном университете инженерной экологии; 351400 «Прикладная информатика в сфере сервиса» в Московском государственном университете сервиса.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 8-ми международных конференциях и 5-ти всероссийских научно-методических и научно-практических конференциях.

Доклад автора по тематике диссертации был удостоен диплома на XVII Международной конференции «Информационные технологии в образовании» (Москва, 2007 г.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 9 публикациях, в том числе в 5-ти статьях в изданиях, включенных в список ВАК РФ, 2-х свидетельствах на программные продукты отраслевого фонда алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий Федерального агентства по образованию и 2-х свидетельствах на программные продукты отраслевого фонда электронных ресурсов науки и образования Российской академии образования «Институт информатизации образования».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает: введение, четыре главы, заключение, библиографический список из 173 наименований, 4 приложения. Основная часть диссертации изложена на 142 страницах, содержит 52 рисунка и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, изложено краткое содержание глав.

В первой главе диссертации описаны традиционные подходы к разработке программного обеспечения обучающих подсистем САПР. Предложены схемы с различной степенью формализации обучающих подсистем САПР для выявления основных элементов схем с семантическими и функциональными признаками.

Структуризация обучающих подсистем САПР целевого назначения (обучающие подсистемы) позволила получить следующие результаты:

• получена обобщенная характеристика конструкции обучающей подсистемы, выявлены основные компоненты системы и границы системы;

• определены взаимодействия системных компонентов;

определены информационные и управляющие потоки схемы электронного обучения;

• выделены основные программные интерфейсы, регламентирующие вза и м оде й ств ие 11 одси сте м.

Эти результаты формальных моделей обучающих подсистем САПР являются исходными данными для дальнейшего формирования содержательных моделей, относящихся к конкретным подсистемам.

Показано, что для раскрытия всего спектра важнейших программных решений со свойствами расширяемости и повторного использования целесообразно применение визуального объектно-ориентированного моделирования на унифицированном языке моделирования Unified Modeling Language. Для автоматизации проектирования обучающих подсистем САПР предложено использование CASE-средства IBM Rational Suite.

Сформулированы задачи, решение которых направлено на сокращение времени на разработку обучающих подсистем САПР, снижение зависимости проектов от изменяющихся требований и обеспечение их гибкости для внесения изменений.

Во второй главе рассмотрены базовые характеристики обобщенных моделей технологического процесса создания программного обеспечения и проведен сравнительный анализ этих моделей. Для принятия решения по выбору модели (типа) процесса разработки предложена процедура многокритериальной оптимизации, особенностью которой является иерархическая структура исходной системы критериев качества процесса. Предлагается технологическая модель проектирования обучающих подсистем САПР, состоящая из подпроцессов в виде логических контейнеров, в которых сгруппированы элементы процесса проектирования (задачи, рабочие продукты и образцы). Сравнительный анализ моделей процессов разработки выполнен для моделей, которые применялись в авторских пилотных проектах -каскадной, спиральной, итеративной и модели RAD (Rapid Application Development).

Для принятия решения по выбору модели (типа) процесса разработки обучающих подсистем предлагается процедура, особенностью которой является иерархическая структура исходной системы характеристик процесса и альтернативных решений.

От участников пилотных проектов обучающих подсистем были получены экспертные качественные оценки процессов разработки, которые были разбиты на следующие категории:

• по характеристикам требований — эта категория отражает вопросы по требованиям, которые предъявляет пользователь/заказчик к проекту;

• по характеристикам участников разработки — оценка факторов этой категории важна для выбора модели жизненного цикла разработки;

• по характеристикам проектов и рисков — определяется важность типа проекта и рисков для выбора модели процесса.

Проблема выбора процесса разработки обучающих подсистем структурирована в виде полной доминантной иерархии, на высшем уровне которой находится цель - тин процесса разработки, па втором уровне -

критерии качества процесса, уточняющих цель и сгруппированные по типам экспертных групп, на третьем - альтернативные типы процессов, которые должны быть оценены по отношению к критериям процесса (рис. 1).

каскадный

Г1^ао^ктбРИ1:гиьйм*>«Ц,?^^ХуЛ _

У требований 1 спиральный

Мод&лСЧ^

процесса

разработки

по хзрактериешцэм I 7у^2х д|

проектов и риско&Ч| Г) итеративно

инкрементный

'шГгГ*

Группы критериев оценки Модели процесса

разработки

Рис. 1. Декомпозиция и иерархическое представление задачи выбора модели процесса разработки обучающих подсистем

Для анализа данной многокритериальной задачи принятия решений по выбору модели процесса разработки из множества альтернатив использована математическая модель, отражающая множество вариантов решения, количество уровней иерархии, множество отношений предпочтения экспертов на каждом уровне количество критериев на каждом уровне:

52,................Е]\Е;,Е\,...,Еу,...\Е; ,Е1,...,Еу,М\М2.........М:: (1)

где 5" - множество вариантов решения, г - количество уровней (г = 1,2,...,2), Еу...,Е~ - критерии задачи, М: - множество отношений предпочтения экспертов на каждом уровне, - количество критериев на каждом уровне

Тогда каждый вариант решения 5 из множества вариантов характеризуется значениями £Дя), образующего векторную оценку этого варианта р(л) = (£'|(л),...,£'га(л')). Для сравнения критериев между собой используются предпочтения М, данные предпочтения формируют лица, принимающие решение (ЛПР, в нашем случае эксперты). Моделируются данные предпочтения при помощи отношения нестрогого предпочтения М на Р: р'Мр", что означает, что векторная оценка р' (значение вектора

приоритетов) не менее предпочтительна, чем р" и т.д.

Предпочтения строятся па основе набора критериев по которым

и оцениваются варианты. А поскольку для каждою критерия было принято, что большие его значения предпочтительнее меньших, то на множестве векторных оценок вариантов может быт ь определено от ношение Парето.

В соответствии с полной доминантной иерархией были сформированы

РАО

матрицы попарных сравнений критериев качества модели процесса разработки для каждой группы критериев и получены значения векторов приоритетов. Для парной оценки альтернативных моделей процессов разработки в качестве цели сравнения были использованы критерии качества, находящиеся па более высоком уровне иерархии и построены 18 матриц. В таблице 1 приведены оценки векторов приоритетов в матрицах сравнения альтернативных моделей процесса разработки по критериям качества одной из трех группы: по характеристикам проектов и рисков.

