Введение к работе
Актуальность работы. В условиях цифровой экономики единая
производственно-экономическая политика в каждом из подразделений
организаций проводится в тесном информационном взаимодействии
подразделений и их централизованном контроле, осуществляемых с помощью
комплексных автоматизированных систем управления (АСУ). В ходе
разработки таких систем, организациям необходимо определиться с
технологиями, на основе которых будут реализованы подсистемы хранения и
доступа к данным, с учетом уровня контроля качества продукта, стоимости
изменений, стоимости дальнейшей поддержки системы, ее масштабируемости
при росте объема собственных данных. Также необходимо учитывать
информационное взаимодействие с государственной информационной
системой промышленности, утвержденной постановлением Правительства РФ
от 23.09.2017 №1147 "Об утверждении Правил доступа к информации,
содержащейся в государственной информационной системе промышленности,
и взаимодействия государственной информационной системы
промышленности с иными государственными информационными системами".
Разрабатываемые информационные системы (ИС) в рамках развития АСУ имеют в настоящее время специфические особенности. Во-первых, это быстро меняющиеся требования к таким системам. Как следствие, в практике разработки ИС появилось множество подходов, которые преследуют одну цель – снижение затрат на разработку. Во-вторых, это значительное увеличение объема информации, что потребовало принципиального нового подхода как к хранению информации (аппаратное обеспечение), так и к ее обработке (программное обеспечение). Однако при моделировании технологических процессов в ходе разработки ИС появляется большое число сущностей и их параметров, что влечет за собой написание большого количества кода, необходимость его тестирования, а также постоянную настройку систем доступа к хранилищам данных и настройку их производительности для автоматизированных производств, автоматических линий (АЛ) и др.
Применение адаптивных структур хранения данных технологических производств позволяет автоматизировать процессы создания пакетов типовых программ и типовых модулей АСУ.
Согласно п. 5 постановления Правительства РФ от 6 июля 2015 г. №676 «О требованиях к порядку создания, развития, ввода в эксплуатацию, эксплуатации и вывода из эксплуатации государственных информационных систем и дальнейшего хранения содержащейся в их базах данных информации» в части разработки ИС, порядок создания системы включает в себя следующие последовательно реализуемые этапы:
а) разработка документации на систему и ее части;
б) разработка рабочей документации на систему и ее части;
в) разработка или адаптация программного обеспечения.
Таким образом, разработка ИС в виде, позволяющем быстро решать поставленные задачи в надлежащем качестве, в настоящее время крайне актуальна.
При разработке модулей загрузки и отображения данных производственных процессов и их характеристик, производственных моделей изделий, возникает необходимость разработки унифицированного подхода для представления таких интерфейсов. Однако в научной и технической литературе для них недостаточно проработаны концепции, модели и методы, а алгоритмическое и программное обеспечение для их реализации в публичном доступе практически отсутствует, так как подобного рода системы разрабатываются и используются исключительно внутри организаций. Поэтому создание унифицированных подходов к хранению данных и их представлению графическими интерфейсами для информационно-телекоммуникационных сетей предприятий является востребованной и актуальной научно-технической задачей.
Степень разработанности темы. Применению адаптивной структуры хранения данных в основном посвящены работы Джозефа Йодера (Joseph Yoder), датированные 2011 годом, а также работы Ребекки Вирфс-Брок (Rebecca Wirfs-Brock), но в основном они только описывают, что такое адаптивный подход к хранению данных, а также подходы для применения к реляционным хранилищам данных, с примерами, написанными на псевдокоде. Работы авторов P.M. Matsumoto, F.F. Correia, E. Guerra, H.S. Ferreira, L. Welicki содержат примеры программного кода, но эти примеры представляют скорее академический интерес, поскольку в приведенном виде применить их на практике достаточно проблематично. В работах тех же авторов описывается способ отрисовки статичной абстрактной страницы, не использующий преимущества, специфичные для информационно-телекоммуникационной области, а информации об использовании адаптивных подходов в области нереляционных хранилищ данных очевидно недостаточно.
Далее, под виджетом будет подразумеваться функционально полный элемент страницы, работоспособность которого не зависит от других элементов страницы, умеющий отрисовывать какую-либо информацию, возможно, зависящую от URI (Uniform Resource Identifier, единообразный способ формирования унифицированного идентификатора ресурса, по ГОСТ Р ИСО 22745-20-2013).
Идея представления пользовательского интерфейса в виде виджетов не является новой (существует множество работ и программных реализаций, позволяющих создать такие интерфейсы), однако все эти работы привязаны к конкретной модели, что требует программирования для каждого конкретного случая. Подходов, описывающих построение унифицированных интерфейсов для отображения адаптивных структур данных крайне мало.
Целью работы является автоматизация процессов разработки
графических интерфейсов с использованием унифицированного доступа к нереляционным хранилищам адаптивных структур данных, применительно к информационно-телекоммуникационным сетям в сфере автоматизированных
производств. Это позволит повысить эффективность способов проектирования графического интерфейса при появлении новых требований (новых деталей, производственных процессов) путем уменьшения времени, затрачиваемого на разработку и внедрение согласно национальной нормативной документации. Введение дополнительного уровня между данными адаптивной структуры базы данных и кодом, выполняющим алгоритмы отдельного технологического процесса, должно решить проблемы: расхождения документации и программного кода, неудобство наладки проведения автоматического тестирования, наличия множества неявных зависимостей в технической системе.
