автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методического аппарата для создания информационной системы предприятий хлебопекарной промышленности региона

005049938

На правах рукописи

Тишковский Дмитрий Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ХЛЕБОПЕКАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕГИОНА

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (информационные и технические системы)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2013

? I ФЕВ 2013

005049938

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Атрощснко Валерий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Видовский Леонид Адольфович ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»,

заведующий кафедрой вычислительной техники и автоматизированных систем управления

кандидат технических наук, доцент Бухонский Михаил Иванович ФГБОУ ВПО «Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М.Буденного» Министерства обороны Российской Федерации (филиал), г. Краснодар, кафедра технической защиты информации

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный

аграрный университет» (г. Краснодар)

Защита диссертации состоится «27» марта 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.04 в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корпус Г, аудитория Г-248

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Автореферат разослан «14» февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.100.04, канд. техн. наук, доцент

А.В. Власенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время перспективы развития пищевой промышленности в целом и предприятия хлебопекарной отрасли в частности находятся в зависимости от состояния информационных систем. На современном этапе к факторам, определяющим перспективы развития информационных систем предприятий хлебопекарной промышленности (ИС ПХП) относятся следующие:

Во-первых, принятие государством новой технической политики, предопределяющей необходимость обеспечения техническими и программными средствами этих систем такого качества, которые позволят выполнять возложенные на них сложные задачи контроля, учета и управлении. А так же позволит интегрироваться в большие системы.

Во-вторых, жесткие экономические ограничения на создание и эксплуатацию информационных систем.

Следовательно, разработка ИС ПХП и их элементов требует решения ряда научно-методических, задач связанных с разработкой универсальной структуры информационной системы и выбором соответствующего программного обеспечения, снижением затрат на проектирование, вводом в эксплуатацию, обслуживанием программных и технических средств, а также повышением их надежности.

В настоящее время разработка информационных систем производится различными производителями на основе существующих в настоящее время средств проектирования, создания и поддержки баз данных. Таковыми средствами являются системы управления базами данных (СУБД) и САЭЕ-среды. Разработка различных структур БД и их нормализация производится ими на основе подходов и методов теории множеств, теории графов, теории оптимизации и реляционной алгебры. При этом вопросу унификации и типизации информационных систем для конкретной отрасли уделяется недостаточное внимание.

В свою очередь, унификация и типизация ИС ПХГ1 имеет большое значение для обеспечения единых стандартов и норм в отрасли и требует наличия научно-обоснованного методического аппарата.

Исходя из вышеизложенного, задача разработки научно-методического аппарата для создания ИС ПХП является актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка и теоретическое обоснование методик проектирования ИС ПХП, обеспечивающих повышение их производительности и эффективности использования.

Задачи исследования:

- разработка методики исследования, моделирования, анализа предметных областей ИС ПХП;

- разработка методики синтеза оптимальных структур предметных областей ИС ПХП;

- реализация предложенных методик в информационных системах предприятий отрасли в виде программного обеспечения.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с применением теории множеств, теории графов, аппарата математической логики, системного анализа, ЕЯ-методов, методов реляционной алгебры.

Научная новизна выполненных в диссертационной работе исследований заключается в разработке методик синтеза ИС ПХП по модульному принципу и состоит в следующем:

1.Разработана методика описания предметной области ИС ПХП.

2.Разработана аналитико-графовая модель предметной области ИС ПХП.

3.Осуществлена постановка задачи создания оптимальных ИС ПХП по

минимуму времени транзакций и запросов.

4. Разработана методика синтеза оптимальных структур ИС ПХП.

Практическая ценность работы заключается в разработке и апробации методик синтеза различных по назначению информационных систем на предприятиях отрасли, которые позволили создать программные комплексы для ИС ПХП реализующие основные алгоритмы работы, имеющие минимальное время

обработки информации и более низкую стоимость разработки по сравнению с известными аналогичными комплексами.

Испытания методик показали, что программные комплексы, разработанные на их основе, могут быть как интегрированы в существующие системы, так и поставляться как независимые программные решения, полностью покрывая потребности отрасли и отвечающие требованиям нормативно-техническим стандартам этой области.

Разработанный методический аппарат может быть использован для проектирования унифицированных ИС и выбора ПО на любом уровне иерархии предприятий отрасли.

Реализация научно-технических результатов в промышленности. В настоящее время результаты исследования, включая методический аппарат для создания ИС ПХП и созданное на его основе прикладное программное обеспечение используется следующими организациями, что подтверждается актами внедрения:

Закрытое акционерное общество «Кубаньхлебпром» - в качестве научно-обоснованного методического аппарата, позволяющего проводить квалифицированный аудит, оценку и оказание консалтинговых услуг промышленным предприятиям в области создания информационных систем различных предприятий.

Открытое акционерное общество «Афипский хлебокомбинат» - методика оптимального синтеза информационной системы используемой на предприятии.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на конференции:

- международная иаучно-практическая конференция «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XXI века» (г. Краснодар, 2009 г.);

- I межвузовская научно-практическая конференция (г. Краснодар, 2010 г.);

- II научно-техническая межвузовская конференция (г. Краснодар, 2012 г.);

- III международная научно-практическая конференция «Научные чтения им. профессора Н.Е. Жуковского» (г. Краснодар, 2012 г.).

Публикация результатов работы. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 5 статей в рецензируемых журналах входящих в перечень ВАК для публикации научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Разработка обобщенной унифицированной структуры ИС ПХП.

- Методика системного анализа и описания предметной области ИС ПХП.

- Теоретико-графовая модель предметной области ИС ПХП.

- Целевая функции оптимальности функционирования ИС ПХП и ограничения в задачах логического синтеза (системные, сетевые и структурные).

- Методика оптимального синтеза ИС ПХП.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложениях, изложенных на 168 страницах. Работа содержит 12 рисунков, 23 таблицу и библиографию из 85 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ В первой главе.

