Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие модели и методы планирования архитектурных преобразований 10
Введение 10
1.1. Архитектура предприятия как основа управления развитием информационных систем крупной компании 11
1.2. Архитектура предприятия с точки зрения системного анализа 17
1.3. Модели архитектуры предприятия 19
1.4. Методы планирования архитектурных преобразований 26
1.5. Модели и методы формирования портфеля проектов 37
1.6. Метод построения архитектурной дорожной карты TOGAF... 40
1.7. Выводы по главе 1 47
Глава 2. Модель реструктуризации архитектуры предприятия 50
2.1. Планирование технологических и организационных изменений предприятия на основе теории комплементарных взаимодействий 50
2.2. Принципы применения матрицы изменений 55
2.3. Формирование матрицы изменений на основе архитектурных блоков TOGAF 60
2.4. Построение математической модели взаимодействия архитектурных блоков 67
2.5. Построение модели реструктуризации архитектуры предприятия 73
2.6. Постановка задачи построения оптимальной архитектурной дорожной карты 89
Глава 3. Разработка методов построения оптимальной архитектурной дорожной карты 91
3.1. Сравнение поставленной экстремальной задачи со стандартными задачами комбинаторной оптимизации 91
3.2. Методы решения задач комбинаторной оптимизации 93
3.3. Алгоритм построения допустимых решений 106
3.4. Вычислительный эксперимент 110
3.5. Выбор метода решения задачи 120
3.6. Описание выбранного метода решения (генетического алгоритма NSGA-II) 124
3.7. Кодирование решений и выбор генетических операторов 130
Глава 4. Разработка и тестирование программного комплекса 134
4.1. Программная реализация системы построения и оптимизации архитектурной дорожной карты 134
4.2. Тестирование системы построения и оптимизации архитектурной дорожной карты 136
Заключение 140
Литература 143
Приложения 156
- Архитектура предприятия с точки зрения системного анализа
- Формирование матрицы изменений на основе архитектурных блоков TOGAF
- Алгоритм построения допустимых решений
- Программная реализация системы построения и оптимизации архитектурной дорожной карты
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Главными проблемами, решаемыми при управлении развитием информационных технологий современного крупного предприятия являются общесистемные вопросы, включающие определение структуры, организацию взаимосвязи между элементами, взаимодействие с внешней средой, управление функционированием как всей системы, так и ее отдельных элементов.
Как известно, современная бизнес-среда характеризуется высокой турбулентностью. Внешние изменения происходят быстро, но внутренние процессы принятия решений не успевают создать адекватную реакцию, поскольку не обладают адекватным источником и каналом обратной связи. Это является причиной того, что время, требующееся для перехода на новые бизнес-процессы и для реализации бизнес-стратегии, является новым "узким местом". Об этом же свидетельствует и возросший в последнее время интерес к концепциям «динамичности предприятия» (Enterprise Agility) и «предприятия реального времени» (Real-Time Enterprise, RTE). Чтобы в таких условиях сохранить конкурентоспособность, предприятия вынуждены постоянно менять бизнес-модели и архитектуру бизнеса, что, в свою очередь, требует разработки адекватных инструментов и методов эффективного изменения архитектуры предприятия в целом.
Архитектурный подход получил широкое признание как основа методологии разработки сложных компьютерных систем, базирующейся на целостном многоаспектном представлении о создаваемой системе и обеспечивающей благодаря этому эффективные возможности ее развития, естественной интеграции в среду функционирующей организации. Тем не менее, одним из наиболее существенных пробелов в области архитектуры предприятия является недостаточная проработка и слабая формализованность методов планирования перехода от текущего состояния архитектуры предприятия к целевому (разработки так называемой «архитектурной дорожной карты»).
Серьезным препятствием проведения дальнейших исследований является
отсутствие математических моделей реструктуризации архитектуры
предприятия и методов оптимизации процесса архитектурных преобразований, позволяющих рассматривать архитектуру предприятия в динамике и проигрывать различные сценарии ее развития при изменении внешних условий.
Объектом исследования является архитектура предприятия как динамическая система.
