Методология моделирования предметной области

МЕТОДОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

 

 Структурная  модель предметной области 

 

 В основе  проектирования информационной  системы (ИС) лежит моделирование  предметной области (МПО). Чтобы получить  адекватный предметной области  проект ИС необходимо иметь целостное, системное представление модели, которая должна отражать все аспекты функционирования будущей ИС. При этом под моделью предметной области понимается система, имитирующая структуру или функционирование исследуемой предметной области и отвечающая основному требованию - быть адекватной этой области.

 Предварительное  моделирование предметной области  позволяет сократить время и сроки  проведения проектировочных работ  и получить эффективный и качественный  проект.

 К МПО предъявляются следующие требования:

 · формализация, обеспечивающая однозначное описание структуры предметной области;

 · понятность для заказчиков и разработчиков на основе применения графических средств отображения модели;

 · реализуемость, подразумевающая наличие средств физической реализации модели предметной области в ИС;

 · обеспечение оценки эффективности реализации модели предметной области на основе определенных методов и вычисляемых показателей.

 Для  реализации перечисленных требований, как правило, строится система  моделей, которая отражает структурный и оценочный аспекты функционирования предметной области.

 Структурный  аспект предполагает построение:

 · объектной структуры, отражающей состав взаимодействующих в процессах материальных и информационных объектов предметной области;

 · функциональной структуры, отражающей взаимосвязь функций (действий) по преобразованию объектов в процессах;

 · структуры управления, отражающей события и бизнес-правила, которые воздействуют на выполнение процессов;

 · организационной структуры, отражающей взаимодействие организационных единиц предприятия и персонала в процессах;

 · технической структуры, описывающей топологию расположения и способы коммуникации комплекса технических средств.

 

 Для  отображения структурного аспекта  МПО и представления информации о компонентах системы в основном используются графические методы, которые должны обеспечить структурную декомпозицию спецификаций с максимальной степенью детализации. Осуществляется выбор языка представления проектных решений. Язык моделирова- ния - это нотация, в основном графическая, которая используется для описания проектов. Нотация представляет собой совокупность графических объектов, используемых в модели. Нотация является синтаксисом языка моделирования. Язык моделирования должен делать решения проектировщиков понятными пользователю и предоставлять проектировщикам средства достаточно формализованного и однозначного определения проектных решений, подлежащих реализации в виде программных комплексов, образующих целостную систему программного обеспечения.

 Основной  критерий адекватности структурной  модели предметной области заключается  в функциональной полноте разрабатываемой  ИС.

 

 

 Оценочные  аспекты МПО связаны с разрабатываемыми  показателями эффективности автоматизируемых  процессов, к которым относятся:

 · время решения задач;

 · стоимостные затраты на обработку данных;

 · надежность процессов;

 · косвенные показатели эффективности (объемы производства, производительность труда, оборачиваемость капитала, рентабель- ность и т.д.).

 

 Для  расчета показателей эффективности, как правило, используются статические  методы функционально-стоимостного  анализа и динамические методы  имитационного моделирования.

 В основе  различных методологий моделирования  предметной области ИС лежат  принципы последовательной детализации абстрактных категорий. Обычно, модели строятся на трех уровнях: на внешнем уровне (определении требований), на концептуальном уровне (спецификации требований) и внутреннем уровне (реализации требований).

 На внешнем  уровне модель отвечает на вопрос, ЧТО должна делать система (определяются компоненты системы - объекты).

 

 На концептуальном  уровне модель отвечает на  вопрос, КАК должна функционировать  система (определяется характер  взаимодействия компонентов системы).

 

 На внутреннем уровне модель отвечает на вопрос, С ПОМОЩЬЮ каких программно-технических средств реализуются требования к системе. Согласно жизненному циклу ИС, описанные уровни моделей соответственно строятся на этапах анализа требований, логического (технического) и физического (рабочего) проектирования.

 

 Рассмотрим особенности построения  МПО на трех уровнях детализации.