К основным целям создания и развития ИС ПХП относятся:

- создание единого информационного пространства, следствиями чего являются ускоренный доступ к информации, повышение качества документации хозяйственной деятельности;

- мониторинг и управление качеством выпускаемой продукции и как результат снижение вероятности ошибки, и возможных финансовых последствий;

- повышение прозрачности деятельности предприятия и эффективности принимаемых управленческих решений;

- сокращение издержек технологических процессов.

Большой выбор технологических подходов и информационных технологий, существующих в данное время, даёт широкий простор при создании и использовании информационных систем.

Предприятия хлебопекарной промышленности в своем составе могут заниматься различной хозяйственной деятельностью:

- розничная торговая сеть;

- торговля сопутствующими товарами и продуктами питания;

- услуги по доставке собственной продукции транспортом предприятия и т.д.

Таким образом, на основе рассмотренных предприятий можно построить обобщенную структуру информационной системы предприятий хлебопекарной промышленности для Краснодарского края, представленную на рисунке 1.

(¿1

( > ( Л г л

| Отдел снабжения Лаборатория Магазины

1 : у -.. V, У

1—ТМЦ— Заявка не ТМЦ

г

1111 1р!

Производство

II II

_1_

Отдел управления I

Сотрудн?

продукциям; . з™,». Эхследиция ппошводство V

1« 8 |

I 3

II

Отдел логистики транспорта

Розничные покупатели

Юридический отдел

§8

II

III

??

?1

С ФОнди. ор/анЫ I финансово)» I

контроля, прочие ! но коммерческие I ч организации У

...

Банк

Рисунок 1 — Обобщенная структурная схема информационной системы предприятий хлебопекарной промышленности

Так же следует учитывать, что предприятия хлебопекарной промышленности могут быть территориально распределёнными и в этом случае часть функций так же частично разделяется по территориям, а часть должна дублировать-

Во второй главе.

В случае с предметной областью ИС предприятия необходимо использовать некоторый компромиссный вариант, который с одной стороны, ориенти-

рован на конкретные бизнес-процессы и функциональные потребности предприятия, а с другой стороны, должен учитывать возможности наращивания новых информационных элементов и связей.

Для начального анализа предметной области ИС будем использовать диаграммы потоков данных (DFD - Data Flow Diagramm) [4].

Так как источником первичной информации в ИС выступают «Поставщики», то их можно считать «внешними сущностями». К внешним сущностям также отнесем «Заказчиков» и «Верхний уровень». Под «Заказчиком» подразумевается субъект-покупатель продукции элемента ИС предприятия ХПП. Под «Верхним уровнем» будем понимать систему, элементом которой является проектируемая ИС (ИС района, региона, федерального уровней).

Потоками данных в нашем случае будут данные, получаемые от поставщиков, которые в дальнейшем обрабатываются, передаются и хранятся, а также команды и запросы, циркулирующие между коммуникационным оборудованием. В общем случае согласно нотации «Йордона - Де Марко» схема функционирования ИС представлена на рисунке 2.

Поставщик

Запрос на поставку ресурсов

Учетные данные

Отчетная информа

ч

/

Покупатель

J

Готовая продукция

Запрос на получение данных

Хранимые данные

Запрос на получение хранимых данных

V,

База данных

Рисунок 2 - DFD-диаграмма функционирования ИС ХПП

Эта диаграмма представляет самый верхний описательный уровень. Уточнение модели производится путем декомпозиции необходимых объектов.

Структура информации от поставщиков, а также формат передаваемых данных определяется в соответствии с правилами ведения документооборота оговоренных сторонами взаимодействия. Однако для документов существуют мииимальный набор передаваемых данных, необходимый для обеспечения единого стандарта. Этот набор регламентирован законодательством РФ (инструкции, правила, типовые формы).

Результаты исследования основных категорий пользователей ИС ХПП, их функциональных обязанностей представлены на рисунке 3.

Отдел информатизации

Руководители

ужба

Служба логистики

Директора ТО! 1-мснеджсры

службы

Бухгалтер Финансовый отдела Экономического отдела

Службы клиентов Транспортный отдела

Группа ТУ и патентов Группа сертификации Группы рекламы и маркетинга

Коммерческая служба

Служба обеспечения

I Служба производства

Группы оборудования Группы пищевых добавок

Группы упаковки

Отдела продуктов питания

Юриста; Специалист но работе с

____персоналом_

Отдел безопасное гп

Служба технического обслуживания

I руппн строительства

11роп чводствснного отдела Группы качества продукции

Рисунок 3 - Основные категории пользователей ИС ХПП

Таким образом, модель предметной области может быть представлена в виде следующих множеств:

где

Мщю=<и.&1У.ЗЛО>,

и = /к = [1, АГ0]} — множество пользователей; 0 = /г = [!,/?„]} - множество узлов вычислительной сети (ВС); О'' = {</;'// = [1,/]} - множество групп данных; 3 = {з/р = [1,Р0]} _ множество запросов пользователей; К = /5 = [1,£()]} множество транзакций;

0 = \\о./) = [1,7]|| — множество локальных баз метаданных (ЛБмД).

(о

Формализовано модель предметной области описывается с помощью множеств {и,<2,0',3,К.О} и булевых матриц смежности.

Основной задачей является разработка информационной системы автоматизации. В соответствии с поставленной задачей система должна описывать все необходимые объекты и свойства ИС ХПП, а также предусматривать режимы ведения системного каталога, отражающего перечень входных и выходных данных, которые представляют собой объекты автоматизации.

В результате исследования потоков входных и выходных документов сформированы группы документов:

- договорные документы;

- первичные бухгалтерские документы;

- документы поддержки бизнес-процессов;

- отчётные документы.

