автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:CASE-метод логического проектирования информационных систем на основе объектных нотаций

Введение.

Глава 1. Структурный анализ предметной области и автоматизированное проектирование информационных систем в рамках CASE-технологий.

1.1. Методологические аспекты проектирования автоматизированных информационных систем.

1.2. Проблемы проектирования информационных систем и методы их решения.

1.3. CASE-методы и графические нотации как основа языков мифологического проектирования.

1.4. Эффективность программного обеспечения автоматизированных информационных систем.

1.5. Основные результаты по первой главе.

1.6. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Разработка объектно-ориентированного языка моделирования информационных систем и метода анализа информационных моделей.

2.1. Принципы представления информации о разрабатываемой системе с позиции объектно-ориентированного моделирования.

2.2. Компоненты языка ОЯВМ и их взаимодействие между собой.

2.3. Методы анализа и оценки проектных решений разрабатываемых информационных систем.

2.4. Основные результаты по второй главе

Глава 3. Программный комплекс автоматизированного проектирования информационных систем "КАПИС".

3.1. Основные концепции графического пакета визуального моделирования.

3.2. Выбор структуры хранения данных системы. Мифологическая модель проектов информационных систем.

3.3. Структура системы "КАПИС". Основные алгоритмы формализации объектов проектируемых систем.

3.4. Методика работы в системе "КАПИС".

3.5. Основные результаты по третьей главе.

Глава 4. Применение CASE-методики логического проектирования информационных систем.

4.1. АИС "Статистический и оперативный учет и анализ флота".

4.2. АИС "Санитарно-эпидемиологический досмотр транспортных средств в порту".

4.3. АИС "Расчет затрат при выполнении аварийно-восстановительных работ на трубопроводах тепловых сетей".

4.4. Основные результаты по четвертой главе.

Актуальность. На сегодняшний день развитие сложных технических систем и процессов автоматизации привело к необходимости создания больших программных комплексов, обладающих сложной структурой и разветвленной функциональностью. Разработка систем такого класса требует использования тех или иных технологий автоматизированного программирования.

С другой стороны, большие объемы перерабатываемой информации оказали большое влияние на процесс формирования специализированного класса автоматизированных информационных систем (АИС), основополагающим назначением которых является компактность представления информации и высокая скорость ее обработки.

При монополизации и унификации средств технического обеспечения большая часть проблем создания АИС концентрируются в области разработки прикладного ПО, современное решение которых находится в компетенции CASE-технологий (Computer Aided Software Engineering)

Результатом такого развития становится все большее применение CASE-методов, создаваемых в расчете на значительное сокращение временных, трудовых и материальных затрат на разработку программного обеспечения больших систем. Одновременно с этим, использование CASE-методов позволяет значительно повысить надежность, удобство восприятия и простоту модификации разрабатываемого программного продукта.

Появлению CASE-технологии и CASE-средств предшествовали исследования в области методологии программирования и проектирования информационных. Программирование обрело черты системного подхода с разработкой и внедрением языков высокого уровня, методов структурного и модульного программирования, языков проектирования и средств их поддержки, формальных и неформальных языков описаний системных требований и спецификаций и т.д. Также, нашла применение структурная методология, предоставляющая в распоряжение разработчиков строгие формализованные методы описания АИС и принимаемых технических решений. Она основана на наглядной графической технике: для описания различного рода моделей АИС используются схемы и диаграммы, однако, широкое применение этой методологии и следование ее рекомендациям при разработке конкретных АИС встречалось достаточно редко, поскольку при неавтоматизированной разработке достаточно трудно создать и графически представить строгие формальные спецификации системы, проверить их на полноту и непротиворечивость и, тем более, изменить.

Первые CASE-средства не были предназначены для поддержания полного жизненного цикла (ЖЦ) программного обеспечения (ПО) и использовались в основном на начальных этапах проектирования для построения функциональных спецификаций, определении требований к системе и логического проектирования структур баз данных.

