автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы построения автоматизированных информационных систем на принципах самоорганизации

агз-'Э*

КОМИТЕТ ПО ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ВСЕСОЮЗНЫП НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

СОЛНЦЕВ АЛЕКСАНДР ГЕННАДИЕВИЧ

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ПРИНЦИПАХ САМООРГАНИЗАЦИИ

Специальность: 05.13.06 — «Автоматизированные системы

управления»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре информатики при МИД СССР.

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор

Щорс Артур Львович

— доктор технических наук, профессор

Квасницкий Виктор Николаевич

— кандидат технических наук, с.н.с. Райков Александр Николаевич

— Центральный научно-исследовательский институт экономики, информатики и систем управления (ЦНИИЭИСУ)

Защита состоится «3/» Як&Р"! 199 $ г, в/4 часов на заседании специализированного совета Д 163.01.01 при Всесоюзном научно-исследовательском институте проблем вычислительной техники и информатики по адресу: 113114, г. Москва, 2-й Кожевнический пер., д. 4/6.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-техническом архиве ВНИИПВТИ.

Автореферат разослан « V »

199/г.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор технических наук //у^г^У] ' Р. Г. Бияшев

позволит сделать процесс управления жизненным циклом замкнутым за счет обратной связи от результатов функционирования ИС. а сам комплекс становится самоорганизующимся, настраиваемым на новые требования пользователя.

ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ является разработка методов и средств построения ИС с качественно новыми свойствами свойствами самоорганизации, выявление свойств самоорганизующихся компонент ИС.

ОБЬЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ является ИС, с элементами самоорганизации и технология ее разработки и применения.

ЦЕЛЬЮ исследования является разработка новых технологических приемов создания и использования ЙС на базе персональных ЭВМ.

ЗАДАЧАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ являются:

анализ существующих технологий и инструментальных программных средств построения ИС, выявление тенденция развития ИС и инструментальных программных средств по их созданию:

разработка модели процесса функционирования ИС с элементами самоорганизации;

разработка алгоритмов самоорганизации. включающих определение пороговых значений перестройки ИС. обработку оценок пользователя о результатах работы ИС с цель» выработки управляющего воздействия:

разработка архитектуры инструментальных программных средств построения и использования ИС с элементами самоорганизации:

разработка отдельных компонент инструментария по созданию и эксплуатации ИС, апробация и практическое внедрение разработанных средств.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Задачи. поставленные в работе, решались с привлечением методов системного анализа, аппарата теории множеств, теории нечетких множеств и методов выборочного исследования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается: в научном обосновании принципиальной возможности построения ИС с элементами самоорганизации;

в новом подходе к проектировнию, разработке и сопровождению ИС, предусматривающем включение в процесс управления жизненным циклом ИС контура обратной связи:

в разработке модели процесса построения и функционирования ИС с качественно новыми свойствами - свойствами самоорганизации, в которой ИС рассматривается как объект управления, а управляющим воздействием является последовательность процедур перестройки ИС;

в разработке алгоритма самоорганизации ИС, основанном на обработке числовых оценок функционирования ИС и механизме обработки этих оценок на базе аппарата теории нечетких множеств;

в разработке алгоритма анализа множества нереализованных запросов к ИС с целью частичной реализации этих запросов на примере перестройки информационной базы системы;

в разработке архитектуры инструментальных программных средств создания ИС. определении основных компонентов инструментария и их функций.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований определяются использованием разработанных методов, модели и алгоритмов при реализации программного комплекса САПР - ИС. предназначенного для

разработки ИС конечным пользователем. автоматически перестраиваемой в процессе эксплуатации.