Предметом исследования являются модели процесса реструктуризации архитектуры предприятия.
Цель диссертационной работы: повышение качества преобразования
архитектуры предприятия путем многокритериальной оптимизации
архитектурных преобразований на базе графовой модели реструктуризации.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Выполнен анализ моделей и методов планирования архитектурных преобразований с целью выявления классов вопросов, недостаточно проработанных в научной литературе и имеющих большую практическую значимость.
-
Разработан подход к оценке характеристик архитектурной дорожной карты как последовательности преобразований архитектуры предприятия.
-
Построена математическая модель реструктуризации архитектуры предприятия, включающая функции оценки архитектурной дорожной карты.
-
Разработаны алгоритмы многокритериальной оптимизации архитектурной дорожной карты на основе модели реструктуризации.
-
Разработан программный комплекс для построения и оптимизации архитектурной дорожной карты.
Методы исследования. В диссертационной работе используются методы системного анализа, теории комплементарных взаимодействий, теории множеств, теории графов, математической статистики, исследования операций, теории алгоритмов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель взаимодействия архитектурных блоков, учитывающая влияние факторов внешней и внутренней среды предприятия.
-
Разработана математическая модель реструктуризации архитектуры предприятия.
-
Разработаны методы оценки качества архитектурной дорожной карты на основе модели реструктуризации архитектуры предприятия.
-
Разработан метод многокритериальной оптимизации архитектурной дорожной карты, учитывающий взаимодействие архитектурных блоков, факторов внешней и внутренней среды предприятия, а также приоритетность отдельных изменений.
-
Разработан программный комплекс, реализующий предлагаемый метод многокритериальной оптимизации архитектурной дорожной карты.
Теоретическая значимость исследования. Предложена новая модель процесса реструктуризации архитектуры предприятия, а также средства оценивания этого процесса, показана их адекватность практическим задачам и возможность эффективной алгоритмической реализации. При этом впервые применены модели и методы теории комплементарных взаимодействий для разработки методов планирования архитектурных преобразований.
Практическая значимость исследования. Создан комплекс
компьютерных программ для поддержки принятия решений при планировании преобразования архитектуры предприятия, а также для моделирования различных вариантов архитектурной дорожной карты при изменении факторов внешней и внутренней бизнес-среды. В отличие от существующих подходов впервые реализована возможность оптимизации архитектурной дорожной карты на основе формальных методов, учитывающих комплементарные взаимодействия архитектурных блоков.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
подтверждается их соответствием известным теоретическим и практическим данным, опубликованным в литературе, а также положительными результатами их внедрения в практическом проекте.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработана математическая модель взаимодействия архитектурных блоков.
-
Разработана математическая модель реструктуризации архитектуры предприятия.
-
Разработан метод оценки качества архитектурной дорожной карты.
-
Разработаны алгоритмы многокритериальной оптимизации архитектурной дорожной карты.
-
Разработан комплекс программ, реализующий предложенные алгоритмы многокритериальной оптимизации архитектурной дорожной карты.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на научно-методическом семинаре факультета
бизнес-информатики НИУ ВШЭ для аспирантов и магистрантов
«Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
(2012-2014 гг.), международном научном семинаре в Европейском
исследовательском центре по информационным системам (ERCIS, г.Мюнстер,
Германия, 2012 г.), Конгрессе по интеллектуальным системам и
информационным технологиям IS&IT'12 (2012 г.), международной научной конференции International Forum on Strategic Technology (IFOST-2012), международной научной конференции «Инновационное развитие экономики России: региональное разнообразие» (МГУ, 2013 г.), международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование» (МГУ, 2013 г.), международной конференции S-BPM ONE 2014, the 6th International Conference on Subject-Oriented Business Process Management (Айхштет, Германия, 2014 г.), международной конференции «Математика и информационные технологии в нефтегазовом комплексе» (СурГУ, Сургут, 2014 г.)
Полученные в диссертации результаты были использованы в проекте построения архитектуры предприятия для направления деятельности
«капитальное строительство» в ОАО «Сургутнефтегаз», а также в лекционных
занятиях по дисциплине «Архитектура предприятия» Сургутского
государственного университета.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 5 статей в сборниках трудов конференций.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии, включающей 110 наименований, и 7 приложений. Общий объем диссертации без учета приложений составляет 155 страниц.