Вектор приоритетов вычислялся на основе квадратной обратной матрицы парных сравнений критериев качества процесса каждой группы. Критерии оценивались по девятибалльной шкале, позволяющей экспертам осуществить гибкую оценку пар факторов. Нормализация значения собственного вектора каждой строки матрицы дает значение вектора приоритетов:

^7 = ^ /' / 2Х'’ (2)

'/ /=1

П

где 4, - значение собственного вектора приоритетов ./-ой строки; -

сумма всех значений собственного вектора для матрицы.

Согласованность полученных результатов оценки проводится при помощи индекса согласованности (НС) и отношения согласованности {ОС), Для обратно симметричной матрицей:

ИС = (Лял,-п)/(п-1), (3)

где - максимальное собственное значение, п - размерность матрицы.

Отношение согласованности ОС определялось как ОС=ИС/СИ, где СИ -значение случайного индекса согласованности для матрицы данной размерности. СИ соответствует средним индексам согласованности для сгенерированных случайным образом матриц такой же размерности. Для получения приемлемой согласованности требуется, чтобы 0 < И С < 0,2 и 0 < ОС <0,2.

Для глобальной оценки, учитывающей результаты сравнения, полученные на разных уровнях полной доминантной иерархии использовалась формула линейной свертки, которая позволяет получить значение глобального вектора приоритетов. Данный вектор учитывает результат сравнения критериев на двух уровнях. Расчет значений данного вектора выполнялся по следующему выражению:

■ Ь,=±(р’/-р1), (4)

где /), - значение глобального вектора для / -ой строки; р'/ - значение вектора приоритетов /-ого элемента нижнего уровня иерархии, где целью сравнения критериев (альтернатив) является ./-ый элемент верхнего уровня иерархии;

- значение вектора приоритетов для / -ого элемента верхнего уровня иерархии.

Таблица 1

Матрицы сравнения альтернативных моделей процесса разработки по критериям качества третьей группы

Факгор: Гибкое проектирование (а31) Факгор: Прототипирование или получение промежуточных версии (а32) Фактор: Контроль и нивелирование рисков на протяжении всего жизненного цикла (аЗЗ)

Р1 Р2 РЗ Р4 Вектор приоритетов Р1 Р2 РЗ Р4 Вектор приоритетов Р1 Р2 РЗ Р4 Вектор приоритетов

Р1 1 1/2 7 1/8 0,116 Р1 ІФІ 1/9 1 1/9 0,050 Р1 1 1/9 1 1/9 0,050

Р2 2 1 1/7 0.176 Р2 9 1 9 1 0.450 Р2 1 9 1 0.450

РЗ 1/7 1/8 1 1/9 0,030 РЗ 1 1/9 1 1/9 0,050 РЗ 1 1/9 1 1/9 0.050

Р4 8 7 9 1 0,678 Р4 9 1 9 1 0,450 Р4 9 1 9 1 0.450

/тах 4,502 лтах 4,000 ітах 4.000

ИС 0,167 ИС 0,000 ИС 0.000

ОС________________0,186____________________________ОС____________0,000 ___________________ОС 0,000

Фактор: Проект как расширение Фактор: Длительная Фактор: Высокая степень

существующей системы (а34) эксплуатация продукта (а35) надежности (а36)

1 Т 1--------1 !--- 1------------I *“1----Г- : ,-Т--, , ------1----'----!---1----У ~

Р1 Р2 РЗ Р4 Вектор приоритетов Р1 Р2 ... . РЗ Р4 Вектор приоритетов Р1 Р2 РЗ Р4 Вектор приоритетов

Рі Г і 1/3 1/7 1/9 0,043 Р1 1 1/5 5 1/5 0,116 Р1 1 1/7 1/3 1/9 0.043 .

Р2 3 1 1/5 1/7 0.087 Р2 5 1 7 1 0,420 Р2 7 1 5 1/2 0.330 ;

РЗ 7 5 1 1/2 0,330 РЗ 1/5 1/7 1/7 0,044 РЗ 3 1/5 1 1/7 0,087:

Р4 9 7 і *- 1 0,540 Р4 5 1 7 1 1 0.420 Р4 9 2 7 1 0,540

/лпах 4.080 Хтах 4,138 ?лпах 4.080

ИС 0,027 ИС 0,046 ИС 0.027

ОС 0,030 ОС 0,051 ОС 0.030

В табл. 2 и 3 представлены результаты расчетов глобального вектора приоритетов каждой модели процесса разработки и итогового вектора приоритетов. Расчеты показывают, что максимальное значение итогового вектора приоритетов соответствует итеративному типу процесса разработки. Таким образом, по разработанной процедуре для принятия решения с использованием слабоформализуемой экспертной информации получены количественные оценки о влиянии каждого критерия качества на конечную альтернативу выбора и определен, как превалирующий, итеративный процесс разработки.

Таблица 2

Значение глобального вектора прио ритетов моделей процесса разработки

Каскадная модель Спиральная модель RAD Итеративная модель

0.178 0,309 0,197 0,316

0,179 0,365 0,037 0,419

0,064 0,234 0,169 0,533

Таблица 3

Расчет итоговых векторов приоритетов по моделям процессов разработки

Процессы Глобальные приоритеты по группам критериев качества процесса Итоговый вектор

Группа 1 Группа 7 Группа 3

Каскадная модель 0,178 0,179 0,064 0,102

Спиральная модель 0,309 0,365 0,234 0.264

RAD 0,197 0,037 0,169 0,164

Итеративная модель 0,316 0,419 0,533 0,471

Вектор приоритетов групп ! 0,243 0,088 0,669

В соответствии с итеративным процессом разработки предлагается технологическая модель проектирования обучающих подсистем САПР, состоящая из подпроцессов в виде логических контейнеров, в которых сгруппированы элементы процесса проектирования (роли, задачи, рабочие продукты, руководства и образцы).

