WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Графо-аналитический подход к анализу и контролю потоков проектных работ в автоматизированном проектировании сложных компьютеризированных систем

Автореферат докторской диссертации по техническим наукам

  СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА  
Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 

АФАНАСЬЕВ Александр Николаевич

ГРАФО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПОДХОД

К АНАЛИЗУ И КОНТРОЛЮ ПОТОКОВ РАБОТ

В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

СЛОЖНЫХ КОМПЬЮТЕРИЗОВАННЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.13.12 – Системы автоматизации проектирования

                                                         (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Ульяновск – 2011

Работа   выполнена  на кафедре Вычислительной техники Ульяновского государственного технического университета

Научный консультант:           доктор технических наук, профессор

Соснин Петр Иванович

Официальные оппоненты:     доктор технических наук, профессор

Курейчик Владимир Викторович

                                                  доктор технических наук, профессор

Камаев Валерий Анатольевич

                                                  доктор технических наук, профессор

Егоров Юрий Петрович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Защита состоится 26 декабря 2011 г.  в 1500  часов  в  ауд. 211  на заседании диссертационного совета Д 212.277.01  при Ульяновском государственном техническом университете по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан   ____  _________   2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                            

д.т.н., профессор                                                          В.И. Смирнов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.  В настоящее время проектирование, производство, внедрение и реинжиниринг сложных систем, использующих программное обеспечение, сталкивается с рядом принципиальных проблем, оказывающих негативное влияние на их успешность. В зарубежной теории и практике такой класс систем получил название систем, интенсивно использующих программное обеспечение (Software Intensive Systems -  SIS). Выделение таких систем в отдельный класс (около 20 лет назад) было вызвано проблемой успешности их создания (непозволительно высокий выход разработок за рамки запланированных временных, финансовых и функциональных параметров).              В российской нормативной базе классу SIS близок класс автоматизированных систем (АС), который подчинен классу SIS.

Для снижения негативных влияний на разработку SIS за последние годы в теорию и практику системной инженерии введены  такие парадигмы, как  жизненный цикл программных систем, линейки программных продуктов, потоки работ, организационно-профессиональная зрелость, коллективная обработка и проектирование, система компетенций, а также  множество стандартов (например, ISO/IEC 12207, IEEE Std 1471, ISO/IEC 9126), в частности введен и активно используется стандарт «ГОСТ Р ИСО 9004-2010  МЕНЕДЖМЕНТ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ УСТОЙЧИВОГО УСПЕХА ОРГАНИЗАЦИИ».

Значительный вклад в теорию и практику разработки SIS внесли российские и зарубежные ученые Норенков И.П., Липаев В.В., Курейчик В.М., Курейчик В.В., Камаев В.А., Советов Б.Я., Hall A., Sage A., Booch G., Rumbaugh D., Jacobson I., Boem R., Kruchten Ph. и др.

Особое место в достижении успешности разработки SIS отведено диаграмматике в визуальных формах артефактов, сопровождающих проектную деятельность (UML, IDEF, ER, DFD, eEPC, SDL-диаграммы, параллельные граф-схемы - ПГС и др.).

Акцент на диаграмматику обусловлен рядом причин:

- устойчивым использованием разработчиками SIS в оперативных рассуждениях диаграммных схем, способствующих решению задач и пониманию того, о чем идет речь;

- требованиями нормативной диаграммной регистрации процесса разработки, его составляющих, а также продуктов проектных действий;

-  попытками автоматической и/или автоматизированной трансформации диаграммных схем в их материальное воплощение.

К сожалению, следует отметить, что в богатейшем опыте диаграмматических представлений, используемых в практиках SIS, не уделяется должного внимания методам и средствам оперативного контроля схемных диаграмм.

Отсутствие в современных технологиях разработок SIS методов и инструментальных средств, предоставляемых в коллективе разработчиков каждому проектировщику для оперативного контроля создаваемых им графических диаграмм в условиях их расширяющегося внедрения, нацеленного в перспективе на трансляцию  диаграмм в программный код, открыло дополнительный источник опасных ошибок проектирования, что является актуальной научно-технической проблемой.