Архитектура предприятия с точки зрения системного анализа
Согласно [1] предприятие – это одна или несколько организаций, разделяющих определенную миссию, цели и задачи для получения выхода (результата) в виде продукции или услуги. Данное определение соответствуют понятию системы, используемому в системной инженерии.
Согласно ГОСТ ИСО/МЭК 15288:2005 [2] система – это «Комбинация взаимодействующих элементов, организованных для достижения одной или нескольких поставленных целей» (это определение соответствует обобщенному классическому определению понятия «система», приведенному, например в [11] и [39]). Далее ГОСТ уточняет это понятие для искусственных систем следующим образом: «Системы, рассматриваемые в настоящем стандарте, являются искусственными, они созданы и используются с целью предоставления функциональных возможностей в заданных условиях для удовлетворения потребностей пользователей и иных заинтересованных лиц. Эти системы могут состоять из одного или нескольких компонентов: технические средства, программные средства, человеческие ресурсы, процессы (например, процесс оценки), процедуры (например, инструкции оператора), оборудование и природные ресурсы (например, вода, объекты живой природы, минералы). Фактически системы являются результатами реализации замысла в виде получаемой продукции или услуг».
В соответствии с [29], сложной системой называется система, состоящая из разнотипных элементов с разнотипными связями.
Таким образом, современное крупное предприятие можно рассматривать как сложную искусственную систему. Применительно к системе в ГОСТ Р ИСО 15704-2008 [1] архитектура определяется как «Описание (модель) основного устройства (структуры) и связей частей системы (физического или концептуального объекта или сущности)». Понятие архитектуры системы приводится и в [18]: «Архитектура – это многоаспектное описание или план задуманной или развиваемой системы на уровне ее компонентов, детализированное в достаточной мере для руководства ее воплощением, а также принципы и руководящие материалы, определяющие руководство конструированием и развитием системы во времени». Это определение базируется на международном стандарте ISO/IEC/IEEE 42010:2011 [57].
Более подробно понятие архитектуры системы рассматривается в [5]. В частности, приводится следующее определение:
«Архитектура системы определяется как общая логическая организация системы, дающая о ней целостное представление и определяемая ее
1) конфигуратором,
2) иерархическими аспектными подсистемами,
3) принципами их взаимодействия (взаимосвязи), как межуровневого, так и межаспектного».
Под «конфигуратором» понимается «набор различных языков описания изучаемой системы, достаточный для проведения системного анализа данной проблемы» [37]. Основные общие рекомендации по созданию архитектурных описаний, применимых для архитектуры предприятия, закреплены стандартом организации IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) IEEE Std 1471-2000 [56]. Для архитектуры предприятия языки, аспекты и уровни описания закрепляются «рамочными моделями» (frameworks) и методологиями АП. Архитектурная рамочная модель (architecture framework) определяется стандартом ISO/IEC/IEEE 42010 – 2011 [57] как «соглашения и общие практики описания архитектуры, установленные внутри определенной области деятельности или сообщества заинтересованных лиц». Также в данном стандарте описаны требования к архитектурным рамочным моделям: «рамочная модель должна определять: круг заинтересованных лиц, набор решаемых ими архитектурных проблем и архитектурные представления, очерчивающие эти проблемы (т.е. предназначаемые для их решения)» [74]. Таким образом, архитектура предприятия, как область знаний, базируется на методах системного анализа и предлагает специальные модели и методы, ориентированные на рассмотрение предприятия как сложной искусственной системы.
Как правило, архитектура предприятия принимает форму достаточно обширного набора моделей, которые описывают структуру и функции предприятия [15]. Цели создания моделей при описании архитектуры предприятия и применяемые средства разнообразны, так же разнообразны и создаваемые модели. Однако наличие общих черт позволяет сгруппировать модели в отдельные классы, что облегчает и упорядочивает их разработку и изучение.
