Концептуальное проектирование. Open Library - открытая библиотека учебной информации. Триз и концептуальное проектирование

Предпосылкой создания своей методологии явился такой диагноз С.П.Никанорова существующему положению в развитии организаций: происходит накопление несистемных решений, повсеместно распространяется сиюминутное, ситуационное мышление, которое приводит к, так называемому, феномену складывания - процессу произвольного возникновения чего-то под действием многих факторов, которые проявляются стихийно. Если что-то неэффективно работает, то часто говорят: «Так сложилось, никто не виноват». Следствием складывания являются неконтролируемые области жизни и возникающие проблемы, которые требуют действий для их решения.
У кого возникают проблемы? Они могут быть только у субъектов, то есть у тех, кто имеет возможности и имеет интересы. Проблема для субъекта и состоит в несоответствии интересов возможностям. Субъекты могут приблизительно одинаково воспринимать то, что происходит, но они относят его к своим интересам и возможностям, которые не поднимаются выше определенного уровня. Поэтому то, что происходит, не воспринимается ими как единая цельная проблема, что и приводит к несистемным решениям.
Какие есть подходы к решению этих проблем? Некоторые субъекты надеются управиться с ними с помощью проблемно-ориентированного подхода, при котором исследуются выявленные недостатки, сдерживающие достижение субъектом его целей. Рафинированная форма этого подхода - системный анализ, который использует идеологию целенаправленных систем. Но устранить феномен складывания с помощью проблемно- ориентированных методов невозможно, так как возникают не отдельные проблемы, а клубок проблем. И если стараться решить какую-нибудь одну проблему, то клубок проблем только увеличивается и спутывается, как и обычный клубок ниток при вытягивании одной нити. Надо разрубить клубок с помощью нормативного подхода, который основан на полагании желаемого класса систем. При создании систем этот подход должен координироваться с проблемно-ориентированным подходом. Нелепо устранять недостатки изжитой системы. Надо не проблемы решать, а строить все заново, подчиняя этой идее и свои интересы, и свои возможности. Рафинированной формой нормативного подхода являются системы с идеалом, к которому они должны стремиться.
Недостатком этих подходов, возникших в 60-х годах 20-го столетия и являющихся продуктами гонки вооружений, является отсутствие представления о развитии, в частности, о переходе из устаревшего качества в новое качество, которое задается последовательностью целей.
В начале 1970-х годов, задолго до осознания широкими кругами разработчиков бесперспективности создания автоматизированных систем на базе традиционных методологий, С.П. Никаноров сформировал новый методологический подход, в котором объектом автоматизированного проектирования являлись не АСУ, а системы организационного управления (СОУ) . К этим системам отнесены любые организации, в которых осуществлялось производство, управление, проектирование, обучение и другие виды деятельности с использованием компьютерных информационных систем. Идея о необходимости и проблемах проектирования организаций рассмотрена в предисловии к переведенной под его редакцией книге С.Янга ( в разделе 1).
На основе этого подхода к 1978-му году был выпущен технический проект автоматизированной системы проектирования (АСП) СОУ . Эта
АСП должна была разрешить проблему обеспечения управляемости процесса проектирования в условиях непрерывных изменений внутренней и окружающей среды, как проектируемой системы, так и проектирующей ее системы с помощью методов математического концептуального моделирования предметной области. Должен был быть обеспечен теоретический контроль проектных процессов, начиная от формирования первичного замысла и заканчивая рабочим проектированием и созданием организации.
Сущность методологии. Перед непосредственным проектированием системы организационного управления формируется ее общая математическая концептуальная модель. Процесс проектирования сводится к управляемой конкретизации общей модели и последующей ее интерпретации. Это обеспечивает целостность проекта системы, в отличие от традиционной технологии, когда проект является совокупностью автономно разрабатываемых частей. Полученный дедуктивным способом проект затем сопоставляется с исходными требованиями. При выявлении несоответствий концептуальная модель корректируется и затем осуществляется повторное проектирование.
Таким образом, в этой методологии процесс математической концептуализации является итерационным, и он не сводится к однозначной формализации объекта и процесса проектирования, как это имеет место, например, при проектировании теплоэнергетического комплекса, осуществляемого системой МАВР.
В разработанном техническом проекте АСП СОУ методы моделирования и проектирования были ориентированы на логически направленное и поэтому управляемое теоретическое и инструментально-технологическое проектирование. Прежде всего, обеспечивалась полнота понятийного пространства проектирования за счет логического формирования всевозможных комбинаций элементов понятийной конструкции с применением морфологического и иных методов. А математическая экспликация давала возможность оперировать понятийными конструкциями вне зависимости от прикладного содержания и знакового оформления.
Функции системы АСПСОУ показаны в табл.7.1. Теоретизация предметной области основывается на выявлении проблем, установлении их системной природы и возможных путей решения. При проектировании знаковой системы определяется состав баз данных, формы документов и т.п.
Таблица 7.1 Функции Выход Вход 1. Определение и реализация концепции теоретизации предметной области
Операционная трактовка теоретических схем. Определение процедур управления с их входами и выходами
Проектирование знаковой реализации СОУ и пространственно-временной привязки.
Документирование проекта СОУ 1. Модель (теория) предметной области
Проект системы организационного управления 1. Метамодели,
описывающие поня-тия организационных систем управления и их элементов
Метамодели формализованных теорий
Для реализации этой методологии был разработан набор теоретических схем, названных конструктами, используемых для формирования с помощью логических методов теории предметной области и модели объекта проектирования. Разработка конструктов и последующий синтез конкретных теорий с контролируемым формированием производных понятий осуществлялись с использованием математического аппарата теории структур Бурбаки . Были созданы различные технологии оперирования конструктами, позволяющие на их базе формировать сложные и при этом легко изменяемые понятийные схемы.
Из описания функциональной структуры видно, что, в отличие от системы концептуального программирования ПРИЗ (см.раздел 2), теории предметной области и модели объекта проектирования являются не входом, а выходом системы АСП СОУ. А уже затем формируются проекты СОУ, как производный результат логического вывода на построенных моделях предметной области и последующей интерпретации абстрактных математических конструкций. Входом в процесс проектирования являются сформированные с использованием заранее создаваемых абстрактных метаматематических схем (конструктов), метамодели, описывающие понятия СОУ и их элементов, и метамодели, описывающие имеющиеся формализованные теории, необходимые для моделирования СОУ. К ним относятся теории технических систем, теории производственных систем, теории целенаправленных систем и т.д. Новым здесь явилось также использование аксиоматического представления теорий.
Функциональная структура АСП СОУ
Универсальность этой методологии предопределяется сформированной общей метамоделью проектируемой системы с использованием
конструктов, которые имеются в памяти системы, и возможностями ее конкретизации при проектировании. Если при интерпретации конкретизированной метамодели с помощью понятий охватываемой предметной области, СОУ и ее элементов выявляется ее неадекватность, то выбираются, либо другие способы конкретизации, либо корректируется общая концептуальная модель.
