Информационная модель в проектировании информационных систем. Учебное пособие

МОСКОВСКИЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра прикладной информатики

Г. В. Лукьянов

Информационная модель в проектировании информационных систем

Учебное пособие

Издательство Московского гуманитарного университета 2016

3

Введение

Проектирование современных информационных систем (далее — ИС) представляет собой исключительно сложный процесс, особенно в тех случаях, когда автоматизации в результате внедрения ИС подлежит сложная, многогранная и масштабная деятельность. Проведенные исследования [1] убедительно показали, что к таким сложным видам деятельности относятся системы регионального управления, мониторинга и оценки социально-экономического развития Российской Федерации. В этот процесс вовлечена большая часть российских министерств и ведомств, руководящий состав всех субъектов Федерации, а также ряд ведущих компаний и корпораций машиностроения, энергетического сектора и горнодобывающей отрасли. Учету, оценке и обобщению в таких ИС подлежат сотни разнородных показателей, вычисление и нормализация которых осуществляются на основе десятков часто несовместимых методик. В связи с этим к качеству проектирования предъявляются повышенные требования, так как последующая переделка недостаточно тщательно проработанного проекта ИС связана не только со значительными затратами финансовых, материальных и людских ресурсов, но и с потерей драгоценного времени, так необходимого в системе государственного управления.

При создании ИС подобного уровня по известным причинам трудно применить циклические методы проектирования, поэтому приходится исходить исключительно из «каскадного» метода разработки и создания ИС. Качество проекта и сдаваемой в промышленную эксплуатацию ИС зависит от многих обстоятельств, однако немаловажным фактором становится информационное моделирование, на котором базируется разработка алгоритмов решения стоящих перед ИС задач и последующая программная реализация всей информационной системы.

Здесь же следует отметить, что важнейшее предназначение моделей состоит также и в идентификации объектов, что входит в научно-прак- тическую область распознавания образов. Эта сфера имеет некоторые общие черты с моделированием в интересах проектирования, но вместе с тем обладает очень серьезными отличиями, рассмотрение которых выходит за рамки данной статьи.

Настоящее издание посвящено обоснованию роли и значения моделей при создании сложных информационных систем высокого уровня. Особое внимание уделяется экономической составляющей моделирования как обоснованному балансу между расходами на моделирование и степенью отражения в полученной модели свойств и характеристик моделируемой предметной области. С другой стороны, модель, являясь неотъемлемой компонентой ИС, позволяет организовать систематиче-

4

ское и согласованное изучение соответствующей предметной области и разрабатывать эффективные методы управления составляющими ее объектами и процессами.

Роль информационной модели в проектировании ИС

С точки зрения проектирования ИС решение любой производственной или научной задачи в общем виде описывается технологической цепочкой, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Цикл проектирования

На этом рисунке вместо ИС изображена «Программа», так как с точки зрения логики решения прикладной задачи решающая роль в ИС принадлежит именно программному обеспечению. Вместе с тем необходимо помнить, что ИС как организационно-техническая система служит той материальной основой, на которой зиждется и функционирует программное обеспечение.

Кроме того, в этой цепочке очень важную роль играет звено «Информационная модель» как необходимый и обязательный компонент ИС. Под информационной моделью при этом понимается виртуальный образ предметной области, ее объектов или процессов. Этот образ должен отражать существенные свойства предметной области с точки зрения целей и задач проектирования.

Из рис. 1 наглядно следует несколько значимых выводов. Вопервых, качество информационной модели определяет и качество созданного на ее основе программного обеспечения, а значит, и степень достижения целей проектирования ИС (основная цель — эффективное и экономически обоснованное решение стоящих перед ИС задач). Во-вторых, в ряде случаев после завершения разработки ИС зачастую возникает необходимость коррекции ее модели и программного

5

обеспечения. Наконец, в-третьих, полученный результат в некоторых случаях позволяет принять решение о корректировке представлений о производственных процессах и объектах предметной области, т. е. об изменении самих задач, решаемых ИС.

Общие подходы к моделированию

Моделям и моделированию посвящено множество научных работ

иучебных материалов, и, казалось бы, эта проблема освещена достаточно хорошо. Однако при подробном рассмотрении выясняется, что авторы соответствующих публикаций зачастую искаженно и даже ошибочно понимают суть и предназначение моделей. Чаще всего модель рассматривают как уменьшенную копию моделируемого объекта [2]. Вместе с тем можно привести целый ряд примеров, когда это не так. В частности, модель ДНК в миллионы раз больше оригинального объекта. То же самое можно сказать и о блочной модели микропроцессора. В некоторых случаях модель выполняют в масштабе один к одному к оригиналу. Так, при проектировании военно-транспортного самолета «Ан-12» конструкторы создали его полноразмерную модель, правда, из дерева. Это позволило в деталях изучить варианты погрузки

ивыгрузки боевой техники и личного состава, а также особенности десантирования из самолета. Наконец, в ряде случаев о размерах модели нет смысла говорить вообще. Это характерно при моделировании объектов и процессов абстрактного, а не материального мира, например, управленческой деятельности.

