автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка методов и средств анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов в проектировании автоматизированных систем

На правах рукописи

ГАЙНУЛЛИН РИНАТ ФАЯЗОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ ДИАГРАММАТИКИ БИЗНЕС-ПРОЦЕССОВ В ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ИД!"] 2014

Ульяновск, 2014

005548023

005548023

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» Ульяновского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Афанасьев Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Заболеева-Зотова Алла Викторовна

доктор технических наук, профессор, ст. научн. сотр., ФГБУН Институт системного анализа РАН г. Москва, лаборатория «Методы и системы поддержки принятия решений»

Тарасов Владимир Георгиевич

кандидат технических наук, профессор, профессор ИжГТУ, кафедра «Программное обеспечение»

Ведущая организация: ФНПЦ ОАО «НПО МАРС»

Защита состоится 18 июня 2014 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.277.01 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу: 432027, г. 'Ульяновск, ул. Северный Венец, 32 (ауд. 211, Главный корпус).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета. Также диссертация и автореферат размещены в Internet на сайте УлГТУ — http://www.ulstu.ru/

Автореферат разослан 17 апреля 2014

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профе

Смирнов Виталий Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Подход к проектированию и реинженирингу автоматизированных систем (АС), в основу которого положено системное представление организации и функционирования АС в виде бизнес-процессов, является в настоящее время одним из эффективных и активно применяемых на практике.

Под понятием «бизнес-процесс» понимают регулярно повторяющуюся последовательность комплексов мероприятий, направленных на удовлетворение потребностей потребителя с целью извлечения полезных эффектов.

Для представления и обработки бизнес-процессов широкое распространение получили средства диаграмматики, использующие графические нотации языков иМЬ, ГОЕБ, ВРМК БРЭ, ЕЯ-диаграмм и других. Практика проектирования АС показала, что использование диаграмматики значительно повышает эффективность процесса проектирования и качество создаваемых систем за счет унификации языка взаимодействия участников процесса создания АС, строгого документирования проектно-архитектурных, функциональных решений и формального контроля корректности диаграммных нотаций.

Наиболее распространенным диаграмматическим инструментом, используемым на всех этапах создания АС, является язык иМЬ. Однако в современной теории и практике применения иМЬ-диаграмматики в проектировании АС наблюдается слабое развитие методов и средств анализа и контроля корректности проектируемых диаграмм. Отсутствуют средства контроля корректности семантической согласованности диаграммных нотаций в процессе коллективного проектирования. Данные факты открывают дополнительный источник трудно диагностируемых и «дорогих» ошибок в создании АС, их анализ и контроль является актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является расширение класса диагностируемых ошибок в процессе проектирования АС за счет развития и реализации методов и средств анализа и контроля диаграммных нотаций бизнес-процессов, что позволяет сократить ошибки и время создания АС.

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие задачи исследования.

1. Анализ существующих методов контроля диаграмматических нотаций бизнес-процессов в проектировании АС.

2. Анализ структурных особенностей диаграмматики описания бизнес-процессов. Разработка многоуровневой автоматной графической ЫУ-грамматики.

3. Анализ семантических особенностей графических нотаций бизнес-процессов. Разработка метода контроля семантической целостности комплекса диаграмм в процессе коллективного проектирования.

4. Анализ методов нейтрализации ошибок. Разработка алгоритма формирования множества комплексов продукций-продолжателей для автоматной графической ЛУ-грамматики.

5. Анализ методов метакомпиляции. Разработка метода синтеза таблицы автоматной графической ИУ-грамматики.

6. Разработка программного обеспечения, позволяющего производить эффективный анализ и контроль графических нотаций бизнес-процессов в диаграмматике иМЬ.

Объектом исследования является применение диаграмматики бизнес-процессов при разработке АС.

Предметом исследования являются модели, методы и средства анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов, используемые для выявления синтаксических (топологических) и семантических ошибок.

Методы исследования основаны на использовании положений и методов теории множеств, теории графов, теории автоматов, теории формальных языков, теории графических языков, математической лингвистики, теории искусственного интеллекта, а также использовании основ системотехники и теории автоматизированного проектирования.

Научная новизна определяется разработанными методами и средствами анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов, основу которых составляют авторские графические грамматики. В результате исследований получены следующие результаты.

1. Предложен новый метод анализа и контроля диаграмматических нотаций бизнес-процессов на основе автоматных многоуровневых графических ЯУМ-грамматик, отличающийся введением понятия «сабтерма», учитывающий комплексную и иерархическую природу диаграмматических нотаций бизнес-процессов и позволяющий расширить класс диагностируемых ошибок за счет возможности определения ошибок, распределенных по взаимосвязанным диаграммам.

2. Предложен новый метод анализа и контроля семантических ошибок диаграмматических нотаций бизнес-процессов в составе комплексной диаграммы, созданной в процессе коллективного проектирования, на основе автоматных графических ЯУ-грамматик, отличающийся использованием

4

графовой модели отношений понятий семантической текстовой информации диаграмм и позволяющий расширить класс ошибок, диагностируемых в процессе проектирования АС, и, тем самым, сократить время проектирования АС. Извлечение семантической информации из диаграммных нотаций происходит при помощи адаптированного метода лексико-синтаксических шаблонов.

