Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время проектирование, произ
водство, внедрение и реинжиниринг сложных систем, использующих про
граммное обеспечение, сталкивается с рядом принципиальных проблем, оказы
вающих негативное влияние на их успешность. В зарубежной теории и практи
ке такой класс систем получил название систем, интенсивно использующих
программное обеспечение (Software Intensive Systems - SIS). Выделение таких
систем в отдельный класс (около 20 лет назад) было вызвано проблемой успеш
ности их создания (непозволительно высокий выход разработок за рамки запла
нированных временных, финансовых и функциональных параметров). В
российской нормативной базе классу SIS близок класс автоматизированных си
стем (АС), который подчинен классу SIS.
Для снижения негативных влияний на разработку SIS за последние годы в теорию и практику системной инженерии введены такие парадигмы, как жизненный цикл программных систем, линейки программных продуктов, потоки работ, организационно-профессиональная зрелость, коллективная обработка и проектирование, система компетенций, а также множество стандартов (например, ISO/IEC 12207, IEEE Std 1471, ISO/IEC 9126), в частности введен и активно используется стандарт «ГОСТ Р ИСО 9004-2010 МЕНЕДЖМЕНТ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ УСТОЙЧИВОГО УСПЕХА ОРГАНИЗАЦИИ».
Значительный вклад в теорию и практику разработки SIS внесли российские и зарубежные ученые Норенков И.П., Липаев В.В., Курейчик В.М., Курей-чик В.В., Камаев В.А., Советов Б.Я., Hall A., Sage A., Booch G., Rumbaugh D., Jacobson Г, Boem R., Krachten Ph. и др.
Особое место в достижении успешности разработки SIS отведено диа-грамматике в визуальных формах артефактов, сопровождающих проектную деятельность (UML, IDEF, ER, DFD, еЕРС, SDL-диаграммы, параллельные граф-схемы - ПГС и др.).
Акцент на диаграмматику обусловлен рядом причин:
устойчивым использованием разработчиками SIS в оперативных рассуждениях диаграммных схем, способствующих решению задач и пониманию того, о чем идет речь;
требованиями нормативной диаграммной регистрации процесса разработки, его составляющих, а также продуктов проектных действий;
- попытками автоматической и/или автоматизированной трансформации
диаграммных схем в их материальное воплощение.
К сожалению, следует отметить, что в богатейшем опыте диаграмматиче-ских представлений, используемых в практиках SIS, не уделяется должного внимания методам и средствам оперативного контроля схемных диаграмм.
Отсутствие в современных технологиях разработок SIS методов и инструментальных средств, предоставляемых в коллективе разработчиков каждому
проектировщику для оперативного контроля создаваемых им графических диаграмм в условиях их расширяющегося внедрения, нацеленного в перспективе на трансляцию диаграмм в программный код, открыло дополнительный источник опасных ошибок проектирования, что является актуальной научно-технической проблемой.
Схемные диаграммы создаются и используются как для процесса проектирования SIS, инструментальная среда которого представляет специализированную SIS типа САПР, так и для продуктов проектирования. И в первом, и во втором случае процессность проекта представляется потоками работ, за каждым из которых стоит определенный бизнес-процесс, в согласованное осуществление которого вовлечена группа исполнителей.
Модельное представление бизнес-процессов и их систем оказалось настолько полезным, что оно широко применяется в различных предметных областях и с различными целями. Потоки работ являются базовым модельным представлением динамики практически во всех технологиях разработки SIS, в частности в технологии RUP. Анализ существующих технологий демонстрирует, что типичными формами контроля диаграмматики потоков работ являются:
- их конструктивное создание с использованием специализированных де
кларативных языков без автоматических и/или автоматизированных проверок
синтаксиса;
- многократный преднамеренный или ситуационный визуальный про
смотр диаграмм разработчиками SIS и другими заинтересованными лицами.
В теории и практике потоков работ поиск новых методов и средств, формализующих порождение и контроль схемных диаграмм, способствующих снижению проникающих в них ошибок проектирования, считается особо актуальным.
Вкладом в решение указанной выше проблемы является включение в проектные потоки работ (ППР) дополнительного потока, обеспечивающего снижение ошибок в оперативном создании проектировщиками нормативных и ситуативных графических диаграмм за счет лингвистического моделирования потоков работ и работ с графикой, а также интеллектуального обучения проектировщиков созданию нормативных и ситуационных потоков работ.