Таким образом, в результате проведенного выше анализа была получена аналитико-множественная модель предметной области ИС ХПП, в которой выделены основные элементы:

- множество групп данных;

- множество запросов пользователей;

- множество транзакций;

- множество пользователей;

- множество ЛБмД.

Данная методика исследования позволяет выявить полноту и непротиворечивость по всем множествам предметной области, а также взаимосвязи между ними. Результаты данного исследования и анализа могут быть использованы при построении канонической модели базы данных ИС ХПП

Основной составляющей информационной системы являются базы данных. Таким образом, задача обеспечить предприятие информационными ресурсами сводится к задаче синтеза оптимальных логических структур распределенных баз данных (РБД).

В третьей главе.

Синтез оптимальной логической структуры РБД, рассматривается как процесс поиска оптимального варианта отображения канонической структуры РБД в логическую, обеспечивающего оптимальное значение заданного критерия эффективности функционирования корпоративных информационных систем и удовлетворяющего основным системным, сетевым и структурным ограничениям. При отображении канонической структуры в логическую группы данных объединяются в типы логических записей с одновременным распределением их и ЛБмД репозитария по узлам ВС. Сложность решения задач синтеза определяется их большой трудоемкостью, связанной с необходимостью учета большого числа параметров и характеристик хранимой в РБД и ЛБмД репозитария информации, запросов и транзакций.

Результаты, полученные на этапе синтеза оптимальной логической структуры РБД, являются исходными для проектирования физической структуры ЛБмД репозитария, а также логических структур локальных и сетевых БД, эффективных сетевых протоколов, обеспечивающих предотвращение взаимоблокировок и появления тупиковых ситуации при функционировании корпоративных информационных систем.

Логическая структура РБД и структура размещения ЛБмД репозитария должны обеспечивать сохранение семантических свойств информационных элементов и связей между ними, зафиксированных в канонической структуре РБД с учетом ограничений, накладываемых параметрами СУРБД и локальных СУБД, аппаратных средств передачи данных, топологией ВС и требованиями различных режимов функционирования корпоративных информационных систем.

Можно выделить следующие характеристики систем:

1.Стоимостные характеристики функционирования РБД.

2.Объемные характеристики функционирования РБД.

3.Временные характеристики функционирования РБД.

Содержательная постановка задачи синтеза оптимальной логической структуры РБД формулируется следующим образом: по известным характери-

стикам Рц, Рд, Рц, /',, Рк, Рп соответственно, множеств пользователей РБД, узлов ВС, групп данных канонической структуры РБД, детерминированных запросов и транзакций, а также ЛБмД репозитария необходимо определить:

а) логическую структуру РБД в виде множества типов логических записей Н={Ь,} и отношений между ними л'"1 =|"й"||;

б) размещение типов записей ч*"' = Цу|| и ЛБмД репозитария Ч""1 =||//;"'|по серверам узлов ВС, которые обеспечивают оптимальное значение заданного критерия эффективности функционирования АИУС при сетевых, системных и структурных ограничениях, т.е. выполнить преобразование

М (Р„, /'„, Р„, Р,, />., р,) > Л© (Р1Ю„, Р„ш}, (2)

где {"'(; ->,,»)- оператор синтеза, обеспечивающий оптимум заданной целевой функции; Роов - множество характеристик оптимальной логической структуры РБД, Ррвм - оптимальная структура размещения ЛБмД репозитария по узлам ВС.

Результаты решения задач синтеза позволяют определить:

- состав, структуру, характеристики типов логических записей отношения между ними;

- размещение типов записей в ВС и использование их процедурами обработки данных;

- структуру размещения ЛБмД репозитария по узлам ВС.

В качестве основных критериев оптимальности информационной системы используются:

- минимум общего времени обработки множества запросов или транзакций;

- минимум общего времени параллельной обработки множества запросов и транзакций, в т.ч. при наличии многопроцессорных серверов.

В случае проектирования ИС ПХП необходимо обеспечить гарантированный уровень качества проектных решений для заданного множества пользователей (классов пользователей). Для проектирования логических структур РБД в этом случае целесообразно использовать минимаксные критерии. Задача синте-

за логической структуры РБД, минимизирующей максимальное время реализации множества запросов и транзакций, инициируемых различными классами пользователей формализуется следующим образом:

{,, Уш!я,«)',"а»т»-{х"'у"' > ■> (3)

где т„ — время выполнения "рабочей нагрузки" н,,-го класса пользователей (н, еи).

Выражение для тн представляет собой логическую компоновку выражений (4) и (6).

Задача синтеза по критерию минимума общего времени последовательного выполнения множества транзакций формулируется следующим образом [1,3]:

^ + + с,)] +Е5=14г2 № + + 2Г|)} >(4)

где переменная г„г определяет множество узлов-серверов ЛБД, к которым обращается «-транзакция:

'о I 'о 7

г,,.., = 1, если 2:1; Г(1.2=о,если Т^Цу^Л, = 0;

/=1 ¡=1 Ы ы

I 1

г',г2 = 1, если Елгг^'л ^1; -0, если = 0;

¿■I

3 J

г"^ = 1, если X * 1; г",,3 = О, если X = 0 ■

Аргументами целевой функции (4) являются координаты бинарного вектора, но для удобства трактовки они сгруппированы в 3 бинарные матрицы: Хц— включена ли группа данных в логическую запись; Уч-г - размещена ли логическая запись на сервере узла ВС; Урз- располагается ли ЛБмД репозитария на сервере узла ВС. Для задачи синтеза оптимальной логической структуры РБД в ИС ПХП некоторые характеристики можно, например, временные, определяемые конкретными характеристиками технических элементов, применяемых в информационных системах, считать постоянными:

с=/■■+/„+/*.

Тогда вид целевой функции (4) упрощается следующим образом: , V,, • ) = /•"!( ^) + -у,г) + ^ (*» -Л,).