3. Предложен новый метод синтеза автоматной графической RV-грамматики, отличающийся оригинальностью текстовых правил описания конструкций диаграмматических нотаций бизнес-процессов, ориентированных на использование в метакомпиляторе, обеспечивающих полноту описания их особенностей и позволяющих автоматически сформировать таблицу RV-грамматики, включая операции с внутренней памятью.

4. Впервые предложен алгоритм формирования множества комплексов продукций-продолжателей для автоматной графической RV-грамматики, позволяющий эффективно продолжать анализ с минимальным количеством пропущенных термов входного предложения диаграмматической нотации бизнес-процесса, что повышает производительность труда проектировщика и сокращает время разработки АС.

Практическая ценность

Практические результаты диссертационной работы:

1) разработан анализатор диаграмматических моделей потоков бизнес-процессов вопросно-ответной системы моделирования АС;

2) разработан синтаксически-ориентированный анализатор UML-диаграмм для MS Visio, позволяющий обнаруживать допущенные при построении диаграмм синтаксические ошибки;

3) разработана архитектура системы анализа и контроля корректности диаграммных спецификаций, предлагающая полный набор функциональности для анализа и контроля синтаксических и семантических ошибок.

На защиту выносятся следующие новые и содержащие элементы новизны основные положения:

1) метод анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов на основе многоуровневых графических RVM-грамматик;

2) метод анализа и контроля семантических ошибок диаграмматических нотаций бизнес-процессов в составе комплексной диаграммы;

3) метод синтеза автоматной графической RV-грамматики;

4) алгоритм автоматического формирования комплексов-продолжателей;

5) разработанные программные средства анализа и контроля синтаксических и семантических ошибок.

Реализация и внедрение результатов работы. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 13-07-00483. Разработанные программные средства внедрены в производственные процессы ФНЦП ОАО «НПО «Марс» (г. Ульяновск), производственный процесс ООО «Эквид» (г. Ульяновск), учебный процесс Ульяновского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских конференциях: 9-й и 10-й Международных научно-технических конференциях «Интерактивные системы: Проблемы человеко-компьютерного взаимодействия / ИС-2011, ИС-2013», г. Ульяновск, 2011 и 2013; III и VI международных научно-практических конференциях «Объектные Системы-2011» и «Объектные Системы-2012», г. Шахты, 2011 и 2012; Всероссийских научно-технических конференциях «Информатика и вычислительная техника», г. Ульяновск, 2010, 2011, 2012, 2013; Всероссийских школах-семинарах «Информатика, моделирование, автоматизация проектирования», г. Ульяновск, 2010, 2011, 2012, 2013; научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава УлГТУ 2010, 2011, 2012, 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 3 в журналах списка ВАК. Получено 3 СВИДЕТЕЛЬСТВА (РОСПАТЕНТ) об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка, изложенных на 174 страницах машинописного текста, а также приложения на 15 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 21 таблицу. Список литературы включает 167 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту и описана структура диссертации.

В первой главе «Использование и реализация диаграмматических нотаций бизнес-процессов в проектировании АС» проводится анализ предметной области исследований. Рассмотрены ее основные понятия: «проектная деятельность», «бизнес-процесс», «системный подход в проектировании)), а также проанализированы обобщенные подходы к проектированию и структурные элементы процесса проектирования.

Обоснованы место и роль днаграмматических нотаций UML в процессе проектирования и разработки АС.

Проанализирована структура UML, описаны его основные графические примитивы и общая структура нотаций, проанализирован синтаксис языка.

На примере RUP рассмотрена методология проектирования АС с применением днаграмматических нотаций UML. Исследованы основные этапы разработки АС по методологии и определены применяемые на каждом этапе Анаграмматические модели.

Проанализированы современные, имеющие широкое применение на практике средства создания днаграмматических моделей бизнес-процессов в процессе проектирования АС. Рассмотрены функциональные возможности с точки зрения мощности анализа и контроля следующих редакторов: MS Visio, Visual Paradigm, IBM Rational Software Architect.

Проведен анализ синтаксических моделей диаграммных графических языков с акцентом на логические синтаксические модели, лежащие в основе анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов. Рассмотрены формализмы графических грамматик, представлены их определения, описана область применения грамматик. Сформулированы достоинства и недостатки существующих формализмов.

Сформулирована постановка задачи, в которой выделяются существующие проблемы в рассматриваемой предметной области и намечаются пути их решения в рамках диссертационной работы.

Во второй главе «Разработка методов синтаксического и семантического анализа и контроля днаграмматических нотаций бизнес-процессов, созданных в процессе коллективного проектирования» рассмотрены проблемы и способы их решения при разработке днаграмматических спецификаций в коллективном проектировании сложных АС.

При коллективном проектировании диаграмматические модели имеют сложную иерархическую структуру (комплексные диаграммы), количество термов в них увеличивается многократно. Классическая графическая RV-грамматика становится громоздкой, ее разработка усложняется, не обеспечивается контроль взаимосвязанных вершин и диаграмм комплексных моделей. Для устранения этих недостатков предложен аппарат многоуровневых грамматик.

Рассмотрим многоуровневую систему взаимодействующих RV-грамматик, представленную в виде кортежа из четырех элементов:

RVM=<n,Z",RV".ra>,

где п — индекс грамматики;

— алфавит п-й грамматики;

ЯУ" — множество продукций п-й грамматики;

'о - аксиома грамматики верхнего уровня.

Грамматика Я V содержит в качестве одного из состояний грамматику ЯУ. Грамматика ЯУ1 также может быть составной.