   

Объектная структура. Объект - это сущность, которая используется при выполнении некоторой функции или операции. Объекты могут иметь динамическую или статическую природу. Динамические объекты используются в одном цикле воспроизводства, например заказы на продукцию, счета на оплату; статические объекты используются во многих циклах воспроизводства, например, оборудование, персонал.

 

 На внешнем уровне выделяются основные виды материальных объектов (например, сырье и материалы, услуги) и основные виды информационных объектов или документов (например, заказы, накладные).

 

 На концептуальном  уровне уточняется состав классов  объектов, определяются их атрибуты и взаимосвязи. Строится обобщенное представление структуры предметной области.

 

 На внутреннем  уровне концептуальная модель  отображается в виде файлов базы  данных, входных и выходных документов  ИС. Причем динамические объекты  представляются единицами переменной информации или документами, а статические объекты - единицами условно постоянной информации в виде справочников, классификаторов.

 

 Функциональная  структура. Функция (операция) представляет  собой преобразователь входных  объектов в выходные. Функция может быть представлена одним действием или некоторой совокупностью действий. В последнем случае каждой функции может соответствовать некоторый процесс, в котором могут существовать свои подпроцессы, и т.д.

 

 На внешнем  уровне моделирования определяется список основных функций или видов процессов.

 

 На концептуальном  уровне выделенные функции декомпозируются  и строятся иерархии взаимосвязанных  функций.

 

 На внутреннем  уровне отображается структура  информационного процесса в компьютере - определяются иерархические структуры программных модулей, реализующих автоматизируемые функции.

 

 Структура  управления. В совокупности функций  процесса возможны альтернативные  или циклические последовательности  в зависимости от условий протекания  процесса. Эти условия связаны с происходящими событиями во внешней среде или в самих процессах и с образованием определенных состояний объектов. События вызывают выполнение функций, которые, изменяют состояния объектов и формируют новые события, и т.д., пока не будет завершен некоторый процесс.

 Каждое  событие описывается с двух точек  зрения: информационной и процедурной.

 Информационно  событие отражается в виде некоторого  сообщения, фиксирующего факт выполнения  некоторой функции изменения  состояния или появления нового. Процедурно событие вызывает выполнение новой функции, и поэтому для каждого состояния объекта должны быть заданы описания этих вызовов.

 

 На внешнем  уровне определяются список внешних  событий и список целевых установок, которым должны соответствовать процессы.

 

 На концептуальном  уровне устанавливаются правила, определяющие условия вызова  функций при возникновении событий  и достижении состояний объектов.

 

 На внутреннем  уровне выполняется формализация  правил в виде триггеров или  вызовов программных модулей.

 

 Организационная  структура. Организационная структура  представляет собой совокупность  организационных единиц, как правило, связанных иерархическими и процессными  отношениями. Организационная единица - это подразделение, представляющее  собой объединение людей (персонала) для выполнения совокупности общих функций или процессов. В функционально-ориентированной организационной структуре организационная единица выполняет набор функций, относящихся к одной функции управления и входящих в различные процессы. В процессно-ориентированной структуре организационная единица выполняет набор функций, входящих в один тип процесса и относящихся к разным функциям управления.

 

На внешнем уровне строится структурная модель предприятия в виде иерархии подчинения организационных единиц или списков взаимодействующих подразделений.

 

 На концептуальном  уровне для каждого подразделения  задается организационно-штатная  структура должностей.

 

 На внутреннем  уровне определяются требования  к правам доступа персонала к автоматизируемым функциям информационной системы.

 

 Техническая  структура. Топология определяет  территориальное размещение технических  средств по структурным подразделениям  предприятия, а коммуникация - технический  способ реализации взаимодействия  структурных подраз­делений.

На внешнем уровне модели определяются типы технических средств обработки данных и их размещение по структурным подразделениям.