где

() ■= ^Е £ Е ъ 11-^г/Е < • ^

^(х.-у,г) = /<ЕЕ^XЕ/ ЕЕ(»'- • );

К / I

1-1

£(*£-у.,

/(хх) — это единичная функция от произведений соответствующих бинарных матриц хх, при этом

[{хх) =0, если хх< 0, 5; ¡(хх) =1, если хх> 0, 5 ), а произведения хх определяются следующими выражениями соответственно:

«= • Г» ; «= ЕЕК-'У"- •*.)■ /.1 ,=1 1-1

Общий вид функции /(хх) представлен на рисунке 4.

/м

о

0 0,5 хх

Рисунок 4 - Единичная функция Для решения данной задачи существенными являются следующие ограничения [1-3]:

1) В матрице х„ в каждой строке только одна 1, остальные 0.

2) В матрице х„ в каждом столбце не более чем .Р, единиц.

3)В матрице в каждой строке не менее одной 1 и не более кк01\ штук 1, остальные 0.

Требуется наити такие Хц, Ум и У]г3, при которых целевая функция (2) достигает минимума при указанных ограничениях.

Задача синтеза по критерию минимума общего времени последовательного выполнения множества запросов имеет следующую целевую функцию [3]:

+ с2 + СР2(1 + 2^14Г2)) + £с3] +

¿г2Л (6)

где

'о ' 'о /

2 , = 1, если ЕЕ^'-гЧл, ^ 1; =о,если ХХ-^ЧЛ, =0;

(=1 1=1 " (=1 ы

I I

= I, если Х-У'г2Кх.1 -1; г',„2=0,если =0;

/=1 ы

./ у

гА',„, = I, если X — 1; г*,,) = 0, если X =0,

при указанных выше ограничениях. Аналогично (4), вид целевой функции упрощается:

. г„) = + /^-Л-), (7)

где функции имеют вид:

= ./(и .г,,У|;

к,I /».I г,.1 ,-,.1^ V /-! ))

= 'У"- •**>);

,„1 г,-1 м V »■-< )

а постоянные функции оптимизации определяются следующим образом:

в>

Если необходима оптимизация сразу и по транзакциям, и по запросам, то для задачи синтеза оптимальной логической структуры РБД возможно применение суммы целевых функций (4) и (6):

Выражение (5) обладает тем недостатком, что слагаемые могут оказаться разного масштаба. Для исключения этого недостатка можно нормировать каждое слагаемое (5):

где /•;""" - абсолютный минимум (6), Г\""- абсолютный минимум (4), достигаемые при значениях хц=0, у,г2-0 и У/,•_?=/.

Методика яиялиза и решения целевых функции оптимизации.

Для задачи синтеза оптимальной логической структуры РБД, с учётом рассматриваемых ограничений, решение в данном случае, определяется следующим образом:

1.Целевая функция (4) линейна по переменным , ¿¡г2 и г\г2 , я целевая функция (6) - и соответственно (8) или (9) - квадратична по переменным гмрг3, грг2 и г'рг2, которые в свою очередь нелинейно определяются независимыми аргументами ,г,7, у,г2 и Все гм!Гз и 2"ргз, полностью определяемые только У,>.?, для системы без ограничений должны быть равны 1, т.к. только они вычитаются, а все остальные добавляются. Это возможно только при матрице все элементы которой 1, что определяет размещение ЛБмД на всех узлах.

2.Для идеальной системы без ограничений все г„2 и а также все и г'рг2, должны быть равны 0. Но это невозможно из-за ограничений, поэтому нулевых должно быть как можно больше. Причём тех, чьи весовые коэффициенты в целевой функции (4) или (6) максимальны.

Таким образом, необходимо обнулить как можно больше г!г2 и г\г2 , грг2 и г'рг2. Это возможно только двумя способами с помощью независимых аргументов Хц и у„2- Первый - с помощью пар произведений Хц ■ у,г2, т.е. как можно меньше должно быть тех индексов I, при которых есть 1 как в х„, так и в у1г2.

ПХ^У^Г») = ГЛХ;пУ,г,У<г3)+Г1Лх1пУ,г,У1г,) ■

(8)

При принятом ограничении ^таких столбцов с 1 вх„ минимум (7 = ^ +1 штук, где I- количество групп данных.

Второй - с помощью обнуления скалярного произведения столбцов матриц или \г'р1 на строки матрицы хи (т.е. выбором ортогональной строки *„), причём тех индексов в или р, которые соответствуют в-му или р-му весовому коэффициенту целевой функции (4) или (6), наибольшему среди остальных. Заметим, что веса попарных произведений в (6) переменных грГ2-г'рГ2 более значимы, чем веса линейных по 2рг2 и ¿рг2 слагаемых.

3.Если в столбце х„ есть хоть одна 1, то в соответствующей строке у,г2 должна быть только одна 1, причём обязательно в одном и том же столбце г2.

4.Для переменных 2рг2-т!рг2 , грг2 и г'рг2, г,г2 и л'„.2 необходимо учитывать все их весовые коэффициенты. Расстановка весов одинакова грг2-г'рг2 и г'рг2, т.е. можно учитывать только веса, например, г'рг2, сопоставимые с весами г',г2.

Таким образом, в данном случае пошаговый алгоритм вычисления оптимального решения для целевых функций (4), (6) и (8) или (9) имеет следующий вид:

Шаг 1.

а) Для транзакций вычисляются весовые коэффициенты перед переменными г'!г2 и г!г2 в целевой функции (5):

С,=С^1<Р1)и -*£«£«*{>„) .

б) Для запросов вычисляются весовые коэффициенты перед переменными

грг2-г',,гз. и г),,., в целевой функции (7):

*-1 А-|\.<-1-| ) к=1 1^(1=] )

Шаг 2.

