Введение к работе
Актуальность темы и проблема исследования. На сегодняшний день существует потребность в инструментах разработки программного обеспечения, с одной стороны, позволяющих агрегировать семантически разнородные прикладные области (онтологии), и, с другой стороны, исполняемые компьютером. Наиболее распространенным инструментом системного анализа, отвечающего указанным требованиям, считаются диаграммы языка UML. Однако сложность языка UML не позволяет в полной мере передать задачу описания и анализа предметной области (ПрО) экспертам. Необходима онтологическая поддержка процесса проектирования программных систем, доступная прикладным экспертам различных предметных областей. Язык UML был разработан Grady Booch, James Rumbangh, Ivar Jacobson и позднее в их же работах, а также в работах Sally Shlaer, Stephen Mellor были предложены различные подходы использования различных диаграмм в той или иной технологии системного анализа и проектирования программного обеспечения. На практике многовариантный анализ систем с помощью диаграмм является трудоемким. Поэтому диаграммы UML зачастую разрабатываются только при образовании сложных проектных ситуаций или для формирования отчетной документации. Тем самым снижается качество создаваемых программных систем.
Автоматизация построения таких моделей на основе онтологической поддержки позволит интенсивнее использовать многовариантный анализ UML диаграмм, что повысит качество разрабатываемых систем и процессов, позволит уменьшить трудоёмкость создания программных систем за счёт изменения характера труда разработчика в направлении от ручной проработки диаграмм UML к выбору качественного варианта из множества автоматически полученных вариантов. В настоящее время методы автоматического построения UML моделей различных систем исследованы в недостаточной мере.
В диссертации основное внимание уделено повышению уровню языка описания ПрО CASE систем для того, чтобы привлечь к процессу проектирования программных систем экспертов ПрО.
Объект исследования – автоматический синтез структурных моделей программных систем на базе онтологий предметной области.
Предмет исследования – повышение уровня входного языка описания ПрО на основе ассоциативных отношений ПрО с последующим синтезом структурных моделей программной системы на основе семантических моделей на примере диаграммы классов языка UML.
Цель исследования:
-
снижение сложности входного языка описания структурных отношений ПрО до уровня доступности прикладным экспертам;
-
повышение качества и снижение трудоемкости проектной проработки программной системы за счет автоматизации синтеза диаграмм классов языка UML и расширение возможности многовариантного анализа и выбора структурных моделей программных систем.
Диссертационная работа содержит решение следующих задач:
-
анализ существующих методов синтеза структурных моделей программных систем;
-
разработка методики моделирования ассоциативных отношений ПрО;
-
разработка методики синтеза вариантных моделей диаграмм классов с неиерархическими связями на основе семантического анализа ассоциативных отношений ПрО;
-
разработка архитектуры автоматизированной системы синтеза структурных моделей программных систем (на примере диаграммы классов языка UML);
-
экспериментальное исследование разработанных методик и алгоритмов.
Методы исследования. Для теоретического и практического решения поставленных задач были использованы методы теории графов, математической логики, объектно-ориентированные технологии анализа и синтеза систем, семантического моделирования; стандарты UML.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждаются тем, что предложенные в диссертационной работе методы и алгоритмы обоснованы теоретическими решениями и не противоречат известным положениям других авторов, опираются на использование проверенного математического аппарата: математической логики, математической семантики, общей алгебры, математической лингвистики, объектно-ориентированной технологии. Достоверность подтверждена получением в результате эксперимента на реальных данных, отвечающих цели исследования результатов.
Научная новизна заключается в следующем:
-
разработана методика инвариантного к предметной области описания ассоциативных отношений на основе сигнатур, снижающая сложность языка описания онтологии предметной области и позволяющая включить в процесс разработки специалистов различных предметных областей. Данная методика отделяет ассоциативные отношения предметной области от всего множества отношений.
-
разработана методика автоматического синтеза диаграмм классов языка UML программной системы. Методика использует семантические методы для описания свойств диаграмм классов, с помощью которых осуществляется выделение классов, структурных отношений из ассоциативных отношений предметной области. В методике предложено отдельно смоделировать семантику диаграмм классов, увязав её с ассоциативными отношениями предметной области.
Практическая ценность результатов работы:
научные результаты диссертации могут быть использованы в развитии темы «синтез диаграмм UML» в сторону решения задач автоматического синтеза не только структурных, но и процедурных моделей.
практическая ценность результатов диссертации заключается в следующем:
1. методика описания ассоциативных отношений позволила упростить входной язык CASE систем и сделать его более доступным экспертам пред-
метной области.
