Введение к работе
Актуальность проблемы.
Автоматизация, понимаемая в обобщенном смысле, представляет фундаментальный процесс, состоящий в переходе от некоторого объекта исследования, называемого объектом автоматизации, к его прототипу Переход включает два взаимосвязанных процесса
проектирование прототипа - построение модели прототипа на основе формирования и преобразовании модели объекта автоматизации,
создание прототипа - реализация модели прототипа в некоторой специально выбранной среде
Такое определение автоматизации отводит особую роль моделированию и позволяет считать, что под собственно решением задачи автоматизации следует понимать модель объекта автоматизации, синтезируемую на этапе проектирования Моделирование есть фундаментальный информационный процесс
Следовательно, при таком определении автоматизации проектирование рассматривается как процесс решения задачи автоматизации, который можно представить в форме информационной системы проектирования IS, включающей модель объекта автоматизации и процессы (операции) ее формирования, определенные в некотором носителе
В современных исследованиях признается, что вопрос об
универсальной (унифицированной) информационной системе
проектирования, в которой осуществляется построение модели объекта автоматизации, и как следствие, возникающий вопрос об универсальном носителе информационной системе проектирования для решения задачи автоматизации приводит к вопросу об универсальной форме представления знаний Если в качестве такой формы принимается предложение языка, то можно говорить о лингвистически-ориентированной точке зрения на
проблему представления знаний Если в качестве такой формы рассматривается понятие, то можно говорить о понятийно-ориентированной точке зрения на проблему представления знаний или о концептуальном подходе к построению языков представления знаний Такая позиция в отношении универсальной формы представления знаний полностью соответствует точке зрения на фундаментальную роль понятия, которая принимается в логике
В современных исследованиях в области теории информационных систем понятийно-ориентированный подход развивается на основе понятия онтологии Целью исследователей здесь является разработка универсального понятийно-ориентированного языка проектирования (моделирования)
Понятие онтологии возникло в логике в связи семантическими основаниями кванторных логических моделей языка Практическая значимость онтологии для проектирования состоит в том, что задать онтологию, значит определить совокупность понятий, в терминах которых будет осуществляться процесс проектирования Тем самым онтология задает концептуальную среду, в которой осуществляется процесс синтеза модели объекта автоматизации Такая среда должна быть универсальной в том смысле, что она должна позволять решать задачу автоматизации в общем случае, т е быть максимально независимой в отношении выбора конкретного объекта автоматизации Онтологии, обеспечивающие универсальность среды проектирования, называют онтологиями высокого уровня или метаонтологиями Примерами такого рода онтологии являются совокупности понятий BWW, Dolce, включающие понятие система, а также совокупность понятий языка UML Особенностью проектирования в языке UML является, то что в нем прямым образом используется понятие метамодели Это также относится и к так называемым языкам метаприложений, представленным в форме таких методологий как ARIS, Workflow, и других комплескных средств проектирования информационных
систем, которые могут рассматриваться как языки моделирования, соответствующие уровню метаонтологии
Рассматриваемая в контексте задачи автоматизации, проблема построения универсального языка проектирования предполагает вторую не менее важную проблему Рациональная точка зрения на организацию процесса решения задачи автоматизации, осуществляемого в языке проектирования, предполагает, что этот язык должен быть ориентирован на определенный универсальный тип объекта автоматизации
В современных исследованиях имеется устойчивая тенденция рассматривать в качестве такого типа организацию В пользу целесообразности такого выбора свидетельствуют
во-первых, парадигмы поведения самих организаций, как основных объектов автоматизации
во-вторых, явная функциональная аналогия, существующая между понятиями организации и системы обработки данных
- в-третьих, исследование организаций дает новые парадигмы автоматизации,
прямо ориентированные на синтез интеллектуальной информационной
системы
- в-четвертых, с точки зрения CASE-технологий, использование понятия
«организация» в качестве модели объекта автоматизации предполагает
возможность выявления определенных типов принципов, схем и методов,
которые позволят решать задачу проектирования на основе совокупности