Для достижения сформулированной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведение анализа средств проектирования ИС, структур организации данных в нереляционных хранилищах и адаптивных структур хранения данных.
-
Разработка модели древовидного представления унифицированного пользовательского интерфейса АСУ технологического процесса, отличающейся гибкостью конфигурирования, способностью решать типовые задачи отображения данных, и имеющей возможности расширения на случаи ординарных и неординарных требований.
-
Разработка математической модели клиент-серверного взаимодействия для описания пропускной способности распределенных высоконагруженных систем.
-
Разработка алгоритма проектирования технологических систем, построенного на основе адаптивных структур данных.
-
Проведение оценок эффективности разработанного алгоритма по модели клиент-серверного взаимодействия.
-
Разработка программного обеспечения на основе предложенного алгоритма проектирования технологических систем, реализующего основные положения данной работы.
Объект исследования – информационные системы технологических производств и процессов организаций, а также процессы их создания и развития.
Предмет исследования – способы проектирования графических интерфейсов и организации доступа к базам данных информационных подсистем АСУ.
Методы исследования. В работе использовались методы системного
анализа, моделирования и эксперимента, объектно-ориентированного
проектирования программных систем и программирования, оптимизации и математической статистики, а также оценки эргономичности пользовательских интерфейсов.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Определены межкомпонентные связи для систем эксплуатационной поддержки информационно-телекоммуникационных сетей автоматизированного производства, особенностями которых являются типизация и унификация, а также выявлены компоненты графических интерфейсов АСУ предприятия. Установлено увеличение доли нереляционных баз на основе анализа статистических данных за последние 4 года с 9.2% до 20.0%.
-
Разработана модель древовидного представления унифицированного пользовательского интерфейса для автоматизации процессов создания элементов отображения типовых данных, имеющая возможности расширения.
-
Предложена математическая модель системы клиент-серверного взаимодействия для информационно-телекоммуникационной сети, являющаяся системой массового обслуживания с ожиданием, для описания пропускной способности технологических систем.
-
Разработан алгоритм проектирования и модификации характеристик процессов и параметров изделий, отличающийся введением дополнительного уровня между данными адаптивных структур в нереляционных хранилищах, и уровнем, обеспечивающим последовательность выполнения технологических процессов. Для построения графических интерфейсов предложен алгоритм хранения и отображения древовидных моделей интерфейсов в таких хранилищах.
-
Предложены математические оценки эффективности разработанного алгоритма по модели клиент-серверного взаимодействия.
Теоретическая значимость исследования заключается во введении понятийного аппарата теоретических моделей, которые могут быть использованы при разработке различных рабочих ситуаций, использующих эту теоретическую базу. Математическая модель позволяет оценить эффективность обработки запросов при использовании предлагаемого интерфейса системы по критерию пропускной способности в зависимости от входных характеристик технической системы.
Практическая значимость исследования состоит в разработке программного обеспечения на языке Java с использованием предложенного алгоритма для унификации доступа к хранилищам данных, типизации пользовательского интерфейса, позволяющего сократить время разработки ИС с учетом особенностей производств, хранящих большие объемы данных.
Показана работоспособность и применимость на примере управления физической и логической топологией информационно-телекоммуникационной сети предприятия, что также подтверждается свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013610169 Неткайт (Netkite).
Научные исследования проведены при финансовой поддержке
Минобрнауки России в рамках выполнения государственного задания № 2.1237.2017/ПЧ.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Модель древовидного представления унифицированного пользовательского интерфейса для автоматизации процессов создания элементов отображения типовых данных.
-
Математическая модель клиент-серверного взаимодействия для описания пропускной способности технологических систем.
-
Алгоритм проектирования технологических систем, построенных на основе адаптивных структур данных, отличающийся тем, что:
i. отсутствует избыточность документации и программного кода; ii. отсутствуют недостатки применения адаптивной структуры хранения данных «напрямую»; iii. обеспечена применимость данного подхода к системам с быстро меняющимися требованиями.
-
Унифицированный пользовательский интерфейс автоматизированного производства, отличающийся гибкостью конфигурирования, способностью решать типовые задачи отображения данных пользователю, и имеющий возможности расширения.
-
Результаты оценки эффективности предложенного алгоритма проектирования технологических систем.
-
Программное обеспечение на языке Java, реализующее основные положения данной работы.
Достоверность и апробация результатов. Достоверность полученных
результатов подтверждена путем разработки программного обеспечения,
базирующегося на предложенных моделях и алгоритме, и применении их в
исследовательском прототипе системы. Основные результаты
диссертационного исследования представлены на российских и
международных конференциях: 55-ой научной конференции МФТИ,
Радиотехника и кибернетика (Москва, 2012) и XL международной
конференции, X международной конференции молодых ученых
«Информационные технологии в науке, социологии и бизнесе IT+S&E'12» (Москва, 2012) , международной научно-практической конференции «новые информационные технологии в науке», XX Международной научно-практической конференция «World Science: Problems and Innovations», XX Международной научно-практической конференции «World science: problems and innovations» (Пенза, 2018), Международной научно-практической конференции «Новые информационные технологии в науке» (Челябинск, 2018), а также в электронном периодическом рецензируемом научном журнале «SCI-ARTICLE.RU».
Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013610169 от 09 января 2013 Неткайт (Netkite).
Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует формуле научной специальности 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» в пунктах 4, 9, 18.
Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и содержит 186 страниц машинописного текста, 17 страниц приложений, 53 рисунка и 15 таблиц. Список литературы содержит 126 наименований.