В теории моделирования рассматривается много признаков классификации и их количество не установилось. Тем не менее, наиболее актуальны следующие признаки классификации [8], [17], [46], [4]: способ реализации модели;
форма представления модели;
целевое назначение модели (характер моделируемой стороны объекта);
характер процессов, протекающих в объекте.
Модели архитектуры предприятия представляются в форме схем, диаграмм, матриц, списков (каталогов), таблиц, а также текстовых описаний. По способу реализации модели АП являются идеальными и знаковыми. При этом многие методологии архитектуры предприятия различают формальное и неформальное моделирование. При формальном моделировании создаются строго формализованные модели и их представления (графы, иерархии, таблицы, матрицы), которые можно отнести к подклассу математических моделей. При неформальном моделировании, как правило, создаются описательные модели в произвольной форме (тексты, рисунки). Текстовые описания относятся к подклассу лингвистических моделей, а рисунки - к подклассу графических (рис. 2).
Формирование матрицы изменений на основе архитектурных блоков TOGAF
Прямое следствие из теории комплементарных взаимодействий применительно к информационным технологиям состоит в том, что эффективность инвестиций в ИТ обусловлена не только самими инвестициями в ИТ, но и изменениями в комплементарных практиках, которые происходят (или не происходят) вместе с ИТ-проектом [28]. Эту гипотезу подтверждают в своих исследованиях Э.Бринйолфсон [63] и другие авторы.
Таким образом, для обеспечения эффективного развития информационных технологий на предприятии недостаточно сформировать хорошую целевую архитектуру предприятия, учитывающую все существующие проблемы, требования и перспективные возможности. Ключевым условием успешного применения архитектуры предприятия является обеспечение последовательных изменений (выполнение серии проектов) с учетом комплементарных взаимодействий (взаимного дополнения и взаимного ослабления) отдельных практик. Матрица изменений, предложенная Э.Бринйолфссоном, формируется из организационных практик. Согласно [45] организационная практика – это определенный способ решения задачи, стоящей перед организацией. Доступные примеры применения матрицы изменений показывают, что в качестве организационных практик в матрицу также могут включаться цели, принципы, элементы организационной культуры, способы производства, имеющиеся технологии и т.д. [28], [45], [66]. Понятие организационной практики близко к понятию архитектурного блока, используемого в методологии TOGAF, и введенного нами в параграфе 0. Напомним, что архитектурный блок соответствует отдельному аспекту архитектуры предприятия и отражает набор функциональности, необходимой для удовлетворения потребностей бизнеса в масштабе организации в целом [103], [105].
Рассмотрим далее, каким образом можно сформировать матрицу изменений на основе данных, получаемых на фазе E TOGAF ADM. Для этого вначале более детально опишем процесс построения матрицы изменений.
Согласно [66], [52] построение матрицы изменений
предполагает выполнение четырех шагов:
Шаг 1. Идентификация критических практик.
Шаг 2. Идентификация взаимодействий в системе.
Шаг 3. Идентификация переходных взаимодействий.
Шаг 4. Опрос заинтересованных сторон.
Шаг 1. Идентификация критических практик.
При заполнении матрицы изменений вначале должны быть
определены практики, характеризующие текущее состояние
предприятия (существующие практики) и его желаемое состояние (внедряемые практики). Для формирования матрицы изменений на основе данных TOGAF в качестве практик используются архитектурные блоки из «Консолидированной матрицы различий, решений и зависимостей» (табл. 1), графа «Различия (архитектурные блоки)». Архитектурные блоки базовой архитектуры предприятия при этом включаются в горизонтальную таблицу матрицы изменений (существующая система практик предприятия). Архитектурные блоки целевой архитектуры предприятия включаются в вертикальную таблицу матрицы изменений (целевая система практик предприятия).
