Разработка моделей и алгоритмов многоальтернативной оптимизации для САПР корпоративных информационных систем

Актуальность темы

.

Широкое распространение информационных технологий привело к формированию отдельного класса объектов проектированиякорпоративных информационных систем (ИС). В настоящее время созданы научно-технические условия, позволяющие ставить и решать задачи разработки ИС средствами САПР. Однако математическое обеспечение этих систем автоматизации построено таким образом, что основные процедуры ориентированы на автоматический анализ по заданным требованиям. Результаты анализа средствами САПР в форме CASE — технологий предъявляются проектировщику, и ему дается возможность коррекции сформированного на предыдущем этапе варианта ИС. Далее весь цикл повторяется.

В то же время существует компонент САПР корпоративных ИС, который развит в недостаточной мере. Это подсистема принятия проектных решений на основе методов оптимизации. Именно корректностью и эффективностью процедур принятия решений во многом обеспечивается успех автоматизации проектирования, особенно на ранних этапах, связанных с выбором компонентов программно-технического комплекса и структуры распределенной базы данных ИС. Отсутствие этих процедур в рамках CASEтехнологий приводит к многочисленным повторным циклам поиска рационального варианта, чт определяет существенные затраты на проектные работы по созданию корпоративных информационных систем.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется необходимостью создания математического обеспечения для повышения уровня автоматизации и интеллектуальной поддержки процесса принятия оптимальных проектных решений на ранних стадиях проектирования, которое интегрируется в среду CASEтехнологий и обеспечивает повышение эффективности выбора варианта корпоративной ИС, в наибольшей степени соответствующего заданным требованиям.

Работа выполнена в рамках основного научного направления Воронежского государственного технического университета «САПР и системы автоматизации производства».

Цель и задачи исследования

.

Целью диссертации является разработка комплекса моделей, алгоритмов и программных средств оптимизации интеллектуальной поддержки проектировщика при реализации ранних этапов САПР корпоративных информационных систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: проанализировать подходы к построению математического обеспечения САПР корпоративных ИС и определить пути повышения их эффективности на ранних этапах проектирования в комбинации с использованием CASEтехнологийсформировать многоальтернативную оптимизационную модель и алгоритмическую процедуру автоматизированного выбора компонентов программно-технического комплекса ИС на основе трансфера типовых решенийразработать имитационную модель корпоративной ИС и на ее основе алгоритмическую схему оптимизации структурного синтеза распределенной базы данныхоценить эффективность использования разработанных моделей и оптимизационных процедур при автоматизированном проектировании ИС территориального фонда медицинского страхования.

Методы исследования.

При выполнении работы использованы основные положения системного анализа, теории систем автоматизированного проектирования, методы имитационного моделирования, моделирования сетей Петри, теории вероятностей, математической статистики, оптимизации, исследования операций и принятия решений. Научная новизна.

В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной: оптимизационная модель и алгоритм автоматизированного выбора программно-технического комплекса корпоративной информационной системы, отличающиеся математическими приемами формализованного представления процесса трансфера типовых решений с объединением в рандомизированной среде генерации и агрегации перспективных проектных решенийпроцедура структурного синтеза распределенной базы ИС, позволяющая реализовать поисковые процедуры и многокритериальный выбор при нечетко заданных требованиях на базе имитационной модели, построенной на основе иерархии транзакциймногоальтернативная оптимизационная модель автоматизированного выбора числа параллельных обработок и назначения приоритетов при автоматизированном проектировании распределенной БД, отличающаяся способом интеграции альтернативных переменных в описании последовательности дискретных событий в виде модифицированной сети Петри и в совокупность правил имитации функционирования сетиструктурная схема интегрированной среды моделирования и рационального выбора проектных решений, ориентированная на ранние этапы автоматизированного проектирования корпоративных ИС и обеспечивающая снижение затрат на проектирование, повышение уровня технико-экономических показателей в условиях активного трансфера типовых решений.

Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая значимость заключается в следующем: разработаны структурные схемы алгоритмов, объединенные в интегрированную среду моделирования и рационального выбора и обеспечивающие повышение эффективности принятия решений на ранних этапах проектирования корпоративных информационных систем сформирована совокупность диаграмм вариантовклассов, деятельности, компонентов, развертывания, определяющая конфигурацию транзакций при моделировании ИС в среде UMLсозданы программно-методические средства принятия рациональных проектных решений на основе имитационного моделирования, поддерживающие в САПР корпоративных ИС этапы автоматизированного выбора компонентов программно-технического комплекса и структурного синтеза распределенной базы данных.