Второе поколение CASE-средств отличается значительно более развитыми возможностями, в них в первую очередь используются средства поддержки автоматической генерации программного кода и обеспечивается полная функциональная поддержка построения графических системных требований и спецификаций проектирования. В отличие от CASE-средств первого поколения данная технология поддерживает все этапы жизненного цикла информационных систем, являющегося моделью создания и использования программного обеспечения и отражающего его различные состояния с момента возникновения замысла и заканчивая полным выходом системы из употребления.

Большинство существующих CASE-средств основано на методологиях структурного или объектно-ориентированного анализа и проектирования, использующих спецификации в виде диаграмм или текстов для описания внешних требований, связей между моделями системы, динамики поведения системы и архитектуры программных средств. Методология определяет руководящие указания для оценки и выбора проекта разрабатываемого программного обеспечения, последовательность разработки системы, а также правила распределения и назначения методов, представляющих собой технику генерации описаний компонентов проектируемого программного обеспечения (например, описание структур данных системы). Для описания структуры системы, элементов данных, этапов обработки применяются нотации, которые могут быть основаны на диаграммах, таблицах, блок-схемах а также формальных и естественных языках.

Известны несколько основополагающих CASE-подходов, которые ориентированы на различные сильно типизированные аспекты проектирования (функциональность, структуры данных, потоки данных). Однако, многогранность программных и программно-технических систем ставит перед исследователями задачу разработки нового подхода к CASE-методам, который позволит интегрировать в единой концепции системотехнического обобщения разнообразие частных CASE-методов.

Публикации многих ученых (Липаев В.В., Гуков Л.И., Зиглер К., Путилов В.А. и др.) ставят проблемы разработки высоконадежного, эффективного программного обеспечения на основе структурно-графического представления. При этом актуальность решения данной проблемы определяется:

1. Отсутствием высокоэффективных инструментальных средств поддержки разработки программных средств на основе структурнографического представления с применением концепций объектно-визуального проектирования.

2. Недостаточной проработанностью методов синтеза и анализа представления структур ПО и определения его свойств, связанных с начальными слабо формализуемыми этапами разработки.

3. Отсутствием единой методики использования концепции сквозного проектирования на базе формально обоснованных показателей качества структуры программного продукта на концептуально-логическом уровне.

Динамика развития современных вычислительных средств делает актуальной смещение акцентов исследовательской деятельности из области функционально-параметрического синтеза в область исследований, связанную с проблемой наглядности, легкости к восприятию, компактности и достоверности представления проектной информации, а также способам обработки и хранения данных (или знаний).

Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка CASE-методики логического проектирования ПО АИС, включающей CASE-метод визуального представления структурно-графических моделей и формального аппарата их анализа. Эта цель достигается решением следующих частных задач:

1. Разработка визуальной методики проектирования информационных систем на базе аппарата структурных графов.

2. Разработка методов и критериев качества анализа полученных проектных решений.

3. Создание инструментального программного комплекса, поддерживающего реализацию вышеуказанной методики проектирования и обеспечивающего автоматическую кодогенерацию информационных систем на основе полученных проектных решений.

4. Разработка методики сквозного проектирования, начиная от формирования концептуально-логических моделей до создания прототипа.

Методы исследований. В работе использованы методы теории множеств, теории логического проектирования, теории графов, системного анализа, теории баз данных. Научная новизна.

1. Разработан объектный язык визуального моделирования (ОЯВМ) -язык представления моделей, основанный на концепциях построения структурных графов, учитывающий особенности предметной области, архитектурной компоновки элементов модели и обеспечивающий эффективное человеко-машинное взаимодействие.

2. Предложено формализованное описание алгоритмов преобразования моделей визуального представления в набор программных кодов, обеспечивающих реализацию конечного продукта - ПО.

3. Предложен CASE-метод обобщения проектных решений, включающий в процесс разработки программных систем такие типы конструктивных элементов, которые позволяют манипулировать разноаспектными категориями построения ПО АИС.

