Модель автоматического формирования структур распределенных программных систем

УДК 681.3

МОДЕЛЬ АВТОМАТИЧЕСКОГО ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ

А. В. Павленко

В статье рассматриваются вопросы автоматического формирования вариантов структурных моделей распределенных программных систем, предлагается методика и модель автоматизированного синтеза и анализа структур таких систем на основе ориентированного мультиграфа с метками при вершинах и весами дуг

Ключевые слова: распределенная программная система, моделирование структуры системы, ориентированный граф, разрезание графов

Современные технологии автоматизированного проектирования информационных систем (ИС) или распределенных программных систем (РПС) широко используют СЛ8Б-средства для структурного моделирования объектов предметной области, которое включает модели для анализа информационных потоков, для анализа бизнес-процессов и другие (состав моделей, разрабатываемых в рамках проекта РПС, зависит, в частности, от принятой методологии проектирования) [1, 2]. Структурное моделирование, обеспечивая успешное решение ряда проектных задач по созданию РПС, в современной методологии основывается на подходах, имеющих, по мнению автора, ряд недостатков:

- процессы моделирования, анализа и синтеза структуры системы выполняются в диалоговом режиме, который является достаточно трудоёмким процессом, поэтому рассматривается небольшое количество вариантов проектных решений, что, в свою очередь, снижает эффективность результатов проектирования ИС и качество проектов;

- программное обеспечение СЛ8Б-средств не содержит процедур автоматического формирования вариантов структур ИС и оценивания их характеристик, что затрудняет сравнительный анализ моделей и проектов ИС;

- использование в СЛ8Б-системах стандартного метода анализа существующей ИС «от общего к частному» («сверху вниз» по иерархии - нисходящая модель) требует изначального определения границ системы, ее состава и структуры, разделения внешних объектов и объектов самой системы.

Реальный процесс проектирования предполагает рациональное сочетание нисходящей и восходящей моделей анализа существующей ИС.

Для устранения части указанных недостатков, предлагается методика и модель автоматизированного синтеза и анализа структуры ИС на основе «низкоуровневого» моделирования структуры ИС в форме взвешенного по дугам ориентированного мультиграфа [2, 3].

Предлагаемые модели и методика базируются на следующих положениях:

1) структурная модель должна представлять достаточно детальные процессы обработки данных в качестве исходных объектов (имена процессов могут соответствовать технологическим операциям обработки данных, определяемым, например, в должностных инструкциях, в требованиях к системе),

2) модель должна представлять информационное взаимодействие процессов (информационные потоки),

3) границы будущей автоматизированной РПС первоначально могут не определяться (не устанавливаться),

4) для процессов и информационных потоков задаются числовые характеристики, позволяющие оценивать показатели качества вариантов проекта (объёмы передаваемых данных, затраты на обмен данными, продолжительность обработки данных и другие),

5) процессы обработки данных представляются вершинами (х,) графа 0(Х,й) с метками ^/х,), соответствующими числовым характеристикам процессов (рисунок 1); в общем случае для каждой і-й вершины можно задать несколько меток (множество меток і-й вершины, Мі = {и1(хі), и2(хі),

• •• Нк(Хі)}); х, Є X (рис. 1),

6) информационные потоки представляются дугами (и,) графа; каждая дуга может иметь вес у/и), соответствующий числовой характеристике информационного потока (рис. 1); в общем случае для каждой і-й дуги можно задать несколько весов (множество весов і-й дуги V = {у1(аі), г2(и) ...

Ч(иі)}), и, Є О ;

7) должны быть определены правила вычисления оценок значений показателей, характеризующих качество проекта,

8) использование восходящей модели проектирования, реализуемой с помощью процедуры иерархического разрезания исходного мультиграфа

модели С(Х,О) предметной области;

Павленко Александр Васильевич - ПГТА, соискатель, ст. преподаватель, e-mail: pavalexander@yandex.ru

и1

Х2

М2

Рис. 1. Фрагмент графа с метками вершин и весами дуг

Предлагаемая методика анализа и синтеза структуры РПС (рис. 2) включает 6 основных этапов.

Первый этап - «Формирование исходной модели ИС» включает в себя: составление словаря терминов, определение технологических цепочек передачи и обработки данных, назначение характеристик элементов модели (наименования, оценки значений), идентификация элементов модели (технологических задач Z¡), каждой задаче присваивается идентификатор - новый или из уже существующих; определяются:

- I , - множества входных и выходных

данных,

- А , д - множества источников и получателей данных, идентификаторы и метки (признаки) внешних по отношению к моделируемому предприятию объектов,

- V = {У^и), У2(и¡), ... У(и^} - множество характеристик информационных потоков (частота передачи данных, объемы данных).