ЯУ" — грамматикой языка Цв) является упорядоченная пятерка непустых множеств О = (У, Е, Е, Я,г0), где

V = {V/,/ = 1,1} — алфавит операций над внутренней памятью;

Е = {а(4 — I,Г} — терминальный алфавит графического языка (множество примитивов графического языка);

Е = {а,,I = 1, Т} - квазитерминальный алфавит, являющийся расширением терминального алфавита. Алфавит включает:

— квазитермы графических объектов, не являющихся продолжателями анализа,

— квазитермы графических объектов, имеющих более одного входа,

— квазитермы связей — меток с определенными для них семантическими различиями,

— квазитерм для завершения анализа;

Л = {г(,/ = 1,/} — схема грамматики О (множество имен комплексов продукций, причем .каждый комплекс /; состоит из подмножества Репродукций г, = [Ру,] = и});

г0 е Я аксиома ИУ-грамматики (имя начального комплекса продукций), гк е Я — заключительный комплекс продукций.

Продукция Ру е /- имеет вид:

где ГГ..(у,,..., уп) - п-арное отношение, определяющее вид операции над внутренней памятью в зависимости от у е {0,1,2,3};

г„, е Я — имя комплекса продукции — преемника.

В структуру внутренней памяти входят стеки для обработки графических объектов, имеющих более одного выхода, и эластичные ленты для обработки графических объектов, имеющих более одного входа.

Система ЛУМ получает с входной ленты символы терминального алфавита и передает их на соответствующий уровень.

Элементы, которые переводят грамматику на другой уровень, назовем «сабтермами». Тогда описание ЯУ"-грамматики принимает вид:

где £ — множество сабтермов, т.е. элементов грамматики, переводящих автомат на следующий более низкий уровень.

Продукция, содержащая сабтерм, имеет вид:

где Го+1 — комплекс-преемник — начальный комплекс грамматики следующего уровня, - комплекс-преемник, к которому производится переход при достижении

При коллективном проектировании важным является контроль онтологической согласованности комплекса проектируемых диаграмм. Ошибки такого типа являются семантическими. В этом плане для анализа семантической корректности предложено использовать многоуровневую грамматику. Верхним уровнем многоуровневой грамматики является грамматика диаграмм вариантов использования, так как разработка АС, согласно методологии ГШР, начинается именно с этой диаграммы. В процессе анализа накапливается семантическая информация о предметной области в виде графа связей между семантическими понятиями (текстовой информацией), нагруженными к блокам и связям диаграмм. Каждая новая диаграмма анализируется на условия непротиворечивого расширения понятий предметной области.

При построении первых диаграмм проверяется только семантическая непротиворечивость внутри диаграммы: возможность использования понятий в семантической паре. При добавлении новых диаграмм проверяется согласованность диаграммы обособлено и на согласованность комплексной модели проектируемой АС.

Для проверки комплексной модели необходимо построить граф семантических связей между элементами АС. Для решения данной задачи выбран адаптированный метод лексико-синтаксических шаблонов.

Предложенный метод позволяет диагностировать следующие семантические ошибки: Большая синонимия, Антонимия объектов, Конверсивность отношений. Один из классов ошибок не контролируется предложенным методом — несовместимость объектов.

В третьей главе «Разработка метода синтеза RV-грамматик и алгоритма нейтрализации ошибок грамматики диаграмматических нотаций бизнес-процессов» рассматриваются вопросы метатрансляции описания грамматики диаграмматических нотаций бизнес-процессов. Метакомпилятор используется на этапе создания схемы RV-грамматики. Основная цель его применения — упростить работу по составлению правил грамматики, сохраняя эффективность анализа диаграммы. На входе метакомпилятор получает контекстно-свободное описание диаграммного языка, на выходе выдает описание автомата RV-грамматики в формате XML.

Процесс метакомпиляции состоит из нескольких этапов.

1. Лексический разбор описания диаграммного языка.

2. Синтаксический разбор и построение дерева разбора.

3. Анализ дерева разбора и построение промежуточной структуры грамматики в терминах языка спецификаций.

4. Трансляция - преобразование внутреннего представления в термины RV-грамматики.

5. Оптимизация и минимизация.

6. Сохранение таблиц RV-грамматики в формате XML.

Для описания синтаксиса языка UML разработаны БНФ-подобные правила. Левая часть правила содержит нетерминальный символ, следующий после зарезервированного слова Rule. Правая часть правила разделяется на две группы - блоки, представленные перечислением набора терминальных и нетерминальных символов, и связи между ними. Связи, в свою очередь, делятся на внутренние, описывающие отношения между терминальными и нетерминальными символами внутри правила, и внешние, связывающие правило с другими правилами.

Предложен метод синтеза автоматной графической RV-грамматики, заключающийся в построении таблицы автомата RV-грамматики и генерации операций с внутренней памятью, обладающих необходимой полнотой контроля, на основе анализа указанных выше правил.

Для решения задачи нейтрализации ошибок предложены автоматные графические RVC-грамматики, отличающиеся от RV-грамматик включением в квазитерминальный алфавит пар комплексов-продолжателей и позволяющие эффективно продолжить анализ в случае обнаружения ошибок в процессе разбора диаграммы. Для формирования продолжателей разработан следующий обобщенный алгоритм.

1. Выделить все области памяти, с которыми работает RV-грамматика.

2. Составить таблицу модификации памяти под воздействием каждого элемента алфавита грамматики.