стандартизованных модельных схем
Использование понятия «организация» в качестве парадигмы проектирования модели объекта автоматизации предполагает возможность выявления определенных типов схем, принципов и методов, которые позволят решать задачу автоматизации определенным структурированным образом на основе стандартизованных модельных схем Для того чтобы их выявить, необходимо интерпретировать понятие организации в терминах
некоторого фундаментального понятия, допускающего математическое представление Одним из таких понятий является понятие система Системное представление организации дисциплинирует процессы разработки и обеспечивает возможность стандартизации методов и моделей решения задачи автоматизации Тем самым, системная модель организации, как конечная форма модели объекта автоматизации, оказывает непосредственное и существенное влияние на методологию проектирования
Проведенный анализ современных тенденций в области оснований процесса автоматизации приводит к выводу, что концептуально-ориентированный подход к задаче автоматизации проектирования, основанный на понятиях онтологии, системы и организации представляет долгосрочную перспективу в области развития теории информационных систем проектирования
Разработка данного похода связана с решением таких принципиальных вопросов, как определение роли онтологии в решении задачи автоматизации проектирования, исследование связи онтологии с понятийно-ориентированным подходом к представлению знаний, метамоделированием и моделями организаций Особый интерес для теории информационных систем представляют исследования, направленные на поиски математического системного представления организаций, основанного на алгебраической системе А И Мальцева
Высокая степень актуальности и практической значимости данных исследований обусловлена тем, что опыт проектирования информационных систем приводит к выводу, что центральным элементом методологии жизненного цикла программного обеспечения, как конечной формой представления информационной системы проектирования, определяющей последовательность этапов ее разработки, является методология моделирования Как следствие в центре научного анализа универсальной информационной системы оказываются вопросы о связи задачи
автоматизации проектирования с онтологиями и метамоделированием и, в частности, вопрос о том, приводит ли онтология, понимаемая как тезаурус, к математическим модельным структурам
Решение этих и других вопросов направлено на совершенствование и развитие научных основ создания систем автоматизации проектирования, и определяет перспективы решения задачи автоматизации проектирования на уровне систем представления знаний
Цель диссертационной работы.
Разработать системно-ориентированные модельные структуры, для решения задачи проектирования на основе моделей организации, реализованных в форме математических моделей динамических систем в пространстве состояний объектов
Объект исследования
Объектом исследования является задача автоматизации проектирования Предметом исследования является процесс проектирования, который определяется как синтез модели объекта автоматизации Основная задача работы состоит в исследовании роли онтологии высокого уровня в структуре информационной системы проектирования с целью разработки системно-ориентированных модельных структур, для решения задачи проектирования на основе моделей организации, реализованных в форме математических моделей динамических систем в пространстве состояний объектов
Задачи исследования.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие основные задачи
-
Разработать обобщенную схему процесса автоматизации, позволяющую провести анализ роли онтологии в решении задачи автоматизации проектирования
-
Сформулировать основные принципы концептуально-ориентированного моделирования и установить их связь с онтологическим подходом к проблеме представления знаний
-
Разработать системную модель информационного поведения организации и провести анализ решения задачи автоматизации для данной модели
-
Проанализировать связь онтологии высокого уровня с логической точкой зрения на метамоделирование и решением задачи автоматизации проектирования
-
Разработать модель понятия и на ее основе проанализировать связь естественной метаонтологии с объектно-ориентированными типами математических моделей для решения задачи проектирования
-
Разработать математическую модель элементарной организации в форме системного представления элементарного действия
-
Построить системный структурный тип, ориентированный на решение задачи проектирования в форме связанной совокупности математических моделей динамических систем в пространстве состояний объектов
Методы исследования.
