Системный структурный анализ в проектировании информационных систем

Системный структурный  анализ в проектирование информационных систем

Анализ требований к функциям и информационным ресурсам информационной системы (ИС) оказывает существенное влияние на все последующие этапы  ее создания и эксплуатации, являясь  в тоже время наименее изученным, трудно формализуемым процессом.

На этом этапе,

во-первых, необходимо понять, что предполагается сделать,

во-вторых, задокументировать  это достаточно полным и однозначно понимаемым всеми разработчиками и  потенциальными пользователями образом.

Во многих аспектах данный этап, который принято определять как системный структурный анализ, является наиболее трудной частью разработки и требует коллективной работы как  создателей, так и пользователей (заказчиков) ИАС. Решение проблем  системного анализа существенно  облегчается при использовании  современных структурных методов, среди которых центральное место  занимают методологии системного структурного анализа.

 

Далее под системным структурным  анализом будем понимать метод исследования системы, котоpый нaчинается с общего обзора и затем детализируется, приобретая иерархическую структуру со все большим числом уровней. Для такого метода характерно следующее:

• разбиение на  уровни абстракции с ограничением числа элементов на каждом из уровней (обычно от 3 до 6-7);
• ограниченный контекст, включающий лишь существенные на каждом уровне детали;
• дуальность данных и операций над ними;
• использование строгих формальных правил записи; последовательное приближение к конечному результату.

При этом практически все  современные методологии системного структурного анализа базируются на двух основопологающих принципах

 – принципе декомпозиции,

–  принципе иерархического упорядочивания.

 

Кроме этих принципов следует  учитывать еще ряд других, игнорирование  которых может привести к негативным последствиям не только при проведении системного анализа, но и при реализации всего проекта по созданию информационно-аналитической  системы в целом:

принцип абстрагирования, принцип формализации, принцип рациональной степени детализации, принцип концептуальной общности, принцип полноты, принцип  непротиворечивости, принцип логической независимости, принцип независимости  данных.

При проектировании сложного программного обеспечения и автоматизированных информационных систем наибольшее применение получили модели концептуального уровня с графовой структурой, в частности  по той причине, что графовые модели обеспечивают большую ясность представления. Из практики проектирования систем известны следующие типы графовых моделей:

простые ориентированные  графы;

модели раскрашенных графов;

двудольные графы;

модель, применяемая в методологии SADT (Structured Analysis & Design Technique) и т.п.

Хорошо известная SADT-модель может рассматриваться как одна из наиболее развитых концептуальных моделей систем. Также как и модель, основанная на использовании двудольного ориентированного графа, она имеет одно очень важное свойство, а именно, допускает иерархическую декомпозицию двух ее основных элементов (действий и данных).

Еще одной, не менее важной особенностью SADT-модели является принцип классификации соединений (вход, выход, управление, механизм, вызов).

SADT – одна из самых известных методологий анализа и проектирования систем, предложенная в 1973 г. Дугласом Россом. Методология SADT успешно работает в случае проектирования систем для организаций, деятельность которых жестко регламентирована четкими должностными инструкциями и методиками, что весьма характерно для органов государственного и муниципального управления.

Методология SADT (точнее ее подмножество IDEF0) позволяет строить статическую функциональную модель и модель данных информационных систем, что подтверждается многочисленными примерами ее применения для структурного анализа систем различного назначения.

Другая известная методология  системного структурного анализа и  проектирования DFD (Data Flow Diagram) отличается тем, что включает такие понятия, как внешняя ссылка и хранилище данных, что делает ее более удобной (по сравнению с IDEF0) для моделирования документооборота в корпоративных системах обработки информации.

SADT, как и другие методологии проектирования рекомендуется использовать на ранних этапах жизненного цикла разработки автоматизированных информационных систем: для более глубокого и комплексного понимания системы до ее воплощения. SADT позволяет сократить дорогостоящие ошибки на ранних этапах создания системы, улучшить контакт между пользователями и разработчиками, сгладить переход от анализа к проектированию.