3. Выделить парные элементы - элементы, которые работают с одной и той же областью памяти, но с разными операциями (чтение-запись).

Разработанные методы анализа и контроля позволяют диагностировать ошибки, разделенные контекстом, а также семантические ошибки, которые не определяются в большинстве современных редакторов.

В процессе исследования были выявлены следующие классы ошибок, встречающиеся в диаграммах иМЬ.

№ Тип ошибки ДИ ДА ДП ДК др

1 отсутствие связи + + + + +

2 ошибка передачи управления

3 ошибка кратности входов + +

4 ошибка кратности выходов +

5 недопустимая связь + + + + +

6 ошибка связи + + +

7 ошибка уровня доступа +

8 ошибка передачи сообщения + +

9 ошибка делегирования управления +

10 количественная ошибка элементов диаграммы + +

11 исключающие связи неверного типа +

12 вызов, направленный в линию жизни +

13 несвязанная связь + + + + +

14 нарушение кратности зависимостей + +

15 взаимоисключающие связи +

16 множественная связь +

17 бесконечный цикл +

18 кольцевые связи +

19 синхронный вызов до получения ответа +

20 ошибка удаленного контекста +

В таблице использованы следующие сокращения:

• ДИ — диаграмма использования,

• ДА - диаграмма активности,

• ДП — диаграмма последовательности,

• ДК — диаграмма классов,

• ДР — диаграмма развертывания.

Исследование современных систем создания диа грамматических нотаций UML показало, что они позволяют обнаруживать первые 16 из перечисленных типов ошибок. Авторский аппарат RVM-грамматик позволяет обнаруживать 4 дополнительных типа ошибок: множественная связь, кольцевые связи, синхронный вызов до получения ответа, ошибка удаленного контекста.

Ошибкой удаленного контекста называется ошибка, возникающая в парных элементах, например, условное ветвление и слияние условных ветвей, и характеризующаяся возможным присутствием неограниченного количества блоков и связей между ними. Примером такой ошибки может служить условное ветвление на диаграмме активности, которое предполагает исполнение только одной из возможных ветвей, и парное ему слияние параллельных ветвей, которое передает управление дальше только при достижении всех входных Связей. Такое сочетание элементов никогда не позволит достигнуть конца диаграммы.

В четвертой главе «Разработка программных средств реализации анализа и контроля диаграмматических нотаций бизнес-процессов» рассматриваются авторские разработки: анализатор диаграмматических моделей потоков бизнес-процессов вопросно-ответной системы моделирования АС, синтаксически-ориентированный анализатор UML-диаграмм для MS Visio, система анализа и контроля диаграмматики моделей бизнес-процессов, предлагающая полный набор функциональности для анализа и контроля синтаксических и семантических ошибок.

Алгоритм работы анализатора состоит из следующих шагов.

1. Проектировщик строит диаграмму в среде проектирования Visio.

2. С помощью разработанного расширения диаграмма преобразуется в XML-описание, которое содержит все элементы диаграммы и связи между ними. Описание не содержит информации о расположении элементов, т.к. данная информация не используется при разборе.

3. Анализатор принимает на вход XML-описание построенной диаграммы.

4. XML-описание преобразуется во внутреннее представление для работы анализатора. Внутреннее представление содержит описание диаграммы, аналогичное входному XML-файлу.

5. Последовательно, считывая элемент за элементом, анализатор производит анализ и контроль диаграммы.

6. По результатам анализа и контроля формируется список ошибок.

7. Список преобразуется в XML и возвращается в среду проектирования.

По полученному списку в редакторе отмечаются типы и местоположения

синтаксических и семантических ошибок, обнаруженных анализатором.

Разработана распределенная многоуровневая сетевая система анализа и контроля корректности диаграмматики бизнес-процессов (см. рисунок). г--Презентационный слой

Получает и

отвечает

на

запросы

Web \с

server

Трансформация в/из ХМШЭОЫ

Роутер

Супервизор Анализаторов

-Слой обработки данных-

Регистрация ошибок Операции с памятью

Нейтрализация ошибок

Инициализация внутренней памяти

Загрузка грамматики

Рисунок. Структура многоуровневой системы анализа н контроля диаграмматики бизнес-процессов

Инструментарий позволяет выполнять следующие основные функции для пользователя:

- создание диаграмм моделей бизнес-процессов с использованием различных графических языков;

- добавление новых нотаций в графические языки;

- анализ построенных диаграмм, с использованием аппарата ЯУМ-грамматик, по предварительно загруженным в систему описаниям языка и правилам анализа;

- добавление новых алгоритмов анализа с помощью плагинов;

- добавление синтаксических и семантических правил графических языков, для использования в RVM-анапизаторе;

- создание взаимосвязи между построенными проектировщиками диаграммами;

- одновременный доступ нескольких проектировщиков к базе данных построенных диаграмм.

Система позволяет эффективно проводить анализ и контроль, используя авторские механизмы RVM-грамматик и RVC-грамматик.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен новый метод анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов на основе автоматных многоуровневых графических RVM-грамматик.

2. Предложен новый метод анализа и контроля; семантических ошибок диаграмматики бизнес-процессов в составе комплексной диаграммы, созданной в процессе коллективного проектирования на основе автоматных графических RVM-грамматик. Авторский аппарат RVM-грамматик позволяет обнаруживать 4 дополнительных типа ошибок, что составляет 20 % от общего числа ошибок.

