НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

”ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Ткачук Микола В’ячеславович

УДК 681.5: 658.512

МОДЕЛІ, МЕТОДИ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ

АДАПТИВНОЇ РОЗРОБКИ ТА РЕІНЖИНІРИНГУ ІНФОРМАЦІЙНО-УПРАВЛЯЮЧИХ СИСТЕМ

Спеціальність 05.13.06 – Автоматизовані системи управління та

прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | доктор технічних наук, професор Годлевський Михайло Дмитрович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут“, завідувач кафедри автоматизованих систем управління

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пасічник Володимир Володимирович,

Національний університету “Львівська політехніка”, завідувач кафедри інформаційних систем і мереж;

доктор технічних наук, професор Левикін Віктор Макарович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри інформаційних управляючих систем;

доктор технічних наук, професор Федорович Олег Євгенович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідувач кафедри інформаційно-управляючих систем.

Провідна установа: | Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ.

Захист відбудеться 11 травня 2006 року о 1430 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.07 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” МОН України за адресою: вул. Фрунзе 21, Харків-2, 61002.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” МОН України за адресою: вул. Фрунзе 21, Харків-2, 61002.

Автореферат розісланий ”7” квітня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І.П. Гамаюн

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах стрімкого зростання об’ємів інформаційних ресурсів, що мають бути накопичені, оброблені та проаналізовані для прийняття рішень щодо управління складними системами та технологічними процесами (ТП) в різних галузях промисловості, економіки та соціальної сфери, великого значення набувають надійність та ефективність функціонування інформаційно-управляючих систем (ІУС), які забезпечують вирішення цих завдань у складі відповідних автоматизованих систем управління (АСУ). Такі ІУС представляють собою складні, тобто топологічно-розподілені та функціонально-багаторівневі апаратно-програмні комплекси, які створюються з залученням значних матеріально-фінансових ресурсів і з розрахунком на довгостроковий період експлуатації (як правило, протягом 10-15 років).

Саме питання зростання ефективності процесів створення та розвитку таких ІУС, розробка моделей та інформаційних технологій (ІТ), проектування програмних архітектур та ресурсів даних, що входять до їх складу, були й залишаються одними з найбільш складних та актуальних науково-прикладних проблем в сучасній інформатиці. Їх вирішенню присвячені дослідження таких відомих вітчизняних і закордонних вчених як І.В. Сергіенка, М.З. Згуровського, О.А. Павлова, О.В. Палагіна, Н.Д. Панкратової, О.Л Перевозчикової, В.М. Левикіна, І.Б. Сіроджи, О.Є. Федоровича, Г. Майера (H. Mayr), Б. Тальхайма (B. Tallheim), В. Хессе (W. Hesse) та інших.

Ці проблеми представляють собою цілий комплекс напрямків наукових досліджень, які вивчають питання розробки математичного, алгоритмічного, інформаційного та програмного забезпечення для вирішення задач проектування та реалізації складних ІУС. В самому загальному випадку процес розробки таких систем може бути розглянутий в багатовимірному просторі таких векторних критеріїв як структурні (функціональні, технологічні і тому подібні) системні характеристики (системні вимоги), які повинні бути досягнуті (виконані) в процесі розробки відповідної ІУС, ресурси, що є наявними для реалізації цього проекту (матеріально-технічні, фінансові та ін.), t – поточний час. Очевидно, що ці критерії знаходяться в складних причинно-наслідкових відносинах і тому рішення проблеми управління процесами розробки складних ІУС в просторі змінних П породжує цілий спектр багатокритеріальних оптимізаційних задач. В даній дисертаційній роботі перш за все досліджуються питання побудови засобів розробки та реінжинірингу складних ІУС, що забезпечують отримання відповідних проектних рішень, що є ефективними по критерію , а інші складові системи критеріїв можуть розглядатися як відповідні обмеження при пошуку потрібних архітектурних, програмних та інформаційних рішень.

Надзвичайно швидкий розвиток і поява все нових і нових інструментально-технологічних платформ та засобів розробки ІУС з одного боку, та постійне зростання складності бізнес-логіки відповідних програмних рішень, а також прискорення процесів їх змін - з другого, приводять до того, що саме якість проектування систем, що тільки ще розробляються, та можливість внесення необхідних змін в архітектуру вже функціонуючих ІУС стають найбільш “вузькими місцями” в життєвому циклі (ЖЦ) їх створення та супроводження. Саме тому в даний час дуже важливою стає науково-технічна проблема розробки таких підходів до проектування нових та проведення реінжинірингу вже існуючих ІУС, які б дозволили вже на ранніх стадіях створення цих систем, а потім – і на всіх етапах їх експлуатації та супроводження, отримувати такі архітектурні та програмні рішення, що є максимально інваріантними по відношенню до змін, які виникають з часом у навколишньому середовищі функціонування таких систем.

