Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов и средств визуального моделирования и обработки предметных задач при создании прикладных автоматизированных систем 13
1.1. Анализ основных современных методологий создания прикладных автоматизированных систем 13
1.1.1. Классификация методологий визуального моделирования 13
1.1.2. Характеристика методологии структурного анализа и проектирования 13
1.1.3. Характеристика объектно-ориентированного подхода 23
1.1.4. Характеристика методологии анализа, оптимизации и моделирования бизнес-процессов 25
1.1.5. Характеристика специализированных методологий создания автоматизированных систем 26
1.1.6. Сравнительный анализ методологий 28
1.1.7. Отличительные особенности методологии автоматизации интеллектуального труда 29
1.2. Анализ инструментальных средств поддержки создания прикладных автоматизированных систем 34
1.2.1. Классификация инструментальных средств поддержки создания автоматизированных систем 34
1.2.1.1. Характеристика средств анализа 35
1.2.1.2. Характеристика средств анализа и проектирования 37
1.2.1.3. Характеристика средств проектирования баз данных 42
1.2.1.4. Характеристика средств разработки приложений 43
1.2.1.5. Характеристика средств реинжиниринга 45
1.2.1.6. Характеристика вспомогательных средств 47
1.2.2. Сравнительный анализ инструментальных средств создания автоматизированных систем 49
1.2.3. Отличительные особенности инструментальных средств МАИТ 49
1.3. Особенности автоматизации проектно-конструкторской деятельности 51
1.4. Выводы и цель работы 53
2. Разработка метода визуального моделирования, обработки и документирования основньгх концептуальньгх конструкций для концептуального представления предметных задач 55
2.1 Общие положения 55
2.2. Формальное описание концептуального представления предметных задач 55
2.3. Формальное описание концептуальной модели объектного уровня для предметной задачи 59
2.4. Формальное описание визуального представления концептуальных моделей 69
2.4.1. Общие положения 69
2.4.2. Формальное описание визуального представления системы предметных зависимостей 1-го рода на объектном уровне 71
2.4.3. Формальное описание визуального представления концептуальной структуры на объектном уровне 73
2.4.4. Формальное описание визуального представления взаимосвязей предметных зависимостей 1-го рода и предметных категорий на объектном уровне 75
2.4.5. Формальное описание синтеза конструкций визуального концептуального представления на объектном уровне 76
2.5. Формальное описание взаимосвязей концептуальных конструкций и визуальных и документных представлений для предметных задач 77
3. Разработка методики визуального моделирования и документирования концептуального представления предметных задач 88
3.1. Общая характеристика процесса моделирования и документирования концептуального представления предметных задач 88
3.2. Особенности визуального представления концептуальных моделей предметных задач 88
3.3. Формирование визуального представления концептуальных моделей предметных задач 89
3.3.1. Общие положения 89
3.3.2. Свойства визуального представления функциональной структуры 93
3.3.3. Формирование функциональных структур 98
3.3.4. Свойства визуального представления понятийной структуры 102
3.3.5. Формирование понятийных структур 104
3.3.6. Свойства визуального представления содержательной структуры 108
3.3.7. Формирование содержательных структур 108
3.4. Требования к документированию результатов визуального концептуального моделирования 117
3.4.1. Общие положения 117
3.4.2. Характеристика размещения графических конструкций на листах и диаграммах проекта 119
3.5. Требования к управлению проектами при визуальном концептуальном моделировании предметных задач 120
3.5.1. Общие положения 120
3.5.2. Функции и временные показатели, реализуемые системой управления проектами 123
3.6. Описание детального алгоритма функционирования программного комплекса «CODA» 127
4. Разработка программных средств поддержки визуального моделирования системы знаний предметных задач 128
4.1. Общее описание программного комплекса «CODA» 128
4.2. Состав и структура основных модулей программного комплекса 130
4.2.1. Описание основных функций и структурных элементов программного комплекса 130
4.2.2. Описание интерфейса программного комплекса 134
4.2.3. Описание программного модуля формирования функциональных структур 135
4.2.4. Описание программного модуля формирования концептуальных структур 139
4.2.5. Описание программного модуля формирования содержательных структур 140
4.2.6. Описание программного модуля системы документирования 142
4.2.7. Описание программного модуля системы управления проектами 146
4.2.8. Описание автоматизированной справочной системы комплекса 150
4.3. Тестовый пример 156
Заключение 157
Список литературы
- Анализ основных современных методологий создания прикладных автоматизированных систем
- Формальное описание концептуального представления предметных задач
- Общая характеристика процесса моделирования и документирования концептуального представления предметных задач
- Общее описание программного комплекса «CODA»
Введение к работе
В современных условиях развитие производства и модернизация выпускаемых машин требуют постоянного создания новых и усовершенствования существующих автоматизированных систем, поддерживающих различные этапы жизненного цикла изделия. Своевременная поставка конкурентоспособных изделий на рынок обеспечивается минимизацией затрат времени и повышением качества при проектировании и производстве этих изделий. Автоматизация процесса проектирования должна учитывать все его связи с другими фазами жизненного цикла изделия. Необходимость выявления и фиксации этого многообразия связей существенно усложняет процесс разработки САПР.