Математические модели понятий формируются с использованием различных теорий таких, таких, как теория структур, теория множеств, категорная теория систем и т.д., в разных знаковых формах - текстах, таблицах, формулах, графиках и т.д., в разных языках, шрифтах и с разным размещением на различных носителях. Это может быть выражено с помощью, предложенной в 70-х годах С.П.Никаноровым, теоретической схемы, названной «логосинотопотех». В ней выделялась логическая сущность («лог»), представляющий ее знак («син») и место расположения знака («топ») на носителе («тех»). Главным в этой схеме было семантическое отношение: «лог» раскрывает смысл знакового представления «син».
В этом подходе объектом проектирования является и функциональная структура организации и процесс ее проектирования. Методология включает дедуктивный и индуктивный этапы проектирования. Дедуктивный этап осуществляется с помощью предварительно разработанных и сохраняемых в памяти метасистемы концептуальных аксиоматических описаний необходимых областей знаний в разных математических формах - теоретико- множественной, категорной, теоретико-системной конструктов в шкалах множеств Н. Бурбаки. Потом для сформированных метамоделей системы осуществляется выбор методов и, в конечном итоге, выбор технологий с использованием базы разных теорий, моделей, методов и средств.
Индуктивный этап наступает при контроле адекватности сформированных проектов и последующем итеративном корректировании начальных теоретических схем.
Применяемость рассматриваемой методологии для проектирования организаций ограничена ориентацией на специалистов высокой квалификации, владеющих инструментарием создания и использования математических конструктов, осуществляемого в течение последних трех десятков лет научным коллективом, возглавляемым С.П. Никаноровым.
В настоящее время имеется несколько сотен конструктов и набор методов оперирования ими. Силами сравнительно небольшого коллектива специалистов был разработан информационно-программный инструментарий для автоматизированной поддержки формирования математических метамоделей предметных областей с использованием накапливаемой базы конструктов. Были созданы автоматизированная система , обеспечившая запросный режим и выполнение операций синтеза, порождения, визуализации и т.д., синтаксический и семантический анализаторы, а также лингвистический интерпретатор родов структур. Дальнейшее развитие инструментария ориентировалось на поддержку процесса проектирования организационных процедур и форм документов.
К сожалению, для реализации этой методологии при ее появлении не были разработаны детальный технологический проект и полная инструментальная система. Для получения промышленного результата требовалось задействовать мощные организации, специализирующиеся на разработке информационно-программного обеспечения, на что была нужна серьезная государственная поддержка. Когда-то академик В.М.Глушков, директор Киевского института кибернетики, говорил, что создание общегосударственной автоматизированной системы (ОГАС) необходимо финансировать так же, как космические программы или атомную промышленность. Но, к сожалению, этого не произошло.
Рассматривая эту методологию с современных позиций, видно, что в ней недостаточно внимания уделялось непосредственному, конкретному моделированию и развитию действующих организаций в рамках теорий производственных и экономических систем. Она была ориентирована на разработку новых систем, что соответствовало существовавшей в тот период времени ориентации на создание автоматизированных систем производства, проектирования и управления.
Хотя формально тогда и требовалось проведение предварительного обследования и анализа действующих систем, согласно имеющейся регламентирующей документации, и даже были разработаны детальные методики диагностического обследования и моделирования организаций, но на практике это осуществлялось редко. При отсутствии соответствующего инструментария данный этап требовал огромных усилий и времени, а результат работы проектировщиков учитывался по сданному госкомиссии проекту новой системы и ее опытному внедрению.
При выбранном методе дедуктивного формирования проекта становится затруднительным переход к имеющемуся разнообразию содержания реальных процессов, при котором осуществляется модельная интерпретация, когда элементы модели отображают конкретные элементы систем организационного управления, обозначаемые терминами исходной области знаний. В метамодельной интерпретации термам теоретических конструкций приписываются так называемые лингвистические переменные. Но как перейти к конкретным элементам системы организационного управления, если предварительно не построена ее исходная модель? И как формировать для нее математическую модель с заданным набором определенных ограничений и целевой функцией, адекватной реальности?
Такие модели нужно было создавать при развитии действующих организаций и накапливать модели-прототипы для использования при проектировании новых систем. Но надо помнить, что использование этих моделей в наглядном виде стало возможным только после появления компьютеров с большим быстродействием и огромной памятью, а также инструментальных средств, обеспечивающих формирование таких моделей. Без таких моделей невозможно производить операционное сопоставление теоретических результатов с требованиями, заданными в исходной области знаний и определять адекватность использованных абстрактных схем.
С другой стороны, если имеется конкретная содержательная модель, построенная в понятиях исходной области знаний, а инструментальная система может логически обрабатывать и нематематические понятия, то необходимо обосновать целесообразность применения математических концептуальных моделей в условиях использовании сетей компьютеров с большой памятью и быстродействием.
При использовании рассматриваемой методологии следует учитывать, что, уменьшая разнообразие и удерживая разработку системы в определенных теоретических границах, применение конструктов одновременно огрубляет предметную область, ограничивая возможности понятийного моделирования профессионалов. Когда конструкт создается, то рассматривается и идеализируется некоторая сторона сущности. Будучи созданным, конструкт может иметь много материальных и знаковых воплощений, но при этом он отображает лишь математический аналог некоторой стороны сущности, а не саму содержательную сторону сущности, которую адекватно может воспринимать профессионал в этой области. При этом природа знаний в предметных областях зачастую такова, что фразы, с помощью которых общаются профессионалы, являются лишь намеком на образы реальной сущности, возникающие у них при обучении и в результате приобретения опыта. Эти образы активизируются при восприятии фразы в сознании специалиста, но для передачи смысла фраз специалистам из других областей знаний соответствующие образы требуют расшифровки намеков.
Проблемой является и обеспечение теоретического контроля процесса создания конструктов, в частности, обоснования выбора аспектов сущности, лежащих в основе разработки математических конструкций, и корректности ее выполнения. Используемые математические конструкты должны обеспечивать интеграцию методов и средств, имеющихся в разных предметных областях, выполняя функцию их теоретической надстройки. Учитывая огромную масштабность и сложность областей знаний, которые необходимо охватывать современному разработчику, эти конструкты могут выполнять и гносеологическую функцию.
В при анализе этого подхода отмечено, что он ориентирован на прямое обеспечение при проектировании систем желаемых их свойств. Но для его реализации необходимо накопить требуемые конструкты, обеспечивающие такие возможности, опробовать необходимые методы синтеза, конкретизации и интерпретации и их программное обеспечение, доведя его до промышленного уровня. Ограниченность применения этого подхода может быть связана с проблемами перехода от общих конструктов к имеющемуся понятийному разнообразию исходной области знаний, а также с тем, что его эффективно могут реализовать только специалисты, умеющие работать с конструктами.
Полная библиография публикаций по концептуальному анализу и проектированию за период с 1967 по 2003 год приведена в . В ней представлено 742 публикации, сгруппированные по алфавиту авторов, по годам публикации и по тематике. Авторский указатель охватывает 189 авторов, а тематический - 83 рубрики.