Особливе значення отримують в наш час проблеми розробки та реінжинірингу складних ІУС в газотранспортній та в нафтогазовидобувній галузях. Це обумовлено як винятковою їх важливістю, особливо газотранспортної системи (ГТС), безпосередньо в структурі національного паливно-енергетичного комплексу (ПЕК) України, так і тим її геополітичним положенням і статусом транзитної країни, яка забезпечує зараз близько 90% експорту російського природного газу в країни Центральної та Західної Європи, що складає приблизно 30% їх щорічної потреби в цьому енергоресурсі. Все це обумовлює актуальність наукових досліджень та прикладних розробок, яким присвячена ця дисертаційна робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі АСУ Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” (НТУ “ХПІ”) у межах виконання госпдоговорів з КБ “Промавтоматика” (м. Харків) по розробці Інтернет (Web)-базованих ІУС для моніторингу ТП на установках комплексної переробки газу (УКПГ) і нафти та газу (УКПНГ) на підприємствах газового промислового управління (ГПУ) "Харківгазвидобування", при цьому здобувач був науковим керівником відповідних НДР, а також у межах держбюджетної теми № ДР 0103U001543 "Розробка інформаційних моделей для реалізації процедур структурного синтезу в комп’ютерно-інтегрованих системах", затвердженої наказом МОН України № 633 від 05.11. 2002 р., де він був відповідальним виконавцем.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка концепції, моделей і методів адаптивного проектування та перспективного реінжинірингу (АППР) складних ІУС і побудова відповідного інтегрованого модельно-технологічного інструментарію (ІМТІ) для підвищення ефективності процесів їх створення, а також практичне застосування цих підходів при розробці ІУС на об’єктах газотранспортної та нафтогазовидобувної галузей ПЕК України.

Для досягнення цієї мети вирішено комплекс таких взаємопов’язаних науково-технічних задач:

- визначені основні критично важливі чинники впливу та якісні критерії ефективності при розробці програмного забезпечення (ПЗ) сучасних ІУС;

- досліджені особливості побудови та функціонування достатньо широкого класу ІУС, що використовуються, зокрема, на високотехнологічних об’єктах газотранспортної та нафтогазовидобувної галузей ПЕК України;

- обґрунтовані методологічні принципи побудови концепції АППР складних ІУС;

- визначені загальна структура підсистем ІМТІ та їх функціональне наповнення з урахуванням інформаційної багатовимірності та алгоритмічної складності процесів АППР;

- розроблено комплекс моделей та інформаційну технологію їх структурних перетворень, що забезпечують можливість автоматизації основних процесів АППР ;

- побудовано каталог уніфікованих архітектурних рішень і розроблені проектні процедури для ефективного проектування нових і проведення реінжинірингу вже існуючих ІУС визначеного класу;

- розроблено методику побудови та реалізовано комплекс моделей, а також інструментальне середовище для їх застосування, що дозволяють досліджувати та визначати продуктивність і надійність отриманих архітектурних та програмних рішень;

- реалізована на Web-орієнтованій технологічній платформі сукупність програмних компонентів, що можуть бути використані багаторазово для створення ІУС галузевого призначення, які впроваджені на відповідних об’єктах ПЕК.

Об’єктом досліджень є процеси розробки та реінжинірингу розподілених і багаторівневих ІУС, що застосовуються для автоматизації управління складними системами та процесами у різних галузях промисловості.

Предметом досліджень є моделі, методи та інформаційні технології АППР складних ІУС.

Методи досліджень базуються на концепціях і принципах розробки інтелектуальних інформаційних систем, і, зокрема, на застосуванні онтологій для моделювання доменних знань, на методах об’єктно-орієнтованого аналізу та синтезу структури ІУС з використанням можливостей уніфікованої мови системного моделювання UML (Unified Modeling Language), а також на використанні: базових положень теорії управління - для розробки методів аналізу та синтезу адаптивних моделей ЖЦ складних ІУС; математичного апарату загальної теорії множин та нечіткої логіки - для дослідження властивостей багатовимірних інформаційних просторів; абстракцій еталонних системних архітектур (ЕСА) і шаблонів проектних рішень, а також логіко-лінгвістичних і лексикографічних методів - для формалізації процедур проектування та реінжинірингу програмних конструкцій ІУС; методів статистичного аналізу експериментальних даних; методів імітаційного моделювання та застосування метричних моделей - для оцінки продуктивності та надійності отриманих компонентних програмних рішень (КПР).

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті досліджень вперше запропоновано концепцію розробки та реінжинірингу складних ІУС, яка базується на поєднанні позитивних властивостей сучасних компонентних моделей і технологій створення ПЗ з основними кібернетичними засадами теорії управління і, зокрема, з принципами функціонування адаптивних систем управління (СУ), які використовують семіотичні моделі представлення та обробки знань щодо предметної області їх застосування (що в подальшому визначено в роботі як міждисциплінарний підхід). На відміну від існуючих підходів до проектування ІУС, завдяки знайденому методологічному компромісу між вербальними (якісними) та суто формальними (кількісними) методами моделювання процесів розробки ПЗ, запропонована концепція інтегрує всі основні інформаційні та алгоритмічні ресурси процесів АППР у структуру багатовимірного інформаційного метапростору (БІМП), в якому будуються траєкторії розвитку моделей архітектури ІУС. Ця концепція передбачає наявність дієвих механізмів накопичення та аналізу системних вимог (СВ), а також можливість адекватної оцінки властивостей проектних рішень (ПР) у процесі розробки відповідної ІУС, що дозволило реалізувати відповідний ІМТІ для ефективного вирішення задач створення ІУС на сучасній Web-базованій технологічній платформі.

