Введение к работе
Актуальность темы
Процесс создания информационных систем развивается по спирали: происходит возврат к предыдущим этапам разработки с новыми спецификациями. Это является важным условием улучшения эффективности выполнения задач за счет применения гибких и перестраиваемых технологий. В этих условиях изменение информационной системы становится постоянным внутренним процессом, а не только зависит от воздействия внешних факторов.
Более чем 20-летний опыт применения функционального моделирования (IDEF0, а сейчас BPEL-WS, ARIS), показывает, что оно является наиболее технологичным способом взаимодействия всех участников разработки системы (от заказчика до программиста) и представляет собой необходимую составляющую процесса создания программного обеспечения, позволяющую отсеять невыгодные решения. С другой стороны для ряда приложений применяется объектно-ориентированный подход (UML), имеющий свой набор неоспоримых преимуществ: объединение и данных, и операций, над ними производимых; более простое внесение изменений; возможность создавать программные системы меньшего размера; возможность по диаграммам сразу получить программный код для каркаса приложения. Однако не существует полностью универсальных инструментов, поэтому в рамках моделирования на разных этапах создания системы практически всегда используются разные CASE-средства.
Материализация бизнес-идей, представленных, например, диаграммами процессов IDEF0, в виде модели программного обеспечения является трудоемким процессом. Сложность обусловлена применением технологически разрозненных методов и средств проектирования. Не все классы и объекты, определенные в бизнес-архитектуре, могут быть включены в модель программного обеспечения. Поэтому трансформация функциональной модели в модель программного обеспечения не является строго формализованным процессом. Здесь полезны средства автоматизации представления требований на изменения, которые были сделаны в одном средстве, в терминах и моделях другого средства, так как при ручной трансформации возникают ошибки, обусловленные тем, что функциональная модель и модель классов создаются разными людьми.
Средства автоматизации перехода от моделирования с помощью одного вида диаграмм к другим диаграммам не в полной мере удовлетворяют требованиям проектировщиков. Преобразование диаграммы IDEF0 в диаграммы классов напрямую не поддерживается, а использование внешних средств имеет существенные недостатки, такие как закрытость используемых алгоритмов и требование дополнять диаграммы данными перед транс-
формацией.
Исходя из этого, представляется актуальной разработка технологии перехода между методиками проектирования на уровне диаграмм с возможностью изменения правил их трансформации в соответствии с изменениями стандартов проектирования. Использование общего способа описания нотаций позволит применять технологию трансформации к современным методикам разработки программного обеспечения, что расширит интеллектуальные возможности компьютеров и компьютерных систем.
Цель работы
Целью работы является создание программного средства автоматизированной трансформации функциональных диаграмм в объектно-ориентированные диаграммы по метаописанию нотаций проектирования с использованием технологий на основе XML, RDF, OWL, IDEFO, UML. Модель трансформации будет опираться на OWL-описания нотаций проектирования, а реализация - использовать построенную модель и правила трансформации, определенные как запросы к RDF-данным на стандартном языке SPARQL.
К основным задачам диссертационного исследования относятся:
Анализ методов проектирования моделей информационных систем с использованием CASE-технологий, математического описания графов и преобразования метаданных и OWL-структур.
Разработка алгоритма применения правил автоматизированной трансформации для функционального и объектно-ориентированного проектирования.
Разработка технологии описания диаграмм проектирования на основе OWL-представления.
Реализация программного комплекса для трансформации IDEF0 диаграмм в объектно-ориентированное представление с использованием технологий на основе XML, RDF, OWL, IDEFO, UML.
Апробация полученных результатов для связывания методик проектирования в различных нотациях.
Методы исследования
Для решения поставленных в работе задач используются методологии проектирования программного обеспечения и бизнес-процессов, методы объектно-ориентированного программирования, технология описания предметной области с помощью OWL, общие методы системного анализа, теория графов и графовых преобразований (Гартмут Эхриг), методики количественной оценки и сравнения диаграмм UML через их метрики (Чи-дамбера-Кемерера, Фернандо Абреу, Федотовой-Семенова-Чижика).
Научная новизна
Предложены расширения для языка OWL, позволяющие описывать модели нотаций проектирования IDEF0 и UML в виде OWL-описания.
Разработан новый алгоритм построения и последовательного применения правил трансформации на основе SPARQL-запросов, которого нет в современных инструментах проектирования.
Сформулирована и обоснована технология трансформации одного вида диаграмм проектирования в другие диаграммы, отличающаяся использованием OWL-описаний диаграмм и правил трансформаций в соответствии с OWL-описаниями.
Реализована программная система автоматизированной трансформации на основе OWL и SPARQL, позволяющая использовать результаты функционального проектирования для создания объектно-ориентированных диаграмм классов UML.