3. Предложен новый алгоритм формирования множества комплексов продукций-продолжателей для автоматной графической RV-грамматики.

4. Предложен новый метод синтеза автоматной графической RV-грамматики, позволяющий автоматически сформировать таблицу грамматики, включая операции с внутренней памятью.

5. Разработан анализатор диаграмматических моделей потоков бизнес-процессов вопросно-ответной системы моделирования АС.

6. Разработан синтаксически-ориентированный анализатор UML-диаграмм для MS Visio, позволяющий обнаруживать допущенные при построении диаграмм синтаксические и семантические ошибки.

7. Разработана и реализована архитектура системы контроля корректности диаграмматики бизнес-процессов, содержащая полный набор функциональности для анализа и контроля синтаксических и семантических ошибок.

Публикации в журналах, входящих в список ВАК

1. Афанасьев, А. Н, Программная система анализа диаграммных языков / А. Н. Афанасьев, Р. Ф. Гайнуллин, О. Г. Шаров // Программные продукты и системы.-2012.-№3.-С. 138-141.

2. Брагин, Д. Г. Анализатор диаграммных языков для диаграммного редактора Microsoft Visio / Д. Г. Брагин, Р. Ф. Гайнуллин // Информационные системы.-2013,-№6.-С. 18-21.

3. Афанасьев, А. Н. Метакомпилятор диаграммных языков / А. Н. Афанасьев, Р. Ф. Гайнуллин // Автоматизация процессов управления. — 2013.-№2.-С. 62-66.

Свидетельства о регистрации ПО для ЭВМ

4. Соснин П. И., Афанасьев А. Н., Гайнуллин Р. Ф. Анализатор диаграмматических моделей потоков проектных работ на основе UML. РОСПАТЕНТ: свидетельство № 2012612447 от 6 марта 2012г.

5. Афанасьев А. Н., Гайнуллин Р. Ф. Синтаксически-ориентированный анализатор UML-диаграмм для MS Visio. РОСПАТЕНТ: свидетельство № 2012617248 от 13 августа 2012г.

6. Афанасьев А. П., Брагин Д. Г., Гайнуллин Р. Ф. Сетевая система анализа и контроля диаграмматических моделей потоков проектных работ компьютеризированных систем. РОСПАТЕНТ: свидетельство № 2013661176 от 29 ноября 2013 г.

Другие публикации

7. Gainullin, R. Diagrams languages analysis software system / R. Gainullin // Interactive Systems: problems of Human — Computer Interaction. - Collection of scientific papers. - Ulyanovsk : ULSTU, 2011. -C. 157-161.

8. Afanas'ev, A. Methods and tools of the analysis of graphical business process notation in design of the automated systems / A. Afanas'ev, R. Gainullin II Interactive Systems: problems of Human - Computer Interaction. — Collection of scientific papers.-Ulyanovsk : ULSTU, 2013. -C. 76-81.

9. Afanas'ev, A. Client-server model for analysis of diagram languages / A. Afanas'ev, D. Bragin, R. Gainullin // Interactive Systems: problems of Human —

Computer Interaction. - Collection of scientific papers. -Ulyanovsk : ULSTU, 2013. - C. 85-89.

10. Gainullin, R. Ontology method of semantic arialysis and control UML-diagram / R. Gainullin // Interactive Systems: problems of Human - Computer Interaction. - Collection of scientific papers. - Ulyanovsk : ULSTU, 2013. -C. 122-128.

11. Гайнуллин, Р. Ф. Аналитический обзор по графическим грамматикам / Р. Ф. Гайнуллин // Информатика, моделирование, автоматизация проектирования : сборник научных трудов. - Ульяновск : УлГТУ, 2010. — С. 142-146.

12. Гайнуллин, Р. Ф. Анализ семантики диаграмм языка UML / Р. Ф. Гайнуллин // Информатика, моделирование, автоматизация проектирования : сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2011. -С. 104-108.

13. Афанасьев, А. Н. Система контроля диаграммных языков / А.Н.Афанасьев, Р.Ф.Гайнуллин // Объектные системы-2011: материалы III Международной научно-практической конференции. - Ростов-на-Дону : ШИ ЮРГТУ (НПИ), 2011. - С. 29-32.

14. Гайнуллин, Р. Ф. Разработка анализатора UML-диаграмм / Р. Ф. Гайнуллин // Информатика и вычислительная техника : сборник научных трудов. -Ульяновск: УлГТУ, 2011. - С. 166 -169.

15. Гайнуллин, Р. Ф. Разработка метода нейтрализации ошибок для анализатора диаграммных языков / Р. Ф. Гайнуллин // Информатика и вычислительная техника: сборник научных трудов. - Ульяновск : УлГТУ, 2011. -С. 169-174.

16. Афанасьев, А. Н. Анализ графических спецификаций потоков проектных работ на примере языка UML / А. Н. Афанасьев, Р. Ф. Гайнуллин // Вестник УлГТУ. -2010,-№4. - С. 42-45.

17. Гайнуллин, Р. Ф. Метод нейтрализации синтаксических ошибок в RV-грамматиках / Р. Ф. Гайнуллин // Информатика, моделирование, автоматизация проектирования : сборник научных трудов. — Ульяновск : УлГТУ, 2012. — С. 132-137.

