Описание подходов к проектированию информационных систем

При анализе и проектировании информационных систем применяются два основных подхода: структурный и объектно-ориентированный. Данные подходы имеют существенные различия, которые заключаются в следующем:

– принципы организации и декомпозиции элементов;

– хранение свойств и методов объектов;

– организация внутренних модулей системы.

Структурный и объектно-ориентированный подходы имеют разные принципы структурной организации и декомпозиции элементов, компонентов и модулей исследуемой или проектируемой системы. Согласно этим принципам система представляет собой структуру, состоящую из четко выраженных модулей, связанных между собой определенными отношениями [9].

При использовании структурного подхода (первый вид декомпозиции) выполняется функциональная (процедурная, алгоритмическая) декомпозиция системы, которая представляется в виде иерархии (дерева) взаимосвязанных функций. На макро-уровне система представляется единым целым с наивысшей степенью абстракции. А в процессе детализации или добавления уровней разбивается на функциональные компоненты с более конкретным содержанием.

Второй вид декомпозиции – объектно-ориентированный. В рамках этого подхода система разбивается на набор объектов, соответствующих объектам реального мира, взаимодействующих между собой путем посылки сообщений.

Второе отличие указанных двух подходов заключается в различном хранении и понимании свойств и методов объектов. При объектно-ориентированном подходе главным является понятия объекта, в котором объединяются атрибутивные данные (характеристики, свойства) и поведения (функции, методы). В структурном или функционально-ориентированном подходе функции и данные хранятся (существуют) отдельно [6].

Третьим отличием структурного и объектно-ориентированного подходов является организация внутри модулей системы. В структурном подходе модуль состоит из функций, иерархически связанных между собой отношением композиции (англ. part-of – часть-целое), т. е. функция состоит из подфункций, подфункция из подподфункций и т.д.

В объектно-ориентированном подходе иерархия выстраивается с использованием двух отношений: композиции и наследования (англ. is-a – это есть). При этом в объектно-ориентированном подходе «объект-часть» может включаться сразу в несколько «объектов-целое». Таким образом, модуль в структурном подходе представляется в виде дерева, а в объектно-ориентированном подходе – в виде ориентированного графа, т. е. с помощью более общей структуры.

В литературе указывается, что объектно-ориентированный подход является продолжением или развитием структурного подхода [12].

При анализе и проектировании структурным подходом принято называть метод исследования системы, основанный на представлении ее в виде иерархии взаимосвязанных функций. Обычно описание системы начинается с ее общего обзора и затем детализируется, приобретая иерархическую структуру со всё большим числом уровней.

Разбиение на уровни абстракции производится с ограничением числа элементов на каждом из них. Описание каждого уровня включает в себя только существенные для этого уровня элементы (принцип абстрагирования).

Процесс разбиения продолжается вплоть до конкретных процедур, дальнейшая детализация которых не имеет смысла. При этом автоматизируемая система должна сохранять целостное представление, в котором все составляющие ее компоненты взаимоувязаны (принцип согласованности).

Большинство методологий структурного анализа и проектирования основано на представлении моделей разрабатываемых систем в виде диаграмм. Наиболее популярные из них следующие:

– функциональная (SADT, Structured Analysis and Design Technique, методология структурного анализа и проектирования);

– функциональная или компонентная (DFD, Data Flow Diagrams, диаграммы потоков данных);

– информационная (ERD, Entity-Relationship Diagrams, диаграммы «сущность-связь»);

– поведенческая (Flowcharts, блок-схемы);

– функциональная или поведенческая (EPC, Event-driven Process Chain, событийная цепочка процессов);

– функциональная или поведенческая (BPMN, Business Process Model and Notation, модель и нотация бизнес-процессов) [10].

Наиболее популярными методологиями, поддерживающими объектно-ориентированный подход, являются:

– унифицированный процесс (Unified Process, UP);

– экстремальное программирование (eXtreme Programming, XP);

– гибкое моделирование (Agile Modeling, AM).

Базовым средством фиксации (документирования) результатов проектирования систем посредством этих методологий является унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language, UML) [12].

Структурный и объектно-ориентированный подходы имеют как преимущества, так и недостатки.

К преимуществам структурного подхода относятся:

– возможность проведения глубокого анализа бизнес-процессов, выявления узких мест: комплексное применение позволяет выявить все возможные рассогласования и неточности;

– применение универсальных графических языков моделирования IDEF0, IDEF3 и DFD обеспечивает логическую целостность и полноту описания, необходимую для достижения точных и непротиворечивых результатов;

– проверенность временем и широкое распространение среди аналитиков и разработчиков.