В настоящее время для разработки прикладных автоматизированных систем используется широкий спектр инструментальных средств, поддерживающих определенные методологии создания автоматизированных систем различного назначения. Применение традиционных методов и средств разработки автоматизированных систем при разработке САПР машиностроительного назначения затруднено из-за специфических особенностей проектно-конструкторской деятельности. В то же время, применение в современных методологиях визуальных конструкций при создании автоматизированных систем является удобным и информативным. Можно выделить такие существенные особенности проектно-конструкторской деятельности, влияющие на процесс создания САПР, как: неполноту начальных условий, наличие разных модельных аспектов проектируемого объекта, итерационный и неформализованный процесс разработки объектов, сложную структуру объектов проектирования и т.д.
Одним из подходов в области автоматизации проектирования, решающих указанные проблемы, является разработанная на кафедрах «Информационные технологии и вычислительные системы» и «Когнитивные технологии проектирования» МГТУ «СТАНКИН» методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), поддерживающая создание автоматизированных систем промышленным способом. В рамках МАИТ концептуальное моделирование предметных задач позволяет фиксировать систему знаний предметной области в виде формализованных моделей, обеспечивая тем самым смысловое единство всех последующих формально-языковых представлений этих задач. Результаты моделирования представляются в форме диаграмм и спецификаций.
Существующие инструментальные средства поддержки концептуального моделирования настроены на создание модели системы знаний предметной задачи по
-7-полуавтоматизированной или автоматизированной технологии и обладают рядом недостатков, препятствующих их эффективному использованию при моделировании системы знаний проектно-конструкторских задач. Использование средств, поддерживающих полуавтоматизированную технологию, приводит к возникновению случайных ошибок при переносе информации с диаграмм на традиционных носителях в структуры базы данных. Средства автоматизированной технологии поддерживают создание только функционального компонента модели, не позволяя при этом формировать единое представление данного компонента. Результатом работы этих средств является набор диаграмм и спецификаций для системы предметных зависимостей, не подлежащий последующей интеграции. Таким образом, разработка полного набора средств визуального концептуального моделирования и документирования по автоматизированной технологии при создании САПР для машиностроения становится актуальной задачей.
Выявленные проблемы, связанные с поддержкой системы предметных знаний при проектировании САПР, определили необходимость разработки метода и инструментальных средств визуального концептуального моделирования и документирования. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу.
Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования САПР машиностроительного назначения за счет разработки метода визуального моделирования и документирования системы знаний проектно-конструкторских задач, который позволит формировать набор визуальных конструкций по всем компонентам концептуальной модели и связанный с ними комплект графических и табличных документов.
Для достижения поставленной цели в работе решена научная задача, заключающаяся в выявлении связей между характеристиками семантических конструкций, графовых моделей и их документного представления при моделировании системы знаний проектно-конструкторских задач и включающая: исследование методов и средств визуального моделирования и разработки прикладных автоматизированных систем; выявление особенностей визуального описания модели системы знаний проектно-конструкторских задач; разработку формального описания визуального представления концептуальных моделей; разработку методики визуального моделирования и документирования концептуального представления предметных задач; разработку инструментальных средств поддержки визуального
моделирования и документирования концептуальных представлений при проектировании САПР машиностроительного назначения.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-установлены связи между характеристиками визуальной концептуальной модели проектно-конструкторских задач и свойствами её документного представления, позволяющие осуществить переход от безразмерных логических конструкций модели к размерно-ограниченным графическим и текстовым документам;
-разработано формальное описание визуального концептуального
представления предметных задач, включающее описание ограничений на взаимосвязи элементов концептуальных структур, как системы предметных зависимостей 2-го рода;
- разработано формальное описание процедуры синтеза графовых конструкций для системы предметных зависимостей 1-го рода, позволяющее автоматизировать размещение типовых конструкций на отдельных диаграммах графического документа и сквозное кодирование элементов всех диаграмм.
При разработке теоретических положений диссертационной работы использован аппарат теории множеств, математической логики, реляционной алгебры и теории графов.
Практическая ценность работы заключается в разработке методики визуального моделирования и документирования концептуального представления проектно-конструкторских задач, охватывающей процедуры формирования визуальных конструкций функциональной, понятийной и содержательной компонент семантической модели, процедуры деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты, размещения их на листах (документах) фиксированного размера и процедуры документирования концептуальных представлений проектно-конструкторских задач; разработке инструментальных средств поддержки визуализации и документирования компонентов концептуальной модели, функционирующих по автоматизированной технологии создания системы знаний предметных задач, и позволяющих получить набор текстовой и графической документации результатов концептуального моделирования при создании САПР машиностроительного назначения;
В первой главе проведен анализ существующих методов и средств визуального моделирования и обработки предметных задач при создании прикладных автоматизированных систем. В данной главе рассмотрены основные методологии и подходы при создании прикладных автоматизированных систем, проведено исследование и анализ существующих инструментальных средств поддержки
жизненного цикла автоматизированных систем с учетом возможности их использования при автоматизации проектирования технических систем.
