Введение к работе
Актуальность темы. Значимость процессов автоматизации проектирования и интенсификация работ в сфере внедрения CAD/CAM/CAE в различных отраслях промышленности предопределили появление новых технологий для создания систем автоматизированного проектирования (САПР) и подготовки производства. Важной задачей при внедрении новых технологий САПР является не только ускорение конструкторско-технологической подготовки производства, но и повышение квалификации и переподготовка персонала для эффективной эксплуатации новых технологий.
Одним из путей решения этой проблемы могло бы стать широкое внедрение информационной поддержки САПР в форме дистанционного предоставления учебных и методических материалов для проектировщиков в виде обучающих подсистем, разработанных для внедряемых или модифицируемых САПР. Обучающие подсистемы, предназначенные для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР, являются одним из видов обслуживающих подсистем, совокупность которых часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Крупные проекты в этой области характеризуют, как правило, большое количество функций, процессов, элементов данных и взаимосвязи между ними, а также наличие совокупности взаимодействующих информационных и программных компонентов, имеющих локальные задачи и цели функционирования.
В настоящее время разработка программного обеспечения для подсистем САПР осуществляется в основном традиционным способом программирования или с использованием инструментальных средств — универсальных и специализированных, ориентированных на создание приложений определенного класса. Этот инструментарий не решает всей совокупности проблем создания качественных обслуживающих подсистем САПР, в том числе и обучающих, в современных условиях возрастания сложности программного обеспечения, изменений программных платформ, бюджетных ограничений. Попытки улучшения существующих программных подсистем этим инструментарием в целях их адаптации к новейшим технологиям приводят к возникновению ряда технических и организационных проблем, связанных с необходимостью изменения требований и, соответственно, программного кода приложения. Таким образом, рост сложности и масштабов программного обеспечения в системных средах новых и модифицируемых САПР, возрастающая функциональность приложений, смена коммуникационных и операционных платформ потенциально обуславливают увеличение сроков разработки и трудозатрат, и, как следствие, стоимости конечного программного продукта для обслуживающей подсистемы САПР.
Проблемы создания качественного программного обеспечения для подсистем САПР носят как инвариантный, так и вариативный характер по отношению к процессу разработки. Сущностные свойства программного обеспечения (сложность, изменчивость, абстрактность и т.д.) порождают инвариантные проблемы их разработки, поскольку программный продукт в значительной степени есть результат творческого ремесла или даже искусства. Наличие вариативных проблем разработки обусловлено влиянием человеческого фактора. Это проблемы адекватного воплощения в системах функциональных и технологических требований заказчиков — представителей поставщика и потребителя САПР. При этом успешность проекта в значительной степени зависит от их участия в процессе разработки, регламент и визуализация рабочих продуктов которого, должны обеспечить конструктивное взаимодействие всех заинтересованных сторон.
Эволюция программной инженерии привела к созданию технологий автоматизированного проектирования программного обеспечения – CASE-технологий (Computer Aided Software Engineering) – с соответствующими инструментальными средами разработки – CASE-системами. Инновационные CASE-технологии являются альтернативой традиционным методам разработки программных систем и направлены на снижение трудозатрат при возрастающей сложности программного обеспечения, а также придания системам свойств адаптации и гибкости в условиях платформенных и функциональных изменений. Следует отметить, что в соответствии с современными тенденциями мировой программной индустрии особое значение имеет перенос основного акцента в разработке систем с программирования на объектно-ориентированное проектирование для снижения рисков.
Весомый вклад в развитие теории анализа и практики автоматизированного проектирования программных систем внесли многие отечественные и зарубежные ученые. Однако в настоящее время принципы автоматизированного проектирования программных систем в CASE-средах не нашли полномасштабного отражения в сфере разработки обслуживающих подсистем в оболочке САПР (подсистем разработки и сопровождения программного обеспечения, обучающих подсистем и т.д.) в силу ряда организационных, технических и социальных причин.
Таким образом, актуальной проблемой современного развития обслуживающих подсистем в оболочке САПР является создание методов и технологий проектирования на основе современных подходов программной инженерии для придания системам свойств адаптации и гибкости в условиях платформенных и функциональных изменений.