Наукові результати, отримані в дисертаційній роботі, полягають в такому:

а) вперше:

- запропоновано методологічний міждисциплінарний підхід до формалізації процесів АППР складних ІУС і показано його гносеологічний зв’язок з такими фундаментальними напрямками досліджень в сучасній інформатиці як розвиток методів прикладного системного аналізу та вирішення проблем технологічного передбачення;

- розроблена та досліджена знання-орієнтована модель БІМП, яка представляє собою функціональну композицію інформаційних і алгоритмічних ресурсів усіх основних процесів АППР, які динамічно змінюються у часі, що дало можливість розробити нову технологію макро-проектування архітектури складних ІУС;

- запропонована інваріантна по відношенню до конкретної предметної області система критеріїв оцінки стану СВ в процесі розробки складних ІУС і з застосуванням нечіткого лінгвістичного підходу розроблено новий метод визначення експертних оцінок стану СВ, що суттєво поліпшує ефективність роботи проектувальників системи при розв’язанні слабо формалізованих задач створення ІУС, а саме, на етапах накопичення та аналізу СВ;

б) удосконалено:

- архітектурно-центрований підхід до процесів проектування ІУС, за рахунок розробки каталогу шаблонів проектних рішень (патернів) для побудови архітектури розподілених і багаторівневих ІУС, що дозволило забезпечувати їх відкритість та властивість бути масштабованими;

- імітаційні та метричні моделі для дослідження функціонування ПЗ за рахунок розробки багаторівневого композиційного підходу до моделювання КПР у складі ІУС, який дозволяє розробляти кластери моделей оцінки таких характеристик їх функціонування як продуктивність, надійність та інші;

в) отримали подальший розвиток:

- об’єктно-орієнтовані методи розробки інформаційних систем, шляхом застосування їх для аналізу та синтезу організаційно-технічної структури типових ІУС, що дозволяє поліпшити якість та зменшити обсяг відповідної проектної документації;

- інформаційні технології для розробки та реінжинірингу SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)-систем, завдяки створенню набору програмних компонентів, які можуть бути використані багаторазово, що дозволило реалізувати перспективну уніфіковану Інтернет (Web) - базовану систему SCADA для підприємств газотранспортної та нафтогазовидобувної галузей ПЕК.

Достовірність та обґрунтованість отриманих в роботі результатів забезпечені послідовним використанням принципів прикладного системного аналізу, сучасних та достатньо апробованих математичних абстракцій, прогресивних ІТ, методів статистичної обробки експериментальних даних та імітаційного моделювання, які концептуально інтегровані в структуру знання-орієнтованої моделі БІМП розробки та реінжинірингу складних ІУС.

Практичне значення одержаних результатів обумовлено суттєвим (до 35-40%) зростанням ефективності процесів розробки нових і реінжинірингу існуючих складних ІУС для об’єктів нафтогазовидобувної і газотранспортної галузей ПЕК і полягає в тому, що: створено ІМТІ, що дозволяє на практиці ефективно реалізовувати процедури АППР у складних ІУС; побудовано сукупність уніфікованих програмних компонентів, які можуть бути використані багаторазово для створення перспективних і модернізації вже існуючих SCADA-систем; розроблені та програмно реалізовані комплекс імітаційних та метричних моделей і відповідне інструментальне середовище для їх застосування, які дозволяють досить ефективно й достовірно виконувати оцінку продуктивності та надійності роботи запропонованих КПР, як на стадії їх проектування так і в процесі функціонування.

