Концептуальное проектирование систем. Концептуальное проектирование

Инновационный потенциал основан на результатах первых двух этапов инновационного цикла, т.е. на результатах фундаментальных и прикладных исследований. Эти результаты могут быть выражены в разных видах - от идеи, характеризующей саму возможность практического применения, до опытных образцов, обеспеченных чертежно-технической документацией, технологией производства, испытанных и апробированных на производстве.

Апробированный результат научно-исследовательской работы (НИР) и научно-исследовательской опытно-конструк-торской работы (НИОКР) является предпочтительным для применения на предприятиях, так как дает возможности развития предприятия при определенных рисках. Первый вид испытанных научных результатов (идея НИР) является основой инновационного потенциала и отличается высокими рисками, которые практически оценить очень сложно. Поэтому такие результаты имеют развитие приоритетно на основе государственного управ-ления, которое выступает венчурным капиталистом.

Результаты научных исследований, которые планируются к переходу в стадию инновационной диффузии, являются основой для новой стадии исследований, которая характерна актуальностью выполнения НИР технико-технологических и инновационных исследований.

Инновационные исследования определяют пути перехода от результатов НИР к инновационной диффузии и включают организационно-экономические исследования, выбор предприятий и организаций для внедрения в производство новшеств, нововведений и инноваций.

Таким образом, к особенностям инновационного развития относятся вопросы, характерные для ранних стадий проектирования технических объектов и систем в техновещественном развитии отраслей жизнедеятельности общества. Второй составляющей инновационного развития является инновационное исследование, определенное выбором предприятия и формированием партнерских отношений его с научной организацией, университетом, т.е. с разработчиком новшества, нововведения, инновации.

В таком подходе к организации управления инновационным развитием в условиях региона обеспечивается неразрывность инновационного цикла как необходимого условия для развития инновационной деятельности.

Моделирование на ранних стадиях проектирования призвано решать задачу концептуального проектирования, т.е. определять и использовать такие технико-технологические решения, которые в дальнейшем могут обеспечивать конкурентные преимущества создаваемому техническому объекту, системе, предприятию, отрасли и территории (региону).

Концептуальное моделирование имеет особенности, характерные для ранних стадий проектной деятельности (включая идею) и завершая эскизным проектированием, что определяет создание новых и перспективных технико-технологических решений, обеспечивающих инновационный потенциал конкурентными преимуществами.

Результирующими от созданной идеи могут быть: 1) проект; 2) программа; 3) направление научной и опытно-конструк-торской работы. Создание на основе полученного технико-технологического решения проекта определяет возможности бизнес-планирования, т.е. получение обоснованного организационно-экономического плана работы. Программа включает процесс исследований, результатом которых является комплекс взаимоувязанных инновационных проектов. Достижение организационно-экономической эффективности по программе осуществляется поэтапно на основе согласованного выполнения комплекса проектов. Отличительной особенностью инновационного направления является большая доля научных исследований, направленных на изыскание таких технико-технологиче-ских решений, которые могут обеспечить конкурентные преимущества предприятию в его развитии. Направление включает программы и проекты.

Ведение проектных работ по каждому из трех направлений опирается на интеллектуальный потенциал профессионалов, использующих методы научно-технического творчества, и требует в современных условиях поддержки на основе информационных технологий для решения неформализованных научно-технических задач.

Концептуальное проектирование, включающее поиск идей, отличается планированием целевых показателей, параметров, индикаторов создаваемого технического объекта или системы. С позиции инноваций при проектировании отрицательный результат, имеющий даже научную ценность, рассматривается как неудача. Согласно когнитивной психологии, каждый проектировщик, конструктор имеет свою персональную когнитивную карту, которая определяет схему его видения образа объекта проектирования и процесса его реализации, поэтому задачей является выбор инновационного образа технического проектирования объекта.

Процесс работы связан с наличием у разработчика некоторой мыслительной модели, которая имеет текущее состояние и постоянно меняется в процессе познания, что и является процессом концептуального проектирования с инструментальным использованием когнитивных моделей (лат. cognition - знание, познание). В исследованиях технической направленности эти модели находят применение в качестве имитационных, которые ориентированы на прогнозирование поведения оператора при взаимодействии его со сложными техническими системами.

Концептуальное проектирование характерно целесообразностью использования методов опосредованного познания, т.е. моделирования. Характеризуя модели, используемые на ранних стадиях проектирования, отметим приоритетность внимания к особенностям построения иерархических структур моделирования, имеющих место информационных процессов, а также на принятии решений.

Исследование задачи структурного и параметрического синтеза в процессе проектирования на ранних стадиях с когнитивных позиций в сложных технических системах показывает два явно выраженных этапа: 1) этап структурного синтеза и 2) этап параметрического синтеза описании функционирования. Этапы включают существенные звенья познавательной направленности. Когнитивное моделирование при компьютерной поддержке повышает эффективность проектирования. Задачи структурирования, компоновки изделия и параметризации представляются наиболее перспективными с позиции когнитивного моделирования.

Например, при создании дизеля структура изделия может меняться несущественно и основные трудности будут связаны с параметрическим синтезом. Обратная ситуация - при создании продуктов питания нового поколения и примерно равнозначная значимость структурного и параметрического синтезов - для сферы строительства. При этом могут быть исключения для каждой из указанных отраслей по соотношению задач структурного и параметрического синтеза, что определяется созданием гибкой производственной системы.

Формирование структуры осуществляется эвристическим путем (методы научно-технического творчества), или структура выбирается из набора решений. Моделировать структурные и параметрические (функциональные) этапы в единой модели одновременно весьма сложно и может частично решаться только при компьютерной поддержке в системе «человек-машина». При этом параметрический этап (функционирования) отличается использованием теории анализа и подобия. Создание теории функционирования для сложных технических систем возможно лишь для отдельных аспектов.

На ранних стадиях проектирования находят применение грубые промежуточные компоновочные чертежи и подобные модели (вербальные, на основе последовательного приближения).