18.Брагин, Д.Г. Анализатор диаграммных языков для Microsoft Visio / Д. Г. Брагин, Р. Ф. Гайнуллин // Объектные системы-2012 : материалы III Международной научно-практической конференции. — Ростов-на-Дону : ШИ ЮРГТУ (НПИ), 2012. - С. 40-45.

19. Афанасьев, А. Н. Распределенная система анализа и контроля диаграммных языков / А. Н. Афанасьев, Д. Г. Брагин, Р. Ф. Гайнуллин //

Информатика, моделирование, автоматизация проектирования : сборник научных трудов. - Ульяновск : УлГТУ, 2012. - С. 79-88.

20. Гайнуллин, Р. Ф. Контроль графических спецификаций в процессах коллективного проектирования автоматизированных систем / Р. Ф. Гайнуллин// Информатика и вычислительная техника : сборник научных трудов. - Ульяновск: УлГТУ, 2013.-С.31-39.

21. Гайнуллин, Р. Ф. Анализ диаграммных спецификаций потоков проектных работ в технологии ГШР / Р. Ф. Гайнуллин // Информатика и вычислительная техника : сборник научных трудов. — Ульяновск : УлГТУ, 2012. -С. 128-134.

Принятые сокращения и обозначения

RUP - Rational Unified Process AC — автоматизированные системы ГОСТ — государственный стандарт БНФ — форма Бэкуса-Наура UML - Unified Modeling Language

ГАЙНУЛЛИН Ринат Фаязович Разработка методов и средств анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов в проектировании автоматизированных систем АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать 16.04.14. Формат 60X84/16 Усл. п. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 492. ИВК «Венец» УлГТУ. 432027. Ульяновск, Сев. Венец, 32.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201459467 ^

Гайнуллин Ринат Фаязович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ ДИАГРАММАТИКН БИЗНЕС-ПРОЦЕССОВ В ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ

СИСТЕМ

Специальность: 05.13.12 -Системы автоматизации проектирования (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор кафедры «Вычислительная техника» Афанасьев Александр Николаевич

Ульяновск - 2014 г.

I

2

Принятые сокращения и обозначения.....................................................4

Введение......................................................................................................5

Глава 1. Использование и реализация диаграмматических

нотаций бизнес-процессов в проектировании АС............................11

1.1 Место и роль диаграмматических моделей бизнес-процессов в проектировании АС........................................................................11

1.2 Анализ использования диаграмматических нотаций бизнес -процессов в методологиях проектировании АС.............................21

1.3 Анализ методов контроля диаграмматических спецификаций в процессе проектирования бизнес-процессов..................................32

1.4 Анализ систем разработки диаграмматических спецификаций бизнес-процессов нотации 1/МЬ.....................................................47

1.5 Постановка задачи...........................................................................55

1.6 Выводы............................................................................................56

Глава 2. Разработка методов синтаксического и семантического

анализа и контроля диаграмматики нотаций бизнес-процессов,

созданных в процессе коллективного проектирования..................59

2.1 Обзор методов многоуровневых описаний.....................................59

2.2 Разработка метода описания многоуровневых грамматик анализа диаграмматических нотаций, созданных в процессе коллективного проектирования...............................................................................61

2.3 Оценка временных затрат многоуровневых грамматик..................73

2.4 Анализ методов построения онтологий..........................................78

2.5 Анализ языков описания онтологий................................................82

2.6 Исследование алгоритмов объединения#онтологий........................86

2.7 Разработка метода анализа и контроля семантических ошибок диаграмм при коллективном проектировании................................92

2.8 Выводы............................................................................................99

Глава 3. Разработка метода синтеза RV-грамматик и алгоритма нейтрализации ошибок грамматики диаграммных нотаций бизнес-процессов................................................................................101

3.1 Инструментальные средства метатрансляции................................102

3.2 Разработка структуры метакомпиляторадиаграмматических нотаций бизнес-процессов на примере языка UML......................105

3.3 Анализ методов нейтрализации ошибок в диаграмматических нотациях бизнес-процессов............................................................116

3.4 Разработка метода нейтрализации в графических грамматиках.... 125

3.5 Разработка алгоритма формирования множества продолжателей .127

3.6 Типы диагностируемых ошибок....................................................129

3.7 Выводы...........................................................................................136

Глава 4. Разработка программных средств реализации анализа и

контроля диаграмматическх нотаций бизнес-процессов...............138

4.1 Разработка анализатора графических нотаций для системы вопросно- ответного проектирования WIQA.................................138

4.2 Разработка плагина для редактора Microsoft Visio.........................143

4.3 Разработка сетевых систем анализ диаграмматики бизнес-процессов.......................................................................................149

4.4 Проведение эксперимента..............................................................156

4.5 Выводы и рекомендации................................................................157

Заключение..............................................................................................159

Список литературы.................................................................................160

Принятые сокращения и обозначения

ARIS - Architecture of Integrated Information Systems

BPMN - Business Process Model and Notation

CASE-средства - Computer-Aided Software Engineering - средства

DSL - domain-specific language

EPC - Event-driven Process Chain

IDEF - Integration Definition Metodology

OCL - Object Constraint Language

RUP - Rational Unified Process

AC - автоматизированные системы

ГОСТ - Государственный стандарт

Введение

Актуальность темы. Подход к проектированию и реинжинирингу автоматизированных систем (АС), в основу которого положено системное представление организации и функционирования АС в виде бизнес-процессов, является в настоящее время одним из эффективных и активно применяемых на практике.

