Модели и методы планирования разработки и отладки программного обеспечения автоматизированных информационно-управляющих систем

Актуальность темы

исследования. Качество и эффективность функционирования современных автоматизированных информационно-управляющих систем (АРГУС) в значительной степени определяются качеством используемого в них программного обеспечения, которое представляет собой большое число программ объемом в десятки тысяч команд. Одним из основных этапов формирования качества сложных комплексов программ АИУС является системная отладка. Трудоемкость существующих методов отладки комплексов программ АИУС составляет 50% общей трудоемкости разработки и внедрения системы, а длительность в отдельных случаях составляет несколько месяцев.

Наиболее перспективным путем уменьшения трудоемкости подготовки и повышения качества комплекса программ АИУС является разработка и использование формализованных моделей и методов планирования и организации процессов отладки, автоматизации генерации тестов и локализации обнаруженных ошибок. Известные в настоящее время методы оптимизации отладочных работ недостаточно формализованы, не всегда и не в должной мере учитывают специфику создания и функционирования АИУС, реализованы для частных случаев или отдельных этапов отладки. Эти обстоятельства не позволяют учесть все необходимые факторы, влияющие на качество комплексов программ АИУС, и приводят к решению общей проблемы совершенствования отладки на основе здравого смысла, интуиции и опыта разработчиков и программистов.

Разработка и использование методологии повышения качества комплексов программ АИУС, формальных методов и моделей планирования и организации системной отладки позволяют существенно сократить стоимость и сроки разработки и внедрения программного обеспечения и повысить качество проектируемых систем управления.

Широкое использование АИУС в различных отраслях хозяйственной деятельности, рост объемов и сложности используемого в них программного обеспечения, существенные затраты времени и средств на его отладку, а также значительные потери от необнаруженных в процессе отладки ошибок обусловливают актуальность выполненных и представленных в диссертации научных исследований.

Степень разработанности проблемы. Основы методологии разработки и отладки сложных комплексов программ были заложены в работах зарубежных ученых Б. Боэма, Дж. Роббинса, М. Холстеда, М. Шумана и др. Кроме того, данной проблемой занимались отечественные ученые: В. В. Липаев, А. Г. Мамиконов, В. В. Кульба, С. А. Косяченко, П. П. Пархоменко, П. А. Правильщиков.

Однако в работах указанных авторов недостаточно полно рассмотрены вопросы планирования системной отладки сложных комплексов программ. В связи с этим, существует необходимость более детального исследования данной научной задачи.

Объект исследования — сложные комплексы прикладных программ автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС).

Предмет исследования — методы планирования разработки и отладки комплексов программ АИУС.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методологии планирования и организации системной отладки сложных комплексов программ АИУС, формализованных моделей, методов и алгоритмов проведения отладочных работ, обеспечивающих повышение качества программного обеспечения функциональных задач АИУС.

Данная цель достигается посредством решения следующих задач:

— разработка методов повышения качества отладки и внедрения функциональных задач АИУС;

— планирование* системной отладки и опытной эксплуатации комплексов программ АИУС на стадии технического проектирования;

— выбор оптимальной стратегии системной отладки комплексов программ АИУС;

— разработка методов реорганизации модульных комплексов программ АИУС.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием аппарата исследования операций, теории графов, методов оптимизации и других методов современной информатики и теории управления.

Научная новизна.

Разработана методология планирования и организации системной отладки, основу которой составляет многоэтапный итерационный процесс получения комплекса программ с заданными показателями качества.

Предложены модели, методы и алгоритмы оптимального планирования и организации комплексной отладки АИУС, основанные на определении состава и последовательности отлаживаемых структур исследуемого комплекса программ, совокупности «заглушек» и «драйверов» по критериям минимума временных и стоимостных затрат на проведение отладочных работ, а также на выборе множества тестов, позволяющих получить заданные значения показателей качества с использованием таблиц «компоненты-маршруты» и «маршруты-тесты».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методология планирования и организации отладки, определяющая методы и этапы отладочных работ, и последовательность их проведения для комплексов прикладных программ АИУС.

2. Основные показатели качества комплексов программ АИУС, характеризующие степень отлаженное&tradeисследуемого комплекса программ и его пригодности к эксплуатации после проведения отладки, и методы получения их количественных значений.

3. Основные требования и особенности оценки и планирования отладочных работ на этапе технического проектирования АИУС.

4. Общая задача максимизации объема отладочных работ при ограничении на выделенные ресурсы на этапах системной отладки и опытной эксплуатации комплексов программ АИУС.

5. Определение необходимого объема тестов и отладочных данных с использованием графа взаимодействия программ.

6. Методы и алгоритмы расчета средней длины и среднего количества маршрутов обработки информации на графовых моделях комплекса программ.

7. Определение состава и последовательности отлаживаемых подструктур комплекса программ, «заглушек» и «драйверов».

8. Метод выбора оптимального множества тестов для локализации обнаруженных ошибок, обеспечивающих минимальное время или стоимость на проведение процесса локализации при заданной полноте проверки исследуемых структур комплекса программ.

9. Математическая модель отладки, базирующаяся на рассмотрении программы в виде отображения пространства входов программного модуля в пространство его выходов.

10. Задачи выбора оптимального периода реорганизации РБД при заданных стратегиях и различных типах структурных изменений предметных областей пользователей.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Предложенные в работе постановки задач оптимизации отладки, методы и алгоритмы их решения позволяют формализовать, оптимизировать и в значительной степени автоматизировать процессы планирования и проведения отладки сложных комплексов программ АИУС, а также повысить качество программного обеспечения, передаваемого в эксплуатацию, и снизить затраты и время на проведение работ по его отладке и изменениям.