 

 На концептуальном  уровне определяются способы  коммуникаций между техническими  комплексами структурных подразделений: физическое перемещение документов, машинных носителей, обмен информацией по каналам связи и т.д.

 

 На внутреннем  уровне строится модель «клиент-серверной»  архитектуры вычислительной сети.

 

 Для  правильного отображения взаимодействий  компонентов ИС важно осуществлять их совместное моделирование. Методология структурного системного анализа существенно помогает в решении таких задач.

 

 Структурным  анализом называют метод исследования  системы, которое начинается с ее  общего обзора, затем детализируется, приобретая иерархическую структуру с все большим числом уровней. Для таких методов характерно: разбиение на уровни абстракции с ограниченным числом элементов (3-7); ограниченный контекст, включающий существенные детали каждого уровня; использование строгих формальных правил записи; последовательное приближение к результату. Структурный анализ основан на двух базовых принципах: «разделяй и властвуй» и принципе иерархической упорядоченности. Решение трудных проблем путем их разбиения на множество меньших независимых задач (так называемых «черных ящиков») и организация этих задач в древовидные, иерархические структуры значительно повышают понимание сложных систем. Определим ключевые понятия структурного анализа.

 

 Операция - элементарное (неделимое) действие, выполняемое на одном рабочем месте.

 

 Функция - совокупность операций, сгруппированных  по определенному признаку.

 

 Бизнес-процесс - связанная совокупность функций, в ходе выполнения которой потребляются  определенные ресурсы, и создается  продукт (предмет, услуга), представляющая ценность для потребителя.

 

 Подпроцесс - это бизнес-процесс, являющийся  структурным элементом некоторого  бизнес-процесса, представляющий ценность  для потребителя.

 

 Бизнес-модель - структурированное графическое  описание сети процессов и операций, связанных с данными, документами, организационными единицами и другими объектами, отражающими существующую или пред­полагаемую деятельность предприятия.

 

 Существуют  различные методологии структурного  моделирования предметной области, среди которых следует выделить функционально-ориентированные и объектно-ориентированные методологии.

 

 

 

 

 Предметная  область ППП 

 

 Составные  части ППП. Оболочка ППП 

 

 При  определении пакетов прикладных  программ было отмечено, что они  предназначены для решения задач определенного класса. Этот класс задач обычно называют предметной областью пакета. Предметная область определяет некоторую структуру данных, т.е. организацию входных, промежуточных и выходных данных. Эти структурированные данные называются информационной базой пакета, соответствующей своей предметной области.

 

 Для  реализации конкретных действий  пакет должен воспринимать от  пользователя управляющую информацию. Эта управляющая информация представляется  на формальном языке - входном  языке пакета. Описание конкретного задания пользователя на входном языке пакета называют программой на входном языке (ПВЯ).

 

 Пакет  состоит из нескольких программных  единиц. Такие программные единицы  обычно называют программными  модулями. Решение каждой задачи в пакете сводится к выполнению соответствующего алгоритма. Программные модули пакета, реализующие алгоритмы решения задач, предусмотренных в пакете, будем называть обрабатывающими модулями. Обрабатывающие модули выполняют преобразование данных, составляющих информационную базу пакета.

 

 Для  того чтобы преобразовать задание  пользователя в последовательность  вызовов обрабатывающих модулей, в пакет должны входить управляющие  модули.

 

 Чтобы  обеспечить взаимодействие пакета  с пользователем и управляющих  модулей пакета с информационной базой и обрабатывающими модулями, в состав пакета включаются обслуживающие модули.

 

 Таким  образом, ППП можно рассматривать  как объединение входного языка, информационной базы, управляющих, обслуживающих и обрабатывающих  программных модулей.

 

 Взаимодействие  составных частей пакета схематически  показано на рис. 4. Средствами  операционной системы запускается  головной управляющий модуль  пакета (ведущий модуль). Затем организуются  прием задания пользователя, представляемого  в форме программ на входном языке (ПВЯ), и выполнение этого задания путем вызова в нужной последовательности обрабатывающих и обслуживающих модулей.