К недостаткам структурного подхода относятся:

– низкая наглядность модели для неподготовленных пользователей: при увеличении количества уровней представления, анализа и модификация моделей становятся затруднительными;

– сложность восприятия иерархически упорядоченной информации;

– необходимость следования жесткой структуре, которая не всегда необходима.

К преимуществам объектно-ориентированного подхода относятся:

– комплексный подход к анализу системы;

– возможность рассмотрения объекта с разных точек зрения: разные уровни писания, обеспечивающие поддержку концепции жизненного цикла систем;

– дифференцированный взгляд на анализируемый объект, организацию, систему управления и т.д.

К недостаткам объектно-ориентированного подхода относятся:

– необходимость предварительного серьёзного обучения работе с методологией;

– избыточность методологии для анализа;

– невозможность генерации каких-либо кодов или баз данных при проектировании.

При выборе любого подхода к проектированию следует применять в дополнение системный подход, так как он позволяет изучить свойства и структуру системы.

Системный подход – это набор правил применения системного анализа, подход к исследованию объекта (проблемы, явления, процесса) как к системе, в которой выделены элементы, внутренние и внешние связи, наиболее существенным образом влияющие на исследуемые результаты его функционирования, а цели каждого из элементов определены исходя из общего предназначения объекта. Можно также сказать, что системный подход – это такое направление методологии научного познания и практической деятельности, в основе которого лежит исследование любого объекта как сложной системы.

Системный подход подразумевает прохождение трех ступеней анализа:

– определение целого (системы), частью которого является интересующий нас объект;

– объяснение поведения или свойств этого целого (системы);

– объяснение поведения или свойств интересующего нас предмета с точки зрения его функций в этом целом, частью которого он является.

При системном подходе синтез предшествует анализу, а объясняемый предмет рассматривается как часть некоторого целого.

При применении системного подхода используются следующие правила.

– целое как первичное порождает при делении на компоненты системы. Компоненты или элементы системы вторичны и являются составляющими целого (системы);

– простое суммирование отдельных свойств единой системы не равнозначно свойствам всей единой системы (целого). Свойств системы нельзя вывести свойства ее компонентов. Все свойства системы порождаются всей совокупностью элементов или подсистем;

– количество элементов системы или подсистем, определяющих ее размер, должно быть минимальным, но достаточным для реализации целей системы;

– структура системы должна быть гибкой, с наименьшим числом жестких связей, способной быстро перестраиваться на выполнение новых задач, оказание новых услуг и т. п.;

– структура системы должна быть такой, чтобы изменения в вертикальных связях компонентов системы оказывали минимальное влияние на функционирование системы. В социо-организационных структурах для этого следует обеспечивать: делегирование полномочий субъектам управления, оптимальную самостоятельность и независимость объектов управления. В информационных системах следует строить структуру таким образом, чтобы изменение внутренней структуры одной подсистемы не требовала основательной модернизации других подсистем;

– количество горизонтальных связей между компонентами одного уровня системы должно быть минимальным, но достаточным для нормального функционирования системы. Установление горизонтальных связей способствует передаче знаний и навыков, обеспечивает координацию действий компонентов одного уровня по достижению целей системы. Уменьшение количество горизонтальных связей ведет к повышению устойчивости и оперативности функционирования системы;

– при установлении взаимосвязей и взаимодействия системы с внешней средой следует строить модель типа «черный ящик» и первоначально формулировать параметры «выхода», затем определять воздействие факторов макро- и микросреды, требования к «входу» и его параметры, каналы обратной связи и в последнюю очередь проектировать параметры процесса в системе;

– сложные системы с большим количеством элементов или подсистем невозможно описать полностью с указанием всех внутренних и внешних параметров, влияющих на функционирование системы. Это относится прежде всего к социально-экономическим системам. В информационных системах следует стремится к описанию всех параметров, но учитывать соотношение уровня сложности системы при возрастании бесконечного количества ее параметров;

– количество связей системы с внешней средой должно быть минимальным, но достаточным для нормального функционирования системы. Чрезмерный рост числа связей усложняет управляемость системы, а их недостаточность снижает качество управления. При этом должна быть обеспечена необходимая самостоятельность компонентов системы, поскольку для обеспечения адаптивности система должна иметь возможность быстрого изменения своей структуры;

– любая система должно быть максимально открытой, чтобы обеспечивать её совместимость с другими системами на основе принятых правил стандартизации. При обеспечении открытости системы следует проверять и уровень безопасности, который при повышенной открытости может сделать систему уязвимой;