Под понятием «бизнес-процесс» понимают регулярно повторяющуюся последовательность комплексов мероприятий, направленных на удовлетворение потребностей потребителя с целью извлечения полезных эффектов.

Для представления и обработки бизнес-процессов широкое распространение получили средства диаграмматики, использующие графические нотации языков иМЬ , ШЕБ, ВРМ1Ч, ББО, ЕЯ-диаграмм и других.

Практика проектирования АС показала, что использование диаграмматики значительно повышает эффективность процесса проектирования и качество создаваемых систем за счет унификации языка взаимодействия участников процесса создания АС, строгого документирования проектно-архитектурных, функциональных решений и формального контроля корректности диаграммных нотаций.

Наиболее распространенным диаграмматическим инструментом, используемым на всех этапах создания АС, является язык ЦМЬ. Однако в современной теории и практике применения ЦМЬ-диаграмматики в проектировании АС наблюдается слабое развитие методов и средств анализа и контроля корректности проектируемых диаграмм. Отсутствуют средства контроля корректности семантической согласованности диаграммных нотаций в процессе коллективного проектирования. Данные факты открывают дополнительный источник трудно диагностируемых и

«дорогих» ошибок в создании АС, их анализ и контроль является актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является расширение класса диагностируемых ошибок в процессе проектирования АС за счет развития и реализации методов и средств анализа и контроля диаграммных нотаций бизнес-процессов, что позволяет сократить ошибки и время создания АС.

В соответствии с поставленной целью в работе формулируются и решаются следующие задачи исследования.

1. Анализ существующих методов контроля диаграмма™ческих нотаций бизнес-процессов в проектировании АС.

2. Анализ структурных особенностей диаграматики описания бизнес-процессов. Разработка многоуровневой автоматной графической ЯУ-грамматики.

3. Анализ семантических особенностей графических нотаций бизнес-процессов. Разработка метода контроля семантической целостности комплекса диаграмм в процессе коллективного проектирования.

4. Анализ методов нейтрализации ошибок. Разработка алгоритма формирования множества комплексов продукций-продолжателей для автоматной графической ЯУ-грамматики.

5. Анализ методов метакомпиляции. Разработка метода синтеза таблицы автоматной графической ЯУ-грамматики.

6. Разработка программного обеспечения, позволяющего производить эффективный анализ и контроль графических нотаций бизнес-процессов в диаграмматике ЦМЬ.

Объектом исследования является применение диаграмматики бизнес-процессов при разработке АС.

Предметом исследования являются модели, методы и средства анализа и анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов,

используемые для выявления синтаксических (топологических) и семантических ошибок.

Методы исследования основаны па использовании положений и методов теории множеств, теории графов, теории автоматов, теории формальных языков, теории графических языков, математической лингвистики, теории искусственного интеллекта, а также использовании основ системотехники и теории автоматизированного проектирования.

Научная новизна определяется разработанными методами и средствами анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов, основу которых составляют авторские графические грамматики. В результате исследований получены следующие результаты.

1. Предложен новый метод анализа и контроля диаграмматических нотаций бизнес-процессов на основе автоматных многоуровневых графических Ю/М-грамматик, отличающийся введением понятия сабтерма, учитывающий комплексную и иерархическую природу диаграмматических нотаций бизнес- процессов и позволяющий расширить класс диагностируемых ошибок за счет возможности определения ошибок распределенных по взаимосвязанным диаграммам.

2. Предложен новый метод анализа и контроля семантических ошибок диаграмматических нотаций бизнес-процессов в составе комплексной диаграммы, созданной в процессе коллективного проектирования, на основе автоматных графических ЯУ-грамматик, отличающийся использованием графовой модели отношений понятий семантической текстовой информации диаграмм и позволяющий расширить класс ошибок, диагностируемых в процессе проекгирования АС, и, тем самым, сократить время проектирования АС. Извлечение семантической информации из диаграммных нотаций происходит при помощи адаптированного метода лексико-синтаксических шаблонов.

3. Предложен новый метод синтеза автоматной графической RV-грамматики, отличающийся оригинальностью текстовых правил описания конструкций диаграмматических нотаций бизнес-процессов, ориентированных на использование в метакомпиляторе, обеспечивающих полноту описания их особенностей и позволяющих автоматически сформировать таблицу RV-грамматики, включая операции с внутренней памятью.

4. Впервые предложен алгоритм формирования множества комплексов продукций-продолжателей для автоматной графической RV-грамматики, позволяющий эффективно продолжать анализ с минимальным количеством пропущенных термов входного предложения диаграмматической нотации бизнес-процесса, что повышает производительность труда проектировщика и сокращает время разработки АС.

Практическими результатами диссертационной работы являются.

1. Разработан анализатор диаграмматических моделей потоков бизнес-процессов вопросно-ответной системы моделирования АС.

2. Разработан синтаксически-ориентированный анализатор UML-диаграмм для MS Visio, позволяющий обнаруживать допущенные при построении диаграмм синтаксические ошибки.

3. Разработана и реализована архитектура системы анализа и контроля корректности диаграммных спецификаций бизнес-процессов, предлагающая полный набор функциональности для анализа и контроля синтаксических и семантических ошибок.