Задачей концептуального проектирования является определение информационных потребностей "предприятия", тех процессов и данных, которые необходимы для обеспечения этих потребностей. Процесс концептуального проектирования начинается с изучения деятельности "предприятия", т.е. с анализа предметной области . Вначале определяются цели и задачи предприятия, анализируются процессы (планирование, управление, контроль), обеспечивающие достижение этих целей и выполнение поставленных задач. Затем осуществляется разбиение процессов на процессы более низкого уровня до тех пор, пока в результате декомпозиции не будет достигнут уровень приложений, выполнение которых возможно без дальнейшего разбиения. Далее определяются информационные потребности каждого приложения, определяются требования к данным, которые, в сущности, определяют локальные представления, о которых речь шла выше. Дальнейший процесс объединения этих локальных представлений, устранение возникающих противоречий, имеет своей целью создание единого цельного представления БД, называемого как уже упоминалось выше концептуальным представлением. К сожалению, следует констатировать, что проектирование БД все еще является весьма субъективным занятием, поскольку не существует действительно строгих методов решения этой задачи.

Концептуальная схема описывает общее представление в терминах некоторой абстрактной модели данных .

2.Модель данных

Любая модель данных содержит три компоненты:

Описание структуры данных , т.е. описание объектов, на которых строится БД.

Ограничения целостности , т.е. набор правил, которые ограничивают множество экземпляров этих объектов, допустимых в БД.

Набор допустимых операций , т.е. набор операторов, которые применяются для обработки экземпляров объектов.

Модель данных предполагает, как минимум, наличие языка определения данных (ЯОД) для описания структуры и языка манипулирования данными (ЯМД), включающего операции извлечения и модификации данных, а также наличие механизма поддержания соответствия данных предметной области на основе формально описанных правил.

Популярный подход к моделированию данных был предложен Питером Ченом в работе «Модель сущность-связь – к унифицированному виду данных». Этот подход основан на модели «сущность-связь» или ER-модели, обсуждению которой посвящена настоящая лекция.

ER-модель основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена длялогического представления данных.