Схемные  диаграммы создаются и используются как для процесса проектирования SIS, инструментальная среда которого представляет специализированную SIS типа САПР, так и для продуктов проектирования. И в первом, и во втором случае процессность проекта представляется потоками работ, за каждым из которых стоит определенный бизнес-процесс, в согласованное осуществление которого вовлечена группа исполнителей.

Модельное представление бизнес-процессов и их систем оказалось настолько полезным, что оно широко применяется в различных предметных областях и с различными целями. Потоки работ являются базовым модельным представлением динамики практически во всех технологиях разработки SIS, в частности в технологии RUP. Анализ существующих технологий демонстрирует, что типичными формами контроля диаграмматики потоков работ являются:

- их конструктивное создание с использованием специализированных декларативных языков без автоматических и/или автоматизированных проверок синтаксиса;

- многократный преднамеренный или ситуационный визуальный просмотр диаграмм разработчиками SIS и другими заинтересованными лицами.

В теории и практике потоков работ поиск новых методов и средств, формализующих порождение и контроль схемных диаграмм, способствующих снижению проникающих в них ошибок проектирования, считается особо актуальным.

Вкладом в решение указанной выше проблемы является включение в проектные потоки работ (ППР) дополнительного потока, обеспечивающего снижение ошибок в оперативном создании проектировщиками нормативных и ситуативных графических диаграмм за счет лингвистического моделирования потоков работ и работ с графикой, а также интеллектуального обучения проектировщиков созданию нормативных и ситуационных потоков работ.

В управлении потоками работ широко применяются специализированные процессоры (workflow engines), подобные компьютерным процессорам, использующим алгоритмические программы. Этот факт подсказывает идею аналогового наследования методов и средств  контроля из опыта алгоритмических процессов. Одной из подсказок для такого наследования является использование паттернов потоков работ, схемы которых подобны алгоритмическим схемам.

Аналоговое наследование используется в диссертационной работе как базовый принцип графо-аналитического подхода к анализу и контролю потоков работ в автоматизированном проектировании сложных компьютеризованных систем (СКС). В диссертации класс СКС специфицируется как подкласс SIS, включающий сложные автоматизированные системы АС.

Графо-аналитический подход определен и используется как система принципов, теоретических составляющих,  моделей, методов и средств, способствующих при их комплексном применении снижению ошибок проектирования в диаграммных схемах ППР, в первую очередь  за счет использования грамматических формализмов, моделирующих статику и динамику потоков работ в процессе проектирования СКС и его продукте.

В реализации графо-аналитического подхода, настроенной на ее коллективное использование разработчиками СКС, используются методы и средства потоков работ, в том числе и те, которые отвечают за их обучение построению, анализу и контролю диаграммных схем. Разработанные средства обучения учитывают специфику диаграмматики потоков работ в ее приложении к автоматизированному проектированию СКС.

Актуальность диссертационной работы обусловлена названной выше проблемой и расширяющимся внедрением диаграмматики в практику разработки СКС. Понятие класса СКС  используется в диссертации как рабочее, содержание которого синонимично (с учетом отмеченной специфики) понятиям «системы, интенсивно использующие программное обеспечение» и «автоматизированные системы».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка и реализация графо-аналитического подхода, включающего комплекс методологических принципов, методов, моделей, алгоритмов и структур создания, контроля, анализа, трансляции и моделирования нормативных и ситуационных ППР, обеспечивающих снижение ошибок при создании СКС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи.

  • Анализ технологий проектирования автоматизированных систем.
  • Анализ подходов, методов и средств обработки потоков проектных работ.
  • Разработка основ прикладной теории ассоциативного управления потоками работ.
  • Развитие теории анализа, перевода и компиляции графических языков потоков проектных работ.
  • Разработка методов и средств обработки лингвистических моделей потоков проектных работ.
  • Разработка интеллектуальной автоматизированной обучающей системы проектированию, моделированию и анализу потоков проектных работ СКС.
  • Разработка программно-структурных средств обработки моделей потоков проектных работ.