а) Для транзакций (5) ранжируются С, и В5 с сохранением номера по убыванию. Если предположение об одинаковости порядков номеров в них не выполнено, то далее можно использовать только С„ но решение будет приближённо оптимальным.

б) Для запросов (7), где используются квадратичные зависимости по грг, ранжируются В_СР , С,, и Вр - с сохранением номера по убыванию. Следует проверить, что предположение об одинаковости порядков номеров в них выполнено и тогда далее можно использовать только В_Ср .

в) Для суммарной целевой функции (8), где используется оптимизация по транзакциям и запросам, ранжируются вместе В_СР иС,с сохранением номера р и - по убыванию, а для (9), где используется нормирование целевых функций, ранжируются вместе В_С,, /2 и С/2 /•'""" с сохранением номера р и .V по убыванию.

Шаг 3.

а) Для транзакций (5) выбирается 1-й элемент ранжированного по убыванию массива, т.е. максимальный, номер С5 (из массива С3 он после использования удаляется). В матрице и^,- выбирается 5-тая строка. С, определяет номер строки, куда переносятся 1 в заполняемый столбец матрицы решения хц, пока их менее чем Р,. Этим соблюдается второе ограничение.

б) Для запросов (7) выбирается 1-й элемент ранжированного по убыванию массива, т.е. максимальный, номер В_СР\ (из массива В_СР он после использования удаляется). В матрице \х<!р1 выбирается р-тая строка. В_СР определяет номер, куда переносятся 1, в заполняемый столбец матрицы решения Хц, пока их менее чем Р,.

в) Для суммарной целевой функции (8) выбирается 1-й, т.е. максимальный, номер В_СР или С„. Для (9) это номер В_СР/2/•'""" или С/2/7™" (из массива В_СР или С, он удаляется после использования). В матрице или выбирается р-тая или .у—я строка. В_СР или С5 определяет номер р-ой или я-ой строки, куда переносятся 1, в заполняемый столбец матрицы решения хц, пока их менее чем

При дублировании 1 или наличии 1 в этой строке уже ранее заполненных столбцов, перенос игнорируется. При превышении Л перенос производится в следующий незаполненный пустой столбец хи (при наличии 1 в этой строке уже ранее заполненных столбцов, перенос игнорируется).

Далее весь процесс повторяется до тех пор, пока соответствующие массивы коэффициентов не опустеют.

Шаг 4. Матрица решения хи заполнена. Матрица решения у,г2 заполняется только одной 1 в каждой из строк, остальные 0. При нулевых столбцах в хи , в соответствующей строке может быть только к'"" единиц, что соответствует ограничению:

. ■ (Ю)

ы

где к""" - максимально допустимое количество копий ¡-н логической записи.

Шаг 5. Матрица решения заполняется только 1. Здесь рассматривается ограничение не более к*"" штук в каждой из строк:

IX <к*"', (11)

Г=1

где к"" - максимальное количество допустимых копий у'-й ЛБмД. Алгоритм заполнения с учётом ограничения (11) требует учёта других весовых кои ргЗ-

эффициентов при переменных zMsr3 и z"pr3

Матрицы независимых аргументов xit , у,г2 и YJr3 заполнены. Решение найдено.

В четвертой главе.

Алгоритмы реализованы на языке программирования С# в IDE Microsoft Visual Studio 2010. Листинг программы представлен в приложении диссертации.

Ветвление осуществляется одновременно по двум множествам переменных ^ = fe/' = l-.I,t = l..t0}i У = {>>„./г = I..R„,t = 1 ..t„}каж;цое ш КОТОрЫХ

образует поддерево дерева ветвления.

В результате решения задачи получено взаимоотношение групп данных и логических записей, размещение баз метаданных в этих вычислительных узлах,

кроме того получено взаимоотношение вычислительных узлов и размещения в них баз данных (Рисунок 5).

5

Оптимальный по транзакциям

Рисунок

Оптимальный по запросам

Оптимальный по транзакции+запросы

— Схема ветвления транзакций и запросов

Анализ полученных вариантов решения приведен в таблице 1. Таблица 1 - Полученные варианты решения в соответствии с типовыми

данными вычислительных систем

№ Целевая функция Значение целевой функции, с Сравнение с абсолютным минимумом, % Скорость обработки данных, %

1 По транзакциям 1.423*105 24% 8

По транзакциям (существующее решение) 1.503*105 31%

2 По запросам 8.416* 104 66% 19

По запросам (существующее решение) 9.235*10" 82%

3 По транзакциям и запросам 2.374*10' 44% 25

По транзакциям и запросам (существующее решение) 2.713*105 64%

Скорость обработки данных, %

> Скорость обработки данных, %

По транзакциям По запросам По транзакциям

и запросам

Рисунок б - Измененние скоростных показателей работы ИС ПХП

При разработке информационных систем предприятий хлебопекарной промышленности следует использовать модульный принцип построения, при котором выбираются заранее разработанные модули с необходимым функционалом для конкретного бизнес процесса. При использовании такого подхода основные сложности разработки и внедрения связаны с синтезом информационных систем между собой и со смежными ИС ПХП.

Таблица 2 - Результаты экономической оценки ИС ПХП

Показатель При построении ИС ПХП с использованием предлагаемого методического аппарата (С,), тыс. р. При построении ИС ПХП без использования предлагаемого методического аппарата (С,), тыс. р.

0 5000

2 000 0

0 0

5, 1800 б ООО

5е 3 800 11000

— общая стоимость разработки и привязки типовых и индивидуальных

программных модулей;

5"<1М— общая стоимость системной отладки типовых и индивидуальных модулей;

5гн- общая стоимость разработки типовых и индивидуальных информационных массивов;

5, - общая приведенная стоимость эксплуатации типовой модульной ИС.