В результате получается множество графов технологических задач Єі, составляющих исходный

граф предметной области 0( X, О) (рис. 3). Такая модель ИС может быть сформирована без первоначального строгого определения границ системы с использованием графического и/или текстового первоначального представления. Часть вершин

графа 0(X, и) должна иметь метки, указывающие на внешние источники и получатели данных, которые не должны включаться в состав будущей РПС. Уровень детализации операций обработки данных должен соответствовать принятой иерархической модели системы; например, уровень детализации технологических операций соответствует уровню подпроцессов в иерархии «Система» -«Подсистемы» - «Автоматизированные рабочие места (АРМ)» - «Процессы в составе АРМ» -

«Подпроцессы» (количество уровней в иерархии Куи).

Рис. 2 . Обобщенная схема методики анализа и проектирования ИС

Рис. 3. Граф технологической задачи

Второй этап заключается в формальном объединении исходных частей графа 0(X, О) и

формирование единого графа с определенными для него характеристиками.

На третьем этапе в пакетно-диалоговом режиме формируются варианты иерархического разрезания графа С0 (пользователь - системный аналитик задаёт параметры процедуры разрезания: начальные вершины, правила выбора вершин и другие). Результаты разрезания графа зависят от свойств используемых алгоритмов и заданных параметров процедуры разрезания. Количество вариантов, а также критерии их формирования задаются пользователем:

N

о,=и є

і=1

где - і-й вариант разрезания исходного графа,

N - количество подграфов в составе графа

Сі,

Су - і-й подграф в і-м варианте разрезания исходного графа.

Граф Сі может включать полностью или частично в зависимости от заданных пользователем условий разрезания. Таким образом, процедура разрезания графа позволяет автоматически сформировать множество вариантов объединения

сильно связанных по информационным потокам задач. Иерархическое разрезание предусматривает процедуру «конденсации» (представления каждого подграфа ¿у вершиной). Далее каждый «сконденсированный» граф подвергается процедуре разрезания. Количество пар процедур разрезания и конденсации равно (Куи-2).

На четвёртом этапе выполняется вычисление значений показателей, характеризующих результаты разрезания (для каждого из вариантов ¿¡), сравнение и выбор предпочтительного варианта для последующей работы:

А) вычисление (оценивание) значений единичных и комплексных показателей варианта проекта РПС по характеристикам графовой модели (табл. 1) приведены примеры комплексных показателей),

где N - количество подграфов в /-м варианте разрезания исходного графа,

VI,* - суммарный вес внутренних дуг «-го подграфа (например, объем данных, передаваемых между компонентами «-й подсистемы),

- суммарный вес внешних дуг «-го

подграфа,

КI* - количество внутренних дуг «-го подграфа,

Ке* - количество внешних дуг «-го подграфа,

т - количество дуг графа,

V - вес у-й дуги;

Таблица 1

Показатели, характеризующие качество структуры РПС

Наименование показателя качества архитектуры системы Формула вычисления значения показателя

Суммовые весовые показатели N IV,.,, ОЛИ = (1) 0,51 ^ ,=1

N IV,.,, 0А2 = ^— <2) IV ]=1

Количественные показатели N I =-^к <3) 0>5! ,=1

N IК (4) 0 (4) = ,=1 '¡¿А,, ~ т

Б) формализованное сравнение вариантов и выбор наиболее предпочтительного по определенным критериям может быть выполнено по единичным, комплексным или интегральным показателям. В качестве интегрального показателя может использоваться аддитивный показатель, включающий частные показатели с весами, устанавливаемыми экспертным путем:

N„

= 1 кЛ

р=1

I К

Р=1

100

где кр - весовые коэффициенты, кр > 0,

Яр - нормированный частный показатель. Например, при использовании указанных комплексных показателей интегральный показатель имеет вид

р = I к О(Р)*

инт,1 р^-Л,г',р

р=1

где

или

0Л

0(р)* =

ОР,

р

Л,1,тах

0.