Разработанная в диссертации модель функционирования ИС, алгоритмы самоорганизации и архитектура инструментальных программных средств позволяют решать практические задачи по созданию ИС с элементами самоорганизации. Экспериментальная проверка и практическое использование научных результатов осуществлены на примере разработки системы автоматизарованного проектирования информационных систем "САПРИСГ которая была апробирована при разработке АРМа для секретариата рабочих органов МПК по ВТ [I], и при создании информационно-справочной системы "ИНОФИРМА", внедренной в отделе международного сотрудничества Главного управления науки и техники Мосгорисполкома.

Результаты диссертационной работы нашли также свое отражение в разработке пакета прикладных программ "ФОРМАТ" [2.3], предназначенного для генерации отчетов в автоматизированном режиме, внедренного в 25 организациях страны. Экономический эффект от внедрения результатов составил 450 тыс. руб.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты опубликованы в 7 печатных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы из 58 наименований. содержит 124 страницы машинописного текста. 18 рисунков и 3 таблицы.

функционирующих на основе ПЭВМ. Это направление развития оправдано, поскольку применение таких средств позволяет снять многие вопросы, связанные с согласованием и формализацией постановок пользовательские задач, разработкой технических заданий, программного и информационного обеспечения и т.п. Одним из путей создания указанных инструментальных средств является направление развития САПР информационных систем, базирующихся на современных САБЕ-системах. Отмечается, что предлагаемые на рынке САЗЕ-системы ориентированы на разработку больших проектов ИС с привлечением группы специалистов различных квалификаций. Массовое применение ПЭВМ приводит к необходимости создания САБЕ-систем, ориентированных на конечного пользователя. Такого класса системы в совокупности с самой ИС можно представить как целостную систему с элементами самоорганизации. В этом случае разрабатываемая конечным пользователем ИС будет постоянно настраиваться или перестраиваться им в процессе эксплуатации, а применение пользователем программного комплекса САПР-ИС реально делает процесс "ПРОЕКТИРОВАНИЕ-РАЗРАБОТКА-ПРИМЕНЕНИЕ" непрерывным и управляемым самим пользователем, поскольку в этом случав появляется обратная связь от функционирования ИС, позволяющая перестраивать ее в процессе эксплуатации.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена описанию модели процессов проектирования и функционирования ИС с элементами самоорганизации. В предлагаемой модели самоорганизация заключается в перестройке ИС, в частности, совершенствовании ее информационной базы в течении всего периода эксплуатации ИС и достигается за счет контура обратной связи от результатов функционирования ИС. На основании оценок пользователя о

результатах реализации запросов, введенных в систему пороговых значений осуществляется перестройка баз данных, которая выражается в пополнении их новыми объектами и атрибутами, усложнении связей меяду ними.

В такой постановке ИС является сложным объектом управления, которому присущи адаптация к внешней среде и самонастройка информационной базы. Обобщеная схема функционирования ИС с элементами самоорганизации представлена на рис.1

В модели делается допущение, что влияние случайных воздействий невелико и им можно пренебречь по сравнению с управляющим воздействием.

! Случайные

Рис. I. Схема функционирования ИС с элементами самоорганизации.

Случайными возмущениями могут быть потери информации, сбои в программном обеспечении, вирусы и т.д.. то есть можно считать, что:

У = Р (г.Р) (I)

На основании множества запросов Z к ИС и множества оценок пользователя М о результатах обработки этих запросов формируется множество нереализованных запросов поступающее на вход

управляющего устройства С :

гп = (г.мл) (2)

Множество гп определяется на основании использования аппарата теории нечетких множеств.

Самоорганизация достигается через управляющее воздействие Р, которое формируется на основании множества оценок пользователя о результатах реализации запросов, статистических данных о работе ИС. пороговых значений 0 и ресурсов системы й.

Это воздействие формируется системой автоматически и представляет собой последовательность типовых процедур по настройке информационной базы ИС на требования пользователя.