 

 

 

 Рис. 4. Составные  части ППП 

 

 Анализируя  современную структуру пакетов  прикладных программ, можно отметить, что они во многом воспроизводят структуру системного программного обеспечения, т.к. содержат не зависящие от содержания предметной области пакета:

 · управляющие программы - мониторы для вызова модулей и библиотечных подпрограмм;

 · языковые процессоры для перевода формулировки прикладной задачи на язык программирования;

 · архивные подсистемы;

 · специализированные базы данных;

 · средства диалогового взаимодействия с пользователем и т.д.

 Отсюда  следует возможность разработки  комплексов базовых (типовых) программных средств, поддерживающих общую структуру пакета, его связь с системным ПО и пользователем, и настраивающихся на конкретные средства внешнего управления и конкретные модели предметных областей. Эти комплексы и получили название: системное наполнение пакета, или оболочка пакета. В них входят управляющие и обслуживающие модули. Тогда комплекс специальных программ, определяющих конкретную область применения ППП можно назвать функциональным наполнением пакета. Этот комплекс включает в себя обрабатывающие модули.

 Для  настройки ППП на конкретную  предметную область необходимо  погрузить в оболочку пакета  описание информационной базы  пакета, описания функциональных  связей и связей по определению, а также подключить обрабатывающие  модули.

 Таким образом, появляется возможность разработки программных средств генерации ППП для различных предметных областей, использующих одну и ту же оболочку.

 Пакетный  режим работы. Вся управляющая  информация для конкретного выполнения  пакета передается в виде законченной программы на входном языке при запуске пакета, и дальнейшая работа пакета проходит без участия пользователя.

 

 Пакетный  режим удобен, когда:

 а) требуется  решать много однотипных задач  с использованием одной и той  же программы на входном языке;

 б) время, затрачиваемое на решение каждой  задачи, достаточно велико;

 в) программа  на входном языке сложна и имеет  значительный объем.

 Диалоговый  режим работы. Большинство ППП, применяемых  на персональных ЭВМ, ориентировано  на диалоговое взаимодействие с пользователем в ходе решения задач.

 Простейший  диалоговый режим состоит в том, что пользователь инициирует  выполнение пакета, вводит задание  в форме программы на входном  языке и на этом заканчивает  управление выполнением пакета. Фактически этот режим отличается от пакетного только возможностью исправления ошибок в ПВЯ, повторного запуска пакета при неудачах.

 

 Более  сложный вариант диалогового  режима, называемый режимом сопровождения, предусматривает возможность динамического  управления выполнением пакета. Управляющая информация вводится по частям и формируется пользователем в процессе работы с пакетом на основе анализа промежуточных результатов.

 

 Выбор  того или иного способа применения  ППП зависит от многих факторов, из которых наиболее существенными являются возможности операционной системы и выбранного языка программирования, объемы обрабатываемых данных, продолжительность решения задачи, частота использования ППП, особенности квалификации пользователей пакета и требования к допустимому времени ожидания результатов расчетов.

 

 Модель  предметной области ППП 

 

 Содержательное  описание предметной области  как совокупности задач, решаемых  пакетом, несет полезную информацию  для пользователя пакета, но оно  недостаточно конкретно для проектирования  и разработки ППП.

 

 В действительности  разработчик ППП фактически имеет  дело с некоторым упрощенным  отображением предметной области, т.е. с некоторой моделью предметной  области.

 

 Под  математической моделью обычно  понимают совокупность некоторых  объектов (переменных) и связей (отношений) между этими объектами.

 

 Модель  предметной области (МПО) ППП можно  представить как совокупность  данных (переменных), используемых в пакете  при решении задач, и связей между  этими данными.

 

 Данные 

 

 Данное (переменная) как часть модели предметной области характеризуется содержательным названием, отображающим его роль в предметной области. Такое название определяется в содержательных терминах предметной области, привычных для пользователя (температура, цена и т.п.).