Внедрение (реализация результатов работы)
Результаты диссертационной работы применялись при проектировании процессов, описывающих функционирование мобильного приложения Quickoffice для просмотра документов на мобильном устройстве в компании «Чайка-Сервис». В компании ОАО «Институт сетевых технологий» программная реализация системы была использована при анализе бизнес-процессов и разработке программных модулей для службы Сетеориентиро-ванных информационных услуг. Для проекта №2.1.276146 в СПбГАСУ результаты диссертационной работы применялась на стадии разработки объектно-ориентированного программного обеспечения.
Положения, выносимые на защиту
Описание расширений и свойств языка OWL, объединяющих модели нотаций функционального и объектно-ориентированного проектирования.
Алгоритм трансформации моделей проектирования с использованием набора правил трансформации метаданных IDEF0 в метаданные UML на основе описания логических троек «субъект-предикат-объект» и с использованием теории преобразования типизированных графов с атрибутами.
Гибридная технология трансформации, включающая представление диаграмм в виде RDF-файлов, применение правил трансформации в формате SPARQL-запросов к RDF-данным, запись результатов запросов в RDF-файл или в XML-файл, формат которого поддерживается визуализаторами UML-диаграмм.
4. Программный комплекс трансформации IDEF0-диаграмм в UML-диаграммы классов с возможностью гибкого изменения как формата входных и выходных данных, так и правил их трансформации.
Практическая ценность
В диссертационной работе предложена технология трансформации диаграмм проектирования IDEF0 в диаграммы классов UML, позволяющая встраивать процесс написания функциональной модели в процессы написания объектно-ориентированных моделей и последующей кодогенерации. Использование OWL-описания диаграмм проектирования при этом позволяет построить гибкое средство трансформации, способное работать как при изменении правил трансформации, так и при изменении нотаций во входных или выходных данных, что отсутствует в современных подходах.
Правила трансформации диаграмм IDEF0 в диаграммы UML строились эмпирическим путем на основе анализа реальных проектов, что обосновывает их практическое применение. Результаты трансформации диаграмм позволяют избежать ряда ошибок при переходе от функционального моделирования к проектированию программного обеспечения, уменьшить время, затраченное на создание объектно-ориентированных диаграмм на основе диаграмм бизнес-процессов. Из этого следует, что на ранних стадиях проектирования появится возможность сравнения моделей классов и модели процессов (что помогает уточнять названия методов (процессов), требования к данным, управлению, проверять согласованность, неизбыточность контроля и данных), и создания требований на изменение (которые были сделаны в одном средстве) в терминах и моделях другого средства проектирования.
Автор предлагает использовать для описания нотаций язык онтологии OWL. Тогда при появлении новой нотации сразу описываются исходные данные для её трансформации в существующие нотации (на основе связи слов, предложений, отношений, терминов в OWL-формате). Причем эти термины будут формально специфицированы. Существенным преимуществом созданной технологии трансформации диаграмм является то, что OWL-описание можно построить для других нотаций проектирования (например, BPEL, ARIS).
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
на X Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика-2006» (Санкт-Петербург, 2006)
на 2-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и преподавателей «Актуальные проблемы
управления техническими, информационными, социально-экономическими и транспортными системами» (Санкт-Петербург, СЗТУ, 2007)
на симпозиуме "Онтологическое моделирование: состояние и направления исследований и применения" (Москва, 2008)
на XI Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика-2008» (Санкт-Петербург, 2008)
на Санкт-Петербургском городском семинаре "Информатика и компьютерные технологии" (Санкт-Петербург, 2006)
на научных семинарах лаборатории информационно-вычислительных систем СПИИРАН (Санкт-Петербург, 2007-2009).
Публикации
По результатам диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, в числе которых 8 научных статей (три из списка изданий, рекомендованного ВАК РФ) и 4 публикации тезисов докладов.
Участие в научно-исследовательских работах
Участие в проекте № 4.3 «Безопасность сетевых технологий» направления №4 "Распределенная обработка данных. Информационная безопасность сетевых технологий" Программы № 1 фундаментальных исследований Президиума РАН «Проблемы создания национальной научной распределенной информационно-вычислительной среды на основе развития GRID-технологий и современных телекоммуникационных сетей». Государственный регистрационный номер 0120.0.603778.
Участие в реализации аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)". Проект № 2.1.276146 «Математическое и программное обеспечение расчетов прочности и устойчивости подкрепленных оболочек вращения». Государственный регистрационный номер 0120.0.951228.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (156 наименований), одного приложения и трех актов внедрения результатов диссертации. Объем диссертационной работы составляет 128 страниц машинописного текста, содержит 35 рисунков и 13 таблиц.