На основі отриманих архітектурних і програмних рішень розроблені та реалізовані уніфіковані Web-базовані SCADA-системи для застосування на УКПГ / УКПНГ, а також запропонована перспективна програмна архітектура для модернізації існуючої типової 3-рівневої ІУС газокомпресорної станції (ГКС). Це забезпечує отримання суттєвого позитивного технологічного та соціального ефектів за рахунок збільшення рівня спостереження та керованості відповідних ТП, покращення умов праці операторів систем, та, в кінцевому результаті, в зменшенні можливих втрат об’ємів видобування та переробки нафти та природного газу на цих об’єктах.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці систем SCADA на Ул’янівській УКПГ і на Личківській УКПНГ Перещепінського нафтогазопромислу, на УКПНГ Східного блоку Юл’ївського нафтогазопромислу, які входять до складу ГПУ "Харківгазвидобування", а також на Сахалінській УКПГ в Краснокутському районі Харківської області, що підтверджено актами впровадження, отриманими на цих підприємствах. Науково-методичні положення, які розроблені в дисертації, використовуються також у методичному забезпеченні навчального процесу кафедри АСУ НТУ ”ХПІ”, зокрема, при викладанні навчальних дисциплін ”Проектування ІУС” та ”Реінжиніринг ІУС”, що також підтверджується відповідною довідкою.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно, за винятком деяких прикладних та інструментальних програмних рішень, розроблених разом з аспірантами та студентами на кафедрі АСУ НТУ “ХПІ”. В наукових працях, виконаних у співавторстві, особисто здобувачеві виключно належать: перелік основних характерних ознак сучасних ІУС; міждисциплінарний підхід до формалізації процесів АППР складних ІУС; концептуальна схема взаємодії моделей та процесів адаптивної розробки та супроводу складних ІУС; просторово-траекторний підхід до моделювання процесів АППР; модель багатовимірного інформаційного простору, методика побудови онтологічних специфікацій для опису структури складної ІУС, система критеріїв оцінки стану СВ в процесі проектування ІУС; метод визначення експертних оцінок стану СВ; каталог шаблонів ПР для побудови ЕСА багаторівневої розподіленої ІУС; постановка задачі реінжинірингу успадкованих ІУС на об’єктах нафтогазовидобувної галузі; структурна модель інтеграції даних у багаторівневій розподіленій Web-базованій SCADA-системі, методики побудови комплексу імітаційних та метричних моделей КПР; типова архітектура інструментального середовища для моделювання КПР в ІУС; уніфікована схема програмних сервісів в типовій SCADA-системі; схема розширеної функціональності перспективної SCADA-системи; логіко-лінгвістична модель управління програмним пакетом у складі ІУС ГКС; функціональна схема інтеграції Web-підсистеми відображення інформації в структуру ІУС ГКС; модель уніфікованої програмної архітектури для автоматизованої підсистеми тренінгу технічного персоналу ІУС.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертаційної роботи апробовані на: міжнародних наукових конференціях "Автоматика-99" (Харків, 1999) і "Автоматика-2003" (Севастополь, 2003); на міжнародному науково-технічному конгресі з проблем реінжинірингу інформаційних систем Reengineering Week'2000 (Цюріх, Швейцарія, 2000); на 1-й міжнародній науково-технічній конференції EurоAsia-ICT’2002 (Шираз, Іран, 2002), на міжнародних науково-технічних конференціях з проблем програмування "УкрПРОГ-2002" (Київ, 2002) і "УкрПРОГ-2004" (Київ, 2004); на міжнародній науково-технічній конференції International Conference on Intelligent Systems and Control (Зальцбург, Австрія, 2003); на 1-й, 2-й та 3-й міжнародних науково-технічних конференціях по технології інформаційних систем і її застосуванням (Information Systems Technology and its Applications - ISTA): ISTA-2001, ISTA-2003, ISTA-2004 (Харків, 2001 і 2003, Солт-Лейк Сіті, США, 2004); на міжнародних конференціях МікроCAD-02,03,04,05 (Харків, 2002,2003,2004,2005) і на VII міжнародній науково-технічній конференції “Системний аналіз та інформаційні технології” (Київ, червень 2005).

Матеріали дисертаційної роботи були розглянуті на засіданнях наукових семінарів: на кафедрі АСУ НТУ ”ХПІ”, в Інституті проблем системного аналізу НТУУ ”КПІ”, в Інституті прикладної інформатики Клагенфуртського університету (Австрія), в Інноваційному центрі високих технологій Магдебургського університету (Німеччина), на кафедрі інформаційних систем і мереж Національного університету ”Львівська політехніка”.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 32 наукові праці, серед них: 1 монографія, 24 статті в фахових виданнях ВАК України, а також 7 робіт у працях і тезах доповідей міжнародних наукових конференцій, симпозіумів і семінарів.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 259 найменувань на 15 сторінках і 5 додатків на 39 сторінках, а також містить 111 рисунків та 15 таблиць. Повний обсяг роботи складає 354 сторінки, включаючи 300 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність дисертаційної роботи, дана її загальна характеристика, сформульовано мета та задачі наукових досліджень, охарактеризовані отримані нові наукові результати.

У першому розділі, на підставі огляду широкого кола сучасних літературних джерел, а також з урахуванням критичного аналізу власного досвіду, накопиченого при виконанні ряду проектів з розробки ІУС на об’єктах нафтогазовидобування, сформульовані 7 основних структурних, функціональних і організаційних ознак (або системних вимог - СВ), що є притаманними для таких систем, а саме: (О1) розподілена системна архітектура; (О2) висока розмірність і складність функціональних зв’язків між окремими блоками та підсистемами; (О3) необхідність обробки великих і надвеликих об’ємів проблемної інформації, що накопичуються та зберігаються в файлових системах і локальних базах даних різних форматів; (О4) наявність у їх структурі різнотипних проектних рішень і розроблених у різний час успадкованих програмних додатків; (О5) безперервний робочий цикл по схемі “24х365” у реальному масштабі часу; (О6) одночасна (паралельна) робота в системі різних груп користувачів, а також наявність так званих віддалених користувачів, які взаємодіють з системою за допомогою спеціальних каналів зв’язку; (О7) значна вірогідність виникнення в роботі таких ІУС критичних ситуацій, над розв’язанням яких повинні оперативно і скоординовано працювати різні групи спеціалістів (користувачів).