– любая система преследует цель или предназначается для выполнения определенных функций. Для определения стратегии развития системы следует строить дерево целей. При этом следует помнить, что цели системы и цели ее компонентов, как правило, не совпадают. Каждый элемент или компонент системы выполняет свои функции, который в совокупности позволяют выполнять единой предназначения системы;

– при формировании миссии и целей системы следует отдавать приоритет интересам системы более высокого уровня как гарантии решения глобальных проблем;

– при формулировании целей и стратегии развития системы следует учитывать, что внешняя среда системы может характеризоваться неопределенностью факторов, рисками и вероятностным характером значений параметров и возникающих ситуаций;

– все компоненты должны выполнять конкретную задачу по достижению цели системы. Элементы системы могут быть избыточными. Если без такого элемента компонента можно достичь цели системы, то этот компонент следует убрать из системы;

– при построении дерева целей системы и оптимизации ее функционирования следует изучать проявление свойства ее мультипликативности. Например, безотказность системы определяется не сложением, а умножением коэффициентов безотказности ее компонентов;

– при построении структуры системы и организации ее функционирования следует учитывать, что все процессы взаимообусловлены;

– при определении стратегии системы следует обеспечивать альтернативность путей ее функционирования и развития на основе прогнозирования различных ситуаций. Наиболее непредсказуемые фрагменты стратегии следует планировать по нескольким вариантам;

– при организации функционирования системы следует учитывать, что ее эффективность не равна сумме эффективностей функционирования всех компонентов системы. При взаимодействии компонентов возникает положительный (дополнительный) или отрицательный эффект синергии. Для получения положительного эффекта синергии необходимо иметь высокий уровень организованности системы;

– для снижения инерционности функционирования системы, т. е. увеличения скорости изменения выходных параметров при изменении входных параметров или параметров функционирования системы, следует ориентировать производство на интегрированные автоматизированные модули и системы, обеспечивающие мобильность производства и быстрое реагирование на изменения;

– структура и содержание системы формируются на идеях и принципах стандартизации, без соблюдения которых она не может функционировать. Глобальная конкуренция повышает удельный вес стандартизованных систем и их компонентов, особенно в международном масштабе;

– единственным путем развития организационно-экономических и производственных систем является инновационный;

– из всех показателей качества систем приоритет следует отдавать надежности как совокупности проявляющихся свойств безотказности, долговечности и изменяемости;

– при обосновании внесения изменений в структуру или параметры системы следует изучать приоритетные и вторичные признаки системы. При этом приоритетные признаки должны наиболее полно описываться и разрабатываться, так как они оказывают значительный вклад на выполнение функций системы.

Для исследования сложных систем применяются различные подходы к сочетанию процедур анализа и синтеза.

В общих чертах в рамках системного анализа исследуются факторы внутренней среды организации, факторы внешней среды организации, а сама она рассматривается как открытая, динамично развивающаяся система.

Первая задача системного анализа – формулировка целей системы и критериев их достижения, которые должны быть выражены в виде конкретных показателей. Имея конкретные, четко сформулированные цели, можно выявить и проанализировать факторы, способствующие либо препятствующие достижению этих целей. Следующая задача системного анализа – определение глобальной цели развития системы.

Далее исследуются параметры «выхода» (товары или услуги). Затем определяют параметры «входа», т.е. исследуется потребность в ресурсах, организационно-технический уровень системы, параметры внешней среды, параметры процессов.

При этом нужно отметить, что не существует универсальной методики проведения системного анализа, и руководящие принципы также не являются универсальными. Каждое исследование имеет свои особенности и требует от исполнителей интуиции, инициативы и воображения, чтобы, в частности, определить цели проекта и добиться успеха в их достижении. При этом, выбрав конкретный алгоритм выполнения работ по системному анализу, необходимо следовать предписаниям именно этого алгоритма.

В качестве примера ниже приведены примерные процедуры системного анализа при принятии решения и исследовании системы управления.

Основные процедуры системного анализа при принятии управленческого решения:

– изучение структуры системы, анализ ее компонентов, выявление взаимосвязей между отдельными элементами;

– сбор данных о функционировании системы, исследование информационных потоков, наблюдения и эксперименты над анализируемой системой;

– построение моделей;

– проверка адекватности моделей, анализ неопределенности и чувствительности;

– исследование ресурсных возможностей;

– определение целей системного анализа;

– формирование критериев;

– генерирование альтернатив;

– реализация выбора и принятие решений; внедрение результатов анализа.

