Концептуальное моделирование аспу
Концептуальная модель является результатом анализа производственной системы (предметной области) и представляет собой ее описание, выполненное с использованием естественного языка, математических выражений, таблиц, графов и других средств [16].
С позиций процессного подхода ключевая идея концептуального моделирования заключается в использовании так называемой референтной модели (Reference model) разработчика, которая представляет собой эталонную модель эффективного бизнес-процесса, созданную для предприятия конкретной отрасли, внедренную на практике и предназначенную для использования при разработке или реорганизации бизнес-процессов на других предприятиях [24].
Таким образом, референтная модель служит точкой отсчета, с которой начинаются работы по разработке целевой бизнес-модели производственной системы «как должно быть» на следующих уровнях моделирования [47].
Реальный толчок применению референтных моделей дало внедрение в современные технологии проектирования АИС методологии реинжиниринга бизнес-процессов, которая базируется на принципе изоморфизма (подобия) ИТ-архитектур производственных систем, принадлежащих к одной отрасли [16].
При этом следует иметь в виду, что в условиях ограниченности выбора референтных моделей для отраслей и производств, отличающихся низким уровнем стандартизации, проблему создания концептуальной модели системы разработчикам приходится решать с учетом специфики каждого конкретного случая.
В современной практике процессного способа проектирования АИС на стадии концептуального моделирования используется структурный подход [6].
В основу структурного подхода положен принцип функциональной декомпозиции, согласно которому структура системы описывается в терминах иерархии ее функций и передачи информации между отдельными функциональными элементами. При этом исследуемая система сохраняет целостное представление, в котором все составляющие компоненты взаимосвязаны. Такая модель характеризуется как содержательное описание системы.
Для создания содержательного описания системы используются технологии структурного анализа и проектирования в виде стандарта IDEF0 (Integration Definition for Function Modeling) и дополняющих его технологий: технологии анализа процедур обработки информации IDEF3 (Workflow diagramming) и специальной технологии построения диаграмм потоков данных DFD (Data Flow Diagrams) [72].
Элементами диаграмм (графических моделей) технологий структурного анализа являются обозначения процессов и данных, а взаимосвязи между ними характеризуют причинно-следственные отношения [34].
Вышеперечисленные методологии представляются более предпочтительными для описания сложных производственных систем по сравнению, например, с графо-событийным моделированием, методом EPC 10 или сетями Петри, благодаря большей наглядности и опоре на международные стандарты [1,8,29]. Кроме всего прочего технологии IDEF0 и DFD поддерживаются таким известным CASE–средством, как BPWin, что позволяет автоматизировать процесс структурного анализа практически любой предметной области [67].
Отметим, что в методологии бизнес-моделирования содержательное описание, отражающее функционирование предприятия «как должно быть», представляется в двух видах: в соответствии со стандартами ERP (отражение в DFD -диаграмме) и ISO 9001:2000 (отражение в IDEF0-диаграмме). Важной особенностью методологии IDEF0, обеспечивающей эффективность ее применения для составления содержательного описания систем, является постепенное введение все больших уровней детализации по мере составления диаграмм [74].
Вместе с тем, по мнению некоторых экспертов IDEF0-диаграммы значительно менее выразительны и удобны для моделирования систем обработки информации, чем, например, диаграммы потоков данных [20].
Поскольку особенностью метода DFD является моделирование системы как иерархии потоков данных с помощью ориентированных графов, описывающих процесс преобразования информации с момента ее ввода в систему до выдачи потребителю, он представляется более предпочтительным и достаточно эффективным средством для исследования информационных потоков в логистических цепях.
Поэтому на этапе создания содержательного описания АСПУ целесообразно построить контекстную диаграмму потоков данных, которая в нотации Гейна – Сарсона для типового МПП будет иметь вид, представленный на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Контекстная диаграмма потоков данных производственного учета для типового МПП
Здесь:
Склад сырья, Склад готовой продукции – внешние сущности;
Расход сырья (RS), Приход готовой продукции (GP) – соответственно входной и выходной информационные потоки.
Для сложных систем, состоящих из набора подсистем, создаются иерархии контекстных диаграмм, обеспечивающих детализацию контекста и структуры указанных подсистем (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Декомпозиция процесса «Учет ТМЦ в МПП»
Следует напомнить, что все представленные выше методологии не лишены недостатка, свойственного структурному подходу, который заключается в раздельном сосуществовании функциональной декомпозиции и структуры данных исследуемой системы [6].
Указанный фактор негативно влияет на эффективность и производительность процесса моделирования данных и процесса бизнес-моделирования систем в целом: концептуальная модель данных сложных распределенных АИС создается, как правило, интуитивно, на основании накопленного проектировщиком опыта или с помощью устаревших методологий, базирующихся на принципах семантического моделирования [69].