Содержательные модели представляют собой словесные постановки задачи, программы и планы развития систем, «деревья» целей, управления, проектирования и др., которые широко используют системный подход, опирающийся на понятия системы, подсистемы, элемента структуры, иерархии, свойства (параметров), цели, функции и т.п. Это позволяет выявить специфику и закономерности сложных систем, разбить на подсистемы и организовать их взаимодействие с учетом влияния внешней среды. Далее проявляется возможность перехода к использованию формализованных методов.

Рассматривая модели, используемые при решении задач проектирования, можно выделить:

Иерархическое описание и стратегии его формирования;

Теоретико-множественные модели;

Модели представления знаний: например: продукция как форма предоставления знаний; фреймы; сценарии; предикатные модели; модели представления данных.

При проектировании под сценарием понимается система предположений о течении изучаемого процесса, на основе которой разрабатывается один из возможных вариантов прогноза, строится план (тоже сценарий) осуществления чего-либо. Сначала разрабатывается базовый сценарий, который показывает наиболее вероятное воздействие всех событий на показатели благополучия и параллельно строится пессимистический сценарий. Далее, чтобы помочь руководителю принять адекватное решение, разрабатываются две стратегии упреждающих действий:

В отношении событий, поддающихся контролю, намечаются действия, направленные на то, чтобы желательные события происходили, а нежелательные - нет;

В отношении событий, не поддающихся контролю, намечаются действия, которые усиливают благоприятные последствия и смягчают неблагоприятные.

Результатом такой проработки является так называемый «форсированный сценарий». Имеются примеры удачного использования сценариев при проектировании для описания действий пользователя с несколькими уровнями наглядного объяснения. Результаты позволяют продемонстрировать, насколько детально должна быть представлена информация, предназначенная для использования в адаптивных интерфейсах. Сценарии являются способом представления информации и удобны для представления стереотипных знаний, определяющих типичные ситуации конкретной предметной области. В интеллектуальных системах сценарии используются в процедурах понимания естественно-языковых текстов, планирования поведения, принятия решения, повышения эффективности обучения.

Такой подход к проектированию на ранних стадиях с позиции когнитивного моделирования обеспечивает саму возможность ведения стратегии инновационного развития. При этом удается оттеснять стратегию развития по имитационной модели, которая развита в российском обществе. При создании компьютерной поддержки процесса концептуализации необходимо активнее использовать интеллектуальный потенциал профессионалов из разных сфер знаний, научных организаций, предприятий, отраслей.

Когнитивное моделирование технико-технологических объектов и систем определяет возможность комплексной увязки в информационную технологию трех компонентов: 1) концептуализации; 2) структурирования и 3) параметризации. Концептуализация должна быть целенаправленной, что предполагает применение категориального анализа и теории парадигмы.

При когнитивной направленности структурирования определяется возможность порождения новых инвариантных структур.

На основе вербальных моделей через создание блок-схем процесс проектирования выходит на компоновку, которую выполняет специалист, и он должен быть обеспечен персонифицированной системой поддержки. Для параметризации компонентов изделия характерны интеграционные работы, что определяет целесообразность использования когнитивной компьютерной графики. Концептуальное проектирование носит коллективный характер, что определяет особенности информационной технологии поддержки этой деятельности.

Следует отметить, что чем более ранняя стадия проектирования (стадия идеи) рассматривается, тем более конкурентной может быть создаваемое изделие, технический объект или система, технология.

Подходы, модели, используемые при создании технических систем, могут быть использованы в аналитической системе управления не только для разработки технико-технологических решений, но и для выработки решений системного управления инновационным развитием организации, предприятия, отрасли, региона.

Развитию инновационного потенциала характерна система «университет - промышленность», так как необходимо совмещение знаний этих двух сфер знаний.

Основные понятия, классификация

Концептуальное проектирование порой называют техническим . Его основными этапами являются:

1) предварительное проектирование,

2) эскизное (рабочее или техно-рабочее) проектирование,

3) изготовление, испытания и доводка опытного образца системы (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Этапы концептуального проектирования.

Стадия концептуального проектирования начинается с детального анализа первичных данных и уточнения концептуальной модели данных, после чего проектируется архитектура системы . При этом оценивается возможность использования существующих ИС и выбирается соответствующий метод их преобразования. После построения проекта уточняется исходный бизнес-план. Выходными компонентами этой стадии являются концептуальная модель данных, модель архитектуры системы и уточнённый бизнес-план.

В ходе выполнения последующих стадий проектирования предполагается более глубокая и детализированная проработка решений, выработанных на данной стадии. При этом не исключается появление необходимости их существенного изменения. Хотя действующие нормативные документы предусматривают возможность, внесение изменений в проект или программу (концепцию), как правило, это связано с потерями финансовых, материальных и трудовых ресурсов как со стороны “Заказчика”, так и “Разработчика”. Указанные потери могут оказаться весьма значительными, если необходимо вносить весомые изменения в первоначальные проектные решения и чем позже эта потребность возникает. Отсюда следует особая значимость данной стадии проектирования для успешного создания АИС, а также ответственность Разработчиков и Заказчика при выполнении работ и согласовании итогового документа.

На стадии разработки , интеграции и тестирования должна быть создана тестовая БД и тесты. Проводится разработка, прототипирование и тестирование баз данных и приложений в соответствии с проектом. Отлаживаются интерфейсы с существующими системами. Описывается конфигурация текущей версии ПО. На основе результатов тестирования проводится оптимизация БД и приложений. Приложения интегрируются в систему, проводится их тестирование в составе системы и испытания системы. Основными результатами стадии являются готовые приложения, проверенные в составе системы на комплексных тестах, текущее описание конфигурации ПО, скорректированная по результатам испытаний версия системы и эксплуатационная документация на систему.

В результате такого проектирования должна быть получена логическая структура системы (подсистемы, модуля и др.), схемы вводы, вывода, представления, преобразования данных и т.п.

В соответствии с уставными правилами и документацией проекта заключительный этап создания системы предполагает комплексное тестирование всех её компонентов, обучение пользователей, постоянное администрирование и др.

Стадия внедрения включает в себя действия по установке и внедрению баз данных и приложений. Основной результат стадии – готовая к эксплуатации и перенесенная на программно-аппаратную платформу Заказчика версия системы, документация сопровождения и акт приёмочных испытаний по результатам опытной эксплуатации.

