Software & Systems

В статье рассматривается методика проектирования информационного обеспечения (ИО) защищенных иерархических АСУ (ИАСУ), базирующаяся на описании предметной области в виде объектов определенной структуры. Объектами автоматизации подобных систем выступают иерархические организационные структуры управления (например военного), характеризующиеся:

−   наличием в организационной структуре множества самостоятельных органов управления, распределенных по территории страны или региона;

−   многообразием автоматизируемых задач управления и нетривиальной схемой их распределения по уровням иерархии и отдельным органам управления;

−   многоуровневой моделью решения задач управления, при которой большинство задач решается при одновременном участии всех органов управления по линии иерархии;

−   использованием в процессе управления системы документооборота, характеризующейся: многообразием состава документов и нормативно-справочной информации (НСИ); регламентацией схемы документооборота; постоянной реорганизацией схемы документооборота в процессе эксплуатации системы управления.

В проект подобных АСУ изначально закладываются технологии, обеспечивающие в процессе функционирования системы: а) конфигурирование системы, в том числе наращивание, изменение и распределение автоматизированных функций управления и ИО этих функций между уровнями иерархии и на отдельных объектах автоматизации; б) автоматический обмен информацией объектов как внутри АСУ, так и внешними системами с возможностью динамической перенастройки; г) автоматическую модернизацию компонентов ИО на объектах автоматизации при утрате актуальности описания информации (или самой информации) в базах данных (БД).

Применение данных технологий требует дополнительного формального описания предметной области, не обеспечиваемого реляционной моделью, например:

−   описания автоматизированных задач и их информационного обеспечения;

−   описания структуры и объема информации, участвующей в информационном обмене задач, объектов;

−   описания требуемой структуры и объема информации в БД отдельных объектов автоматизации;

−   описания полномочий пользователя при работе с функциями и информацией, не сводимого к простому перечислению доступных ему таблиц БД.

Системным решением в данном случае является введение в состав ИО описания объектов предметной области и их структуры, представляемое в виде множеств иерархически упорядоченных реляционных таблиц – информационных ресурсов. Описание задает декомпозицию единой реляционной схемы БД иерархической АСУ на совокупность непересекающихся подсхем. В этом случае естественным образом задается информация, необходимая для построения АСУ рассматриваемого класса, в частности, реализуются механизмы перемещения или копирования объектов предметной области как единого целого из одной части БД в другую или даже в другую БД АСУ, а также задания различных метасвойств информации в БД (например, описания поколения данных справочника, экранных представлений для формализованных документов и т.д.).

Введение понятия информационного ресурса ставит новую задачу проектирования ИО иерархических АСУ, а именно, обоснование состава, структуры, свойств и связей информационных ресурсов, адекватным образом описывающих предметную область системы. Тогда логическим следствием являются следующие задачи: описание распределения ресурсов и их данных по уровням управления, по объектам автоматизации, по использованию при решении задач; описание информационного обмена объектов автоматизации между собой и с внешними системами в виде ресурсов; описание доступа пользователей к ресурсам, позволяющее представить сложный характер взаимодействия человека с АСУ; преобразование ресурсов к реляционным схемам БД.

Формирование данных видов описаний рассматривается в контексте задач инфологического моделирования предметной области АСУ. В этой сфере существует ряд математических моделей, методов и методик их применения, в том числе аппарат моделей сущность-связь или аппарат объектно-ориентированного анализа; разработаны и применяются CASE-средства, обеспечивающие работу с данными математическими аппаратами (Rational Rose, ARIS Easy Design, ERwin Data Modeler и др.). Анализ существующего математического аппарата показал, что имеется определенный задел в возможности его применения в решении поставленной задачи. В частности, типология связей модели сущность-связь позволяет вычислить связанные группировки сущностей, которые необходимо рассматривать в контексте единого целого, то есть некоторых объектов предметной области. Данную информацию можно получить из анализа идентифицирующих связей, задающих родительскую и дочерние сущности. Однако неоднозначность дальнейшего преобразования группировок к множествам иерархически упорядоченных сущностей делает невозможным прямое применение модели сущность-связь для описания информационных ресурсов.

