Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
12
Міністерство освіти і науки України
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”
Сергєєв Леонід Євгенович
УДК 658: 62.001.57
МЕТОДИ ТА МОДЕЛІ ІНТЕГРОВАНОЇ
КОМПОНЕНТНО-ОРІЄНТОВАНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
СТВОРЕННЯ ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ
АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ
05.13.06 –автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському національному університеті
ім. В.Н. Каразіна, Міністерство освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Жолткевич Григорій Миколайович,
Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна,
професор кафедри вищої математики та інформатики.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Конорев Борис Михайлович,
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний
інститут”, професор кафедри програмного забезпечення
автоматизованих систем;
кандидат технічних наук, доцент
Безкоровайний Володимир Валентинович,
Харківський національний університет радіоелектроніки,
професор кафедри системотехніки.
Провідна установа
Національний технічний університет “Харківський політехнічний
інститут”, кафедра системного аналізу і управління, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.
Захист відбудеться “_21_”_травня__2004р. о _1400_ годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”за
адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного
аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.
Автореферат розісланий “_9_”__квітня_____2004р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради ________________________ І.В. Чумаченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. За останні десять років програмне забезпечення (ПЗ) у всіх сферах використання автоматизованих систем управління (АСУ) почало грати домінуючу роль. Багаторазово зросли складність самих програмних систем, вимоги до їх надійності та продуктивності, що позначилося на вимогах до вартості і строків розробки ПЗ АСУ.
У зв'язку з цим актуальним стало зниження вартості створення й впровадження ПЗ АСУ, скорочення часу розробки нових та адаптації існуючих програмних рішень.
Існуючі зараз підходи до рішення вказаних проблем, носять не комплексний, обмежений характер. Пропоновані технічні стандарти і моделі для розробки ПЗ:
У цих умовах розробники ПЗ зустрічаються з такими технічними проблемами як:
Очевидно, що вказані проблеми мають суперечну природу і, в разі розробки ПЗ, рішення можливе тільки на основі комплексного підходу в рамках пропонованої інтегрованої моделі.
Тема дисертації має важливе наукове та прикладне значення, оскільки спрямована на рішення актуальної науково-прикладної задачі розробки методів і моделей, що інтегрують процеси створення програмних продуктів і ПЗ АСУ на базі прогресивної компонентно-орієнтованої інформаційної технології, що дозволить підвищити ефективність АСУ в нових економічних умовах.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота над дисертацією виконувалася автором на кафедрі вищої математики та інформатики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна в межах науково-дослідної теми “Модельні зображення операторів та дискретні групи” (№ ДР 0103U004225) та проекту TEMPUS TACIS № 23010 “Створення мережі “об’єднаних пунктів” з метою розповсюдження практики використання інформаційних технологій в управлінні діяльністю університетів” (лист Міністерства освіти і науки України від 24 липня 2003 року № 1/9-360) та планів розвитку компанії “Телесенс КСЦЛ Україна”, які пов’язані зі створенням програмного забезпечення інформаційних систем.
Особистий внесок автора в зазначених планах наукових досліджень та НДР, як співвиконавця, полягає в формуванні моделей архітектури ПЗ, методів перелічення груп для аналізу множин варіантів ПЗ, методів порівняння і аналізу технологічних платформ ПЗ.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є скорочення строків створення ПЗ АСУ на основі інтегрованої моделі розробки (ІМР), компонентно-орієнтованої інформаційної технології та удосконалення організаційних аспектів проектування ПЗ.
Для досягнення вказаної мети необхідно розв'язати наступні задачі:
Об'єктом дослідження є виробництво програмних продуктів та систем при створенні ПЗ АСУ.
Предметом дослідження є методи та моделі аналізу і синтезу ПЗ АСУ.
Методи дослідження. Проведені дослідження ґрунтуються на використанні методів: системного аналізу при формуванні багаторівневої архітектури ПЗ АСУ; методів розбивки множини для обґрунтування структурних рівнів із урахуванням повторно використовуваних компонент ПЗ; теорії перелічення для аналізу гнучкості й адаптивності компонентно-орієнтованої архітектури ПЗ; багатокрітеріальної оптимізації для цілеспрямованого вибору структури ПЗ АСУ; методів теорії прийняття рішень для порівняльного аналізу технологічних платформ.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
Усі перераховані результати досліджень з урахуванням досягнутого рівня новизни є теоретичною основою для вирішуваної науково-прикладної задачі.