3.Модель «сущность-связь». Семантические концепции

Укажем семантические концепции (конструктивные элементы), используемые в этой модели.

Сущности (мы будем пользоваться более привычным термином – Объекты ) подразделяются на правильные(сильные) и слабые . Слабым называется объект, который находится в зависимости от некоторого другого объекта, т.е. он не может существовать, если не существует этот другой объект .Правильным объектом называется объект, который не является слабым. Например, в базе данных фирмы, в которой хранятся данные о предпочтениях клиентов, объект «Предпочтения» является слабым, т.к. экземпляра этого объекта, соответствующего конкретному клиенту, не может быть в базе данных, если не существует соответствующий экземпляр объекта «Клиент». В частности, если данный экземпляр объекта «Клиент» будет удален, то так же должны быть удалены все зависящие от него экземпляры объекта «Предпочтения».

Возможны случаи, когда некоторый объект А является специальным видом другого объекта В . Тогда говорят, что А является подтипом В (или " А есть В ") или В является обобщением А . Например, в базе данных "Авиалинии" имеется объект "Служащие". Для указания того, кто из служащих является пилотом, можно в БД определить объект "Пилот" как подтип объекта "Служащий". Пилоты автоматически обладают всеми свойствами сотрудников, однако обратное утверждение неверно (например, для пилотов может быть дополнительно определено свойство "Тип самолета, которым пилот владеет в наибольшей мере" неприменимое ковсем сотрудникам). Аналогично, пилоты автоматически участвуют во всех связях (см. ниже), в которых участвуют сотрудники. О таких свойствах и связях говорят, что онинаследуются подтипом от супертипа.

Подтип в свою очередь может являться супертипом для объектов-подтипов следующего уровня, те в свою очередь для следующего и т.д., образуя, таким образом, иерархию типов для данного объекта. Пример такой иерархии представлен на рис. 1.

Рис. 1. Пример иерархии объектов

Иерархию типов не следует путать с иерархией данных. На рис.1 вовсе не подразумевается, что один сотрудник может иметь в подчинении нескольких программистов, наоборот, для одного экземпляра объекта "Служащий" существует максимум один экземпляр объекта "Программист", представляющий того же самого сотрудника в роли программиста.

Атрибуты и их классификация.

Напомним, что атрибут – это свойство объекта или связи, которое характеризуется именем и множеством допустимых значений.

Атрибуты подразделяются на простые и составные. Простой атрибут не может быть разделен на более мелкие независимые элементы (в рамках используемой модели данных). Составной атрибут состоит из нескольких независимо существующих элементов (например, составное свойство «имя сотрудника» может складываться из простых свойств «имя», «отчество» и «фамилия»).

Атрибуты также подразделяются на – однозначные и многозначные . Однозначный атрибут содержит только одно значение для каждого экземпляра объекта определенного типа. Многозначный атрибут может содержать несколько значений для каждого экземпляра объекта определенного типа . Например, название отделения или филиала компании -однозначныйатрибут, а номер телефона отделения – вообще говоря, многозначный (оно может иметь несколько номеров).

Еще одно разделение атрибутов – на базовые и производные. Базовый атрибут – это такой, значение которого не зависит от значений других атрибутов данного объекта или других. Производный атрибут - это такой, значение которого зависит от значений некоторого множества других атрибутов

Атрибут является ключевым , уникальным, если он однозначно идентифицирует каждый экземпляр объекта из данного набора .

Связи и их характеристики

Связи устанавливаются между объектами, называемыми участниками , а количество участников данной связи называется степенью этой связи. Связь может быть полной или частичной . Пусть R является связью, которая содержит объект Е в качестве участника. Тогда, если каждый экземпляр объекта Е находится, по крайней мере, в одном экземпляре связи R , то участие Е в связи R называется полным, в противном случае – частичным. Например, если каждый товар должен поставляться, по крайней мере, одним поставщиком, то участие товаров в связи между товарами и поставщиками является полным. Но если допустима такая ситуация, когда некоторый товар не поставляется ни одним поставщиком, то участие товаров в связи является частичным.

Обсудим несколько важных общих характеристик связей:

Связь может быть определена на более чем двух объектах. Например, связь объектов "Отделение"-"Специализация"-"Предмет"-"Вид испытания" определяет перечень испытаний (экзаменов, зачетов, курсовых и пр.), которые необходимо выдержать студенту, обучающемуся по некоторой специализации на конкретном (например, "дневном") отделении. Эта связь определяется, в частности, на четырех сущностях.

Может существовать несколько связей, определенных на одних и тех же множествах объектов . Например, связи "Работает над" и "Руководит" определяются на совпадающих множествах объектов {"Проект", "Служащий"}.

Связь может устанавливаться между разными экземплярами одного объекта. Такая связь называется рекурсивной.

Связь может определять зависимость существования (existence dependency) одного объекта от другого . Например, связь "Подчиняется" показывает, что существование экземпляра объекта в наборе "Подчиненный" зависит от присутствия экземпляра некоторого объекта в наборе объектов "Служащий".

Главным направлением деятельности Компании «Метод» с момента ее основания и по настоящее время является разработка изобретающих компьютерных программ на основе методов концептуального проектирования технических систем.

Концептуальное проектирование - это отдельный вид проектной деятельности. Её результат - варианты концепций проектируемой технической системы (ТС) как в целом, так и ее отдельных частей.