На стадии эксплуатации осуществляется постоянный (лучше – автоматический) контроль работоспособности системы (мониторинг) с целью отслеживания состояния объектов, своевременного выявления ошибок и нештатных ситуаций, её развития.

Стадии сопровождения и развития включают процессы и операции, связанные с регистрацией, диагностикой и локализацией ошибок, внесением изменений и тестированием, проведением доработок, тиражированием и распространением новых версий ПО в места его эксплуатации, переносом приложений на новую платформу и масштабированием системы. Стадия развития фактически является повторной итерацией стадии разработки.

Результатом концептуальной стадии проектирования АИС является итоговый документ – “Концептуальный проект”, “Аванпроект”, “Пилотный проект” или “Концепция и программа создания…”. В дальнейшем будут преимущественно использоваться термины “Концептуальный проект” и “Концепция” или “программа создания…”.

Концептуальное проектирование системы характеризуется сжатыми сроками. По этой причине выполнение работ, связанных с ним и предпроектным обследованием объекта могут осуществляться параллельно или перекрываться по времени их выполнения.

При проектировании, в т.ч. при решении проблем автоматизации процессов, обычно изначально принимается один из двух вариантов: создание системы решающей сиюминутные задачи или включающей и перспективные задачи (“на вырост”), учитывающие будущие потребности.

В первом случае можно выбрать недорогое решение и быстро его реализовать. Однако высока вероятность, что достаточно скоро такую систему потребуется в значительной степени модернизировать или заменить.

Во втором случае потребуется более серьёзная проработка требований и технических решений, влекущая за собой увеличение сроков выполнения и стоимости проекта. Но в этом случае возможно на гораздо больший период времени продлить эффективное функционирование созданной таким образом системы. Однако большие инвестиции сопряжены с бóльшими рисками. Поэтому рекомендуется разбивать предстоящие работы на небольшие этапы, реализация которых способна принести конкретный и ощутимый результат, обеспечивающий решение поставленной задачи. В этом случае при минимальных инвестициях можно обеспечить быструю отдачу и создать фундамент дальнейшего развития системы, способствующий, в том числе, изучению полученных результатов, корректировки дальнейших действий и т.п. Таким образом, разработка системы приобретает цикличный характер. И хотя подобный подход несколько более затратный, чем комплексное решение масштабной задачи, он позволяет уменьшить высокие риски, связанные с изменениями требований к разрабатываемой системе.

Не следует упускать из виду, что быстрое развитие науки, техники и технологий приводит к быстрому старению используемых методов и систем, что отрицательно влияет на эффективность их использования. При этом поэтапно вносить изменения в отдельные компоненты системы значительно проще, чем заменять её полностью. Кроме того, обычно требуется обеспечить быстрый возврат инвестиций, что достаточно сложно организовать при внедрении комплексных решений.

Можно выделить три основных вида проектирования объектов и систем по степени их сложности, объёму и ряду других показателей: крупные, средние и малые (мелкие) проекты.

При реализации крупных проектов обычно прибегают к помощи хорошо зарекомендовавших себя крупных компаний-интеграторов, в том числе консалтинговых и внедренческих организаций.

Для реализации средних проектов стараются обойтись своими силами и (или) используют готовые решения, которые стремятся адаптировать под конкретные требования организации-заказчика.

Малые проекты характеризуются использованием готовых решений и, в ряде случаев, адаптацией их под конкретные условия использования.

Проектирование ИС начинается с составления в текстовой и (или) графической форме плана работ. На первом этапе проектирования необходимо выяснить требования пользователей к системе и, на основании этих требований, сформировать макет системы. Предпочтительно осуществлять проектирование модульным методом. Проектирование информационных систем непосредственно связано с их программированием, поэтому значительная часть проектных работ связана с программированием ИС.

Модульное программирование – метод разработки программ, предполагающий разбиение программы на независимые модули. Считается, что модуль должен обладать оптимальными размерами (как правило, целиком помещаться на экране дисплея) и что разделение большой программы на модули облегчает её разработку, отладку и сопровождение.

Программный модуль, объединяющий в себе данные (свойства) и операции над ними (методы), называют объектом.

Объект – абстрактное множество предметов, все предметы которого имеют одни и те же характеристики.

На выбор средств проектирования могут существенно повлиять следующие особенности методов проектирования:

· ориентация на создание уникального или типового проекта;

· итерационный характер процесса проектирования;

· возможность декомпозиции проекта на составные части, разрабатываемые группами исполнителей ограниченной численности с последующей интеграцией составных частей;

· жёсткая дисциплина проектирования и разработки при их коллективном характере;

· необходимость отчуждения проекта от разработчиков и его последующего централизованного сопровождения.

ER-модели
Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. В 1976 году Чен (Chen) предложил для проектирования ИС (баз данных) использовать ER-модели (Entity Relationship model – модель «сущность-связь»), представляющие концептуальные модели данных. Они получили широкое распространение в современных CASE-системах, поддерживающих автоматизированное проектирование ИС и обычно используются на этапе информационно-логического моделирования.

ER-модель наглядно изображает структурные блоки информации и логические взаимосвязи между ними. Основными понятиями являются сущность, связь и атрибут (см. Таблицу).

Таблица понятий: сущность, связь и атрибут.

Тип связи указывается индексами «1» или «М» над соответствующей линией. Например, связь «Руководство» имеет тип «один ко многим»: один сотрудник может руководить многими проектами; связь «Участие» имеет тип «многие ко многим»: один сотрудник может участвовать во многих проектах, и в проекте могут участвовать много сотрудников. На рисунке приведен пример ER-диаграммы.

На основе ER-моделей последовательно формируют реляционные БД.

Важным параметром ИС является простота её использования, включающая обеспечение качества проектной документации. При проектировании следует ориентироваться на следующие документы:

ГОСТ 24.602-86 . Автоматизированные системы управления. Состав и содержание работ по стадиям создания. (Введён с 01.01.89.–М.: Изд-во стандартов, 1986.–12 с.).

ГОСТ 34.601-90 . Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания (Введён с 29.12.90, 24.601-86. 24.602-86. 1997 г.).