Методологии рассмотрены и проанализированы с учетом таких характеристик, как: набор модельных представлений; этапы жизненного цикла создаваемой прикладной автоматизированной системы; возможности развития методологии; достоинства и недостатки при создании, эксплуатации и развитии прикладной автоматизированной системы.
При этом анализ проявил ряд существенных недостатков, свойственных большинству традиционных методологий: отражение в модельных представлениях для отдельных точек зрения на автоматизируемую задачу; сопряжение модельных представлений для различных аспектов задачи возлагается на разработчика автоматизированной системы и зависит от его опыта и квалификации; создаваемое описание разрабатываемой системы жестко ориентировано на возможности ее реализации в выбранной программно-технической среде.
В основе большинства современных инструментальных средств создания прикладных автоматизированных систем использованы существующие методологии. Анализ инструментальных средств для разных стадий создания прикладных автоматизированных систем и использующих визуальное представление информации, был выполнен с учетом таких критериев, как: среда функционирования, надежность, удобство использования, эффективность, переносимость, настраиваемость и стоимость.
Анализ инструментальных средств, использующих визуальное представление автоматизируемых задач показал, что пакеты, имеющие возможность настройки и охватывающие весь жизненный цикл системы, имеют высокую стоимость, их внедрение и эксплуатация требуют больших материальных и трудовых затрат. Некоторые пакеты ориентированы на методологию, поддерживающую определенный этап процесса разработки системы или аспект модели. Наличие в программных средствах возможности настроек на различные модели усложняет их и увеличивает стоимость, затрудняет их освоение.
Использование CASE-средств при создании САПР для машиностроения является недостаточно эффективным из-за специфических особенностей проектно-конструкторской деятельности.
К особенностям проектно-конструкторской деятельности можно отнести: минимальный объем информации на начальных этапах проектирования машиностроительных объектов; наличие множества аспектов описания проектируемого объекта; итерационный и неформализованный процесс разработки объектов; наличие
недокументированных знаний, используемых для получения проектных решений; распараллеливание проектных работ, обуславливающее необходимость неформального согласования их результатов.
Поэтому перечисленные методологии создания прикладных
автоматизированных систем находят наибольшее применение в областях, требующих решения задач небольшой сложности или областях с хорошо объективированной информацией, где преобладают информационно-поисковые процедуры с несложной статистической обработкой хранимых данных.
В тоже время, аналитический обзор позволил выделить особенности и преимущества применения методологии автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), которая поддерживает создание прикладных автоматизированных систем и САПР промышленным способом: полный набор компонентов модели и их увязка в модельном представлении на любой стадии разработки автоматизированной системы; существование закономерностей семантических и синтаксических модельных представлений на трех уровнях абстрагирования.
Ключевую роль при создании системы автоматизированного проектирования играет концептуальное моделирование, как основа для единой интерпретации последующих формально-языковых представлений, формируемых при создании САПР.
Разработанные ранее инструментальные средства поддержи концептуального моделирования в рамках МАИТ обладают рядом недостатков, снижающих эффективность построения семантической модели предметной задачи: перенос информации с диаграмм на традиционных носителях в таблицы базы данных связан с появлением случайных ошибок; автоматизированная технология концептуального моделирования реализована только для системы предметных зависимостей; отсутствие интеграции набора диаграмм для получения единого визуального представления этой составляющей модели; проблемы размещения визуальных . конструкций при документировании результатов концептуального моделирования.
Исходя из полученных результатов анализа, был сделан вывод о необходимости разработки метода и инструментальных средств поддержки визуального концептуального представления по автоматизированной технологии. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу для ее достижения.
Во второй главе изложены положения формального описания метода визуального моделирования, обработки и документирования основных концептуальных конструкций для концептуального проектирования предметных задач.
Визуальное представление и моделирование системы знаний проектно-
конструкторских задач позволяет наглядно фиксировать образные семантические
конструкции, отражающие процесс решения этих задач и содержательные аспекты
проектных действий. Процесс формирования этих конструкций в вычислительной
среде связан с необходимостью использования их аналитического описания,
графического отображения и документного представления.
В данной главе приведено формальное описание взаимосвязанных аналитических графических и документных конструкций. Исходным для такого описания является формальное описание концептуального представления проектно-конструкторских задач.
Выполненное формальное описание визуальных компонентов концептуальной модели позволило перейти к разработке методики визуального моделирования и документирования системы знаний проектно-конструкторских задач.