В управлении потоками работ широко применяются специализированные процессоры (workflow engines), подобные компьютерным процессорам, использующим алгоритмические программы. Этот факт подсказывает идею аналогового наследования методов и средств контроля из опыта алгоритмических процессов. Одной из подсказок для такого наследования является использование паттернов потоков работ, схемы которых подобны алгоритмическим схемам.
Аналоговое наследование используется в диссертационной работе как базовый принцип графо-аналитического подхода к анализу и контролю потоков работ в автоматизированном проектировании сложных компьютеризованных систем (СКС). В диссертации класс СКС специфицируется как подкласс SIS, включающий сложные автоматизированные системы АС.
Графо-аналитический подход определен и используется как система принципов, теоретических составляющих, моделей, методов и средств, способствующих при их комплексном применении снижению ошибок проектирования в диаграммных схемах ППР, в первую очередь за счет использования грамматических формализмов, моделирующих статику и динамику потоков работ в процессе проектирования СКС и его продукте.
В реализации графо-аналитического подхода, настроенной на ее коллективное использование разработчиками СКС, используются методы и средства потоков работ, в том числе и те, которые отвечают за их обучение построению, анализу и контролю диаграммных схем. Разработанные средства обучения учитывают специфику диаграмматики потоков работ в ее приложении к автоматизированному проектированию СКС.
Актуальность диссертационной работы обусловлена названной выше проблемой и расширяющимся внедрением диаграмматики в практику разработки СКС. Понятие класса СКС используется в диссертации как рабочее, содержание которого синонимично (с учетом отмеченной специфики) понятиям «системы, интенсивно использующие программное обеспечение» и «автоматизированные системы».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка и реализация графо-аналитического подхода, включающего комплекс методологических принципов, методов, моделей, алгоритмов и структур создания, контроля, анализа, трансляции и моделирования нормативных и ситуационных ППР, обеспечивающих снижение ошибок при создании СКС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи.
Анализ технологий проектирования автоматизированных систем.
Анализ подходов, методов и средств обработки потоков проектных работ.
Разработка основ прикладной теории ассоциативного управления потока-
ми работ.
4. Развитие теории анализа, перевода и компиляции графических языков по-
токов проектных работ.
5. Разработка методов и средств обработки лингвистических моделей пото-
ков проектных работ.
6. Разработка интеллектуальной автоматизированной обучающей системы
проектированию, моделированию и анализу потоков проектных работ СКС.
7. Разработка программно-структурных средств обработки моделей потоков
проектных работ. Областями исследований являются методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР; разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для
синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП; разработка научных основ обучения автоматизированному проектированию.
Направление исследований связано с использованием аналогий из компьютерного программирования для развития теории и практических средств управления, создания, контроля анализа и моделирования ППР при проектировании СКС.
Объектом исследований является применение диаграмматики ППР при создании СКС, нацеленное на снижение ошибок проектирования и, тем самым, на повышение успешности проектов.
Предметом исследований являются модели, методы и средства диаграмматики, в которых используется опыт программирования для управления, создания, контроля, анализа, трансляции и моделирования ППР.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения и методы теории формальных и графических грамматик, системного анализа, теории графов, искусственного интеллекта, теории нейронных сетей, теории нечетких множеств.
Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной.
Разработан графо-аналитический подход, система принципов, теоретических составляющих, моделей, методов и средств которого представляет собой методолого-технологическую основу для анализа и контроля диаграммных схем на концептуальном этапе проектирования СКС, нацеленных на снижение ошибок проектирования за счет использования грамматических формализмов, моделирующих по образцам программирования статику и динамику потоков проектных работ.
Разработаны основы прикладной теории ассоциативного управления потоками работ, в рамках которой предложена и исследована ассоциативно-ориентированная модель управления ППР, позволяющая улучшить учет критериев, параметров и специфику процесса проектирования СКС, разработано лингвистическое представление модели и синтаксически-ориентированный метод ее анализа.
Разработаны методы и средства контроля, анализа и преобразования графических языков ППР, являющихся развитием теории обработки графических языков. Предложен класс синтаксически-ориентированных графических грамматик (автоматные графические грамматики, автоматные графические грамматики с нейтрализацией ошибок, иерархические графические грамматики, транслирующие графические грамматики, нечеткие графические грамматики), отличающихся от известных простотой синтеза, универсальностью, линейными временными характеристиками анализа, малыми затратами памяти, обеспечивающими полноту контроля, обнаружение синтаксических и семантических ошибок в диаграммах ППР, возможность продолжения анализа в случае наличия ошибок, получение семантического значения диаграмм потоков работ в терми-
нах денотационной и операционной семантик, поддерживающих групповое, в том числе и удаленное, проектирование потоков работ, и позволяющих сократить проектные ошибки.