Экономическая эффективность от внедрения методического аппарата рассчитывается по выражению:

к = (12) с,

где С, - приведенная стоимость разработки без использования методического аппарата;

С2 - приведенная стоимость разработки с использованием методического аппарата.

Эффективность полученного методического аппарата составила 65%.

В заключении перечислены научные и практические результаты, полученные автором в ходе исследований. Предложены направления дальнейших исследований в области проектирования и создания ИС ПХП.

В приложениях представлены листинги программы синтеза, акты внедрения диссертационной работы.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Проведен комплексный анализ существующих ИС ПХП и определены их общие и различные особенности функционирования предприятий.

2.Разработана обобщенная унифицированная структура ИС ПХП.

3.В результате анализа методологии исследования и описания предметных областей были проанализированы основные алгоритмы работы существующих информационных систем, потоки информации и разработана методика исследования и описания предметной области базы данных ИС ХПП.

4. С помощью методики системного анализа определено полное множество входных и выходных параметров унифицированных баз данных типовых ИС ХПП.

5.Составлена методика проектирования аналитической, теоретико-графовой модели предметной области ИС ХПП. Обозначены основные этапы создания указанной модели, включающие выделение элементов модели и взаимосвязей между ними.

6.Выделены основные характеристики ИС ПХП.

7. Предложена методика оптимального синтеза ИС ПХП.

8.Предложены основные ограничения в задачах логического синтеза (системные, сетевые и структурные).

9. Создано тестовое программное обеспечение для демонстрации применения методического аппарата. Данное программное обеспечение представляет собой программный комплекс, реализующий методику создания ИС ПХП.

10. Произведена оценка эффективности использования методического аппарата.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Атрощенко В.А., Тишковский Д.В. К вопросу выбора методов учета электроэнергии при построении автоматизированных систем учета электроэнергии на предприятиях хлебопекарной промышленности //Труды КубГТУ. -2004,- №4;

2.Тишковский, Д.В. Информационные системы предприятий хлебопекарной промышленности //Труды КубГАУ. 2009. - №4

3.Атрощенко В.А., Тишковский Д.В. К вопросу выбора методов синтеза оптимальных структур распределенных баз данных на предприятиях хлебопекарной промышленности //Труды КубГАУ. 2009. - №4

4.Атрощенко В.А., Тишковский Д.В. К вопросу выбора алгоритмов решения задачи синтеза оптимальных структур распределенных баз данных на предприятиях хлебопекарной промышленности //Пищевые технологии КубГТУ. 2009. -№4

5.Тишковский, Д.В. Синергизм информационных систем предприятий хлебопекарной промышленности //Межвузовская конференция 2012

6.Тишковский, Д.В. Особенности методики создания информационной системы предприятий хлебопекарной промышленности/ Д.В. Тишковский // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 4; URL: www.science-edueation.ru/104-6824 (дата обращения: 10.10.2012).

7.Атрощенко В.А., Тишковский Д.В. Математическое обеспечение информационной системы предприятий хлебопекарной промышленности региона // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 5; URL: www.science-education .ш/105-7152 (дата обращения: 10.10.2012).

8.Тишковский, Д.В. К вопросу эффективности информационных систем. Международная научно-практическая конференция «Научные чтения им. Н.Е. Жуковского», г. Краснодар, 2012.

Подписано в печать 06.02.2013. Печать трафаретная. Формат 60x84 'Лб. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 экз. Заказ № 801.

Отпечатано в ООО «Издательский Дом-ЮГ» 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2, корп. «В», оф. В-120, тел. 8-918-41-50-571

Кубанский государственный технологический университет

Тишковский Дмитрий Васильевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО АППАРАТА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ХЛЕБОПЕКАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕГИОНА

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (информационные и технические системы)»

Диссертация на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В.А. Атрощенко

Краснодар - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ.........................................................................................................2

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРЕДРИЯТИЙ ХЛЕБОПЕКАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ... 6

1.1 Цели и задачи информационных систем предприятий хлебопекарной промышленности.........................................................................................................6

1.2 Анализ технологических подходов построения ИС ПХП................................8

1.3 Анализ архитектур существующих ИС ПХП..................................................10

1.4 Анализ функционального назначения систем ИС ПХП.................................12

1.5 Постановка научной цели и задачи исследования..........................................16

1.6 Выводы.................................................................................................................17

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕДПРИЯТИЯ............18

2.1 Выбор методики описания предметной области информационной системы предприятия................................................................................................18

2.2 Определение категорий пользователей ИС ПХП в зависимости от реализуемых ими функций.......................................................................................22

2.3 Теоретико-графовая модель предметной области распределенной ИС ПХП............................................................................................................................28

2.4 Разработка методики моделирования баз данных ИС ПХП..........................40

2.5 Выводы.................................................................................................................54

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ СИНТЕЗА ОПТИМАЛЬНОЙ ИС ПХП.....................................................................................................................55

3.1 Определение целевой функции синтеза и её ограничений.............................55

3.2 Алгоритм вычисления оптимального решения для транзакций....................63

3.3 Алгоритм вычисления оптимального решения для запросов........................68

3.4 Алгоритм вычисления оптимального решения для суммарного...................73

времени транзакций и запросов...............................................................................73

3.5 Выводы.................................................................................................................76

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОПТИМИЗАЦИИ ИС ПХП..................................................................................78

4.1 Оптимизация ИС ПХП по транзакциям............................................................78

4.2 Оптимизация ИС ПХП по запросам..................................................................80

4.3 Оптимальное решение для ИС ПХП по временным параметрам..................83

4.4 Оценка эффективности применяемого методического аппарата..................87

4.5 Применение разработанного методического аппарата при построении ИС ПХП............................................................................................................................91

4.6 Выводы.................................................................................................................92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................93

Список литературы................................................................................................95

Приложение А — Акт внедрения 1......................................................................102

Приложение Б — Акт внедрения 2......................................................................103

Приложение В - Листинг программы для расчета значений целевых функций...................................................................................................................104

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время Краснодарский край является ведущим регионом Российской Федерации в области выращивания, переработки зерна и производства хлебобулочных изделий.