Концепция ТС имеет различные формы представления, отличающиеся уровнем проработки (конкретности). Это:
Функциональная схема, в которой указан набор элементов ТС, выполняющих ту или иную техническую функцию, и способ их взаимодействия.

Принцип действия , определяющий взаимосвязь между физическими (химическими и т.п.) явлениями, протекающими в ТС на различных этапах ее жизненного цикла.

Принцип изменения , указывающий, как надо изменить материалы, конструкцию, режимы работы и взаимодействие устройства с окружающей средой, чтобы улучшить его характеристики.

Конструктивная схема , которая определяет состав ТС, взаимное расположение и взаимосвязь между ее элементами, особенности их конструктивного исполнения, используемые материалы, оптимальное соотношение параметров элементов и другие существенные признаки. Обычно, для краткости изложения, конструктивная схема ТС представляется в виде отличительной формулы . В ней перечисляются только те конструктивные признаки, которые отличают проектируемую ТС от ее прототипа.

Основной объем задач концептуального проектирования приходится решать на ранних стадиях разработки ТС: при разработке концепт - проекта и эскизном проектировании. Иными словами, тогда, когда определяется облик будущего изделия. Однако, и в дальнейшем, на этапах рабочего проектирования, испытаний, постановки на производство разработчики сталкиваются со сложными техническими проблемами. Их устранение так же требует методов концептуального проектирования.

Место и объем концептуального проектирования как отдельной поисковой процедуры поясняет следующая схема.

Концептуальное проектирование - это важнейшая составляющая процесса создания нового изделия. В конечном итоге, именно число проработанных концепций будущего изделия определяет его новизну и качество , а, следовательно, его конкурентоспособность и объем продаж .

Практическое применение методов концептуального проектирования показало, что они незаменимы при решении таких задач, как:

• разработка новых устройств и технологий;
• повышение качества и снижение издержек производства;
• прогноз развития конкретной области техники;
• получение приоритета в заданной области техники;
• управление знаниями и интеллектуальной собственностью предприятия.

Изобретательство и концептуальное проектирование

Изобретательство и концептуальное проектирование являются родственными видами деятельности, отличающимися, в основном, своим целями.

Изобретательство - это индивидуальная инициативная деятельность. Цель изобретателя состоит в создании изобретения, т.е. технического решения, обладающего мировой новизной . Изобретательство, как вид человеческой деятельности, сродни искусству. Поэтому очень часто создание изобретения несет в себе элемент случайности . Многие замечательные изобретения появляются «ни тогда» и «ни там», как того требует реальное производство. Это одна из главных причин трудностей внедрения изобретения в практику.

Случайный характер изобретательства может задержать развитие техники не на годы, а на тысячелетия! Например, древним грекам были известны все элементарные технические устройства, которые использовал Эдисон в своем фонографе для записи и воспроизведении звука. Они знали о свойствах струн колебаться при дуновении ветра, о колебании мембран барабанов, применяли рычаг для увеличения силы и использовали дощечки, покрытые воском, для записи слов. Однако соединить все эти знания вместе в одном устройстве они не смогли. Кстати, изобретению фонографа Эдисон также обязан счастливому случаю.

В отличие от изобретательства, концептуальное проектирование - это плановая производственная деятельность . Её цель - решить техническую проблему, которая поставлена перед разработчиками, в заданный срок. При этом, обычно, не ставится задача найти принципиально новое техническое решение, т.е. изобретение.

Если техническое решение находится после установленного срока, то, как правило, реализовать его практически не удается. Использование такого решения в текущем проекте невозможно, т.к. упущено время. В следующем проекте аналогичного изделия этому решению также обычно не находится места, т.к. появляются новые требования и новые решения.

Цель концептуального проектирования - обеспечение планомерности решения технической проблемы - достигается за счет применения современных информационных технологий. В отличие от изобретательства, в котором преобладает творческое начало человека, концептуальное проектирование - это, в первую очередь, технология. Именно она позволяет гарантировать нужный результат в установленные сроки.

ТРИЗ и концептуальное проектирование

ТРИЗ - теория решения изобретательских задач - была разработана Альтшулером Г.С. и его учениками в СССР в период 50 - 80-х годов прошлого века. Эта методология успешно развивается и в настоящее время. Методы ТРИЗ используют как отдельные изобретатели, так и консультационные фирмы во многих странах мира.

ТРИЗ и концептуальное проектирование являются родственными методологиями. У них одна и та же цель - плановое, целенаправленное решение технических проблем, но различные методы.

Основной арсенал ТРИЗ - это эвристические методы , состоящие из специальных алгоритмов, инструкций, методических рекомендаций и т.п., которые ориентированы на использование их человеком. Методы ТРИЗ помогают изобретателю проанализировать техническую проблему, придумать решение и расширить область его применения.

Более широкое использование методов ТРИЗ в инженерной практике ограничено необходимостью предварительного обучения . Овладеть этими методами на должном уровне можно только после длительного обучения на специальных курсах у опытного преподавателя.

Соответствующей реакцией на проблему обучения стало создание компьютерных программ, реализующих методы ТРИЗ. Однако, это не позволяет полностью избежать предварительного обучения. В этих программах компьютер используется как вспомогательное средство. С его помощью изобретатель, в основном, регистрирует результаты решения технической проблемы, а также находит подходящие эвристические приемы и технические примеры. При работе с такими компьютерными программами весь объем творческих операций изобретатель должен выполнить сам.