Разработан метод обработки лингвистических моделей потоков работ, сущность которого определяется хранением формы и правил описания объектов потоков работ в нейроподобных структурах, связанных с семантической сетью, что позволяет настраивать среду проектирования и накапливать опыт проектных решений, уменьшая риски совершения проектных ошибок. Разработана модель классификации объектов проектных работ на базе карт Кохонена.
Разработаны модели и методы организации адаптивного обучения проектированию ППР. Предложена модель проектировщика, в которой используются нечеткие лингвистические характеристики, обеспечивающие применение адаптивного планирования траектории обучения. Предложен метод диагностики проектной компетенции проектировщика, заключающийся в классификации его проектного профиля на основе нечетких карт Кохонена и обеспечивающий уменьшение ошибки оценки уровня подготовленности и повышающий качество процесса обучения. Предложен метод адаптивного управления траекторией обучения проектировщика, использующий комплекс моделей (предметной области, проектировщика, сценария и протокола) и позволяющий достигнуть требуемого значения проектных характеристик обучаемого в сокращенные сроки.
Практическая значимость и результаты внедрения. Разработана архитектура и программно-информационное и системы контроля, анализа и перевода диаграмм потоков проектных работ. Разработаны программы контроля, анализа и перевода диаграмм потоков проектных работ, предназначенные для использования в наиболее распространенных в практике проектирования сложных систем инструментальных средствах и позволяющие снизить ошибки при создании СКС.
Разработана архитектура и программно-информационное обеспечение системы обработки лингвистических моделей потоков проектных работ.
Разработана архитектура и программно-информационное обеспечение интеллектуальной обучающей системы проектирования потоков ППР.
Разработаны структурные решения процессоров контроля диаграмм потоков проектных работ на основе автоматных графических грамматик.
Разработаны структурные решения блоков безадресной памяти и ассоциативного арифметического устройства, используемые в процессорах контроля.
Результаты работы внедрены на следующих промышленных предприятиях: ФНПЦ ОАО НПО «Марс» (г. Ульяновск), ОАО «Ульяновский механический завод» (г. Ульяновск). Результаты исследования использованы в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракт № 02.741.11.2135), при выполнении х/д НИР № Д286 с УВАУГА, г/б НИР № 13-02.03.06 «Методы и средства проектирования
интеллектуальных САПР (№ гос. per. 01200706629, отчет за 2006- 2010 гг. инв. № 02201150531). Результаты диссертационной работы используются также в учебном процессе кафедры Вычислительной техники Ульяновского государственного технического университета при обучении студентов направления «Информатика и вычислительная техника». Под руководством автора защищены 4 кандидатских и 22 магистерских диссертации по тематике исследования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Микропроцессорные системы» (Челябинск, 1984), Всесоюзных школах-семинарах «Распараллеливание обработки информации» (Львов, 1985, 1987), Российской научно-технической конференции «Системный анализ и принятие решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и РЭА» (Махачкала, 1991), Российской научно-технической конференции «Интерактивные системы» (Ульяновск, 1993), международных НТК «Интерактивные системы: проблемы человеко-компьютерного взаимодействия», (Ульяновск, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009, 2011), международной НТК «Непрерывнологические и нейронные сети и модели» (Ульяновск, 1995), Всероссийской НПК «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 1998), Третьей всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2001), международной конференции «Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейро-математика в науке, технике и экономике» (Ульяновск, 2001), международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроин-форматика в науке, технике и экономике» (Ульяновск, 2003), международной научной конференции «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании» (Пенза, 2003), международной конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2006), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (Ульяновск, 2009), VII международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2009), конгрессах по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'9,10» и «IS&IT'll» (Дивноморское, 2009-2011), Первой всероссийской конференции с международным участием «Системный анализ и семиотическое моделирование» (SASM-2011) (Казань, 2011), Российских научно-технических конференциях «Информатика и вычислительная техника» (Ульяновск, 2009- 2011), Российских научно-технических конференциях «Информатика, моделирование, автоматизация проектирования» (Ульяновск, 2009, 2010), профессорско-преподавательских конференциях ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) (Ленинград,
1984-1986), профессорско-преподавательских конференциях Ульяновского политехнического института и Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 1980-1983, 1987-2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 98 научных работ, в том числе 12 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 монографии, 26 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, 3 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и списка литературы из 356 наименований. Основная часть работы изложена на 315 страницах и содержит 144 рисунка и 67 таблиц.