Розглянуто також деякі загальні тенденції та кризові ознаки сучасного стану в сфері розробки та застосування ІУС і ІТ. При цьому визначені три групи узагальнених чинників впливу, що є критично важливими для їх розвитку: (I) - концептуально-модельні, (II) -технологічні, (III) - соціально-економічні. На підставі цього сформульовані два основних якісних інтегральних критерії ефективності, що мають бути враховані при створенні складних ІУС, а саме: 1) розробка орієнтованих на знання підходів до побудови моделей і процедур проектування та реінжинірингу таких систем; 2) вибір і застосування максимально уніфікованих і відкритих технологічних стандартів для їх програмної реалізації.

Проведено також аналіз основних напрямків сучасних досліджень в області створення знання-орієнтованих підходів для проектування та супроводження складних ІУС і інтелектуальних ІТ, зокрема, в напрямку розробки адаптивних технологій проектування ІУС (насамперед, у публікаціях школи О.А. Павлова). Особливу увагу звернено на те, що ці проблеми повинні розглядатися у загальному контексті таких стратегічно важливих сфер досліджень у сучасній інформатиці, як розробка наукоємних ІТ (І.В. Сергіенко), створення методології технологічного передбачення (М.З. Згуровський та Н.Д. Панкратова), розробка концепції побудови проблемно-орієнтованих програмних архітектур ( О.В. Палагін).

Зроблено висновок щодо наявності певного протиріччя між досягнутим наразі досить високим теоретичним рівнем побудови формальних моделей ПЗ і методів для розробки складних ІУС, і в той же час - вельми обмеженими можливостями їх практичного застосування для створення методик і процедур проектування та інструментальних засобів імплементації реальних систем. З метою усунення цієї проблеми зроблено припущення про необхідність і доцільність розробки відповідного ІМТІ для АППР складних ІУС. Показано,

що з методологічної точки зору такий ІМТІ може бути ефективно побудованим тільки за умови застосування міждисциплінарного підходу до визначення складу його компонентів та їх функціональності. Цей розділ завершується мотивованим визначенням об’єкту і предмету наукових досліджень, а також формулюванням мети та переліку задач, що мають бути вирішені в дисертаційній роботі.

Другий розділ присвячено розробці загальних теоретичних засад для створення запропонованого ІМТІ та формуванню концептуального комплексу моделей, архітектурних рішень та формалізованих процедур для побудови всіх його основних компонентів.

У першому підрозділі, на підставі запропонованого раніше міждисциплінарного підходу до побудови ІМТІ, розроблена його загальна концептуальна схема. На підставі аналізу існуючих підходів до розробки ПЗ показано, що переважна більшість моделей ЖЦ створення ПЗ, включаючи навіть найновітні їх індустріальні стандарти, такі як технологія RUP (Rational Unified Process), або методи екстремального програмування (eXtreme Programming-XP) та так звані ”гнучкі” технології (аgila-technology), до останнього часу не мають в своїх схемах чітко визначених і ефективних механізмів забезпечення адаптивності у процесі проектування відповідної ІУС. На рис. 1, (а) показано в узагальненому виді одну з таких схем розробки ПЗ, що пропонуються, зокрема, в роботах М. Фаулера (М. Fowler) та С. Амблера (S. Ambler), але розглядаються при цьому виключно на якісному рівні, без будь-яких формалізованих моделей їх побудови та кількісних механізмів оцінки функціонування.

З іншого боку, в сучасній теорії управління вже досить давно існують добре структуровані та апробовані схеми побудови адаптивних СУ складними об’єктами та системами, що з часом еволюціонують, тобто змінюють свою структуру та характер функціонування. Узагальнена схема такої СУ (з посиланням на роботи Д.А. Поспелова) наведена на рис. 1, (б), де, відповідно: ОУ – об’єкт управління, СФ – середовище його функціонування, Р - блок генерації управляючих рішень, К – контролери в контурі управління, Д – датчики у контурі зворотного зв’язку, І – інтерпретатор реакції ОУ та СФ на управляючий вплив блоку Р, М – модель знань ОУ та СФ.

Порівняльний аналіз цих двох схем дозволяє встановити структурно-функціональну відповідність основних функціональних блоків схем адаптивних СУ процесам і артефактам, що містяться в моделі ЖЦ ІУС, яка наведена в таблиці 1. На підставі цього подано формалізоване визначення поняття процесу адаптивної розробки ПЗ (Adaptive Software Development – ASD) складних ІУС у вигляді кортежу об’єктів:

де SR – сукупність системних вимог (System Requirements - SR) до ІУС, що проектується (модифікується); DP - комплекс процедур проектування (Design Procedures - DP), DM - множина інформаційних моделей (Information Models - DM) предметної області (ПрО) та середовища проектування, EM - колекція моделей оцінки (Estimation Models - EM) проектних рішень, що розробляються.