8 работе используются модели и методы теории определений, теории
действий, теории многоуровневых иерархических систем, теории категорий,
теории динамических систем, теории многокритериальных задач выбора и
принятия решений, а также модели экономической динамики
Научная новизна исследований.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке системно-ориентированного подхода к решению задачи автоматизации проектирования, который включает
концептуальный уровень, на котором системное решение задачи автоматизации определяется в форме онтологической модельной системы специального вида,
математический уровень, на котором системное решение задачи автоматизации строится в форме связанной совокупности математических моделей динамических систем в пространстве состояний объектов
При разработке системно-ориентированного подхода получены следующие основные результаты
-
Схема переноса модели, как обобщенная модели процесса автоматизации, отвечающая роли онтологии в методологии проектирования в понятийно-ориентированной парадигме представления знаний
-
Модель организации в форме объекта исследования с целенаправленным информационным поведением
-
Логический анализ связи онтологии высокого уровня с метамоделированием и решением задачи автоматизации целенаправленного информационного поведения
-
Структура онтологической модельной системы, связанная с принципами системно-ориентированного концептуального моделирования и системным анализом
-
Диаграмма понятия, задающая типы концептуальных моделей
-
Диаграмма понятия «один объект»
-
Системные модельные структуры метаонтологии «физической точки»
-
Математическая модель организации в форме динамической системы в пространстве состояний объектов, построенная в виде расширения
категорного представления алгебраической операции в динамическую область 9 Структурный системный тип, ориентированный на построение модели организации в форме совокупности взаимодействующих элементарных динамических систем, позволяющий совместить объектное и процессное представление организации
Теоретическая и практическая ценность
Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в разработке комплекса положений по представлению решения задачи проектирования в форме процесса синтеза модели объекта исследования, основанного на принципах системно-ориентированного концептуального моделирования и системных моделях организаций
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в
диссертации результаты представляют основу для дальнейшего
совершенствования методов решения задачи автоматизации проектирования,
так как определяют подход к решению проблемы универсализации и
стандартизации моделей и методов проектирования информационно-
управляющих систем на основе системно-ориентированной онтологии,
которая позволяет структурировать процесс проектирования
информационных систем в форме системных структурных метамоделей, согласованных с лингвистическими и логическими моделями языка проектирования
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы нашли практическое применение в ряде организаций и научно-исследовательских институтов, а также в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики (технического университета) и Таганрогского государственного
радиотехнического университета Диссертационная работа выполнена в рамках Тематического плана госбюджетных НИР Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по разделу «Фундаментальные исследования» на тему «Исследование и разработка методологии, математических, информационных и инструментальных средств построения интеллектуальных информационных технологий принятия решений в организационно-технологических системах»
Апробация работы.
Основные результаты исследований обсуждались на научных
семинарах кафедры АИПУ МИЭМ под руководством профессора Кравченко В А, кафедры кибернетики МИЭМ под руководством профессоров Афанасьева В Н , Колмановского В Б , Носова В Р
Результаты исследований докладывались на Всесоюзной конференции «Автоматизированные системы управления», Тбилиси, 1976, на Всесоюзной научно-технической конференции «Динамическое моделирование сложных систем», Тбилиси, 1982, на Научной конференции с участием ученых из социалистических стран «Проблемы искусственного интеллекта и распознавания образов», Киев, 1984, на Втором Международном симпозиуме по системному анализу и моделированию, Берлин,1985, на Втором Европейском конгрессе по организационному управлению, Прага, 1990, на Третьем Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы (INTELS'98)», Псков, 1998, на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования информационных технологий», Сочи, 1998 и 1999, на Четвертом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы (INTELS'2000)», Москва, 2000, на Восьмой международной студенческой школе-семинаре «Информационные технологии», Судак, 2000, на Международной конференции «Информационные и телекоммуникационные
технологии в интеллектуальных системах», Коста-Брава (Испания), 2003, на Шестом Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы (ИНТЕЛС'2004)», Саратов, 2004
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 36 научных работах Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы, содержащего 213 наименований, и приложения
