Исследование и разработка технологии и инструментальных средств создания автоматизированных систем управления сложными транспортными комплексами

Актуальность темы

Современная транспортная индустрия является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей хозяйства, и темпы ее развития в значительной мере определяют темпы прогресса современного общества. В то же время нельзя не отметить, что эта отрасль, включающая в себя сложные и многопрофильные транспортные системы и комплексы, во многом базируется на старых технологических решениях, датируемых иногда началом XX века. К сожалению, это обстоятельство чуть ли не в максимальной мере относится к транспортным системам и комплексам нашей страны, где проблема перехода на новые средства автоматизации стоит весьма остро. При этом приходится проектировать новые системы, решающие более сложные задачи, чем их предшественники.

Проектирование информационных и управляющих систем (ИС) на современном уровне требует использования большого объёма характеристик, описывающих проектируемую систему. Кроме того, у инициатора проектирования обычно уже существуют некие прототипы систем или функционирующие системы, с которыми требуется взаимодействие проектируемой системы в дальнейшем. В результате возникает необходимость в заданные сроки произвести обследование находящихся в эксплуатации систем, провести их анализ на непротиворечивость, выдать рекомендации по их усовершенствованию и вписать в их круг разрабатываемую систему.

На сегодняшний момент данная задача может быть решена с помощью CASE'-TexHOflorafi. Первоначальное значение термина CASE, ограниченное вопросами автоматизации разработки только лишь.

1 CASE (Computer-aided system/software engineering) — автоматизированные системы разработки программных средств. 8 программного обеспечения (ПО), в настоящее время приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки сложных ИС в целом. Теперь под термином CASE-средства понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения ИС, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного ПО (приложений) и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы. CASE-средства вместе с системным ПО и техническими средствами образуют полную среду разработки ИС.

Появлению CASE-технологий и CASE-средств предшествовали исследования в области методологии программирования. Программирование обрело черты системного подхода с разработкой и внедрением языков высокого уровня, методов структурного и модульного программирования, языков проектирования и средств их поддержки, формальных и неформальных языков описаний системных требований и спецификаций. CASE-технология представляет собой методологию проектирования ИС, а также набор инструментальных средств, позволяющих в наглядной форме моделировать предметную область, анализировать эту модель на всех этапах разработки и сопровождения ИС и разрабатывать приложения в соответствии с информационными потребностями пользователей. Большинство существующих CASE-средств основано на методологиях структурного (в основном) или объектно-ориентированного анализа и проектирования, использующих спецификации в виде диаграмм или текстов для описания внешних требований, связей между моделями системы, динамики поведения системы и архитектуры программных средств.

CASE-средства не являются идеальными. При их использовании возникают проблемы связи разрабатываемой системы с уже существующими и получения прототипа системы для оценки 9 эффективности разработки и предупреждения ошибок на этапе логического проектирования. Не менее важное значение имеет обеспечение высокого качества разрабатываемых систем и баз данных (БД). Рост доверия к возможностям ИС автоматически выполнять предназначенные функции приводит к быстрому увеличению объемов разработок, широте их применения, а также к возрастанию важности выполняемых ими функций. Пользователю и/или покупателю ИС необходимо обеспечить четкое представление о возможностях данной системы и технических условиях эксплуатации, при которых гарантируются определенные функции и качество их реализации.

Номенклатура и требуемые значения показателей качества определяются прежде всего функциональным назначением конкретных разрабатываемых систем и БД. Это приводит к широкому спектру показателей качества в спецификациях требований. Эти показатели должны четко формулироваться в документации и спецификациях готовых программных продуктов широкого применения или отрабатываться в процессах жизненного цикла оригинальных и уникальных систем. Достигаемые в процессе проектирования и разработки значения качества разрабатываемых систем всегда ограничены доступными ресурсами решения этих задач.

Многогранность понятий и требуемых характеристик качества вновь создаваемых систем с позиции заказчика и будущего пользователя приводит к тому, что их невозможно достоверно и полностью сформулировать перед началом разработки. Гибкость, относительная легкость изменения и высокая сложность функционирования программ в ЭВМ привели к принципиальному изменению методологии и процессов формирования требований к ИС и взаимодействия разработчиков с заказчиками в процессе проектирования системы. Крайне редко удается удовлетворить все требования заказчика, предоставляя ему новый.

10 программный продукт или базу данных, если он не участвовал в их формировании с начала разработки.

Таким образом, создание технологии и инструментальных средств, которые позволяют получить и развивать прототип системы на любой стадии проектирования, а также учитывает уже работающие системы и комплексы, является логичным направлением развития CASE-технологий.

Цель и задачи работы. Целью данной диссертации является разработка методов и инструментальных средств создания автоматизированных информационных и управляющих систем, эффективно использующих находящиеся в эксплуатации системы и позволяющих получить прототип проектируемой системы на любом этапе проектирования.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

— определение круга стандартов, регламентирующих разработку информационных систем, и требований, предъявляемых к предложенной технологии сквозного проектирования;

— формирование регламента для построения прототипа проектируемой системы и профиля технологии сквозного проектирования;

— разработка методов использования «старых» (работающих) систем и обеспечение оптимальности результирующей системы;

— разработка инструментальных средств для поддержки процесса проектирования;

— постановка и решение прикладных задач проектирования автоматизированных систем управления для сложных транспортных комплексов и ответственных комплексов другого функционального назначения.

Методы исследования. Работа основана на использовании теоретических основ проектирования информационных систем и.