В третьей главе изложена методика построения и документирования визуальных конструкций концептуальных моделей проектно-конструкторских задач. Разработанная методика используется при автоматизированной технологии формирования модели системы знаний выделенной предметной области. Методика основывается на формировании концептуальной модели предметной задачи в виде диаграмм визуального представления системы знаний с последующей автоматической фиксацией результатов моделирования в виде форм, соответствующих спецификациям методологии АИТ. Разработаны алгоритмы выполнения процедур:
формирования визуальных конструкций функциональной, понятийной и содержательной компонент семантической модели;
деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты;
размещения макроэлементов изображения на диаграммах (документах) фиксированного размера;
документирования концептуальных представлений предметных задач. Приведены правила заполнения спецификаций для описания получаемых
данных, а также сформулированы требования к виду и содержанию необходимого набора документов для хранения и передачи описаний визуальной концептуальной модели на бумажных носителях.
Для создания методики была решена проблема перехода из абстрактного пространства визуального представления концептуальной модели в размерно-ограниченное пространство системы документирования. Для каждой составляющей визуальной модели сформулированы правила построения и кодирования. При этом
необходимо бьшо учитьтать соглашения о размерах, взаимном расположении и связях элементов моделей.
Разработка данной методики позволила перейти к созданию инструментальных средств поддержки визуального моделирования системы знаний предметных задач.
В четвертой главе описана реализация программных средств поддержки визуального моделирования системы знаний предметных задач.
Разработанные автоматизированные процедуры являются программными модулями, расширяющими возможности программного комплекса поддержки визуального концептуального моделирования «CODA».
В качестве среды реализации была выбрана программная среда Borland С++ Builder. Данное средство разработки ориентировано на создание приложений, имеющих графический интерфейс пользователя, многооконный интерфейс и поддерживающих работу с данными. Средства выбранной среды разработки позволяют поддерживать широкий спектр СУБД для хранения данных проекта. Была выбрана целевая СУБД, поддерживающая локальное сохранение таблиц в отдельных файлах -СУБД Paradox, которая обеспечивает компактность хранения информации.
Реализация автоматизированного комплекса «CODA» включала организацию вычислительной среды: разработку структуры и состава информационной базы; создание необходимых таблиц, содержащих описание модели; набор программных модулей, обеспечивающих выполнение процедур концептуального моделирования; инструкции по эксплуатации автоматизированного комплекса для пользователя и администратора системы.
-13-1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ПРЕДМЕТНЫХ ЗАДАЧ ПРИ СОЗДАНИИ ПРИКЛАДНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ.
Анализ основных современных методологий создания прикладных автоматизированных систем
На сегодняшний день проведено большое количество теоретических и практи-ческих исследований в области методов и инструментальных средств создания автоматизированных систем различного назначения.
К рассмотренным методологиям и подходам, применяемым в практике автоматизации информационных и интеллектуальных задач, следует отнести: - SADT-методологию для структурного анализа и проектирования производственных и деловых процессов [1,6,7,8,13,14,15,17,24,33], - объектно-ориентированную методологию создания программных систем [3,18,19,20], - ARIS-методологию моделирования деятельности предприятий [25], - специализированные методологии (Oracle CASE Method, DATARUN) [25,30], - методологию автоматизации интеллектуального труда [1,4, 9-12,14-20].
Методологии рассмотрены и проанализированы с учетом таких характеристик, как: набор модельных представлений; охват этапов жизненного цикла создаваемой прикладной автоматизированной системы; возможности развития методологии; достоинства и недостатки при создании, эксплуатации и развитии прикладной автоматизированной системы. Важной частью рассмотренных методологий является система графических образов, используемая для фиксации результатов разработки на каждом этапе. Визуальное представление служит для наглядной передачи сведений о составе и структуре той или иной модели, используемой в качестве входного, рабочего или выходного документа.