Несомненным достоинством SADT-модели является ее возможность отражения таких характеристик, как управление, обратная связь, исполнители.

Ряд ограничений методологии  SADT могут быть в значительной мере сняты в результате использования инструментальных CASE-средств, позволяющих дополнять функциональные модели IDEF0 потоковыми диаграммами DFD и WorkFlow(IDEF3), например, пакет BPwin фирмы CA и др.

Методология SADT (IDEF0) предписывает построение иерархической системы диаграмм. Сначала проводится описание системы в целом и ее взаимодействия с окружающей средой, в результате чего создается диаграмма верхнего уровня (контекстная диаграмма). Затем проводится функциональная декомпозиция, то есть система разбивается на подсистемы, и каждая из них описывается отдельно (диаграмма декомпозиции более низкого уровня).

 

ФОРМАЛИЗАЦИЯ  SADT-ТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 

В соответствии с положениями  теории алгебраических систем составим формализованное описание SADT-модели общего вида для ИС.

Пусть – базовое множество sa-блоков в создаваемой иерархии любой из моделей.

Определим как множество отношений, определенных на множестве (разной арности). При этом k-арным отношением r^k на множестве будем называть подмножество декартова произведения , которое представляет собой список кортежей из k элементов вида . Таком образом, отношение r графически может быть отображено в виде стрелок, соединяющих подмножество с подмножеством . Тогда SADT-модель определим как совокупность:

,       (1)

где SA – носитель модели (множество блоков);

 – сигнатура модели (множество  стрелок), представляющее инъективное  отображение из сигнатуры  во множество , которое сопоставляет названию отношения из сигнатуры отношение соответствующей арности.

 

sa-блок

Управляющее воздействие 

   Вход

Выход

Механизм

Рис.1. sa-блок SADT-модели

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При этом сигнатуру  определим в соответствии с требованиями к блокам диаграмм в SADT-модели и рис.1 как:

,       (2)

где (здесь – название i-го отношения арности) – множество названий отношений разной арности, определяющих входное воздействие на sa-блоки;

 – множество названий отношений  разной арности, которые определяют  выходные координаты sa-блоков;

 – множество названий отношений  разной арности, определяющих  управляющее воздействие на sa-блоки;

 – множество названий отношений  разной арности, определяющих  механизмы sa-блоков.

Таким образом, множество Arrow определяет множество всех отношений (стрелок) в модели из сигнатуры W:

.       (3)

В дальнейшем множество  будем обозначать как , по аналогии введем обозначения , и .

 

Элементы модели (1) должны удовлетворять следующим  условиям:

1. Любая стрелка или sa-блок описывается одним и только одним названием , принадлежащего множеству всех идентификаторов модели IDEN, то есть .
2. Любой элемент из множества не может являться одновременно отношением типов входные данные, управление и механизм, то есть .

Грамматику, порождающую  SADT-модель из начальной диаграммы, определим как четверку:

,       (4)

где IDEN – алфавит грамматики, множество имен всех стрелок и sa-блоков;

 – терминальные sa-блоки модели, ;

 – начальная диаграмма,  цель грамматики;

 – множество правил грамматики  вида:

1. , где , – стрелки, инцидентные блоку и определяющие его взаимодействие с внешней средой.

2. , где , . При этом , то есть является нетерминальным SA-блоком, – стрелки, инцидентные блоку ; каждое отношение превращается в отношения , того же типа, что и , которые связывают соответствующие -блоки с внешней средой.

В результате осуществления  декомпозиция -блока и инцидентных ему отношений получается диаграмма , отвечающая всем требованиям SADT-методологии. Существенным является то, что вновь созданная диаграмма может состоять из терминальных, нетерминальных sa-блоков, а также их сочетания. В программной реализации: . Признаком окончания моделирования является выражение всех диаграмм через терминальные sa-блоки, то есть терминальные символы грамматики.