В концептуальном проектировании для решения технических проблем используются формальные методы и большие базы знаний , которые могут быть реализованы только в виде компьютерных программ. Пользователю совсем необязательно знать, какие методы (алгоритмы) применяются в этих программах. Ему достаточно указать техническую проблему, нажать кнопку «Решить» и выбрать лучшее из найденных решений. Таким образом, методы концептуального проектирования позволяют любому инженеру целенаправленно решать технические проблемы без предварительной методической подготовки.

Несмотря на указанные различия, подходы ТРИЗ и концептуальное проектирование не исключают, а дополняют друг друга. Методы ТРИЗ незаменимы при поиске направлений решения технической проблемы. Они помогают инженеру перейти от сложной технической проблемы к типовым изобретательским задачам. После этого можно применить методы концептуального проектирования. Уже сейчас изобретающие программы на основе методов концептуального проектирования могут решать некоторые изобретательские задачи средней степени сложности. Это обеспечивают обширные базы конкретных инженерных знаний и сложные формальные алгоритмы, которые используются в этих программах.

Кроме того, как показывает наш опыт, наилучших результатов при работе с современными изобретающими программами добиваются инженеры, владеющие ТРИЗ.

К этому надо добавить, что полностью формализовать весь процесс решения технических проблем не удастся никогда. Очевидно, что со временем область применения изобретающих компьютерных программ будет расширяться, но они никогда полностью не заменят в этом деле человека. И вызвано это не тем, что еще не решены какие-то математические проблемы или не хватает быстродействия и памяти у существующих компьютеров. Проблема только в одном: компьютер не изобретает, потому что он этого не хочет!

Концептуальное проектирование порой называют техническим . Его основными этапами являются:

1) предварительное проектирование,

2) эскизное (рабочее или техно-рабочее) проектирование,

3) изготовление, испытания и доводка опытного образца системы (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Этапы концептуального проектирования.

Стадия концептуального проектирования начинается с детального анализа первичных данных и уточнения концептуальной модели данных, после чего проектируется архитектура системы . При этом оценивается возможность использования существующих ИС и выбирается соответствующий метод их преобразования. После построения проекта уточняется исходный бизнес-план. Выходными компонентами этой стадии являются концептуальная модель данных, модель архитектуры системы и уточнённый бизнес-план.

В ходе выполнения последующих стадий проектирования предполагается более глубокая и детализированная проработка решений, выработанных на данной стадии. При этом не исключается появление необходимости их существенного изменения. Хотя действующие нормативные документы предусматривают возможность, внесение изменений в проект или программу (концепцию), как правило, это связано с потерями финансовых, материальных и трудовых ресурсов как со стороны “Заказчика”, так и “Разработчика”. Указанные потери могут оказаться весьма значительными, если необходимо вносить весомые изменения в первоначальные проектные решения и чем позже эта потребность возникает. Отсюда следует особая значимость данной стадии проектирования для успешного создания АИС, а также ответственность Разработчиков и Заказчика при выполнении работ и согласовании итогового документа.

На стадии разработки , интеграции и тестирования должна быть создана тестовая БД и тесты. Проводится разработка, прототипирование и тестирование баз данных и приложений в соответствии с проектом. Отлаживаются интерфейсы с существующими системами. Описывается конфигурация текущей версии ПО. На основе результатов тестирования проводится оптимизация БД и приложений. Приложения интегрируются в систему, проводится их тестирование в составе системы и испытания системы. Основными результатами стадии являются готовые приложения, проверенные в составе системы на комплексных тестах, текущее описание конфигурации ПО, скорректированная по результатам испытаний версия системы и эксплуатационная документация на систему.

В результате такого проектирования должна быть получена логическая структура системы (подсистемы, модуля и др.), схемы вводы, вывода, представления, преобразования данных и т.п.

В соответствии с уставными правилами и документацией проекта заключительный этап создания системы предполагает комплексное тестирование всех её компонентов, обучение пользователей, постоянное администрирование и др.

Стадия внедрения включает в себя действия по установке и внедрению баз данных и приложений. Основной результат стадии – готовая к эксплуатации и перенесенная на программно-аппаратную платформу Заказчика версия системы, документация сопровождения и акт приёмочных испытаний по результатам опытной эксплуатации.

На стадии эксплуатации осуществляется постоянный (лучше – автоматический) контроль работоспособности системы (мониторинг) с целью отслеживания состояния объектов, своевременного выявления ошибок и нештатных ситуаций, её развития.

Стадии сопровождения и развития включают процессы и операции, связанные с регистрацией, диагностикой и локализацией ошибок, внесением изменений и тестированием, проведением доработок, тиражированием и распространением новых версий ПО в места его эксплуатации, переносом приложений на новую платформу и масштабированием системы. Стадия развития фактически является повторной итерацией стадии разработки.

Результатом концептуальной стадии проектирования АИС является итоговый документ – “Концептуальный проект”, “Аванпроект”, “Пилотный проект” или “Концепция и программа создания…”. В дальнейшем будут преимущественно использоваться термины “Концептуальный проект” и “Концепция” или “программа создания…”.

Концептуальное проектирование системы характеризуется сжатыми сроками. По этой причине выполнение работ, связанных с ним и предпроектным обследованием объекта могут осуществляться параллельно или перекрываться по времени их выполнения.

При проектировании, в т.ч. при решении проблем автоматизации процессов, обычно изначально принимается один из двух вариантов: создание системы решающей сиюминутные задачи или включающей и перспективные задачи (“на вырост”), учитывающие будущие потребности.