Для практических исследований, связанных с моделированием обучающих подсистем САПР, выделены пять технологических дисциплин процесса: исследование концепции и системы, управление требованиями, анализ, проектирование и кодирование. Данная технологическая модель представлена в виде совокупности следующих визуальных моделей и проектных артефактов:

• документ-концепция проекта, представляющий высокоуровневое определение системы и отражающий основные требования к ней;

• модель прецедентов (вариантов использования системы) в виде UML-диаграммы Use Case, отражающая функциональные требования к системе;

• модель предметной области в виде UML-диаграммы классов.

отражающая формализацию концептуальных объектов, выявленных по документу-концепции обслужившошсй системы;

• спецификация требований - документ развернутого описания функций системы в виде сценариев как совокупности прецедентов;

• модель взаимодействия в виде UML-диаграмм последовательности и кооперации, описывающая динамику всех прецедентов системы;

• модели анализа и проектирования в виде развернутых UML-диаграмм классов, описывающие реализацию прецедентов системы и служащие в качестве абстрактного представления исходного программного кода обслуживающей подсистемы САПР;

• модель базы данных для хранения постоянных классов: UML-диаграмма, показывающая взаимодействие таблиц базы данных, и включающая подробное описание атрибутов операций и связей между этими таблицами.

Предложенная технологическая модель отражает ключевые требования, предъявляемые к технологии создания обучающих подсистем САПР.

В третьей главе диссертации разработаны образцы визуального моделирования предметной области, анализа и проектирования с использованием унифицированного языка моделирования Unified Modeling Language для обучающих подсистем САПР. Для проведения анализа и визуализации моделей разработан метод идентификации классов на основе синтеза структурного и объектно-ориентированного подхода. Предложен метод снижения структурной сложности архитектуры моделей обучающих подсистем САПР на основе перехода от сетевой структуры к иерархической с группировкой классов по признаку стереотипа. Разработаны визуальные формы сценариев интерпретации взаимодействия объектов с элементами программного кода.

Предложенная регламентация и стратегия процесса проектирования обучающих подсистем САПР предопределила управляемость процесса моделями анализа и проектирования.

Метод проектирования рассматривается как последовательный процесс создания объектпо-ориентированиых моделей, который описывает

определенным образом различные стороны разрабатываемой программной системы.

Модель классов представляется кортежем:

С; =< Л'(С,), Npt(Q),Ncd{C,),F(Cj) >, (5)

где каждому классу С,- системы соответствует следующий набор элементов:

Af(Cj) — имя класса;

Npt(Cj) — имя класса-предка;

NctJ(Cj) = {ncdz\ — множество наследующих классов;

/•’( С)) = \(т (=< N(fm), S{fm), Tpa(fm) > — множество операций

класса, включающее в себя:

N(jm) — имя операции;

S( fm) — сигнатура операции;

Тра(]т) = {¡у} — множество типов передаваемых атрибутов.

Модель атрибутов представлена кортежем:

Уш\С,) = {уА.} =< Щук), №.■/( V* ), Т(\’к), Ош1(\>к) >, (6)

где каждому атрибуту {1’£}, принадлежащему классу С,-, соответствуют:

^'(ук)—имя атрибута;

Мс1(у’к) — имя класса атрибута;

Т(у(.) — тип атрибута;

/}//»(Уд.) — область допустимых значений атрибута, которая может отличаться от базовой области допустимых значений, определяемой типом атрибута.

Модель объектов создается на базе некоторого класса и представляет собой множество мультиобъектов и множество методов для работы с ними. Модель объектов представляет собой кортеж:

ОЬЦС)) = {оу} =< N((>1), Ыр1(оу) >, (7)

содержащий:

Л^Оу) — множество имён объектов системы,

7Ур/(оу) — множество имён классов-родителей соответствующих объектов системы.

Для создания визуальных моделей анализа и проектирования обучающих подсистем разработан метод идентификации классов - декомпозиции системы на объектном уровне. Для этого предлагается использовать средства традиционного системного анализа: диаграммы потоков данных, диаграммы «сущность-связь» и диаграммы «состояния-переходы». Эти средства охватывают три независимых системных представления: процесс, данные и динамику (или управление).

Объектно-ориентированная методика объединяет два из этих аспектов (данные и процесс), инкапсулируя локальное поведение с данными. В то же время в контексте поставленной задачи целесообразно применить как диаграммы данных, так и диаграммы потоков данных. Эти три независимых системных представления относятся к различным методикам проектирования. Схема отношений выбранных системных представлений к разным методам представлена на рис. 2.

Дальнейшие действия по идентификации классов осуществляются по методологии объектно-ориентированного анализа, поскольку конечной целью будет являться построение объектно-ориентированной модели предметной области. Это позволяет выполнить выбор множества объектов при проектировании систем в соответствии с формализованной структурой, что является непременным условием для повторного применения моделей анализа и проектирования и расширения системы.

Объектно-ориентированные методы анализа и проектирования

3-View Modeling (3VM) - три независимы системных представления _______________

Структурные методы анализа и проектирования

• \ л РЧ

Модели потоков данных . • ■ . . . • Jr.i-г ’kr f -Ж Диаграммы «сущности-связи» (Е1Ю) Модели «состояния-переходы» (модели «события ответы»)

Рис. 2. Отношение составляющих системных представлений к методикам

проектирования

Для совершенствования архитектуры проектов обучающих подсистем САПР предложены и реализованы технические решения по повторному использованию элементов моделей включением в их архитектуру идентифицированных проектных образцов. Выявленные образцы могут прилагаться к существующим элементам конкретного проекта, чтобы улучшить прежнее решение архитектуры.

Системный анализ продуктивных авторских проектов позволил идентифицировать два проектных образца: Декоратор и Стратегия. Образец Декоратор реализует динамическое подключение объектам дополнительных обязанностей, расширяя их функциональность. На рис. 3 представлена схема применения структурного паттерна Декоратор в проектной модели обучающей подсистемы для динамического подключения к объекту Лекция дополнительной функциональности.