Все указанные положения  в полной мере распространяются на оба типа SADT-моделей более частного вида, представленных на рис. 2 и 3.

 

Данные  управления

Механизм

Рис.2. sa-блок в функциональной модели SADT

 

     Функция

Входные данные

Выходные данные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функции, использующие данные

Функции управления

Информационые ресурсы

Механизм

Функции, создающие данные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. sa-блок в информационной модели SADT

 

Формирование  функциональной и информационной моделей  ИАС с использованием методологии  SADT и инструментальной среды BPwin

 

Формирование функциональной модели ИАС начнем с построения SADT-модели на предельно обобщенном уровне (рис.3.1.), что позволяет выявить ее главные аспекты взаимодействия с внешней средой, а именно:

— Входные данные: оперативная  информация, запросы и команды  пользователя ИАС в ходе ведения  информационно-аналитической работы;

— Управляющие данные: инструкция пользователя, инструкция системного администратора;

— Выходные данные: отчеты (регламентные и не регламентные), сведения о выявленных закономерностях, тенденциях и аномалиях, а также прогнозные данные;

— Механизмы: программно-аппаратный комплекс ИАС, системный администратор, пользователь.

Рис. 1.1. Полная структура  аналитической системы, построенной  на основе Хранилища Данных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формализация  функциональной структуры.

     Каждый элемент  структуры может быть описан  аналитическим соотношением, которое  определяет функциональную связь  входа или выхода.

      Когда оператор  преобразования неизвестен, между  входом и выходом в ряде  случаев прибегают к использованию  математического аппарата в теории  автоматов.

     Если функционирование  элемента связано с временными  запаздываниями, то используется  модель автомата с памятью.

     Когда временем  преобразования в элементе можно  пренебречь, можно использовать  модель комбинационного автомата, который записывается с использованием  операторов математической логики.

 

                        Этап логического проектирования.

      АСУ может  рассматриваться как система  обработки данных и знаний, поэтому  математическая формализация логической  структуры может быть представлена  в терминах действий над данными.

      Нужно задать  связи между данными, определить  структуру данных.

Провести обработку функциональных спецификаций, что в итоге позволит перейти к автоматизации создания программного обеспечения.

     СА:BPwin  ERwin

        Виды  автоматизированных систем в  организации

Принято выделять 4 организационных  уровня и 4 типа информационных систем.

Стратегический уровень

 

 

Уровень управлений

 

Уровень знаний

 

 

Эксплуатационный 

уровень

Производство

Продажа и маркетинг

Людские ресурсы 

Фи-нан-сы

Бух-гал-терия

 

 

 

1. ESS  (Executive Support Systems)
2. DSS  (Decision Support Systems)

   MIS  (Management Information System)

3. KWS (Knowledge Work Systems)

  OAS (Office  Automation Systems)

4. TPS  (Transaction Processing Systems)

 

       На каждом  из указанных уровней должны  приниматься, как структурированные,  так и неструктурированные решения.   Они являются повторяемыми  и  обрабатывают определенную процедуру  для их принятия.

  Неструктурированные  решения – это решения, для  которых нет проработанной структуры  принятия решений.

 

Применение типов информационных систем.

 

Типы систем	Продажа маркетинг	Производство	Финансы	Бухгалтерия	Людские ресурсы
ESS	Система стратегического уровня
	5-летние предсказание продаж	5-летние стратегическое планирование	5-летние предсказание бюджета	Планирование прибыли	Планирование личного  состава
	Система управленческого  уровня
MIS	Упр-е. сбытом	Контроль инвентаря	Ежегодный бюджет	Анализ капвложений	Анализ перемеще-ний
DSS	Коммерческий анализ региона	Планирование производства	Анализ затрат	Анализ рентабель-ности	Анализ стоимости контрактов
	Система уровней знаний
KWS	АРМ проектировщика		Графическая рабочая станция	Управленческая рабочая  станция
OAS	Текстовые редакторы		Создание изображений	Электронные календари
	Системы эксплуатационного уровня
TPS	Отслеживание процессов	Перемещение материалов	Денежные операции	Дебиторские задолжности	Хранение отчетов