ГОСТ 34.602-89 . Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы. Введ. 01.01.90.

ГОСТ 34.603-92 . Информационная технология. Виды испытаний автоматизированных систем.

РД 50-640-87 . Системы автоматизированного проектирования. Порядок выполнения работ при создании систем: Инструкция.–М.: Изд-во стандартов, 1987.–28 с. и др.

Понятие концептуального проектирования относится к начальной стадии проектирования ИС и примерно соответствует стадиям 1 – 3 разработки АС по ГОСТ 34 или этапам от определения требований до проектирования в моделях жизненного цикла.

Определению требований к ИС предшествует определение целей, для которых эта система будет разрабатываться. Цели ИС определяют границы предметной области, объекты которой, их свойства и взаимосвязи существенны с точки зрения поставленных целей и которые будут представлены в ИС (это информация о предметной области – ПО-информация). Цели ИС также определяют, каких пользователей и какие именно информационные потребности система будет обслуживать (это информация о потребностях пользователей – ПП-информация). Две эти составляющие: ПО-информация (являющаяся объективным отражением предметной области) и ПП-информация (отражающая отчасти субъективные представления пользователей) одинаково необходимы и важны для построения концептуальной модели, что и показано на рис. 14 7 . Иногда превалирует второе слагаемое в концептуальной модели, основанной на учёте текущих и предвидимых приложений, т.к. это позволяет быстрее и легче создать систему. Однако такие системы оказываются плохо приспособленными для обработки неформализованных, изменяющихся и непредвиденных заранее задач и запросов. Адекватное отражение в системе ПО-информации придает ей необходимую гибкость и адаптивность к изменяющимся условиям.

Общая схема концептуального проектирования:

Схема на рис. 16 представляет два этапа проектирования: сбор и содержательный анализ информации о предметной области и прикладных задачах пользователей; концептуальный анализ данных и синтез концептуальной модели.

Первый этап - сбор данных о предметной области, которые могут быть получены в результате измерений или наблюдений, изучения отчётов и документов, опроса специалистов, и выявление перечня задач, которые должны решаться с помощью разрабатываемой системы. Получаемая при этом информация может быть отчасти субъективной. Для повышения её объективности используют методы экспертных оценок, проводят содержательный анализ для устранения дублирования информации, выявления противоречий и неоднозначности и так далее.

Модели ис и методики проектирования

Главная особенность разработки современных информационных систем состоит в концентрации сложности на начальных этапах анализа требований и проектирования спецификаций системы. Нечёткость и неполнота системных требований, нерешённые вопросы и ошибки, допущенные на этапах анализа и проектирования, порождают на последующих этапах трудные, часто неразрешимые проблемы и, в конечном счете, приводят к неуспеху всей работы в целом.

К проектированию ИС непосредственное отношение имеют два направления деятельности: 1) собственно проектирование ИС конкретных организаций на базе готовых программных и аппаратных компонентов с помощью специальных инструментальных средств разработки; 2) проектирование упомянутых компонентов ИС и инструментальных средств, ориентированных на многократное применение при разработке многих конкретных информационных систем. 8

Для обозначения первого направления используется термин "системная интеграция". В этом случае разработчик ИС должен быть специалистом в области системотехники, хорошо знать международные стандарты, состояние и тенденции развития информационных технологий и программных продуктов, владеть инструментальными средствами разработки приложений (CASE-cредствами) и быть готовым к восприятию и анализу автоматизируемых прикладных процессов в сотрудничестве со специалистами соответствующей предметной области.

Второе направление в большей мере относится к области разработки математического и программного обеспечения для реализации функций ИС - моделей, методов, алгоритмов, программ на базе знания методов анализа и синтеза проектных решений, технологий программирования, операционных систем и т.п.

Как на этапе обследования, так и на последующих этапах целесообразно придерживаться определённой дисциплины фиксации и представления получаемых результатов, основанной на той или иной методике формализации спецификаций. Формализация нужна для однозначного понимания исполнителями и заказчиком требований, ограничений и принимаемых решений.

При концептуальном проектировании применяют ряд спецификаций, среди которых центральное место занимают модели преобразования, хранения и передачи информации. Модели, полученные в процессе изучения предметной области, в том числе обследования организации, являются моделями её функционирования, В процессе разработки ИС модели, как правило, претерпевают существенные изменения и в окончательном виде они рассматриваются уже, как модели проектируемой ИС.

Различают функциональные, информационные, поведенческие и структурные модели 9 . Функциональная модель системы описывает совокупность выполняемых системой функций. Информационные модели отражают структуры данных – их состав и взаимосвязи. Поведенческие модели описывают информационные процессы (динамику функционирования), в них фигурируют такие категории, как состояние системы, событие, переход из одного состояния в другое, условия перехода, последовательность событий. Структурные модели характеризуют морфологию системы (её построение) – состав подсистем, их взаимосвязи.

Таким образом, функции (отвечающие на вопрос "Что сделать?") в совокупности с исходными данным ("Над чем произвести действия?"), ограничениями (время, финансовые и материальные средства, нормативные документы или бизнес-правила и т.п.), средствами реализации ("Чем сделать?") и результатом ("Что сделано?") описывают проектируемую ИС.

Существует ряд способов построения и представления моделей, различных для моделей разного типа. Основой является структурный анализ – метод исследования системы, который начинается с её общего обзора и затем происходит детализация, формирующая иерархическую структуру с всё большим числом уровней. Все наиболее распространенные методологии структурного подхода базируются на ряде общих принципов. Базовыми принципами являются:

принцип "разделяй и властвуй" - принцип решения сложных проблем путем их разбиения на множество меньших независимых задач, лёгких для понимания и решения;

принцип иерархического упорядочивания - принцип организации составных частей проблемы в иерархические древовидные структуры с добавлением новых деталей на каждом уровне.

Выделение двух базовых принципов не означает, что остальные принципы являются второстепенными, поскольку игнорирование любого из них может привести к непредсказуемым последствиям (в том числе и к провалу всего проекта). Основными из этих принципов являются следующие:

принцип абстрагирования - заключается в выделении существенных аспектов системы и отвлечения от несущественных;

принцип формализации - заключается в необходимости строгого методического подхода к решению проблемы;

принцип непротиворечивости - заключается в обоснованности и согласованности элементов;

принцип структурирования данных - заключается в том, что данные должны быть структурированы и иерархически организованы.

