Создание эффективных специализированных инструментальных средств для разработки систем поддержки принятия решений

Актуальность проблемы.

Расширение внедрения средств вычислительной техники в производственную и научную деятельность человека не уменьшают важность человеческого фактора в автоматизированных системах. Наоборот, сложность и ответственность принимаемых оператором решений возрастает с ростом сложности систем управленияодновременно повышаются требования к скорости принятия решений (ПР) и к объему перерабатываемой при этом информации.

Эта тенденция привела к появлению специализированных средств поддержки принятия решений (СПР), которые представляют собой интеллектуальные банки данных различного объема и сложности.

СПР — это сложные информационные системы. Являясь частью автоматизированных систем управления или идентификации объектов и процессов управления, они часто работают в режиме реального времени и должны удовлетворять определенным ограничениям на ресурсы. Так как СПР непосредственно взаимодействуют с человеком-оператором, они должны удовлетворять эргономическим и психофизиологическим требованиям.

Все это делает задачу создания СПР многоальтернативной, а процесс проектирования СПР — трудоемким. Его эффективность повышается путем применения инструментальных средств (ИС). В настоящее время используется два подхода к инструментальным средствам автоматизации разработки программных систем:

1) создание уникальных ИС для каждой предметной области и типа программ поддержки принятия решений, т. е. средств, ориентированных на производство определенного конкретного вида программного продукта;

2) использование универсальных средств автоматизации процесса разработки, позволяющих создавать программные продукты самого разного назначения.

Примеры пакетов прикладных программ как первого, так и второго типа, широко известны.

Однако, следует признать, что первый подход неэффективен, когда СПР подвергаются частым и существенным модификациям с расширением состава решаемых задач.

Второй подход экономически неэффективен, когда применяется для СПР небольших объемов, предназначенных для применения в специализированных системах.

Как показано в работе, существует третий путь: создание проблемно-ориентированных ИС, которые представляют собой набор «шаблонов» и повторно используемых компонент (ПИК), настроенных на применение в определенных типах СПР.

Эти факторы определили цели работы.

Целями работы являются: 1) создание методики обоснования выбора рационального варианта автоматизации проектирования СПР- 2) разработка методов выбора рациональной архитектуры проблемно-ориентированных ИС, удовлетворяющих общим технико-экономическим и эргономическим требованиям и учитывающих специфику предметной области- 3) разработка структуры проблемно-ориентированных ИС для создания СПР (ИС СПР), на основе предложенной методики выбора.

Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:

— выявить те особенности и этапы процедуры принятия решений (ППР), которым необходима программная поддержка при разработке СПР;

— провести анализ моделей, обеспечивающих формализацию ППР на разных этапах;

— выработать методику создания СПР, включающую выбор лучшего варианта использования ИС и определение состава необходимых для создания ИС работ;

— разработать архитектуру ИС СПР как на уровне функциональных подпрограмм и интерфейсов, так и на уровне технической организации данного программного продукта;

— выработать решения по программной реализации компонент специализированных ИС, основанные на анализе требований к степени автоматизации создания этих компонент;

— осуществить проверку методик при разработке реальных СПР. Методы исследования.

В диссертации используются методы системного анализа, объектно-ориентированного проектирования, эргономического анализа.

Научная новизна;

1) Показана эффективность применения для разработки СПР специализированных ИС, ориентированных на проблемную область поддержки принятия решений.

2) Три возможных варианта построения СПР оценены по этапам разработки и жизненного цикла программного комплекса.

3) Предложена методика разработки СПР, которая охватывает все этапы создания как самой прикладной программы, так и технологических средств. Составными частями общей методики являются следующие составляющие, предложенные автором:

— методика предварительной оценки рациональных параметров ИС, разработанная на основе методики апостериорной оценки сложности создания СПР по структурным показателям моделей ППР;

— методика оценки значимости и требуемого уровня автоматизации компонент СПР, для применения которой определены весовые коэффициенты значимости, зависящие от типа СПР;

— методика использования интегральных показателей трудоемкости при определении параметров разработки СПР.

4) Сформулированы и обеспечены на практике такие требования к специализированным ИС как:

— инвариантность ИС к смысловой и терминологической настройке СПР;

— необходимость разграничения описания логики работы СПР и программной реализации СПР.

5) Сформулированы требования к моделям, обеспечивающим описание ППРпроведен анализ влияния типа операторской деятельности на параметры СПР и на характер моделей ППР.

6) Исходя из требований к структуре СПР, разработана обобщенная функциональная архитектура специализированных ИС, разработан функционирующий на практике вариант структуры ИС на уровне программных модулей и подпрограмм.

Практическая ценность.

Доказана эффективность разработки программ и программных комплексов с использованием специализированных ИС, что позволяет отказаться от привлечения дорогостоящих САПР.

Показано, что путь специализации универсальных ИС путем разработки «шаблонов» и настраиваемых объектов позволяет в сжатые сроки создавать семейство сходных по техническим и эргономическим свойствам программных продуктов.