Характеристики процессов  АИС

 

Типы систем	Информационные вводы	Обработка	Информационные выводы	Пользователи
ESS	Совокупные данные	Графика, моделирование, интерактивность	Проекции, реакции на запросы	Старшие менеджеры
MIS	Итоговые операционные данные, простые модели	Обычные доклады, простейший анализ	Резюме и возражение	Средние менеджеры
DSS	Слабоформали-зованные данные	Моделирование, анализ, интерактивность	Специальные доклады, анализ решений	Профессионалы, управляющие  персоналом
KWS	Технические данные проекта, базы знаний	Моделирование	Модели, графика	Профессионалы
OAS	Документы, расписания	Документы управления, планирования, связь	Документы, графика, почта	Служащие
TPS	Транзакции, расписание	Сортировка, список, слияния	Детальные, доклады, списки	Оперативный персонал

 

 

Распределение систем в зависимости от типов решений  и организационного уровня

Организационный уровень

Типы              Эксплуатация          Знание             Управленческий           Стратегический             

решений

 

TPS

Структури- 

рованные

 

ESS

KWS

Частично-                               

Структ-ные

MIS

DSS

OAS

 

Неструкту-

рированные

 

Функциональные  подсистемы  автоматизированной системы

 

Могут строиться по различным  принципам:

1. Предметный (от предмета производства и предмета продаж)
2. Функциональный (в зависимости от функций)
3. Проблемный
4. Смешанный

 В случае предметной  направленности выделяют следующие  подсистемы:

1. Управление сбытом готовой продукции
2. Управление производством
3. Управление материально-техническим снабжением
4. Управление финансами
5. Управление персоналом

 

Каждый из подсистем решает:

• Задачу планирования
• Задачу оперативного управления
• Задачу учета
• Задачу анализа деятельности

 

МОДЕЛЬ РЕГИОНАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 

 ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ

 

Региональная информационная система органов управления создается  как совокупность информационных подсистем, обслуживающих отдельные управленческие подразделения, входящие в организационную  структуру данной администрации. Информация с каждой информационный подсистемы поступает в системный центр  сбора информации для дальнейшей ее обработки и передачи в управленческие подразделения, при этом одна информационная подсистема может обслуживать несколько  объектов управления. Для решения  задачи синтеза оптимальной структуры  необходимыми этапами являются создание описательной модели указанной информационной системы и выбор содержательных критериев синтеза ее структуры.

Для описания информационной системы далее используем методы теории множеств, базирующиеся на понятиях о множествах и отношениях между  ними. Плодотворными здесь являются подходы, связанные с составлением описания документальной информационной системы, базирующейся на тезаурусе, где  под тезаурусом понимается полный систематизированный набор данных в определенной области знания, позволяющий ней ориентироваться.

 

 

 

Формализованное описание системы.

Пусть Sj, j = – информационные подсистемы, предназначенные для информационного обеспечения деятельности системы управления регионом, состоящего из  к = {1,...,j} объектов управления. Региональная информационная система органов управления должна выступить в роли центра сбора и обработки информации, т.е. обработки запросов управляющих органов.

S - региональная информационная система, объединяющую в себе вышеуказанные подсистемы. Опишем состояние региональной информационной системы на языке теории множеств как четверку множеств S = (T, D, M, d),

где Т - тезаурус с дескрипторным множеством То;

D - коллекция документов;

М - множество запросов;

d:M®2^D – отображение, сопоставляющее каждому запросу множество доку-ментов.

 Под дескриптором понимается лексическая единица (слово, словосо-четание), служащая для описания основного смыслового содержания документа в данной  системе.