Для эффективного функционирования современного хлебопекарного предприятия необходимо проводить постоянный мониторинг рынка хлебобулочных изделий; работы, направленные на расширение ассортимента и внедрение его в производство; осуществлять постоянный контроль качества выпускаемых изделий. С другой стороны, продукция хлебозаводов должна реализовываться через торговые сети и различные магазины, а сами хлебозаводы должны обеспечивать снабжение хлебом и хлебобулочными изделиями довольно обширные территории.

Для решения указанных выше задач существуют разнообразные информационные системы, реализованные практически на каждом предприятии хлебопекарной промышленности Краснодарского края.

При создании информационных систем неизбежно возникают проблемы, связанные с формальным - математическим и алгоритмическим описанием решаемых задач. От степени формализации во многом зависят эффективность работы всей системы, а также уровень автоматизации, определяемый степенью участия человека при принятии решения на основе получаемой информации. Данные факты, распределенный характер размещения предприятий хлебопекарной промышленности и усложняющийся характер функционирования делают построение комплексного методического аппарата для создания распределенных информационных систем актуальной проблемой.

Целью диссертационной работы является разработка научно-методического аппарата для создания информационных систем предприятий хлебопекарной промышленности (ИС ПХП), обеспечивающих повышение их производительности и эффективности использования.

Поставленные задачи.

Поставленная научная задача предполагает решение частных научных задач исследования:

- анализ современного состояния вопросов проектирования программного обеспечения ИС ПХП;

- разработка методики исследования, моделирования, анализа предметных областей ИС ПХП;

- разработка методики построения оптимальных объектно-ориентированной БД ИС ПХП;

- реализация предложенных методик в информационных системах предприятий отрасли в виде программного обеспечения.

Методы исследования.

При решении поставленных в диссертации задач использовались теория множеств, теория графов, методы линейной алгебры, методы объектно-ориентированного программирования. Программная реализация разработанных методик осуществлялась с помощью на объектно-ориентированных программных продуктов в среде 1С. Внедрение результатов работы.

Исследования подтверждаются актами внедрения результатов в ЗАО «Кубаньхлебпром» и ОАО «Афипский хлебокомбинат».

Технологические решения, применяемые в системе, позволяют автоматизировать хлебопекарные предприятия любой структуры и уровня. Объём и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложения, изложенных на 168 страницах. Работа содержит 12 рисунков, 23 таблицы и библиографию из 85 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРЕДРИЯТИЙ ХЛЕБОПЕКАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

1.1 Цели и задачи информационных систем предприятий хлебопекарной

промышленности.

Информационная система предприятия хлебопекарной промышленности (ИС ПХП) представляет собой совокупность программно-технических средств, а так же баз данных и баз знаний, предназначенных для автоматизации разнообразных процессов, протекающих на предприятиях хлебопекарной промышленности и объединяющих их в единое информационное пространство.

Основными целями разработки ИС ПХП являются следующие:

- создание единого информационного пространства и п овышение качества документации хозяйственной деятельности;

- мониторинг и управление качеством выпускаемой продукции;

- повышение прозрачности деятельности предприятия и эффективности принимаемых управленческих решений;

- сокращение издержек технологических процессов.

Существуют различные пути, посредством которых на предприятии компьютеризация используется для достижения целей, указанных выше. Выделяют следующие направления, которые определяют диапазон функциональных возможностей ИС ПХП:

1. Сбор, регистрация данных.

Регистрация данных позволяет ускорить процесс обработки информации, планировать использование оборудования, а, следовательно, повысить его эффективность в рамках конкретной отрасли.

2. Обеспечение обмена имеющейся информацией и создание единого информационного пространства, что позволяет осуществлять одновре-

менный доступ различных специалистов к необходимой информации, а также контроль системы ведения документов.

3. Хранение и поиск информации.

Позволяет осуществить быстрый поиск необходимых сведений и избежать дублирования информации. Электронные архивы документов существенно облегчают и ускоряют подготовку рутинных отчётов и могут служить основой для использования алгоритмов интеллектуального анализа данных с целью поиска их закономерностей.

4. Статистический анализ данных.

Обработка статистической информации позволяет в удобной форме рассчитывать интересующие характеристики и представлять их в наглядной форме для дальнейшего анализа экспертами.

5. Контроль эффективности и качества выпускаемой продукции.

Осуществление контроля над этапами производства и логистики со стороны руководителей или опытных специалистов привлекаемых как внутри организации, так и за её пределами может существенно повысить качество продукции, где под термином «продукция» речь идет не только о конечном продукте, но и о таких факторах как оперативность приема заказов, повышение точности доставки, соблюдение графика и т.д.

1.2 Анализ технологических подходов построения ИС ПХП.

Большой выбор технологических подходов и информационных технологий, существующих в данное время, даёт широкий простор при создании и использовании информационных систем.

ИС ПХП можно разбить на группы в зависимости от объема информационных потребностей предприятий и выделить следующие группы:

Начальный уровень. Данной группе соответствует локальная вычислительная сеть (ЛВС), насчитывающая до 10 АРМ или АРМ, работающие в автономном режиме. Она решает только часть задач: правовые системы (консультант плюс, гарант), работа бухгалтерии (1С) и экономистов, делопроизводство.

Средний уровень. К этой группе относятся предприятия, которые обеспечили создание локальной вычислительной сети с сервером для выполнения существующих задач. В таких информационных системах присутствуют сотрудники, отвечающие за сопровождение вычислительной техники (администрирование, мелкий ремонт, обслуживание АРМ). Численность АРМ составляет 20-30 или около того. Налажена первичная обработка данных с использованием АРМ.