Результаты работы внедрены при реализации ранних этапов проектирования корпоративной информационной системы территориального фонда обязательного медицинского страхования Воронежской области, что позволило улучшить временные характеристики системы в пределах 10%. Они используются при выполнении курсового и дипломного проектирования по специальности «Информационные системы и технологии» в Воронежском государственном техническом университете.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции и российской научной школе молодых ученых и специалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных систем» (Воронеж, 2001) — Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы (Воронеж, 2003, 2004) — ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (2001;2004) — заседаниях тематического семинара кафедры САПР и информационных систем (20 012 004).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения на 102 страницах, списка литературы (92 наименования), приложения, содержит 46 рисунков, 4 таблицы.

Выводы четвертой главы.

1. Для эффективного использования разработанных оптимизационных процедур целесообразным является их комплексирование в интегральную среду предметно-ориентированной САПР с учетом ряда характеристик, определяющих соответствие процесса проектирования конкретной задачей структурного синтеза, базовой структуре и типу модели ИС, возможностям совмещения ретроспективной и экспертной информации.

2. Основное различие, приводящее к разной структуре интегрированной среды для задачи автоматизации выбора компонентов программно-технического комплекса и автоматизации синтеза распределенной БД, состоит в количестве перспективных вариантов, которое формируется в рамках рандомизированной среды многоальтернативной оптимизации и необходимости введения процедуры агрегации вариантов.

3. Целесообразность введения в предметно-ориентированную среду CASE-технологий оптимизированных процедур подтверждается оценкой эффективности в режиме имитационного моделирования функционирования спроектированной с применением разработанных средств корпоративной информационной системы ТФОМС Воронежской области.

Заключение

.

Разработка математического обеспечения, направленного на интеллектуальную поддержку проектировщика, является одним из основных направлений теории и практики автоматизированного проектирования. Особую значимость приобретает интеграция новых моделей и алгоритмов в среду унифицированных САПР корпоративных ИС, основанных на CASE-технологиях, на ранних этапах проектирования именно такую цель преследует разработка процедур многоальтернативной оптимизации и рационального выбора, предложенных в работе. Они позволяют за счет возможностей комбинаторных, имитационных и оптимизационных моделей интегрировать на уровне задач структурного синтеза транзакционную среду UML, средства взаимодействия проектировщика, предусмотренные в CASE-продуктах программного обеспечения. Тем самым, обеспечена оптимизация принятия проектных решений за счет сокращения затрат на повторные циклы проектирования при автоматизированном выборе компонентов программно-технического комплекса и оптимизации распределенной базы данных корпоративных информационных систем.

Основными результатами работы являются следующие:

1. Проведен анализ тенденций развития математического обеспечения САПР корпоративных ИС, направленных на повышение эффективности процессов принятия проектных решений. Показано, что перспективные направления создания системной среды, параллельного проектирования, использования экспертных систем косвенно влияют на решения этой проблемы и требуется интеграция возможностей многоальтернативной оптимизации, специальных средств имитационного моделирования и программной среды CASE-технологий.

2. Сформирована многоальтернативная оптимизационная модель автоматизированного выбора компонентов программно-технического комплекса корпоративных ИС, адекватная процессу активного трансфера типовых решений, реализованных и показавших эффективность в других системах аналогичного назначения.

3. Проведем выбор структуры и параметров многоуровневой алгоритмической схемы, позволяющей вести направленный поиск множества перспективных вариантов в рапромизированной среде и определена последовательность и способ вычисления вариаций по переменным многоальтернативной оптимизационной модели автоматизированного выбора.

4. Построена интегрированная среда формирования множества перспективных вариантов в режиме вариационного моделирования, их агрегации с использованием генетических алгоритмов и рационального выбора компонентов программно-технического комплекса ИС на основе экспертных лингвистических оценок.

5. Разработана структура вложенной имитационной модели ИС, использующей возможности специализированного языка UML для описания иерархии транзакций, в рамках многоальтернативной модели структурного синтеза распределенной базы данных проектируемой корпоративной информационной системы.

6. Предложен способ введения альтернативных переменных в модель корпоративной сети Петри, позволяющий автоматизировать выбор рационального числа параллельных обработок и назначения приоритетов на выполнение определенных условий обработки при структурном синтезе распределенной БД ИС.

7. Введены дополнительные уровни вычисления вариаций в рапромизированной среде для учета особенностей многоальтернативных моделей структурного синтеза распределенной БД, связанных с наличием ограничений и необходимости многокритериального выбора на основе нечетко заданных требований.

8. Предложен подход к формированию интегрированной среды предметно-ориентированной САПР ИС, позволяющий комплексировать модули вариационного моделирования и рационального выбора с учетом типа имитационной модели, класса задачи структурного синтеза, классификационных признаков процесса принятия проектных решений и возможностей сочетания ретроспективной в форме базы данных и текущей экспертной информации.

9. Комплекс моделей, алгоритмов и программных средств вариационного моделирования, агрегации и рационального выбора внедрен при автоматизированном проектировании корпоративной ИС ТФОМС. Оценки полученные в режиме имитационного моделирования функционирования спроектированной системы показывает 10% снижение среднего времени обработки запросов прямого и обратного потоков за счет оптимизации структуры распределенной БД.