4. Разработана методика оценки модельных структур на базе формального аппарата показателей качества модульности. Практическая ценность. В результате исследований создан инструментальный комплекс КАПИС (комплекс автоматизированного проектирования информационных систем), включающий в себя методику, алгоритмы и программное обеспечение, определяемое как элемент CASE-технологии. Данный инструментальный комплекс позволяет повысить качество проектирования ПО АИС и сократить временные и стоимостные затраты на его создание.

4.4. Основные результаты по четвертой главе

1. На базе комплекса КАПИС разработана АИС "Статистический и оперативный учет и анализ флота". Исходя из функционального содержания деятельности порта система предназначена для: автоматизированного сбора и обработки первичной информации о перегрузочном процессе; реализации документооборота между различными подразделениями порта; формализации принятия решений управления;

2. На базе комплекса КАПИС разработана АИС "Санитарно-эпидемиологический досмотр транспортных средств в порту". Система предназначена для оперативного управления, долгосрочного планирования и прогнозирования деятельности службы санитарно-эпидемиологического надзора на водном транспорте.

3. На базе комплекса КАПИС разработана АИС "Расчет затрат при выполнении аварийно-восстановительных работ на трубопроводах тепловых сетей" . Система предназначена для: автоматизированного сбора, хранения и обработки информации о выполнении работ по ликвидации аварий на тепловых сетях; принятия решений по управлению работой аварийно-восстановительного предприятия на основании полученных отчетных статистических данных.

4. Применение комплекса КАПИС в разработке вышеуказанных информационных систем показала высокую эффективность предложенного CASE-метода при ориентации на информационно-поисковые системы, что позволяет говорить о быстрой окупаемости затрат на создание системы КАПИС.

Заключение

Диссертационная работа посвящена созданию методов проектирования и оценки качества ПО АИС на основе визуальных структурно-графических представлений. Получены следующие основные научно-практические результаты:

1. Создан объектный язык визуального моделирования, обоснованы CASE-модели представления проектных решений ПО АИС, в т.ч. функциональные модели, модели структуры данных, модели структуры модулей, модели структуры процессов.

2. Предложена методика инвариантного анализа моделей представления CASE-моделей представления ПО АИС, основанная на графовой, объектной и визуальной концепциях организации архитектуры объекта разработки.

3. Разработан инструментальный комплекс КАПИС, в т.ч. структура, алгоритмы и ПО. В совокупности с предложенной методикой конструирования моделей и аппарата анализа структур на основе коэффициентов модульности, данный комплекс обеспечивает подготовку, хранение, моделирование, анализ и документирование проектной информации при разработке ПО АИС.

4. На базе КАПИС разработан ряд программ:

• АИС "Статистический и оперативный учет и анализ флота".

• АИС "Санитарно-эпидемиологический досмотр транспортных средств в порту".

• АИС "Расчет затрат при выполнении аварийно-восстановительных работ на трубопроводах тепловых сетей".

5. Применение и эксплуатация комплекса КАПИС продемонстрировала эффективность предложенного CASE-метода.

6. Предложена методика проектирования программ по их структурно-графическому представлению, основанная на идеях автоматизации и объектно-ориентированному конструированию программ.

1. Решетников В.Н., Сотников А.Н. "Что такое информатика".

2. Советов Б.Я. "АСУ. Введение в специальность". М.: Высшая школа., 1989.- 128 с.

3. Калянов Г.Н. "Методы и средства системного структурного анализа и проектирования". М.: Издательство Московского Университета, 1996.-59 с.

4. Калянов Г.Н. "CASE. Структурный и системный анализ (автоматизация и применение". М.: Лори, 1996. - 242 с.

5. Альянх И.Н. "Моделирование вычислительных систем". Л.: Машиностроение, 1988. - 223 с.

6. Мамиконов А.Г. и др. "Автоматизация проектирования АСУ". М., Энергоиздат, 1981. - 328 с.