Корпоративная система. Данная система принципиально отличается от предыдущих потому, что объединяет несколько зданий и комплексов среднего уровня, территориально удаленных друг от друга, связь с которыми осуществляется через "Интернет" с использованием современных сетевых информационных технологий. Это позволяет объединить все информационные процессы, протекающие в организации. Таким образом, до среднего уровня добавляются все остальные недостающие звенья для ведения полноценной деятельности в электронном виде: рабочие места для производственного персонала, лаборатории, диспетчерских пунктов, транспортных предприятий и т.д.

При этом большое значение при создании ИС ПХП имеет выбор серверной и клиентской части. В зависимости от того, какие задачи решает предприятие и соответственно к какому из уровней оно относится, отличаются и технологические подходы к созданию ИС ПХП. При создании ИС ПХП необходим выбор серверной и клиентской части.

Сетевая операционная среда (управление сервером).

Наиболее распространёнными сетевыми операционными средами (ОС), используемыми в ИС являются операционные системы MS Windows. Среди базового программного обеспечения эти операционные системы в настоящее время занимают лидирующие позиции. Сложившаяся ситуация обусловлена высокой распространенностью в России, наличием большого количества обучающих центров, наличием специальной литературы, наличием квалифицированных кадров, а так же простотой в освоении и использовании. До недавнего времени ОС MS Windows имели относительно низкие показатели стабильности и отказоустойчивости. Так же, следует отметить, к качестве негативного фактора операционных систем Windows является высокая стоимость лицензионной продукции и достаточно высокая аппаратная ресурсо-емкость.

В связи с ужесточением ответственности по ФЗ-72 «ОБ АВТОРСКОМ ПРАВЕ И СМЕЖНЫХ ПРАВАХ» так же получили распространение операционные системы на основе UNIX (LINUX), в том числе и в ИС ПХП. Данные системы имеют более высокие показатели стабильности, безопасности, доступности, надёжности, а так же хорошая поддержка многопроцессорных платформ. Сдерживающим фактором распространения является малая доля совместимого прикладного программного, недостаточное количество обучающих центров и специальной литературы.

1.3 Анализ архитектур существующих ИС ПХП.

Одно из основных требований к сложным информационным системам это обеспечение возможности совместного использования данных многими пользователями. Централизованные базы данных с сетевым доступом предполагают следующие архитектуры: двухуровневая (файл-сервер) и трехуровневая (клиент-сервер).

Двухуровневая архитектура.

На данный момент распространена в ИС ПХП именно эта модель. При построении системы по двухуровневой архитектуре в сети создается выделенный ресурс, где располагаются базы данных с которыми работают все пользователи.

Следует отметить, что достоинством такой архитектуры является простота настройки, а так же она требует минимальных интеллектуальных вложений. В качестве недостатков же следует отметить следующее - для работы с выделенным ресурсом необходим высокий уровень сетевого доступа (вплоть до администраторских прав), что создает дополнительный риск т.к. велика вероятность повреждения базы данных из-за неверных действий клиента, а так же несанкционированного доступа к информации. Производительность такой ИС существенно снижается при одновременной интенсивной работе пользователей (10-15 АРМ) с одними и теми же данными, что так же является немаловажным фактором.

Трехуровневая сервер-клиент-сервер приложений. [34]

Такая архитектура является предпочтительной для информационных систем среднего и корпоративного уровня, потому что совмещает в себе преимущества модели сетевых вычислений, высокие характеристики производительности и облегчение администрирования.

Для современных СУБД, поддерживающим трехуровневую архитектуру сетевых вычислений, относятся базы данных построенные по следующим принципам.

Сервер.

1. Реляционные. Как правило, все варианты SQL: mySQL, ms SQL, InterBase, Oracle и др.

2. Объектно-ориентированные (документооборот): 1С , Lotus Domino.

Клиент.

Интерфейс пользователя разрабатывается с помощью таких инструмен-тариев как SAP AG,MS Sharepoint, 1С, С++, FoxPro, Lotus Notes, и т.д. Клиентская часть может быть разработана как в виде "толстого" так и в виде "тонкого" клиента. Для "толстого" клиента характерно, что большая часть приложения выполняется у клиента, но при этом требуется установка - инсталляция на компьютер пользователя клиентской части приложения и/или некоторых исполняемых библиотек. В случае разработки "тонкого" клиента выполнение поставленных задач на сервере, при этом на компьютерах пользователей не требуется установка (инсталляция) приложения, вся работа осуществляется из стандартных Internet-браузеров (Google Chrome, MS Internet Explorer, Mozilla FireFox, Opera и др.)[2,66]. Оба варианта имеют обширное распространение в настоящее время, и оба варианта имеют как преимущества, так и недостатки. Например, в случае использования "толстого" клиента снижается нагрузка на сервера баз данных и при этом происходит значительное снижение загрузки сети, но при этом увеличиваются аппаратные требования и повышается стоимость разработки клиентского программного обеспечения. В случае использования "тонкого" клиента требуется наличия высокопроизводительного сервера в сочетании с качественными компонентами локальной вычислительной сети. При ограниченном количестве пользователей такой вариант приемлем для ИС ПХП среднего уровня. Стоимость программного обеспечения уменьшается, т. к. снижается стоимость лицензирования и сертификации на рабочих местах.

Сервер приложений.

На нем размещается бизнес-логика и выполняется вся обработка данных. А компьютеры пользователей - предоставляют возможность посылать запросы и получать обработанную информацию, то есть работают, по сути, в режиме "тонкого клиента", терминала.

1.4 Анализ функционального назначения систем ИС ПХП.

Так как предприятия хлебопекарной промышленности в своем составе могут заниматься и иной хозяйственной деятельностью, то им свойственны следующие дополнительные функции:

- розничная торговая сеть

- торговля сопутствующими товарами и продукта