Достовірність результатів дослідження зв'язана з використанням відомих математичних апаратів і методів, прогресивних інформаційних технологій, що системно інтегровані автором з урахуванням досвіду проектування для одержання якісно нових результатів при створенні ПЗ АСУ.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що побудована ІМР ПЗ може бути використана для підвищення ефективності виробничого процесу розробки ПЗ й удосконалювання управління проектами по створенню ПП. Використання інтегрованої моделі дозволяє поліпшити характеристики її складових, а саме високорівневої моделі виробництва ПП на рівні підприємства, процесу створення архітектури ПЗ АСУ в цілому, одержавши модель виробництва ПП більш ефективну, чим сукупність тих же складових без інтеграції.
Запропонований підхід можна використовувати як у задачах аналізу і синтезу окремих підсистем, так і при створенні ПЗ АСУ в цілому.
Науково-технічний ефект роботи полягає в інтеграції виробничого процесу розробки ПЗ АСУ на основі компонентно-орієнтованих ПП і подальшої автоматизації цього процесу.
Економічний ефект полягає в можливості диверсифікації виробництва ПП, скороченні часу розробки, зниженні витрат і підвищенні передбачуваності результатів.
Соціальний ефект зв'язаний з більш чіткою регламентацією діяльності учасників процесу виробництва ПЗ. Автоматизація процесу виробництва дозволяє уникнути або полегшити виконання рутинних операцій.
Результати дисертаційної роботи були впроваджені на підприємствах і в організаціях у формі моделей і методик, архітектурних рішень ПЗ АСУ, результатів аналізу:
Практична реалізація ІМР ПЗ була апробована у виробничих умовах і довела свою ефективність.
Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати, висновки та рекомендації дисертаційної роботи отримані автором самостійно.
У публікаціях, що написані у співавторстві, авторові належать: метод переліку варіантів структурних рішень архітектури ПЗ АСУ, що базується на теорії Пойа і де Брейна [2]; частотна характеристика функції програмного додатку, на базі якої побудований метод виділення рівнів програмного забезпечення [3]; формальна модель процесу компонентної розробки сімейств програмних продуктів [5]; метод багатокритеріальної оптимізації ПЗ АСУ, що базується на цілочисельному лінійному програмуванні [6].
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися й обговорювалися на науково –технічних конференціях: Information Systems Technology and its Applications (ISTA'2001), 13-16 червня 2001р., Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, м. Харків; IV Міжнародній конференції з математичного моделювання (МКММ'2001), 9-14 вересня 2001р., Херсонський державний технічний університет, м. Херсон; V Міжнародній конференції з математичного моделювання (МКММ’), 9-14 вересня 2002р., Херсонський державний технічний університет, м. Херсон та на наукових семінарах кафедри вищої математики та інформатики Харківського національного університету
ім. В.Н. Каразіна.
Публікації. Результати досліджень опубліковані в 9 друкованих працях, з них 3 - у науково-технічних журналах, 4 –у збірках наукових праць, 2 –у матеріалах конференцій.
Структура роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, 3 додатків, викладена на 170 сторінках, що містять 16 рисунків, з яких 4 рисунки на 3 окремих сторінках, 10 таблиць, з яких 9 таблиць на 9 окремих сторінках, список використаних літературних джерел з 128 найменувань на 12 сторінках, 3 додатки на 24 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вступ дисертаційної роботи містить: актуальність теми й наукової задачі; зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мету і задачі дослідження; об’єкт, предмет і методи дослідження; наукову новизну й практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача; інформацію про реалізацію, апробацію та публікації результатів.
У першому розділі проведений аналіз існуючих і перспективних інформаційних технологій створення ПЗ, тенденцій розвитку сфер застосування ПЗ при створенні АСУ. Виявлено вимоги до ПЗ технічного, економічного й організаційного характеру. Виявлено три основні складові для створення інтегрованої моделі розробки ПЗ АСУ: компонентно-орієнтована архітектура, високорівнева модель створення ПЗ на рівні підприємства, технологічний процес виробництва ПЗ (рис. 1). Проведений аналіз еволюції архітектур ПЗ АСУ дозволяє зробити обґрунтований висновок на користь компонентно-орієнтованого підходу до створення ПЗ, за допомогою якого можливе багаторазове (повторне) використання тих самих компонент, поліпшується якість ПЗ, забезпечується ефективна інтеграція складових, прискорюється процес розробки і мінімізуються витрати, зв'язані із супроводом ПЗ АСУ.
d0. 1.