Разработанные модели и методы позволяют оптимизировать процесс отладки и повысить качество сложных комплексов программ АИУС. Использование предлагаемой методологии планирования и организации отладки и совокупности формализованных моделей, методов и алгоритмов обеспечивает существенное снижение (на 15 — 20%) временных и стоимостных затрат на отладку при нормативных трудозатратах.

Внедрение. Предложенная методология планирования и организации отладки, методы выбора оптимальной стратегии отладки, методы выбора тестовых множеств и организации процессов тестирования по различным показателям применены при разработке и отладке различных функциональных задач АИУС РГГУ, что позволило повысить качество проектных решений, уменьшить количество необнаруженных ошибок, сократить трудоемкость и время проведения отладки на 20 — 25%.

В целом использование разработанных методов оптимизации комплексной отладки позволит получить существенный экономический эффект.

Апробация результатов диссертационного исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях: «Проблемы управления безопасностью сложных систем», Москва 2007, 2008 гг., «Проблемы регионального и муниципального управления», Москва 2007, 2008, 2009 гг.

Публикации. Результаты проведенных автором научных исследований опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 2 в изданиях, перечень которых утвержден ВАК РФ.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы.

Список литературы

содержит 79 наименований.

Заключение

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе проведенного обзора существующих методов обеспечения качества и эффективности отладки сложных комплексов программ на этапе системной отладки и анализа возможностей их совершенствования показана эффективность использования комплексного подхода к контролю, анализу и отладке программ при разработке АИУС.

2. Разработана методология планирования и организации отладки, определяющая методы и этапы отладочных работ и последовательность их проведения для комплексов программ АИУС, характеризующихся большим количеством взаимосвязанных структурированных программных модулей, выполняемых функций, большими объемами перерабатываемой информации и повышенными требованиями к времени функционирования, защите от несанкционированного доступа, надежности, достоверности исходных данных и т. п. Данная методология основана на представлении отладки в виде многоэтапного итеративного процесса получения комплекса программ с заданными показателями качества. Систематизированы также основные показатели качества комплексов программ АИУС, характеризующие степень отлаженности исследуемого комплекса программ и его пригодности к эксплуатации после проведения отладки, и методы получения количественных значений показателей качества.

3. Сформулированы основные требования и выявлены особенности оценки и планирования отладочных работ на этапе технического проектирования АИУС. В качестве формальных моделей правил, последовательности решения и отладки задач АИУС предложено использовать язык таблиц решений и графы взаимодействия программ. С использованием таблиц решений поставлена общая задача максимизации объема отладочных работ при ограничении на выделенные ресурсы на этапах системной отладки и опытной эксплуатации комплексов программ АИУС. Приведены наиболее целесообразные практические постановки задач планирования отладочных работ и предложен эффективный алгоритм их решения, использующий схему «ветвей и границ». Использование языка таблиц решений позволяет проводить предварительную оценку требуемых ресурсов на решение задач АИУС и их отладку на начальных этапах технического проектирования.

На завершающих этапах технического проектирования для определения необходимого объема тестов и отладочных данных предложено использовать граф взаимодействия программ, получаемый в результате преобразования функциональной блок-схемы решения задачи. Граф взаимодействия программ является удобной формальной моделью анализа состава и объемов отладочных работ на уровне функциональных тестов комплексов программ. Характеристики отладки связываются с производительностью и затратами обрабатывающих и контролирующих устройств, выполняющих работы заданного объема за определенное время. При этом ставятся и решаются задачи определения объемов отладочных работ в выделенные календарные сроки для различных стратегий отладки заданного комплекса программ АИУС.

4. Поставлена общая задача выбора оптимальной стратегии системной отладки. В' качестве критериев оптимальности использованы временные и стоимостные характеристики этапов системной отладки, в качестве ограничений — ограничения структурного типа, задающие множество допустимых стратегий проведения отладочных работ. Разработаны методы и алгоритмы расчета средней длины и среднего количества маршрутов обработки информации на графовых моделях комплекса программ, позволяющие определять временные и стоимостные характеристики различных стратегий организации и проведения системной отладки.

5. Разработаны методы выбора оптимальной стратегии системной отладки комI плекса программ АИУС из множества заданных стратегий. Предложенные методы определяют состав и последовательность отлаживаемых подструктур комплекса программ и состав программ «заглушек» и «драйверов» при минимальных временных или стоимостных характеристиках системной отладки. Разработан метод выбора оптимального множества тестов для локализации обнаруженных ошибок, обеспечивающих минимальное время или стоимость на проведение процесса локализации при заданной полноте проверки исследуемых структур комплекса программ.

6. Исследованы процессы внесения изменений в модульное программное обеспечение. Предложена математическая модель отладки, базирующаяся на рассмотрении программы в виде отображения пространства входов программного модуля в пространство его выходов. Процесс реализации программы рассматривается какпоследовательность таких отображений, а процесс поиска ошибок связывается с поиском ошибочных отображений в последовательности. Число ошибок программного обеспечения связывается с числом состояний системы, а процесс их обнаружения связывается с переходом системы из одного состояния в другое, что обеспечивает учет «волнового» эффекта. Скорость обнаружения ошибок измеряется временем обнаружения одной ошибки, которое является случайной величиной с известным распределением.

7. Поставлены и решены задачи выбора оптимального периода реорганизации РБД при заданных стратегиях и различных типах структурных изменений предметных областей пользователей. Для каждой из выделенных стратегий реорганизации предложены и исследованы методы ее проведения. Поставлены и решены задачи определения оптимального периода реорганизации в заданном классе стратегий, обеспечивающего минимум суммарных потерь в РБД, связанных с невозможностью получения требуемой информации или получением неадекватных данных, а также с затратами на реорганизацию.

8. Предложенные методы использованы для повышения эффективности функционирования и реорганизации АИУС РГГУ.