Областями исследований являются методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР; разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП; разработка научных основ обучения автоматизированному проектированию.

Направление исследований связано с использованием аналогий из компьютерного программирования для развития теории и практических средств управления, создания, контроля анализа и моделирования ППР при проектировании СКС.

Объектом исследований является применение диаграмматики ППР при создании СКС, нацеленное на снижение ошибок проектирования и, тем самым, на повышение успешности проектов.

Предметом исследований являются модели, методы и средства диаграмматики, в которых используется опыт программирования для управления, создания, контроля, анализа, трансляции  и моделирования ППР.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения и методы теории формальных и графических грамматик, системного анализа, теории графов, искусственного интеллекта, теории нейронных сетей, теории нечетких множеств. 

Научная новизна результатов исследования. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной.

1. Разработан графо-аналитический подход, система принципов, теоретических составляющих,  моделей, методов и средств которого представляет собой методолого-технологическую основу для анализа и контроля диаграммных схем на концептуальном этапе проектирования СКС, нацеленных на снижение ошибок проектирования за счет использования грамматических формализмов, моделирующих по образцам программирования статику и динамику потоков проектных работ.

2. Разработаны основы прикладной теории ассоциативного управления потоками работ, в рамках которой предложена и исследована ассоциативно-ориентированная модель управления ППР,  позволяющая улучшить учет критериев, параметров и специфику процесса проектирования СКС, разработано лингвистическое представление модели и синтаксически-ориентированный метод ее анализа.

3. Разработаны методы и средства контроля, анализа и преобразования графических языков ППР, являющихся развитием теории обработки графических языков. Предложен класс синтаксически-ориентированных   графических грамматик (автоматные графические грамматики, автоматные графические грамматики с нейтрализацией ошибок, иерархические графические грамматики, транслирующие графические грамматики, нечеткие графические грамматики), отличающихся от известных простотой синтеза, универсальностью, линейными временными характеристиками анализа, малыми затратами памяти, обеспечивающими полноту контроля, обнаружение синтаксических и семантических ошибок в диаграммах ППР, возможность продолжения анализа в случае наличия ошибок, получение семантического значения диаграмм потоков работ в терминах денотационной и операционной семантик, поддерживающих групповое, в том числе и удаленное, проектирование потоков работ, и позволяющих сократить проектные ошибки.

4. Разработан метод обработки лингвистических моделей потоков работ, сущность которого определяется хранением формы и правил описания  объектов потоков работ в нейроподобных структурах, связанных с семантической сетью, что позволяет настраивать среду проектирования и накапливать опыт проектных решений, уменьшая риски совершения проектных ошибок. Разработана модель классификации объектов проектных работ на базе карт Кохонена.

5. Разработаны модели и методы организации адаптивного обучения проектированию ППР. Предложена модель проектировщика, в которой используются нечеткие лингвистические характеристики, обеспечивающие применение адаптивного планирования траектории обучения. Предложен метод диагностики проектной компетенции  проектировщика, заключающийся в классификации его проектного профиля на основе нечетких карт  Кохонена и обеспечивающий уменьшение ошибки оценки уровня подготовленности и повышающий качество процесса обучения. Предложен метод адаптивного управления траекторией обучения проектировщика, использующий комплекс моделей (предметной области, проектировщика, сценария и протокола) и позволяющий достигнуть требуемого значения проектных характеристик обучаемого в сокращенные сроки.

Практическая значимость и результаты внедрения.  Разработана архитектура и программно-информационное и системы контроля, анализа и перевода диаграмм потоков проектных работ. Разработаны программы контроля, анализа и перевода диаграмм потоков проектных работ, предназначенные для использования в наиболее распространенных в практике проектирования сложных систем инструментальных средствах и позволяющие снизить ошибки при создании СКС.

Разработана архитектура и программно-информационное обеспечение системы обработки лингвистических моделей потоков проектных работ.

Разработана архитектура и программно-информационное обеспечение интеллектуальной обучающей системы проектирования потоков ППР.

Разработаны структурные решения процессоров контроля диаграмм потоков проектных работ на основе автоматных графических грамматик.