01 - 0

р

Лл,тт

0

р

Л,,, тах

- ОР

¿^Лл.тт

Этот показатель использован в экспериментальном оценивании рассмотренной методики с использованием равнозначного предпочтения показателей: значения всех кр =25 (табл. 2). Второй вариант нормирования (7), как правило, используется для ранжирования рассматриваемых вариантов, поэтому отклонения значений показателей рассматриваемых вариантов от базового значения роли не играют; важно совпадение результатов ранжирования при использовании разных показателей.

Для интерпретации результатов анализа и проектирования ИС (на пятом этапе) должно использоваться удобное для пользователя представление структуры системы. Для реализации разработанной методики, а также анализа эффективности алгоритмов разрезания автором разработано инструментальное программное средство «ОгарИТоо!», которое формирует изображение иерархически связанных графовых моделей, а также - различные диаграммы и графики, позволяющие принять проектное решение по результатам моделирования структуры системы [4].

На шестом этапе должна быть зафиксирована выбранная модель, и, при необходимости, выполнено её редактирование с использованием соответствующих инструментальных средств.

Степень соответствия формируемых по предлагаемой методике моделей экспертным данным проверена экспериментальным путем:

1) выбрана информационная система предприятия, осуществляющего производственную и торгово-закупочную деятельность,

2) составлен граф РПС предметной области,

3) экспертным путем без использования средств автоматизации в созданном графе были

выделены подграфы; данный состав подграфов был принят за эталонный,

4) с помощью алгоритмов разрезания, реализованных в инструментальном программном средстве «ОгарИТооЪ), сформирован ряд результатов разрезания (табл. 2),

5) оценено отклонение значений показателей от эталонного с использованием (1 - 7).

Анализ результатов каждого из экспериментов подтвердил то, что процедура автоматизированного разрезания графа (выделения подструктур в общей схеме ИС) оправдывает себя, поскольку отклонение значений показателей от эталонного варианта в двух экспериментах из трех составляет менее 10%, что является допустимым значением с учетом возможности проведения «ручной» корректировки результатов проведенной процедуры экс-

пертом предметной области. С точки зрения технологических процессов обработки данных в результате проведенного автоматического разрезания графа РПС, в каждую подструктуру РПС вошли наиболее тесно связанные по производственному назначению процессы.

Приведенная методика анализа ИС с позиций теории графов позволяет синтезировать новые структуры организации систем по критериям, задаваемым экспертами данной предметной области. Разработка программных процедур для автоматической генерации вариантов проектных решений должна повысить эффективность применения СЛ8Б-систем. Предложенная методика с определенной эффективностью может применяться преимущественно к крупным структурам ИС, где автоматизация подобных процессов проектирования организационной структуры особенно актуальна.

Таблица 2

Сравнительный анализ показателей качества вариантов структур РПС________________

Показатели вариантов разрезания графа Вариант разрезания ИС

Эталонный Эксперимент №1 Эксперимент №2 Эксперимент №3

01) 2,73 1,93 2,42 2,39

й? 4,64 3,62 3,77 4,17

02 0,71 0,65 0,70 0,69

04? 0,82 0,76 0,79 0,81

Интегральный показатель (5) с применением формулы приведения (6) 100 83,2 91,2 93,3

Отклонение интегрального показателя от эталонного, (%%) - 16,8 8,8 6,7

Интегральный показатель (5) с применением формулы приведения (7) 100 0 52,25 2,07

Литература

1. Понятие распределенных информационных систем, принципы их создания и функционирования -http://www.auto-is.ru/auto_t5r1part1.html.

2. Вендров А.М. СЛББ-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. - М.: Финансы и статистика. 1998. - 174 с.

3. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. - М.: Мир, 1978.

4. Павленко А.В., Пикулин В.В. Алгоритм формирования состава информационной системы на основе

взвешенного ориентированного мультиграфа // Современные методы и средства обработки пространственновременных сигналов: сб. статей IV Всерос. науч.-техн. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2006. - С. 5860.

5. Павленко А.В., Пикулин В.В. Методика и программа для статистического исследования алгоритмов разрезания графов // Программные продукты и системы, 1 (77), 2007. - С. 30 - 33.

Пензенская государственная технологическая академия

AUTOMATIC FORMATION MODEL OF STRUCTURES OF THE DISTRIBUTED PROGRAM SYSTEMS

A.V. Pavlenko

The article is devoted to the techniques of formation of structures of information systems. Special technique and automated synthesis model and analysis of information system structure, based on the focused multigraph weighed on arches

Key words: information system, distributed software system, structure, graph, model