Предложенные автором методики покомпонентного анализа позволяют прогнозировать трудозатраты на создание программного продукта, указаны пути получения оценок необходимых параметров. Для ряда практических примеров автором собраны статистические данные по параметрам разработки СПР.

Использование разработанных автором языковых средств настройки ППР позволяет осуществлять на практике итеративную процедуру взаимодействия разработчика и заказчика программного продукта в условиях ограничений на ресурсы.

Результаты работы использованы при разработке автором следующих программных комплексов (подтверждено актами об использовании результатов диссертационной работы):

1) система поддержки принятия решений в измерительно-вычислительном комплексе (ИВК) для исследования пескодувно-импульсно-прессового техпроцесса изготовления литейных форм в ЗАО «НИЦ-НИИТ Автопром» ;

2) программный комплекс «Формовочная смесь», предназначенный поддержки принятия решений оператора АСУ литейного завода (для АО ЛИТАФОРМ);

3) ИВК для принятия решений по планированию гидрофизического акустического эксперимента, обработке и анализу данных (для Института проблем механики РАН).

С использованием результатов диссертационной работы и созданных инструментальных средств были также разработаны прикладные программы поддержки принятия решений оператором в следующих областях:

1) анализ электрической активности головного мозга (для ИВНД и НФ РАН);

2) вибродиагностика самолетных двигателей (для НИИ ГА);

3) расчет газотворности в АСУ ТП (для АО ЛИТАФОРМ) — прогнозирование экономических рядов для обеспечения принятия решений трейдером (для ЗАО «Информационное агентство «Релпресс»).

На защиту выносятся;

— методика создания СПР с использованием специализированных ИС- -методика повышения эффективности создания СПР, основанная на использовании интегральных, показателей для оценки трудозатрат в условиях ограничений по времени- -методика покомпонентной оценки трудоемкости и сложности СПР, выбора уровня автоматизации компонент ИС- -методы использования языковых средств для настройки процедуры ПР- -функциональная, файловая и модульная структура специализированных.

ИС для разработки СПР. Апробация работы.

Результаты работы получили освещение в докладах на конференциях:

1) 3-я Украинская конференция по автоматическому управлению «Автоматика — 96» (Севастополь, 1996).

2) Международная конференция «Новые информационные технологии». (Астрахань, 1997).

3) Микроэлектроника и информатика — 98. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов.

МИЭТ, 1998).

Основные результаты работы докладывались на научном семинаре кафедры «Управляющие интеллектуальные системы» МИФИ.

Научные публикации. Полученные в диссертации результаты изложены в восьми печатных работах.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа содержит введение, пять глав, заключение, список литературы и три приложения.

ВЫВОДЫ.

1.На основе анализа процесса принятия решений, его отдельных составляющих и особенностей деятельности операторов разных типов определены функциональные и структурные требования к СППР.

2. Показано, что для эффективного отображения функциональной задачи на прикладную программу необходимо создание информационной, визуальной и математической моделей объекта, а также математической и программной моделей ППР.

3.На основе выполненного в работе анализа процесса создания и эксплуатации СПР определены следующие требования к программному обеспечению: а) простота модификации, расширения и настройкиб) наличие иерархии в системе обеспечивающих моделейв) блочный характер и использование программных интерфейсов, координируемых монитором ППР.

4. Разработана методика и аналитические соотношения, позволяющие обоснованно выбирать рациональный вариант ИС с учетом трудозатрат.

5. Разработана методика создания СПР с использованием специализированных ИС, характеризующаяся наличием четырех последовательных фаз с обратными связями.

6. На этапах выбора ИС и их подготовки разработана методика специализации универсальных ИС. На основе произведенной классификации ИС показано, что для этих целей необходимо использовать ИС с уровнем автоматизации более низким, чем у специализированных ИС.

7. Доказана необходимость разделения работ по созданию СПР на три группы: программная реализация, структурная настройка, семантическая настройка. При этом повышается эффективность, выраженная в суммарных трудозатратах на проведение работ по этим группам с учетом их последующего сопряжения в единую СПР.

8. Выработанные требования к процессу проектирования СПР позволили сформулировать требования к структуре ИС СПР. Предложены: структура ИС на уровне функциональных модулей, на уровне программных компонент с файлами и на уровне подпрограмм исполняющего блока.

9. Предложенные в работе решения по программной реализации функциональных подсистем и организации алгоритма принятия решения доказывают, что предлагаемая в работе организация функциональных модулей соответствует основным особенностям ИС СПР, а программная архитектура с исполняющим ядром обеспечивает достижение целей оператора в процессе принятия решений.

10.Доказана эффективность использования объектно-ориентированного подхода для программной реализации функциональных модулей ИС и их семантической настройки при создании СПР.

11.Правильность теоретических положений, сформулированных в работе, подтверждается практическими разработками, внедренными в различных прикладных областях.