Пользователь — > Компонент Лекции 1 обращение г, компонеюу

+ Формирование Лехции()

>

1

Лекция

■ИдНомер ml +ИмяЛвкции siting +npf дмет:51ппя +Путь I. Файлу string ♦Доступ к просмотр}', bool

Декоратор Леьуии

-сущЛекции'Компонент

+34ГруЗКв0 •♦Формирование ЛекцииО ♦Разрешит* Доступ) +Удапвни» Лекции} -♦Формирование Лекции!

1 .... ( 1 ....

Декоратор Заголовка 1 Декоратор Т екста Декоратор Звука

сформирование Лекции,’) 1 -Формирование ЗагситовкаО ( -♦Формирование Л екцииj - Формирование Текст&О •♦Формирование Лекции) Формирование Звука<)

[ ’ 1

Декоратор Изображена1! Декоратор Видео Д екор атор С сыпки

♦Формирование Лекции) -Формирование Изображения' сформирование Лекцгаф -Формирование Видео!) -♦Формируя «ни* Лекции) -Формирование ОсыпкиО

Рис. 3. Схема применения в проектной модели структурного паттерна Декоратор

Введение и модель проектного образец Стратегия позволяет определить семейство алгоритмов, решающих концептуально одну и ту же задачу, по различающихся способом ее решения. Поэтому целесообразно использован, механизм определения семейства алгоритмов, инкапсуляции каждого из них и взаимозаменяемости любого алгоритма. Повторное применение этих образцов в последующих проектах способствовало более быстрому конструированию моделей и уменьшению зависимости от изменяющихся требований.

Таким образом, в проектных образцах Декоратор и Стратегия идентифицированы ключевые аспекты структуры общего решения, которые позволили применить их для создания повторно используемых архитектурных конструкций.

Создание крупномасштабных обучающих подсистем САПР связано с преодолением структурной сложности архитектуры модели в процессе преобразования модели анализа в модель проекта. Для снижения структурной сложности архитектуры проектных моделей обучающих подсистем САПР предлагается перейти от сетевой структуры к иерархической, осуществив группировку классов по признаку стереотипа. Выразим структурную сложность сети как величину кумулятивной зависимости класса в полносвязной сети (в предположении, что объекты являются представителями классов):

CN = « (п-1) (8)

где CN- кумулятивная зависимость класса в полносвязной сети; п - количество объектов (узлов графа, являющегося основой данной сети).

Формула (8) позволяет рассчитать максимально возможное число связей взаимодействия для данной сетевой структуры и оценить структурную сложность модели разрабатываемой системы. Для получения более простой и легко расширяемой системы необходимо обеспечить следующее условие:

CN —> min. Это возможно осуществить переходом от сетевой структуры к иерархической. В иерархической структуре будет обеспечиваться как взаимодействие между классами на одном уровне, так и взаимодействие между несколькими уровнями.

Тогда полная оценка кумулятивной зависимости СИ между классами в модели с иерархической структурой будет иметь выражение:

s(ni) ■ -1) v-'v-' , tiii n,

CH = £--------------------+ £5>.) • {sidijn,))) (9)

/ -I - J ! ; I

где mt - количество подуровней уровня i; .фи,) - количество объектов

(классов) на уровне i; п- количество уровней иерархии; - количество

объектов на j-ом предке уровня i.

На рис. 4 представлен фрагмент иерархической структуры модели проектирования обучающей подсистемы САПР, преобразованной из сетевой структуры с использованием стереопизации классов анализа и проектирования по выделению граничных классов, управляющих классов и классов-сущностей. Расчеты показали, что величина кумулятивной зависимости классов значительно сократилась при переходе от сетевой структуры к иерархической

для проектной модели обучающей подсистемы: со значения CN = 380 до

значения СИ 190.

Рис. 4. Модель проектирования обучающей подсистемы САПР с иерархической структурой Таким образом, применение иерархического расслоения и архитектурного принципа зависимости «сверху вниз» - позволило создать проектную модель обучающей подсистемы со свойствами адаптации и расширения при снижении роста структурной сложности с экспоненциального (от сетевой модели) до полиномиального (для иерархической модели).

Для расширения стандартной графической нотации языка визуального моделирования Unified Modeling Language в данной работе предложена новая форма сценариев интерпретации взаимодействия объектов. Визуальные сценарии содержат элементы программного кода и отражают упорядоченную во времени последовательность действий, реализуемых в системе, для выполнения конкретного варианта ее использования (рис.5). Визуальные модели ключевых сценариев были разработаны для понимания сути последовательности взаимодействия самых важных объектов. Анализ результатов проектирования с использованием визуальных сценариев показал следующее:

• визуальные сценарии вариантов использования системы позволяют обнаружить дополнительные объекты структуры, не выявленные при предварительной идентификации;

• совершенствуется распределение и обновление обязанностей между объектами;

• улучшается понимание динамики взаимодействия объектов системы за счет схематического визуального представление сценариев.

^YintrolForm^ f—: n f p fi ' Trstl oc '

loadProfile reajlinflstuNa vtewPrqiile loadTestLog 4wewTesLLü£x oadProfileistuNarr oadTcstLogi Profij ioadisluNa load(ProfUe

ConirolFonm.loadPr

^>readinf(sluNa ComrolForm.readinfYstuName

— -* loadProfileistuNan' * ioad/stuNa j&iN.arne;s .

h*-vicwProflle ConlrolF Qrm.yie.wPi. _

i load Profile!

I load I csil -oe „ + j oadTestLogf Profi 1 - - — - Con trol Fonn. 1 oadTest Log Profi lcM ал ацег. 1 oad Fest 1 ,oßf Pro Л1

load(Profile

F* viewTeslLoü Control Form vie w'T'pstl.

liloadTestLoci

V У V J

Рис. 5. Пример визуального сценария для прецедента системы

В четвертой главе диссертации приведены результаты практического применения разработанных методов автоматизированного проектирования обучающих подсистем САПР. Разработаны расширяемые объектноориентированные проектные исполняемые модели модулей подсистем. Автоматизация процессов анализа и проектирования осуществлялась с использованием инструментальных объектно-ориентированных средств IBM Rational Rose и IBM Rational Software Architect, основанных на применении стандартного языка моделирования Unified Modeling Language.