Альтернативой структурного подхода является объектно-ориентированный подход к концептуальному моделированию, основанный на понятиях объекта и объектной декомпозиции 11.
В настоящее время в качестве основного средства моделирования систем на основе объектно-ориентированного подхода используется унифицированный язык визуального моделирования UML (Unified Modeling Language). Этот язык был создан путем объединения изобразительных средств трех наиболее распространенных методов моделирования: метода Г. Буча, метода ОМТ (Object Modeling Technique) Д. Рамбо и метода прецедентов И. Якобсона [5].
Совершенно очевидно, что задача создания качественной формализованной модели системы проще решается в рамках объектно-ориентированного подхода, который поддерживает обработку проблемно-ориентированных данных: объектно-ориентированный формализм, а также преимущества средств объектно-ориентированного проектирования и программирования позволяют не только успешно моделировать организационные структуры в виде системы объектов, но и строить динамически развивающиеся структуры [19].
Кроме всего прочего, объектная модель UML является основой для проектирования реляционной базы данных. При этом использование CASE-средств позволяет организовать концептуальное моделирование базы данных как ключевой стадии всего процесса проектирования АИС, что должно способствовать правильной структуризации процесса, повышению эффективности, производительности и качества проекта в целом [26].
Вместе с тем главными недостатками объектно-ориентированного подхода к содержательному описанию бизнес-процессов в сравнении со структурным подходом по-прежнему считаются большие финансовые затраты, а также меньшая наглядность и иерархическая упорядоченность UML-диаграмм [6].
Именно поэтому в современной методологии бизнес-моделирования АИС объектно-ориентированной подход используется, как правило, на стадии логического моделирования.
Кроме того, для концептуального представления АСПУ с элементами моделирования, интегрируемых с КИС, одного только содержательного описания недостаточно. Необходимо также использовать логико-математические или другие хорошо формализованные модели [74].
В последнее время совместно со структурным подходом на стадии концептуального моделирования АИС многие зарубежные и российские ученые и специалисты (Т. Р. Грубер, Т.А. Гаврилова, К.И. Шахгельдян и др.) успешно применяют методологии, основанные на онтологическом подходе 12 [10,73].
Результаты онтологического моделирования используются как для реализации и управления бизнес-процессами, так и для автоматических процедур, обеспечивающих решение задач эксплуатации и сопровождения сложной АИС.
Очевидным достоинством онтологической модели является возможность проецирования ее классов на реляционную модель данных АИС, причем отношения проекции 13 с реляционными источниками могут описываться на основании уже существующих таблиц и представлений, поэтому все возможные ограничения на поля таблиц могут быть транслированы в описания понятий и отношений в АИС. Это упрощает интеграцию новых функциональных модулей АИС.
Однако применение онтологических описаний в качестве основы для концептуального моделирования целесообразно для сильно стандартизированных предметных областей (например, для сферы образования).
Кроме того, ориентация онтологического подхода только на свойства онтологических классов, а не на их методы, снижает эффективность использования концептуальной модели на этапе логического моделирования АИС.
Как показывает практика, для моделирования АПСУ более эффективным представляется использование методологий, основанных на взаимосвязи структурного и объектно-ориентированного подходов [6].
Одной из таких методологий является методология объектно-структурного моделирования, позволяющая создавать достаточно простыми и понятными средствами качественные модели сложных производственных систем.
Большой вклад в развитие объектно-структурного моделирования многопередельных производственных систем внесли российские ученые Л.А. Кузнецов, А.К. Погодаев, С.Л. Блюмин [24,54].
Объектно-структурная модель производственной системы представляет собой иерархическую структуру в виде ориентированного графа, узлы и дуги которого обозначают объекты, являющиеся потомками одного из указанных классов элементов сложных производственных систем или их комбинаций:
класса агрегатов, в которых согласно технологии имеет место целенаправленное изменение состояния продукции, внутреннего строения, формы и т.п.;
класса складов, в которых не происходит изменения состояния ТМЦ, а изменяется лишь их положение в пространстве (например, склады сырья, полуфабрикатов и готовой продукции и т.п);
класса переделов, представляющих собой модель взаимодействия объектов «склад» (S[i]) и «агрегат» (A[i]) (рис 2.4).
Рис. 2.4. Структурная модель взаимодействия переделов
Объектно-структурные модели могут содержать «фиктивные» склады и агрегаты, если на каком- либо из этапов МПП отсутствуют реальные объекты складирования или обработки.
Данная модель математически достаточно просто определяется при помощи матрицы инцидентности [51].
Как будет показано ниже, метод объектно-структурного моделирования может быть с успехом использован для концептуального представления АСПУ.