Далі в розділі проведений короткий аналіз математичних підходів для опису багаторівневих архітектур ПЗ. Велика увага приділена системному підходу, за допомогою якого описується ієрархія ПЗ АСУ, теоретико-множинні представлення структури й елементів, з яких вона будується шляхом відображення множини компонент у вузли архітектури ПЗ. Для обґрунтування рівней архітектури ПЗ в роботі використовуються математичні методи розбивки множин, теорії перелічення для оцінки гнучкості ПЗ, побудованого на базі повторно використовуваних компонент.
Основні результати розділу опубліковано у працях [2, 4, 7, 8].
В другому розділі розглянуто системне представлення архітектури ПЗ АСУ, обгрунтовується багаторівнева компонентно-орієнтована структура ПЗ, наводиться множинний аналіз варіантів складу і структури архітектури ПЗ. Запропоновано основні системні принципи побудови каркаса компонентно-орієнтованої архітектури:
d0. 2.
У роботі проведене обґрунтування рівнів багаторівневої структури архітектури ПЗ з урахуванням прикладного призначення, інтеграції функцій і інваріантності функціональних блоків. Нехай задана множина F={f,…,fn}, елементи якої представляють функції розроблюваного сімейства програмних продуктів. Задано функцію Q: F F→N, де N - множина ненегативних цілих чисел.
Тоді значення функції
можна використовувати для обчислення кількості викликів fk для реалізації fl.
Здійснимо розбивку (π - розбивка) множини F з визначенням функцій:
.
З урахуванням умови D(π)<S(π), будемо вважати π-розбивку регулярною. Показано, що центри (атоми) регулярної розбивки можна ототожнювати зі структурними рівнями архітектури компонентно-орієнтованого ПЗ. Тому рівні структури ПЗ конкретного додатку визначаються відповідно до заданого розподілу математичного чекання кількості викликів функцій цього додатку.
Далі в розділі проведений множинний аналіз архітектури ПЗ АСУ з використанням основних положень теорії перелічення Пойа і де Брейна. Розглядається багаторівневий склад архітектури ПЗ. Нехай визначене число рівнів деталізації ПЗ і виконується умова r≤ r≤…≤ rQ, де ri - максимально припустима кількість елементів i-го рівня, . Відома множина BQ модулів ПЗ для Q-го рівня, причому , де - кількість елементів μ-го функціональго типу Q-го рівня, , .
Компоненти (Q-1)-го рівня ПЗ утворюються з елементів Q-го рівня шляхом відображення множини BQ у RQ-1, де RQ-1 - множина вузлів (місць) у компонентній архітектурі ПЗ для елементів (Q-1)-го рівня.
Множина складів (Q-1)-го рівня є множиною усіх відображень BQ у RQ-1. Множина складів архітектури ПЗ для всіх рівнів деталізації визначається шляхом ряду послідовних відображень множини елементів i-го рівня у множину елементів (i-1)-го рівня. У випадку декомпозиції структури ПЗ враховуються конфігурації (топології) інформаційних зв'язків між окремими елементами (компонентами) ПЗ. Загальний граф структури ПЗ є об'єднанням підграфів: , де - j-й підграф i-го рівня.
Відобразимо множину вершин графа GQ у множину елементів BQ. У результаті одержимо множину позначених підграфів . Здійснюючи процес послідовних відображень з i-го на (i-1)-й рівень, одержимо усі варіанти структури ПЗ АСУ. У роботі отримані аналітичні вирази для підрахунку варіантів складу і структури ПЗ АСУ для різних випадків. Наприклад, для підрахунку варіантів складу ПЗ з урахуванням найменувань функціональних блоків і їхніх модифікацій на вхідній множині Bm модулів m - го найменування діє сума симетричних груп
.
Тоді число варіантів Кm складу ПЗ по m-му найменуванню з урахуванням модифікацій:
,
де , rm - задана кількість модулів m-го найменування, Si - симетрична група i-го порядку, - кількість модулів μ-го типу m-го найменування, Z –цикловий індекс групи Н, {C,C,. . . } –тип елемента h H, V –кількість найменувань модулів.
Загальна кількість варіантів складу ПЗ АСУ : .
Отримані в роботі формули підрахунку варіантів використовуються для кількісних оцінок гнучкості й адаптивності багаторівневої архітектури ПЗ АСУ, побудованої на повторно використовуваних компонентах.
Основні результати розділу опубліковано у працях [1 - 4, 9].
У третьому розділі запропонований багатокритеріальний підхід для вибору раціональних варіантів архітектури ПЗ АСУ, орієнтований на багаторівневе представлення ПЗ. Проводиться порівняльний аналіз моделей розробки компонентно-орієнтованого ПЗ.