Пакет визуальных моделей анализа и проектирования обучающей подсистемы САПР представлен в Приложение 2 совокупностью рабочих продуктов, которые были определены а предложенной технологической модели проектирования. Визуальная модель проектирования интегрированной подсистемы, сохраняя структуру системы, определенную в модели предметной области, является чертежом для программирования с частичной автоматической кодогенерацией. Последующие действия по реализации проектной модели в программный код заключались в кодогенерации классов объектов, программировании процедур методов, наполнении баз данных и размещении компонентов по узлам вычислительной сети.

Разработан модуль генерации учебно-тренировочных заданий (МГУТЗ), входящий в состав интегрированной подсистемы. Модуль спроектирован как программный интерфейс для работы с базой данных. МГУТЗ содержит механизм адаптации, позволяющий добавлять новые алгоритмы генерации тестовых и учебно-тренировочных заданий в соответствии с вводимыми сценариями тестирования и гренажа. Проектирование реляционной базы данных для модуля генерации учебно-тренировочных заданий выполнялось с

применением инструментального средства IBM Data Modeler. Результатом являются схемы базы данных в виде диаграммы сущность-связь.

На рис. 6 представлен фрагмент сгенерированной базы данных. Созданная диаграмма позволяет автоматически сгенерировать каркас базы данных на языке SQL- Моделируя систему подобным образом, можно утверждать, что важные прецеденты и требования адекватно отражены в модели проектирования.

ТГ рафика

Т_Вопрос : Т_Графика JD : INTEGER

■ Тема : SMALLINT Т_Вопрос_Ю : INTEGER

Сложность . INTEGER Т_Задание_Ю : INTEGER

;ИДНомер .SMALLINT Предмет: SMALUNT ; Т_Воп росJD : INTEGER

«РК» РК_Т_ВопросО()

Т Ответ ID: INTEGER

. «РК» РК_Т_ГрафикаЗ()

° «FK» РК_Т_Г рафика2() «FK» FK T Графика 13()

0.1 «FK» РК_Т_Графика6()

«Index» ТС_Т_Графика13() <Non-idontityrg» «Index» ТС_Т Графика27()

«Index» ТС_Т_ Графика5()

Рис. 6. Фрагмент схемы базы данных модуля генерации

Полный пакет визуальных моделей обслуживающей подсистемы САПР приведен в приложении к диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе применения современных методов визуального моделирования решена научно-практическая задача разработки технологии автоматизированного проектирования обучающих подсистем САПР в виде комплекса исполняемых моделей, архитектурных и программных решений для СА8Е-пакетов.

2. Разработана процедура принятия решения по выбору модели процесса проектирования обучающих подсистем САПР на основе метода полных парных сравнений, особенностью которой является иерархическая структура исходной системы характеристик процесса и альтернативных решений.

3. Разработана технологическая модель проектирования обучающих подсистем САПР итеративного характера, отличающаяся организацией подпроцессов проектирования как логических контейнеров с элементами процесса (задачи, рабочие продукты, руководства и образцы).

4. Разработан метод идентификации классов (основных абстракций) для создания визуальных моделей анализа и проектирования обучающих подсистем САПР, отличающийся синтезом структурного и объектно-ориентированного подхода к декомпозиции проектируемой подсистемы.

5. Разработаны проектные образцы для повторного использования и программные решения по включению их в модели обучающих подсистем САПР с целью совершенствования архитектуры проектов и придания моделям

свойств адаптации к изменениям функциональных требований.

6. Разработан метод снижения структурной сложности архитектуры моделей обучающих подсистем САПР на основе перехода от сетевой структуры модели к иерархической, отличающийся группировкой классов по признаку стереотипа.

7. Разработаны визуальные формы сценариев взаимодействия объектов, расширяющие семантические свойства динамических моделей обучающих подсистем САПР и отличающиеся наличием элементов программного кода.

8. Разработай комплекс визуальных исполняемых моделей обучающих подсистем САПР с идентифицированными проектными образцами, включенными в архитектуру с целью реализации стратегии повторного использования для ускорения процесса разработки, снижения зависимости разрабатываемой системы от изменяющихся требований и обеспечения гибкости системы для внесения изменений.

9. Практическая ценность работы состоит в том, что результаты диссертации являются научной основой для проектирования обучающих подсистем САПР в условиях роста сложности и масштабности программного обеспечения, а также для управления качеством разработок на этапах проектирования.

10.Результаты, полученные в диссертации, используются в учебных дисциплинах в процессе подготовки студентов по ряду специальностей в Московском государственном университете инженерной экологии и Российском государственном университете туризма и сервиса.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, периодических изданиях, включенных в список ВАК РФ

1. Черткова Е.А., Дауренбеков К.К., Карпов B.C., Ретинская И.В. Разработка информационных модулей компьютерных обучающих систем средствами динамической визуализации // Качество. Инновации. Образование.

- 2008. №6, С.63-66.

2. Черткова Е.А., Карпов B.C. Применение проектных образцов для идентификации алгоритмов в модулях компьютерных обучающих систем» // «Программные продукты и системы». - 2008. № 3. С. 83-85.

3. Черткова Е.А., Карпов B.C. Объектно-ориентированное проектирование компьютерных обучающих систем с использованием структурных образцов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2008. № 4(18), вып. 3. С. 103-110.

4. Черткова Е.А., Карпов B.C. Визуальное моделирование компьютерных обучающих систем // Дистанционное и электронное обучение. - 2010. № 12. С. 56-70.

5. Черткова Е.А., Карпов B.C. Экспертно-статистический метод выбора модели разработки компьютерных обучающих систем // Дистанционное и электронное обучение. - 2011. № 9. С..

Статьи в рецензируемых журналах, научных сборниках и др. изданиях

6. Черткова Е.Л., Карпов B.C. Объектно-ориентированное проектирование компьютерных обучающих систем // Компьютерные учебные программы и инновации. - 2005. № 12. С. 62-69.

7. Черткова Е.Л., Карпов B.C. Метод идентификации классов и объектов для проектирования компьютерных обучающих систем // Актуальные проблемы современной науки. - 2006. № 2. С. 294-296.

8. Карпов B.C. Разработка модели предметной области для проектирования компьютерных обучающих систем // Аспирант и соискатель.