Таким образом, обусловливается необходимость разработки математического аппарата, обеспечивающего формальные средства работы с информационными ресурсами, а также методики его применения при проектировании ИО иерархических АСУ. Математический аппарат и методика должны обеспечивать решение сформулированных задач проектирования.

Разработанный в соответствии с данными положения математический аппарат, представляющий собой комплекс взаимосвязанных формальных моделей и методов, приведен на рисунке 1. Ядром аппарата выступают модель информационных ресурсов и методы работы с данной моделью, обеспечивающие формальное описание и проектирование ресурсов безотносительно к структурной организации АСУ. Учет специфических свойств ИО ИАСУ и применение ресурсов в процессе проектирования обеспечивается прочими моделями, а также соответствующими методами:

−   модель объектов (Mo) является формальным описанием состава и схемы иерархии автоматизируемых подразделений органа управления (объектов автоматизации);

−   модель задач (Mz) является формальным описанием функционального программного обеспечения ИАСУ, в том числе состава задач; схемы распределения задач по уровням управления; ИО задач как совокупности используемых ресурсов (в том числе в отдельности для каждого уровня управления, на котором решается задача);

−   модель информационного обмена (Mi) есть формальное описание связей объектов как внутри иерархической АСУ, так и с внешними автоматизированными системами. Связь характеризуется источником и получателем информации, задачей, в рамках которой осуществляется взаимодействие, и составом ресурсов и их данных;

−   модель прав доступа (Ma) описывает доступные пользователям задачи АСУ; информационные ресурсы в рамках каждой задачи; состав операций над доступными ресурсами (добавление, удаление, изменение, запись в архив и т.д.);

−   модель состояния ИО АСУ (Ms) есть формальное описание состава, структуры и связей ресурсов в эксплуатируемых БД объектов автоматизации;

−   модель содержания (Mc) есть формальное описание требуемого состава ресурсов и их данных в БД объектов автоматизации. На основании этой информации реализуются методы синтеза и начального заполнения БД.

Упомянутые выше возможности модели сущность-связь в описании объектов предметной области обусловливают ее место в разработанном математическом аппарате. Предназначением модели является формализация первичной информации об ИО задач управления, обеспечиваемая следующими факторами:

−   апробированностью аппарата модели в информационном моделировании;

−   легкостью построения моделей и их дальнейшей модификацией, достигаемой за счет простоты используемых концепций, наличия развитых средств визуализации моделей, наличия методов автоматического разрешения несоответствий в модели и т.д.;

−   возможностью описания ИО на концептуальном уровне, то есть обоснованием определений сущностей без детальной спецификации их атрибутов и характеристик связей.

Используется расширенный вариант модели сущность-связь (РМСС), учитывающий особен­ности иерархических АСУ; к расширениям относится включение описаний: связей сущностей с задачами; ИО задач по уровням иерархии; меж- уровневого информационного взаимодействия задач.

Предлагаемая методика проектирования представляется совокупностью этапов сбора и формализации исходных данных, проектирования ресурсов и проектирования БД. На первом этапе осуществляется подготовка исходных данных о проекте иерархической АСУ в целом. Данная информация находит отражение в соответствующих моделях объектов, задач, прав доступа.

Второй этап методики обеспечивает поддержку проектирования ИО на технорабочей стадии и предназначен для решения сформулированной задачи проектирования ИО – для обоснования состава, структуры и взаимосвязей информационных ресурсов. На начальных этапах проектирования ИО АСУ данная задача рассматривается в аспекте формирования информационного ядра БД – системы информационных ресурсов, описывающих фундаментальные объекты для проекта иерархической АСУ в целом. Решение задачи требует построения интегрального описания информации, необходимой для решения задач АСУ и анализа данной информации и синтеза соответствующих ресурсов. Впоследствии осуществляется развитие структуры информационного ядра путем последовательной идентификации новых объектов и синтеза описывающих их ресурсов, а также уточнения описания существующих ресурсов. Таким образом, в структуре аппарата выделяются два метода обоснования состава, структуры, свойств и взаимосвязей ресурсов:

1)  метод синтеза модели ресурсов на основе РМСС для получения информационного ядра проекта АСУ;

2)  метод ручного проектирования ресурсов для развития информационного ядра и формирования детального описания каждого ресурса (структура таблиц ресурсов и их атрибуты, свойства связей).