 

 Данное, кроме названия, обычно имеет и уникальное имя (идентификатор), которое используется при описании модели, тогда как содержательное название необходимо только для связи с пользователем пакета.

 

 В процессе  вычислений данное получает значение, которое может использоваться для получения значений других данных.

 

 Каждое  данное принадлежит к определенному  типу данных. Под типом данного  понимается совокупность его  свойств, в том числе множество  допустимых значений, набор операций, которые могут выполняться над данными. С типом данного связана форма представления значений данного в памяти ЭВМ.

 

 Множество  данных X можно представить как  объединение непересекающихся подмножеств, содержащих однотипные данные:

 

  если i ≠ j.

 

 В подмножество xi объединяются данные одного типа, например скалярные данные целого типа, скалярные данные вещественного типа, массивы некоторого базового типа и т.п. Во многих пакетах целесообразно объединение данных в иерархические структуры, каждая такая структура может образовывать особый тип данного.

 Количество  допустимых типов данных k и сам  перечень типов являются важными  характеристиками модели предметной  области и всего пакета.

 

 По способу  присваивания конкретных значений, данные можно разделить на  следующие группы:

 

1. Данное имеет постоянное значение, которое может устанавливаться при загрузке пакета и в процессе работы пакета не изменяется (например, физические константы, справочные таблицы).

 

2. Данное  имеет некоторое фиксированное  значение в момент загрузки пакета (значение по умолчанию), а в ходе загрузки пакета это значение может изменяться по указанию пользователя или в результате выполнения обрабатывающих модулей.

3. Данное  не имеет значения до тех  пор, пока пользователь не предпримет  действий по определению значения этого данного. Поскольку действия пользователя, по предположению, ограничены вводом значений данных и запросами на выполнение обрабатывающих модулей, то из данных этой группы можно выделить такие данные, значения которых не вычисляются ни одним из обрабатывающих модулей. Эти данные могут быть только входными, и если их значения требуются для решения задачи, пользователь должен сам эти значения задавать. Возможна и ситуация, когда одно и то же данное в зависимости от решаемой пользователем задачи может рассматриваться либо как входное, либо как вычисляемое при работе пакета по заданию пользователя.

 Таким  образом, при построении модели  предметной области необходимо  установить, какие типы данных  будут использоваться в пакете  и какие способы присваивания  значений должны быть реализованы, затем выбрать имена данных и для каждого данного определить его тип и группу.

 Работа  пакета в модели предметной области  представляется изменением значений  данных. В начале работы пакета  должны быть установлены (приняты  по умолчанию, заданы или введены пользователем) значения некоторых данных, значения остальных данных являются неопределенными. Затем в соответствии с требованиями пользователя выполняются некоторые обрабатывающие модули, в результате чего некоторые не определенные ранее данные получают значения (или меняются уже присвоенные значения).

 То есть, данные могут получать новые  значения двумя способами: либо  в результате ввода пользователем  нового значения, либо в результате  выполнения обрабатывающего модуля.

 

 Связи

 

 Совокупность  данных в модели предметной области  представляет информационную базу  пакета. Данные в информационной  базе связаны между собой, т.е. образуют некоторую структуру  данных. Характер этих связей  определяется при разработке  информационной базы пакета и обычно не изменяется в процессе функционирования пакета. Будем называть такие связи связями по определению. Связи по определению - это связи, устанавливаемые в информационной базе при построении модели предметной области пакета.

 Один  из типов таких связей, например, образование иерархических структур данных. Связи такого типа известны из изучения языков программирования (запись в Паскале, структура в Си) и представляют собой совокупность данных, возможно разных типов. Такая связь имеет характер «целое - часть» или «состоит из...».

 Для  данных, входящих в МПО, могут быть  установлены и другие типы иерархических  связей. В частности, для отдельных  групп данных может быть установлена  связь подчинения по отношению  к сохранению значений данных  или связи типа ограничения.