В настоящее время известно порядка 90 разновидностей структурного системного анализа, которые могут быть классифицированы по отношению к школам (для моделирования программных систем или систем вообще), по порядку построения модели (декларирующие первичность функционального или информационного моделирования), по типу целевых систем (информационные системы или системы реального времени) 10 . Несмотря на такое обилие методов, практически во всех из них используются три группы средств:

DFD (Data Flow Diagrams) - диаграммы потоков данных или SADT (Structured Analysis and Design Technique) диаграммы, иллюстрирующие функции, которые система должна выполнять;

ERD (Entity-Relationship Diagrams) - диаграммы "сущность-связь", моделирующие отношения между данными;

STD (State Transition Diagrams) - диаграммы переходов состояний, моделирующие зависящее от времени поведение системы (аспекты реального времени).

Кроме этих моделей на этапе структурного проектирования используются техники структурных карт, предназначенные для описания отношений между модулями (структурные карты Константайна) и внутренней структуры модулей (структурные карты Джексона).

Наиболее существенное различие между разновидностями структурного анализа заключается в методах и средствах функционального моделирования, поскольку для информационного и поведенческого моделирования в настоящее время практически нет альтернативы ERD и STD соответственно. Далее рассмотрим основные понятия, связанные с вышеназванными методиками проектирования.

7.2. Концептуальное проектирование с использованием методологии IDEF1X

Цель концептуального проектирования – создание концептуальной схемы данных на основе представлений о предметной области каждого отдельного типа пользователей. Концептуальная схема представляет собой описание основных сущностей (таблиц) и связей между ними без учета принятой модели БД и синтаксиса целевой СУБД. Часто на такой схеме отображаются только имена сущностей (таблиц) без указания их атрибутов. Представление пользователя включает в себя данные, необходимые конкретному пользователю для принятия решений или выполнения некоторого задания.

Ниже рассматривается последовательность шагов при концептуальном проектировании [ , ].

1. Выделение сущностей.

Первый шаг в построении концептуальной схемы данных состоит в определении основных объектов (сущностей), которые могут интересовать пользователя и, следовательно, должны храниться в БД. При наличии функциональной модели прообразами таких объектов являются входы, управления и выходы. Еще лучше для этих целей использовать . Прообразами объектов в этом случае будут накопители данных. Как было отмечено выше, накопитель данных является совокупностью таблиц (набором объектов) или непосредственно таблицей (объектом). Для более детального определения набора основных объектов необходимо также проанализировать потоки данных и весь методический материал, требуемый для решения задачи. Например, для задачи определения допускаемых скоростей основными объектами (наборами объектов) являются: нормативно-справочная информация, информация об участках дороги, задания на расчет, ведомости допускаемых скоростей и т.д. В ходе анализа и проектирования информационной модели наборы объектов должны быть детализированы. Например, составной объект «информация об участках дороги» с учетом специфики решаемой задачи требует разбиения на отдельные составляющие: участки, пути, раздельные пункты, километраж, план, верхнее строение пути и т.д.

Возможные трудности в определении объектов связаны с использованием постановщиками задачи:

Примеров и аналогий при описании объектов (например, вместо обобщающего понятия «работник» они могут упоминать его функции или занимаемую должность: «руководитель», «ответственный», «контролер», «заместитель»);

Синонимов (например, «допускаемая скорость» и «установленная скорость», «разработка» и «проект», «барьерное место» и «ограничение скорости»);

Омонимов (например, «программа» может обозначать компьютерную программу, план предстоящей работы или программу телепередач).

Далеко не всегда очевидно то, чем является определенный объект – сущностью, связью или атрибутом. Например, как следует классифицировать «семейный брак»? На практике это понятие можно вполне обоснованно отнести к любой из упомянутых категорий. Анализ является субъективным процессом, поэтому различные разработчики могут создавать разные, но вполне допустимые интерпретации одного и того же факта. Выбор варианта в значительной степени зависит от здравого смысла и опыта проектировщика.

Каждая сущность должна обладать некоторыми свойствами:

Должна иметь уникальное имя, и к одному и тому же имени должна всегда применяться одна и та же интерпретация;

Обладать одним или несколькими атрибутами, которые либо принадлежат сущности, либо наследуются через связь;

Обладать одним или несколькими атрибутами (первичным ключом), которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности, т. е. делают уникальной каждую строку таблицы;

Может обладать любым количеством связей с другими сущностями.

В графической нотации IDEF1X для отображения сущности используются обозначения, изображенные на следующем рисунке.

а) независимая		б) зависимая

Рис. 7.1. Сущности

Сущность в методологии IDEF1X является независимой (сильной, родительской, доминантной, владельцем) , если сущность не зависит от существования другой сущности (другими словами, каждый экземпляр сущности может быть однозначно идентифицирован без определения его связей с другими сущностями, или уникальность экземпляра определяется только собственными атрибутами). Сущность называется зависимой (слабой, дочерней, подчиненной) , если ее существование зависит от существования других сущностей. Терминология «родительская» – «дочерняя» и «владелец» – «подчиненный» также может использоваться в отношении двух зависимых сущностей, если экземпляры одной из них (дочерней, подчиненной) могут быть однозначно определены с использованием экземпляров другой (родительской, владельца), несмотря на то, что вторая сущность в свою очередь зависит от третьей сущности.

2. Определение атрибутов.

Как правило, атрибуты указываются только для сущностей. Если у связи имеются атрибуты, то это указывает на тот факт, что связь является сущностью. Самый простой способ определения атрибутов – после идентификации сущности или связи, задать себе вопрос «Какую информацию требуется хранить о …?». Существенно помочь в определении атрибутов могут различные бумажные и электронные формы и документы, используемые в организации при решении задачи. Это могут быть формы, содержащие как исходную информацию (например, «Ведомость возвышений наружного рельса в кривых»), так и результаты обработки данных (например, «Форма № 1»).