— 2006. № 2. С. 244-246.

9. Карпов B.C. Создание каркасной модели для проектирования компьютерных обучающих систем в Rational Rose // Аспирант и соискатель. —

2006. №3. С. 289-291.

Статьи в сборниках трудов международных, всесоюзных научных конференциях

10. Черткова Е.А., Карпов B.C. Применение шаблонов проектирования в моделях компьютерных обучающих систем // Математические методы в технике и технологиях: сб. трудов XIV Международной научи, конференции. / Воронежский гос. техн. ун-т. - Воронеж, 2006. - Т.4. С. 220-222.

11. Черткова Е.А., Карпов B.C. Проектирование компьютерных обучающих систем с использованием CASE-средств // Информационные технологии в образовании и науке: сб. трудов Всеросс. научно-практич. конференции / Московская фин.-юр. акад. — Москва, 2006. Ч.З. С. 628-632.

12. Карпов B.C. Визуальное моделирование компьютерных обучающих

систем // Применение новых технологий в образовании: сб. трудов

Международной конф. / г .Троицк, 2006. С. 448-449.

13. Карпов B.C. Концепция визуального моделирования компьютерных обучающих систем // Сб. трудов конференции студентов и аспирантов / МГУС

— Москва, 2006.

14. Черткова Е.А., Карпов B.C. Метод идентификации классов и объектов для объектно-ориентированного моделирования компьютерных обучающих систем // Информационные технологии в образовании и науке: сб. трудов II Всеросс. научно-практич. конференции / Московская фин.-юр. акад. — Москва,

2007. Ч. 1.С. 100-104.

15. Черткова Е.А., Карпов B.C. Оценка эффективности стратегий и

образцов для анализа и проектирования компьютерных обучающих систем // Математические методы в технике и технологиях: сб. трудов XX

Международной научи, конференции. / Ярославский гос. техн. ун-т. -Ярославль, 2007. Т.6. С. 253-255.

16. Карпов B.C. Визуальное представление сценариев при проектировании компьютерных обучающих систем // Применение новых технологий в образовании: сб. трудов Международной конф. /- г.Тропцк, 2007. С.393-395.

17. Карпов B.C. Сравнительный анализ программного инструментария для динамической визуализации информационных компонентов компьютерной

обучающей системы // Информационные технологии в образовании: сб. трудов XVII Международной конференции-выставки /- Москва, 2007. - Ч. I.C. 100-104.

18. Черткова Е.Л., Карпов B.C. Рекуррентная технологическая модель проектирования компьютерных обучающих систем // Математические методы в технике и технологиях: сб. трудов XXI Международной научи, конференции. / Саратовский гос. техн. ун-т. - Саратов, 2008. Т.6. С. 137-139.

19. Регинский B.C., Черткова Е.А., Карпов B.C. Экспертно-статистический метод выбора модели процесса разработки программных систем// Математические методы в технике и технологиях: сб. трудов XXII Международной научн. конференции. / Псковский гос. политехи, ин-та. -Псков, 2009.-Т. 10. С. 94-96.

20. Черткова Е.А., Софиев А.Э., Карпов B.C. Разработка пакета расширяемых объектно-ориентированных проектных моделей компьютерных обучающих систем // Телематика’2008: сб. трудов XV Всероссийской научно-методич. конференции. / Санкт-Петерб. гос. ун-т информ. технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2008. Т.2. С. 394-395

21. Ретинский B.C., Черткова Е.А., Карпов B.C. Экспертно-статистический

метод выбора модели процесса разработки компьютерных обучающих систем П Телематика’2009: сб. трудов XVI Всероссийской научно-методич.

конференции. / Санкт-Петерб. гос. ун-т информ. технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2009. - Т. 1 С. 130-132.

22. Черткова Е.А., Карпов B.C. Разработка компьютерных обучающих систем на основе методов программной инженерии II Математические методы в технике и технологиях: сб. трудов XXIII Международной научн. конференции. / Белгородский гос. техн. ун-т. - Белгород, 2010.

23. Черткова Е.А., Карпов B.C. разработка визуальных исполняемых моделей компьютерных обучающих систем // Телематика’2010: сб. трудов XVII Всероссийской научно-методич. конференции. / Санкт-Петерб. гос. ун-т ииформ. технологий, механики и оптики. - Санкт-Петербург, 2010.Т.1. С. 107-108.

Программные продукты

24. Черткова Е.А., Карпов B.C. Программный тренажер «Администрирование операционной системы Windows ХР» / Отраслевой фонд алгоритмов и программ Госкоорцентра информац. технологий Федерального агентства по образованию. № гос. регистрации 50200501446. — М.: ВНТИЦ, 2005.

25. Черткова Е.А., Карпов B.C. Автоматизированная технология проектирования компьютерных обучающих систем / Отраслевой фонд алгоритмов и программ Госкоорцентра информац. технологий Федерального агентства по образованию. № гое. регистрации 50200501447. — М.: ВНТИЦ, 2005.

Подписано в печать 19.01.2012 г. Формат 60x90 1/16 Печать па ріпоірафе. Тираж 100 эю. Заказ № 6571. Объем: 1,0 усл.п.л.

Отпечатано в типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН: 7718532212, г. Москва, ул. Маросейка, д. 6/8, стр. I,т. 623-08-10, www.alfavit2000.ru

61 12-5/1505

Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет)

На правах рукописи

Карпов Владимир Сергеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБУЧАЮЩИХ

ПОДСИСТЕМ САПР

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(информатика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Черткова Е.А.