Багатоваріантність архітектурних рішень ПЗ АСУ вимагає пошуку раціональних варіантів. Ускладнення виникають у випадку великої кількості альтернативних варіантів. Будемо оцінювати якість ПЗ за допомогою набору критеріїв: надійність, продуктивність, вартість створення і т.д. При синтезі архітектури ПЗ необхідно вибрати і розставити модулі ПЗ, раціонально розподілити багаторівневі функціональні компоненти таким чином, щоб одержати раціональний склад ПЗ заданого додатку спочатку за окремими критеріями якості, а потім по всьому наборі критеріїв. Введемо булеві змінні:
1, e5 - ef (), S – (), jQ -e3 jQ-1 -ec , jQ-2 –e3 ea, . . ., j1 -e9 ();
0, .
Як приклад розглянемо постановку задачі вибору раціонального складу компонент ПЗ АСУ з урахуванням вимог надійності:
або в компактній формі
(1)
де N - загальна кількість програмних модулів, необхідних у конкретному додатку ПЗ АСУ; - частота появи η-го ПМ, - час рішення е - ї модифікації η - го ПМ в S-й Qк на Q-му рівні, що поміщений на місці jQ1 ФК, …, який входить у j1 - й ПК; - інтенсивність відмовлень ПМ Q - го рівня, що поміщений на місце j - го ФК, …, який входить у j1 - й ПК при реалізації е - ї модифікації η-го ПМ; λi - інтенсивність відмовлень елементів зв'язку i - го рівня деталізації; ti - математичне чекання часу роботи ПМ i-го рівня деталізації ПЗ АСУ, ; кількість елементів i - го рівня.
Необхідно вирішити наступну задачу цілочисельного лінійного програмування: знайти мінімум лінійної форми (1) при обмеженнях на значення інших критеріїв
(2)
(3)
по усім ; (4)
(5)
(6)
де C(K’) – критерії якості, що залежать тільки від характеристик програмних засобів ПЗ АСУ; C(K’’) - критерії якості, що залежать від характеристик програмних і технічних засобів АСУ, на яких вони реалізуються; Ci(K) – оцінка зв'язків i-го рівня деталізації по K - му критерії якості; - обмеження на значення K-го критерію, .
На першому етапі проводиться оптимізація найбільш істотних критеріїв
,
при обмеженнях (2) – (6).
На другому етапі виконується мінімізація функції максимуму
,
де - нормувальне перетворення K-го критерію з урахуванням .
Необхідно знайти , для чого в роботі використовуються чебишевські наближення для системи лінійних нерівностей.
Далі в розділі запропонований метод аналізу альтернативних моделей розробки компонентних додатків ПЗ АСУ, заснований на “нечіткому” висновку. Для прийняття рішення використовуються представлення умовної імовірності виводу факту рішення щодо вибору моделей створення ПЗ АСУ.
Якщо оцінка моделі з номером більше оцінки моделі з номером за критерієм з номером , то покладемо .
Якщо ж оцінки моделей з номерами і за критерієм з номером збігаються, то підрахуємо загальне число моделей, для яких оцінка за критерієм з номером приймає це загальне значення, наприклад, . Покладемо в цьому випадку . Даємо також правила прийняття рішень:
де = “обрана i-та модель”.
Використовуючи отримані експертні оцінки за основними показниками (зрілість, визнання, підтримка компонентної розробки і т.д.), зв'язаними з ефективністю сучасних технологічних платформ, з максимальною впевненістю була обрана модель Rational Unified Process (RUP).
Основні результати розділу опубліковано у працях [4, 6, 7].
У четвертому розділі вирішуються питання практичної реалізації інтегрованої моделі розробки компонентно-орієнтованої архітектури ПЗ АСУ. Запропоновано організаційну і формальну моделі виробництва сімейства ПП, сформована ітеративна схема розробки стандартних компонент на базі RUР-процесу, створена експериментальна модель ІМР ПЗ в області білінга для телекомунікацій.
Розроблена модель виробництва компонентно-орієнтованого сімейства ПП включає організаційну структуру, що займається:
Здійснено адаптацію RUP-процесу до особливостей компонентної архітектури ПЗ АСУ у
d0. 3. RUP-
виді ітераційного процесу (рис. 3). Кожен проект з розробки нових версій
технологічного каркасу архітектури, функціональних модулів і компонент повторного використання, а потім продуктів для кінцевого користувача, представляється у виді атомарного проекту, заснованого на RUP. Це дозволяє ефективно використовувати загальні структури, методи і засоби підтримки розробки.
Створена формальна модель для трьох найбільш важливих етапів розробки ПП: збір вимог, аналіз і проектування з урахуванням RUP-процесу.
d0. 4.