Методология SADT {Structured Analysis and Design Technique) предназначена для моделирования данных и объектов, а также функционального моделирования [1,2,4,5]. Родоначальник SADT Дуглас Росс характеризует свою методологию как способ уменьшить количество дорогостоящих ошибок за счет структуризации на ранних этапах соз
дания системы, улучшения контактов между пользователями и разработчиками и сглаживания перехода от анализа к проектированию. С точки зрения SADT модель может основываться либо на функциях системы, либо на ее предметах (планах, данных, оборудовании, информации и т.д.). Соответствующие модели принято называть активно-стными моделями и моделями данных. В настоящее время широкое применение нашли только активностные модели, которые представляют функциональную систему, отражающих свои взаимоотношения через предметы системы. SADT, как и другие методологии проектирования, целесообразно использовать на ранних этапах жизненного цикла: для понимания структуры системы до ее воплощения. Несомненное достоинство SADT заключается в том, что она легко отражает такие характеристики как управление, обратная связь и исполнители. При адекватном выборе предметной области, где преобладают хорошо специфицированные и стандартизованные процессы, методология SADT работает весьма успешно. Основным рабочим элементом при SADT-моделировании является диаграмма. Модель объединяет и организует диаграммы в иерархические древовидные структуры, при этом, чем выше уровень диаграммы, тем она менее детализирована. В состав диаграммы входят блоки, изображающие функции моделируемой системы, и дуги, отражающие процессы взаимодействия и взаимосвязи между блоками. SADT требует, чтобы в диаграмме было 3-6 блоков: в этих пределах диаграммы и модели удобны для чтения, понимания и использования. Такое жесткое требование к количеству блоков на диаграмме ограничивает применение SADT для ряда предметных областей, где имеется большее число равноправных деятельностей, которые целесообразно отразить на одной диаграмме. Искусственное их растаскивание по разным уровням &ШГ-модели не улучшает ее понимание, затрудняет восприятие модели пользователем, резко увеличивает ее объем и, как следствие, ведет к неадекватному представлению реальной картины. Данная методология была признана программой интегрированной компьютеризации производства (ICAM) Министерства обороны США, что привело к разработке и публикации стандарта IDEF0, как подмножества SADT
Развитие SADТ методологии связано с созданием семейства методов IDEF, описывающих: динамическое моделирование развития проектируемых систем (на базе "раскрашенных сетей Петри" (CPN - Color Petri Nets)); процессы, сценарии и последовательности операций для каждого процесса; построение объектно-ориентированных систем; онтологическое исследование и анализ ограничений, влияющих на проектируемые системы. Расширениями методологии стали методы, моделирующие сценарии управления проектируемой системы, интерфейс пользователя, архитектуру и сетевые
компоненты системы и т.д. Методики IDEF задают единообразный подход к моделированию приложений, но не затрагивают проблем единообразного представления данных в процессе информационного обмена между разными компьютерными системами и приложениями. Необходимость решения этих проблем в интегрированных автоматизированных системах привела к появлению ряда унифицированных форматов представления данных в межкомпьютерных обменах, среди которых наиболее известными являются форматы IGES, DFX (в машиностроительных приложениях) и некоторые другие. Однако ограниченные возможности этих форматов обусловили продолжение работ в направлении создания более совершенных методик и представляющих их стандартов. На эту роль претендует совокупность стандартов STEP.
Семейство методов EDEF представлено набором следующих стандартов[25]:
- EDEF0 - Function Modeling - метод функционального моделирования. С помощью наглядного графического языка IDEF0, изучаемая система предстает перед разработчи ками и аналитиками в виде набора взаимосвязанных функций (функциональных блоков
- в терминах IDEF0). Как правило, моделирование средствами IDEF0 является первым этапом изучения любой системы;
- IDEF1 - Information Modeling - метод моделирования информационных потоков внутри системы, позволяющая отображать и анализировать их структуру и взаимосвязи;
- IDEF1X (EDEF1 Extended) - Data Modeling - метод построения реляционных структур. IDEF1X относится к типу методологий "Сущность-связь" (ER - Entity-Relationship) и, как правило, используется для моделирования реляционных баз данных, имеющих отношение к рассматриваемой системе;
- IDEF2 - Simulation Modeling - метод динамического (имитационного) моделирования систем. В связи с весьма серьезными сложностями анализа динамических систем от этого стандарта практически отказались, и его развитие приостановилось на самом начальном этапе. Однако в настоящее время присутствуют алгоритмы и их компьютерные реализации, позволяющие превращать набор статических диаграмм IDEF0 в динамические модели, построенные на базе "раскрашенных сетей Петри" (CPN - Color Petri Nets);
Формальное описание концептуального представления предметных задач
Визуальное представление и моделирование системы знаний проектно-конструкторских задач позволяет наглядно фиксировать образные семантические конструкции, отражающие процесс решения этих задач и содержательные аспекты проектных действий.
Процесс формирования этих конструкций в вычислительной среде связан с необходимостью использования их аналитического описания, графического отображения и документного представления.
В данной главе приведено формальное описание взаимосвязанных аналитических графических и документных конструкций. Теоретической основой для разработки данного метода являются: - формальное описание концептуального моделирования в рамках методологии МАИТ, дополненное в работах Волковой Г.Д. и Щукина М.В. [51, 58, 60-62, 64-66]; - формальное описание визуального концептуального моделирования, представленного в работе Сироты И.М. [54,63]
Концептуальное представление предметных задач представляет собой совокупность моделей, каждая из которых есть набор взаимоувязанных статических и динамических (или функциональных) структур. Статические и динамические семантические конструкции имеют иерархическую организацию. Такая структура концептуальных моделей характеризуется наличием уровней иерархии, а также распределением элементов по группам на одном уровне. Визуальное представление отражает иерархическую структуру концептуальных моделей, однородность элементов одного типа, наличие однозначных связей между элементами и компонентный состав концептуальных моделей.