У виразі (1) кожен з компонентів є певним комплексом відповідних моделей, методів та технологій, які у своїй сукупності представляють ІМТІ. Об’єднання множин SR та DM утворюють U - інформаційний базис ІМТІ, а об’єднання множин DP та EM, відповідно, його алгоритмічний ресурс F. Структурний взаємозв’язок, інформаційна погодженість і, в кінцевому результаті, синергетичний ефект у взаємодії компонентів із виразу (1) забезпечується за рахунок впровадження в концептуальну схему процесу розробки ІУС певної моделі системної архітектури (СА).

Об’єктом управління в ній є інформаційна модель ІУС, на яку безперервно впливають 2 групи зовнішніх чинників: (1) – зміни, які відбуваються в засобах ПЗ та ІТ, що використовуються для розробки (або модифікації) ІУС; (2) – зміни в ТП, для управління яким ця система створюється. Інформація заноситься у відповідні Бази Даних СВ (БД СВ): БД СВ (1) і БД СВ (2), які реалізують множину СВ, що динамічно змінюються в часі – це блок SR на рис. 2. В процесі проектування ІУС створюється та постійно розвивається колекція доменних моделей DM. Інформацію з блоку SR використовують функціональні блоки, що реалізують множину методів пошуку проектних рішень (ПР) – блок DP, та моделей їх оцінки – блок EM відповідно. На начальному етапі проектування 2 групи Процедур Розробки ПР: ПрРПР(1) и ПрРПР(2) генерують нові варіанти ПР і заносять їх в Активні Репозиторії ПР: АРПР (1) и АРПР (2). Активний статус цих блоків схеми визначається тим, що в них із блоку моделей оцінки EM поступає також аналітична інформація щодо ефективності характеристик поточного варіанту проекту ІУС (наприклад, її продуктивності, надійності і т.д.). На підставі цієї інформації 2 групи Процедур Формування Типових ПР: ПрФТПР (1) и ПрФТПР (2), формують проектні шаблони (патерни) для створення наступної версії системи. Сама система, що розробляється, представлена в цій схемі парою об’єктів: поточною та наступною версіями її СА – це блоки SA(i) та SA(i+1) відповідно. Таким чином, в подальшому в роботі використовується архітектурно-центрований підхід до вивчення процесів розробки складних ІУС.

У відповідності з цим, у другому підрозділі, з метою створення можливостей для автоматизації процесів побудови проблемно-орієнтованих СА, які відповідають наперед заданим СВ, з позицій прикладного системного аналізу розглянуті деякі найбільш відомі визначення поняття СА, і в якості найбільш адекватного уявлення про цю абстракцію запропоновано багатоаспектне визначення СА, яке може бути отримано шляхом розвитку так званої архітектурної моделі “4+1” проекції за Ф. Крухтеном (Ph. Kruchten). Ця модель наведена на рис. 3, і вона розглядає процес побудови та розвитку СА в 4-х основних інформаційних проекціях, які відповідно описують: (Р1) - структурну організацію системи, (Р2) - динаміку процесів обробки даних і підтримки інтерфейсів системи, (Р3) - середовище її розробки та функціонування; (Р4) – апаратну платформу та інші ресурси процесу розробки, і ще одну додаткову проекцію, а саме: (Р5) - сценарії використання системи.

Елементи множин , і також належать до універсуму , який запропоновано до розгляду раніше, при визначенні відповідних множин у виразах (1)-(2). Тоді множина архітектурних варіантів SA, що входить до виразу (2), може бути формально визначена як підмножина декартового добутку.

Вираз (4) повністю визначає інформаційний базис для процесів побудови СА, але не дозволяє зробити будь-яких висновків стосовно механізмів їх реалізації. Для цього в роботі розглянуті такі абстракції процесу проектування ІУС як еталонні системні архітектури (ЕСА) та шаблони проектування або проектні патерни (ПП), наведені визначення цих понять, запропоновані структурні схеми, що пояснюють концепції їх побудови, а також розроблені відповідні формалізовані методи: (а) - метод синтезу нової ЕСА, (б) - метод застосування існуючої ЕСА для створення нових проблемно-орієнтованих СА та (в) - метод побудови каталогу ПП.

У подібний спосіб в роботі також детально структуровані зазначені вище методи (б) і (в), застосування яких разом з методом (а) дозволяє алгоритмізувати процеси побудови ЕСА та ПП у визначеній ПрО. Сукупність операторів, що є визначеними в цих методах, повинна розглядатися як підмножина елементів множини DP у виразі (1) і у такий спосіб можлива подальша деталізація цього формального об’єкту, який належить до загального визначення ІМТІ.