Цель диссертационной работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание новых технологий проектирования обслуживающих подсистем САПР на основе применения современных методов моделирования и инженерного анализа в виде комплекса исполняемых метамоделей, архитектурных, организационных и инструментальных решений для CASE-пакетов.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
сформулировать принципы проектирования обслуживающих подсистем САПР с учетом формализованных структур и процессных стратегий;
разработать процедуры принятия решения по выбору типа процесса разработки подсистем САПР в условиях доступности экспертной информации;
разработать технологическую модель проектирования подсистем САПР и процедуры реализации подпроцессов;
сформулировать научные принципы построения платформно-независимых расширяемых метамоделей, определяющих каркасы архитектуры обслуживающих подсистем;
выполнить системный анализ методов идентификации ключевых абстракций и механизмов области приложения и разработать на этой основе принципы концептуализации предметной области для проектных метамоделей;
идентифицировать проектные и навигационные образцы для решения задач повторного использования в метамоделях и разработать технические решения по конвертации образцов в компоненты многократного использования;
построить адаптивную и расширяемую проектную метамодель подсистемы управления графическим пользовательским интерфейсом для обслуживающих подсистем в оболочке САПР и дать технические решения, как на уровне моделирования, так и на уровне реализации;
разработать процедурные и структурные метрики для оценки качества (практичности) визуальных прототипов графического пользовательского интерфейса подсистем, направленные на выявление проблемных элементов модельной конструкции;
провести апробацию разработанных в диссертации принципов, методов и технологии рекуррентного метамоделирования для проектирования обслуживающих подсистем.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используются теория и методы программной инженерии, методы объектно-ориентированного анализа и проектирования, методы визуального моделирования, экспертно-статистические методы.
Достоверность и обоснованность диссертационных исследований подтверждается результатами практических разработок широкого спектра обучающих подсистем, которые зарегистрированы в отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию, а также успешным внедрением разработанных методов и программно-инструментальных средств проектирования в различных высших учебных заведениях и организациях.
На защиту выносятся:
-
-
Методологические основы проектирования обслуживающих подсистем САПР, ориентированные на CASE-технологии и отличающиеся принципами интеграции процессных стратегий, структур и проектных образцов визуальных метамоделей анализа и проектирования.
-
Принципы построения высокоуровневых метамоделей анализа и проектирования программных обслуживающих подсистем, отличающихся устойчивостью к изменениям платформенного уровня, адаптивностью к расширению функциональности и определяющих для конкретных проектов каркасы архитектуры и моделей с полными спецификациями состояния и поведения системы.
-
Процедура многокритериальной оптимизации для принятия решения по выбору процесса разработки программных систем, особенностью которой является иерархическая структура исходной системы характеристик процесса и альтернативных решений в условиях доступности экспертной информации.
-
Технические решения по ускорению процесса разработки обслуживающих подсистем САПР, а также снижения зависимости разрабатываемой системы от изменяющихся требований, за счет включения проектных и структурных образцов в архитектуру метамоделей.
-
Технические решения по упрощению механизма управления системным интерфейсом, а также с целью оптимизации расширения его функциональности, отличающиеся включением модельного каркаса в проектную метамодель подсистемы управления графическим пользовательским интерфейсом.
-
Метод оценки практичности визуальных прототипов графического пользовательского интерфейса программных систем, направленный на выявление проблемных элементов модельной конструкции и дополняющие формы и оценки анализа проектов в целом.
Научная новизна работы:
разработаны методы проектирования обслуживающих подсистем САПР, ориентированные на CASE-технологии и отличающиеся принципами интеграции процессных стратегий, структур и проектных образцов визуальных метамоделей анализа и проектирования;
сформулированы принципы рекуррентного построения высокоуровневых визуальных исполняемых метамоделей анализа и проектирования обслуживающих подсистем САПР, позволяющих создавать каркасы архитектуры для конкретных проектов;
разработана оригинальная процедура многокритериальной оптимизации на основе метода анализа иерархий и полных парных сравнений для принятия решения по выбору процесса разработки подсистем САПР в условиях доступности экспертной информации;
впервые предложено использование рекуррентной технологической модели проектирования подсистем на основе разработанных процессных стратегий, обеспечивающей рост производительности;
разработаны новые технические решения по адаптивности проектных визуальных моделей обслуживающих подсистем к изменениям функциональных требований за счет применения предложенных проектных образцов
разработаны новые технические решения по ускорению процесса проектирования подсистемы управления графическим пользовательским интерфейсом в оболочке САПР за счет включения в архитектуру подсистемы предложенных модельных каркасов;
созданы процедурные и структурные метрики для оценки практичности визуального прототипа графического пользовательского интерфейса в системной среде САПР, позволяющие выявить проблемные элементы модельной конструкции и дополняющие формы и оценки анализа проектов в целом.