Концептуальное представление и-ой предметной задачи формально описывается набором моделей в виде: КР(п) = КР2(п),КРЗ(п) , (1) где КР2(п) - концептуальная модель л-ой предметной задачи на объектном уровне; КРЗ(п) = {КРЗ(пт)}, (2) где КРЗ(пт)- концептуальная модель конкретного уровня ти-ой реализации и-ой предметной задачи. Концептуальная модель любого уровня абстрагирования для и-ой предметной задачи имеет вид:
KPi(z) = Mi{z\ THi{z), FUi(z) , (3) где z=n описывает концептуальную модель n-ой предметной задачи объектного уровня (/=2), z=nm описывает концептуальную модель т-я реализации и-ой предметной задачи конкретного уровня (i=3);
Mi{z)- множество категорий, THi(z) - множество статических отношений на категориях, FUi{z) - множество динамических отношений. Mi(z) — {щЛ- множество категорий /-го уровня. Статические отношения представлены набором структур: THi{z) = Ti(z), Hi{z), Hi(z), Thi(z) , (4) где Ti(z) (Z Mi{z) x Mi(z) - множество бинарных отношений на Mi{z), Hi{z) с Mi{z) x Mi{z) x Mi(z) (5) - множество тернарных отношений на Mi(z), Hi(z) = {hj\ -множество схем категорий, Thi(z) с Hi(z) х Hi(z) - множество бинарных отношений на Hi(z). Динамические отношения представлены двумя системами предметных зависи мостей: FUi{z) = Fi(z), Ui(z) , (6) Fi(z) = (Vi(z),FVi(z)), (7) где Vi(z) = {Vifc}- множество предметных зависимостей 1-го рода і-го уровня абстра гирования, FVi(z) d Vi(z)x Vi(z)- множество бинарных отношений на Vi(z). Ограничение отражает существование функционального отношения на подмножестве множества Mi(z) в виде: /1: Mi(z) — Vi(z). Ui(z) = (Qi(z),UQi(z)), (8) где Qi{z) = {qlu} - множество предметных зависимостей 2-го рода і-го уровня абстрагирования; UQi(z) cz Qi(z) х Qi (z)- множество бинарных отношений на Qi(z). Ограничение отражает существование квазифункционального отношения на подмножестве множества Hi(z) в виде: f2: Hi(z) — Qi(z).
На объектном уровне: - соотношения между предметными зависимостями 1-го рода и предметными ка тегориями можно представить (позиция (1) рисунка 2.1): wSp(Ut,usp) = (ajh...,ajq)Usp &gf (и) . (9) где QiP (її) — отражает соотношения структурных и контекстуальных предметных категорий и индекс uspпомечает подмножество множества А,-предметных категорий, которое характеризует sp-e ограничение или предметную зависимость для выделенной предметной задачи. - соотношения между предметными зависимостями 2-го рода и предметными ка тегориями можно представить (позиция (2) рисунка 2.1): 4sp(ht,usp)={akl,...,akq)Usp8cFit р{п), (10) где F Р (и) - условие, определяющее особые связи монадических предметных категорий в рамках схем предметных категорий.
На конкретном уровне: - соотношения между экземплярами предметных зависимостей 1-го рода и экзем плярами предметных категорий можно представить (позиция (3) рисунка 2.1): pf(i, t, s, uspl) = (b/1 bj?)Uspl & Н%1(пт), (11) где bj єBji(nm), ..., by єBjq(nm) - структурные экземпляры предметных категорий j-ro подмножества; H fs (пт) - отражает соотношения структурных и контекстуальных экземпляров предметных категорий в рамках spl-ro ограничения 1-го рода; индекс uSpi помечает подмножества Bji(nm), ...,Bjq(nm) множества экземпляров предметных категорий, которые характеризует spl-oe ограничение 1-го рода.
Общая характеристика процесса моделирования и документирования концептуального представления предметных задач
Разработанная методика используется при автоматизированной технологии формирования модели системы знаний предметной задачи. Методика основывается на формировании концептуальной модели предметной задачи в виде диаграмм визуального представления системы знаний с последующей автоматической фиксацией результатов моделирования в виде форм, соответствующих спецификациям методологии АИТ [81,82,84,]. Разработаны алгоритмы выполнения процедур: - формирования визуальных конструкций функционального, понятийного и содержательного компонентов семантической модели, - деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты, - размещения макроэлементов изображения на диаграммах (документах) фиксированного размера, - документирования концептуальных представлений предметных задач. Приведены правила заполнения спецификаций для описания получаемых данных, а также сформулированы требования к виду и содержанию необходимого набора документов для хранения и передачи описаний визуальной концептуальной модели на бумажных носителях.
При создании методики была решена проблема перехода из абстрактного пространства визуального представления концептуальной модели в размерно-ограниченное пространство системы документирования. Для каждой составляющей визуальной модели сформулированы правила построения и кодирования. При этом необходимо было учитывать соглашения о размерах, взаимном расположении и связях элементов моделей.