Многие авторы утверждают, что модель выполняют из иного материала, чем оригинал, что также неверно. В частности, для получения основных аэродинамических характеристик самолета его уменьшенную модель также изготовляют из дюралюминия. Но даже в случае применения для модели другого материала, как это имело место в описанном выше случае с самолетом «Ан-12», авторы научных работ не раскрывают причину такого выбора. А ведь речь в данном случае идет прежде всего об экономически обоснованном решении, т. е. о выборе более дешевого материала, обработка которого к тому же требует значительно меньших трудозатрат.

Интересно отметить, что при построении модели взаимодействия бронебойного снаряда и брони с учетом экономических показателей производства оружия ученые пришли к пониманию целесообразности замены материала сердечника бронебойного снаряда с вольфрама на уран. Действительно, природный уран — не дешевый материал, однако обедненный по изотопу 235U представляет собой лишь отходы атомной энергетики. Кроме того, запасов урана в природе на несколько порядков больше, чем вольфрама, т. е. их с лихвой хватит на отдален-

6

ную перспективу. Наконец, хотя плотность урана ниже, чем у вольфрама, однако он обладает высокой пирофорностью1 и хорошей абляцией2, которые с лихвой компенсируют недостаток по плотности.

Разумеется, все авторы единодушно подчеркивают, что модель — это некоторое упрощенное подобие реального объекта, и при этом оставляют читателям самим догадываться о цели подобного упрощения. Здравый смысл подсказывает, что любое упрощение чревато искаженным представлением об объекте, что обычно и случается. Например, упрощенное моделирование при создании знаменитого пикирующего бомбардировщика «Пе-2» привело к тому, что самолет оказался недостаточно устойчивым по тангажу и рысканью. Поэтому на нем очень непросто было бомбить даже с горизонтального полета, не говоря уже о крутом пикировании. И только к 1944 г. эту проблему устранили после того, как в ходе многочисленных экспериментов удалось найти оптимальную конфигурацию консолей крыла3.

Итогда возникает вопрос: а зачем же преднамеренно соглашаться

супрощениями? И дело здесь не в сложности объекта, на что обычно и делается ссылка в научных статьях, а в стоимости моделирования всех характеристик объекта в комплексе. Однако шаблонные решения уместны не всегда, и история знает впечатляющие и поучительные примеры, когда конструкторы и разработчики избегают упрощений, что, например, случилось при проектировании советского стратегического бомбардировщика «Ту-4». Создание этой боевой машины осуществлялось методом «обратной разработки», т. е. копирования по образцу американского бомбардировщика «B-29».

У команды Андрея Туполева, которому Сталин поручил эту работу, имелось в распоряжении три полнофункциональных самолета «B-29», один из которых был разобран до самого последнего винтика. Второй сохранили как оригинал, а третий самолет разработчики использовали в качестве летающей лаборатории4. Тогда при наличии полнофункционального самолета «B-29» в качестве модели никому и в голову не пришло создавать какую-то его упрощенную модель.

1Пирофорность — это способность материала (в данном случае урана) воспламеняться в заброневом пространстве, что существенно повышает вероятность поражения экипажа и оборудования бронированного объекта.

2Абляция — способность бронебойного сердечника к самозатачиванию по мере его проникновения в толщу броневого листа.

3Самолет начал поступать в войска в 1941 г. и принял активное участие в боевых действиях с началом Великой Отечественной войны. Фактически потребовалось два

слишним года, чтобы устранить наиболее серьезные недостатки проектирования по «сокращенной» программе.

4Еще один, четвертый «B-29» разбился при посадке под Хабаровском, но с него сняли некоторые неповрежденные узлы, агрегаты и детали.

7

С учетом приведенных замечаний и комментариев обобщить пред-

ставления о моделях можно следующим образом:

Модель — это имитация объектов и процессов предметной области, в необходимой степени отражающая ее важнейшие свойства и зависимости в контексте целей и задач моделирования, создаваемая с экономически обоснованными затратами материальных, финансовых, людских и временных ресурсов.

Для дальнейшего пояснения приведенной формулировки целесообразно вернуться к упомянутой выше проблеме упрощения. Действительно, для изучения отдельных характеристик сложного объекта, исходя из принципа экономической целесообразности, прибегают к моделированию именно и только тех характеристик, которые подлежат исследованию, имея в виду возможные неточности и даже искажения.