У відповідності з виразами (1)-(2), необхідною структурною складовою запропонованого ІМТІ є також формальний об’єкт EM, або множина моделей оцінки різних характеристик якості ПР, що розробляються в процесі побудови ІУС. Саме тому у третьому підрозділі, розглядається проблема розробки комплексу моделей оцінки ефективності функціонування ПЗ складних ІУС. Проаналізовані деякі існуючі підходи, які використовують аналітичні моделі функціонування ПЗ систем типу ”клієнт-сервер” і побудовані здебільшого з використанням засобів теорії масового обслуговування, та відзначено, що вони не в повній мірі враховують структурні особливості побудови та динаміку функціонування сучасних КПР, що розробляються на основі об’єктних технологій MS COM/DCOM і CORBA, які стали де-факто індустріальними стандартами в сфері розробки ПЗ. Для усунення цих недоліків запропоновано багаторівневий композиційний підхід до моделювання КПР, основна ідея якого полягає в тому, щоб розглядати відповідні процеси в вигляді ієрархічної схеми, в якій визначені 4 рівня абстракції моделювання, а саме:

(I) - доменне моделювання: на цьому рівні виконується змістовний аналіз ПрО розробки та застосування КПР та визначаються основні об’єкти моделювання, їх характеристичні властивості та типи зв’язків між ними;

(II) - моделювання основних схем взаємодії компонентів: на цьому рівні аналізу КПР розглядаються основні апаратно-програмні конфігурації, які повинні бути досліджені для оцінки відповідних характеристик функціонування КПР, таких, як, наприклад, їх продуктивність (performance) і надійність (reliability);

(III) - моделювання функціональності окремих базових компонентів: на цьому рівні деталізації КПР розробляються моделі функціонування їх компонентів, як суто програмних об’єктів (системних сервісів, типових додатків, модулів тощо) так і апаратних складових КПР: каналів передачі даних різних типів, портів зв’язку і таке інше;

(IV) - моделювання внутрішньо компонентних процесів в структурі окремих складових КПР: на цьому рівні абстракції структури досліджуваного ПЗ повинні бути проаналізовані такі характеристики сучасних програмних рішень як багатопоточні обчислення, різноманітні механізми керування ресурсами пам’яті (буферизація, хешування тощо), альтернативні схеми реалізації здійснення транзакцій (синхронний / асинхронний режими) і таке інше.

В роботі кожен клас моделей з виразу (5) визначається в теоретико-множинному вигляді, і для кожного рівня абстракції пропонуються адекватні структура, нотація та механізм реалізації відповідного типу моделей. Так, наприклад, для множини моделей базових компонентів адекватною нотацією слід вважати діаграми дій (activity diagram) в нотації мови UML, оскільки саме цей тип діаграм дозволяє ефективно відобразити таку вельми суттєву особливість побудови більшості реальних КПР як паралельні (concurrent) процеси. Тому в остаточному підсумку модельний механізм цього рівня для КПР може бути поданий у вигляді кортежу .

На підставі побудованих таким чином діаграм дій можуть бути розроблені адекватні імітаційні та метричні моделі, які дозволяють дослідити динаміку функціонування окремих компонентів (об’єктів), що входять до складу КПР. Результатом аналізу та моделювання КПР за допомогою запропонованої багаторівневої композиційної схеми є експериментально отримані функціональні залежності, які дозволяють робити висновки щодо впливу окремих типів їх компонентів на загальні показники продуктивності на надійності відповідної ІУС.

Четвертий підрозділ другого розділу роботи присвячено висвітленню питань реінжинірингу так званих успадкованих інформаційних систем (УІС), наявність яких у складі інформаційної інфраструктури переважної більшості підприємств і організацій є критично-важливим чинником, що має бути врахованим на концептуально-модельному рівні при проектуванні нових корпоративних ІУС. На підставі аналізу останніх публікацій по цим проблемам в вітчизняний і закордонній літературі зроблено мотивований висновок, що наразі намітилася тенденція розглядати проблеми реінжинірингу не тільки (і не стільки) як задачі внесення змін у вже існуючи системи, оскільки ці підходи, в цілому, вже є досить добре розробленими як на концептуальному рівні, так і в інструментальному плані. Значно більшою мірою це є проблеми розробки таких методів проектування та супроводження нових ІУС, які б забезпечили їх здатність до еволюції в процесі експлуатації та підвищили такі їх властивості як стійкість та “виживаність” в умовах безперервних змін в середовищі їх функціонування. Зазначено, що саме поява методів адаптивного проектування в значній мірі вирішує наявні проблеми проведення короткострокового реінжинірингу відносно невеликих УІС, але при цьому залишаються актуальними питання концептуального осмислення проблем довгострокового або перспективного реінжинірингу складних систем, а також розробки експертного механізму оцінки необхідності або доцільності проведення такого реінжинірингу для певної УІС.