Визуальное представление информации применяется для отображения структурированных систем объектов, текстовое описание которых было бы слишком громоздким и сложным для восприятия. Графическое представление информации обладает рядом особенностей, которые делают его применение предпочтительным. К таким особенностям можно отнести информативную емкость графических объектов, высокую скорость восприятия образов, наглядность связей между графическими объектами (например, взаимное расположение), наличие универсальных стандартов восприятия образов и разнообразие средств передачи информации при использовании графических образов. Графические объекты обладают большим количеством характеристик, которые легко отмечаются наблюдателем и могут нести информацию об объекте. Это цвет, форма, освещение, текстура, яркость и другие.
При использовании визуальных конструкций в концептуальном моделировании, необходимо выделить систему образов, которые отражают все разнообразие элементов модели. Элементы визуального представления концептуальных моделей должны передавать максимальное количество информации посредством своей морфологии, внешнего вида, геометрии и структуры. Идентификация объектов должна быть уникальной в пределах модели текущей задачи, отражать предметное содержание объектов и их положение в общей структуре.
В состав визуального представления входят три основных структуры: основная понятийная структура, соответствующая понятийному графу, функциональная структура, соответствующая функциональному графу, содержательная структура, соответствующая содержательному графу. Данные графы являются планарными, поэтому для реализации визуального представления каждой из соответствующих им структур необходимо двумерное пространство. Визуальная концептуальная модель представляет собой совокупность понятийной, функциональной и содержательной структур и располагается в трехмерном пространстве (рисунок 3.1). Плоскость каждого вида содержит структуру, описывающую одну из составляющих системы знаний проектно-конструкторской задачи. Поэтому для плоскости любого вида принято обозначение «плоскость проекта» или «проект». Плоскость проекта может быть разбита на отдельные части (сегменты). Эти сегменты содержат логически завершенный фрагмент структуры проекта. Такие сегменты называются «листами проекта». Для упорядочения состава описания системы знаний и для удобства восприятия структур в составе описания, вводится разбиение листов проекта на диаграммы стандартного для каждого вида структур размера. Размер диаграммы характеризуется числом позиций или сегментов, в которых на ней могут быть размещены элементы изображения. Такие сегменты располагаются на диаграммах рядами с равным количеством сегментов в каждом.
Элементы изображения могут быть сгруппированы в особые конструкции, из комбинаций которых состоит структура описания системы знаний. Эти конструкции являются макроэлементами изображения. Их наличие позволяет упростить процедуру построения диаграмм, заменив правила нанесения каждого элемента укрупненными правилами нанесения на диаграммы макроэлементов.
Элементами изображения на диаграммах являются геометрические примитивы, являющиеся визуальным отображением элементов модели системы знаний задачи и связей между ними. Для отображения элементов моделей используются геометрические фигуры, внутри которых находится текст наименования соответствующего элемента модели, а над левым верхним углом находится код элемента. Связи элементов обозначаются ломаными линиями со стрелками. Для обозначения особых свойств элементов применятся выделение цветом и типом линий. Иерархия элементов визуального представления концептуальных моделей представлена на рисунке 3.2.
Диаграммы и листы проекта имеют уникальный в пределах проекта код. В нем отражается тип и расположение диаграмм и листов в иерархии частей проекта. Код присваивается также элементам диаграмм. Этот код должен быть уникален в пределах листа проекта, в который входит диаграмма.
В общем случае, код листа любой составляющей модели является композицией из литеры L (лист), цифрового обозначения индекса задачи комплекса, буквенного обозначения вида листа, индекса листа, и имеет вид LBAi, где В- индекс задачи А- вид листа і- индекс листа. В зависимости от вида структуры описания части кода могут не применяться.
Коды диаграмм наследуют коды листов, к которым они принадлежат, и дополнительно содержат индекс диаграммы, соответствующий ее месту на пространстве листа. Общий вид кода диаграммы: LBAi_к.1.х, где В - индекс задачи А - вид листа / индекс листа, к - индекс строки, / - индекс позиции в строке, д: - номер продолжения.
Индекс продолжения появляется в составе кода диаграммы в случае, если диаграмма является продолжением фрагмента структуры, изображенного на другой диаграмме того же листа. Состав кода диаграммы также зависит от вида структуры, отраженной на ней.
Код элемента диаграммы присваивается в соответствии с правилами кодирования, изложенными в работе.
Правила создания проекта по концептуальному моделированию системы знаний предметных задач по автоматизированной технологии: 1. Создание нового проекта состоит из:
Общее описание программного комплекса «CODA»
Разработанные автоматизированные процедуры являются программными модулями, расширяющими возможности программного комплекса поддержки визуального концептуального моделирования «CODA».