Так, для изучения основных аэродинамических характеристик самолета вовсе не обязательно моделировать его силовую установку, систему управления вооружением или катапультное кресло — вполне подойдет уменьшенная твердотельная копия самолета без каких-ли- бо излишеств. Однако в случае крыла изменяемой геометрии все же придется в этой модели предусмотреть «снятие» аэродинамических характеристик хотя бы в нескольких фиксированных положениях крыла: обязательно в крайних и в двух-трех промежуточных. То есть и здесь не обязательно моделировать всю систему управления крылом, так как она, во-первых, при исследовании аэродинамических характеристик не требуется, а во-вторых, аэродинамические характеристики для произвольного положения крыла можно довольно точно рассчитать методом интерполяции по полученным экспериментальным точкам.

Дальнейшее углубление в понимании существа упрощений демонстрирует изучение взлетно-посадочных характеристик самолета как важнейшей составляющей его аэродинамических характеристик, что особенно важно для палубной авиации. Эти характеристики можно получить лишь моделированием механизации крыла: закрылков, предкрылков, элеронов, интерцепторов, а также тормозных щитков. Не вызывают сомнений сложность и дороговизна такого моделирования, поэтому в данном случае с точки зрения экономической целесообразности предпочтительно согласиться с упрощением модели и ограничиться теоретическими расчетами и опытом предыдущего моделирования.

Информационная модель

Как следует из приведенных выше пояснений, модель — это довольно широкое понятие, включающее в себя множество способов представления изучаемой предметной области. Границы между мо-

8

делями различных типов или классов чаще всего условны. Наиболее распространены следующие признаки, по которым классифицируются модели [3]:

■■цель применения;

■■область знаний (предметная область);

■■фактор времени;

■■способ представления.

По целям использования выделяются модели учебные, опытные, имитационные, игровые, научно-технические. По области знаний модели могут быть биологические, экономические, исторические, социологические. По фактору времени разделяют модели динамические и статические. Статическая модель описывает предметную область (объект, процесс) в фиксированный момент времени, т. е. дает «статический срез» предметной области. Динамическая модель отражает процесс изменения или функционирования объекта или развития процесса во времени.

Любая модель имеет конкретный вид, форму или способ представления, она всегда из чего-то и как-то сделана или каким-то образом представлена и описана. По способу представления модели делятся на следующие два больших класса:

■■материальные (натурные);

■■идеальные (абстрактные).

Материальные модели — это материальные образы объектов моделирования, которые воспроизводят внешние свойства, внутреннее строение либо действия объекта-оригинала. Материальное моделирование предназначено для экспериментального (опытного) метода познания. Например, уменьшенная в несколько раз и поэтому относительно дешевая натурная модель самолета позволяет проводить ее продувку в аэродинамической трубе и исследовать аэродинамические характеристики будущего летательного аппарата с минимальными финансовыми затратами.

Идеальные же модели неразрывно связаны с человеческим мышлением, с его воображением, с восприятием человеком окружающего мира. Абстрактное моделирование ориентировано на теоретический метод познания. Абстрактные модели делятся на воображаемые и информационные.

Воображаемое (мысленное или интуитивное) моделирование — это мысленное представление об объекте. Воображаемые модели формируются в воображении человека и сопутствуют его сознательной

деятельности.

Информационная модель — это совокупность информации об объектах, процессах, их свойствах, взаимосвязях и отношениях,

9

существующих в предметной области, используемая в контексте целей и задач проектирования и зафиксированная на материальном носителе.

Информационные модели представляют объекты в виде:

■■словесных описаний, текстов;

■■рисунков, эскизов, фотографий, кинофильмов;

■■таблиц, схем, чертежей, карт;

■■формул, логических выражений.

Взависимости от формы, способа представления и описания различают вербальные, наглядные, образно-знаковые и знаковые информа-

ционные модели, как это изображено на рис. 2.

Вербальные модели

Ввербальных моделях для отражения предметной области реального или абстрактного мира применяются формализованные диалекты естественного языка. Форма представления такой модели — устное или письменное сообщение. Примерами являются учебные пособия

исловари, инструкции по применению устройств и систем, регламенты обслуживания и эксплуатации, наставления, полицейские протоколы, правила дорожного движения.

Рис. 2. Способы представления моделей

Наглядные модели

В наглядных моделях свойства оригинала выражаются с помощью его образов: эскизов, рисунков, фотографий, кинофильмов. Сюда же относятся графические модели, в том числе геометрические фигуры и тела. Например, созданию натурной модели самолета предшествует

10