В первом случае можно выбрать недорогое решение и быстро его реализовать. Однако высока вероятность, что достаточно скоро такую систему потребуется в значительной степени модернизировать или заменить.

Во втором случае потребуется более серьёзная проработка требований и технических решений, влекущая за собой увеличение сроков выполнения и стоимости проекта. Но в этом случае возможно на гораздо больший период времени продлить эффективное функционирование созданной таким образом системы. Однако большие инвестиции сопряжены с бóльшими рисками. Поэтому рекомендуется разбивать предстоящие работы на небольшие этапы, реализация которых способна принести конкретный и ощутимый результат, обеспечивающий решение поставленной задачи. В этом случае при минимальных инвестициях можно обеспечить быструю отдачу и создать фундамент дальнейшего развития системы, способствующий, в том числе, изучению полученных результатов, корректировки дальнейших действий и т.п. Таким образом, разработка системы приобретает цикличный характер. И хотя подобный подход несколько более затратный, чем комплексное решение масштабной задачи, он позволяет уменьшить высокие риски, связанные с изменениями требований к разрабатываемой системе.

Не следует упускать из виду, что быстрое развитие науки, техники и технологий приводит к быстрому старению используемых методов и систем, что отрицательно влияет на эффективность их использования. При этом поэтапно вносить изменения в отдельные компоненты системы значительно проще, чем заменять её полностью. Кроме того, обычно требуется обеспечить быстрый возврат инвестиций, что достаточно сложно организовать при внедрении комплексных решений.

Можно выделить три основных вида проектирования объектов и систем по степени их сложности, объёму и ряду других показателей: крупные, средние и малые (мелкие) проекты.

При реализации крупных проектов обычно прибегают к помощи хорошо зарекомендовавших себя крупных компаний-интеграторов, в том числе консалтинговых и внедренческих организаций.

Для реализации средних проектов стараются обойтись своими силами и (или) используют готовые решения, которые стремятся адаптировать под конкретные требования организации-заказчика.

Малые проекты характеризуются использованием готовых решений и, в ряде случаев, адаптацией их под конкретные условия использования.

Проектирование ИС начинается с составления в текстовой и (или) графической форме плана работ. На первом этапе проектирования необходимо выяснить требования пользователей к системе и, на основании этих требований, сформировать макет системы. Предпочтительно осуществлять проектирование модульным методом. Проектирование информационных систем непосредственно связано с их программированием, поэтому значительная часть проектных работ связана с программированием ИС.

Модульное программирование – метод разработки программ, предполагающий разбиение программы на независимые модули. Считается, что модуль должен обладать оптимальными размерами (как правило, целиком помещаться на экране дисплея) и что разделение большой программы на модули облегчает её разработку, отладку и сопровождение.

Программный модуль, объединяющий в себе данные (свойства) и операции над ними (методы), называют объектом.

Объект – абстрактное множество предметов, все предметы которого имеют одни и те же характеристики.

На выбор средств проектирования могут существенно повлиять следующие особенности методов проектирования:

· ориентация на создание уникального или типового проекта;

· итерационный характер процесса проектирования;

· возможность декомпозиции проекта на составные части, разрабатываемые группами исполнителей ограниченной численности с последующей интеграцией составных частей;

· жёсткая дисциплина проектирования и разработки при их коллективном характере;

· необходимость отчуждения проекта от разработчиков и его последующего централизованного сопровождения.

ER-модели
Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. В 1976 году Чен (Chen) предложил для проектирования ИС (баз данных) использовать ER-модели (Entity Relationship model – модель «сущность-связь»), представляющие концептуальные модели данных. Они получили широкое распространение в современных CASE-системах, поддерживающих автоматизированное проектирование ИС и обычно используются на этапе информационно-логического моделирования.

ER-модель наглядно изображает структурные блоки информации и логические взаимосвязи между ними. Основными понятиями являются сущность, связь и атрибут (см. Таблицу).

Таблица понятий: сущность, связь и атрибут.

Тип связи указывается индексами «1» или «М» над соответствующей линией. Например, связь «Руководство» имеет тип «один ко многим»: один сотрудник может руководить многими проектами; связь «Участие» имеет тип «многие ко многим»: один сотрудник может участвовать во многих проектах, и в проекте могут участвовать много сотрудников. На рисунке приведен пример ER-диаграммы.

На основе ER-моделей последовательно формируют реляционные БД.

Важным параметром ИС является простота её использования, включающая обеспечение качества проектной документации. При проектировании следует ориентироваться на следующие документы:

ГОСТ 24.602-86 . Автоматизированные системы управления. Состав и содержание работ по стадиям создания. (Введён с 01.01.89.–М.: Изд-во стандартов, 1986.–12 с.).

ГОСТ 34.601-90 . Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания (Введён с 29.12.90, 24.601-86. 24.602-86. 1997 г.).

ГОСТ 34.602-89 . Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы. Введ. 01.01.90.

ГОСТ 34.603-92 . Информационная технология. Виды испытаний автоматизированных систем.

РД 50-640-87 . Системы автоматизированного проектирования. Порядок выполнения работ при создании систем: Инструкция.–М.: Изд-во стандартов, 1987.–28 с. и др.

Концептуальное (инфологическое) проектирование (КП) системы – это конструирование информационных моделей предметной области(ОУ), котрые не зависят от условий программной и аппаратной реализации.