7. Шеховцев О.И. "Методология автоматизированного проектирования и интеграция систем управления". Л.: ЛЭТИ, 1987. - 74 с.

8. Кочаловский P.M. "Технологии баз данных на персональных ЭВМ". М.: Финансы и статистика, 1992. - 224 с.

9. Гилула М.М. "Множественная модель данных в информационных системах". М.: Наука, 1992. - 208 с.

10. Мамиконов А.Г. "Проектирование АСУ". М.: Высшая школа, 1987.-303 с.

11. Деметрович Я., Кнут Е., Г. Радо "Автоматизированные методы спецификации". М.: Мир, 1989. - 115 с.

12. Агафонов В.Н. "Спецификация программ: понятийные средства и их организация". Новосибирск: Наука, 1990. - 224 с.

13. Липаев В.В. "Проектирование программных средств". М.: Высшая школа, 1990. - 303 с.

14. Костин А.Е., Шаньгин В.Ф. "Организация и обработка структур данных в вычислительных системах". М.: Высшая школа, 1987. -248 с.

15. Макаровский Б.Н. "Информационные системы и структуры данных". М.: Статистика, 1980. - 199 с.

16. Пржиялковский В. "Модели, базы данных и СУБД в информационных системах". М.: Вычислительный центр РАН, 1996. - 81 с.

17. Агафонов В.Н. "Спецификация программ: понятийные средства и их организация". Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990. - 224 с.

18. Мамиконов А.Г. и др. "Модели и методы проектирования информационного обеспечения АСУ". — М.: Статистика, 1978. 221 с.

19. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. "Основы системного анализа". -Томск: Издательство НТЛ, 1997. 396 с.

20. Горенский Б.М. "Принципы построения автоматизированных систем управления". Красноярск: ГАЦМиЗ, 1995. - 84 с.

21. Путилов В.А., Фильчиков В.В., Фридман А.Я. "CASE технологии вычислительного эксперимента. Часть I". - Апатиты.: Кольский научный центр, 1994. - 252 с.

22. Путилов В.А., Фильчиков В.В., Фридман А.Я. "CASE технологии вычислительного эксперимента. Часть II". - Апатиты.: Кольский научный центр, 1994. - 169 с.

23. Глушков В.М., Стогний А.А., Афанасьев В.Н. "Автоматизированные информационные системы". М.: Знание, 1973.-64 с.

24. Основы системного анализа и их приложение к разработке территориальных автоматизированных систем управления/Под ред. Ф.И. Перегудова. М., 1983.

25. Джонс Дж. К. "Методы проектирования": Пер. с английского Т.П. Бурмистровой, И.В. Фриденберга / Под ред. В.Ф. Венды. М.: Мир, 1986.-326 с.

26. Зиглер К., "Методы проектирования программных систем": Пер. с английского. / Под ред. Я.А. Хетагурова . М.: Мир, 1985. 328 с.

27. Л.И. Гуков и др. "Макетирование, проектирование и реализация диалоговых информационных систем". М.: Финансы и статистика, 1993.-320 с.

28. Цикритдзис Д., Лоховски Ф. "Модели данных": Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1985. - 344 с.

29. Ханенко В.Н. ""Информационные системы". Ленинград: Машиностроение, 1988. - 127 с.

30. Эриванский Ю.А. "Оценка экономической эффективности программных средств вычислительной техники"., М.: МИФИ, 1990. -48 с.

31. Васильков В.В. "Проектирование структур данных в промышленном производстве.", М.: МИФИ, 1985. 112 с.

32. Боэн Б.У. "Инженерное проектирование программного обеспечения"., М.: Радио и связь, 1985. -96 с.

33. Липаев В.В. и др. "Технология сборочного программирования"., М., 1992.-272 с.

34. Мамиконов А.Г. и др. "Оптимизация структур данных в АСУ".

35. Атре Ш. "Структурный подход к организации баз данных"., М., 1983

36. Хаббард Дж. "Автоматизация проектирования баз данных"., М.:Мир, 1984.-296 с.