Сущность первого метода в первую очередь состоит в обосновании РМСС для отдельных задач, а затем и для всего проекта АСУ в целом. Впоследствии осуществляется преобразование информации данной модели в описания ресурсов, основанное на идентификации группировок сущностей (рис. 2а). Группировки, имеющие иерархическую структуру, преобразуются путем точного отображения сущностей и их связей в структуры соответствующих ресурсов (рис. 2б). Однако подобный способ неприменим для случаев, когда схему связей невозможно описать ориентированным деревом (рис. 2в). В этом случае решается задача оптимального преобразования РМСС к модели ресурсов, заключающаяся в отборе идентифицирующих связей, которые наиболее ценны для описания предметной области. Критерием оптимальности выступает показатель, описывающий интегральное уменьшение числа идентифицирующих связей в РМСС при выбранном варианте преобразования, соответственно, минимум значения данного показателя обеспечивает искомый вариант преобразования.

Сущность второго метода заключается в обосновании универсальной таблицы, содержащей интегральное описание требуемых атрибутов объекта; в нормализации и декомпозиции данной таблицы на составляющие таблицы; в анализе полученного множества таблиц и синтезе описаний одного или нескольких информационных ресурсов.

Этап инфологического проектирования своими задачами имеет описание использования ресурсов при решении задач и в информационном обмене. С этой целью разработаны методы синтеза данных видов описаний на основе анализа информации модели ресурсов и РМСС. Синтезированные модели впоследствии уточняются вручную.

На третьем этапе методики обеспечиваются распределение доступа пользователей к задачам и информации АСУ; синтез БД для объектов автоматизации и учет описания ИО отдельных объектов автоматизации.

Решение задачи распределения доступа обеспечивается заполнением модели прав доступа (Ma). Задачи синтеза БД и учета описания ИО решаются совместно. Информация по составу, структуре, свойствам и связям ресурсов, необходимым для решения задач управления выбранного объекта – частная модель ресурсов объекта () – отражается в реляционной схеме БД и в модели состояния ИО (). С этой целью применяется разработанный трехступенчатый метод. На первой ступени на основе информации совокупности моделей объектов, задач, ресурсов, информационного обмена и содержания строится частная модель ресурсов объекта (). На второй ступени на основе модели ресурсов, а также информации о находящейся в эксплуатации частной модели ресурсов (отраженной ранее в модели состояния) осуществляется формирование уточненного варианта частной модели . Модель содержит информацию по изменению состава ресурсов, их структур или связей в модели относительно . На третьей ступени выполняется синтез реляционной схемы (), обеспечивающей представление ресурсов из модели  в БД. Синтез завершается отражением информации из модели  в модели состояния (Ms).

Приведенный алгоритм может использоваться как для синтеза новых БД, так и для поддержания схем существующих БД в актуальном состоянии. В первом случае на второй ступени полагается , тогда из автоматического равенства  получаем, что в конечном итоге схема будет отражать исходный вариант модели. Во втором случае непустой аргумент  обеспечивает вычисление утративших актуальность описания ресурсов и связей и их замену с обновлением схемы . Данное свойство метода позволяет: в процессе проектирования ИО осуществлять формирование и ведение БД, необходимых для отработки технических решений, например, для загрузки НСИ, контрольных примеров и т.д.; в процессе внедрения обеспечить формирование БД для конкретных объектов автоматизации с учетом их функциональных характеристик и уровня управления; в процессе эксплуатации и сопровождения проекта АСУ обеспечить технологии своевременной модернизации компонентов ИО отдельных объектов автоматизации.

Целесообразность практической применимости предлагаемого подхода к проектированию ИО обосновывается тем, что информационные ресурсы в составе ИО обеспечивают реализацию технологий, необходимых для функционирования ИАСУ; модели обеспечивают формальное и непротиворечивое описание проектных решений. Предложенная методика позволяет решать сформулированные задачи проектирования ИО ИАСУ, кроме того, на ее базе реализуются автоматизированные технологии проектирования ИО системы.