Москва

-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБУЧАЮЩИХ

ПОДСИСТЕМ САПР..................................................................................................................................14

1Л. Формализация структуры обучающей подсистемы САПР......................14

1Л Л. Структурная схема процесса управления для

обучающих подсистем САПР....................................................................................15

1Л .2. Информационная модель потоков данных подсистемы САПР 18

1.2. Традиционные технологии разработки обучающих подсистем САПР......................................................................................................................................................................21

1.2.1. Основные классы программного инструментария................................21

1.2.2. Универсальные языки программирования..................................................23

1.3. Методы программной инженерии....................................................................................24

1.3.1. Принципы программной инженерии..................................................................24

1.3.2. Унифицированный язык визуального моделирования....................26

1.3.3. САБЕ-средства автоматизации процесса разработки программных систем........................................................................................................................31

1.4. Определение проблематики и задач исследования............................................33

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1........................................................................................................................36

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБУЧАЮЩИХ

ПОДСИСТЕМ САПР....................................................................37

2.1. Базовые характеристики обобщенных моделей технологического процесса создания программного обеспечения..............................................................37

2.1.1. Модели процесса разработки программных систем..........................37

2.1.2. Сравнительный анализ моделей процессов разработки..................41

2.2. Экспертно-статистический метод выбора модели процесса разработки обучающих подсистем САПР............................................................................42

2.2.1. Критерии оценки качества моделей процесса разработки............42

2.2.2. Процедура выбора модели процесса разработки....................................44

2.3. Фазы и контрольные точки процесса разработки обучающих подсистем САПР..........................................................................................................................................56

2.3.1. Ключевые рекомендации для процесса проектирования................56

2.3.2. Рецензирование проекта по контрольным точкам фаз......................59

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2............................................................................................................................63

2

ГЛАВА 3. ВИЗУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ

РЕШЕНИЙ ДЛЯ обучающих ПОДСИСТЕМ САПР......................................................64

3.1. Принципы визуализации проектных решений для

обучающих подсистем САПР..........................................................................................................64

3.2. Визуализация моделей предметной области............................................................67

3.3. Методика идентификации классов и объектов для моделей....................70

3.3.1. Подходы к декомпозиции объектно-ориентированной системы......................................................................................................................................................71

3.3.2. Синтез методов декомпозиции системы........................................................72

3.4. Создание визуальных моделей анализа и проектирования обучающих подсистем САПР..........................................................................................................77

3.4.1. Визуальная модель анализа подсистемы САПР......................................78

3.4.2. Артефакты проектирования подсистем САПР..........................................83

3.5. Совершенствование архитектуры проектов обучающих подсистем САПР..........................................................................................................................................91

3.5.1. Образцы для повторного использования в проектах..........................93

3.5.2. Оценка архитектурной сложности в сетевых системах..................101

3.5.3. Метод снижения структурной сложности....................................................104

3.6. Совершенствование динамических моделей в проектах..............................110

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3............................................................................................................................112

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ОБУЧАЮЩИХ ПОДСИСТЕМ САПР..............................................................................................113

4.1. Пакет визуальных моделей обучающей подсистемы......................................ИЗ

4.2. Пакет функциональных требований к обучающей подсистеме............114

4.3. Пакет визуальных моделей модуля генерации учебно-тренировочных заданий........................................................................................................................120

4.3.1. Интегрированный пакет спецификации требований..........................121

4.3.2. Модельное специфицирование..............................................................................123

4.4. Модели проектирования с идентифицированными образцами для повторного использования..................................................................................................................130

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4............................................................................................................................140

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................141

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................................143

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Появление новых технологий для создания систем автоматизированного проектирования (САПР) предопределяется значимостью процессов автоматизации проектирования и интенсификации работ в сфере внедрения САЭ/САМ/САЕ в различных отраслях промышленности. Важной задачей при внедрении новых технологий САПР является не только ускорение конструкторско-технологической подготовки производства, но и повышение квалификации и переподготовка персонала для эффективной эксплуатации новых технологий. Обучающие подсистемы, предназначенные для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР, являются одним из видов обслуживающих подсистем, совокупность которых часто называют системной средой (или оболочкой) САПР.

Крупные проекты по обучающим подсистемам характеризуют, как правило, большое количество функций, процессов, элементов данных и взаимосвязи между ними, а также наличие совокупности взаимодействующих информационных и программных компонентов, имеющих локальные задачи и цели функционирования.

Первые эксперименты по применению компьютеров в целях обучения относятся к началу 1960-х годов и, несмотря на то, что техническая база ЭВМ и программное обеспечение того времени не соответствовали успешному решению проблемы компьютерной поддержки процесса обучения в целом, исследования в этой области начались во всех развитых странах.

За пять десятилетий обучающие системы эволюционировали от автоматизированных учебных курсов до интеллектуальных и экспертных систем с применением мультимедия и сценарных моделей. В этот период были заложены дидактические, методические и системотехнические основы создания компьютерных обучающих систем, в развитие которых значительный вклад внесли многие отечественные ученые: Бершадский

A.M., Домрачев В.Г., Иванников А.Д., Кривицкий Б.Х., Кривошеев А.О., Норенков И.П., Ретинская И.В., Романов А.Н., Соловов A.B., Тихомиров

B.П., Филатова H.H. и др.

С 1990-х годов проявляется тенденция создания обучающих программ, объединяющих с общих позиций компьютерной технологии информационные, тренинговые, контролирующие, игровые и обучающие системы, а также их применение в глобальных и корпоративных сетях [10, 31,49,50, 63,76, 84].

В настоящее время разработка программного обеспечения для подсистем САПР осуществляется в основном традиционным способом программирования или с использованием инструментальных средств — универсальных и специализированных, ориентированных на создание приложений определенного класса. Этот инструментарий не решает всей совокупности проблем создания качественных обслуживающих подсистем САПР, в том числе и обучающих, в современных условиях возрастания сложности программного обеспечения, изменений программных платформ, бюджетных ограничений. Попытки улучшения существующих программных подсистем этим инструментарием приводят к возникновению ряда технических проблем, связанных с необходимостью изменения требований и, соответственно, программного кода приложения.

Таким образом, рост сложности и масштабов программного обеспечения в системных средах новых и модифицируемых САПР, возрастающая функциональность приложений, смена коммуникационных и операционных платформ потенциально обуславливают увеличение сроков разработки и трудозатрат, и, как следствие, стоимости конечного программного продукта для обслуживающей подсистемы САПР.

Проблемы создания качественного программного обеспечения для подсистем САПР носят как инвариантный, так и вариативный характер по отношению к процессу разработки. Сущностные свойства программного обеспечения (сложность, изменчивость, абстрактность и т.д.) порождают

инвариантные проблемы их разработки, поскольку программный продукт в значительной степени есть результат творческого ремесла.