-
разработана программная система автоматического синтеза диаграмм классов, позволяющая создавать варианты диаграмм классов разрабатываемой программной системы;
-
использование предложенных автором методик, позволяет сократить время, а значит затраты на разработку структурных моделей программной системы, за счёт изменения характера труда системотехника в направлении от ручной проработки диаграмм UML к выбору варианта из множеств автоматически полученных вариантов, на основе многовариантного анализа структурных моделей и за счет более интенсивного использования UML моделей повысить качество системного структурирования диаграмм, уменьшить трудоёмкость разработки структурных моделей программных систем различного класса;
-
при автоматизации процесса синтеза диаграммы классов сокращается трудоемкость проектирования в среднем на 30%.
Отдельными результатами работы являются методики синтеза диаграмм классов в задачах автоматизации статистического анализ и прогнозирования банковских систем и разработки автоматизированных стендов проверки работоспособности беспилотных летательных аппаратов и проведения натурных испытаний.
Реализация результатов работы. Работа выполнена в рамках государственного задания 2.1724.2017/4.6 «Разработка методов и средств обнаружения и распознавания объектов на изображениях в бортовой системе беспилотного летательного аппарата». Основные результаты диссертационной работы также а) были внедрены в ООО «Элина-компьютерс», б) использовались при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по государственному контракту №14-4-51/906/3К от 21.08.2014 НИР "Разработка и изготовление демонстраторов технологий двухдвигательного конвертоплана" (2014 – 2016 гг.)., в) используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизированные системы обработки информации и управления» ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ», о чем имеются соответствующие акты.
На защиту выносится
-
Язык и методика описания ассоциативных отношений предметной области экспертом.
-
Методика автоматического синтеза диаграмм классов на основе ассоциативных отношений предметной области.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены в виде докладов на следующих конференциях: XVI, XVII, XVIII XIX, XX Международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (Казань, 2008-2012 гг.), Научно-практической конференции Нижнекамского химико-технологического института «Новые направления и современные тенденции развития автоматизированных систем управления» (Нижнекамск, 2010), Всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские
чтения» (Уфа, 2010 г.), XII Международной научно-технической конференции «ПТиТТ-2011» (Казань, 2011 г.), УМНИК (Казань, 2012 г.), Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий» (Саратов, 2013 г.), Конкурсе научных работ БМА (Саратов, 2013 г.), XIV, XV Международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2014-2015 гг.), 4-й Международной научно-практической конференции «Современные инновации в науке и технике» (Курск, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Молодые ученые основа будущего машиностроения и строительства» (Курск, 2014 г.), Республиканском конкурсе научных работ среди обучающихся на соискание премии им. Н.И. Лобачевского (Казань, 2014 г.), Всероссийской научно-практической конференции магистрантов и аспирантов «Интеграция науки и практики: взгляд молодых ученых» (Саратов,
-
г.), Международной научно-технической конференции «OSTIS» (Минск, 2015-2016 гг.), Международной научно-технической конференции «Молодой инженер - основа научно-технического прогресса» (Курск,
-
г.), Международной научно-технической конференции «ПИТ» (Самара, 2015г.), 2-й Международной молодежной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и процессы» (Курск, 2015 г.), II Международной конференции и молодежной школе «Информационные технологии и нано-технологии» (ИТНТ-2016) (Самара, 2016 г.), III Международной молодежной научной конференции: «Физика. Технологии. Инновации» ФТИ-2016 (Екатеринбург, 2016 г.), II Отраслевой конференции по измерительной технике и метрологии для исследований летательных аппаратов Федерального государственного унитарного предприятия «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» (ФГУП «ЦАГИ») КИМИЛА-
2016 (Москва, 2016 г.), Республиканском научном семинаре «Мето
ды моделирования» (Казань, 2016 г.), а также неоднократно докладывались
на научном техническом семинаре КНИТУ КАИ (Казань).
Дипломы:
I степени:
на XIX, XX Международных молодежных конференциях «Туполевские чтения» (Казань, 2011-2012 гг.),
за Лучшую научную работу конкурса при СПбГПУ по направлению «Системный Анализ, Проектирование, Управление и обработка информации» (С-П, 2010 г.);
II степени:
- на XVI, XVII, XVIII Международных молодежных конференциях «Тупо
левские чтения» (Казань, 2008-2010 гг.);
III степени:
- на Республиканском конкурсе научных работ среди обучающихся на соис
кание премии им. Н.И. Лобачевского (Казань, 2014 г.).
Публикации. По тематике работы опубликовано 34 научных работы:
4 - научные статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК; 28 -тезисы докладов в сборниках трудов конференций; 1 - в студенческом научном журнале «Грани науки»; 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка использованной литературы и приложения. Основной текст изложен на 223 страницах машинописного текста, содержит 4 таблицы, 49 рисунков. Список литературы включает 138 наименования.
Личный вклад автора.
Разработка всех методик, программного обеспечения и расчёты тестовых задач выполнены автором.