 

 Например, если в модели имеются целое  данное n и массивы х и у, размеры  которых зависят от n, то можно  считать, что х и у подчинены n. Действительно, если значение n не  определено, то х и у также  имеют неопределенные значения. Если изменяется n, например, увеличивается, то значения х и у становятся неопределенными. В то же время изменение любого из массивов х или у, или их отдельных элементов не влияет на размеры массивов и, следовательно, на значение n. В некоторых случаях ограничения на область определения данного удобнее рассматривать не как свойство типа данного, а как связь по определению. Например, если некоторая матрица:

 

 

  должна  состоять из элементов: 0 £ aij £1, (2)

 

 а каждая  строка матрицы должна удовлетворять  условию:

 

(i = 1...n), (3)

 

 то ограничение (2) можно отнести к свойству базового  типа, из которого построена матрица  А, а условия (3) можно рассматривать  как связь по определению между  элементами матрицы.

 

 Связи  типа подчинения, задаваемые уравнениями  или неравенствами, можно представить в модели в форме предикатов, т.е. функций, аргументами которых являются имена (значения) данных, а возвращаемыми значениями - «истина» или «ложь». [Предикат - это n-мерная функция Р, которая каждому упорядоченному набору (a1...аn)

 элементов  множества М сопоставляет некоторое  высказывание, обозначаемое Р(a1...аn)]. Если какая-то переменная зависит  от других, которые не определены  к настоящему моменту, то предикат  имеет значение «ложь».

 Таким  образом, связи по определению, устанавливаемые при разработке модели предметной области и информационной базы пакета, прежде всего, отражают ограничения на совокупности возможных значения обрабатываемых в пакете данных. Данные, не удовлетворяющие условиям связей по определению, должны считаться неопределенными, не имеющими значений. При вводе значений данных следует проверять значения предикатов связей по определению, относящихся к вводимому данному.

 

 Иной  характер носят связи, реализуемые  обрабатывающими модулями пакета. Эти связи предопределены и потенциально присутствуют в модели предметной области, но реализуются только по прямому или косвенному указанию пользователя в процессе решения задачи. Такие связи будем называть функциональными.

 

 Отдельный  обрабатывающий модуль можно  рассматривать как функцию y = f(x). Здесь x Ì X - набор входных данных модуля; y Ì X - набор выходных данных, т.е. х и у некоторые подмножества множества X.

 

 В зависимости  от состава набора данных х  и набора выходных данных у можно  различать функциональные связи, не изменяющие значений своих входных данных (x Ç y = 0), и связи, изменяющие значения всех или части входных данных (x Ç y ≠ 0).

 

 Некоторые  обрабатывающие модули используют  единственный набор входных данных  и вычисляют новые значения всегда  одних и тех же выходных данных. Такой модуль отображает единственную функциональную связь, между обрабатывающим модулем и функциональной связью существует взаимно однозначное отношение. Модуль, отображающий единственную функциональную связь, может быть представлен в пакете подпрограммой без параметров.

 

 Отдельные  обрабатывающие модули могут  использоваться с различными наборами  входных и выходных данных и, следовательно, могут реализовывать  различные функциональные связи. Такой обрабатывающий модуль  представляется в пакете подпрограммой с параметрами.

 Таким  образом, функциональная связь в модели  предметной области представляется:

 · набором входных данных;

 · набором выходных данных;

 · обрабатывающим модулем (именем модуля), реализующим эту связь.

 

 Назовем функциональную связь реализуемой (а соответствующий обрабатывающий модуль выполнимым), если известны значения входных данных, т.е. среди элементов у нет данных с неопределенными значениями, и совокупность значений х удовлетворяет связям по определению.

 

 Условие  реализуемости функциональной связи  можно формально определить как  предикат Pf(x), который принимает  значение «истина», если связь  реализуема, и значение «ложь», если  связь не реализуема.