На защиту выносятся следующие новые и содержащие элементы новизны основные положения:

1) метод анализа и контроля диаграмматики бизнес-процессов на основе многоуровневых графических RVM-грамматик;

2) метод анализа и контроля семантических ошибок диаграмматических нотаций бизнес-процессов в составе комплексной диаграммы;

3) метод синтеза автоматной графической RV-грамматики;

4) алгоритм автоматического формирования комплексов-продолжателей;

5) разработанные программные средства анализа и контроля синтаксических и семантических ошибок.

Реализация и внедрение результатов работы. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 13-07-00483. Разработанные программные средства внедрены в производственные процессы ФНЦП ОАО «НПО «Марс» (г. Ульяновск), производственный процесс ООО «Эквид» (г. Ульяновск), учебный процесс Ульяновского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и Всероссийских конференциях: 9-ой и 10-ой международных научно-технических конференциях «Интерактивные системы: Проблемы человеко-компыотерного взаимодействия / ИС-2011, ИС-2013», г. Ульяновск, 2011 и 2013; 111 и VI международных научно-практических конференциях «Объектные Системы-2011» и «Объектные Системы-2012», г. Шахты, 2011 и 2012; Всероссийских научно-технических конференциях «Информатика и вычислительная техника», г. Ульяновск, 2010, 2011, 2012, 2013; Всероссийских школах-семинарах "Информатика, моделирование, автоматизация проектирования", г. Ульяновск, 2010, 2011, 2012, 2013; научно-практических конференциях профессорско -преподавательского состава УлГТУ 2010, 2011, 2012, 2013.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе 3 в журналах списка ВАК. Получено 3 СВИДЕТЕЛЬСТВА (РОСПАТЕНТ) об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Глава 1. Использование и реализация диаграмматических нотаций бизнес-процессов в проектировании АС

Целыо данной главы является исследование подходов и методов проектирования бизнес-процессов в разработке АС. Рассматривается структурная модель бизнес-процесса в разрезе проектирования АС. Проведен анализ современных сред проектирования диаграммных спецификаций и их возможностей по анализу и контролю различных классов ошибок.

1.1 Место и роль диаграмматических моделей бизнес-процессов в проектировании АС

Под бизнес-процессом в АС понимается устоявшийся алгоритм действий, реализуемый исполнителем с потреблением входных ресурсов (материальных и/или информационных), создающий ценность и направленный на получение стабильного результата [70,160,137,80]. Целыо разработки и моделирования бизнес-процессов является выявление значимых аспектов деятельности, на автоматизацию которых направлена проектируемая АС.

Проектирование АС с использованием подхода, основанного на модельном представлении бизнес-процессов, производится в соответствии со следующими этапами [79].

1. Выделение одного глобального бизнес-процесса, который обуславливает деятельность всей системы.

2. Проведение анализа бизнес-процессов, необходимых для функционирования глобального бизнес-процесса. Выделяется множество более мелких процессов, которые обеспечивают исполнение глобального.

3. Ранжирование выделенных бизнес-процессов. Обычно производится анализ по критериям важность и проблематичность. Первый критерий определяет место выделенного бизнес-процесса в общей картине разработки. Это определяющий критерий очередности разработки.

Критерий проблематичность определяет сложность реализации автоматизированной версии бизнес-процесса. После оценки затрат на реализацию некоторые бизнес-процессы признаются нерентабельными к автоматизации и исключаются из дальнейшего рассмотрения. Данный критерий фактически является фильтром бизнес-процессов по критерию реализуемости.

4. Непосредственно описание бизнес-процесса. Описание состоит из выявления цели, окружения, функциональной структуры, различных потоков, алгоритмов и организационной структуры бизнес-процесса. Цели бизнес-процесса - это ценности или результаты, которые собираются достигнуть исполнители, выполняя бизнес-процесс. Цели ставят для оценки полученного результата и для задания общего курса работы.

Окружение бизнес-процесса - это все множество внешних элементов, с которыми взаимодействует бизнес-процесс как отдельная единица. К окружению относятся входы и выходы бизнес-процесса, с указанием поставщиков и потребителей. Поставщики могут быть как внешними, так и внутренними. Для лучшего анализа рекомендуется составить графическое представление как в примере на рис. 1.1.

5. Следующие два этапа традиционно выполняются совместно. Выделяют структурные особенности бизнес-процесса и потоки внутри процесса. Для анализа строят множество действий внутри бизнес-процесса и определяют взаимосвязь их входов и выходов.

Построенная схема является базой для построения алгоритма бизнес-процесса. На основе схемы строятся список ограничений на входы и выходы действий. Определяются требования на качество и время исполнения действия исполнителем.

Рис. 1.1. Схема бизнес-процесса

Таким образом, модельное представление АС в виде бизнес-процессов обладает следующими особенностями:

• бизнес-процессы имеют иерархическую структуру;

• бизнес-процесс не изолированная система - каждый бизнес-процесс функционирует в окружении, который определяет множество входов и выходов бизнес-процесс;

• у каждого бизнес-процесса есть «заказчик»;

• у каждого бизнес-процесса есть «исполнитель».

После анализа основных потоков работ, используемых в мастер технологии 1ШР, было выявлено использование понятия бизнес-процесса в проектировании АС. Результаты анализа этапа «Деловое моделирование» представлены в Приложении 1. На рис. 1.2 в качестве примера представлено графическая интерпретация бизнес-процесса «Требование участников системы». Бизнес-процесс определяет цели и направления

развития разрабатываемой АС и создается бизнес-аналитиком на ранних этапах проектирования АС.

Определение

Атрибуты требований

Рис. 1.2. Б