Выявленные атрибуты могут быть следующих видов:

Простой (атомарный, неделимый) – состоит из одного компонента с независимым существованием (например, «должность работника», «зарплата», «норма непогашенного ускорения», «радиус кривой» и т.д.);

Составной (псевдоатомарный) – состоит из нескольких компонентов (например, «ФИО», «адрес», и т. д.). Степень атомарности атрибутов, закладываемая в модель, определяется разработчиком. Если от системы не требуется выборки всех клиентов с фамилией Иванов или проживающих на улице Комсомольской, то составные атрибуты можно не разбивать на атомарные;

Однозначный – содержит только одно значение для одного экземпляра сущности (например, у кривой в плане может быть только одно значение радиуса, угла поворота, возвышения наружного рельса и т.д.);

Многозначный – содержит несколько значений (например, у одного отделения компании может быть несколько контактных телефонов);

Производный (вычисляемый) – значение атрибута может быть определено по значениям других атрибутов (например, «возраст» может быть определен по «дате рождения» и текущей дате, установленной на компьютере);

Ключевой – служит для уникальной идентификации экземпляра сущности (входит в состав первичного ключа), быстрого поиска экземпляров сущности или задания связи между экземплярами родительской и дочерней сущностей;

Неключевой (описательный);

Обязательный – при вводе нового экземпляра в сущность или редактировании обязательно указывается допустимое значение атрибута, т.е. после указанных действий оно не может быть неопределенным (NOT NULL). Атрибуты, входящие в первичный ключ сущности, являются обязательными.

После определения атрибутов задаются их домены (области допустимых значений) , например:

Наименование участка – набор из букв русского алфавита длиной не более 60 символов;

Поворот кривой – допустимые значения «Л» (влево) и «П» (вправо);

Радиус кривой – положительное число не более 4 цифр.

Задание доменов определяет набор допустимых значений для атрибута (нескольких атрибутов), а также тип, размер и формат атрибута (атрибутов).

На основании выделенного множества атрибутов для сущности определяется набор ключей. Ключ – один или несколько атрибутов сущности, служащих для однозначной идентификации ее экземпляров, их быстрого поиска или задания связи между экземплярами родительской и дочерней сущностей. Ключи, используемые для однозначной идентификации экземпляров, подразделяются на следующие типы:

- суперключ (superkey) – атрибут или множество атрибутов, которое единственным образом идентифицирует экземпляр сущности. Суперключ может содержать «лишние» атрибуты, которые необязательны для уникальной идентификации экземпляра. При правильном проектировании структуры БД суперключом в каждой сущности (таблице) будет являться полный набор ее атрибутов;

- потенциальный ключ (potential key) – суперключ, который не содержит подмножества, также являющегося суперключом данной сущности, т. е. суперключ, содержащий минимально необходимый набор атрибутов, единственным образом идентифицирующих экземпляр сущности. Сущность может иметь несколько потенциальных ключей. Если ключ состоит из нескольких атрибутов, то он называется составным ключом. Среди всего множества потенциальных ключей для однозначной идентификации экземпляров выбирают один, так называемый первичный ключ, используемый в дальнейшем для установления связей с другими сущностями;

- первичный ключ (primary key) – потенциальный ключ, который выбран для уникальной идентификации экземпляров внутри сущности;

- альтернативные ключи (alternative key) – потенциальные ключи, которые не выбраны в качестве первичного ключа.

Рассмотрим пример. Пусть имеется таблица, содержащая сведения о студенте, со следующими столбцами:

Фамилия;

Отчество;

Дата рождения;

Место рождения;

Номер группы;

Номер пенсионного страхового свидетельства (НПСС);

Номер паспорта;

Дата выдачи паспорта;

Организация, выдавшая паспорт.

Для каждого экземпляра (записи) в качестве суперключа может быть выбран весь набор атрибутов. Потенциальными ключами (уникальными идентификаторами) могут быть:

Номер пенсионного страхового свидетельства;

Номер паспорта.

В качестве уникального идентификатора можно было бы выбрать совокупность атрибутов «Фамилия»+«Имя»+«Отчество», если вероятность учебы в вузе двух полных тезок была бы равна нулю.

Если в сущности нет ни одной комбинации атрибутов, подходящей на роль потенциального ключа, то в сущность добавляют отдельный атрибут – суррогатный ключ (искусственный ключ, surrogate key) . Как правило, тип такого атрибута выбирают символьный или числовой. В некоторых СУБД имеются встроенные средства генерации и поддержания значений суррогатных ключей (например, MS Access). Также стоит отметить, что некоторые разработчики вместо поиска потенциальных ключей и выбора из них первичного в каждую сущность добавляют искусственный атрибут, который в дальнейшем и используют в качестве первичного ключа.

Если потенциальных ключей несколько, то для выбора первичного ключа рекомендуется придерживаться следующих правил:

Количество атрибутов, входящих в ключ, должно быть минимальным (желательно, чтобы ключ был атомарным, т.е. состоял из одного атрибута);

Размер ключа в байтах должен быть как можно короче;

Тип домена ключа – числовой. При выборе символьных атрибутов в ключ часто возникают проблемы с вводом ошибочных значений (путают регистр букв; добавляют лишние пробелы; используют буквы, пишущиеся на разных языках одинаково). В числовых атрибутах вероятность ошибки при вводе значения меньше;

Вероятность изменения значений ключа была наименьшей (например, «Номер пенсионного страхового свидетельства» более постоянный параметр, чем «ИНН» или «Номер паспорта»);

С ключом проще всего работать пользователям (например, «Номер пенсионного страхового свидетельства» – это набор из 11 цифр, а «Номер паспорта» зависит от его вида: гражданина СССР, гражданина РФ или зарубежный).

Если некий атрибут (набор атрибутов) присутствует в нескольких сущностях, то его наличие обычно отражает наличие связи между экземплярами этих сущностей. В каждой связи одна сущность выступает как родительская, а другая – в роли дочерней. Это означает, что один экземпляр родительской сущности может быть связан с несколькими экземплярами дочерней. Для поддержки этих связей обе сущности должны содержать наборы атрибутов, по которым они связаны. В родительской сущности это первичный ключ. В дочерней сущности для моделирования связи должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу родительской. Этот набор атрибутов в дочерней сущности принято называть внешним ключом (foreign key) .