Процесс решения задачи самооорганизации имеет дискретный характер и сводится к организации переходов от одного управляющего воздействия к другому:

РО -> Р2 -> ...-> FN ->

(3)

Схематично технологический процесс работы пользователя с ИС представляется так, как показано на рис 2. Этот процесс характеризуется определенной периодичностью, которая заключается в следующем:

Пользователь формирует сообщение (событие I) и посылает его в виде запроса в информационную систему (событие 2), которая обрабатывает запрос и выдает результат (событие 3). Получая результат (событие 4), пользователь осмысливает его и дает ему числовую оценку (событие 5). Оценка результатов поступает на вход блока анализа и обработки оценки результатаов (событие 6). По определенным правилам, например, используя аппарат теории нечетких множеств, эта оценка обрабатывается с целью выявления степени реализацииных запросов. В результате обработки оценочной информации происходит разделение запросов на реализованные и нереализованные (событие 7). В определенный момент времени этот процесс работы пользователя с ИС прерывается с целью анализа причин нереализуемости запросов и выработки управляющего воздействия Р на систему с целью устранения отклонений от требований пользователя (событие 8). В результате• управляющего воздействия происходит перестройка ИС (событие 9) и возврат к информационно-справочному режиму (событие 10) ИС.

На основании оценок пользователя и введенных в систему пороговых значений осуществляется анализ функционирования ИС и, в случае необходимости, по определенным условиям производится перестройка ИС. Пользователь в этом случае является частью общей системы и участует в процессе создания, эксплуатации и развития ИС.

Далее в главе описывается алгоритм самоорганизации ЙС, основанный на обработке числовых оценок, сообщаемых системе пользователем.

4

Рис. 2 Технология прохождения запроса, оценки и обработки результата функционирования ИС.

По этому алгоритму система работает в двух режимах: информационно-справочном и режиме анализа нереализованных запросов и перестройки ИС. Периодически в зависимости от числа накопленных нереализованных запросов система переключается с одного режима на другой. В алгоритм вводится условие приостановки процесса работы пользователя в режиме "запрос -результат - оценка результата". Это условие определяется пороговым значением которое представляет собой общее число

запросов пользователя, выбранных для последующего анализа.

Формула расчета полученная из условия, связывающего

количество выбранных запросов с желаемым уровнем точности выборки, имеет следующий вид:

- Ь2 * а * Ь / й2, (4)

где

Ь - значение абсциссы для кривой нормального распределения, отсекающее на "хвостах" этой кривой площадь с1;

а - доля анализируемых запросов в выборке;

Ь = I - а;

Предлагается механизм обработки оценок реализуемости запросов на основе аппарата теории нечетких множеств. В качестве условия перехода системы к анализу элементов множества нереализованных запросов определяется второе пороговое значение выбираемое из стоимостных оценок функционирования ИС:

q2 = - I -7К2/П) (5)

где

11гЬ - целая часть выражения;

К1 - определяет затраты, необходимые для реализации одного запроса;

К2 - определяет затраты на сопровождение ресурсов системы по реализации одного запроса.

Описывается алгоритм анализа множества нереализованных запросов с целью их частичной реализации на примере перестройки информационной базы системы.

ГЛАВА 3 посвящена описанию инструментальных программных средств, необходимых для решения поставленных задач. Отмечается, что создание эффективных инструментальных программных средств.

направление развития инструментария должны в первую очередь определяться этапами проектирования и создания ИС, трудоемкостью и стоимостью разработки ИС на каждом этапе. Описывается архитектура инструментальных программных средств для проектирования и построения ИС, функции и назначение компонент инструментария, который рассматривается как гипотетическая экспертная система, состоящая из четырех функциональных элементов (рис. 3):

подсистемы построения ИС и ее апробации;

подсистемы сопровождения ИС, сбора и хранения статистических данных о ее функционировании:

подсистемы анализа нереализованных запросов и перестройки

ИС :

блока управления

Детализируются отдельные стадии разработки ИС и приводится описание функций компонент инструментария, используемых на различных стадиях построения ИС.