Эксплуатационные требования определяют некоторые характеристики разрабатываемого программного обеспечения, проявляемые в процессе его функционирования. К таким характеристикам относят: - правильность - функционирование в соответствии заданием. Правильность является обязательным требованием для любого программного обеспечения: все, что указано в задании, непременно должно быть реализовано. - универсальность - обеспечение правильной работы при любых допустимых данных и защиты от неправильных данных; - надежность - обеспечение полной повторяемости результатов, т. е. обеспечение их правильности при наличии различного рода сбоев; - проверяемость - возможность проверки получаемых результатов; - защищенность - обеспечение конфиденциальности информации; - программная и аппаратная совместимость - возможность совместного функционирования с другим программным обеспечением или некоторым оборудованием; - эффективность - использование минимально возможного количества ресурсов технических средств, например, времени микропроцессора или объема оперативной памяти; - адаптируемость - возможность быстрой модификации с целью приспособления к изменяющимся условиям функционирования;
В соответствии с требованиями промышленного способа создания автоматизированных систем производится разработка программных средств поддержки визуального построения концептуальных моделей. Методология МАИТ легла в основу для проектирования программных средств.
Можно сформулировать требования к средствам поддержки визуализации концептуальных моделей:
1. Программное обеспечение должно предоставлять возможность создавать полный комплект документации проекта на основании визуальных моделей.
2. Разработанное программное обеспечение производит визуальное концептуальное моделирование в соответствии с приведенной методикой.
3. Сохранение информации о проекте должно производиться в формах спецификаций, предлагаемых в рамках МАИТ.
4. Внутреннее представление данных о проекте должно соответствовать формальному описанию визуальных концептуальных моделей.
Дополнительным требованием является обеспечение совместимости программного комплекса с наиболее распространенными целевыми вычислительными платформами и распространение выходной информации в виде комплекта файлов.
Программный комплекс предназначен для поддержки работы специалиста-когнитолога (специалиста по построению системы знаний автоматизируемой предметной задачи). Его рабочее место является физической средой функционирования для комплекса. Поэтому становится целесообразным использовать целевую операционную систему - Microsoft Windows 98/2000/NT/XP. Необходимость работы с базами данных в программно-технической среде для разрабатьшаемого приложения обуславливается фиксацией системы знаний в виде спецификаций.
Последнее время широкое распространение получили упоминавшиеся выше среды визуального программирования, в которых программист получает возможность визуального подключения к программе некоторых кодов из специальных библиотек компонентов, что стало возможным с развитием объектно-ориентированного программирования. Наиболее часто используемыми являются визуальные среды Delphi, C++ Builder фирмы Borland (Inprise Corporation), Visual C++, Visual Basic фирмы Microsoft, Visual Ada фирмы IBM и др. Между основными визуальными средами этих фирм Delphi, C++ Builder и Visual C++ имеется существенное различие: визуальные среды фирмы Microsoft обеспечивают более низкий уровень программирования «под Windows». Это является их достоинством и недостатком. Достоинством - так как уменьшается вероятность возникновения «нестандартной» ситуации, т.е. ситуации, не предусмотренной разработчиками библиотеки компонентов, а недостатком - так как это существенно загружает программиста «рутинной» работой, от которой избавлен программист, работающий с Delphi или C++ Builder [35-38,70,71,86-90].
Была выбрана программная среда Borland C++ Builder фирмы Inprise. Данное средство разработки ориентировано на создание приложений, имеющих графический интерфейс пользователя, многооконный интерфейс и поддерживающих работу с данными. Средства выбранной среды разработки позволяют поддерживать широкий спектр СУБД для хранения данных проекта. Была выбрана целевая СУБД, поддержи вающая локальное сохранение таблиц в отдельных файлах - настольная СУБД Paradox для Windows. К достоинствам СУБД Paradox относится компактность хранения информации, а также высокая скорость работы на небольших объемах данных. Программный комплекс состоит из трех основных функциональных модулей, обеспечивающих поддержку всех составляющих концептуального представления предметной задачи: - модуль формирования функциональных структур (системы предметных зависимостей); - модуль формирования концептуальных структур; - модуль формирования содержательных структур.
Для получения различных видов документов по результатам концептуального моделирования и управлением процессом разработки проектов в программном комплексе предусмотрены модули: - модуль системы управления проектами; - модуль документирования результатов концептуального моделирования. Программный комплекс "CODA" состоит из двух основных частей - графического интерфейса пользователя (ГИП) и программного ядра. Действия пользователя интерпретируются ГИП и обрабатываются в ядре. Результаты работы ядра отражаются в изменениях внешнего вида элементов ГИП, а также в виде параметров внутреннего представления информации. При необходимости производится сохранение модели на постоянный носитель в виде файлов проекта (рисунок 4.1)
В основе разработки программного комплекса "CODA" применяются принципы объектно-ориентированного программирования. Его структурными единицами являются объекты. Для обеспечения работы продукта, кроме стандартных объектов необходимых для функционирования в операционной системе, был введен ряд объектов отражающих непосредственно формирование функциональных структур.
Объект «диаграмма» реализует функции взаимодействия и упорядочивания в пределах проекта, расположения и обеспечения доступа к элементам изображения. Диаграммы хранят данные об элементах изображения, помещенных на них, а также коды в пределах проекта.