37. Формализованные методы предпроектного анализа структуры информационных потоков при разработке информационных систем общего назначения. /' А.Г. Мамиконов и др. // Анализ и синтез оптимальных модульных систем обработки данных. М.:ИГУ, 1984. -(5-14 с.)

38. Зиндер Е.З. Бизнес-реинжиниринг и технологии системного проектирования. Учебное пособие. М., Центр Информационных Технологий, 1996

39. Пушников А.Ю. Введение в системы управления базами данных. Часть 1. Реляционная модель данных: Учебное пособие/Изд-е Башкирского ун-та. Уфа, 1999. - 108 с.

40. Фомин В.В. Методы проектирования программных систем. СПб, СПГУВК, 1996.-70 с.

41. Фомин В.В. Автоматизация логического моделирования ПО с применением формального аппарата семиотических систем. СПб, Энергоатомиздат, 2000. - 250 с.

42. Автоматизированное проектирование систем управления/Под ред. М. Джамшиди и др. М.: Машиностроение, 1989. - 344 с.

43. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. - 544 с.

44. Дейт К. Введение в системы базы данных. М.: Наука, 1980. 194 с.

45. Бойко В.В. Разработка инфологической модели информационной базы АСУ. М.: ВНИИПОУ, 1979.

46. Михновский С.Д., Стогний А.А. Вопросы автоматизации проектирования логических структур баз данных.- Управляющие системы и машины. Киев, 1979.

47. Зиглер К. Методы проектирования программных систем: Пер. с англ./ Под ред. Я.А. Хетагурова. М.: Мир, 1985. 328 с.

48. Йодан Э. Структурное проектирование и конструирование программ: Перевод с англ. В.В. Фролова и Л.А. Теплицкого / Под ред. А.Н. Королева. М.: Мир, 1979. - 415 с.

49. Вендров A.M. Один из подходов к выбору средств проектирования баз данных и приложений. "СУБД", 1995, № 3.

50. Марка Д.А., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования. -М.: Метатехнология, 1993.

51. Лисков Б., Гатег Ж. Использование абстракций и спецификаций при разработке программ: Пер. с англ. С.А. Жигалкина и др.- М.: Мир, 1989.- 424 с.

52. Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях. Киев: Диалектика, 1993.

53. Новоженов Ю.В. Объектно-ориентированные технологии разработки сложных систем. М., Центр Информационных Технологий, 1996.

54. Деметрович Я., Кнут Е., Радо П. Автоматизированные методы спецификации: Пер. с англ. JI.B. Шабанова /Под ред. Ю.Г. Дадаева. М.: Мир, 1989.- 115 с.

55. Майерс Г. Надежность программного обеспечения: Пер. с англ. Ю.Ю. Галимова под ред. В.Ш. Кауфмана. М.: Мир, 1980. 360 с.

56. Гантер Р. Методы управления проектированием программного обеспечения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1981. - 392 с.

57. Дубенецкий В.А., Советов Б.Я. Анализ структур автоматизированного управления : Учеб. пособие / Под. ред. Б.Я. Советова. JL: ЛЭТИ, 1985.-79 с.

58. Дубенецкий В.А., Советов Б.Я. Методы и средства автоматизации проектирования АСУ: Учеб. пособие / Под. ред. Б.Я. Советова. Л.: ЛЭТИ, 1986.-80 с.

59. Новоженов Ю.В. Объектно-ориентированные технологии разработки сложных программных систем. М., 1996. 145 с.

60. Международные стандарты, поддерживающие жизненный цикл программных средств. М., МП "Экономика", 1996. 91 с.

61. Barker R. CASE*Method. Function and Process Modelling. Copyright Oracle Corporation UK Limited, Addison-Wesley Publishing Co., 1990.

62. Boehm B.W. A Spiral Model of Software Development and Enhancement. ACM SIGSOFT Software Engineering Notes, Aug. 1986