В качестве примера в Приложении 3 дается перечень вопросов, которые могут быть поставлены экспертной системой пользователю на предпроектной стадии разработки ИС.

При проектировании БД и автоматизации процессов на этой стадии предлагается модель типа "сущность-связь" предметной области (ПО). Используя эту модель для описания информационных потребностей задач, можно обеспечить семантически полное отображение ПО, включая основные понятия и их взаимосвязи.

Делается вывод о том, что развитие указанных направлений в разработке инструментальных программных средств, делает задачу построения ИС конечным пользователем вполне реальной.

+------------------------------------------------------------+

Рис. 3. Архитектура инструментария ИС

Предложенный подход, по мнению автора, открывает новые перспективы на пути создания самоорганизующихся систем.

Практическая часть диссертации представлена одной из компонент подсистемы построения ИС ("САПРИС"), доведенной до программной реализации и внедрения. Описывается схема функционирования "САПРИС", основные программные компоненты системы и технология работы конечного пользователя с этой системой.

Основными функциональными компонентами "САПРИС" являются типовые программные блоки, ориентированные на определенные технологические операции по созданию информационной базы, программных средств ее сопровождения и получению выходных данных в виде отчетов на экране дисплея или твердых копий. Такой комплекс инструментальных средств представляет собой типовую архитектуру системы автоматизированного проектирования и разработки ИС, с помощью которой можно создавать конкретные варианты ИС для различных предметных областей [43.

"САПРИС" поддерживает определенную технологию разработки ИС, основанную на:

типизации отдельных технологических операций процесса разработки ИС;

типизации процедур и функций, реализуемых при решении задач

ИС;

информационной и программной совместимости инструментальных средств разработки ИС и их быстрой настройки на новые приложения;

модульной структуре "САПРИС";

единой технологии инфологического и концептуального проектирования БД, создании типового программного обеспечения по их сопровождению и выдачи выходных документов; наличии библиотеки экранных форм: наличии аппарата генерации программ сопровождения БД: наличии средств документирования.

В рассматриваемой версии "САПРИС" основное внимание уделенс автоматизации операций и процедур, связанных с программирование» экранных форм (как входных, так и выходных), диалогом с конечны»

пользователем, формированием структур БД и выходных отчетов, сопровождением БД, выдачей справочных и отчетных данных.

Преимущество приведенной фунциональной схемы заключается в том, что автономно создаваемые с помощью генератора отчетов выходные документы автоматически накапливаются в библиотеке отчетов, а соответсвующие имена отчетов заносятся в специальную базу данных. Это дает возможность высвечивать на экране дисплея в отведенном для этого окне наименования отчетов. Пользователь, сканируя базу данных отчетов, может выбрать желаемый отчет с помощью светового пятна и затем вызвать этот отчет на исполнение без каких-либо корректировок прикладной программы. Таким образом, в "САПРИС" частично реализуется такие принципы самоорганизации, как изменчивость, взаимодействие с внешней средой. Их реализация достигается путем постоянной "подкачки" вновь создаваемых отчетов и включение их в меню ИС в автоматическом режиме, минуя программирование, а работа пользователя в "САПРИС" представляется как непрерывный технологический процесс создания БД, формирования отчетов и их исполнения. Количество включаемых отчетов в этом случае определяется ограничениями внешнего устройства, на котором хранится база данных отчетов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе исследовалась задача разработки методов автоматизированного построения ИС с элементами самоорганизвции.

I. Проведен анализ существующих подходов и технологии создания АИС с помощью современных инструментальных программных

средств и САБЕ-систем, который позволил сформулировать следующие выводы:

Разработка ИС в настоящее время является сложной задачей, требующей привлечения различных специалистов в этой области, не сморя на развитые инструментальные программные средства по их созданию. Наблюдается тенденция постепенного превращения жизненного цикла ИС, который является основным показателем эввективности работы ИС, в непрерывный процесс "ПРОЕКТИРОВАНИЕ-РАЗРАБОТКА-ПРИМЕНЕНИЕ". Центр тяжести при создании ИС на ПЭВМ, включая предпроектную стадию, разработку информационного и программного обеспечения, переносится на конечного пользователя.