Разработаны структурные решения блоков безадресной памяти и ассоциативного арифметического устройства, используемые в процессорах контроля.

Результаты работы внедрены на следующих промышленных предприятиях: ФНПЦ ОАО НПО «Марс»  (г. Ульяновск), ОАО «Ульяновский механический завод» (г. Ульяновск). Результаты исследования использованы в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракт № 02.741.11.2135), при выполнении х/д НИР № Д286 с УВАУГА, г/б НИР № 13-02.03.06 «Методы и средства проектирования интеллектуальных САПР (№ гос. рег. 01200706629, отчет  за 2006- 2010 гг. инв. № 02201150531). Результаты диссертационной работы используются также в учебном процессе  кафедры Вычислительной техники Ульяновского государственного технического университета при обучении студентов направления «Информатика и вычислительная техника». Под руководством автора защищены 4 кандидатских и 22 магистерских диссертации по тематике исследования. 

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Микропроцессорные системы» (Челябинск, 1984), Всесоюзных школах-семинарах «Распараллеливание обработки информации» (Львов, 1985, 1987), Российской научно-технической конференции «Системный анализ и принятие решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и РЭА» (Махачкала, 1991), Российской научно-технической конференции «Интерактивные системы» (Ульяновск, 1993), международных НТК «Интерактивные системы: проблемы человеко-компьютерного взаимодействия», (Ульяновск, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009, 2011), международной НТК «Непрерывнологические и нейронные сети и модели» (Ульяновск, 1995), Всероссийской НПК «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 1998),  Третьей всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2001), международной конференции «Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике» (Ульяновск, 2001),  международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке, технике и экономике»  (Ульяновск, 2003),  международной научной конференции «Компьютерное моделирование и информационные технологии в науке, инженерии и образовании»  (Пенза, 2003), международной конференции  «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2006), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (Ульяновск, 2009), VII международной конференции   «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2009),  конгрессах по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT’9,10» и «IS&IT’11» (Дивноморское, 2009-2011), Первой всероссийской конференции с международным участием «Системный анализ и семиотическое моделирование» (SASM-2011) (Казань,  2011), Российских научно-технических конференциях «Информатика и вычислительная техника» (Ульяновск, 2009- 2011), Российских научно-технических конференциях «Информатика, моделирование, автоматизация проектирования» (Ульяновск, 2009, 2010), профессорско-преподавательских конференциях ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) (Ленинград, 1984-1986), профессорско-преподавательских конференциях Ульяновского политехнического института и Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 1980-1983, 1987-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 98 научных  работ, в том числе 12 –  в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 монографии, 26 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, 3 авторских свидетельств на изобретения. 

Структура и объем работы.  Диссертация состоит из введения, шести глав,  заключения, приложений и списка литературы из 356 наименований. Основная часть работы изложена на 315 страницах и содержит 144 рисунка и  67 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана ее краткая характеристика, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе  проведен анализ подходов, методов и средств создания и обработки потоков проектных работ. На основе анализа определений потоков работ сформулировано рабочее определение потока проектных работ как модель событийного процесса выполнения задач проектирования с помощью коллективных ресурсов.

Проведен анализ основных методологий, технологий и инструментальных средств проектирования СКС (RUP- и ARIS-подобные) с позиций места, роли и поддержки потоков работ. Исследованы системы управления потоками работ, паттерны потоков работ с точки зрения возможности их использования для решения типовых задач проектирования, методы и средства реализации графических языков потоков работ, методы и средства интеллектуального моделирования и обучения проектированию нормативных потоков проектных работ.

Исследованы стандарты и языки представления, моделирования и выполнения потоков работ WPDL (Workflow Process Definition Language), XPDL (XML Workflow Process Definition Language) , BPMN (Business Process Modelling Notation), BPML (Business Process Modelling Language), BPQL (Business Process Query Language), BPSS (Business Process Specification Schema), BPDL (Business Process Describing Language), EPC (Event-Driven Process Chains), ICN (The Information-Control Nets), UML 2.0, WSCL (Web Services Composition Languages), XLANG (Web Services for Business Process Design), WSFL (Web Services Flow Language) , BPEL4WS (Business Process Execution Language for Web Services), WSCI (Web Services Choreography Interface), WS-CDL (Web Services Choreography Description Language), WSCL (Web Services Conversation Language), Web Bond.