Наличие вариативных проблем разработки обусловлено влиянием человеческого фактора. Это проблемы адекватного воплощения в системах функциональных и технологических требований заказчиков -представителей поставщика и потребителя САПР. При этом успешность проекта в значительной степени зависит от их участия в процессе разработки, регламент и визуализация рабочих продуктов которого, должны обеспечить конструктивное взаимодействие всех заинтересованных сторон.

В то же время эволюция программной инженерии привела к созданию технологий автоматизированного проектирования программного обеспечения - CASE-технологий (Computer Aided Software Engineering) - с соответствующими инструментальными средами разработки - CASE-системами. Инновационные CASE-технологии являются альтернативой традиционным методам разработки программных систем и направлены на снижение трудозатрат при возрастающей сложности программного обеспечения. Следует отметить, что в соответствии с современными тенденциями мировой программной индустрии особое значение имеет перенос основного акцента в разработке систем с программирования на объектно-ориентированное проектирование для снижения рисков.

Весомый вклад в развитие теории анализа и практики автоматизированного проектирования программных систем внесли многие отечественные и зарубежные ученые: Артамонов Е.И., Вендров A.M., Калянов Г.Н., Колесов Ю.Б., Костогызов А.И., Липаев В.В., Новоженов Ю.В., Силич М.П., Терехов А.Н., Буч Г., Гамма Э., Грэхем И., Йордан Э., Константайн Л., Ларман К., Рамбо Дж., Якобсон А. и другие. Однако в настоящее время принципы автоматизированного проектирования программных систем в CASE-средах не нашли своего полномасштабного отражения в сфере разработки обучающих подсистем в оболочке САПР в силу ряда организационных, технических и социальных причин.

Таким образом, актуальной задачей современного развития обучающих подсистем в оболочке САПР является создание методов и технологий проектирования на основе современных подходов программной инженерии для придания системам свойств адаптации и гибкости в условиях платформенных и функциональных изменений.

Целью диссертационной работы является решение научно-практической задачи автоматизации проектирования обучающих подсистем САПР на основе развития методов визуального моделирования в виде комплекса исполняемых моделей, архитектурных, организационных и инструментальных решений для СА8Е-пакетов.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• разработка процедуры принятия решения по выбору модели процесса проектирования обучающих подсистем САПР;

• разработка технологической модели проектирования обучающих подсистем САПР и процедуры реализации подпроцессов, направленных на обеспечение согласованного и упорядоченного моделирования проектов;

• разработка метода идентификации ключевых абстракций и механизмов области приложения для визуальных проектных моделей;

• идентификация проектных образцов и разработка схемы их включения в модели обучающих подсистем САПР для решения задач повторного использования;

• решение проектных и программных задач по совершенствованию архитектуры проектов обучающих подсистем САПР за счет снижения структурной сложности архитектуры моделей и расширения семантических свойств динамических моделей;

• разработка пакета визуальных исполняемых моделей, обладающих свойствами расширения и определяющих каркасы архитектуры обучающих подсистем САПР;

• проведение апробации разработанных в диссертации методов и

7

технологии визуального моделирования для автоматизации проектирования обучающих подсистем САПР.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используются теория и методы программной инженерии, методы объектно-ориентированного анализа и проектирования, методы визуального моделирования, экспертно-статистические методы.

Достоверность и обоснованность диссертационных исследований подтверждается результатами практических разработок обучающих подсистем, которые зарегистрированы в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию, отраслевом фонде электронных ресурсов науки и образования Российской академии образования, а также успешным внедрением разработанных методов и программно-инструментальных средств проектирования в высших учебных заведениях.

На защиту выносятся:

1. Процедура принятия решения по выбору модели процесса проектирования обучающих подсистем САПР на основе метода анализа иерархий в условиях доступности экспертной информации.

2. Технологическая модель проектирования обучающих подсистем САПР итеративно-инкрементного характера, сориентированная на обеспечение согласованного и упорядоченного моделирования проектов.

3. Метод идентификации классов для создания визуальных моделей анализа и проектирования обучающих подсистем САПР, учитывающий алгоритмический и объектно-ориентированный аспекты декомпозиции проектируемой подсистемы.

4. Программные решения по структуризации проектных образцов и включения их в модели обучающих подсистем САПР для совершенствования архитектуры проектов и реализации повторного использования, а также снижения зависимости разрабатываемой системы от изменяющихся требований.

5. Метод снижения структурной сложности архитектуры моделей обучающих подсистем САПР на основе перехода от сетевой структуры к иерархической.

6. Визуальные формы сценариев взаимодействия объектов, расширяющие семантические свойства динамических моделей обучающих подсистем САПР.

Научная новизна работы:

• разработана процедура принятия решения по выбору модели процесса проектирования обучающих подсистем САПР на основе метода полных парных сравнений, особенностью которой является иерархическая структура исходной системы характеристик процесса и альтернативных решений в условиях доступности экспертной информации.

• предложена технологическая модель проектирования обучающих подсистем САПР итеративно-инкрементного характера, отличающаяся организацией подпроцессов проектирования как логических контейнеров с элементами процесса (роли, задачи, рабочие продукты, руководства и образцы);

• разработан метод идентификации классов для создания визуальных моделей анализа и проектирования обучающих подсистем, отличающийся синтезом структурного и объектно-ориентированного подхода;

• разработаны программные решения по структуризации проектных образцов и включения их в модели обучающих подсистем САПР, отличающиеся приданием моделям свойств адаптации к изменениям функциональных требований;

• разработан метод снижения структурной сложности архитектуры моделей обучающих подсистем САПР, отличающийся иерархической структурой архитектуры с группировкой классов по признаку стереотипа;

• разработаны визуальные формы сценариев взаимодействия объектов, расширяющие семантические свойства динамических моделей обучающих подсистем САПР и отличающиеся наличием элементов программного кода.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы определяется тем, что предложенные в диссертации методы и технологии автоматизированного проектирования программных систем на основе визуального моделирования применимы для создания широкого спектра обучающих подсистем САПР. Предлагаемый подход к автоматизированно