Современные информационные технологии, в. частности САБЕ-системы привнесли качественно новые методы в построении ИС. С помощью такого класса систем достигается автоматизация всех этапов создания ИС и коренным образом изменяется временная структура проектирования. Если раньше нормальным считалось соотношение 30/70, то есть 30% времени на анализ и дизайн создаваемой системы и 70% на программирование, то сейчас это соотношение определяется как 70/30.

2. Предложен новый подход к проектированию, разработке и сопровождению ИС, основанный на самоорганизации. Подход предусматривает включение в процесс управления жизненным циклом ИС контура обратной связи. В этом случае комплекс, состоящий из САБЕ-системы и ИС, можно рассматривать как единую систему с элементами самоорганизации, настраиваемую на новые требования конечного пользователя в процессе его эксплуатации.

3. Разработана модель системы, в которой ИС представляется в качестве объекта управления, а управляющим воздействием на нее является автоматически формируемая последовательность процедур.

с помощью которых ИС может перестаиваться. Управляющее воздействие вырабатывается на основе данных обратной связи, которые являются оценкой результатов функционирования ИС, даваемых пользователем. Разработаны операторы расчета оценок, а также алгоритмы самоорганизации на примере БД ИС.

4. На основании предложенной модели процессов построения и эксплуатации ИС, разработана архитектура инструментальных программных средств, состав, функции и назначение компонент инструментария, необходимых для создания и функционирования ИС с элементами самоорганизации. Инструментарий рассматривается как гипотетическая экспертная система. состоящая из четырех функциональных подсистем.

5. Предложенный подход по созданию ИС с элементами самоорганизации реализован в системе "САПРИС". Приводится схема функционирования "САПРИС", описание технологии работы конечного пользователя с ней, а такяе основных и вспомогательных видов работ пользователя с создаваемой им ИС. С помощью "САПРИС" была спроектирована и построена информационно-справочная система "ИНОФИРМА", которая была внедрена в Главном управлении науки и техники Мосгорисполкома.

Результаты выполненной работы нашли свое отражение в следующих научных публикациях:

I. А.Г. Солнцев, A.B. Рогожкин. В.Н. Цой "Автоматизация плановой деятельности рабочих органов межправительственной комиссии по сотрудничеству социалистических стран в области вычислительной техники - новый шаг в обеспечении реализации проблем КП НТП

СЭВ". Электронизация народного хозяйства, ГКВТИ СССР, N2, 1990 г.

2. Пакет прикладных программ "ФОРМАТ". Программная документация. ЦЕНТРПРОГРАММСИСТЕМ, г. Калинин, 1983 г.

3. Солнцев А.Г. "Взаимодействие ППП "ФОРМАТ" с базами данных СУБД ОКА". Всесоюзная научно-техническая конференция "Программные средства как продукт производственно-технического назначения", Калинин 1985 г.

4. А.Г. Солнцев "Технология разработки программного обеспечения АРМов для определенного класса задач организационного управления". Вопросы оборонной техники. Сб. Сер.З. вып.З 233,1990 г.

5. Технорабочий проект АБД САПР. М. ЦНИИ информации. 1981. Инв. N НТД ИКП - 100 - 155.

6. Хазанович В.Н.. Бунин D.H., Белоконь А.К., Солнцев А.Г. "Вопросы управления данными в автоматизированных банках данных". Зарубежная военная техника. Сер.VIII, 1980 г.. вып.1.

7. "Исследование и разработка вопросов непроцедурного обращения к банку данных и организация функционирования автоматизированного банка данных". Отчет по теме "Перспектива -81" .М.: ЦНИИ "Монолит". 1981. PK - У82464, ИК - Г14958. Инв. N 896