Кроме того, в матрицу изменений включаются практики, соответствующие факторам из «Матрицы оценки факторов внедрения» (табл. 2). Факторы внедрения, как правило, носят постоянный характер, поэтому они должны присутствовать в обеих таблицах матрицы изменений. На данном шаге строится горизонтальная треугольная матрица для идентификации взаимодействий между существующими практиками и вертикальная треугольная матрица для идентификации взаимодействий между внедряемыми практиками (рис. 9). Знак «плюс» (+) в узле треугольной решетки означает, что соответствующие практики комплементарны (то есть взаимно усиливают друг друга), а знак «минус» (–) – что практики являются конкурирующими (то есть взаимно ослабляют друг друга). Для выявления этих взаимодействий и заполнения треугольных матриц используется информация из «Консолидированной матрицы различий, решений и зависимостей» (графа «Зависимости») и «Матрицы оценки факторов внедрения» (графа «Выводы (влияние на план миграции)»).
Шаг 3. Идентификация переходных взаимодействий. На шаге 3 создается матрица перехода – прямоугольная матрица, комбинирующая горизонтальную и вертикальную таблицы (рис. 10). Матрица перехода показывает взаимодействия, возникающие при движении от базовой системы практик к целевой, что помогает оценить степень сложности данного перехода. При этом взаимодействия между базовыми и целевыми практиками обозначаются аналогично шагу 2.
Алгоритм построения допустимых решений
Задача построения допустимых решений ( ) для (2.30) – (2.33) может быть сформулирована как задача УО. Дано множество переменных . Все переменные имеют одинаковые домены значений . Требуется найти такие , для которых присвоения удовлетворяет ограничениям (2.32), (2.33). Необходимо также, чтобы значения, присвоенные переменным были попарно различными ( – ограничение “all-different”). Данная задача является бинарной задачей УО, поскольку выражения (2.32), (2.33) накладывают ограничения на пары переменных.
Опишем алгоритм простого хронологического поиска в глубину для решения поставленной задачи УО.
Алгоритм 1. Хронологический поиск c возвратами Процедура Поиск_с_возвратами_1(k) 1: для j := 1 до n+m цикл 2: Tr[k] := D[j] 3: Consistent := Истина 4: для h := 1 до k-1 пока Consistent цикл 5: Consistent := Test(h, k) 6: кцикл 7: если Consistent 8: если k = n+m 9: Вывод Tr 10: иначе 11: Поиск_с_возвратами_1(k+1) 12: кцикл Конец процедуры Алгоритм использует рекурсивный вызов функции Поиск_с_возвратами_1(). Выход из рекурсии обеспечивается либо при нахождении допустимого решения, либо при нахождении тупиковой вершины. Функция Test(h, k) проверяет истинность ограничений (2.32), (2.33) и условия для пары переменных , которым присвоены значения Tr[h], Tr[k] соответственно. Если соответствующие ограничения не существуют, возвращается значение «истина». Приведенный алгоритм можно улучшить, используя характер ограничений задачи. Напомним, что ограничения (2.32) определяют 108 для некоторых пар практик условие непосредственного следования в траектории. Это означает, что при проходе по дереву решений после присвоения переменной значения на следующем шаге переменной должно быть присвоено значение . Таким образом, данное условие можно использовать не для проверки полученного частичного решения в функции Test(), а для построения частичного решения на следующем уровне, минуя перебор оставшихся значений в домене D. Ограничение (2.33) означает, что если ( ) , то должно появиться в траектории раньше, чем . Это позволяет нам при каждом присвоении использовать для проверки не только само частичное решение, но и значения, оставшиеся еще неприсвоенными. Если среди последних обнаруживаются , когда , тогда данное частичное решение объявляется некорректным. Дополним алгоритм хронологического поиска c возвратами в соовтетствии с описанной логикой. 110 . Если заданы значения или , то функция возвращает 0. Предложенная модификация алгоритма поиска с возвратами позволяет эффективно использовать ограничения (2.32), (2.33) и находить все допустимые решения . 3.4. Вычислительный эксперимент Проведем вычислительный эксперимент, в котором сначала определим , а затем оценим значения целевых функций для траекторий . Для проведения вычислительного эксперимента на основе алгоритма 2 в среде MS Access была разработана программа, которая строит допустимые траектории и вычисляет для них значения целевых функций (2.30), (2.31). В качестве источника тестовых данных выбрана матрица изменений 5х6 из статьи [66] (рис. 19). Сведения о явных заменах практик и порядке практик взяты из текста данной статьи
Таким образом, заданы все необходимые данные для построения модели (2.9).