В нотации IDEF1X атрибуты изображаются в виде списка имен внутри блока сущности. Атрибуты, определяющие первичный ключ, размещаются наверху списка и отделяются от других атрибутов горизонтальной чертой. Предварительная идентификация атрибутов на примере двух сущностей показана на следующем рисунке.

Рис. 7.2. Примеры сущностей

У независимой сущности «Участки» в качестве первичного ключа назначен суррогатный ключ, у зависимой сущности «План» – первичный ключ составной, состоящий из пяти атрибутов.

3. Определение связей.

Наиболее характерными типами связей между сущностями являются:

Связи типа «часть–целое», определяемые обычно глаголами «состоит из», «включает» и т.п.;

Классифицирующие связи (например, «тип – подтип», «множество – элемент», «общее – частное» и т. п.);

Производственные связи (например, «начальник–подчиненный»);

Функциональные связи, определяемые обычно глаголами «производит», «влияет», «зависит от», «вычисляется по» и т. п.

Среди них выделяются только те связи, которые необходимы для удовлетворения требований к разработке БД.

Связь характеризуется следующим набором параметров:

Именем – указывается в виде глагола и определяет семантику (смысловую подоплеку) связи;

Кратностью (кардинальность, мощность): один-к-одному (1:1), один-ко-многим (1:N) и многие-ко-многим (N:M, N = M или N <> M). Кратность показывает, какое количество экземпляров одной сущности определяется экземпляром другой. Например, на одном участке (описывается строкой таблицы «Участки») может быть один, два и более путей (каждый путь описывается отдельной строкой в таблице «Пути»). В данном случае связь 1:N. Другой пример: один путь проходит через несколько раздельных пунктов и через один раздельный пункт может проходить несколько путей – cвязь N:M;

Типом: идентифицирующая (атрибуты одной сущности, называемые внешним ключом, входят в состав дочерней и служат для идентификации ее экземпляров, т.е. входят в ее первичный ключ) и неидентифицирующая (внешний ключ имеется в дочерней сущности, но не входит в состав первичного ключа);

Обязательностью: обязательная (при вводе нового экземпляра в дочернюю сущность заполнение атрибутов внешнего ключа обязательно и введенные значения должны совпадать со значениями атрибутов первичного ключа какого-либо экземпляра родительской сущности) и необязательная (заполнение атрибутов внешнего ключа в экземпляре дочерней сущности необязательно или введенные значения не совпадают со значениями атрибутов первичного ключа ни одного экземпляра родительской сущности);

Степенью участия – количеством сущностей, участвующих в связи. В основном между сущностями существуют бинарные связи, т.е. ассоциации, связывающие две сущности (степень участия равна 2). Например, «Участок» состоит из «Путей». В то же время по степени участия возможны следующие типы связей:

o унарная (рекурсивная) – сущность может быть связана сама с собой. Например, в таблице «Работники» могут быть записи и по подчиненным, и по их начальникам. Тогда возможна связь «начальник» – «подчиненный», определенная на одной таблице;

o тернарная – связывает три сущности. Например, «Студент» на «Сессии» получил «Оценку по дисциплине»;

o кватернарная и т.д.

В методологии IDEF1X степень участия может быть только унарной или бинарной. Связи большей степени приводятся к бинарному виду.

Внешний вид связи на диаграммах IDEF1X указывает на ее мощность, тип и обязательность.

Таблица 7.1. Типы связей

Внешний вид	Тип и обязательность связи	Мощность связи справа
		1
	Обязательная, идентифицирующая	0 .. ∞
Z	Обязательная, идентифицирующая	0 или 1
P	Обязательная, идентифицирующая	1 .. ∞
<число>	Обязательная, идентифицирующая	<число>
	Обязательная, неидентифицирующая	0 .. ∞
	Необязательная, неидентифицирующая	0 .. ∞

Примечания.

1. Идентифицирующая связь отображается сплошной линией, неидентифицирующая – пунктирной.

2. Необязательность обозначается ромбиком.

На следующем рисунке приведены примеры отображения связей.

а) идентифицирующая

б) неидентифицирующая

в) рекурсивная

Рис.7.3. Примеры связей

На рис. 7.3б связь необязательная, так как некоторые сотрудники не обязательно должны входить в какой-либо отдел (например, директор предприятия), и неидентифицирующая, так как табельный номер уникален для каждого сотрудника.

4. Определение суперклассов и подклассов.

В тех случаях, когда две и более сущностей по набору атрибутов незначительно отличаются друг от друга, можно применять в модели конструкцию – иерархию наследования (категорий), включающую в себя суперклассы и подклассы.

Суперкласс – сущность, включающая в себя подклассы.

Иерархия наследования представляет собой особый тип объединения сущностей, которые разделяют общие характеристики. Например, в организации работают служащие, занятые полный рабочий день (постоянные служащие) и совместители. Из их общих свойств можно сформировать обобщенную сущность (родового предка) «Сотрудник» (рис. 7.4), чтобы представить информацию, общую для всех типов служащих. Специфическая для каждого типа информация может быть расположена в дополнительных сущностях (потомках) «Постоянный сотрудник» и «Совместитель» .

Рис. 7.4. Иерархия наследования (неполная категория)

Обычно иерархию наследования создают, когда несколько сущностей имеют общие по смыслу атрибуты, либо когда сущности имеют общие по смыслу связи (например, если бы «Постоянный сотрудник» и «Совместитель» имели бы сходную по смыслу связь «работает в» с сущностью «Организация»).

Для каждой категории требуется указать дискриминатор – атрибут родового предка, который показывает, как отличить одну сущность от другой. В приведенном примере дискриминатор – атрибут «Тип».

В полной категории одному экземпляру родового предка обязательно соответствует экземпляр в каком-либо потомке, т. е. в примере сотрудник обязательно является либо совместителем, либо консультантом, либо постоянным сотрудником.

При построении модели возможны различные комбинации полных и неполных категорий. Например, первый уровень категории неполный, отдельные сущности которого дополняются вторым уровнем – полной категорией.