Здесь выполняется три функции:

1. определение типов сущностей предметной области

2. определение типов связей между сущностями

3. определение атрибутов и связывание их с типами сущностей и связей.

4. создание локальных концептуальных моделей данных в виде диаграмм “сущность - связь”.

5. обсуждение ЛКИМД с пользователями.

Рис. 3.1.3.1 Соответствие этапов проектирования и элементов архитектуры ANSI/SPARC.

Этап логического проектирования.

Логическое проектирование – это конструирование информационных моделей на базе существующих концептуальных модулей. Т.е. на этом этапе концептуальная модель данных преобразовывается в локальную логическую модель данных и далее в глобальную логическую модель данных(ГЛМД) с учетом типа используемой СУБД. Этот этап содержит 2 подэтапа:

На первом подэтапе выполняется:

1. преобразование локальной концептуальной модели данных (ЛКМД) в локальную логическую модель данных(ЛЛМД);

2. определение набора отношений(таблиц) исходя из структуры ЛЛМД;

3. проверка ЛЛМД с помощью правил нормализации;

4. проверка ЛЛМД в отношении транзакции пользователей;

5. создание окончательной диаграммы «сущность-связь» для каждой ЛЛМД;

6. определение требований к ЛЛМД с точки зрения обеспечения целостности данных;

7. обсуждение ЛЛМД с конечными пользователями.

На втором подэтапе выполняется:

1. слияние ЛЛМД в ГЛМД;

2. проверка и корректировка ГЛМД;

3. создание окончательного варианта диаграммы «сущность-связь», отображающей ГЛМД;

4. обсуждение ГЛМД с конечными пользователями.

Т.о. концептуальное и логическое проектирование позволяет решить следующие задачи:

1 - разбить весь проекта на группу относительно небольших простых задач исходя из структуры предметной области, т.е. создать ЛКМД

2 преобразовать ЛКМД в ЛЛМД

3 объединить ЛЛМД в ГЛМД

Этап физического проектирования

Этот этап состоит из 3-х подэтапов:

1. внедрение ГЛМД в среду конкретной СУБД:

Проектируются основные таблицы в среде СУБД

Реализация функций связанных с управлением ПО или т.н. бизнес-правил для ПО

2. создание проекта физического представления БД:

Выбор конкретной структуры хранения данных

Определение требований к внешней памяти

3. разработка средств защиты БД:

Разработка и учет пользовательских представлений о защите данных

Определение правил доступа для разных типов пользователей

На этом же этапе необходимо рассмотреть вопросы мониторинга и настройки всей системы.

Выбор СУБД.

Выбор СУБД необходим для обеспечения оптимального способа поддержки данной БД и всех приложений ИС. Целесообразно этот выбор осуществить между этапами концептуального и логического проектирования, т.к. это даёт возможность определиться в типе СУБД. Выбор СУБД является довольно трудоемкой задачей, т.к. различные СУБД существенно отличаются друг от друга по целой группе параметров.

Общий список параметров включает:

1. физические параметры:

предусмотрены ли файловые структуры в данной СУБД;

наличие средств индексирования;

наличие средств сжатия данных;

возможность шифрования данных;

требуемые объемы ОЗУ и ПЗУ для данной СУБД и т.д.

2. параметры определения данных:

тип базовой модели организации данных;

наличие поддержки в расширении первичных ключей;

наличие средств поддержки целостности данных;

предусмотренные типы данных;

3. общие параметры:

стоимость СУБД;

наличие поддержки работы СУБД в Internet;

производительность данной СУБД;

4. параметры, определяющие доступность в плане создания приложений:

возможности языка запросов;

наличие многопользовательского доступа;

возможность использования языков современного уровня;

5. группа параметров, описывающих средства технологии разработки ИС:

наличие инструментов для работы с оконным интерфейсом;

наличие case-инструментов;

Эти параметры обычно снабжаются теми или иными весовыми коэффициентами, которые определяют степень важности этого параметра для данного заказчика (предприятия). Это позволяет используя числовые данные по каждому параметру рассчитать для каждой СУБД общий(интегральный) показатель и, следовательно, более объективно оценить её. Заказчик и проектировщик ИС выбирают ту СУБД, для которой интересующий показатель – наибольший(наилучший).

Разработка приложений.

Цель разработки приложений заключается:

1. создание проекта транзакций

2. создание проекта интерфейса пользователя.

Проектирование транзакций.

Транзакций – одно действие или последовательность действий, выполняемых одним и тем же пользователем и/или одной прикладной программой(ПП), в результате чего появляется возможность обеспечить доступ к БД и/или изменить её содержимое (пример транзакций – регистрация клиента в БД какого-либо банка).

Обычно транзакция выполняется частично персоналом АИС, а частично ПП или самой СУБД.

Основные типы транзакций:

1. транзакции извлечения – действия, обозначающие выборку данных из базы

2. транзакции обновления – действия, в результате которых обеспечивается либо удаление определенных данных, либо их изменение, либо добавление некоторых данных.

3. смешанные транзакции

При проектировании транзакций необходимо определить и задокументировать характер(свойства) всех транзакций, которые будут реализовываться в АИС. В их числе:

1. исходные данные, которые использует транзакция;

2. выходные данные, формируемые транзакцией;

3. функциональные характеристики транзакций;

4. степень важности транзакции для пользователя;

5. предполагается интенсивность использования данной транзакции.