Эксперимент выполнялся на ПЭВМ Dell Optiplex 980 (процессор Intel(R) Core i5 3.33ГГц, оперативная память 4 ГБ, операционная система MS Windows 7).
Время работ программы – 0,1 секунды.
В результате вычислительного эксперимента построено 180 допустимых траекторий, которые были выведены в виде электронной таблицы MS Excel (приложение 1).
Оценим сначала характер целевых функций (рис. 20, на врезке выведены первые 10 значений функций в большем масштабе по горизонтали). Хотя функции и являются дискретными, далее для наглядности будем использовать их непрерывные графики, в которых две соседние точки соединены отрезком прямой.
Программная реализация системы построения и оптимизации архитектурной дорожной карты
Для построения оптимальных архитектурных дорожных карт разработаны база данных моделей взаимодействия архитектурных блоков и комплекс программ, реализующий модели реструктуризации архитектуры предприятия, функции оценки архитектурных дорожных карт и генетический алгоритм многокритериальной оптимизации NSGA-II (система построения и оптимизации архитектурной дорожной карты, далее – система).
База данных и комплекс программ разработаны в среде Microsoft Access версии 14 (Microsoft Office 2010). Проект Microsoft Access включает 7 таблиц данных, 9 экранных форм, программный код объемом около 3000 строк на языке Visual Basic for Applications.
Система включает следующую функциональность:
1. Формирование модели взаимодействия архитектурных блоков:
1.1. Ввод данных о практиках (архитектурных блоках текущей и целевой архитектуры предприятия, а также о факторах внешней и внутренней среды предприятия) и группах практик.
1.2. Формирование наборов практик, соответствующих множествам исключаемых, внедряемых и постоянных практик.
1.3. Ввод данных о важности практик.
1.4. Ввод данных о комплементарности практик, а также о порядке выполнения изменений (для некоторых практик).
2. Визуализация модели взаимодействия архитектурных блоков в виде матрицы изменений.
3. Оценка допустимости и качества архитектурных дорожных карт.
4. Построение множества Парето-оптимальных архитектурных дорожных карт с визуализацией целевых функций для поддержки принятия решения при выборе варианта лицом, принимающим решение.
В приложении 2 представлен листинг основной процедуры BuildParetoSet(), при помощи которой строится множество Парето-оптимальных решений для указанной модели взаимодействия архитектурных блоков.
В приложении 3 представлен листинг процедуры
недоминируемой сортировки NDS(), при помощи которой популяция группируется по Парето-фронтам, в соответствии с которыми агентам популяции присваиваются ранги.
В приложении 4 представлены основные экранные формы системы построения и оптимизации архитектурной дорожной карты.
Тестирование системы выполнялось в рамках проекта построения архитектуры предприятия по направлению деятельности
«Капитальное строительство» в ОАО «Сургутнефтегаз» (приложение 5).
Результаты построения архитектуры предприятия в сфере капитального строительства использованы для формирования матрицы изменений следующим образом:
множество постоянных практик соответствует переходящим архитектурным блокам (приложение 5, таблица 6) и отдельным факторам внедрения (приложение 5, таблица 9);
множество исключаемых практик соответствует исключаемым архитектурным блокам (приложение 5, таблица Таблица 7);
множество внедряемых практик соответствует новым архитектурным блокам (приложение 5, таблица 8);
Всего получено постоянных практик, исключаемых практик и внедряемых практик. Таким образом, размерность матрицы изменений, соответствующей рассматриваемому бизнес-кейсу, составляет 43х46, длина траектории , длина метатраектории \Z\ .
Для оценки взаимодействий между практиками, ценности практик и частичного порядка внедрения практик проведена работа с экспертами предметной области и экспертами по внедрению информационных систем в капитальном строительстве.
Соответствующие данные введены в базу данных системы.
В результате построения множества Парето-оптимальных архитектурных дорожных карт получено 6 субоптимальных решений (Паето-фронт № 1 в таблице 4).