Для исследования сложных систем необходимо особое единство процедур синтеза и анализа. Существуют разные подходы к их сочетанию. Ниже приведен один из перечней процедур системного анализа, который может быть эффективно применен к исследованию таких систем, как предприятие:

– определить границы исследуемой системы. Эти границы условны и диктуются конкретной задачей исследования. Например, границы системы «корпорация» в одном случае могут быть определены списочным составом постоянного персонала, в другой задаче – постоянным персоналом плюс всеми акционерами компании, в третьем случае эти пределы расширяются за счет всех временно привлекаемых специалистов, экспертов, консультантов и т.д. Затем можно расширить эти границы за счет всех поставщиков компании, ее потребителей и любых иных субъектов каким-либо образом с ней связанных с компанией;

– определить все надсистемы, в которые входит исследуемая система в качестве части. При этом необходимо ограничиться лишь кругом наиболее значимых надсистем. Так, если мы выясняем воздействие на предприятие экономической среды, то именно она и будет той надсистемой, в которой следует рассматривать его функции. Предприятие следует также изучать в составе политических, социальных, экологических, государственных, международных и других надсистем. Становится ясной необходимость сознательного изучения среды, окружающей предприятие;

– определить основные черты и направления развития всех надсистем, которым принадлежит данная система, в частности, сформулировать их цели и противоречия между ними;

– определить роль исследуемой системы в каждой надсистеме, рассматривая эту роль как средство достижения целей надсистемы. Следует рассматривать как ожидаемую, так и реальную роль системы с точки зрения надсистемы; пример: оценка потребностей покупателей в конкретном виде товаров, их количестве и качестве, и с другой стороны – оценка параметров реально выпускаемого товара;

– выявить состав системы, т.е. определить части, из которых она состоит. Нередко исследовательская задача требует не только расчленения системы на составные части, но и расчленения компонентов, из которых состоят сами части. Глубина декомпозиции определяется потребностями конкретной задачи системы.

– определить структуру системы, представляющую собой совокупность связей между компонентами. Здесь следует отметить многоструктурность любой системы;

– определить функции компонентов системы, т.е. целенаправленные действия компонентов, их вклад в реализацию роли системы в целом;

– выявить причины, объединяющие отдельные части в систему, в целостность (интегрирующие факторы). Основным интегрирующим фактором при создании социо-организационных систем является человеческая деятельность. Первичным интегрирующим фактором является цель. Определение реальной цели, послужившей причиной создания той или иной системы, является непростой задачей, поскольку цель в любой сфере деятельности представляет собой сложное сочетание различных противоречивых интересов;

– определить связи системы с внешней средой. Здесь также необходимо также определить внешние системы, которым принадлежат компоненты исследуемой системы. Так, например, следует определить все системы, которым принадлежат работники предприятия – профсоюзы, политические партии, семьи, системы социокультурных ценностей и этических норм, этнические группы и т.д.

Необходимо также детально знать связи структурных подразделений и работников предприятия с системами интересов и целей потребителей, конкурентов, поставщиков, зарубежных партнеров и пр. Нужно также видеть связь между используемыми на предприятии технологиями и «пространством» научно-технического процесса и т.п. Осознание органического, хотя и противоречивого единства всех систем, окружающих предприятие позволяет понимать причины его целостности, предотвращать процессы, ведущие к дезинтеграции;

– рассмотреть исследуемую систему в динамике (развитии). Это означает сформулировать историю системы, источник ее возникновения, периоды становления, тенденции и перспективы развития, переходы к качественно новым состояниям.

Необходимость динамического подхода к исследованию систем легко показать на сравнении двух предприятий, у которых в какой-то момент времени совпали значения одного из параметров, например, объема продаж. Из этого совпадения не вытекает, что предприятия занимают одинаковое положение на рынке: одно из них может набирать силу, двигаться к расцвету, а другое, наоборот, переживать спад.

При проектировании информационных систем системный анализ включает следующие этапы предпоектного исследования системы управления:

– сбор сведений об объекте автоматизации (организации или ее части);

– анализ сведений, который включает следующие подэтапы: описание предметной области (организации или ее части) и моделирование предметной области.

Методы и средства выполнения процедур системного анализа выбираются в процессе исследования и создания конкретной системы.

Системный анализ ИС начинается с описания и анализа функционирования рассматриваемого объекта (системы) в соответствии с требованиями (целями), которые предъявляются к нему. В результате этого этапа выявляются основные недостатки существующей ИС, на основе которых формулируется потребность в совершенствовании системы управления этим объектом, и ставится задача определения экономически обоснованной необходимости автоматизации определенных функций управления, то есть создается технико-экономическое обоснование проекта. После определения этой потребности возникает проблема выбора направлений совершенствования объекта на основе выбора программно-технических средств. Результаты оформляются в виде технического задания на проект, в котором отражаются технические условия и требования к ИС, а также ограничения на ресурсы проектирования.