7.3. Пример построения концептуальной схемы

На следующем рисунке показан фрагмент концептуальной схемы информационной модели для задачи определения допускаемых скоростей, построенная с использованием ERwin v9.2.

Рис. 7.6. Фрагмент концептуальной схемы информационной модели

В концептуальной схеме выделены следующие логические блоки данных:

Нормативно-справочная информация;

Информация об участках дороги;

Задание на расчет;

Ведомости допускаемых скоростей;

Проект Приказа «Н» (на рис. 7.6 не показан);

Формы № 1, 1а и 2 (на рис. 7.6 не показан).

Все сущности, входящие в блоки (кроме блока «Нормативно-справочная информация»), представлены во фрагменте только наименованиями. Сущности, входящие в блок «Нормативно-справочная информация», показаны развернуто, т.е. включая все атрибуты и первичные ключи. В этом блоке присутствуют две сущности («Нормативы для сопрягаемых кривых» и «Допускаемые скорости по уклону отвода возвышения в кривых»), которые не связаны ни с одной другой сущностью. Это не является ошибкой, так как существует мнение, что схема БД должна представлять собой связный граф (все сущности должны быть связаны между собой). Для большинства задач, где в БД накапливается различная оперативная информация, а затем на основе ее формируются различные отчеты и сводки, такое утверждение действительно имеет место. Но для инженерных, оптимизационных и некоторых других задач возможно наличие несвязанных таблиц. В рассматриваемом примере две несвязанные сущности участвуют в каждом расчете допускаемых скоростей, т. е. они влияют на результаты, отображаемые в ведомостях допускаемых скоростей. Но учитывая специфику задачи, изменение содержимого этих таблиц не должно приводить к изменению уже полученных результатов. Поэтому таблицы не связаны ни с заданиями на расчет, ни с результатами расчета.

Концептуальное проектирование

Концептуальное проектирование технических систем - начальная стадия проектирования , на которой принимаются определяющие последующий облик решения, и проводится исследование и согласование параметров созданных технических решений с возможной их организацией. Термин «концепция» применяется для описания принципа действия не только в технических системах, но и в научных , художественных и прочих видов деятельности. «Концепт» (лат.) - содержание понятия, смысл. Таким образом, проектирование на концептуальном уровне - на уровне смысла или содержания понятия систем.

Основной объем задач концептуального проектирования относится к ранним стадиям разработки технических систем (ТС): при постановке задачи на проектирование , выработке массива вариантов технических и оформительских решений и в эскизном проектировании, при создании технического задания.

Автоматизированные системы поддержки этапа концептуального проектирования

Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ с помощью автоматизированных систем поддержки этапа концептуального проектирования . Работы по этой тематике велись такими учеными как А. И. Половинкин , М. Ф. Зарипов , В. А. Камаев , Р. Коллер , А. М. Дворянкин, В. А. Глазунов , С. А. Фоменков , В. М. Цуриков и т. д..

Известны несколько подходов, которые легли в основу подобных автоматизированных систем [автоматизированная система]:

• Формализованное описание естественнонаучных и научно-технических эффектов на основе онтологии научно-технических характеристик.
• Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).
• Энерго-информационная модель цепей и метод структурных параметрических схем (ЭИМЦ).
• Система структурирования физических знаний и поискового конструирования.

Литература

• «Project on Creation of Knowledge Base on Physical and Technologocal Effects », Материалы международной конференции TC-1. Education in Measurements and Instrumentation - Challenges of New Technologies: Proceedings, Вроцлав - 2002, P. 171-176 ISBN 83-7085-647-0 . Зарипова В. М., Зарипов М. Ф., Петрова И. Ю.
• Применение объектных технологий для анализа и проектирования систем поиска новых технических решений (на примере систем Интеллект и Сапфит). Информационные технологии в образовании и медицине: Материалы международной конференции - 2004 г. - Волгоград: Издательство ВолгГТУ, 2004 г. Зарипова В. М., Камаев В. А.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Концептуальное проектирование" в других словарях:

концептуальное проектирование - 3.6.5. концептуальное проектирование: Стадия конструкторской ПП, выполняемая при помощи САЕ|САВ системы (САЕ Computer Aided Engineering, CAD Computer Aided Design), в ходе которой разрабатывается облик изделия (в форме геометрической 3D мoдeли)… …

Процесс создания схемы базы данных и определения необходимых ограничений целостности. Содержание 1 Основные задачи проектирования баз данных … Википедия

Андрей Георгиевич Теслинов [[Файл … Википедия

50.1.031-2001: Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Часть 1. Стадии жизненного цикла продукции - Терминология 50.1.031 2001: Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Часть 1. Стадии жизненного цикла продукции: 3.7.12. (всеобщее) управление качеством: Совокупность программных средств и данных … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Р 50.1.031-2001: Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Часть 1. Стадии жизненного цикла продукции - Терминология Р 50.1.031 2001: Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Терминологический словарь. Часть 1. Стадии жизненного цикла продукции: 3.7.12. (всеобщее) управление качеством: Совокупность программных средств и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Камаев. Камаев Валерий Анатольевич Дата рождения: 30 мая 1940(1940 05 30) (72 года) Место рождения: г. Омск Страна … Википедия

DEMO (DEMOnstration Power Plant) проект электростанции, использующей термоядерный синтез. Планируется постройка после успешного ввода в строй ИТЭР. Временные рамки проекта В 2004 году были предложены следующие временные рамки проекта:… … Википедия

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия

Спартак Петрович Никаноров Дата рождения: 30 августа 1923 Место рождения: Москва, СССР Спартак Петрович Ник … Википедия

S1000 малая неатомная подводная лодка. Совместная разработка Италии и России. Разработка проекта началась в 2004 году по техническому заданию и при финансировании Военно морских сил Италии. Первый этап работ был завершен в феврале 2005… … Википедия

Книги

• Концептуальное проектирование. Теория изобретательства , Глазунов В.Н.. В книге впервые изложены теоретические основы концептуального проектирования как самостоятельного вида проектной деятельности. Выявлены все виды задач концептуального проектирования и…