11 опирается на применение понятий высшей алгебры, алгебры логики, алгебры реляционных отношений, теории конечных автоматов и методологии имитационного моделирования.

Научная новизна. В работе предложена технология сквозного проектирования автоматизированных информационных и управляющих систем, эффективно использующая находящиеся в эксплуатации системы и позволяющая получить прототип проектируемой системы на любом этапе проектирования. Основными особенностями предлагаемой технологии являются:

— унификация сущностей, описывающих модель проектируемой системы;

— сокращение множества правил, описывающих ограничения в модели.

Применение разработанной технологии позволило вести разработку сложных транспортных комплексов в пространствах с существенно большим, чем ранее, количеством правил, сущностей, атрибутов и связей.

Практическая ценность. Разработаны инструментальные средства для автоматизированного проектирования программных комплексов и систем. Эти средства обеспечивают построение проекта работающей системы по неформализованным описаниям этой системы. Показан положительный эффект по сравнению с существующими системами автоматизированного проектирования. Это позволяет начинать анализ проектируемой системы с работающего прототипа, связанного с действующими аппаратно-программными комплексами. В частности, разработанные технология и инструментарий позволили:

— обеспечить стандартизацию регламента работ, проводимых при проектировании систем;

— разработать подсистемы в рамках задачи «АСУ МЕТРО» для Московского метрополитена;

— разработать законченную автоматизированную систему управления складом;

— сократить на 20 — 45%% трудозатраты на разработку проектируемых систем.

Реализация результатов работы. Представленные в диссертации результаты получены при участии автора в ходе опытно-конструкторских работ, которые выполнялись в течение 1997;2000 г. г. в ОАО «НИИ вычислительных комплексов им. М.А. Карцева» в рамках Федеральной целевой программы «Реструктуризация и конверсия оборонной промышленности (1996 — 2000 г. г.)». Работы велись автором настоящей диссертации в целях дальнейшего совершенствования инструментальных средств автоматизированного проектирования и расширения сферы их практического применения. В частности, в ходе ОКР «Дистанция» была реализована система мониторинга управления телесигнализацией и телеуправлением на Московском метрополитене. В ходе ОКР «Путь» было разработано программное обеспечение для универсальной контрольно-регистрирующей аппаратуры, которую планируется использовать в составе «АСУ МЕТРО». С помощью разработанных инструментальных средств было также реализовано программное обеспечение систем тестирования подвижного состава (ОКР «Тест») и канальной аппаратуры волоконно-оптических линий связи (ОКР «Светофор»). Кроме этого, разработанные принципы и инструментарий показали возможность своего применения не только на метрополитене. С их помощью была создана и успешно внедрена автоматизированная система управления торговым складом компании «Рибок Россия». Во всех этих работах использовалось разработанное автором инструментальное средство построения прототипов Grindery Grabber.

Апробация работы. Результаты исследований, составляющих содержание работы, докладывались и обсуждались на:

— Второй Международной конференции «Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства», проходившей 10−12 ноября 1998 г. в Минске (Беларусь);

— XLVIII научно-технической конференции, проходившей 1017 мая 1999 г. в МГИРЭА (ТУ);

— Четвертой межведомственной научно-технической конференции по проблемным вопросам сбора, обработки и передачи информации в сложных радиотехнических системах, проходившей 10 -17 ноября 1999 в СанктПетербурге.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах.

Заключение

.

В процессе исследований по теме диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:

1) На основе проведенного анализа существующих подходов к решению задач проектирования автоматизированных систем управления формализованы основные свойства, которыми должна обладать АСУ.

2) Сформулировано понятие «технологии сквозного проектирования» (ТСП) и показана необходимость разработки такой технологии, охватывающей весь спектр этапов при разработке системы. Сформулированы требования, предъявляемые к разрабатываемой технологии.

3) Технология сквозного проектирования закреплена и детализирована в регламентированном технологическом процессе и документах, обеспеченных инструментальной поддержкой в течение всего жизненного цикла программного обеспечения и баз данных.

4) Синтезирован профиль технологии сквозного проектирования.

5) Доказана теорема об оптимальности результирующей системы.

6) Доказана возможность использования технологии сквозного проектирования для построения открытых систем.

7) На основе технологии сквозного проектирования автором разработан инструментальный аппаратно-программный комплекс «GRINDERY Grabber», впоследствии развитый до семейства инструментальных средств «GRINDERY».

8) При использовании ТСП и инструментария «GRINDERY»:

— разработан комплекс ТС-ТУ, который обеспечивает возможность внедрения в Московский метрополитен без потери данных функционирующей старой системы;

— разработанная контрольно-регистрирующая аппаратура на основе многоканальных регистраторов динамических.

108 параметров движения поезда позволяет наиболее точно характеризовать и сформулировать задачи, которые входят в глобальную систему «АСУ МЕТРО" — - разработана система управления складом для ЗАО «Рибок Россия" — все реализованные проекты соответствуют стандарту открытых систем.

9) Показана высокая функциональная гибкость инструментария «GRINDERY» и возможность его использования применительно к различного рода задачам, связанным с обработкой различных информационных потоков в сложных гетерогенных средах.

10) Проведенный расчет экономической эффективности показывает значительный выигрыш (20 — 45%% и более) при использовании технологии сквозного проектирования и АПК «GRINDERY Grabber» для разработки сложных систем по сравнению с традиционным подходом, использующем поэтапную разработку отдельных частей проекта.