Показано, що існує 5 основних характерних особливостей УІС, які виступають певними чинниками ризику як у випадку збереження такої системи в експлуатації, так і за

умови її повної заміни на нову. Використовуючи вище названі критерії, розроблено метод експертної оцінки стану УІС, що передбачає побудову узагальненої системи координат, у якій може бути розглянута та чи інша УІС. При цьому по осі ординат розглядається визначена експертним шляхом степінь важливості (Importance - I) цієї УІС для підтримки виробничих процесів в наявній організації, а по осі абсцис - показник якості (Quality - Q) функціонування системи, обидва ці параметри подаються в процентному виразі. Тоді всю координатну площину можна розбити на 4 квадранти, які окреслені наступними парами значень відповідних лінгвістичних змінних: I квадрант – “Важливість системи незначна” і “Якість системи низька”; II квадрант – “Важливість системи незначна” і “Якість системи висока”; III квадрант – “Важливість системи значна” і “Якість системи висока”; IV квадрант – “Важливість системи значна” і “Якість системи низька”. Розроблено методику побудови такої системи координат і розглянуто варіанти розподілу в її 4-х квадрантах підмножини точок (i=[1,m]), що відповідають кільком різним УІС. При знаходженні точки в II-й квадранті, УІС знаходиться в “стані очікування” і її реінжиніринг на даний момент не потрібен. Положення точки в III-му квадранті, відповідає ситуації, коли УІС може бути ефективно використовуватися й надалі. І, нарешті, влучення точки, що відображає досліджувану ІУС, в IV-й квадрант, означає наявну необхідність проведення її реінжинірингу. Таким чином, система нерівностей (7)-(10) дозволяє формалізувати процедуру визначення експертної оцінки перспективи необхідності та доцільності проведення реінжинірингу УІС.

Зважаючи на структурну складність та семантичну взаємопов’язаність компонентів ІМТІ, що входять до формального виразу (2), у п’ятому підрозділі другого розділу роботи запропоновано метафору багатовимірного інформаційного метапростору (БІМП), яка дозволяє інтегрувати гетерогенні інформаційні та алгоритмічні ресурси, що є необхідними для підтримки процесів АППР. Для цього досліджені деякі існуючі моделі інформаційних просторів (ІП), введено їх узагальнену класифікацію, що поділяє їх на структурно-графічні та логіко-алгебраїчні моделі ІП, та показано як певні переваги так і досить суттєві недоліки обох цих підходів. На відміну від розглянутих ІП, запропоновано структурувати БІМП як семіотичну систему, що має бути побудова на знання-орієнтованих методах обробки даних. При цьому концептуально БІМП пропонується розглядати як функціональну композицію 4-х локальних ІП, що динамічно змінюються в часі, а саме: 1) П1 – простір побудови варіантів СА; 2) П2 – простір оцінки станів СВ; 3) П3 – простір методів пошуку ПР; 4) П4 - простір моделей оцінки ПР.

У третьому розділі роботи представлено розроблений комплекс інформаційних моделей, процедур управління станами СВ та алгоритмів пошуку ПР в БІМП. Структуру ІП П1, у відповідності з формальним виразом (4), визначено за допомогою 5 локальних онтологічних специфікацій у вигляді (3), які в концептуальному плані відображають множину доменних моделей DM у виразах (1)-(2). Ці специфікації визначають всі основні класи об’єктів як ІУС, що розробляється, так і самого середовища її розробки (це об’єкти, що належать раніше визначеному універсуму ), а також причинно-наслідкові зв’язки між ними (це відношення, які визначені в сигнатурі ). Приклад однієї з цих проекцій - проекції топології ТП (або будь-якого бізнес-процесу), яка позначена як TPT (Technological Process Topology), наведено на рис. 7, у вигляді відповідної діаграми класів в нотації мови UML, а саме: агрегована сукупність класів “ІУС – Підсистема ІУС - Технологічний Процес – Технічний Пристрій” визначає головні суттєвості цієї проекції, а клас “Технічний Пристрій” є асоційованим з підкласами: “Режим Роботи – Системна Подія – Параметр”. У подібний спосіб визначені і інші проекції простору П1: проекція конфігурації ПЗ та ресурсів даних (Software and Data Description - SDS), проекція визначення інформаційних профілів користувачів (User Information Profile - UIP), проекція опису системних протиріч (System Conflicts Description - SCD), проекція специфікацій типових рішень проблемних ситуацій ( Problem Solution Patterns – PSP).

Особливу роль в просторі П1 відіграє проекція опису типових рішень проблемних ситуацій - проекція PSP, в якій фіксуються всі системні протиріччя та відповідні їм проектні рішення, за допомогою яких вони можуть бути усунені в процесі розробки ІУС. Ці поняття є семантично взаємопов’язаними також з поняттям системної вимоги до ІУС, що розробляється (модифікується) і в контексті цієї роботи вони визначаються у такій спосіб.

Означення 1. Системним протиріччям (СП) називається будь-яка подія в процесі розробки ІУС, в результаті настання якої виникає необхідність виконання певної системної вимоги (або їх сукупності), які зафіксовані в специфікації проекту системи.

Означення 2. Системною вимогою (СВ) називається певна технічна характеристика ІУС, яка зафіксована в специфікації проекту і яка повинна бути виконана в кінцевій версії системи у вигляді відповідного проектного рішення.

Означення 3. Проектне рішення (ПР) представляє собою деякий артефакт (алгоритм, програму, схему даних, візуальний інтерфейс користувача тощо), який створюється в процесі розробки системи і реалізація якого забезпечує виконання однієї або декількох СВ.

Означення 4. Якщо деяка ОСВ знаходиться в області ефективних значень, тобто: , то використовуючи її специфікацію в термінах критеріїв К1, К2, К3, цілком можливо