 При этом будем определять  тезаурус как конечное непустое  множество Т слов t, отвечающих условиям:

• имеется непустое подмножество Т₀ Ì Т, называемое множеством дес-крипторов;
• имеется симметричное, транзитивное рефлексивное отношение R Ì T ´ T, такое, что:

(1)

при этом отношение R называется синонимическим отношением, а слова t₁, t₂, отвечающие этому отношению, называются синонимическими дескрипторами;

• имеется транзитивное и несимметричное отношение К Ì T₀ ´ T₀, называ-емое обобщаемым отношением.

Пусть описание любого документа d Î D может быть представлено в виде

(2)

и удовлетворяет условию: никакие два дескриптора не встречаются  в одном t(d), если они удовлетворяют отношению К.

Будем также считать, что  каждый запрос m Î M представляется в форме, аналогичной описанию документов (2).

Множество описаний вопросов и документов частично упорядочено  отношением включения £ следующим образом:

(3)

т.е. каждый дескриптор из представляет собой обобщение дескрип-тора из t(d₂) или идентичен дескриптору из .

Отношение £ позволяет сформулировать ответ Q на запрос mÎМ в виде

. (4)

Опишем информационные подсистемы, как четверки множеств Sj = (Tj, Dj, Mj, dj),    j = для которых справедливо выражение (1-4). Тогда региональная информационная система S = (T, D, M, d) определяется через локальные составляющие:

 

 

(5)

.

В этом случае, выражения (5) представляют региональную информационную систему как распределенную информационную систему, базирующуюся на глобальном тезаурусе  , в которой локальные подсистемы являются частями региональной системы.

Для формализации задачи введем обозначения:

– стоимость сбора информации об l-том объекте j-ой информационной подсистемой;

 – стоимость передачи единицы информации об l-том объекте j-ой информационной подсистемой;

 – булева переменная, равна 1, если l-тый объект обслуживается j-ой информационной подсистемой, и равна 0 в противном случае.

Описание состояния каждого  объекта представим в виде информационной модели:

,

где – тезаурус с дескриптивным множеством , описывающий состояние   l-того объекта;

– коллекция возможных документов, которые требуются органам управления для принятия решения;

– множество допустимых запросов со стороны органов управления;

- отображение, сопоставляющее  каждому запросу множество документов.

Индекс j указывает, что информационная модель l-того объекта сфор-мирована в j-той информационной подсистеме.

Если информационная подсистема обслуживает несколько объектов, то информационные модели этих объектов являются составными частями информационной подсистемы, что дает возможность  формировать ответы на запросы в  виде

(6)

где .

Для запросов сложного вида, включающих в себя несколько дескрипторов, выражение (6) имеет вид

, (7)

где ; р – число объектов, обслуживаемых информа-ционной подсистемой.

Объем передаваемой информации на запрос из j-ой информационной подсистемы равен

 

где F – оператор преобразования информации к виду, предназначенному для передачи в каналы связи.

Сформулируем задачу распределения  объектов по информационным подсистемам  при множестве допустимых запросов в распределенной системе , на которые ответы формируются последовательно без повто-рения запросов. Для удобства положим, что каждый запрос описывается одним дескриптором.

С этой целью требуется  найти

(8)

при ограничениях

; (9)

. (10)

Ограничение (9) требует обслуживания каждого объекта только одной  информационной подсистемой. Условие (10) ограничивает количество объектов, подлежащих обслуживанию информационными  подсистемами, либо, напротив, требует, чтобы их было не меньше заданного  числа.

Модель информационной системы  может быть распространена на случай учета распределения информации по дескрипторам, описывающим документ, тем самым есть возможность оценки неопределенности в описании ответов  на запросы со стороны органов  управления.

С этой целью, информацию, заложенную в описании документа, будем рассматривать  в виде единицы, и, следовательно, вес  будет соответствовать объему информации падающей на дескриптор , т.е.

 

и выполняются условия:

1. ;
2. .