Проведен анализ методологий моделирования потоков работ: процессно-ориентированной, ресурсно-ориентированной и ориентированной на данные. По результатам анализа сформулированы и обоснованы следующие базовые принципы графо-аналитического подхода.

  • Принцип аналогового наследования: в теорию и практику потоков проектных работ, используя аналогии, целесообразно вводить те  формализмы программирования, которые увеличивают выразительную мощность диаграмматических языков и открывают возможности для автоматического и/или автоматизированного грамматического контроля проектных ошибок в диаграммных схемах.

2. Принцип дополнительности «декларативное-процедурное» в его приложении к потокам работ: вводя в формализмы потоков работ полезные аналогии, следует в диаграммных схемах различать классы, представляющие активность потоков работ, и информационную поддержку активностей, в число  средств которой входят пакеты САПР.

Проведена пошаговая детализация базовых принципов, результаты которой используются для логического размещения результатов исследований и разработок  диссертации по ее тексту.

Одно из направлений детализации связано с использованием методов и средств потоков работ, в том числе и тех, которые предложены и исследованы в диссертации,  для реализации графо-аналитического подхода, в частности для специализированного обучения проектировщиков построению диаграммных схем, их анализу и контролю.

Разработана схема диссертационного исследования, включающего следующие этапы.

1. Разработать теоретические основы и соответствующий им инструментарий для повышения гарантий успешности разработки СКС за счет обоснованного и контролируемого снижения ошибок в оперативном  создании проектировщиками нормативных и ситуативных графических диаграмм ППР.

2. Для обеспечения отмеченного эффекта в теорию и практику ППР, используя аналогии, ввести формализмы программирования, которые повышают выразительную мощность диаграммных языков и открывают возможности для автоматического и/или автоматизированного контроля проектных ошибок в диаграммах.

3. Практическую реализацию комплекса средств, способствующих выявлению и коррекции ошибок, реализовать в виде связной совокупности систем контроля, анализа и трансляции, классификации, повторного использования и  обучения.

Во второй главе разработаны основы прикладной теории ассоциативного управления потоками работ, в рамках которой предложена и исследована ассоциативно-ориентированная модель управления ППР, разработано лингвистическое представление модели и синтаксически-ориентированный метод ее анализа.

Ассоциативно-ориентированная  модель управления потоками работ представляется в виде параллельной сетевой схемы работ (ПССР), которая определяется кортежом

,

где V – множество операторных вершин, D – множество дуг, S и E – множества

составных и условных операторов. Множество V состоит из множеств вершин VF присваивания, VR распараллеливания и VL соединения. Множество S состоит из множеств SF составных операторов задач, SR составных операторов распараллеливания и SL составных операторов соединения. A – отображение . Множество D состоит из множеств дуг DP разветвления, DR распараллеливания и DL соединения. Множество E условных операторов состоит из множеств  обобщенных условных операторов выполнения задач,  условных операторов распараллеливания и  условных операторов соединения. С – отображение . Операторы , , , , ,  имеют вид

                                                         

,

,

,

,    ,

где ,  и , ,  и  – множества задач, условий и масок.

Вершины  инициируют действия, позволяющие переход к нескольким следующим задачам, которые могут выполняться независимо друг от друга с произвольным сдвигом во времени. Вершины  инициируют действия, которые разрешают переход к другим задачам только тогда, когда все предыдущие выполнены.

Формулируются условия корректности ПССР. Вводится четыре типа WF-ПССР (хорошо сформированных ПССР), использование которых обеспечивает получение корректных и структурированных ПССР.

Разрабатывается методика доказательства проверки корректности ПССР, включающая представление ПССР системой отмеченных взвешенных формул перехода и алгоритм трансляции ПССР в соответствующую параллельную граф-схему.

Доказывается следующая теорема.


Соискатель:


Долгов О. С.

  СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА  
Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.