Практическая значимость работы
Предлагаемый новый подход к проектированию обслуживающих подсистем САПР на основе метамоделирования развит до практических технологий, методик, алгоритмов и программных средств разработки. Практическая значимость работы определяется тем, что предложенные в диссертации методологические конструкции, принципы, методы и технологии проектирования программных систем с применением визуального моделирования, применимы для создания широкого спектра обслуживающих подсистем.
Разработанные методы проектирования позволяют решить проблемы снижения общей стоимости проектов, сокращают время разработки и тестирования, что отражает тенденции в мировой индустрии программирования: снижение зависимости разрабатываемой обслуживающей подсистемы САПР от изменяющихся требований и обеспечение ее гибкости для внесения изменений.
Использование предложенных проектных конструкции программных систем позволяет существенно сократить трудоемкость процесса разработки и повысить качество систем за счет использования проектных образцов. Предложенные визуальные формы метамоделей анализа и проектирования семантически понятны и доступны для обсуждения проектов представителями заказчика, не являющимися специалистами в области программирования. Это предопределяет возможность активного участия в процессе разработки и контроля над качеством проектов всех категорий заинтересованных лиц.
Разработанные в диссертации теоретические положения и практические рекомендации могут быть использованы в учебном процессе при подготовке студентов вузов по специальностям, связанным с системами автоматизированного проектирования, разработкой программного обеспечения САПР, компьютерным моделированием программных систем.
Реализация результатов. Разработанные методы, технология и программно-инструментальное обеспечение автоматизированного проектирования обслуживающих подсистем САПР на основе визуализации моделей использованы при создании ряда обучающих подсистем, внедренных в корпоративном электронном обучении и в образовании:
многофункциональная тестовая оболочка «Модуль-Тест»;
мультимедийный программно-методический комплекс «Автоматизация делопроизводства»;
пакет тестирующих программ по дисциплинам «Делопроизводство» и «Автоматизация делопроизводства»;
мультимедийный программно-методический комплекс «Системы управления химико-технологическими процессами»;
мультимедийный программно-методический комплекс «Интегрированные системы управления делопроизводством»;
программный тренажер «Администрирование операционной системы Windows XP».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 18-ти международных, 10-ти всероссийских, а также межрегиональных, межвузовских, научно-практических конференциях и семинарах, в том числе: VIII, XI–XVIII Международных конференциях «Информационные технологии в образовании» (Москва, 1998, 2001–2008 гг.); II Международной выставке-конференции «Наука и образование» (Москва, 2000); XIII–XV Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2005; Воронеж, 2006; Ярославль, 2007); XII—XV Всероссийских научно-методических конференциях «Телематика» (Санкт-Петербург, 2005—2008 гг.); VI и VII Всероссийских научно-методических конференциях «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2005, 2006 гг.); XV и XVI Международных конференциях «Применение новых технологий в образовании» (Троицк, 2005, 2006 гг.); IV и V Всероссийских научно-практических конференциях «Технологии Интернет – на службу обществу» (Саратов, 2005, 2006 гг.); VI и VII межвузовских научно-практических конференциях «Информационные технологии XXI века» (Москва, 2004, 2005 гг.); X Международной научно-практической конференции «Наука – сервису» (Москва, 2005 г.); I и II Всероссийских научно-практических конференциях «Информационные технологии в образовании и науке» (Москва, 2006, 2007 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 74 публикациях, в том числе в 2 монографиях, 16-ти статьях в изданиях, включенных в список ВАК РФ, и 7 свидетельствах на программные продукты отраслевого фонда алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий Федерального агентства по образованию.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает: введение, пять глав, заключение, библиографический список из 204 наименований, 4 приложения. Основная часть диссертации изложена на 271 страницах, содержит 94 рисунка и 18 таблиц.
Связь диссертационной работы с научными программами. Диссертация выполнена в рамках Межвузовской комплексной программы «Наукоемкие технологии образования» Министерства образования и науки РФ (2001 – 2005 гг.).
Похожие диссертации на Рекуррентное метамоделирование в системных средах САПР
-
